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Hintergrund der Erfindung
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1. Erfindungsgebiet
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Die
vorliegende Erfindung betrifft vorgesteuerte Hydraulikventile und
insbesondere solche Ventile, die mit Anordnungen versehen sind,
welche Veränderungen
eines Druckunterschiedes über
einer Steueröffnung
kompensieren.
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2. Beschreibung des Standes
der Technik
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Eine
große
Vielfalt von Maschinen ist mit beweglichen Körpern ausgestattet, die durch
einen Hydraulikantrieb betätigt
werden, beispielsweise einer Zylinder- und Kolbenanordnung, wobei
der Hydraulikantrieb durch ein Hydraulikventil gesteuert wird. Traditionell
wurde das Hydraulikventil durch den Maschinenarbeiter von Hand betätigt. Es
gibt nun eine Entwicklung weg von handbetätigten Hydraulikventilen in
Richtung auf elektrische Steuerungen und die Verwendung von Magnetventilen.
Diese Art der Steuerung vereinfacht die hydraulische Installationsarbeit, da
die Steuerventile nicht in der Nähe
einer Bedienungsstation angeordnet werden müssen, sondern neben dem Antrieb
liegen können,
der gesteuert wird. Diese Änderung
in der Technologie vereinfacht auch die rechnergestützte Steuerung
der Maschinenfunktionen.
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Der
Einsatz von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit von einer Pumpe zum
Antrieb läßt sich
durch eine Reihe proportionaler Magnetventile des im US-Patent 5
878 647 beschriebenen Typs steuern. Magnetspulenbetriebene Steuerventile
sind ebenfalls zur Steuerung des Hydraulikflüssigkeitsstrom gut bekannt.
Sie verwenden eine elektromagnetische Spule, die einen Anker in
der einen Richtung bewegt, um ein Ventil zu öffnen. Der Anker wirkt auf einen
Steuerventilkegel, der den Durchfluß der Flüssigkeit durch einen Führungskanal
in einem Hauptventilkegel steuert. Das Maß, um das sich das Ventil öffnet, ist
direkt von der Größe des elektrischen Stroms
abhängig,
der auf die Elektromagnetspule einwirkt, wodurch eine proportionale
Steuerung des Hydraulikflüssigkeitsstroms
ermöglicht
wird. Entweder der Anker oder ein anderer Ventilkörper ist
federbelastet, so daß sich das
Ventil schließt,
sobald die Magnetspule nicht mehr unter elektrischem Strom steht.
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Wenn
ein Maschinenarbeiter einen Körper auf
der Maschine bewegen will, so wird ein Steuerhebel bedient, um an
die Magnetventile für
den hydraulischen Antrieb, beispielsweise eine Zylinder-Kolben-Kombination,
die diesem Maschinenkörper
zugeordnet ist, elektrische Signale zu senden. Ein Magnetventil
wird geöffnet,
um unter Druck stehende Flüssigkeit
der Zylinderkammer auf der einen Seite des Kolbens zuzuführen, und
ein weiteres Magnetventil öffnet
sich, damit die Flüssigkeit
aus der entgegengesetzten Zylinderkammer herausgedrückt werden
kann, so daß sie
in ein Reservoir oder einen Behälter
abläuft.
Durch Veränderung
des Maßes,
um das die Magnetventile geöffnet
werden, läßt sich
die Strömungsmenge
in die zugehörige
Zylinderkammer variieren, um dadurch den Kolben mit proportional unterschiedlichen
Geschwindigkeiten zu bewegen.
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Herkömmliche
vorgesteuerte Sitzventilanordnungen arbeiten in einer Richtung.
Es gibt eine Einlaßöffnung und
eine Auslaßöffnung des
Ventils, und der Druck an der Einlaßöffnung steht mit der Vorsteuerkammer
in Verbindung, um dadurch dem Ventil das Öffnen zu ermöglichen,
sobald der Einlaßöffnungsdruck
größer ist
als der Druck der Auslaßöffnung.
Dadurch kann Flüssigkeit
von der Einlaßöffnung zur
Auslaßöffnung strömen. Aufgrund
dieser Anordnung läßt sich
das Ventil nicht zur Steuerung des Flüssigkeitsstroms in umgekehrter
Richtung benutzen, d. h. von der Auslaßöffnung zur Einlaßöffnung.
Bei einigen Hydrauliksystemen soll eine bidirektionale, also in
zwei Richtungen erfolgende Strömung
gesteuert werden. Um die Strömung
in beiden Richtungen zu erreichen, war ein zweites Ventil erforderlich,
das zu dem ersten Ventil umgekehrt parallel geschaltet ist. Es wird
daher ein bidirektionales, vorgesteuertes Sitzventil verlangt.
