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Diese
Erfindung bezieht sich auf hydraulische Steuermittel und insbesondere
auf ein hydraulisches Fernsteuerventil (HRC-Ventil, HRC = hydraulic remote
control). Die Erfindung hat insbesondere, jedoch nicht ausschließlich, eine
Anwendung für
die Steuerung von hydraulischen Kupplungen, die bei Raupenfahrzeugen
eingesetzt werden, wie beispielsweise Erdbewegungsfahrzeuge (Bulldozer
usw.) und militärische
Panzer.
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Wie
wohl bekannt ist, wird ein Raupenfahrzeug gelenkt durch Reduzierung
oder vollständige Unterbrechung
des Antriebes von einer oder der anderen von den zwei Raupen, gemäß der erforderlichen
Richtungsänderung.
Dies wird erreicht durch Verringerung oder Unterbrechung der hydraulischen Versorgung
von einer oder der anderen Kupplungen, die mit den Raupen assoziiert
sind. Typischerweise wird diese Steuerung der hydraulischen Versorgung der
Kupplungen direkt durch den Betrieb von Hebeln bewirkt, die auf
Hydraulikventile wirken, jedoch ist das vorkommende Drehmoment relativ
hoch, was somit einen beträchtlichen
manuellen Aufwand auf der Seite des Fahrzeugfahrers erfordert.
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Es
gibt eine zunehmende Anforderung nach Erleichterung des Aufwandes,
der zum Betrieb von Raupenfahrzeugen und anderen Fahrzeugen/Maschinen
erforderlich ist, insbesondere mit Bezug auf das nun erkannte Syndrom
wiederholter Anspannung (Repetitive-Strain-Syndrom). Das Ziel der
vorliegenden Erfindung ist es, ein hydraulisches Steuerventil vorzusehen,
welches einen Betrieb mit niedrigem Drehmoment erfordert.
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Das
US-Patent 3 646 959 beschreibt ein Druckmodulationsrichtungssteuerventil
für Lasten mit
hoher Trägheit,
wie beispielsweise den Schwenkantrieb eines Krans. Das hier offenbarte
Ventil verwendet zwei Drei-Wege-Kolbenventile,
die zur Einlassöffnungsposition
vorgespannt sind und ein getrenntes Druckregulierungsventil mit
einer minimalen Federvorspannung und einer manuell variablen hydraulischen
Vorspannung. Jedes Drei-Wege-Ventil hat
ein variables Vorsteuerdruckentlastungsventil, und diese sind abwechselnd
betreibbar durch einen manuellen Hebel, um einen Vorsteuervor spannungsdruck
zu modulieren, der auf das Druckregulierungsventil aufgebracht wird,
und auch eines oder das andere der Drei-Wege-Ventile, immer wenn
es als ein Bremsventil in der Rücklaufseite
der Schaltung während
des Umkehrlaufs des Motors wirkt.
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Die
vorliegende Erfindung wird in den beigefügten Ansprüchen definiert und kann ein
hydraulisches Steuerventil vorsehen, welches ein hydraulisches Hauptventil
aufweist, welches ein Kolbenventil und ein Vorsteuerdrucksteuerventil
aufweist, welches ein Druckentlastungsventil aufweist und manuell
betreibbar ist, um die Ausgabe des Hauptventils zu steuern, gekennzeichnet
dadurch, dass im Gebrauch die Ausgabe des Hauptventils zurück zu einem
ersten Ende des Kolben von jenem Ventil über einen ersten Teil des Gesamtquerschnittes
des Kolbens gespeist wird, wobei das Druckströmungsmittel, welches von dem
Entlastungsventil gesteuert wird, auf einen zweiten Teil des Gesamtquerschnittes
des Kolbens aufgebracht wird, und zwar am ersten Ende, wobei die
von diesen Drücken
erzeugte Kraft durch eine Federkraft ausbalanciert wird, die auf
ein zweites Ende des Kolbens wirkt, wodurch bewirkt wird, dass der
Ausgangsdruck des Hauptventils sinkt, wenn der Betriebsdruck (Pp)
des Vorsteuerventils gesteigert wird.
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Das
Vorsteuerventil kann beispielsweise ein Druckreduzierungsventil
in Form eines Sitzventils sein.
