DE60104248T2

DE60104248T2 - Nach beiden RIchtungen vorgesteuerte Ventilanordnung

Info

Publication number: DE60104248T2
Application number: DE60104248T
Authority: DE
Inventors: Xiaolong Germantown Yang; Dwight Delafield Stephenson; Michael J. Delafield Paik
Original assignee: Husco International Inc
Current assignee: Husco International Inc
Priority date: 2000-09-08
Filing date: 2001-03-15
Publication date: 2005-09-01
Anticipated expiration: 2021-03-16
Also published as: EP1186784A1; BR0101140A; DE60104248D1; CA2340565A1; JP2002106743A; JP3576507B2; EP1186784B1; US6328275B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf vorgesteuerte hydraulische Ventile, die druckausgeglichen sind und im besonderen auf derartige Ventile, die in zwei Richtungen wirken.
Bautechnische und landwirtschaftliche Maschinen besitzen bewegbare Elemente, die von einem Aktuator betätigt werden wie etwa eine Hydraulikzylinder- und Kolbenanordnung, die gesteuert wird durch ein hydraulisches Ventil. Es gibt gegenwärtig einen Trend hinsichtlich bautechnischer und landwirtschaftlicher Maschinen weg von manuell betätigten hydraulischen Ventilen in Richtung auf elektrische Steuerungen und den Einsatz von Solenoid-Ventilen. Dieser Typ der Steuerung vereinfacht die hydraulische Leitungsverlegung, da die Steuerventile sich nicht innerhalb des Führerhauses befinden müssen. Diese Änderung der Technologie erleichtert auch die Rechnersteuerung von verschiedenen Maschinenfunktionen.
Der Einsatz von unter Druck stehendem hydraulischen Fluid von einer Pumpe zum Aktuator kann gesteuert werden durch eine Gruppe von proportionalen Solenoid-Ventilen eines Typs, wie er beschrieben ist in der US-PS 5 878 647 . Wenn eine Bedienungsperson anstrebt, ein Element der Vorrichtung zu bewegen, wird ein Steuerhebel betätigt, um Signale an die Solenid-Ventile zu senden für den Zylinder, der diesem Element zugeordnet ist. Ein Solenoid-Ventil wird geöffnet, um unter Druck stehendes Fluid der Zylinderkammer auf einer Seite des Kolbens zuzuführen, während ein weiteres Solenoid-Ventil sich öffnet, um es dem Fluid, welches von der gegenüberliegenden Seite der Zylinderkammer gedrückt wird zu gestatten, in ein Reservoir oder einen Tank abzufließen. Durch Verändern des Ausmaßes, mit welchem die Solenoid-Ventile geöffnet werden, kann die Strömungsrate in die zugeordnete Zylinderkammer hinein verändert werden, wodurch der Kolben sich mit proportional unterschiedlichen Geschwindigkeiten bewegt.
Soleonid-betätigte vorgesteuerte Ventile sind hinlänglich bekannt zur Steuerung des Stromes von Hydraulikfluid und verwenden eine elektromagnetische Spule, die eine Armatur bewegt in einer Richtung, um ein Ventil zu öffnen. Die Armatur wirkt auf einen vorgesteuerten Ventilkegel, der die Fluidströmung durch eine vorgesteuerte Passage in dem Hauptventilkegel steuert. Das Ausmaß, mit welchem sich das Ventil öffnet, steht in direkter Beziehung zur Größenordnung des elektrischen Stromes, der an die elektromagnetische Spule angelegt wird, wodurch eine proportionale Steuerung des Hydraulikfluidstromes möglich wird. Entweder die Armatur oder ein anderes Ventilelement ist federbelastet, um das Ventil zu schließen, wenn der elektrische Strom von der Solenoid-Spule abgenommen wird.