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Ein
Typ des bidirektionalen Steuerventils, der im US-Patent 6 328 275
beschrieben ist, weist eine erste Öffnung auf, die zu einer Seite
eines Hauptsitzes führt,
sowie eine zweite Öffnung,
die zu der Nase des Hauptsitzes führt. Zwei Kanäle führen von
den beiden Öffnungen
zu der Steuerkammer. In diesen Kanälen sind Prüfventile angeordnet. Zwei weitere
Kanäle
führen
von den beiden Öffnungen zum
Steuerkanal im Hauptsitz, und zusätzliche Prüfventile sind in diesen beiden
anderen Kanälen
angeordnet. Dieses Ventil weist einen Druckkompensationsmechanismus
auf, der von einer elastischen Membran gebildet wird, welche quer
zum Steuerkanal in einem Hauptventilsitz liegt. Eine Öffnung in
der Membran wird durch den Steuersitz geöffnet und geschlossen. Druckänderungen
auf den gegenüberliegenden
Seiten der Membran bewirken, daß die
Membran sich biegt und dadurch die Lage der Öffnung sich verändert, wodurch
der Druckwechsel kompensiert wird.
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Erfindungsgemäß wird ein
bidirektionales Steuerventil geschaffen, das einen Körper mit
einer ersten Öffnung
und einer zweiten Öffnung
sowie einen Ventilsitz zwischen der ersten Öffnung und der zweiten Öffnung aufweist.
Ein Hauptventilkegel kommt wahlweise mit dem Ventilsitz in Berührung, um
den Flüssigkeitsfluß zwischen
der ersten und der zweiten Öffnung
zu steuern und bildet eine Steuerkammer auf einer Seite des Hauptventilkegels,
die dem Ventilsitz abgewandt ist. Der Hauptventilkegel hat einen
Hohlraum, der sich in die Steuerkammer hinein öffnet, des weiteren einen ersten
Kanal, der zwischen der ersten Öffnung
und dem Hohlraum eine Verbindung bildet, und einen zweiten Kanal,
der zwischen der zweiten Öffnung
und dem Hohlraum eine Verbindung schafft. Ein erstes Strömungssteuerelement
im ersten Kanal ermöglicht,
daß der
Flüssigkeitsstrom
nur aus dem Hohlraum in den ersten Kanal fließt, während ein zweites Strömungssteuerelement
in dem zweiten Kanal ermöglicht,
daß der
Flüssigkeitsstrom
nur von dem Hohlraum in die zweite Öffnung fließt. Entweder der Körper oder
der Hauptventilkegel sind des weiteren mit einem dritten Kanal versehen,
der zwischen der ersten Öffnung
und der Steuerkammer eine Verbindung herstellt. Darüber hinaus
weist entweder der Körper
oder der Hauptventilkegel einen vierten Kanal auf, der die zweite Öffnung mit
der Steuerkammer verbindet; ein drittes Strömungssteuerelement, das in
dem dritten Kanal vorgesehen ist, ermöglicht dem Flüssigkeitsfluß nur von
der ersten Öffnung
in die Steuerkammer und ein viertes Strömungssteuerelement in dem vierten
Kanal läßt nur Flüssigkeitsströmung von
der zweiten Öffnung
in die Steuerkammer zu, wobei das bidirektionale vorgesteuerte Ventil
gekennzeichnet ist durch folgende Merkmale: einen Druckkompensationsmechanismus
in dem Hohlraum des Hauptventilkegels und einem ersten Endkörper mit
einer Steueröffnung, die
sich durch ihn hindurch erstreckt, wobei der Druckkompensationsmechanismus
eine Feder aufweist, die durch mehrere Spiralen gebildet wird, welche
aus dem ersten Endkörper
heraus und durch den Hohlraum hindurch ragen, ferner gekennzeichnet durch
ein Steuerventilsitz, der die Steueröffnung in dem Druckkompensationsmechanismus öffnet und schließt, sowie
durch einen Antrieb, der betrieblich so gekoppelt ist, daß der Steuerventilsitz
in Bezug auf den Hauptventilsitz bewegt wird.
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Merkmale
von Ausführungsformen
der Erfindung sind in abhängigen
Ansprüchen
enthalten.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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1 ist
ein schematisches Diagramm eines hydraulischen Systems, das mit
bidirektionalen Magnetspulensteuerventilen gemäß der vorliegenden Erfindung
arbeitet;
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines der bidirektionalen durch Magnetspulen
betätigten
Steuerventile;
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3 und 4 sind
zwei Längsschnittansichten
entlang zweier orthogonaler Ebenen durch den Sitz des bidirektionalen
durch Magnetspulen betätigten
Steuerventils von 2;
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5 ist
eine isometrische Ansicht einer Druckkompensationsfeder in dem Sitz;
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6 ist
eine Querschnittsansicht einer alternativen Ausführungsform der Druckkompensationsfederanordnung;
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7 ist
eine Querschnittsansicht des Hauptsitzes einer unidirektionalen
Version eines Steuerventils, ähnlich
der in den 3 und 4 gezeigten;
und
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8 ist
eine Querschnittsansicht des Hauptsitzes in 9 mit
einem Rückflußspenventil.