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Der
Betriebsdruck des Druckentlastungsventils kann durch einen manuell
betreibbaren Kolben gesteuert werden, der auf eine Feder wirkt,
die in Eingriff mit dem Verschlussglied des Sitzventils ist, wobei
der Kolben eine Rückstellfeder
hat, wobei die Rate der Rückstellfeder
derart ist, dass sie sicherstellt, dass es immer eine Netto-Kraft
gibt, die wirksam ist, das Sitzventil in die offene Position zu
drücken.
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Eine
Feder mit einer niedrigen und im Wesentlichen konstanten Rate kann
auf das zweite Ende des Kolbens des Hauptventils wirken.
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Das
Druckströmungsmittel
kann auf das erste Ende des Kolbens des Hauptventils durch Beschränkungsmittel
wirken, die zwei Beschränkungen aufweisen,
wobei eine das Signal vom Ausgang beeinflusst, wobei die andere
das Signal vom Vorsteuerventil beeinflusst.
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Bei
der Anwendung der Erfindung auf die Steuerung der zwei hydraulischen
Kupplungen eines Raupenfahrzeugs können zwei oben erwähnte Steuerventile
in einem gemeinsamen Gehäuse
vorgesehen werden und unabhängige
Steuerungen haben. Im Hinblick auf die Tatsache, dass in jedem Steuerventil
nur ein Vorsteuerventil manuell gesteuert wird, was sehr kleine
Kräfte
mit sich bringt, muss eine einfache Fingerspitzensteuerung vom Bediener
auf die manuell betätigbaren
Mittel aufgebracht werden, die dieses Ventil steuern.
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Die
vorliegende Erfindung kann auch ein Verfahren zur Steuerung von
unter Druck gesetztem Strömungsmittel
vorsehen, welches folgende Schritte aufweist:
- i)
Vorsehen eines hydraulischen Hauptventils, welches ein Kolbenventil
aufweist;
- ii) Vorsehen eines Vorsteuerdrucksteuerventils, welches ein
Druckentlastungsventil aufweist und manuell betreibbar ist, um die
Ausgabe des Hauptventils zu steuern;
dadurch gekennzeichnet
dass das Verfahren weiter folgende Schritte aufweist:
- iii) Rückspeisung
der Ausgabe des Hauptventils zu einem ersten Ende des Kolbens von
diesem Ventil über
einen ersten Teil des Gesamtquerschnittes des Kolbens, wodurch das
Druckströmungsmittel,
welches durch das Entlastungsventil gesteuert wird, auf einen zweiten
Teil des Gesamtquerschnittes des Kolbens am ersten Ende aufgebracht
wird; und
- iv) Ausgleich dieser Drücke
mittels einer Federkraft, die auf ein zweites Ende des Kolbens wirkt, wodurch
bewirkt wird, dass der Aus gangsdruck des Hauptventils abnimmt, wenn
der Betriebsdruck (Pp) des Vorsteuerventils ansteigt.
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Dieses
Verfahren kann weiter den Schritt aufweisen, die zwei Hauptventile
und die zwei Vorsteuerventile in einem gemeinsamen Gehäuse vorzusehen.
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Der
Schritt des Vorsehens eines gemeinsamen Gehäuses kann weiter das Vorsehen
eines Materialblockes aufweisen und das Bohren dieses Blockes, um
Ventilkörper
und Strömungsmittelflussdurchlässe vorzusehen.
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung in Form eines HRC-Ventils bzw. hydraulischen Fernsteuerungsventils
für einen
Bulldozer wird nun genauer beispielhaft mit Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, in denen die Figuren Folgendes darstellen:
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1 ein
hydraulisches Schaltungsdiagramm eines Teils der Ausführungsbeispiels;
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2 ein
schematischer Querschnitt eines Teils des Ausführungsbeispiels der 1;
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3 eine
Seitenansicht der Gesamtheit des ersten Ausführungsbeispiels;
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4 eine
zweite Seitenansicht der Gesamtheit des ersten Ausführungsbeispiels;
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5 eine
vierte Seitenansicht der Gesamtheit des Ausführungsbeispiels;
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6 eine
Ansicht von oben in 4;
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7 eine
Ansicht von unten in 4; und
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8 und 9 beispielhafte
Darstellungen des Betriebs des veranschaulichten Ausführungsbeispiels
bzw. eines alternativen Ausführungsbeispiels.
