DE4319489C2 - Stetigventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Ste­ tigventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Der Ausdruck Stetigventil ist ein Sammelbegriff für Stellgeräte (Ventile) die aufgrund eines stetigen Ein­ gangssignals den Energiefluß in einem Hydrosystem inner­ halb seines Auslegungsbereichs stetig verstellen. Sie werden überwiegend elektrohydraulisch betätigt. Von ihrem dynamischen Verhalten her unterscheidet man insbesondere Proportionalventile, Regelventile und Servoventile. Von ihrer Aufgabe her unterscheidet man insbesondere Stetig­ druckventile, Stetigstromventile und Stetigwegeventile. Die Erfindung bezieht sich insbesondere auf ein mehrstu­ fig und zwar insbesondere ein zweistufiges Servo- und Proportionalventil.

Es sind bereits zahlreiche Konstruktionen von Stetigven­ tilen bekannt, die aber nicht immer allen Betriebserfor­ dernissen genügen können.

Ein gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgebildetes Stetigventil ist z. B. dem Katalog 2560-200-0/D der Firma Parker Hannifin NMF GmbH zu entnehmen.

Bei einer weiteren bekannten Ventilkonstruktion ist zwi­ schen den beiden Verbraucherkammern A, B eine diese verbindende Drossel vorgesehen. Dabei ist nachteilig, daß sich in den Verbraucherkammern ein hohes Druckniveau ergibt, was Rückwirkungen auf Deckel und Magneten hat. Zudem ist ein zusätzlicher Bauaufwand erforderlich, und die vorge­ sehene Düse kann verstopfen.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich insbesondere auf die Ausbildung des Vorsteuerventils eines insbesondere zweistufigen Stetigventils. Hinsichtlich der Ausbildung eines solchen Vorsteuerventils ist es bereits bekannt ein sogenanntes Kolben/Hülse-System zu verwenden und zwar ausgeführt mit vier nullüberdeckten Steuerkanten. Dabei beträgt das Druckniveau in den Verbraucherkammern ungefähr den halben Systemdruck, was je nach Höhe des Systemdrucks zu einer hohen Belastung der Deckel, Magnete, deren Befesti­ gungsschrauben und der Dichtungen führt. Im stromlosen Zustand und bei anstehendem Systemdruck erweist sich die Zentrierung des Hauptschiebers oder Hauptkolbens über die Zeit hinweg als unzureichend, da der Vorsteuerschieber oder Vorsteuerkolben aufgrund von Schmutzeintrag an den Steuerkanten unregelmäßige Regelbewegungen ausübt (er­ höhte Reibung und unsymmetrische Leckage in der Pilo­ tachse führen zu ruckartigen Regelbewegungen), die sich auch auf die Postition des Hauptsteuerkolbens auswirken.

Der Erfindung liegt somit die Aufgabe zugrunde, bei einem Stetigventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu vermeiden, daß aufgrund von Schmutzeintrag der Vorsteuerkolben unregelmäßige Regelbewegungen ausführen kann, die sich auch auf die Position des Hauptventilkolbens auswirken.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung die in Verbindung mit dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Maßnahmen vor. Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

So sind z. B. gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung im Ventilgehäuse Düsen vorgesehen. Gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung sind in einer im Ventilge­ häuse angeordneten Hülse Nuten ausgebildet, welche eine Verbindung zwischen Verbraucherkammer(n) und einer Tankkammer vorsehen. Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung sind im Kolben bzw. der Schlüsselfläche oder Abflachung Nuten ausgebil­ det. Schließlich ist gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein vergrößertes Kolbenspiel zwischen A T und B -< T vorgesehen.

Durch die Vergrößerung des Kolbenspiels der Steuerkanten A -< Ty und B -< Ty wird eine definierte konstante Blende hergestellt.

Durch die erfindungsgemäß erzielten Verbindungen zwischen Verbraucherkammern und Tankkammer wird das Druckniveau in den Verbraucher­ kammern abgesenkt und es wird eine Schmutzunempfindlich­ keit des Stetigventils bewirkt, und zwar dadurch, daß die Leckage zu den Verbraucherkammern in der Mittelstellung des Kolbens über diese Verbindungen abgeführt wird und nicht durch Regelbewegungen des Vorsteuerkolbens. Durch die Wahl des Blenden-Offsets wird der Steuerölbedarf, das Druckniveau und die Schmutzunempfindlichkeit eingestellt.

