DE4401485C2 - Steuerventil - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist ein Steuerventil mit

• - einem in drei Schaltstellungen umschaltbaren Steuerkörper, welcher durch eine Rückstellkraft ständig in seine als Standardstellung vorgesehene Mittellage gedrängt wird,
• - zwei selbsthemmungsfreien Aktuatoren für die beiden anderen Schaltstellungen und
• - einer für alle Schaltstellungen vorgesehenen, von keinem der vorgenannten Aktuatoren überwindbaren Hemmung, welche mittels eines weiteren Aktuators gegen eine die Hemmung ständig in ihre Hemmlage spannende Kraft lösbar ist.

Ein Steuerventil mit drei verrastbaren Schaltstellungen ist aus der DE 31 05 203 A1 bekannt. Dort erfolgt bei zwei Schaltstellungen eine Entrastung, sobald in einem vom Steu­ erventil gesteuerten Hydrauliksystem vorgegebene Druck­ schwellen überschritten werden. Bei der dritten Schaltstel­ lung ist dagegen eine hydraulische Entrastung nicht vorgese­ hen. Vielmehr muß die Verrastung dadurch überwunden werden, daß der Steuerkörper mit einer entsprechend starken Stell­ kraft beaufschlagt wird.

Eine derartige Anordnung kann unter Sicherheitsaspekten be­ denklich sein. Denn bei einer Fehlsteuerung der den Stell­ körper beaufschlagenden Stellkraft können gegebenenfalls ge­ fährliche Schaltstellungen eingelegt werden.

Aus der DE-OS 22 33 636 sind Ventile mit Verriegelungsmagne­ ten bekannt, die bei Bestromung eine eingestellte Ventil­ stellung sichern. Bei einer eventuellen Unterbrechung der Stromzufuhr zu den Verriegelungsmagneten tritt also zwangs­ läufig eine Entsicherung der jeweiligen Ventilstellung auf.

Aus der DE 30 38 338 C2 ist es bekannt, bei einem Steuerven­ til mit zwei Schaltstellungen beide Schaltstellungen mittels federnder Rastkugeln zu verrasten, so daß die Aktuatoren des Ventiles beim Umschalten jeweils gegen den Rastwiderstand arbeiten müssen und eine Unterbrechung der Energiezufuhr zu den Aktuatoren zu keiner ungewünschten Umschaltung zu führen vermag. Wegen der relativ schwachen Rastkräfte ist die Si­ cherheit gegen ungewolltes Umschalten bei Fehlbetätigung der Aktuatoren nicht gegeben.

Die DE 40 05 501 A1 zeigt ein weiteres Steuerventil mit zwei Schaltstellungen, wobei eine Rückstellfeder vorgesehen ist, die das Ventil ständig in eine der beiden Schaltstellungen zu drängen sucht. Zur Einschaltung der anderen Schaltstel­ lung ist ein Aktuator vorgesehen. Außerdem ist zur Sicherung dieser anderen Schaltstellung eine formschlüssige Verriege­ lung vorhanden, die mittels eines zusätzlichen Aktuators ausgelöst werden kann. Hier kann eine Fehlbetätigung des erstgenannten Aktuators zu einer unerwünschten Umschaltung des Ventiles führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem Ventil mit drei Schaltstellungen eine besonders hohe Funktions- und Betriebssicherheit zu gewährleisten. Diese Aufgabe wird durch das eingangs angegebene Ventil gelöst.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, einer­ seits die Hemmung mit ständig wirksamer Kraft zu beaufschla­ gen, so daß eine Auslösung der Hemmung nur durch Energiezu­ fuhr an einen die Hemmung dann aufhebenden Aktuator möglich ist, und andererseits die Hemmkraft so groß zu bemessen, daß sie auch von den zur Umschaltung dienenden Aktuatoren nicht überwunden werden kann.

Mit der Erfindung wird der Vorteil erzielt, daß eine Unter­ brechung der Kraft- bzw. Energiezufuhr zu den Aktuatoren keinesfalls zu einer Umschaltung des Ventiles führen kann.

Darüber hinaus kann auch eine fehlerhafte Betätigung eines der Aktuatoren zumindest dann nicht zu einer Fehlbetätigung des Ventiles führen, wenn die zur Verstellung des Steuerkör­ pers dienenden Aktuatoren gemäß eines besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung dauerbetriebsfest sind und die jeweils von ihnen eingestellte Schaltstellung bei Daueran­ schluß an eine Kraft- bzw. Energiequelle zu halten vermögen.

