DE60012266T2

DE60012266T2 - Vorgesteuertes Steuerventil

Info

Publication number: DE60012266T2
Application number: DE60012266T
Authority: DE
Inventors: Xiaolong Germantown Yang
Original assignee: Husco International Inc
Current assignee: Husco International Inc
Priority date: 1999-05-03
Filing date: 2000-04-20
Publication date: 2005-07-21
Anticipated expiration: 2020-04-21
Also published as: CN1272599A; CA2307406A1; JP3382207B2; US6149124A; KR20000077140A; EP1050703A2; BR0001890A; EP1050703A3; DE60012266D1; CA2307406C; KR100404348B1; JP2000329248A; CN1143963C; ATE271671T1; EP1050703B1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf vorsteuerbetriebene hydraulische Ventile und auf Vorsteuerventile, welche druckausgeglichen sind entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1. Derartige Ventile sind bekannt aus der US-A-5 370 354.
Bautechnische und landwirtschaftliche Maschinen besitzen bewegbare Elemente, die betätigt werden durch eine hydraulische Zylinder- und Kolbenanordnung. Die Zuführung des hydraulischen Fluid zu dem Zylinder wurde traditionell durch ein manuell betätigtes Ventil gesteuert wie es etwa beschrieben ist in der US-PS 5 579 642 . Bei diesem Ventiltyp war ein manuell betätigter Betriebshebel mechanisch an eine Spule angeschlossen innerhalb des Ventils. Die Bewegung der Spule in verschiedene Positionen hinein in Bezug auf Ausnehmungen in dem Ventilkörper ermöglicht es unter Druck stehendem hydraulischem Fluid, von einer Pumpe zu einer der Zylinderkammern zu strömen und aus der anderen Kammer abgezogen zu werden. Durch Variieren des Ausmaßes, bis zu welchem die Spule bewegt wurde, kann die Strömungsrate in die entsprechend zugeordnete Kammer variiert werden, wodurch der Kolben mit proportional unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt wurde.
Es gibt einen gegenwärtigen Trend hinsichtlich bautechnischer und landwirtschaftlicher Maschinen weg von manuell betätigten hydraulischen Ventilen in Richtung auf elektrische Steuerungen und den Einsatz von Solenoid-Ventilen. Dieser Steuertyp vereinfacht die hydraulische Leitungsverlegung, da die Steuerventile nicht in der Führerkabine angeordnet werden müssen. Diese Änderung der Technologie erleichtert auch die rechnerunterstützte Steuerung verschiedener Maschinenfunktionen.
Solenoid-betätigte vorgesteuerte Ventile sind hinlänglich bekannt zur Steuerung des Stromes von hydraulischem Fluid und setzten eine elektromagnetische Spule ein, die eine Armatur bewegt in einer Richtung, um ein Ventil zu öffnen. Die Armatur wirkt auf einen vorgesteuerten Ventilkegel, welcher die Strömung des Fluid durch eine vorgesteuerte Passage in einem Hauptventilkegel steuert. Das Ausmaß, mit welchem sich das Ventil öffnet, steht in direktem Bezug zu der Größenordnung des elektrischen Stromes, der an die elektromagnetische Spule angelegt wird, wodurch eine proportionale Steuerung des hydraulischen Fluidstromes möglich wird. Entweder die Armatur oder ein anderes Ventilelement steht unter Federbelastung, um das Ventil zu schließen, wenn der elektrische Strom von der Solenoid-Spule abgenommen wird.