Durch die erfindungsgemäßen Maßnahmen, ergibt sich ein niedriges Druckniveau in den Verbraucherkammern (abhängig vom Systemdruck und dem gewählten Blendenquerschnitt). Es treten keine Kolbenbewegungen der Hauptstufe im stromlo­ sen Zustand auf. Ein weiterer Vorteil der realisierten Lösung ist die selbstreinigende Wirkung.

Die vorliegende Erfindung sieht somit insbesondere ein elektrhydraulisches Stetigventil mit Vorsteuerkolben­ schieber vor, dessen Lage durch einen Proportionalmagne­ ten mit oder ohne Postionsregelung veränderbar ist, und mit einem Hauptschieber mit oder ohne Wegaufnehmer, der durch eine Feder in der neutralen Mittelstellung zen­ triert ist, und wobei der Vorsteuerkolben durch symme­ trisch an dessen Stirnseiten angeordnete Druckrückführkammern und durch Leitungen von dort zu den entsprechenden Haupt­ schieberstirnseiten in seiner neutralen Nullstellung druckzentriert ist, wobei insbesondere vorgesehen ist, daß die Steuerkanten P -< A, P -< B und A -< T und B -< T des Vorsteuerschiebers in der neutralen Mittelstellung Nullüberdeckung oder leicht positive oder leicht negative Überdeckung aufweisen und insbesondere zusätzlich defi­ nierte Querschnitte zwischen A -< T und B -< T vorhanden sind, die über dem gesamten Hub des Vorsteuerschiebers konstant bleiben, wodurch die Leckage zu den Verbraucherkammern in jeder Vorsteuerschieberpostion zum Tank abgeführt wird und somit das Druckniveau in den Verbraucherkammern gering ist und die neutrale Mittelstellung des Hauptschiebers auch bei Schmutzeintrag gewährleistet ist.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind den Ansprüchen zu entnehmen.

Weiter Vorteile, Ziele und Einzelheiten ergeben sich aus der Beschreibung anhand von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung; in der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Regelven­ tils gemäß dem Stand der Technik;

Fig. 2 einen Schnitt durch ein gemäß der Erfindung ausgebildetes elektrohydraulisches Stetigven­ tils, insbesondere ein Proportionalventil;

Fig. 3 eine Einzelheit des Vorsteuerventils der Anord­ nung gemäß Fig. 2;

Fig. 4 eine schematische Darstellung von gemäß Fig. 3 verwendeten erfindungsgemäßen Maßnahmen, wobei unterhalb von Fig. 4 eine Einzelheit von dieser Fig. 4 gezeigt ist;

Fig. 5 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung;

Fig. 6 eine weitere Ausgestaltung der Erfindung in schematischer Darstellung;

Fig. 7 eine weitere Ausgestaltung der Darstellung;

Fig. 8 einen Vorsteuerkolben bei dem erfindungsgemäße Maßnahmen gezeigt sind;

Fig. 9 eine Einzelheit der Fig. 8;

Fig. 10 eine Einzelheit der Fig. 8;

Fig. 11 ein Vorsteuerventil unter Verwendung eines Kol­ bens gemäß Fig. 8

Fig. 12 bis 13 graphische Darstellungen zur Veranschau­ lichung der Eigenschaften eines gemäß der Erfindung ausgebildeten elektrohydraulischen Stetigventils.

Fig. 1 veranschaulicht schematisch ein Regelventil gemäß dem Stand der Technik. Das Regelventil 1 weist eine erste Stufe 2 und eine zweite Stufe 3 auf. Das Regelventil 1 dient zur Betätigung eines hydraulischen Zylinders 5, wobei eine Pumpe mit 6 be­ zeichnet ist und das Bezugszeichen 7 auf das Symbol die­ ses Regelventils 1 hinweist. Man erkennt, daß zwischen dem Vorsteuerventil (erste Stufe) 2 und dem Hauptventil (zweite Stufe) 3 Druckrückführungsverbindungen vorgesehen sind.

Bei dem Regelventil gemäß Fig. 1 handelt es sich um ein gesteuertes relativ einfaches Gerät mit verhältnismäßig groben Toleranzen. Demgegenüber soll erfindungsgemäß ein schnelles insbesondere auch ein Regelventil vorgesehen werden, insbesondere unter Verwendung eines Kolben/Hül­ sen-Systems und unter Einsatz der sog. Vierkantenre­ gelung.

