EP0628731A1 - Vorgesteuertes Servoventil - Google Patents

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EP0628731A1
EP0628731A1 EP94107440A EP94107440A EP0628731A1 EP 0628731 A1 EP0628731 A1 EP 0628731A1 EP 94107440 A EP94107440 A EP 94107440A EP 94107440 A EP94107440 A EP 94107440A EP 0628731 A1 EP0628731 A1 EP 0628731A1
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EP
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connection
pilot
main control
control
piston
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EP94107440A
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Arsène Bourkel
Bernd Lanfermann
Karl Tratberger
Karl-Heinz Post
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Hydrolux SARL
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Hydrolux SARL
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    • Y10T137/86702—With internal flow passage

Definitions

  • the invention relates to a pilot-operated servo valve with at least three main power connections.
  • Pilot operated electrohydraulic servo valves in two and multi-stage versions with more than two main power connections e.g. used as 4-way valves, for controlling position, speed, force in cylinders for linear movements, respectively position, speed and torque in hydraulic motors for rotary movements, each of which has two displacement chambers.
  • these 4-way servo valves are designed as panel-mounted valves.
  • a main control spool of the main stage is fitted directly in a valve housing or in a control sleeve inserted in the housing.
  • the openings of the main flow connections are symmetrical with respect to the likewise symmetrical main control piston.
  • the hydraulic actuation of the main control piston takes place by pressurizing its two end faces in control chambers which are arranged in end caps flanged on both sides of the valve housing. These control chambers are connected to a pilot servo valve via control holes. Return springs are provided for centering the main spool.
  • Valves for block installation are known in various designs. There are also servo valves with large flow rates for block installation, but they only have 2 main flow connections and are designed as seat valves. Screw-in block built-in valves with 4 main flow connections are known from the mobile sector, but are designed as switching directional valves with direct solenoid actuation.
  • the present invention relates in particular to a pilot-controlled servo valve which comprises the following technical features: a main spool with a first end and a second end, a control sleeve in which the main control piston is axially displaceable, openings at an axial distance from one another into the control sleeve for at least three main power connections, a first axial hydraulic connection within the control sleeve between the mouth for the first main power connection and the mouth for the second main power connection, a second axial hydraulic connection within the control sleeve between the junction for the second main power connection and the junction for the third main power connection, a first control edge of the main control piston assigned to the first axial hydraulic connection for regulating the flow, a second control edge of the main control piston assigned to the second axial hydraulic connection for regulating the flow, a first control chamber in which the main control piston forms a first actuating surface, a second control chamber in which the main control piston forms a second actuating surface which axially counteracts the first
  • the invention has for its object to provide a pilot operated servo valve of the type described which can be integrated into a control block to save space and has a clearly defined safety position without having to forego good dynamic behavior of the servo valve.
  • this object is achieved by: that the opening into the control sleeve for the first main flow connection is formed opposite a first piston end face at the first end of the main control piston, the openings into the control sleeve for the second, third and each further main flow connection, however, are arranged laterally to the main control piston, that the main control piston forms a piston pressure compensation surface in a pressure compensation chamber that hydrostatically counteracts the first piston end face, the pressure compensation chamber being hydraulically connected to the first main flow connection by a pressure relief channel in the main control piston, and that the main control piston forms a stop surface, which mechanically defines a first axial end position of the main control piston by cooperation with a corresponding counter stop surface, a return spring being arranged in relation to the main control piston in such a way that it exerts a spring force on the latter in the direction of its first axial end position.
  • the pilot-operated servo valve according to the invention is inserted with its control sleeve directly into a stepped bore of a control block.
  • This control block then has lateral block bores for the second, third and each further main power connection.
  • This block bore for the first main flow connection can, for example, be carried out directly in the axial extension of the stepped bore for the control sleeve, which has not hitherto been possible in conventional pilot-operated servo valves with more than two main connections. Bridging in the control block between individual junctions in the control sleeve is also no longer required.
  • the servo valve according to the invention With the servo valve according to the invention, a far more compact design of the control blocks is achieved than is the case with conventional servo valves. Even in more complex hydraulic controls, the servo valve according to the invention can be integrated into a control block in a space-saving manner together with various additional valves, for example 2-way cartridge valves. A direct installation in the Cylinder covers of larger cylinders are also possible.
  • the asymmetrical hydrostatic load on the main control piston is compensated for by appropriate dimensioning of the pressure compensation surface of the main control piston.
  • This hydrostatic compensation reduces the actuation forces required for the main control piston, which means that the actuation areas in the control chambers can be made smaller. This results in smaller control oil volumes, which means that shorter actuating times can be achieved with the same pilot valve.
