DE4345396C2 - Hydraulisches Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuerventil in Form eines Magnetventils mit mehreren Anschlüssen und mehreren Schaltpositionen, welches ein mit den Anschlüssen versehenes Ventilgehäuse und einen Elektromagneten mit einem dazu axial verfahrbaren Stößel zur Steuerung eines axial verfahrbaren Ventilschiebers aufweist, und welches mit einem Ventilsitz und einer Kugel ausgerüstet ist, die mittels einer Schließfeder in eine Schließstellung und mittels des Ventilschiebers durch die Kraft des Elektromagneten in eine Offenstellung bringbar ist, und wobei der Ventilschieber zumindest drei zylinderförmige Abschnitte aufweist, deren Durchmesser in Richtung der Kugel jeweils geringer ist, und die Übergänge der zylindrischen Abschnitte zueinander durch jeweils eine Ringfläche überbrückt werden.

Derartige Steuerventile werden normalerweise zur Steuerung von hydraulischen Kolben- Zylinder-Einheiten benutzt, um beispielsweise Aggregate von landwirtschaftlichen Erntema­ schinen zu heben oder zu senken. Diese Ventile sind beispielsweise aus der DE 35 03 785 A1 als Mehrwegeventile mit mehreren Schaltpositionen bekannt. In der genannten Schrift wird zur Verkleinerung der Baugröße und zum Erleichtern des Ventilanschlusses vorgeschlagen, einen Stößel und einen Elektromagneten axial in Reihe anzuordnen und Anschlußbohrungen in einer gemeinsamen Ventilgehäusefläche vorzusehen. Auch die DE 37 22 344 A1 zeigt ein Steuerventil, welches über die Bewegung eines Stößels Kugelsitzventile betätigt. Beide Formen von Steuerventilen weisen jedoch den Nachteil auf, daß mit Betätigung des Steuer­ ventils eine schlagartige Reaktion des durch das Ventil gesteuerten Verbrauchers auftritt. Die dadurch entstehenden hohen Beschleunigungs- oder Bremskräfte und die damit einhergehen­ den Belastungen der Bauteile, Schwingungen und Schüttelbewegungen sind unerwünscht. Auch ist es nicht möglich, mit den beschriebenen Steuerventilen einen Bedarfsdruck in der Verbraucherleitung einzustellen, der niedriger ist als der Druck in der Druckleitung.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein hydraulisches Steuerventil der eingangs näher bezeichneten Art so auszubilden, daß Druckspitzen in der Verbraucherleitung möglichst abgemildert werden. Auch wäre es wünschenswert, wenn über ein solches Steuer­ ventil der Druck in der Verbraucherleitung bedarfsweise regelbar ist.

Die Aufgabe wird gelöst, indem der Ventilschieber in Abhängigkeit von der auf den Stößel wirkenden Magnetkraft sowie des auf die Querschnittsfläche des größten Ventilschieberdurch­ messers wirkenden Innendrucks des Öls in der Verbraucherleitung eine Gleichgewichtslage innerhalb seines axialen Verfahrweges einnimmt, der an die Außenwandung der Bohrung heranreichenden Ringfläche eine Steuerkante mit Abflußöffnung zur Steuerleitung zugeordnet ist, und die Gleichgewichtslage des Ventilschiebers in seinem axialen Verfahrweg so gewählt ist, daß durch den Spalt zwischen Ringfläche und Steuerkante bei einem Zulauf von Öl aus der Druckleitung bei einer gegebenen Magnetkraft ab Überschreitung eines entsprechenden Druckwertes in der Verbraucherleitung eine bestimmte Menge an Öl in die Steuerleitung austritt. Wird durch den Ventilschieber die Kugel aus ihrem Sitz gedrückt und schießt eine Menge Öl aus der Druckleitung in den vom Ventilschieber freigelassenen Raum des Bohrung des Ventilgehäuses ein, so erhöht sich dadurch nicht nur der Druck in der Verbraucherlei­ tung, sondern auch der auf die Querschnittsfläche des Ventilschiebers in Richtung des Magnetankers wirkende Druck, wodurch sich der Ventilschieber in Abhängigkeit von den anliegenden Kräften in Richtung des Magnetankers bewegt. Ist die Druckerhöhung durch das zufließende Öl so stark, daß sich der Ventilschieber mit seiner an die Außenwandung der Bohrung heranreichenden Ringfläche über die Steuerkante hinweg bewegt, kann durch den sich öffnenden Spalt eine Teilmenge des zugeflossenen Öls in die Steuerleitung entweichen und den Innendruck dadurch verringern. Durch diese Technik ist es möglich, plötzlich auftretende Druckspitzen zu vermeiden und durch den Regelvorgang des Drucks an der Steuerkante ein weiches Beschleunigen der vom Steuerventil angesteuerten Arbeitsorgane zu erreichen. Gleichzeitig wird durch eine solche Ausgestaltung auch ein Druckbegrenzungs­ ventil geschaffen.