Ein Nachteil der herkömmlichen Solenoid-betätigten vorgesteuerten Ventile ergibt sich aus den Einflüssen, die durch das Druckdifferential erzeugt werden, welches sich über das Ventil in geschlossenem Zustand entwickelt. Dieses Druckdifferential ändert sich bei einer Veränderung der Last, die an die Ausrüstungskomponente angelegt wird, welche durch das Hydraulikfluid von dem Ventil betätigt wird. Die Belastung und die Veränderung des Versorgungsdruckes beeinflussen das Ventil am Auslaß des Ventils und erzeugen dieses Druckdifferential über das Ventil. In dem geschlossenen Zustand kann das Druckdifferential das Ausmaß der Kraft beeinflussen, die erforderlich ist, um das Ventil zu öffnen, und welche erforderlich ist zur Erzeugung einer vorgegebenen Strömungsrate des hydraulischen Fluids. Dementsprechend beeinflusst in einem Solenoid-betätigten Ventil die Veränderung dieses Druckdifferentials die Größenordnung des elektrischen Stromes, der 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 . Hierdurch werden die Drücke ausgeglichen, so dass die einzigen Kräfte, die auf den vorgesteuerten Ventilkegel einwirken, diejenigen von der Rückholfeder und der elektromagnetischen Spule waren. Während hierdurch die Auswirkungen aufgrund einer Druckunausgeglichenheit bei anderen Aufbauten aufgehoben wurden, traten oft Fluidundichtigkeiten ein entlang des Ausgleichsstiftes. Versuche, eine bessere Dichtung gegenüber Undichtigkeiten bereitzustellen, erhöhten die Reibungswirkung auf den Stift und erzeugten ein Haftproblem, welches in nachteiliger Weise einen glatten Ventilbetrieb beeinflusste.
Herkömmliche vorgesteuert betriebene Ventilkegelventile wirken nur in einer Richtung. Es gibt eine Einlassöffnung und eine Auslassöffnung des Ventils und der Druck an der Einlassöffnung wird zur vorgesteuerten Steuerkammer übertragen, so dass das Ventil in die Lage versetzt wird zu öffnen, wenn der Einlassöffnungsdruck größer ist als der Druck an der Auslassöffnung. Hierdurch wird es dem Fluid ermöglicht, von der Einlassöffnung zur Auslassöffnung zu strömen. Infolge dieser Anordnung kann das Ventil nicht zum Einsatz kommen, um die Strömung des Fluids in der entgegengesetzten Richtung von der Auslassöffnung zur Einlassöffnung zu steuern. Bei manchen hydraulischen Systemen ist es wünschenswert, einen bidirektionalen Strom zu steuern. Um die Strömung in beide Richtungen zu ermöglichen, war ein zweites Ventil erforderlich, welches in einer Umkehrrichtung in der parallelen Weise zum ersten Ventil angeschlossen war. Es ist dementsprechend erstrebenswert, ein in beide Richtungen vorgesteuertes Ventil bereitzustellen.
Die EP-0 204 666 beschreibt ein vorgesteuert betriebenes hydraulisches Ventil, welches die Strömung eines Fluids in zwei Richtungen zwischen zwei Öffnungen steuert. Ein Paar von Rückschlagventilen gestattet einen Fluidstrom von den beiden Öffnungen in eine Vorsteuerpassage. Ein weiteres Paar von Rückschlagventilen gestattet es dem Fluid, von den beiden Öffnungen in eine Steuerkammer zu strömen. Ein Vorsteuerelement steuert die Strömung des Fluids zwischen der Steuerkammer und der Vorsteuerpassage.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Gemäß der Erfindung wird ein in beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil bereitgestellt gemäß Anspruch 1.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
1 ist ein Querschnitt durch ein in beide Richtungen vorgesteuertes Solenoid-betätigtes Ventil gemäß der vorliegenden Erfindung.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Unter anfänglicher Bezugnahme auf 1 umfasst ein Solenoid-Ventil 10, welches geeignet ist zur Steuerung von Maschinenaktuatoren, eine zylindrische Ventilhülse 14, die in einer Längsbohrung 16 eines Ventilkörpers 12 montiert ist. Der Ventilkörper 12 besitzt eine querverlaufende erste Öffnung 18, welche kommuniziert mit der Längsbohrung 16. Eine zweite Öffnung 20 erstreckt sich durch den Ventilkörper 12 und kommuniziert mit dem inneren Ende der Längsbohrung 16. Ein Ventilsitz 22 ist zwischen der ersten Öffnung 18 und der zweiten 20 ausgebildet.