  • a safety position of the servo valve is clearly defined by the mechanically defined first axial end position of the main control piston by the direct housing stop of the main control piston and by the return spring acting directly on the main control piston. Even when the control edges overlap, the behavior of the valve according to the invention in the first end position of the main control piston is clearly defined, which is not possible with conventional, center-centered servo valves.
  • the valve according to the invention is preferably designed as a 4-way valve. It also includes: an additional side opening into the control sleeve for a fourth main power connection, an auxiliary connection chamber connected to the pressure compensation channel of the main control piston via a transverse bore of the main control piston, a third axial hydraulic connection within the control sleeve between the mouth for the third main power connection and the mouth for the fourth main power connection, a fourth axial hydraulic connection within the control sleeve between the opening for the fourth main power connection and the auxiliary connection chamber, a third control edge of the main control piston assigned to the third axial hydraulic connection, and a fourth control edge of the main control piston assigned to the fourth axial hydraulic connection.
  • the second end of the main control piston is inserted in an axially sealed manner into the pressure compensation chamber in order to form the pressure compensation surface there as a second piston end face.
  • This embodiment allows a more compact design of the valve than is possible with an annular pressure compensation surface. However, the latter embodiment is not excluded.
  • Hydrostatic overcompensation of the servo valve is achieved when the axially effective area of the pressure compensation area is larger than the axially effective area of the first piston end face.
  • the connections of the servo valve are preferably assigned as follows: the first main power connection is hydraulically connected to a pump and thus forms a pump connection (P), the second main flow connection is hydraulically connected to a first displacement chamber of a consumer and thus forms a first working connection (A), the third main power connection is hydraulically connected to a tank and thus forms a tank connection (T), the fourth main flow connection, if present, is hydraulically connected to a second displacement chamber of a consumer and thus forms a second working connection (B).
  • the pump connection (P) can be inserted axially into the control sleeve; the tank connection (T) is located between the first and second working connection.
  • the main power connections are also possible without foregoing the most important advantages of the servo valve according to the invention.
  • pump is generally understood to mean a hydraulic pressure source
  • tank means a vessel or a line without substantial counterpressure
  • consumer is a hydraulic rotary or linear drive.
  • the four control edges of the main control piston preferably have a zero overlap. For example, this results in excellent positioning accuracy when the valve is used in a position control loop of a hydraulic cylinder, and excellent behavior when the valve is used for pressure control. Since the valve is not center-centered in the safety position, but has an axial end position, the zero overlap of the control edges has no negative effect on the behavior of the valve in its safety position.
  • the control edges assume the following position in the first axial end position of the main control piston: the first axial hydraulic connection is closed by the first and / or second control edge, the second axial hydraulic connection is released, the third axial hydraulic connection is closed by the third and / or fourth control edge, the fourth axial hydraulic connection is released.
  • the working connection (A) is thus connected to the tank connection (T) in the first end position of the main control piston, while the working connection (B) is connected to the pump connection (P) via the pressure chamber.
  • the second working connection (B) to the pump connection (P) is blocked in the first end position of the main control piston.
  • the main control piston has a first auxiliary control edge, which is assigned to the third and fourth control edge in such a way that it axially closes the fourth axial hydraulic connection in the first axial end position of the main control piston.
  • the third and fourth control edges are then, for example, arranged in such a way that the third axial hydraulic connection between the tank connection (T) and the second working connection (B) is released when the main control piston is in the first axial end position.
  • the first working connection (A) and the second working connection (B) are blocked in the first end position of the main control piston to the pump connection (P) and to the tank connection (T).
  • the main control piston has a first and a second auxiliary control edge.
  • the first auxiliary control edge is assigned to the third and fourth control edge in such a way that it closes the fourth axial hydraulic connection in the first axial end position of the main control piston.
  • the second auxiliary control edge is the first and second Assigned control edge such that it closes the second axial hydraulic connection in the first axial end position of the main control piston.
  • the first and second control edges are arranged in such a way that when the main control piston is in the first axial end position, the first axial hydraulic connection between the pump connection (P) and the first work connection (A) is closed.
  • the third and fourth control edges are arranged in such a way that in the first axial end position of the main control piston, the third axial hydraulic connection between the tank connection (T) and the second work connection (B) is closed.
  • the combination with an additional isolating valve arranged between the pilot valve and the main control piston enables the main control piston to be actuated into its first axial end position by the return spring or by additional hydraulic pressure forces when it is released into a spring-centered basic position, for example in the event of an emergency stop or error signal. Due to the piston geometry described above, e.g. a hydraulic cylinder is stopped by blocking the work connections, or depressurized by connecting the work connections to the tank. This enables uncontrolled travel to an end position of the cylinder when errors are detected in the control electronics, machine control or even in the pilot valve itself.