Im Hinblick auf Fig. 1 sei noch darauf hingewiesen, daß beim Ventilbetrieb beispielsweise ein Stromausfall auf­ treten kann. Geschieht dies, so läuft der Hauptkolben ir­ gendwo unkontrolliert auf Anschlag. Selbst wenn der Steu­ erkolben federzentriert ist ergibt sich bei Wegfall der Magnetkraft noch immer eine leicht unsymmetrische Posi­ tion.

Was die in Fig. 1 gezeigte Druckrückführung anlangt, so wird diese auch bei der noch im folgenden zu beschreibenden Erfindung eingesetzt.

Während im normalen Betrieb bei dem noch zu beschreiben­ den erfindungsgemäßen Ventil eine hydraulische Regelung einsetzt und eine sofortige Zentrierung des Kolbens be­ wirkt, sind dann, wenn man das Ventil längere Zeit stehen läßt plötzlich Regelbewegungen am Pilot- oder Steuerven­ til und auch an der Hauptstufe feststellbar. Dies ist aber unerwünscht.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß man eine gewisse kleine Öffnung immer zwischen Verbraucherkammer und Tank gewährleisten muß. Das genannte Problem entstand nämlich vermutlich durch Schmutzeintragungen. Man bräuchte also immer eine gewisse Verbindung zum Tank, die eigentlich größer ist als die Leckage. Wenn dies gewährleistet ist dann existiert immer gleicher Druck in den Verbraucherkammern.

Durch das erfindungsgemäß vorgesehene Ventil wird insbe­ sondere auch anders als bei dem Ventil gemäß Fig. 1 die Vierkantenregelung verwirklicht, so daß eine anspruchs­ volle Regelung vorgenommen werden kann. Bei der Zweikan­ tenregelung mit großer Überdeckung gemäß Fig. 1 ergibt sich eine große Totzeit sodaß eine Anwendung bei an­ spruchsvollen Regelungen nicht denkbar ist.

Nach diesen einleitenden Bemerkungen sei nunmehr auf die Erfindung näher eingegangen und es seien einige Ausfüh­ rungbeispiele erläutert.

Die Fig. 2 bis 4 zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Hydraulikventils, insbesondere eines Stetigventils. Das Stetigventil 10 weist eine erste Stufe 12 und eine zweite Stufe 13 auf. Ferner ist an der zweiten Stufe ein Weggeber 15 vorgese­ hen. In einem Gehäuse 17 und des Hauptventils ist ein Hauptkolben 16, der durch eine Feder 18 federzentriert ist hin- und herbewegbar angeordnet. Übliche Verbindungen sind zwischen dem Vorsteuerventil bzw. dessen Gehäuse 22 und dem Gehäuse 17 des Hauptventils vorhanden.

Die erfindungsgemäßen Maßnahmen beziehen sich insbeson­ dere auch auf die Ausgestaltung des Vorsteuerventils, welches aus diesem Grunde vergrößert in Fig. 3 darge­ stellt ist. In Fig. 3 erkennt man daß erfindungsgemäß im Gehäuse 22 des Vorsteuerventils eine Hülse oder Büchse 21 eingesetzt ist, in der dann der Vorsteuerkolben 20 hin- und herbewegbar angeordnet ist und zwar kann dieser durch die Stößel 23 der beiden Proportionalmagnete 24 und 25 betätigt werden. Im Gehäuse 22 sind Anschlußbohrungen 26, 27 ausgebildet, die mit den Verbrauchern B und A verbind­ bar sind, wobei hier die Verbraucher durch das Hauptven­ til gebildet werden. Im Gehäuse 22 ist ferner ein Tankka­ nal 28 vorgesehen, der die entgegensetzt liegenden Tank­ kammern 33 verbindet. Weiterhin sind die Verbraucherkammern 30 und 31, sowie die Pumpenkammer 32 vorgesehen, wobei jeweils entsprechende Öffnungen 35 in der Hülse 21 ausgebildet sind, die nicht näher be­ zeichnete Steuerkanten bilden, die dann ihrerseits mit den Steuerkanten wie sie insbesondere in Fig. 4 ange­ deutet sind zusammenarbeiten um so vorzugsweise eine Vierkantenregelung vorzusehen.

Weiterhin ist erfindungsgemäß ähnlich wie in Fig. 1 eine Druckrückführungsverbindung 51, 52 vorgesehen, welche die stirnseitigen Räume mit den Anschlußbohrungen 26, 27 ver­ binden.