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Detaillierte Beschreibung
der Erfindung
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Mit
anfänglichem
Bezug auf 1 wird ein Hydrauliksystem 10 einer
Maschine dargestellt, das mechanische Elemente aufweist, die von
hydraulisch getriebenen Antrieben betätigt werden, beispielsweise
einem Zylinder 28. Das Hydrauliksystem 10 weist eine
Pumpe 12 mit variabler Verdrängung auf, die von einem Motor
oder einer Maschine (nicht gezeigt) angetrieben wird, um Hydraulikflüssigkeit
unter Druck aus einem Behälter 15 anzusaugen
und diese Hydraulikflüssigkeit
unter Druck in die Zufuhrleitung 14 zu fördern.
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Die
Zufuhrleitung 14 ist an eine Anordnung 20 aus
vier elektrohydraulischen Proportional (EHP)-Ventilen 21, 22, 23 und 24 angeschlossen,
die den Hydraulikflüssigkeitsstrom
zum Zylinder 28 und von diesem weg steuern, und zwar in
Abhängigkeit von
von einem Systemregler 16 kommenden Signalen. Das erste
EHP-Ventil 21 regelt
den Flüssigkeitsstrom
von der Zufuhrleitung 14 in eine erste Leitung 30,
die mit der Kopfkammer 26 des Zylinders 28 verbunden
ist. Das zweite EHP-Ventil 22 verbindet selektiv die Zufuhrleitung 14 mit
einer zweiten Leitung 32, die zu der Kolbenstangenkammer 25 des
Zylinders 28 führt.
Das dritte EHP-Ventil 23 ist zwischen die erste Leitung 30 für die Kopfkammer 26 und
eine Rückführleitung 24 geschaltet,
die zum Systembehälter 15 führt. Das
vierte EHP-Ventil 24 steuert den Flüssigkeitsstrom zwischen der
zweiten Leitung 32 und der Behälterrückführleitung.
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Der
Systemregler 16 ist eine mikrocomputergestützte Einrichtung,
die von einem durch einen Benutzer betätigten Joystick 18 oder
einer ähnlichen Eingabeeinrichtung
und einer Anzahl Drucksensoren Eingangssignale empfängt. Ein
Paar Drucksensoren 36 und 38 ermitteln den Druck
in den Kolbenstangen- und Kopfkammern 25 und 26 des
Zylinders 28. Ein anderer Drucksensor 40 befindet
sich in der Pumpenauslaßleitung 28,
während
der Drucksensor 42 in der Behälterrückführleitung 24 angeordnet
ist, um Druckmeßsignale
an den Systemregler 16 zu liefern. Ein Softwareprogramm,
das in dem Systemregler 16 abläuft, reagiert auf die Eingangssignale
durch Erzeugen von Ausgangssignalen, die die mit variabler Verdrängung arbeitende
Pumpe 12 sowie die vier EHP-Ventile 21–24 steuern.
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Um
die Kolbenstange 44 aus dem Zylinder 28 auszufahren,
bewegt der Maschinenarbeiter den Joystick 18 in der richtigen
Richtung, so daß dem Systemregler 16 die
gewünschte
Bewegung angegeben wird. Der Systemregler spricht an, indem er die ersten
und vierten EHP-Ventile 21 und 24 aktiviert, die
unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit
von der Zufuhrleitung in die Kopfkammer 26 des Zylinders 28 schicken.
Dadurch wird der Kolben 44 veranlaßt, hochzusteigen, wodurch
Flüssigkeit
aus der Kolbenstangenkammer 25 durch das vierte EHP-Ventil 24 in dem
Behälter 15 gedrückt wird.
Der Systemregler 16 überwacht
den Druck in den verschiedenen Leitungen wie üblich, um sicherzustellen,
daß die
richtige Bewegung erfolgt. Um die Kolbenstange 44 zurückzuziehen, öffnet der
Systemregler 16 die zweiten und dritten EHP-Ventile 22 und 23,
die unter Druck stehende Hydraulikflüssigkeit aus der Zufuhrleitung 14 in
die Kolbenstangenzylinderkammer 25 schicken und Flüssigkeit
aus der Kopfkammer 26 zum Behälter 15 entweichen
lassen.
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2 zeigt
den Aufbau jedes der vier EHP-Ventile 21–24.
Dieses elektrohydraulische Proportional (EHP)-Ventil 110 weist
eine zylindrische Ventilkartusche 114 auf, die in einer
Längsbohrung 110 des
Ventilkörpers 112 gelagert
ist. Der Ventilkörper 112 hat
eine erste quer verlaufende Öffnung 118, die
mit der Längsbohrung 116 in
Verbindung steht. Die erste Bohrung 118 ist entweder mit
der ersten oder der zweiten Leitung 30 oder 32 verbunden,
die an die Kammern des Zylinders 28 angeschlossen sind.
Eine zweite Öffnung 120 erstreckt
sich den Ventilkörper 112 hindurch
und steht mit einem inneren Ende der Längsbohrung 116 in
Verbindung. Die zweite Öffnung 120 ist
entweder an die Zufuhrleitung 14 oder die Behälterrückführleitung 24 angeschlossen, und
zwar in Abhängigkeit
von der Lage des jeweiligen Ventils in der Anordnung 20.
Ein Ventilsitz 122 ist zwischen den ersten und zweiten Öffnungen 118 und 120 ausgebildet.