  • the second control chamber In order to enable pilot control of the valve designs described above with a 3-way pilot valve, the second control chamber, with the second actuating surface acting in the direction of the first end position, is directly hydraulically connected to an always depressurized tank line (Y).
  • the first control chamber with the first actuating surface acting in the opposite direction to the first end position, on the other hand, is hydraulically connected to the working connection of the 3-way pilot valve.
  • the position sensor of the main control piston is designed as a position measuring system with an electrical output and is integrated in a closed control loop with the pilot valve.
  • the servo valve can also be equipped with mechanical feedback.
  • a 3-way pilot slide valve is then arranged in the axial extension of the second end of the main control piston, which has a pilot pressure connection (P '), a pilot tank connection (T'), a pilot work port (A ') and has a spool.
  • a measuring spring axially connects the pilot spool to the main spool, and an actuating magnet that is proportional to an electrical signal is mechanically connected to the spool.
  • the main spool is positioned in a closed position control loop until the force balance between the magnetic and measuring spring forces is reached.
  • the pilot pressure connection (P ') is directly hydraulically connected to the pilot tank connection (T') via the release valve, and the pilot valve is designed in such a way that the pilot working port (A '), depending on the position of the pilot spool , either directly to the pilot tank connection (T ') or the pilot pump connection (P') is hydraulically connected.
  • Figure 1 shows a longitudinal section through a first embodiment of the servo valve 3.
  • a control sleeve 5 is inserted into a stepped bore 2 of a control block 1.
  • a main control piston 6 is fitted axially displaceably in this control sleeve 5.
  • the servo valve 3 shown in the figures is a 4-way servo valve and has a pump connection (P), a tank connection (T), and a first working connection (A) and a second working connection (B).
  • the pump connection (P) is in hydraulic connection with a pressure line (not shown).
  • the tank connection (T) is in hydraulic connection with an unpressurized line (not shown).
  • the working connections (A) and (B) are in hydraulic connection with a first or second displacement chamber of a hydraulic linear or rotary drive (not shown).
  • a first control block bore 50 for the pump connection (P) opens into the control sleeve 5 in a coaxial extension of the stepped bore 2.
  • Three block bores 51, 52, 53 for the tank connection (T) 51, the first working connection (A) 52 and the second working connection (B ) 53, are arranged transversely to the stepped bore 2 and open laterally into the control sleeve 5. They form, at axial spacing from one another, annular openings 51 ', 52', 53 'with corresponding transverse bores in the control sleeve 5.
  • a first axial hydraulic connection 28 connects the opening 50 'for the pump connection (P) with the opening 52' for the working connection (A); a second axial hydraulic connection 29 the opening 51 'for the tank connection (T) with the opening 52' for the working connection (A); a third axial hydraulic connection 30 the mouth 51 'for the tank connection (T) with the mouth 53' for the working connection (B); and a fourth axial hydraulic connection 31, the opening 53 'for the working connection (B) with an auxiliary connection chamber 22 arranged coaxially within the control sleeve 5.
  • the main control piston 6 has a first coaxial piston collar 8, which is assigned to the working connection (A) and is axially displaceable in the first and second axial hydraulic connections 28 and 29, and a second coaxial piston collar 9, which is assigned to the working connection (B) is and is axially displaceable in the third and fourth axial hydraulic connection 30 and 31.
  • the first piston collar 8 forms a first control edge 28 'associated with the first hydraulic connection 28, and a second control edge 29' associated with the second hydraulic connection 29. Both control edges 28 ', 29' have a zero overlap.
  • the second piston collar 9 forms a third control edge 30 ′ assigned to the third hydraulic connection 30 and a fourth control edge 31 ′ assigned to the fourth hydraulic connection 31. Both control edges 30 ', 31' also have a zero overlap.
  • the auxiliary connection chamber 22 is connected to the pump connection (P) by the main control piston 6 via an axial piston bore 18 and a piston transverse bore 19.
  • the main control piston therefore connects with its coaxial piston collar 8 the first working connection (A) and with its coaxial piston collar 9 the second working connection (B) alternately with the pump connection (P) or the tank connection (T), the respective flow of the hydraulic fluid via the four Control edges 28 ', 29', 30 ', 31' is regulated.
  • the main control piston 6 is loaded hydrostatically asymmetrically via its pressurized piston end face 12.
  • a hydrostatic pressure compensation of the main control piston takes place by continuing the coaxial piston bore 18 to the second end of the main control piston 6, where it opens via a piston cross bore 20 into a pressure compensation chamber 25, which is arranged in a valve cover 40.