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Zuerst
mit Bezugnahme auf 1 weist das Ausführungsbeispiel
des hydraulischen Fernsteuerventils gemäß der vorliegenden Erfindung
eine entfernte Versorgung Ps für
unter Druck gesetztes hydraulisches Strömungsmit tel auf, typischerweise
aus einer hydraulischen Pumpe kommend und verbunden mit einer Hauptkolbenventil 1 und
einem Vorsteuerdrucksteuerventil 2, letzteres über eine
Einschwenkung 3, um eine Vorsteuerventildruckversorgung
Pp vorzusehen. Das Vorsteuerventil 2 hat die Form eines
Druckentlastungsventils.
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Der
Versorgungsdruck Ps ist direkt mit dem Hauptventil 1 über eine
Verbindung 4 verbunden. Der Ausgangsdruck Px des Hauptventils 1 wird
zu einer (nicht gezeigten) hydraulischen Kupplung geliefert, die
mit einer Raupe des (ebenfalls nicht gezeigten) Bulldozers assoziiert
ist und wird auch über
die Rohrleitung 7 über
eine Einschränkung 8 zum
Hauptventil 1 zurückgespeist.
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Das
Vorsteuerventil 2 entlüftet
in den Tank T. Die Einstellung des Steuerdruckes des Vorsteuerventils 2 wird
durch ein Sitzventil 9 gesteuert, welches manuell durch
den Fahrer des Raupenfahrzeuges über
einen Hebel 11 betätigt
wird, der auf einem Drehpunkt 12 geschwenkt wird und ein
Ende 13 besitzt, welches der Fahrer anfassen kann, und
wobei das andere Ende 14 mit einer Stange 15 einer
Federführung 16 in
Eingriff zu bringen ist, die einen Teil des Vorsteuerventils bildet
(2). Der Steuerdruck wird zu dem Hauptventil 1 über eine
Verbindung 5 gespeist, die eine Einschränkung 6 verkörpert.
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Wenn
man nun 2 betrachtet, zeigt diese ein
praktisches Ausführungsbeispiel
der Schaltung der 1 und es ist zu sehen, dass
das Vorsteuerventil 2 einen Körper 17 besitzt, der
durch eine Bohrung in einem Materialblock 20 geformt wird,
in dem die Federführung 16 verschiebbar
montiert ist, wobei die Federführung
mit einer Rückstellfeder 18 versehen
ist, die an einem Ende mit einem Ring 19 auf der Führung in
Eingriff kommt. Die Führung 16 hat
auch eine mittlere Ausnehmung 21.
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Ein
Ende des Vorsteuerventilkörpers 17 wird durch
einen Stöpsel 22 und
einen Dichtungsring 23 abgedichtet, wobei der Stöpsel eine
mittlere Durchgangsbohrung besitzt, durch welche die Stange 15 gegen
die Führung 16 wirkt.
Die Stange 15 ist in der Stöpseldurchgangsbohrung durch
einen Dichtungsring 24 abgedichtet.
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Das
Sitzventil 9 hat ein Sitzelement 25, das mit einer Öffnung 26 in
Eingriff zu bringen ist, die in einem Verschluss 27 für das andere
Ende des Ventilkörpers 17 vorgesehen
ist. Das Sitzelement 25 wird in dichtenden Eingriff mit
der Öffnung 26 durch
eine Feder 28 gedrückt.
Die Raten dieser Feder und der Rückstellfeder 18 sind
dabei so, dass es immer eine Netto-Kraft gibt, die auf das Sitzelement 25 wirkt,
um diesen in Eingriff mit der Öffnung 26 während des
Betriebs des Ventils zu drücken.
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Wenn
keine Last über
den Hebel 11 aufgebracht wird, drückt die Rückstellfeder 18 die
Federführung 16 nach
oben gegen den Stecker 22. In der „Ruheposition" des Sitzventils 9 ist
die Abwärtsbewegung
des Sitzes 25 durch einen Stift 57 eingeschränkt, der
in einem Schlitz 58 bewegbar ist, der in der Führung 16 vorgesehen
ist. In dieser Ruheposition wird der Sitz 25 nicht in dichtenden
Eingriff mit der Öffnung 26 gedrückt. Auf
diese Weise kann Strömungsmittel
frei über
den Sitz 25 fließen
und kein Druck wird von dem Sitzventil 9 erzeugt.
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Eine
nach unten gerichtete Belastung der Federführung 16 durch Bewegung
des Hebels 11 gestattet, dass der Stift 57 sich
weg vom Ende des Schlitzes 58 bewegt, was somit gestattet,
dass das Sitzelement 25 gegen die Öffnung 26 durch die
Feder 28 gedrückt
wird, d.h. in eine „Ventil-Geschlossen-Position".