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Wie
aus den 2 und 3 ersichtlich, gleitet
in der Längsbohrung 116 ein
Hauptventilkegel 124 in Bezug auf den Ventilsitz 122,
um den Hydraulikflüssigkeitsstrom
selektiv zwischen den ersten und zweiten Öffnungen 118 und 120 zu
steuern. Eine O-Ringdichtung 123 läuft rund um den Hauptventilkegel 124,
um Flüssigkeitsleckage
längs der
Bohrung 116 auf ein Mindestmaß zu beschränken. Ein Steuerkanal 125 ist
in dem Hauptventilkegel 124 durch einen zentralen Hohlraum 126 ausgebildet,
der sich in eine Steuerkammer 128 auf der abgelegenen Seite des
Hauptventilkegels hinein öffnet.
Ein erster Querkanal 133 verbindet den zentralen Hohlraum 126 mit der
ersten Öffnung 118,
und das erste Rückschlagventil 134 in
dem ersten Kanal ermöglicht
der Flüssigkeit,
nur aus dem zentralen Hohlraum 126 des Kegels in die erste Öffnung 118 zu
strömen.
Die Kugel des Rückschlagventils 134 wird
durch einen Ring an ihrem Platz gehalten, der sich rund um den Kegel 124 erstreckt
und eine Eintrittsöffnung 132 in
das erste Rückschlagventil
hinein begrenzt. Diese Eintrittsöffnung 132 ist
relativ klein und wirkt wie ein Filter, wodurch die meisten Teilchen,
die sonst das erste Rückschlagventil 134 verstopfen
würden,
am Eintritt in den Kegel 124 gehindert werden. Der zweite
Kanal 138 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 124 von dem
zentralen Hohlraum 126 zur Kegelnase 135. Ein zweites
Rückschlagventil 137 ermöglicht den
Flüssigkeitsstrom
in den zweiten Kanal 138 nur in einer Kegelrichtung vom
Kegelhohlraum 126 zu der zweiten Öffnung 120. Wenn das
zweite Rückschlagventil 137 offen
ist, strömt
Flüssigkeit
durch ein Paar kleine Nuten 136, die als Filter zum Einfangen
der meisten Teilchen dienen, die das zweite Rückschlagventil verstopfen könnten.
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Wie
aus 4 ersichtlich, die eine Querschnittsansicht längs einer
Ebene orthogonal zu der Ebene der Ansicht von 3 ist,
erstreckt sich ein dritter Kanal 139 durch den Hauptventilkegel 124 zwischen
der ersten Öffnung 118 und
der Steuerkammer 128. Ein drittes Rückschlagventil 140 ermöglicht den Flüssigkeitsstrom
nur aus der ersten Öffnung 118 zu der
Steuerkammer 128. Der Ring 131 rund um den Kegel 124 bildet
eine Eintrittsöffnung 132 in
den dritten Kanal 139. Diese Eintrittsöffnung 132 ist relativ klein
und wirkt als Filter, wodurch die meisten Teilchen, die das dritte
Rückschlagventil 140 verstopfen würden, am
Eintreten in den dritten Kanal 139 gehindert werden. Ein
langer vierter Kanal 141 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 124 zwischen
der zweiten Öffnung 120 und
der Steuerkammer 128. Ein viertes Rückschlagventil 143 ermöglicht den
Flüssigkeitsstrom
durch den vierten Kanal 141 nur von der zweiten Öffnung 120 zu
der Steuerkammer 128. Ein Stopfen 161, der die
Kegelnase 135 bildet, schafft eine Eintrittsöffnung 163 in
den vierten Kanal 141. Diese Eintrittsöffnung 163 ist relativ
klein und wirkt als Filter, wodurch die meisten Teilchen, die das
vierte Rückschlagventil 143 verstopfen
würden,
am Eintreten in den vierten Kanal 141 gehindert werden.
Alternativ dazu können
die dritten und vierten Kanäle 139 und 141 und
ihre entsprechenden Rückschlagventile 140 und 143 in
dem Ventilkörper 112 auf
entgegengesetzten Seiten der Längsbohrung 116 in
der Querschnittsfläche
von 2 ausgebildet werden.
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Des
weiteren ist, wie ebenfalls aus den 3 und 4 ersichtlich,
in dem Hohlraum 126 des Hauptventilkegels 124 ein
Druckkompensationsmechanismus 142 angeordnet, der ein inneres
Ende 144 aufweist, das an eine Schulter des Kegelhohlraums
anstößt, die
in der Nähe
des zweiten Kanals 138 liegt. Ein äußeres Ende 146 des
Druckkompensationsmechanismus 142 befindet sich nahe dem Ende
des Hauptventilkegels 124, der einen Teil der Steuerkammer 128 begrenzt.
Dieses äußere Ende 146 stößt an eine
Scheibe 148 an, die in dem Ventilkegelhohlraum 126 durch
einen Sprengring 150 gehalten wird. Die Scheibe 148 hat
eine durchgehende Mittelöffnung 152,
welche mit einer Steueröffnung 156 in
dem äußeren Ende 146 des
Druckkompensationsmechanismus 142 in Verbindung steht.