Ein Hauptventilkegel 24 gleitet innerhalb der Längsbohrung 16 in Bezug auf den Ventilsitz 22, um selektiv die Strömung des hydraulischen Fluids zu steuern zwischen der ersten und der zweiten Öffnung. Der Hauptventilkegel 24 besteht vorzugsweise aus einem thermoplastischen Material, welches verstärkt ist mit Glasfasern, wie etwa Torlon (Marke der Fa. BP Amoco Plc). Eine zentrale Bohrung 26 ist in dem Hauptventilkegel 24 ausgebildet und erstreckt sich von einer Öffnung an der zweiten Öffnung 20 ausgehend bis zu einer zweiten Öffnung in einer Steuerkammer 28 auf der entfernten Seite des Hauptventilkegels. Die zentrale Bohrung 26 besitzt eine Schulter 33 in einem Abstand von dem ersten Ende, welches sich in die zweite Öffnung 20 öffnet. Ein erstes Rückschlagventil 34 befindet sich in dem Hauptventilkegel zwischen der Schulter 33 und der ersten Öff nung, um es dem Fluid zu gestatten, nur von der Zentralbohrung 26 des Ventils in die zweite Öffnung 20 zu strömen.
Ein zweites Rückschlagventil 37 befindet sich innerhalb des Hauptventilkegels 24 in einer Passage 38, die sich zwischen der ersten Öffnung 18 und der Zentralbohrung 26 erstreckt angrenzend an die Schulter 33. Das zweite Rückschlagventil 37 begrenzt den Fluidstrom in der Passage 38 nur in eine Richtung von der Kegelbohrung 26 zur ersten Öffnung. Beide Strömungspassagen, die gesteuert werden durch das erste und das zweite Rückschlagventil 34 bzw. 37, sind in stetiger Kommunikation mit der Bohrung 26 in dem Hauptventilkegel 24.
Die zweite Öffnung der Bohrung 26 in dem Hauptventilkegel 24 wird geschlossen durch einen flexiblen Sitz 29 mit einer Vorsteueröffnung 41, die sich hier hindurch erstreckt. Der flexible Sitz 29 wird an Ort und Stelle gehalten durch einen Schnappring 30 sowie einen O-Ring 31, welcher eine Dichtung bereitstellt zwischen dem Sitz und der Wandung der Zentralbohrung 26. Eine elastische rohrförmige Säule 32, die aus dem gleichen Material hergestellt ist wie der Hauptventilkegel 24, befindet sich innerhalb der zentralen Bohrung 26 und schiebt den flexiblen Sitz 29 hin und her in Bezug auf die Schulter 33. Die einander gegenüberliegenden Seiten des flexiblen Sitzes 29 sind dem Druck in der Steuerkammer 28 und in einer Vorsteuerpassage 35 ausgesetzt, welche in den Hauptventilkegel 24 ausgebildet ist durch die rohrförmige Säule 32.
Der Ventilkörper 12 umfasst ein drittes Rückschlagventil 50 in der Passage 52, welche sich zwischen der Steuerkammer 28 und der zweiten Öffnung 20 erstreckt. Das dritte Rückschlagventil 50 gestattet es dem Fluid, nur in die Richtung zu strömen von der zweiten Öffnung 20 in die Steuerkammer 28. Ein viertes Rückschlagventil 54 befindet sich in einer anderen Passage 56 und begrenzt den Fluidstrom in dieser Passage nur von der ersten Öffnung 18 zur Steuerkammer 28. Beide Rückschlagventilpassagen 52 und 56 besitzen eine Strömungsbeschränkungsöffnung 53 bzw. 57.
Die Bewegung des Hauptventilkegels 24 wird gesteuert durch ein Solenoid 36 mit einer elektromagnetischen Spule 39, einer Armatur 42 sowie ei nem 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. Die elektromagnetische Spule 39 umgreift die Hülse 14 und ist an dieser befestigt. Die Armatur 42 gleitet innerhalb der Hülsenbohrung 40 weg von dem Hauptventilkörper 24 entsprechend einem elektromagnetischen Feld, welches erzeugt wird durch die Anlage einer elektrischen Spannung an die elektromagnetische Spule 39. Der Vorsteuerventilkegel 44 befindet sich innerhalb einer Bohrung 46 der rohrförmigen Armatur 42 und wird in die Armatur durch eine zweite Feder 48 hineingedrückt, welche in Anlage steht mit einer Einstellschraube 60, welche in die Hülsenbohrung 40 eingeschraubt ist.
Im entregten Zustand der elektromagnetischen Spulen 39 drückt die zweite Feder 48 den vorgesteuerten Ventilkegel 44 gegen das Ende 52 der Armatur 42, wodurch sowohl die Armatur als auch der Vorsteuerventilkegel in Richtung auf den Hauptventilkegel 24 gedrückt werden. Dies führt dazu, dass eine konische Spitze des Vorsteuerventilkegels 44 in die Vorsteueröffnung 41 in dem elastischen Sitz 29 und der Vorsteuerpassage 25 eintritt und diese verschließt, wodurch die Fluidkommunikation zwischen der Steuerkammer 28 und der zweiten Öffnung 20 verschlossen wird.