Ein Nachteil herkömmlicher Solenoid-betätigter vorgesteuerter Ventile beruht auf dem Effekt, der erzeugt wird durch das Druckdifferential, welches sich über das Ventil in geschlossenem Zustand entwickelt. Dieses Druckdifferential ändert sich mit der Veränderung der Last, die auf die Maschinenkomponente einwirkt, welche durch das Hydraulikfluid betrieben wird von dem Ventil. Die Last und die Versorgungsdruckveränderung beeinflussen den Druck am Auslass des Ventils und erzeugen dieses Druckdifferentials über das Ventil. In geschlossenem Zustand kann das Druckdifferential das Ausmaß der Kraft beeinflussen, die erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen und eine vorbestimmte Strömungsrate des hydraulischen Fluid zu erzeugen. Dementsprechend beeinflusst bei einem Solenoidbetätigten Ventil die Veränderung dieses Druckdifferential die Größenordnung des elektrischen Stromes, welcher erforderlich ist, um das Ventil zu betätigen.
Dieses Problem wurde angesprochen durch die Bereitstellung eines Druckausgleichsstiftes in der vorgesteuerten Ventilpassage entsprechend der Darstellung in der US-PS 5 878 647 . Dies gleicht die Drücke aus, so dass die einzigen Kräfte, die auf den vorgesteuerten Ventilkegel einwirken, diejenigen von der Rückholfeder und der elektromagnetischen Spule waren. Während dies die Auswirkungen aufgrund einer Druckunausgeglichenheit bei anderen Aufbauten ausräumte, trat oft eine Fluidleckage entlang des Ausgleichsstiftes auf. Versuche, eine bessere Dichtung gegen diese Leckage bereitzustellen, erhöhten die Reibung auf den Stift und erzeugten ein Haftproblem, welches einen glatten Ventilbetrieb nachteilig beeinflusste.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Solenoidbetätigtes vorgesteuertes Ventil bereitzustellen zur proportionalen Steuerung der Strömung des hydraulischen Fluids.
Eine weitere Aufgabe liegt darin, einen Kompensationsmechanismus für das Druckdifferential bereitzustellen innerhalb eines vorgesteuerten Ventils.
Diese und weitere Aufgaben werden gelöst durch ein Steuerventil mit einem Körper, welcher eine Einlasspassage und eine Auslasspassage aufweist, wobei ein Hauptventilkegel selektiv zum Eingriff führbar ist mit einem Ventilsitz innerhalb des Körpers zur Steuerung des Fluidstromes zwischen der Einlass- und der Auslasspassage, wobei eine Steuerkammer auf einer Seite des Hauptventilkegels entfernt von dem Ventilsitz angeordnet ist, gekennzeichnet durch:

einen Kanal in dem Hauptventilkegel, welcher sich zwischen der Einlasspassage und der Steuerkammer erstreckt;
eine Membran, die betrieblich an den Hauptventilkegel oder ein Ausgleichselement angekoppelt ist, welches mit dem Hauptventilkegel im Eingriff steht und eine erste Seite aufweist, an welcher ein erster Druck der Steuerkammer anliegt, sowie eine zweite Seite, an welcher ein zweiter Druck der Auslasspassage anliegt, während sich eine Vorsteuerpassage zwischen der ersten und der zweiten Seite befindet, wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ein Auslenken der Membran erzeugt oder eine Bewegung des Ausgleichselementes in Bezug auf das Hauptventil;
einen Vorsteuerventilkegel, der bewegbar ist bezüglich der Membran oder des Ausgleichselementes, um selektiv die Vorsteuerpassage zu öffnen und zu schließen, sowie
einen Aktuator, der betrieblich angekoppelt ist zur Bewegung des Vorsteuerventilkegels in Bezug auf die Membran oder das Ausgleichselement.

Die Membran kann als ein einziges Teil materialeinheitlich mit dem Hauptventilkegel ausgebildet sein oder die Membran kann ein getrenntes Teil sein, welches mechanisch mit dem Hauptventilkegel in Verbindung steht. Verschiedene Materialtypen werden für die Membran offenbart.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch ein Solenoid-betätigtes vorgesteuertes Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung und
2 ist eine alternative Ausführungsform für einen Hauptventilkegel, der bei dem Ventil gemäß 1 zum Einsatz kommt.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 umfasst ein Solenoid-Ventil 10 eine zylindrische Ventilhülse 14, die in einer Längsbohrung 16 des Ventilkörpers 12 montiert ist. Der Ventilkörper 12 besitzt eine quer verlaufende Einlasspassage 18, die mit der Längsbohrung 16 kommuniziert. Eine Auslasspassage 20 erstreckt sich durch den Ventilkörper 12 und kommuniziert mit dem inneren Ende der Längsbohrung 16. Ein Ventilsitz 22 ist zwischen der Einlass- und der Auslasspassage 18 und 20 ausgebildet.