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Nach
einer gewissen weiteren Abwärtsbewegung
der Führung 16 stellt
die Oberseite der Ausnehmung 21 einen Kontakt zu einer
Oberseite 59 des Sitzelementes 25 her. In dieser
Position ist die Kraft, die das Sitzelement 25 gegen die Öffnung 26 drückt, nicht
durch die Feder 28 gesteuert, sondern stattdessen durch
die Kraft, die auf das Ende 13 des Hebels 11 aufgebracht
wird. In dieser Weise kann der Strömungsmitteldruck Pp, der von
dem Sitz ventil 9 erzeugt wird, auf den begrenzenden Versorgungsdruck Ps
angehoben werden.
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Die
obigen Betriebsverfahren des Sitzventils 9 gestatten, dass
die in 8 gezeigte Auslassdruckcharakteristik die drei
entsprechenden Betriebszustände 100, 101, 102 hat.
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Die
Sitzventilanordnung kann vereinfacht werden, wenn nur ein einziger
Betriebszustand erforderlich ist, d.h. die lineare Druckcharakteristik
wie in 9 veranschaulicht.
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Immer
noch mit Bezug auf 2 weist das Hauptventil 1 einen
Kolben 29 auf, der verschiebbar in einem Körper 31 montiert
ist, der durch eine Bohrung in dem Block 20 geformt wird
und eine Feder 32 besitzt, die zwischen einem (zweiten)
Ende und einem Stöpsel 32 wirkt,
der ein Ende des Körpers
verschließt.
Die Feder 32 hat eine niedrige, und so konstant wie mögliche,
Rate. Der Kolben 29 ist mit zwei Stegen 34 und 35 versehen.
Ein Kolben 60 ist in dem Ende des Kolbens 29 gegenüberliegend
jenem gelegen, auf welches die Rückstellfeder 32 wirkt.
Der Kolben 60 wird im Eingriff mit den Kolben 29 durch
einen umlaufenden Clip bzw. Haltering 61 gehalten. Der
getrennte Kolben 29 und der Kolben 60 können durch eine
einteilige Komponente ersetzt werden.
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Das
Ende des Hauptventilkörpers 31 gegenüber jenem,
welches von dem Stöpsel 33 verschlossen
wird, hat einen reduzierten Durchmesser und wird durch einen Stöpsel 41 verschlossen.
Es gibt eine Galerie 42 zwischen dem Ende des Kolbens 60 und
dem Stöpsel 41,
wobei die Galerie eine Verbindung mit dem Sitzventil 9 über die
Einschränkung 6 und
die Bohrung 43 herstellt. Der Ausgangsdruck Px des Hauptventils
wird über
die Einschränkung 8 und die
Bohrung 44 zu einer Galerie 62 im Ventilkörper 31 geliefert.
Ein Ausgangsanschluss 46 ist in dem Block 20 zur
Anbringung einer (nicht gezeigten) Rohrleitung vorgesehen, die zur
Kupplung führt.
Eine Bohrung 47 in dem Block 20 verbindet jeweilige
Enden der Ventilkörper 17 und 31 mit
dem Tank 4.
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Der
Versorgungsdruck Ps wird zum Block 20 über einen Druck- oder Einlassanschluss 51 geliefert,
wobei die Versorgung zu sowohl dem Hauptventilkolben 29 über eine
Galerie 63 als auch zu dem Sitzventil 9 über die
Bohrung 52 und 53, die Einschränkung 3 und die weitere
Bohrung 43 gebracht wird.
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Es
wird klar sein, dass um den Block 20 zu bohren, um die
verschiedenen Ventilkörper
und Bohrungen vorzusehen, die oben erwähnt wurden, Zugangsbohrungen
vorgesehen werden müssen,
die nach der Herstellung durch Stöpsel 56 verschlossen werden.
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Auf
die Kolbenstange 15 des Entlastungsventils 2 wird
durch das Ende 14 des Hebels 11 eingewirkt, welches
L-förmig
ist und bei 54 an dem Drehpunkt 12 angebracht
ist, der auf dem Block 20 getragen wird.
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Der
Block 20 enthält
zwei der in 1 und 2 gezeigten
hydraulischen Schaltungen, eine für jede der zwei Kupplungen,
die mit den rechten und linken Raupen des Fahrzeugs assoziiert sind.
Die zwei Betätigungshebel 11 sind
in den 3-5 zu sehen.
