DE4224469A1 - Hydraulisches Wegeventil in Kolbenschieber-Bauweise - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Wegeventil in Kolben­ schieber-Bauweise nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher an­ gegebenen Gattung.

Gattungsgemäße Wegeventile sind durch die DE 27 17 384 C2 sowie die DE-GM 88 01 058 bekanntgeworden. Bei diesen hydraulischen Wegeven­ tilen handelt es sich um sogenannte Stetigventile, bei welchen eine Feinsteuerbarkeit des Ventils dadurch gegeben ist, daß die Steuer­ kanten im wesentlichen dreiecksförmige Steuerkerben aufweisen, die bezogen auf den Querschnitt der Steuerflächen zumeist die räumliche Form eines Halbkegels, einer Halbpyramide oder eine ähnliche Form aufweisen. Mit solchen Steuerkerben, die sich über den vollen Hubbe­ reich des Längsschiebers erstrecken, läßt sich eine Feinsteuerung des Ventils mit der gewünschten Genauigkeit erzielen. Mit solchen Geometrien der Steuerkerben läßt sich vor allem im Bereich kleiner Öffnungsquerschnitte und damit im Bereich kleiner Druckmittelströme ein quadratischer Verlauf des Volumenstromes über dem Hub erreichen. Von Nachteil bei diesen Steuerkerben ist nun, daß mit steigendem Vo­ lumenstrom der Einfluß der Verluste im Ventilgehäuse immer großer wird und dadurch der Verlauf der Kennlinie sich abflacht. Die Kenn­ linie des Volumenstroms geht daher in mittleren Sollwertbereichen meist in einen geraden Abschnitt über und kann bei voller Aussteue­ rung des Wegeventils einen degressiven Endabschnitt aufweisen, bei dem also die Steigung abnimmt. Ein solcher Kennlinienverlauf ist vor allem bei Bremsvorgängen von großen Massen ungünstig, wo üblicher­ weise zuerst schnell und anschließend langsam abgebremst werden soll. Ferner ist es unerwünscht, daß die bei solchen Ventilen üblich auftretende Drift bei kleineren Sollwertgrößen zu größeren relativen Fehlern führt.

Ferner ist aus der DE 35 15 563 C1 ein hydraulisches Wegeventil in Kolbenschieber-Bauweise bekannt, an dessen Steuerschieber das Ver­ laufsbild der Steuerkanten dem Verlauf einer Sinusfunktion ent­ spricht. Mit dieser Steuerkantengeometrie soll bei guter Feinsteuer­ barkeit des Ventils eine sprunghafte Änderung der Strömungskräfte vermieden werden. Obwohl hier die Strömungskräfte in Abhängigkeit vom Öffnungsquerschnitt einen progressiv knickfreien Verlauf haben, hat auch dieses Wegeventil den Nachteil, daß der Volumenstrom keine quadratische Funktion über den gesamten Sollwertbereich ergibt. Die Kennlinie für den Volumenstromverlauf bildet hier über dem Sollwert­ bereich im wesentlichen eher eine Gerade. Auch ist hier die Fein­ fühligkeit bei kleinen Volumenströmen begrenzt, da durch den sinus­ förmigen Verlauf der Steuerkanten die Volumenstromkennlinie mit einer definierten Steigung beginnt.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße hydraulische Wegeventil in Kolbenschieber-Bau­ weise mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem­ gegenüber den Vorteil, daß es eine quadratische Funktion für den Vo­ lumenstrom über den gesamten Hubbereich ergibt. Durch diese Ausbil­ dung der Steuerkerben läßt sich der Einfluß der Gehäuseverluste so kompensieren, daß die Volumenstrom-Kennlinie einen stetig ansteigen­ den, im wesentlichen quadratischen Verlauf im Bereich von 0 bis 100% des Sollwertes aufweist. Der quadratische Volumenstromverlauf ist besonders vorteilhaft für die Steuerung von großen Massen, insbeson­ dere bei deren Beschleunigen und Abbremsen. Durch die stetig anstei­ gende Volumenstrom-Kennlinie läßt sich das Wegeventil im Zusammen­ hang mit einer einfacheren Steuerelektronik verwenden. Weiterhin er­ laubt die Geometrie der Steuerkerben bei kleinen Druckmittelströmen eine besonders genaue und feinfühlige Steuerung. Ein weiterer Vor­ teil des Wegeventiles ist, daß die bei solchen Ventilen üblich auf­ tretende Drift im Bereich kleiner Aussteuerung einen geringeren Ein­ fluß hat. Günstig ist ferner, daß die Steuerkerben keine Unstetig­ keiten aufweisen, wie dies bei zusammengesetzten Kerbenformen am Übergang der Kerbenformen der Fall ist. Zudem läßt sich der Steuer­ schieber mit diesen Steuerkerben relativ einfach und kostengünstig herstellen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor­ teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Wegeventils möglich.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge­ stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen

Fig. 1 ein gattungsgemäßes hydraulisches Wegeventil in einer vereinfachten Darstellung, Fig. 2 eine Ansicht des erfindungsge­ mäßen Längsschiebers mit einem Teil der angrenzenden, gehäusefesten Steuerkammern, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Längs­ schiebers nach Fig. 2 und Fig. 4 die Kennlinie für den Volumen­ stromverlauf über dem Sollwert Hub für das erfindungsgemäße Wege­ ventil.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In Fig. 1 ist die sogenannte Hauptstufe eines hydraulischen Ste­ tig-Wegeventils 10 mit Richtungssteuerung in Kolbenschieber-Bauweise dargestellt, welche durch eine nicht näher gezeichnete Vorsteuerung ansteuerbar ist. Das Wegeventil 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dem ein Längsschieber 12 dichtend und gleitend geführt ist. Der Längs­ schieber 12 ist durch zwei sich am Gehäuse 11 abstützende Zentrier­ federn 13 in seiner Mittelstellung gehalten, wobei an den sich ge­ genüberliegenden Enden des Längsschiebers 12 im Gehäuse 11 Druck­ räume 14 zur Aufnahme der Zentrierfedern 13 ausgebildet sind. Die Druckräume 14 weisen Bohrungen 15 auf, welche jeweils eine Verbin­ dung zu der nicht dargestellten hydraulischen Vorsteuerung her­ stellen.

In dem Gehäuse 11 des Wegeventils 10 ist eine axiale Schieberbohrung 16 für den Längsschieber 12 ausgebildet. Der Längsschieber 12 weist in vorliegendem Fall 3 mit Abstand zueinander angeordnete umlaufende Ausnehmungen 17 auf, so daß sich dazwischen zwei den vollen Kolben­ querschnitt aufweisende Kolbenabschnitte 18 ergeben. Die Ausneh­ mungen 17 umfassen ringförmig einen Kolbenkern 19, so daß sich vom Kolbenkern 19 radial abstehende, stirnseitige Steuerflächen 21 an den Kolbenabschnitten 18 ergeben, deren äußerer Rand als Steuerkante 22 dichtend an der Innenfläche der axialen Schieberbohrung 16 glei­ tet. In der in Fig. 1 gezeigten, dem gattungsgemäßen Stand der Technik entsprechenden Darstellung, weisen die Steuerkanten 22 drei­ eckförmige Ausnehmungen 23 auf, von denen mehrere mit Abstand zuein­ ander im Verlauf der den Kolbenabschnitt 18 umfahrenden Steuerkante 22 angeordnet sind. Die Aussparungen 22 haben in Richtung auf den Kolbenkern hin eine an sich bekannte, im wesentlichen halbkegelför­ mige Gestalt.

Gehäuseseitig ist der Längsschieber 12 umgeben von im Gehäuse 11 ausgebildeten, den Längsschieber 12 ringförmig umschließenden Steuerkammern 24, welche über Anschlußbohrungen 25 bis 28 mit außer­ halb des Wegeventils liegenden und daher nicht dargestellten Aggre­ gaten wie Tank, Pumpe, Verbraucher verbunden sind. Dabei sind mit 25 der Anschluß zum Tank, mit 26 der Anschluß zur Pumpe und mit 27 und 28 je ein Anschluß zu einem Verbraucher bezeichnet. Zwischen den an der Schieberbohrung 16 im Gehäuse 11 ausgesparten Steuerkammern 24 sind Gehäusestege 29 angeordnet, welche mit den Steuerkanten 22 des Längsschiebers 12 bei dessen axialer Bewegung zusammenwirken. In üb­ licher Weise sind die beiden außen liegenden Steuerkammern 24 über einen Steuerkanal 31 miteinander verbunden und damit auch mit der Anschlußbohrung 25 zum Tank.