Ein Hauptventilkegel 24 gleitet innerhalb der Längsbohrung 16 in Bezug auf den Ventilsitz 22 zur selektiven Steuerung der Strömung des hydraulischen Fluid zwischen der Einlass- und der Auslasspassage. Der Hauptventilkegel 24 besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Kunststoff, welcher verstärkt ist durch Glasfasern, wie etwa Torlon (Marke der Fa. BPAmoco Plc.). Eine zentrale Ausnehmung 26 ist in dem Hauptventilkegel 24 ausgebildet und erstreckt sich von einer Öffnung an der Auslasspassage 20 bis zu einem geschlossenen Ende 27. Die Dicke der Wandung an dem geschlossenen Ende 27 bildet eine flexible Membran 29 und eine Vorsteuerpassage 30 erstreckt sich durch die Membran. Der Hauptventilkegel 24 definiert eine Steuerkammer 28 in der Längsbohrung 16 auf der entfernten Seite der Membran 29 von der zentralen Ausnehmung 26. Die einander gegenüberliegenden Seiten der Membran 29 sind den Drücken in der Steuerkammer 28 und der zentralen Ausnehmung 26 des Ventils ausgesetzt. Ein Versorgungskanal 32 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 24 von der Einlasspassage 18 zur Steuerkammer 28.
Die Bewegung des Hauptventilkegels 24 wird gesteuert durch ein Solenoid 36 mit einer elektromagnetischen Spule 38, einer Armatur 42 sowie einem Vorsteuerventilkegel 44. Die Armatur 42 ist innerhalb einer Bohrung 40 durch die Hülse 14 positioniert und eine erste Feder 45 drückt den Hauptventilkegel 24 weg von der Armatur. Der Vorsteuerventilkegel 44 befindet sich innerhalb einer Bohrung 46 der rohrförmigen Armatur 42 und wird in Richtung auf die Armatur gedrückt durch eine zweite Feder 48, welche mit einer Einstellschraube 50 in Anlage steht, die in die Hülsenbohrung 40 eingeschraubt ist. Die elektromagnetische Spule 38 umgreift die Hülse 14 und ist hieran befestigt. Die Armatur 42 gleitet innerhalb der Hülsenbohrung 40 weg von dem Hauptventilkegel 24 in Abhängigkeit von einem elektromagnetischen Feld, welches erzeugt wird durch die Anlage einer elektrischen Spannung, um die elektromagnetische Spule 38 zu erregen.
Im entregten Zustand der elektromagnetischen Spule 38 drückt die zweite Feder 48 den Vorsteuerventilkegel 44 gegen das Ende 52 der Armatur 42, wodurch sowohl die Armatur als auch der Vorsteuerventilkegel in Richtung auf den Hauptventilkegel 24 geschoben werden. Dies führt dazu, dass eine konische Spitze 54 des Vorsteuerventilkegels 44 in die Vorsteuerpassage 30 in dem Hauptventilkegel eintritt und diese verschließt, wodurch das Abschneiden der Kommunikation zwischen der Steuerkammer 28 und der Auslasspassage 20 beendet wird.