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Wiederum
in Bezug auf 5 ist festzustellen, daß eine Doppelspiralfeder 145 sich
zwischen den beiden Enden 144 und 146 des Druckkompensationsmechanismus 142 erstreckt.
Jede Spirale 147 und 149 der Feder 145 hat
einen im allgemeinen rechteckigen Querschnitt. Bei einer Ausführungsform ist
der Druckkompensationsmechanismus 142 aus einem einzelnen
zylindrischen Stück
Stahl maschinell hergestellt. Eine Mittelbohrung 151 ist
im wesentlichen durch das Material hindurch gebohrt, und die beiden
Spiralnuten 153 und 155 sind von den äußeren zu
den inneren Durchmesseroberflächen
gefräst, so
daß zwei
Spiralen 147 und 149 entstehen. Die spiralförmigen Nuten 153 und 155 verlaufen
nicht bis zu den stirnseitigen Oberflächen des Druckkompensationsmechanismus 142,
so daß massive
ringförmige Enden 144 und 146 vorhanden
sind, die die Kräfte gleichmäßig auf
die benachbarten Körper
verteilen, welche die besagten Enden berühren. Es ist mehr als eine
Spirale erforderlich, so daß die
Kompensationsfeder symmetrisch zusammengepreßt wird und sich nicht neigt
oder in dem Hohlraum 126 des Hauptventilkegels 124 verkantet.
Es können
jedoch auch mehr als nur zwei Spiralen vorgesehen werden.
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6 zeigt
eine alternative zweiteilige Ausführungsform des Druckkompensationsmechanismus 142.
Diese Konstruktion weist eine Doppelspiralfeder 157 und
einen getrennten Endkörper 159 auf,
in dem sich die Führungsöffnung 156 befindet.
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Beide
Formen des Druckkompensationsmechanismus weisen eine Mehrfachspiralfeder
auf, die eine im wesentlichen lineare Ablenkungskennlinie besitzt.
Diese Kennlinie ist erheblich linearer als die einer herkömmlichen
Schraubenfeder, die aus einem geraden Rohmaterial gewickelt ist.
Daher ist die Federkonstante für
den Druckkompensationsmechanismus unmittelbar nach Einwirkung einer
Last wirksam.
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Noch
einmal auf 2 zurückkommend, ist festzustellen,
daß die
Bewegung des Hauptventilkegels 125 durch eine Spule 160 gesteuert
wird, die eine elektromagnetische Spule 162 aufweist, sowie einen
Anker 164 und einen Steuerventilkegel 166. Der
Anker 164 ist in einer Bohrung 167 angeordnet, die
durch die Kartusche 114 läuft, und eine erste Feder 170 drückt den
Hauptventilkegel 124 von dem Anker 164 weg. Der
Führungskegel 166 befindet
sich in einer Bohrung 168 des rohrförmigen Ankers 164 und
wird gegen den Anker durch eine zweite Feder 172 gedrückt, die
mit einer Einstellschraube 174 in Berührung steht, welche in die
Kartu schenbohrung 167 eingeschraubt ist. Die Elektromagnetspule 162 umgibt
die Kartusche 114 und ist an ihr befestigt. Der Anker 164 gleitet
in der Kartuschenbohrung 167 von dem Hauptventilkegel 124 weg,
sobald ein elektromagnetisches Feld entsteht, indem die Elektromagnetspule 162 unter
elektrischen Strom gesetzt wird, der sie erregt.
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Im
nicht erregten Zustand der Elektromagnetspule 162 drückt eine
zweite Feder 172 den Führungskegel 166 gegen
das Ende 175 des Ankers 164, wodurch sowohl der
Anker als auch der Führungskegel
gegen den Hauptventilkegel 124 gestoßen werden. Dadurch tritt eine
konische Spitze 158 des Führungskegels 166 in
die Führungsöffnung 156 im
Hauptventilkegel ein und schließt
diese, so daß die
Verbindung zwischen der Steuerkammer 128 und dem Kegelhohlraum 126 unterbrochen
wird.
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Das
EHP-Ventil 110 mißt
proportional den Fluß der
Hydraulikflüssigkeit
zwischen den ersten und zweiten Öffnungen 118 und 120.
Der elektrische Strom erzeugt ein elektromagnetisches Feld, das den
Anker 164 in die Spule 160 zieht und damit von dem
Hauptventilkegel 124 weg. Die Stärke dieses elektrischen Stroms
bestimmt, wie weit sich das Ventil öffnet, und damit die durch
das Ventil strömende Hydraulikflüssigkeitsmenge.
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Im
einzelnen heißt
das, sobald der Druck an der ersten Öffnung 118 den Druck
an der zweiten Öffnung 120 übersteigt,
wird der höhere
Druck durch das dritte Rückschlagventil 140,
wie in 4 dargestellt, auf die Steuerkammer 128 übertragen.