In leichter Abwandlung der Erfindung ist die Magnetkraft des Elektromagneten veränderbar, wobei dann der Druck in der Verbraucherleitung bei etwa konstantem Druck in der Druck­ leitung durch Verringerung der Magnetkraft des Elektromagneten, welche durch axiales Verfahren des Ventilschiebers die Spaltweite zwischen Ringfläche und der Steuerkante vergrößert, unter den Druckwert in der Druckleitung geregelt werden kann. Hierdurch wird es möglich, durch gezielte Beeinflussung und Regelung der Magnetkraft einen gewünschten Druckwert in der Verbraucherleitung einzustellen und aufrechtzuerhalten, der betragsmäßig zwischen dem Druckwert in der Druckleitung als Maximum und Null als Minimum liegen kann.

Soll der Bedarfsdruck kleiner als der Versorgungsdruck sein, muß die Rinfläche des Ventil­ schiebers und die Magnetkraft so aufeinander abgestimmt sein, daß nach Öffnen des Ventil­ sitzes bei voller Magnetkraft die auf die Ringfläche des Ventilschiebers wirkende Kraft diesen entgegen der Magnetkraft verfährt, so daß der Ventilsitz ein wenig geschlossen, die Ringfläche des Ventilschiebers den Querschnitt zur Steuerleitung entsprechend öffnet und sich ein konstanter Bedarfsdruck in der Verbraucherleitung einstellt, selbst wenn der Druck in der Versorgungsleitung schwankt.

Wird die Ringfläche des Ventilschiebers und die Magnetkraft so aufeinander abgestimmt, daß der Magnet den Ventilschieber gegen den vollen Versorgungsdruck in seiner geschalteten Position hält, wirkt das Ventil wie ein 3/2 Wege-Ventil. Das Steuerventil ist ein Ventil mit drei Anschlüssen und zwei Schaltpositionen. Durch die Koppelung mit einem zweiten Ventil kann es zu einem Ventil mit drei oder vier Anschlüssen und drei Schaltpositionen ausgebaut werden.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen des Erfindungsgegenstandes sind in den Unteransprü­ chen aufgezeigt.

Im folgenden soll die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels und mehrerer dieses schematisch darstellenden Figuren erläutert werden. Dabei zeigt:

Fig. 1 das erfindungsgemäße hydraulische Steuerventil in der Schließstellung des Ventilsitzes im Teilschnitt,

Fig. 2 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, jedoch in der Regelstellung des Ventilschiebers,

Fig. 3 eine der Fig. 1 entsprechende Darstellung, jedoch in der Offenstellung des Ventilschiebers,

Fig. 4 die Kombination von zwei Steuerventilen nach der Fig. 1, das Ventil mit drei Anschlüssen und drei Schaltstellungen,

Fig. 5 die Kombination von zwei Steuerventilen nach der Fig. 1, als Ventil mit vier Anschlüssen und drei Schaltstellungen, und

Fig. 6 die Kombination von zwei Steuerventilen nach der Fig. 5, wobei ein den Ölfluß verhindernder Sperrblock montiert ist.