Das Solenoid-Ventil 10 steuert proportional die Strömung des hydraulischen Fluid zwischen der ersten und der zweiten Öffnung 18 und 20. Der elektrische Strom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, welches die Armatur in das Solenoid 36 hineinzieht und weg von dem Hauptventilkegel 24. Die Größe des elektrischen Stromes bestimmt das Ausmaß, in welchem das Ventil öffnet, und die Rate des hydraulischen Fluidstromes durch das Ventil ist proportional zu diesem Strom. Wenn speziell der Druck an der ersten Öffnung 18 den Druck an der zweiten Öffnung 20 überschreitet, wird der höhere Druck zur Steuerkammer 28 durch das vierte Rückschlagventil 54 kommuniziert. Während sich die Armatur 42 bewegt, wird der Kopf 66 an dem Vorsteuerventilkegel 44 weggedrückt von dem Hauptventilkegel 24, welcher die Vorsteueröffnung 41 öffnet. Diese Wirkung führt dazu, dass hydraulisches Fluid von der ersten Öffnung 18 durch die Steuerkammer 28, die Vorsteuerpassage 35 und das erste Rückschlagventil 34 zur zweiten Öffnung 20 strömt.
Die Strömung des hydraulischen Fluid durch die Vorsteuerpassage 35 reduziert den Druck in der Steuerkammer 28 auf denjenigen der zweiten Öffnung 20. Somit drückt der höhere Druck in der ersten Öffnung 18, welcher an die Oberfläche 58 angelegt wird, den Hauptventilkegel 24 weg von dem Ventilsitz 22, wodurch die direkte Kommunikation zwischen der ersten Öffnung 18 und der zweiten Öffnung 20 geöffnet wird. Die Bewegung des Hauptventilkegels 24 setzt sich fort, bis ein Druckausgleich aufgebaut ist über den Hauptventilkegel 24 aufgrund der konstanten Strömung durch die Öffnung 57 und die effektive Öffnungsgröße der Vorsteueröffnung zur Vorsteueröffnung 41. 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 wiederum gesteuert durch die Größe des elektrischen Stromes, welcher durch die elektromagnetische Spule 39 fließt.
Die Wirkung, die ein Druckdifferential auf den Vorsteuerventilkegel 44 besitzt, wird gegenausgeglichen durch den flexiblen Vorsteuersitz 29, der sich auslenkt in Abhängigkeit von diesem Druckdifferential. Eine solche Bewegung ändert wirkungsvoll die Axialposition des Vorsteuersitzes 29, so dass die Druckkraftänderung auf das Vorsteuerventil versetzt wird. Die ausgelegte Flexibilität auf den Sitz wird bestimmt, basierend auf der Vorsteuerfederrate.
Das proportionale Steuerventil 10 kann sich nur öffnen in Abhängigkeit von der Aktivierung des Solenoids 36 und nicht in Abhängigkeit vom hohen Druck entweder in der ersten oder zweiten Öffnung 18 und 20. Wenn der Druck in der zweiten Öffnung 20 den Druck in der Steuerkammer 28 überschreitet, öffnet sich das erste Rückschlagventil 50 und kommuniziert diesen höheren Druck zur Steuerkammer, wodurch der Druck auf einander gegenüberliegenden Seiten des Hauptventilkegels 24 ausgeglichen werden. Wenn diese Drücke gleich sind, halten das Ventilkegeloberflächendifferential zwischen der Steuerkammer 28 und der zweiten Öffnung 20 wie auch die Federkraft auf den Vorsteuerventilkegel 44 den Hauptventilkegel 24 geschlossen.
Wenn der Druck in der zweiten Öffnung 20 den Druck in der Einlassöffnung 18 überschreitet, kann eine proportionale Strömung von der Auslassöffnung zur Einlassöffnung erhalten werden unter Aktivieren des Solenoids 36. In diesem Fall wird der höhere Druck an der zweiten Öffnung kommuniziert durch das dritte Rückschlagventil 54 zur Steuerkammer 22 und, wenn der Vorsteuerventilkegel 44 sich von dem Vorsteuersitz 29 weg bewegt, strömt Fluid von der Steuerkammer über die Vorsteuerpassage 35 und das zweite Rückschlagventil 37 zur ersten Öffnung 18. Dies führt dazu, dass sich der Hauptventilkegel 24 öffnet aufgrund des höheren Druckes, der auf seine Bodenoberfläche wirkt.