Wenn sich der Anker 164 bewegt, bewegt sich die Spitze 158 des
Führungskegels 166 von
dem Hauptventilkegel 124 weg, um die Führungsöffnung 156 zu öffnen. Dieser
Vorgang bewirkt, daß Hydraulikflüssigkeit
aus der ersten Öffnung 118 durch
die Steuerkammer 128, die Führungsöffnung 156 und das
Rückschlagventil 134 zu
der zweiten Öffnung 120 strömt. Der
Hydraulikflüssigkeitsstrom
durch den Führungskanal 125 verringert
den Druck in der Steuerkammer 128 auf den, der in der zweiten Öffnung 120 herrscht. Somit
drückt
der höhere
Druck in der ersten Öffnung 118,
der auf die Oberfläche 180 wirkt,
den Hauptventilkegel 124 aus dem Ventilsitz 122,
um eine direkte Verbindung zwischen den ersten und zweiten Öffnungen 118 und 120 herzustellen.
Die Bewegung des Hauptventilkegels 124 sitzt sich so lange
fort, bis ein Druck/Kraft-Gleichgewicht sich über dem Hauptkegel 124 eingestellt
hat, und zwar aufgrund der konstanten Strömung durch das effektive Öffnen zur
Führungsöffnung 156.
Somit werden die Größe dieser Ventilöffnung und
die Strömungsgeschwindigkeit
der Hydraulikflüssigkeit
durch diese Öffnung
hindurch durch die Lage des Ankers 164 und des Führungskegels 166 bestimmt,
die wiederum durch die Höhe
des in der Elektromagnetspule 162 vorhandenen Stroms gesteuert
werden.
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Wenn
umgekehrt der Druck in der zweiten Öffnung 120 den Druck
in der ersten Öffnung 118 übersteigt,
läßt sich
durch Aktivierung der Spule 160 ein proportionaler Strom
von der zweiten Öffnung
zur ersten Öffnung
erhalten. In diesem Fall wird der höhere Druck an der zweiten Öffnung durch
das vierte Rückschlagventil 143 (4)
auf die zweite Steuerkammer 128 übertragen, und wenn dann der
Führungskegel 166 sich
aus dem Führungsventilsitz
an der Öffnung 156 entfernt,
strömt
Flüssigkeit
von der Steuerkammer durch den Führungskanal 125 und das
erste Rückschlagventil 137 zu
der ersten Öffnung 118.
Dadurch öffnet
sich der Hauptventilkegel 124 aufgrund des höheren Druckes,
der auf seine Nase 135 einwirkt.
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Ein Änderung
der Last- und Zufuhrdrücke
erzeugt über
dem Ventil eine sich ändernde
Druckdifferenz. Im geschlossenen Zustand wirkt sich die Druckdifferenz
auf die Größe der Kraft
aus, die zum Öffnen der
vorherigen magnetspulenbetriebenen Steuerventile erforderlich ist,
und erzeugt danach eine gegebene Strömungsmenge der Hydraulikflüssigkeit.
Diese Wirkung wirkt sich wiederum auf die Größe des elektrischen Stroms
aus, der zur Betätigung
des Ventils erforderlich ist. Bei dem vorliegenden EHP-Ventil 110 wird
der Wirkung, die eine Druckdifferenz auf den Hauptventilkegel 124 hat,
durch den Druckkompensationsmechanismus 142 entgegengewirkt
bzw. das Gleichgewicht gehalten. Die Doppelspiralfeder 145 oder 157 ermöglicht es
dem Führungssitz,
der an der Führungsöffnung 156 vorhanden
ist, sich in Abhängigkeit
von der sich ändernden
Druckdifferenz über dem
Hauptventilkegel 124 zu bewegen. Eine derartige Bewegung
verändert
effektiv die Axialstellung des Führungssitzes,
um dadurch die Wirkung der Druckdifferenzänderung auf das Führungsventil
aufzuheben. Die konstruktiv vorgegebene Flexibilität des Sitzes
wird auf der Grundlage der Federkonstanten der Doppelspiralfeder 145 oder 157 bestimmt.
Wie oben bereits erwähnt,
ist die Federkonstante des besonderen Druckkompensationsmechanismus 142 ziemlich linear,
und zwar selbst bei relativ kleinen Bewegungsgrößen.
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Unter
Bezug auf die 1 und 2 ist darauf
hinzuweisen, daß das
vorliegende elektrohydraulische Proportionalventil 110 Leckage
an der O-Ringdichtung 123 bei Lastbetrieb beseitigt. Wie
vorher beschrieben, gibt es Zeiten, zu denen die Maschine abgeschaltet
ist und durch den Körper,
der durch den Zylinder 28 angetrieben wird, unter Last
steht. Somit übt
die getragene Last auf die Zylinderkolbenstange 44 ein
Gewicht aus, das an der ersten Öffnung 118 des
EHP-Ventils 110 in Druck umgesetzt wird. Der Druck wird
durch den dritten Kegelkanal 139 und das dritte Rückschlagventil 140 im
Hauptventilkegel 124 auf die Steuerkammer 128 übertragen.
Daher ist der auf beiden Seiten der O-Ringdichtung 123 herrschende
Druck gleich, wodurch ein Flüssigkeitsleckageweg
bei Betriebsstillstand unter Last beseitigt ist.