  • the second end of the main control piston, inserted axially sealed by a sealing insert 7, is introduced into this pressure compensation chamber 25 and forms a pressure compensation extension 21.
  • this has a pressure compensation surface 13 that counteracts the first piston face 12 hydrostatically.
  • a complete hydrostatic pressure compensation results if the pressure compensation surface 13 is equal to the piston end surface 12 is chosen. Hydrostatic overcompensation is achieved if the pressure compensation surface 13 is chosen to be larger than the piston end surface 12.
  • the main control piston 6 is actuated via a machined coaxial actuating piston collar 11 by correspondingly pressurizing its annular first or second actuating surface 14, 15.
  • the latter are arranged in a first and second control chamber 26 and 27 in the valve cover 40, where they are connected via pilot ports 56, 57 to the working ports (A ') and (B') of a flanged 4-way pilot servo valve 60.
  • the actuating ring surfaces 14, 15 are designed so large that the flow forces which arise when the control edges 28 ', 30' or 29 ', 31' flow over them are surely overcome. As a result, very short actuation times for positioning the main control piston 6 can be achieved with a given pilot control valve 60.
  • a first coaxial auxiliary piston collar 32 additionally worked on the main control piston 6 closes the fourth hydraulic connection 31 from the auxiliary connection chamber 22 to the second working connection (B) with its first auxiliary control edge 32 ', while the third and fourth control edges 30' and 31 ' of the second coaxial piston collar 9 simultaneously release the third hydraulic connection 30 between the tank connection (T) and the working connection (B).
  • the first working connection (A) is also via the second control edge 29 'of the first coaxial piston collar 8 to the tank relieved, so that a connected cylinder is depressurized in both connections.
  • the pressure equalization attachment 21 is enlarged in diameter such that the pressure equalizing surface 13 is larger than the piston end face 12, this causes overcompensation with an additional hydrostatic force to return the main control piston 6 to the first end position.
  • the positioning of the main control piston 6 can also be carried out with a simplified 3-way pilot valve 61 (see FIG. 5). It has a pilot pump connection (P '), a pilot tank connection (T') and a control connection (A ').
  • the pilot pump connection (P ') is pressurized via the control pressure line (X).
  • the pilot tank connection (T ') is connected to an unpressurized control line (Y).
  • the control connection (A ') is connected to the first control chamber 26 via an isolation valve 62.
  • the 3-way pilot valve 61 When the 3-way pilot valve 61 is not activated, the main control piston 6 is in the rest position, while when it is electrically actuated by pressurizing the larger actuating surface 14 with respect to the tank-relieved actuating surface 15, a hydraulic control force is generated which, in the manner already described, hydraulic position control loop positioned. To do this, however, the release valve 62 must be actuated.
  • control chamber 26 is connected directly to the control connection (A ') of the 3-way pilot valve 61.
  • a 3-way piston valve 67 is arranged in the axial extension of the main control piston 6. It has a pilot pump connection (P ') 58, a pilot tank connection (T') 59, a control connection (A ') 56 and a spool 68. The latter is supported at one end on a spring plate 69 in the pressure compensation chamber 25 and is connected at its second end to a proportional magnet 66.
  • a measuring spring 65 is arranged in the pressure compensation chamber 25 between the spring plate 69 and the main control piston 6.
  • the spool 68 is axially pierced for hydrostatic pressure compensation. Regardless of the position of the spool 68, the control port is always connected to the pilot pump port (P ') or the pilot tank port (T').
  • the main control piston 6 is designed as in FIGS. 4 and 5 and thus has identical properties.
  • the pilot valve 67 By comparing the force of the proportional magnet 66, which is proportional to the electrical control current, as the setpoint, and the spring force of the measuring spring 65, which is proportional to the position of the main control piston 6, as the actual value, the pilot valve 67 with its on the actuating surface (A ') 14 acting Output control pressure adjusted until the electrically specified position in the position control loop is reached.
  • An isolating valve 62 is additionally arranged in the pilot pump connection (P ') 58'. With its electrical relief in the basic position, the pilot pump connection (P ') 58 is connected to the tank. Regardless of the position of the pilot valve 67, the actuating surface (A ') 14 is thus always relieved of pressure to the tank, as a result of which the main control piston 6 is actuated again by the hydrostatic overcompensation and the return spring 24 into the first end position.
  • the release valve 62 can be omitted with reduced safety requirements without impairing the safe basic function.