Claims

In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) mit einem Körper, der eine erste Öffnung (18) und eine zweite Öffnung (20) aufweist, durch welche Fluid in das in zwei Richtungen vorgsteuerte Steuerventil eintritt und dieses verläßt, und der Körper einen Ventilsitz (22) einschließt zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung, wobei ein Hauptventilkegel (24) selektiv zum Eingriff führbar ist mit dem Ventilsitz (22) zur Steuerung der Strömung des Fluids zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung und eine Steuerkammer (28) gebildet ist auf einer Seite des Hauptventilkegels (24), entfernt von dem Ventilsitz (22), wobei ein Vorsteuerdurchlaß (35) in dem Hauptventilkegel vorgesehen ist, welcher in Verbindung steht mit der ersten Öffnung (18) und der zweiten Öffnung (20) und der Hauptventilkegel (24) eine Öffnung (41) aufweist, die sich erstreckt zwischen dem Vorsteuerdurchlaß und der Steuerkammer (28), während ein Vorsteuerventilkegel (44) vorgesehen ist, der selektiv mit der Öffnung in dem Hauptventilkegel zum Eingriff führbar ist, und ein Aktuator (36) betrieblich angekoppelt ist zur Bewegung des Vorsteuerventilkegels in bezug auf den Hauptventilkegel und ein erstes Steuerelement (34) einen Fluidstrom nur von dem Vorsteuerdurchlaß (35) in die zweite Öffnung (20) gestattet, während ein zweites Strömungssteuerelement (37) einen Fluidstrom lediglich von dem Vorsteuerdurchlaß (35) in die erste Öffnung (18) gestattet und ein erster Durchlaß (52) sich zwischen der Steuerkammer (28) und der zweiten Öffnung (20) erstreckt und ein drittes Strömungssteuerelement (50) vorgesehen ist, welches einen Fluidstrom durch den ersten Durchlaß nur in Richtung von der zweiten Öffnung (20) gestattet zur Steuerkammer (28), während ein zweiter Durchlaß (56) sich zwischen der Steuerkammer (28) und der ersten Öffnung (18) erstreckt, sowie ein viertes Strömungssteuerelement (54) vorgesehen ist, welches einen Fluidstrom durch den zweiten Durchlaß nur in Richtung von der ersten Öffnung (18) zur Steuerkammer (28) gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptventilkegel (24) einen flexiblen Ventilsitz (29) aufweist, durch welchen sich die Öffnung (41) hindurch erstreckt zwischen dem Vorsteuerdurchlaß (35) und der Steuerkammer (28), wobei der Vorsteuerventilkegel (44) selektiv mit dem flexiblen Ventilsitz (29) zum Eingriff führbar ist zum Verschluß der Öffnung (41).
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Strömungssteuerelement (34) und das zweite Strömungssteuerelement (37) sich in dem Hauptventilkegel (24) befinden.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der flexible Ventilsitz (29) mit einer ersten Seite dem Druck in der Steuerkammer (28) ausgesetzt ist und die zweite Seite dem Druck in dem Vorsteuerdurchlaß (35) ausgesetzt ist, wobei die Differenz des Druckes zwischen der Steuerkammer (28) und dem Vorsteuerdurchlaß (35) den flexiblen Ventilsitz (29) auslenkt.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der flexible Ventilsitz (29) und der Hauptventilkegel (24) einstückig ausgebildet sind.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 4, wobei der flexible Ventilsitz (29) und der Hauptventilkegel (24) aus einem thermoplastischen Material hergestellt sind.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der flexible Ventilsitz (29) ausgebildet ist in einer Ausnehmung des Hauptventilkegels (24) an einem Ende des Vorsteuerdurchlasses (35).
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der Aktuator (36) ein Solenoid einsetzt mit einer Armatur (42), die mit dem Vorsteuerventilkegel (44) in Eingriff steht.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei der erste Durchlaß (52) und der zweite Durchlaß (54) in dem Körper ausgebildet sind.
In beide Richtungen vorgesteuertes Steuerventil (10) gemäß Anspruch 1, wobei das erste Strömungssteuerelement (34), das zweite Strömungssteuerelement (37), das dritte Strömungssteuerelement (50) und das vierte Strömungssteuerelement (54) Rückschlagventile umfassen.