Im übrigen kann gemäß einer besonders bevorzugten Ausfüh­ rungsform der Erfindung vorgesehen sein, daß die die Hemmung in ihre Hemmlage spannende Kraft ständig ein Hemmelement be­ aufschlagt, welches mit einem steuerkörperseitig angeordne­ ten Gegenhemmelement sowohl hemmwirksam als auch zu Positio­ nierung der jeweiligen Schaltstellung kraft- und formschlüs­ sig zusammenwirkt, d. h. die Hemmung übernimmt auch die Funk­ tion einer Zentrierung der jeweils durch die Hemmung gesi­ cherten Schaltstellungen.

Dies ist insbesondere dann besonders vorteilhaft, wenn das Steuerventil nach Art eines Schieberventiles ausgebildet ist. Durch die zwangsläufige Zentrierung der Schaltstellun­ gen wird eine besonders hohe Leckagesicherheit des Ventils gewährleistet.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Unteransprüche verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines 4/3-Ventiles,

Fig. 2 eine Darstellung des Steuerkörpers in Standard­ stellung,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Steuerkörpers in der einen weiteren Schaltstellung und

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Steuerkörpers in der anderen weiteren Schalt­ stellung.

Das dargestellte Steuerventil 1 besitzt einen im wesent­ lichen quaderförmigen Gehäusekörper 2 mit einer axialen Längsbohrung 3, die an ihren axialen Enden mit Gewinde­ abschnitten versehen ist, die gegenüber der übrigen Längs­ bohrung 3 einen vergrößerten Durchmesser aufweisen. Von dem in Fig. 1 rechten Bereich der Längsbohrung 3 zweigt eine als Gewindebohrung ausgebildete Querbohrung 4 ab. Im übrigen besitzt der Gehäusekörper 2 insgesamt vier in die Längsbohrung einmündende Anschlußbohrungen 5, von denen in Fig. 1 lediglich zwei Anschlußbohrungen 5 sicht­ bar sind. An diese Anschlußbohrungen 5 sind Leitungen od. dgl. eines nicht dargestellten Fluid-Systems ange­ schlossen.

Innerhalb der Längsbohrung 3 ist eine Steuerhülse 6 ein­ geschrumpft, welche im Bereich der Querbohrung 4 ein seitliches Fenster 6' aufweist. Die Steuerhülse 6 nimmt einen kolbenartigen Steuerkörper 7 verschiebbar auf, welcher sich zwischen drei in den Fig. 2 bis 4 darge­ stellten Stellungen umschalten läßt, so daß die Anschluß­ bohrungen 5 in drei unterschiedlichen Weisen miteinander verbunden bzw. voneinander abgetrennt werden.

Der Kolbenteil des Steuerkörpers 7 besitzt eine gering­ fügig kürzere axiale Länge als die Steuerhülse 6 und ist an seinen Stirnseiten mit Stößeln 7' versehen, auf denen Ringscheiben 8 gleitverschiebbar geführt sind, deren Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser der Steuerhülse 6, jedoch kleiner als der Innendurchmesser der Längsbohrung 3 ist. Die Ringscheiben 8 werden mittels Schraubendruckfedern 9, die konzentrisch zu den Stößeln 7' angeordnet und an in die Gewindeabschnitte der Längsbohrung 3 eingeschraubten Widerlagern 10 abgestützt sind, gegen die zugewandten Stirnenden der Steuerhülse 6 bzw. gegen die zugewandten Stirnseiten des Kolbenteiles des Steuer­ körpers 7 gespannt. Die Federn 9 suchen also den Steuer­ körper 7 ständig in die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Standardstellung zu schieben.

An den die Widerlager 10 aufweisenden Stirnseiten des Gehäusekörpers 2 sind elektromagnetische Aktuatoren 11 angeordnet, welche in grundsätzlich bekannter Weise im wesentlichen aus einer Magnetspule sowie einem darin längsverschiebbaren Anker bestehen, welcher mit jeweils einer Stößelstange 12 versehen ist, die jeweils gleich­ achsig zu einem der Stößel 7' des Steuerkörpers 7 ange­ ordnet ist. Wenn der in Fig. 1 linke Aktuator 11 bestromt wird und der in Fig. 1 rechte Aktuator 11 stromlos gesetzt wird, werden der Anker sowie die Stößelstange 12 des linken Aktuators 11 nach rechts in eine Endlage gedrängt, in der der Steuerkörper 7 zumindest annähernd die in Fig. 3 dargestellte Schaltstellung einnimmt. Wird dagegen der rechte Aktuator 11 bestromt, während der linke Aktuator 11 stromlos gesetzt wird, suchen der Anker sowie die Stößel­ stange 12 des rechten Aktuators 11 eine Endlage einzu­ nehmen, die der in Fig. 4 dargestellten Schaltstellung des Steuerkörpers 7 zugeordnet ist. Die Anker sowie die Stößelstangen 12 sind jeweils selbsthemmungsfrei ange­ ordnet, so daß sie sich weitestgehend widerstandslos verschieben lassen, wenn der zugehörige Aktuator 11 stromlos ist.