In Fig. 2 ist nun die erfindungsgemäße Ausbildung des Längs­ schiebers 12 dargestellt, und zwar in Form einer Ansicht des Längs­ schiebers 12 in Verbindung mit einem Teilausschnitt der gehäuse­ festen Steuerkammern 24. Beim erfindungsgemäßen Längsschieber 12 sind anstelle der Ausnehmungen 23 nach Fig. 1 nunmehr Steuerkerben 32 angeordnet, deren Form und Ausbildung aus Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 3 erkennbar ist. Die Steuerkerben 32 für das für 4-Wege ausgebildete Ventil sind untereinander im Prinzip gleich ausgebil­ det, so daß im folgenden eine einzige Steuerkerbe 32 beschrieben wird. Die Steuerkerbe 32 weist im Kerbenbeginn eine Dreiecksform auf. Ferner weist die Steuerkerbe 32 eine zwischen der Mantelfläche 33 des Kolbenabschnitts 18 und der Längsachse des Längsschiebers 12 verlaufende Grundfläche 34 auf, die auf einem Durchmesser liegt, der geringfügig größer ist als der Durchmesser des Kolbenkerns 19. Die Grundfläche 34 weist dabei ebenfalls eine Dreiecksform auf, wobei sich deren Schenkel zu der stirnseitigen Steuerfläche 21 hin öffnen und dabei im wesentlichen im Bereich eines spitzen Winkels ver­ bleiben. Von der Grundfläche 34 aus verlaufen Seitenwände 35 nach außen hin zur Mantelfläche 33, wobei die Steuerkerbe 32 in der äußeren Mantelfläche 33 eine schmetter­ lingsförmige Mantelöffnung 36 bildet und damit eine geometrische Form aufweist, mit der ein quadratischer Volumenstromverlauf ermög­ licht wird. Die Seitenwände 35 sind dabei so ausgebildet, daß sich ihr Abstand in radialer Richtung und in Längsrichtung gesehen zu­ nehmend vergrößert, so daß der von der Steuerkerbe 32 gebildete Durchflußquerschnitt eine mehrdimensionale Erweiterung erfährt. Die von der Steuerkerbe 32 in der äußeren Mantelfläche 33 gebildete Man­ telöffnung 36 verläuft daher trichterförmig, liegt in radialer Richtung gesehen über der Grundfläche 34 und ist beträchtlich größer als diese Grundfläche 34. Durch diese Geometrie der Steuerkerbe 32 entspricht der Volumenstromverlauf über diese Steuerkerbe einer Funktion höherer Ordnung, die hier mindestens der vierten Ordnung entspricht. Wie die Fig. 2 in Verbindung mit der perspektivischen Darstellung des Längsschiebers 12 nach Fig. 3 deutlich zeigt, sind an dem rechten Kolbenabschnitt 18 an dessen beiden Steuerflächen 21 jeweils zwei Steuerkerben 32 diametral zueinander angeordnet. Ferner sind am linken Kolbenabschnitt 18 an dessen beiden Steuerflächen 21 jeweils vier Steuerkerben 32 gleichmäßig längs des Umfangs verteilt angeordnet, wobei deren Öffnungsquerschnitt entsprechend der größe­ ren Anzahl der Steuerkerben kleiner ausgebildet ist. Um die Kompen­ sierung der Gehäusewiderstände weiter zu verbessern ist an den stirnseitigen Steuerflächen 21 jeweils ein Hinterschnitt 37 angeord­ net, der hier als angedrehter umlaufender Konus ausgebildet ist.