Das Solenoid-Ventil 10 steuert proportional den Strom des hydraulischen Fluid zwischen der Einlass- und der Auslasspassage 18 und 20. Die Rate des Hydraulikfluidstromes durch das Ventil ist direkt proportional zur Größe des elektrischen Stromes, der an die Spule 38 angelegt wird. Der elektrische Strom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches die Armatur 42 in die Solenoid-Spule 38 hineinzieht, weg von dem Hauptventilkegel 24. Da das Ende 52 der Armatur 42 mit einer Schulter 56 an dem Vorsteuerventilkegel 44 in Eingriff steht, bewegt sich dieses letztere Element weg von dem Hauptventilkegel 24, wodurch es dem hydraulischen Fluid gestattet wird, von der Einlasspassage 18 durch die Steuerkammer 28, die Vorsteuerpassage 30 und die Auslasspassage 20 zu strömen.
Der Strom des hydraulischen Fluid durch die Vorsteuerpassage 30 reduziert den Druck in der Steuerkammer 28 auf denjenigen der Auslasspassage. Somit drückt der höhere Druck in der Einlasspassage, der an die Oberfläche 58 angelegt wird, den Hauptventilkegel 24 weg von dem Ventilsitz 22, wodurch direkt die Kommunikation geöffnet wird zwischen der Einlasspassage 18 und der Auslasspassage 20. Die Bewegung des Hauptventilkegels 24 setzt sich fort, bis ein Kontakt eintritt mit der konischen Spitze 54 des Vorsteuerventilkegels 44. Somit werden die Größe dieser Ventilöffnung und die Strömungsrate des hydraulischen Fluid hierdurch bestimmt durch die Position der Armatur 42 und des Vorsteuerventilkegels 44. Diese Positionen werden wieder gesteuert durch die Größe des elektrischen Stromes, der die elektromagnetische Spule 38 durchfließt.
Die Wirkung, die ein Druckdifferential auf den Vorsteuerventilkegel 44 besitzt, wird gegenausgeglichen durch die Auslenkung der Membran 29 des Hauptventilkegels 24 in Abhängigkeit von diesem Druckdifferential. Eine solche Bewegung ändert wirkungsvoll die Position der Vorsteuerpassage 30 derart, dass die Druckkraftänderung auf das Vorsteuerventil versetzt wird. Die ausgelegte Flexibilität der Membran wird bestimmt auf der Basis der Vorsteuerfederkonstanten.
Die vorliegende Membrankompensationstechnik bietet mehrere Vorteile über die Ausgleichsstiftnäherung. Die Kosten der Teilebearbeitung werden reduziert bei einer verbesserten Herstellungsfähigkeit. Der Betrieb des Ventils besitzt eine bessere Steuerbarkeit. Die Hysterese, die ein Betriebsproblem des Ausgleichsstiftes darstellen kann, wird ebenfalls reduziert.
Die 2 illustriert eine alternative Ausführungsform für den Hauptventilkegel. Der zweite Hauptventilkegel 60 besitzt einen Stahlkörper 62 mit einer zentralen Ausnehmung 64, welche sich vollständig hier hindurch erstreckt von dem Auslasspassagenende 66 zu einem Steuerkammerende 68. Ein Versorgungskanal 70 erstreckt sich von einer Queröffnung 72 für eine Kommunikation mit der Versorgungspassage 18 zu einer weiteren Öffnung 74 am Steuerkammerende 68.
Die Öffnung der zentralen Ausnehmung 64 am Steuerkammerende 68 besitzt einen vergrößerten Durchmesser, wodurch eine Hinterschneidung an diesem Ende des Hauptventilkegels 60 gebildet wird. Eine getrennte scheibenförmige Membran 76 wird in dieser Hinterschneidung aufgenommen, wobei ein Ring 68 aus elastischem Material sich zwischen der Membran und dem Körper 62 befindet, um einen fluiddichten Abschluss bereitzustellen. Beispielsweise kann die Membran 76 aus einer Kupferberylliumlegierung oder einem thermoplastischen Kunststoff hergestellt sein, wie etwa einem solchen, der mit Glasfaser verstärkt ist. Die Kante des Körpers 60 an der zentralen Ausnehmungsöffnung ist um die Membran 76 umgefalzt entsprechend der Darstellung an den Punkten 80, um die Membran an Ort und Stelle und in Kontakt mit dem Dichtungsring 78 zu halten. Eine Vorsteuerpassage 82 erstreckt sich durch die Membran zur Aufnahme der kegelstumpfförmigen Spitze 54 des Vorsteuerventilkegels 44, wenn der Hauptventilkegel 60 in dem Ventilkörper 12 montiert wird.