Im Bereich des Fensters 6' der Steuerhülse 6 besitzt der Steuerkörper 7 drei umlaufende Ringnuten 13 mit keil­ förmigem Querschnitt. Der axiale Abstand zwischen den Ringnuten 13 entspricht dem Maß der Verschiebung des Steuerkörpers 7 zwischen dessen Schaltstellungen. In jeder Schaltstellung nimmt eine der Ringnuten 13 eine Lage etwa in der Mitte der Querbohrung 4 ein. In die Querbohrung 4 ist ein Führungsteil 14 für einen Riegel­ schieber 15 eingeschraubt, welcher mittels einer nicht dargestellten Federung ständig mit relativ großer Kraft in Richtung des Steuerkörpers 7 gedrängt wird und sich in den Schaltstellungen des Steuerkörpers 7 mit einer konischen Spitze 15' jeweils in eine der Ringnuten 13 von radial außen einzuschieben vermag. Mittels eines im Führungsteil 14 angeordneten Führungsringes 16 wird der Riegelschieber 15 quer zur Verschieberichtung praktisch spielfrei geführt. Damit nimmt der Steuerkörper 7 genau reproduzierbare Schaltstellungen ein, wenn der Riegel­ schieber 15 in eine der Ringnuten 13 so weit als möglich eingeschoben wird. Dabei ist die durch die Federung des Riegelschiebers 15 bewirkte Anschubkraft, mit der der Riegelschieber 15 in die Ringnuten 13 eingeschoben wird, so groß, daß die Spitze 15' des Riegelschiebers 15 auch dann bis in ihre Endlage in die jeweilige Ringnut 13 eingeschoben wird, wenn auf den Steuerkörper 7 durch die Federn 9 oder die Aktuatoren 11 Schubkräfte in Längsrichtung des Steuerkörpers 7 ausgeübt werden.

Der Riegelschieber 15 ist mit einem elektromagnetisch und selbsthemmungsfrei arbeitenden Aktuator 17 kombiniert, bei dessen Bestromung der Riegelschieber 15 aus der in Fig. 1 dargestellten Riegellage ausgelöst bzw. ausgehoben wird.

Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:

Eine Umschaltung des Steuerkörpers 7 zwischen den ver­ schiedenen Schaltstellungen ist nur möglich, wenn der Aktuator 17 mit Strom beaufschlagt wird, so daß der Riegelschieber 15 aus seinem Riegeleingriff in einer der Ringnuten 13 ausgelöst bzw. ausgehoben wird. Wenn gleichzeitig beide Aktuatoren 11 stromlos geschaltet werden, wird der Steuerkörper 7 von den Federn 9 in die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lage gedrängt. Wird einer der Aktuatoren 11 mit elektrischem Strom beauf­ schlagt, so wird der Steuerkörper 7 in eine der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Schaltstellungen geschoben und in der jeweiligen Schaltstellung gehalten, solange der zuvor genannte Aktuator 11 bestromt wird. Nachfolgend wird dann die jeweils erreichte Schaltstellung durch Abschalten der Bestromung des Aktuators 17 sowie den damit einhergehenden Eingriff des Riegelschiebers 15 in eine der Ringnuten 13 gesichert, wobei gleichzeitig auch die jeweilige Schaltstellung vom Riegelschieber 15 exakt reproduzierbar justiert wird.

Zusammenfassend ist also hinsichtlich der Funktion zu bemerken, daß eine Umschaltung des Steuerkörpers 7 nur dann möglich ist, wenn zumindest der Aktuator 17 elektrisch bestromt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, daß ein ungewolltes Umschalten des Steuerkörpers 7 keinesfalls auftreten kann, wenn die elektrische Stromversorgung ausfallen oder unterbrochen werden sollte.