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Dies
steht im Gegensatz zu bekannten Verbindungen von bidirektionalen
EHP-Ventilen, bei
denen die zweite Öffnung 120 am
Knoten des Hauptkegels 124 mit einer Zylinderkammer verbunden
war. Bei Betriebsstillstand unter Last wurde bei dieser Verbindung
der Lastdruck auf die Steuerkammer 128 übertragen, und zwar durch den
vierten Kegelkanal 141 und das vierte Rückschlagventil 143.
An der ersten Öffnung
herrscht, wenn die Maschine abgeschaltet ist, im wesentlichen der
Druck Null. Daher tritt über
der O-Ringdichtung 123 eine große Druckdifferenz auf, die
bei Betriebsstillstand unter Last im Laufe der Zeit zu Flüssigkeitsverlusten
führt.
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Wie
aus den 2 und 7 ersichtlich, wird
für ein
unidirektionales elektrohydraulisches Proportionalventil ein anderer
Hauptventilkegel 324 mit einem Druckkompensationsmechanismus
verwendet. Dieser Hauptventilkegel 324 kann in der Längsbohrung 116 in
Bezug auf den Ventilsitz 122 des Ventilkörpers 112 von 2 gleiten,
um wahlweise den Strom der Hydraulikflüssigkeit zwischen ersten und
zweiten Ventilöffnungen 118 und 120 zu
steuern. Ein Führungskanal
ist in dem Hauptventilkegel 324 durch einen zentralen Hohlraum 226 ausgebildet,
der eine Öffnung
in die Steuerkammer 128 auf der dem Hauptventilkegel abgewandten
Seite aufweist. Ein Kanal 338 erstreckt sich durch den
Hauptventilkegel 324 von dem zentralen Hohlraum 326 aus zu
der Kegelnase 335. Ein Rückschlagventil 337 ermöglicht den
Flüssigkeitsstrom
im Kanal 338 nur in einer Richtung von dem Kegelhohlraum 326 aus
zu der zweiten Öffnung 120.
Abweichend von früheren Ausführungsformen
des Hauptventilkegels ist hier kein entsprechender Querdurchgang
zwischen dem zentralen Hohlraum 326 und der ersten Öffnung 118 vorgesehen.
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Ein
weiterer Kanal 339 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 324 zwischen
der ersten Öffnung 118 und
der Steuerkammer 128. Ein Rückschlagventil 340 im
Kanal 339 ermöglicht
den Flüssigkeitsstrom
nur von der ersten Öffnung 118 zur Steuerkammer 128.
Ein Ring 331 um den Kegel 324 begrenzt eine relativ
kleine Eintrittsöffnung
in den Kanal 339, der als Filter wirkt, wodurch die meisten
Teilchen, die das Rückschlagventil 340 blockieren
könnten,
am Eintreten in den Kanal 339 gehindert werden. Ein Druckkompensationsmechanismus 342,
der denselben Aufbau und dieselbe Betriebsweise hat wie der vorher
beschriebene Druckkompensationsmechanismus 142 von 5,
ist in dem zentralen Hohlraum 326 des Hauptventilkegels 324 angeordnet. Speziell
ist darauf hinzuweisen, daß der
Druckkompensationsmechanismus 342 ein Doppelspiralfeder 345 aufweist,
die den Mechanismus gegen eine Scheibe 349 drückt, welche
sich über
die Hauptventilkegelbohrung 326 neben der zentralen Kammer 116 erstreckt.
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Der
Hauptventilkegel 324 steuert, wenn er in den in 2 gezeigten
Ventilkörper
eingebaut wird, den Flüssigkeitsstrom
in einer einzigen Richtung von der ersten Öffnung 118 zur zweiten Öffnung 120.
Die Kanäle 338 und 339 beaufschlagen
die entgegengesetzten Seiten des Druckkompensationsmechanismus 324 mit
den Öffnungsdrücken und
ermöglichen damit
der Pilotöffnung 356,
sich, wie bei den vorhergehenden Ausführungsformen beschrieben, zu
bewegen.
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Diese
Hauptventilkegel 324 und die vorhergehenden Ausführungsformen
reduzieren das Auftreten von Kavitation in den Kammern 25 und 26 des Zylinders 28,
die an die zweite Öffnung 120 des
Ventils angeschlossen sind (siehe 1). Kavitation
tritt auf, wenn die auf den Kolben einwirkenden Kräfte dazu
führen,
daß sich
die Zylinderkammer schneller ausdehnt als die Flüssigkeit zugeführt werden
kann, um diese Kammer zu füllen.
Dieses Ereignis wird dadurch angezeigt, daß in der Zylinderkammer ein
bedeutend negativer Druck auftritt. Unter Bezug auf die 2 und 7 ist
festzustellen, daß dieser
negative Druck oder Unterdruck auf die zweite Öffnung 120 des elektrohydraulischen
Ventils 110 übertragen wird.