Die in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Steuerventile 1 bestehen im wesentlichen aus einem andeutungsweise dargestellten Ventilgehäuse 2, einem in eine Bohrung 3 fest eingesetzten Ventilkörper 4, einem in eine Bohrung S des Ventilkörpers 4 eingesetzten Ventilschieber 6, eine den Ventilsitz 7 des Ventilkörpers 4 freigebende und leckölfrei abschließende, durch eine Schließfeder 8 belastete Kugel 9 und einem nicht näher erläuterten Elektromagneten 10, der mit einem ein- und ausfahrbaren Stößel 11 ausgerüstet ist. Die Bohrung 5 des Ventilkör­ pers 4 steht mit nicht dargestellten Leitungen in einer Strömungsverbindung. Die Anschlüsse sind der Einfachheit halber nicht dargestellt. In den Figuren ist die an die Hydraulikpumpe angeschlossene Druckleitung durch das Bezugszeichen 12, die zu einem Verbraucher, z. B. einem Hydraulikzylinder führende Verbraucherleitung durch das Bezugszeichen 13 und die zu einem Öltank führende Steuerleitung durch das Bezugszeichen 14 gekennzeichnet. Die Bohrung 3 des Ventilgehäuses 2 ist stufenförmig ausgebildet, wobei der Bereich des größeren Durchmessers dem Elektromagneten 10 zugewandt ist. In diesem Bereich ist der Ventilkörper paßgenau eingesetzt. Der dem Elektromagneten 10 abgewandte Bereich des Ventilkörpers 4 ist geringen Durchmessers. Im Übergangsbereich liegt der Ventilsitz 7. An den Bereich des kleineren Durchmessers ist die Druckleitung 12 angeschlossen. Die Steuerleitung 14 liegt dem Elektromagneten 10 zugewandt, die Verbraucherleitung 12 liegt dazwischen. Der dem Elektromagneten 10 zugewandte Bereich der Bohrung 3 ist mit einem Innengewinde versehen, in welches das Außengewinde eines topfförmigen Druckringes 15 eingedreht ist, um den Ventilkörper 4 festzulegen. Der obere Bereich des Druckringes übergreift die Bohrung 3. Die Abdichtung erfolgt durch einen Dichtring 16. Die Abdichtung des Übergangsberei­ ches, in dem die Außendurchmesser des Ventilgehäuses 4 verspringen, zur Ringfläche der stufenförmigen Bohrung 3 des Ventilgehäuses erfolgt durch eine Dichtscheibe 17.

In den Anschlußbereichen für die Verbraucherleitung 13 und der Steuerleitung 14 ist der Ventilkörper 4 mit umlaufenden Ringnuten 18, 19 versehen. Aus den Figuren wird deutlich, daß die verbleibenden Kontaktflächen relativ groß sind, so daß zur Abdichtung keine weiteren Dichtmittel erforderlich sind. Der Ventilschieber 6 ist zweimal stufenförmig abgesetzt, wobei die untere, der Kugel 9 zugewandte Ringfläche 6a im Bereich der Ver­ braucherleitung 13 und die obere Ringfläche 6b im Bereich der Steuerleitung 14 liegt. Dieser Ringfläche 6b ist eine Steuerkante 18a des Ventilkörpers 4 zugeordnet.

Bei der Darstellung nach der Fig. 1 ist der Elektromagnet stromlos. Die Schließfeder 8 drückt die Kugel gegen den Ventilsitz, so daß dieser Sitz leckölfrei ist. In der Druckleitung 12 steht das Öl unter dem Pumpendruck. Die Verbraucherleitung 13 und die Steuerleitung 14 sind drucklos, da in diesem Zustand kein Öl fließt. Wird der Elektromagnet 10 mit der maximalen Spannung beaufschlagt, fährt der Stößel 11 voll aus und verschiebt den Ventil­ schieber 6 in die untere Endstellung gemäß der Fig. 3. Die Ringfläche 6b steht dann so zur Steuerkante 18a, daß kein Öl durch die Steuerleitung 14 abfließen kann. Dieser Zustand ist jedoch nur kurzzeitig, da das durch den Ventilsitz 7 einströmende Drucköl auf die Ringfläche 6b des Ventilschiebers 6 einen der Magnetkraft entgegengerichteten Druck ausübt, wobei sich der Ventilschieber 6 in Richtung zum Elektromagneten 10 so verschiebt, daß zwischen der Ringfläche 6b und der Steuerkante 18a ein Durchströmspalt entsteht, so daß Öl durch die Steuerleitung 14 abfließen kann. Dadurch stellt sich in der Verbraucherleitung 13 bei einem konstanten Druck in der Druckleitung 12 ein bestimmter Bedarfdruck ein. Dieser Bedarf­ druck kann durch die Größe der Ringfläche bestimmt werden, wenn beispielsweise das hydraulische Steuerventil 1 für solche Aggregate benutzt wird, bei denen ein konstanter Bedarfsdruck/kleiner Pumpendruck notwendig oder ausreichend ist.