Die Wirkungsweise des Wegeventils 10 wird wie folgt erläutert, wobei die grundsätzliche Funktion eines hydraulischen Stetig-Wegeventils als an sich bekannt vorausgesetzt wird und auf die Fig. 4 Bezug ge­ nommen wird. Dabei ist in Fig. 4 der Verlauf des Volumenstromes zwischen zwei benachbarten Steuerkammern 24 über eine Steuerkerbe 32 im Verhältnis zum Sollwert aufgetragen, der hier als Hub des Längs­ schiebers 12 aufgefaßt werden kann. Dabei zeigt die Kennlinie 41 die Verhältnisse für den erfindungsgemäßen Längsschieber 12 mit einer Steuerkerbe 32, während die gestrichelte Kennlinie 42 die Verhält­ nisse für ein gattungsbildendes Ventil mit einfachen, dreieckför­ migen Aussparungen 23 veranschaulicht. Aus der Kennlinie 41 für das erfindungsgemäße Wegeventil 10 wird deutlich, daß beim Aufsteuern einer Druckmittelverbindung zwischen zwei Steuerkammern durch die Steuerkerbe 32 ein quadratischer Volumenstromverlauf an­ fänglich erzielt wird, der durch die Dreiecksform im Kerbenbeginn verursacht wird. Mit zunehmendem Aufsteuern der Steuerkerbe 32 und damit steigendem Volumenstrom bleibt dieser progressiv ansteigende Verlauf der Kennlinie 41 erhalten, auch bei maximaler Auslenkung des Steuerschiebers 12 bis zu einem Sollwert von 100%. Die mit steigen­ dem Volumenstrom stärker werdenden Einflüsse der Gehäuseverluste werden dabei durch die besondere Geometrie der Steuerkerben 32 kom­ pensiert, deren Öffnungsquerschnitt sich beim Aufsteuern nach einer Funktion Vierter Ordnung erweitert, so daß für den Volumenstrom Q über das Wegeventil 10 im wesentlichen ein quadratischer Kennlinien­ verlauf erhalten bleibt. Im Gegensatz dazu zeigt die gestrichelte Kennlinie 42 die Verhältnisse beim gattungsbildenden Stand der Tech­ nik, wo durch die Gehäuseverluste mit steigendem Volumenstrom der Kennlinienverlauf immer flacher wird und nach einem geradlinigen Ab­ schnitt schließlich einen degressiven Verlauf nimmt, bei dem sogar die Steigung abnimmt. Im Gegensatz zum gattungsbildenden Ventil mit der Kennlinie 42 können daher beim erfindungsgemäßen Wegeventil 10 die Gehäuseverluste kompensiert werden, so daß über den gesamten Aussteuerbereich näherungsweise der quadratische Verlauf der Kenn­ linie 41 sichergestellt ist.

Der quadratische Volumenstromverlauf ist von besonderem Vorteil beim Steuern großer Massen, wo insbesondere beim Abbremsen zuerst eine schnelle und dann eine langsame Abbremsung erfolgen soll. Durch diese Ausbildung der Steuerkerben 32 wird in günstiger Weise er­ reicht, daß die Steigung der Kennlinie 41 linear mit dem Sollwert zunimmt. Dies hat zur Folge, daß kleine Volumenströme besonders feinfühlig gesteuert werden können. Außerdem ist von Vorteil, daß die bei solchen Stetig-Wegeventilen auftretende Drift im Bereich kleiner Aussteuerung einen geringeren Einfluß als bei herkömmlichen Kerben hat; zudem ist der von der Drift verursachte relative Fehler über den gesamten Sollwertbereich gleich. Die aufgezeigte Gestaltung der Steuerkerben 32 vermeidet auch Unstetigkeiten in der Kerbenform, so daß keine sprunghaften Änderungen von Funktionen wie bei zu­ sammengesetzten Kerbenformen auftreten können.

Der Längsschieber 12 mit den Steuerkerben 32 kann zudem relativ ein­ fach und kostengünstig hergestellt werden. So kann die Kerbenform ohne die Dreiecksspitze auf Drehautomaten, mit in Bahnregelung ein­ bezogenem Hauptantrieb kostengünstig hergestellt werden. Die Drei­ ecksspitze läßt sich anschließend relativ leicht durch Erodieren oder durch Prägen herstellen.

Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Ausführungsform möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (14)

1. Hydraulisches Wegeventil in Kobenschieber-Bauweise mit einem Ge­ häuse, in dessen Schieberbohrung ein Längsschieber dichtend und gleitend geführt ist und bei dem in der Schieberbohrung wenigstens zwei nebeneinanderliegende Steuerkammern ausgebildet sind, die zwischen sich einen Gehäusesteg einschließen, in dem ein Kolbenab­ schnitt des Längsschiebers die Verbindung zwischen den beiden Steuerkammern steuert, wozu der Längsschieber wenigstens eine als Feinsteuerausnehmung dienende, geometrisch so ausgebildete Steuer­ kerbe aufweist, die sich über den gesamten Hubbereich des Längs­ schiebers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkerbe (32) am Öffnungsbeginn durch eine im wesentlichen dreieckige Form einen quadratischen Volumenstromverlauf (41) aufweist und daß mit zunehmendem Öffnungshub durch mehrdimensionale Erweiterung der Steuerkerbe (32) deren Volumenstrom in eine Funktion höherer Ordnung übergeht, so daß nach Kompensation von Gehäuseverlusten ein über dem gesamten Sollwertbereich stetig und progressiv ansteigender Volumen­ stromverlauf (41) verbleibt.

2. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkerbe (32) eine zwischen der Längsachse und der Man­ telfläche (33) des Längsschiebers (12) gelegene, im wesentlichen dreieckförmige Grundfläche (34) aufweist, die sich zu einer stirn­ seitigen Steuerfläche (21) des Kolbenabschnitts (18) hin öffnet und von welcher Grundfläche (34) aus Seitenwände (35) sich nach außen zur Mantelfläche (33) hin erstrecken, welche radial und in Längsrichtung mit sich in beiden Richtungen vergrößerndem Abstand verlaufen, wodurch in der Mantelfläche (33) des Kolbenabschnitts (18) eine über der Grundfläche (34) liegende, sich trichterförmig erweiternde Mantelöffnung (36) der Steuerkerbe (32) gebildet ist.

3. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der allein durch den Öffnungsquerschnitt der Steuer­ kerbe (32) bestimmte Volumenstrom mit zunehmendem Hub des Längs­ schiebers (12) in eine Funktion wenigstens vierter Ordnung übergeht.

4. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet daß die Grundfläche (34) im wesentlichen pa­ rallel zur Längsachse des Längsschiebers (12) verläuft und insbeson­ dere in radialer Richtung in der Umfangsfläche des Kolbenkerns (19) liegt.

5. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß mehrere Steuerkerben (32), insbesondere zwei bis sechs, am Umfang des Kolbenabschnitts (18) gleichmäßig ver­ teilt angeordnet sind.

6. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschieber (12) mehrere Kolbenabschnitte (18) mit Steuerkerben (32) aufweist, insbesondere für eine 4-Wege-3-Stellungs-Funktion vier Steuerkanten (22) aufweist.

7. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge­ kennzeichnet durch seine Verwendung für ein Stetigventil (10).

8. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungslinien der Grund­ fläche (34) bis in die stirnseitigen Steuerflächen (21) hinein mit­ einander einen spitzen Winkel bilden.

9. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die innenliegenden Enden von Grundfläche (34) und Mantelfläche (33) in radialer Richtung im wesentlichen übereinander liegen.

10. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Steuerkerbe (32) ohne dessen Dreiecksspitze auf einem Drehautomaten hergestellt wird und anschließend die Dreiecksspitze, insbesondere durch Erodieren oder Prägen, angeformt wird.

11. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da­ durch gekennzeichnet, daß der Volumenstromverlauf (41) über den ge­ samten Sollwertbereich im wesentlichen nach einer quadratischen Funktion verläuft.

12. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da­ durch gekennzeichnet, daß an einer stirnseitigen Steuerfläche (21) ein Hinterschnitt (37) angeordnet ist.

13. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da­ durch gekennzeichnet, daß am Beginn der Steuerkerbe (32) eine zu­ sätzliche Feinsteuerkerbe angeordnet ist, deren Tiefe kleiner ist als diejenige der Steuerkerbe (32).

14. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da durch gekennzeichnet, daß die axiale Abströmfläche der Steuerkerbe (32) in der stirnseitigen Steuerfläche (21) etwa das Dreifache der für den radialen Durchfluß verfügbaren Mantelöffnung (36) beträgt.