Claims

Steuerventil mit einem Körper, welcher eine Einlaßpassage (18) und eine Auslaßpassage (20) aufweist, wobei ein Hauptventilkegel (24) selektiv zum Eingriff führbar ist mit einem Ventilsitz (22) innerhalb des Körpers (12) zur Steuerung des Fluidstromes zwischen den Einlaß- und Auslaßpassagen, wobei eine Steuerkammer (28) auf einer Seite des Hauptventilkegels entfernt von dem Ventilsitz (22) vorgesehen ist und ein Kanal (32) in dem Hauptventilkegel sich zwischen der Einlaßpassage (18) und der Steuerkammer (28) erstreckt, während ein bewegbarer Vorsteuerventilkegel (24) und ein Aktuator (36) angekoppelt sind zur Bewegung des Vorsteuerventilkegels, dadurch gekennzeichnet, daß eine Membran (29) betrieblich an den Hauptventilkegel oder ein Ausgleichselement angekoppelt ist, welches mit dem Hauptventilkegel in Eingriff steht und eine erste Seite aufweist, an welcher ein erster Druck in der Steuerkammer (28) anliegt, sowie eine zweite Seite, an welcher ein zweiter Druck in der Auslaßpassage (20) anliegt, während eine Vorsteuerpassage (30) zwischen der ersten und der zweiten Seite angeordnet ist, wobei ein Unterschied zwischen dem ersten Druck und dem zweiten Druck ein Auslenken der Membran erzielt oder eine Bewegung des Ausgleichselementes in bezug auf das Hauptventil (24), wobei der Vorsteuerventilkegel (44) in bezug auf die Membran (29) oder das Ausgleichselement bewegbar ist zum selektiven Öffnen und Schließen der Pilotpassage (30) und der Aktuator (36) betrieblich angekoppelt ist zur Bewegung des Vorsteuerventilkegels (44) in bezug auf die Membran (29) oder das Ausgleichselement.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Solenoid (36) ist mit einer Armatur (42), die den Vorsteuerventilkegel (44) betätigt.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß Anspruch 1, wobei der Aktuator ein Solenoid ist mit: einer elektromagnetischen Spule (38), einer Armatur (42) innerhalb der elektromagnetischen Spule, die eine Öffnung aufweist, durch welche sich der Vorsteuerventilkegel hindurch erstreckt, und einer Feder (45) welche den Vorsteuerventilkegel gegen die Armatur drückt.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Hauptventilkegel einen Hohlraum (26) aufweist, der ein erstes Ende besitzt mit einer Öffnung entweder in die Steuerkammer (28) oder die Auslaßpassage (20) und ein zweites Ende (27), welches durch die Membran (29) oder das Ausgleichselement verschlossen ist.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Membran (29) oder das Ausgleichselement gebildet wird zusammen mit dem Hauptventilkegel (24) als ein Stück.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß Anspruch 5, wobei die Membran (29) oder das Ausgleichselement und der Hauptventilkegel (24) aus thermoplastischem Material hergestellt sind.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Membran (29) oder das Ausgleichselement sich in einer Ausnehmung innerhalb des Hauptventilkegels (24) befinden am zweiten Ende (27) des Hohlraumes (26).
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet weiterhin durch eine elastische Dichtung zwischen der Membran oder dem Steuerelement und dem Hauptventilkegel.
Vorsteuerbetätigtes Steuerventil gemäß einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Membran oder das Ausgleichselement aus einem thermoplastischen Material oder einer Kupferberyllium-Legierung hergestellt sind.