Wird jedoch für Steuer- oder Regelvorgänge eine Änderung des Bedarfsdrucks erforderlich, kann der Elektromagnet 10 durch eine gegenüber der maximalen Spannung geringere Spannung erregt werden. Da die Magnetkraft abfällt, verschiebt sich der Ventilschieber 6 weiter in Richtung zum Elektromagneten 10, so daß der Durchströmungsquerschnitt zwischen der Steuerkante 18a und der Ringfläche 6b größer wird. Da ein entsprechend größerer Volumenstrom durch die Steuerleitung 14 abfließt, fällt der Druck in der Verbraucherleitung 13 ab. Die Regelstellung des Steuerventils I ist in der Fig. 2 dargestellt. Es ergibt sich, daß durch Änderung der Magnetkraft der Bedarfsdruck in der Verbraucherleitung 13 geregelt werden kann. So läßt sich eine Hubeinrichtung weich anheben bzw. absenken. Außerdem kann für den Antrieb eines rotierenden Aggregats eines Mähdreschers ein bestimmter, gleichbleibender Druck erzeugt werden. Bei landwirtschaftlichen Erntemaschinen sind viele Anwendungen möglich.

Die Ausführung nach der Fig. 4 zeigt das Steuerventil 1 als ein Mehrwegeventil mit drei Anschlüssen und drei Schaltmöglichkeiten. In dem Ventilgehäuse 2 sind zwei Bohrungen 3 zueinander angeordnet. In jeder Bohrung 3 ist eine den Ventilkörper 4 aufweisende und bereits beschriebene Baueinheit montiert. Der Aufbau entspricht dem Steuerventil gemäß den Fig. 1 bis 3. Es wurden deshalb auch die gleichen Bezugszeichen für die baugleichen Teile verwendet. Beide Ventilsitze sind wiederum leckölfrei. Die beiden Bohrungen 5 der Ventilkörper 4 sind durch eine Verbindungsleitung 24 verbunden. Ein einfachwirkender Hydraulikzylinder 20 ist an die Leitung 21 des linken Ventilkörpers 4 angeschlossen. Diese Verbraucherleitung 21 ist bei nur einem Ventilkörper 4 gemäß der Fig. 1 bis 3 die Druckleitung. Das Öl strömt von der Druckleitung 12 des rechten Ventilkörpers 4 durch den Ventilsitz 7 über die Verbindungsleitung 24 in den linken Ventilkörper 4 und von dort durch den Ventilsitz 7 des linken Ventilkörpers 4 durch die zum Hydraulikzylinder 20 führende Verbraucherleitung 21. Durch die Regelbarkeit des rechten Ventilkörpers 4 kann der Druck zum Zylinder geregelt werden. Die Anordnung nach der Fig. 4 ist geeignet, um beispiels­ weise den Hubzylinder einer Hubeinrichtung zu steuern, die durch das Eigengewicht abge­ senkt wird, oder um den Variator einer Mähdrescher-Dreschtrommel zu steuern. Beim linken Ventilkörper 4 fehlt die Steuerleitung 14, er fungiert über den Elektromagneten 10 als entsperrbares Rückschlagventil.

Bei der Ausführung nach der Fig. 5 sind die beiden Ventilkörper 4 durch die Steuerleitung 14 und die Druckleitung 12 verbunden. An die Verbraucherleitungen 13 ist ein doppelt wirkender Hydraulikzylinder 22 angeschlossen, dessen Kolben wahlweise von dem linken oder dem rechten Ventilkörper 4 aus beaufschlagt werden kann. Dazu ist entweder der linke oder der rechte Ventilsitz geöffnet und der jeweils andere durch Federkraft geschlossen, so daß das verdrängte Öl über die jeweilige Steuerleitung 14 zum Öltank abfließen kann. Beide Ventilsitze 7 sind wiederum leckölfrei. Aus der Fig. 5 ergibt sich, daß vier Anschlüsse möglich sind und wiederum drei Schaltstellungen. Ferner ergibt sich, daß ein an den hydrau­ likzylinder 22 angeschlossenes Aggregat frei bewegt werden kann, d. h., nur die Reibungs­ kräfte müssen überwunden werden, da das verdrängte Öl entweder über den linken oder den rechten Ventilkörper abfließen bzw. nachgesaugt werden kann. Das System nach Fig. 5 ist beispielsweise zur Ansteuerung der Schleifeinrichtung einer Häckslertrommel geeignet.