Das beschriebene Steuerventil 1 kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, in einem Baustellenfahrzeug mit hydrostatisch betätigter Lenkung zwischen verschiedenen Lenkweisen elektrisch umzuschalten. Während in der Stan­ dardstellung des Steuerkörpers 7 lediglich die Räder einer Achse, beispielswiese der Vorderachse, gelenkt werden, wird in den anderen Schaltstellungen des Steuer­ körpers 7 mit Allradlenkung gearbeitet, wobei entweder die Vorder- und Hinterräder des Fahrzeuges zur Erzielung einer besonders hohen Wendigkeit gegenläufig zueinander oder für besondere Fahrmanöver im Sinne eines "Hundeganges" des Fahrzeuges gleichsinnig zueinander ausgelenkt werden.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Fahrer zu beliebigen Zeitpunkten zwischen den verschiedenen Lenkweisen um­ stellen kann, wobei jedoch mittels einer elektronischen Steuerschaltung, die eingangsseitig mit Sensoren für die Lenkwinkel der verschiedenen Räder verbunden ist, dafür gesorgt wird, daß die Umschaltung des Steuerventiles 1 und damit die tatsächliche Umschaltung zwischen den ver­ schiedenen Lenkweisen erst dann erfolgt, wenn der Fahrer die Lenkräder in eine Geradeausstellung gebracht hat. Eine solche elektronische Steuerungs- bzw. Überwachungs­ schaltung kann in grundsätzlich bekannter Weise durch Redundanzen od. dgl. eine sehr hohe Sicherheit bieten, d. h. die zur Umschaltung des Steuerkörpers 7 notwendige Bestromung des Aktuators 17 kann tatsächlich nur bei Geradeausstellung der Lenkräder erfolgen. Dagegen braucht die elektronische Überwachungs- bzw. Steuerschaltung bei Stromausfall keinerlei Sicherheitsfunktion zu übernehmen, weil dann aufgrund des ständig unbestromt bleibenden Aktuators 17 eine Umschaltung des Steuerventiles 1 ver­ hindert wird.

Claims (20)

1. Steuerventil mit

• 1. einem in drei Schaltstellungen umschaltbaren Steuerkörper (7), welcher durch eine Rückstellkraft (9) ständig in sei­ ne als Standardstellung vorgesehene Mittellage gedrängt wird,
• 2. zwei selbsthemmungsfreien Aktuatoren (11) für die beiden anderen Schaltstellungen und
• 3. einer für alle Schaltstellungen vorgesehenen, von keinem der vorgenannten Aktuatoren (11) überwindbaren Hemmung (13, 15), welche mittels eines weiteren Aktuators (17) ge­ gen eine die Hemmung ständig in ihre Hemmlage spannende Kraft lösbar ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die die Hemmung (13, 15) in ihre Hemmlage spannende Kraft ständig ein Hemmelement (15) beaufschlagt, welches mit einem steuerkörperseitig angeordneten Gegenhemmelement (13) sowohl hemmwirksam als auch zur Positionierung der jeweiligen Schaltstellung kraft- und formschlüssig zusammenwirkt.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die auf den Steuerkörper (7) wirkende Rückstellkraft eine Federanordnung (9) vorgesehen ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß für die die Hemmung in die Hemmlage spannende Kraft eine Federung vorgesehen ist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß als Hemmelement ein Riegelschieber (15) angeordnet ist.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemmelement bzw. der Riegelschieber (15) und/oder das Gegenhemmelement (13) Keilflächen (15') aufweisen, die im Zusammenwirken mit Gegenflächen am jeweils anderen Ele­ ment eine Zentrierung der jeweiligen Schaltstellung bewir­ ken.

7. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) als Schieber ausgebildet ist.

8. Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) als kolbenartiger Schieber transla­ torisch verstellbar ist.

9. Steuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) in einer Steuerhülse (6), vorzugs­ weise aus Stahl, verschiebbar ist.

10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verstellung des Steuerkörpers (7) dienenden Ak­ tuatoren (11) dauerbetriebsfest sind und die jeweils von ih­ nen eingestellte Schaltstellung bei Daueranschluß an eine Kraft- bzw. Energiequelle zu halten vermögen.

11. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zur Verstellung des Steuerkörpers (7) dienen­ den Aktuatoren (11) als auch die zur Lösung der Hemmung die­ nende weitere Aktuatoranordnung (17) als Elektromagnete aus­ gebildet sind.

12. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Hemmelement bzw. ein einziger Riegelschie­ ber (15) für eine Schaltstellung dient.

13. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemmelement bzw. der Riegelschieber (15) durch Kraft- und Formschluß direkt mit dem Steuerkörper (7) zusam­ menwirkt.

14. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel eines Elektromagnetes direkt als Riegelschie­ ber (15) dient.

15. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (17) des Hemmelementes bzw. Riegelschiebers (15) gegenüber einer Flanschebene des Gehäusekörpers (2) des Ventiles angeordnet ist.

16. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (17) des Hemmelementes bzw. Riegelschiebers (15) direkt im bzw. am Gehäusekörper (2) des Ventiles ange­ ordnet ist.

17. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Umschaltung des Steuerkörpers (7) dienenden Ak­ tuatoren (11) bzw. Elektromagnete gleichachsig zur Längsach­ se des Steuerkörpers (7) angeordnet sind.

18. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren bzw. Überwachungselemente zur Erkennung bzw. Registrierung einer Stellung des Hemmelementes bzw. Riegel­ schiebers (15) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

19. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren bzw. Überwachungselemente zur Erkennung bzw. Registrierung der Stellungen des Steuerkörpers (7) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

20. Steuerventil nach Anspruch 18 oder 19, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung Teil einer Steuerelektronik eines Allrad-Lenksystems ist.