Der Vorsteuerkolben 20 ist durch vorzugsweise symmetrisch an dessen Stirnseiten angeordnete Druckführkammern 510, 520 und durch Leitungen oder Kanäle 51, 52 von dort zu den ent­ sprechenden Hauptsteuerkolben-Stirnseiten in seiner neu­ tralen Nullstellung druckzentriert.

Die erfindungsgemäßen Mittel zur Verbindung der Verbrau­ cherkammern A, B mit T sind insbesondere für die Mit­ telstellung des Steuerventilkolbens 20 die im folgenden näher beschriebenen Mittel vorgesehen. Erfindungsgemäß ist wie in Fig. 4 gezeigt der Steg 37 und auch der Steg 38 so ausgebildet, daß der Steg 37 einen kleineren Durch­ messer nach links zu T hin und der Steg 38 einen kleine­ ren Durchmesser nach rechts zu T hin besitzt. Dies ist in Fig. 4 leicht übertrieben dargestellt. Auch die Einzel­ heit der Fig. 4 zeigt die erfindungsgemäßen Ver­ hältnissse.

Im einzelnen zeigt die Einzelheit der Fig. 4 den Steg 37 der vorzugsweise zwei Abschnitte aufweist. Der erste Ab­ schnitt 45 hat einen größeren Durchmesser D2 als die Kol­ benstege. D3 ist der Durchmesser des zweiten Abschnitts 44 und D1 ist der Durchmesser der Kolbenstange. Vorzugs­ weise ist D2 kleiner D3. Die Länge des Steges 37 ist mit B1 bezeichnet, die des Abschnitts 44 mit größerem Durch­ messer ist mit B2 bezeichnet und die Länge des Abschnitts 45 mit kleinerem Durchmesser ist mit B3 bezeichnet. B2 kann gleich B3 sein.

Erfindungsgemäß wird eine Vierkantenregelung verwirk­ licht, so daß sich praktisch Servoqualität ergibt. Obwohl die Kante 41 (und auch die Kante 43) in der dargestellten Art und Weise gegenüber einer normalen Kante abgewandelt sind sind diese Kanten aktiv am Regelprozess beteiligt. Es ist lediglich ein gewisser Blenden-Offset an dieser Stelle vorhanden. Überraschenderweise stört dieser Blen­ den-Offset nicht sondern hat die oben bereits erwähnten Vorteile zur Folge. Freilich steigt der Nullvolumenstrom etwas an, weil an dieser Stelle mehr Leckage auftritt. Von den geannnten Vorteilen ist auch insbesondere auf die drastische Absenkung des Druckniveaus in den Steuerräumen hinzuweisen. Die Belastung der Ventildeckel, der Schrau­ ben und der Magnete ist deutlich geringer.

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung (ähnlich der Fig. 4) eines weiteren Ausführungsbeispiels der Erfin­ dung. Anstelle der Druchmesserverminderung gemäß Fig. 4 sind gemäß Fig. 5 zwei Düsen 60, 61 im Gehäuse 22 zur Verbindung der Verbraucherkammern A und B mit dem Tankkanal 28 vorgesehen. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ver­ laufen die Düsen 60, 61 in Radialrichtung wie in Fig. 5 gezeigt.

Fig. 6 zeigt schematischer als Fig. 5 eine wei­ tere Ausbildung der vorliegenden Erfindung zum Vorsehen von Verbindungen zwischen den Verbraucherkammern und dem Tank T. Gemäß Fig. 6 ist wiederrum eine Vierkantenre­ gelung vorgesehen, wobei die Stege 70, 71 mit ihren Steu­ erkanten mit entsprechenden Steuerkanten der Hülse oder Büchse 21 zusammenwirken. In der Hülse 21 sind eine oder mehrere umfangsmäßig verteilte Nuten 72, 73 vorgesehen, die die Verbindung zwischen A und T bzw. B und T vorse­ hen.

Beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 sind Nuten 82, 83 die ebenso wie die Nuten 72 und 73 parallel zur Längs­ achse des Kolbens 200 verlaufen, vorgesehen, und zwar im Kolben 200, wobei benachbart zu den Nuten 82, 83 Ring­ nuten 84, 85 vorgesehen sind an die sich wiederrum nicht durch Längsnuten unterbrochenes Stegmaterial anschließt.

Die Fig. 8 bis 11 zeigen einen Vorsteuerkolben 90, der in einem Vorsteuerventil 91 verwendet wird. Insbesondere wichtig im Hinblick auf die vorliegende Erfindung ist die Darstellung von zwei Längsbohrungen 92, 93 die in Quer­ bohrungen 94, 95 enden und erfindungsgemäß die Druckrück­ führung 51, 52 ersetzen können. Dies gibt einen besonders günstigen Aufbau für das Vorsteuerventil gemäß der Erfin­ dung.