In das System kann bei Bedarf deshalb ein den Ölfluß verhindernder, nicht weiter erläuterter Sperrblock 23 montiert werden. Das System nach Fig. 6 ist beispielsweise zur Antriebs­ steuerung eines Korntankauslaufrohres eines Mähdreschers geeignet.

Claims (5)

1. Hydraulisches Steuerventil in Form eines Magnetventils mit mehreren Anschlüssen und mit mehreren Schaltpositionen, welches ein mit den Anschlüssen versehenes Ventilgehäuse und einen Elektromagneten mit einem dazu axial verfahrbaren Stößel zur Steuerung eines axial verfahrbaren Ventilschiebers aufweist, und welches mit einem Ventilsitz und einer Kugel ausgerüstet ist, die mittels einer Schließfeder in eine Schließstellung und mittels des Ventilschiebers durch die Kraft des Elektromagneten in eine Offenstellung bringbar ist, und wobei der Ventilschieber drei zylinderförmige Abschnitte aufweist, deren Durchmesser in Richtung der Kugel jeweils geringer ist, und die Übergänge der Abschnitte zueinander durch jeweils eine Ringfläche über­ brückt werden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (6) in Abhängigkeit von der auf den Stößel (11) wirkenden Magnetkraft des Elektromagneten (10) sowie des auf die Querschnittsfläche des größten Ventilschieberdurchmessers wirkenden Innendrucks des Öls in der Verbraucherleitung (13) eine Gleichgewichtslage innerhalb seines axialen Verfahrwegs einnimmt, der an die Außenwandung der Bohrung heranreichenden Ringfläche (6b) eine Steuerkante (18a) mit Abflußöffnung zur Steuerleitung zugeordnet ist, und die Gleichgewichtslage des Ventilschiebers (6) in seinem axialen Verfahrweg so gewählt ist, daß durch den Spalt zwischen Ringfläche (6b) und Steuerkante (18a) bei einem Zulauf von Öl aus der Druck­ leitung (12) bei einer gegebenen Magnetkraft ab Überschreitung eines gewünschten maximalen Druckwertes in der Verbraucherleitung (13) eine bestimmte Menge an Öl in die Steuerleitung (14) austritt.

2. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Magnetkraft des Elektromagneten (10) veränderbar ist, der Druck in der Verbraucherleitung (3) bei etwa konstantem Druck in der Druckleitung (12) durch Ver­ ringerung der Magnetkraft des Elektromagneten (10), die durch axiales Verfahren des Ventilschiebers (6) die Spaltweite zwischen Ringfläche (6b) und der Steuerkante (18a) vergrößert, unter den Druckwert in der Druckleitung (12) geregelt ist.

3. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Ventilgehäuse (2) zwei Ventilkörper (4) mit jeweils einem Ventilschieber (6), einem Ventilsitz (7), einer Schließfeder (8), einer Kugel (9) und einem Elektromagneten (10) angeordnet sind, die durch eine Leitung (24) in Strömungsverbindung stehen und jeweils eine Baueinheit bilden.

4. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitung (24) durch die Verbraucherleitung (13) gebildet ist und daß an eine Druckleitung (21) einer Baueinheit ein Verbraucher, vorzugsweise ein ein­ fachwirkender Hydraulikzylinder angeschlossen ist.

5. Hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitungen (12) miteinander verbunden sind, daß die Steuerleitungen (14) miteinander verbunden sind, und daß an die Verbraucherleitungen (13) ein beidseitig beaufschlagbarer Verbraucher, vorzugsweise ein doppeltwirkender Zylinder ange­ schlossen ist.