Der negative Druck öffnet
das Rückschlagventil 337,
wodurch das Innere des Druckkompensationsmechanismus 342 mit
diesem Druckniveau beaufschlagt wird. Diese Wirkung zieht die Führungsöffnung 356 nach
unten, d. h. in der Zeichnung weg von dem Führungskegel 156, wodurch
der Hauptventilkegel 324 veranlaßt wird, sich nach oben zu
bewegen. Diese Bewegung vergrößert die
Ventilöffnung
und liefert mehr Flüssigkeit
in die zweite Öffnung 120,
um dadurch jedwede Hohlräume
in der sich ausdehnenden Zylinderkammer zu füllen.
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In
den 2 und 8 ist eine weitere Ausführungsform
eines Hauptventilkegels gezeigt, die in einem unidirektionalen,
elektrohydraulischen Proportionalventil zur Druckkompensierung und
Rückflußsperre
benutzt wird. Dieser Hauptventilkegel 424 gleitet in der
Längsbohrung 116 in
Bezug auf den Ventilsitz 122, um den Strom der Hydraulikflüssigkeit zwischen
den ersten und zweiten Öffnungen 118 und 120 zu
steuern. In dem Hauptventilkegel 424 wird durch einen zentralen
Hohlraum 426 ein Führungskanal
gebildet, der sich in die Steuerkammer 128 öffnet. Ein
Kanal 438 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 424 von
dem zentralen Hohlraum 426 aus zu der Kegelnase 435.
Ein Rückschlagventil 437 ermöglicht den
Flüssigkeitsstrom
im Kanal 438, nur in einer Richtung von dem Kegelhohlraum 426 aus
zu der zweiten Öffnung 120.
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Ein
weiterer Kanal 439 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 424 zwischen
der ersten Öffnung 118 und
der Steuerkammer 128. Ein anderes Rückschlagventil 440 ermöglicht der
Flüssigkeit,
nur aus der ersten Öffnung 118 zu
der Steuerkammer 128 zu strömen. Ein den Kegel 424 umgebender Ring 431 bildet
eine relativ kleine Eintrittsöffnung
in den Kanal 439, die als Filter wirkt, wodurch die meisten
Teilchen, die das Rückschlagventil 440 verstopfen
könnten,
am Eintreten in den Kanal 439 gehindert werden. Noch ein
anderer Kanal 441 erstreckt sich durch den Hauptventilkegel 424 zwischen
der zweiten Öffnung 120 und
der zentralen Kammer 128. Ein weiteres Rückschlagventil 443 ermöglicht der
Flüssigkeit,
durch den Kanal 441 nur von der zweiten Öffnung 120 zu
der Steuerkammer 128 zu strömen. Ein Stopfen 461,
der die Kegelnase 435 bildet, bietet eine Eintrittsöffnung 463 in
den Kanal 441. Diese Eintrittsöffnung 463 ist relativ
klein und wirkt als Filter, wodurch die meisten Teilchen, die das
Rückschlagventil 443 verstopfen
könnten,
am Eintreten in den Kanal 441 gehindert werden. Ein Druckkompensationsmechanismus 442,
der denselben Aufbau und dieselbe Betriebsweise hat wie der oben
beschriebene Druckkompensationsmechanismus 142, ist in
dem zentralen Hohlraum 426 des Hauptventilkegels 424 angeordnet.
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Der
Hauptventilkegel 424 steuert den Flüssigkeitsstrom in einer einzigen
Richtung von der ersten Öffnung 118 zu
der zweiten Öffnung 120 in
derselben Weise wie bei der in 7 beschriebenen Ausführungsform.
Dieser letztgenannte Hauptventilkegel 424 bildet jedoch
auch eine Rückflußsperre. Die
Rückflußsperre
von der zweiten Öffnung 120 zur ersten Öffnung 118 tritt
ein, sobald der Druck an der zweiten Öffnung größer ist als der Druck an der
ersten Öffnung;
also eine Umkehr der Druckbeziehung, die das Öffnen des Ventils ermöglicht.
Diese Druckumkehr bewirkt, daß sich
das Rückschlagventil 143 öffnet, wodurch
der höhere
Druck an der zweiten Öffnung
auf die Steuerkammer 116 über dem Hauptventilkegel 424 gelangt
und das Rückschlagventil 440 schließt. Nun
sind die auf den entgegengesetzten Seiten des Druckkompensationsmechanismus 442 wirkenden
Drücke
gleich. Dies hat zur Folge, daß im
Druckkompensationsmechanismus der Führungskanal 456 nach
oben gedrückt
wird, wodurch sich der Hauptventilkegel 424 gegen den Ventilsitz 122 zwischen
den ersten und zweiten Öffnungen
bewegt und die dazwischen liegenden Öffnungen schließt.
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Die
obige Beschreibung ist hauptsächlich
auf eine bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung gerichtet. Obgleich auch verschiedene Alternativen
innerhalb des Schutzbereiches der Erfindung betrachtet worden sind,
versteht es sich für
den auf diesem Gebiet tätigen
Fachmann ohne weiteres, daß zusätzliche
Alternativen auf der Grundlage der offenbarten Ausführungsformen
der Erfindung möglich
sind. Demzufolge soll der Schutzbereich der Erfindung von den folgenden
Ansprüchen
bestimmt werden und nicht auf die obige Offenbarung beschränkt sein.