Die Fig. 12 bis 15 stellen die Betriebseigenschaften ei­ nes gemäß der Erfindung ausgebildeten Stetigventils dar.

Zusammenfassend kann man sagen, daß das erfindungsgemäße elektrohydraulische Stetigventil aus einem Vorsteuerven­ til und einer Hauptsteuerstufe besteht um so Richtung und Menge eines Flüssigkeitsstromes zu steuern. Insbesondere ist am Kolben der Hauptsteuerstufe eine Feder 18 derart befestigt, daß sie in beide Hubrichtungen des Kolbens 16 wirkt und den Kolben in der neutralen Mittelstellung zen­ triert. Der Vorsteuerkolben 20 ist durch je einen Propor­ tionalmagneten 24, 25 auf seinen beiden Stirnseiten aus seiner Mittelstellung verschiebbar und verbindet dabei jeweils einen seiner Verbraucherkammern A oder B mit dem Steuer­ druck Px, den jeweils anderen Anschluß mit dem Tankan­ schluß Ty. Die beiden Anschlüsse A und B des Vorsteuer­ ventils sind über Bohrungen 151, 152 im Gehäuse mit der rechten bzw. linken Stirnseite des Kolbens 16 der Haupt­ steuerstufe, gleichzeitig über Kanäle 51, 52 im Vorsteu­ erventil auch mit den Stirnseiten des Vorsteuerkolbens verbunden, der dadurch druckzentriert wird. Bei Ab­ schalten des elektrischen Magnetstromes sowie bei Strom­ ausfall, Kabelbruch oder Druckausfall kehrt der Kolben der Haupsteuerstufe durch die Zentrierfeder unmittelbar in die neutrale Mittelposition zurück.

Claims (9)

1. Stetigventil (1) mit einem einen Vorsteuer-Kolben (20) aufweisenden 5-Kammer-Vorsteuerventil (2), und einem einen Hauptkolben (16) aufweisenden Hauptsteu­ erventil (3), wobei der Vorsteuerkolben (20) durch vorzugsweise symmetrisch an dessen Stirnseiten ange­ ordnetete Druckrückführkammern (510, 520) und durch Leitungen oder Kanäle (51, 52) von dort zu den ent­ sprechenden Hauptsteuerkolben-Stirnseiten in seiner neutralen Nullstellung druckzentriert ist und wobei in dieser Nullstellung zwischen der Pumpenkammer (P) und einer Verbraucherkammer (A; B) ein erster Öff­ nungsquerschnitt vorhanden ist und zwischen dieser Verbraucherkammer (A; B) und der Tankkammer (T) ein zweiter Öffnungsquerschnitt vorhanden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Nullstellung des Vorsteu­ erkolbens (20) der zweite Öffnungsquerschnitt größer ist als der erste Öffnungsquerschnitt und daß bei der Auslenkung des Vorsteuerkolbens (20) aus der Nullstellung zur Erhöhung des Drucks in der Verbrau­ cherkammer (A; B) der zweite Öffnungsquerschnitt konstant bleibt.

2. Stetigventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Steuerkanten des Vorsteuerkolbens (20) in der neutralen Nullstellung Nullüberdeckung aufwei­ sen.

3. Stetigventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und zweiten Öffnungsquer­ schnitte in einer Hülse (21) ausgebildet sind.

4. Stetigventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und zweiten Öffnungsquer­ schnitte in dem Vorsteuerventilgehäuse (22) ausge­ bildet sind.

5. Stetigventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die ersten und zweiten Öffnungsquer­ schnitte in dem Vorsteuerkolben (20) ausgebildet sind.

6. Stetigventil nach einem der vorhergehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Öff­ nungsquerschnitt durch ein vergrößertes Kolbenspiel realisiert ist.

7. Stetigventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Öffnungsquerschnitt durch Düsen (60, 61) im Ventilgehäuse (22) reali­ siert ist.

8. Stetigventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Öffnungsquerschnitt durch Längsnuten (72, 73) im Außenumfang der Hülse (21) realisiert ist.

9. Stetigventil nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Öffnungsquerschnitt durch die im Bereich der Steuerkante Nuten (82, 83) aufweisenden Stege des Vorsteuerkolbens (200) reali­ siert ist.