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Im
Betrieb ist der Hebel 11 normalerweise in der in 2 gezeigten
Ruheposition, in der der Versorgungsdruck Ps vollständig als
die Ausgabe Px zu beiden Kupplungen über die Galerien 62 und 63 um den
Hauptventilkolben 29 geliefert wird. Dieser Ausgangsdruck
Px wird. auch über
die Bohrung 44 und die Einschränkung 8 zu einem ersten
Ende 64 des Hauptventilkolbens 29 gegenüberliegend
dem zweiten Ende geliefert.
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Der
Versorgungsdruck Ps, der zum Sitzventil 9 über die
Bohrungen 53 und 55 über die Einschränkung 3 geliefert
wird, wird zum Tank T entlüftet.
Wenn es erforderlich ist, das Raupenfahrzeug zu lenken, ist ein
Differentialantrieb der Raupen erforderlich, wodurch eine Kupplung
teilweise oder vollständig
ausgerückt
werden muss. Der Fahrer schwenkt den assoziierten Hebel 11 um
den Schwenkpunkt 52 durch Bewegung des Hebels 13 nach
rechts, wie in 2 zu sehen. Wie schon oben erklärt, bewegt
diese Handlung das Hebelende 14 nach unten und bewegt schließlich die
Stange 15 und die Federführung 16 nach unten.
Diese Bewegung drückt
die Feder 28 zusammen und steigert daher die Verschlusskraft
auf dem Sitzelement 25. Dies bedeutet wiederum eine Steigerung
des Druckes Pp, der zur Galerie 42 gespeist wird und auf
den Kolben 60 wirkt. Dies tendiert dazu, den Kolben 29 gegen
die Feder 32 zu bewegen und entlüftet somit Px über eine
Ausgabegalerie 65, und daher wird der Druck der assoziierten
Kupplung zu einem gewissen Ausmaß abgelassen, wodurch der Antrieb
für die
assoziierte Raupe verringert wird. Dieser verringerte Px wird natürlich zurück zum ersten
Ende des Kolbens 29 gespeist um seine Balance aufrecht
zu erhalten, die Balance der gesamten Druckkraft, die auf ein Ende
des Kolbens 29 wirkt, gegenüber der Kraft der Feder 32,
die auf das andere Ende wirkt. Die Kolbenposition moduliert, um
diese Balance aufrecht zu erhalten.
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Klar
ist, dass je mehr der Hebel 11 gedreht wird, desto größer die
Verringerung des Ausgangsdruckes Px ist und desto größer die
Entkupplung der fraglichen Kupplung ist. Anders gesagt, je größer das auf
den Hebel 11 aufgebrachte Drehmoment ist, desto größer ist
die Verringerung des Ausgangsdruckes Px. Anders gesagt erreicht
die Kupplungssteuerschaltung eine inverse Modulationsausgabe.
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Dies
wird, wie schon erwähnt,
in 8 veranschaulicht, die eine Kurvendarstellung
der Druckanschlüsse 46 (Px)
der zwei Schaltungen gegenüber der
Bewegung (Hub) des Hebels 11 ist.
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Insofern
als der Fahrer nur die Betriebskraft auf dem Sitzventil 9 steuern
muss, wird extrem wenig Drehmoment auftreten, was eine reine Fingerspitzensteuerung
gestattet, was ein wichtiger Fortschritt in der Technik ist.
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Der
Ring, der am ersten Ende 64 des Kolbens durch den Steg 35 und
den Teil 60 mit verringertem Durchmesser des Hauptventilkolbens 29 geformt wird,
ist typischerweise 50% der gesamten Kolbenquerschnittsfläche, und
das Ende des Kolbens, der im Endeffekt durch den Kolben 60 geformt
wird, ist auch typischerweise 50% der gesamten Kolbenquerschnittsfläche, jedoch
können
andere Prozentsätze, die
sich idealer Weise auf 100% addieren, ideal eingesetzt werden, die
insgesamt ungefähr
100% der Querschnittsfläche
ergeben.
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Obwohl
bei dem veranschaulichten Ausführungsbeispiel
der Ausgangsdruck Px auf einen äußeren (Ring-)Teil
des ersten Endes 64 des Kolbens 29 wirkt, wobei
der Entlastungsventildruck Pp auf den inneren Teil (Kolben 60)
wirkt, kann dies umgekehrt werden.
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Der
Versorgungsdruck Ps ist typischerweise 25 bar, und der Durchmesser
der Öffnung 26 des Sitzventils 9 kann
2,5 mm sein.