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Abstract

Ein vorgesteuertes Servoventil mit mindestens drei Haupstromanschlüssen (50, 51, 52, 53) für den raumsparenden Einbau in einen Steuerblock wird vorgestellt. Die Einmündung in die Steuerhülse (5) für den ersten Haupstromanschluss (50) ist gegenüber einer Kolbenstirnfläche (12) des Haupsteuerkolbens (6) ausgebildet. In einer Druckausgleichskammer (25) bildet der Hauptsteuerkolben (6) eine Druckausgleichsfläche (13) aus. Die Druckausgleichskammer (25) ist durch einen Druckentlastungskanal (18, 20) im Hauptsteuerkolben (6) mit dem ersten Hauptstromanschluss (50) hydraulisch verbunden. Eine Rückstellfeder (24) übt auf den Hauptsteuerkolben (6) eine Federkraft in Richtung eines ersten axialen Endanschlags aus und legt somit eine Sicherheitsendstellung eindeutig fest. Das Ventil zeichnet sich durch ein gutes dynamisches Verhalten aus. <IMAGE>

Description

  • Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Servoventil mit mindestens drei Hauptstromanschlüssen.
  • Vorgesteuerte elektrohydraulische Servoventile in zwei- und mehrstufiger Ausführung mit mehr als zwei Hauptstromanschlüssen werden, z.B. als 4-Wege-Ventile, zur Steuerung von Position, Geschwindigkeit, Kraft bei Zylindern für Linearbewegungen, respektiv Position, Drehzahl und Drehmoment bei Hydromotoren für Drehbewegungen, die jeweils zwei Verdrängerkammern aufweisen, eingesetzt.
  • Diese 4-Wege-Servoventile sind in der herkömmlichen Bauform als Plattenaufbauventile ausgeführt. Ein Hauptsteuerschieber der Hauptstufe ist dabei direkt in einem Ventilgehäuse oder in einer im Gehäuse eingesetzten Steuerhülse eingepasst. Die Einmündungen der Hauptstromanschlüsse sind symmetrisch in Bezug auf den ebenfalls symmetrischen Hauptsteuerkolben ausgebildet. Die hydraulische Betätigung des Hauptsteuerkolbens erfolgt dabei durch Druckbeaufschlagung seiner beiden Endflächen in Steuerkammern, welche in beidseitig am Ventilgehäuse angeflanschten Endkappen angeordnet sind. Diese Steuerkammern sind über Steuerbohrungen mit einem Vorsteuer-Servoventil verbunden. Rückstellfedern sind zur Mittenzentrierung des Hauptsteuerkolbens vorgesehen .
  • Ventile für Blockeinbau sind in diversen Ausführungen bekannt. So gibt es auch Servoventile mit grossen Durchflüssen für Blockeinbau, jedoch haben diese nur 2 Hauptstromanschlüsse und sind als Sitzventile ausgeführt. Aus dem Mobilbereich sind Einschraub-Blockeinbauventile mit 4 Hauptstromanschlüssen bekannt, die jedoch als schaltende Wegeventile mit direkter Magnetbetätigung ausgeführt sind.
  • Von besonderer Bedeutung beim praktischen Einsatz von Servoventilen ist der Sicherheitsaspekt bei Ausfall oder Fehler in der elektrischen Ansteuerung oder im Vorsteuer-Servoventil. Ein solcher Ausfall darf nicht zu einer undefinierten Lage des Hauptsteuerkolbens und damit zu unkontrollierbaren Bewegungen des angeschlossenen Zylinders, z.B. Schliessbewegungen bei Pressen, führen.
  • Bekannte Lösungen bei mehrstufigen Servoventilen in Plattenaufbau-Ausführung sind so aufgebaut, dass ein zusätzliches elektrisch betätigtes Wegeventil zwischen dem Vorsteuer-Servoventil und den hydraulischen Steuerkammern des Hauptsteuerkolbens angeordnet ist. Bei Fehler schaltet dieses Wegeventil in seine federzentrierte Grundstellung zurück, unterbricht die Verbindung zum Vorsteuer-Servoventil und verbindet die Steuerkammern des Hauptsteuerkolbens so, dass letzterer durch zwei Druckfedern zwischen zwei Federtellern in Gehäuseanschlag mittenzentriert wird. Zum eindeutig definierten Verhalten der Zylinderbewegung bei Mittenzentrierung des Hauptsteuerkolbens, muss das Ventil jedoch eine positive Überdeckung der Steuerkanten mindestens zur Druckquelle aufweisen. Diese positive Überdeckung der Steuerkanten hat gegenüber der Nullüberdeckung der vier Steuerkanten zwischen Druckquelle, Arbeitsanschlüssen und Tankrücklauf, gravierende Nachteile bezüglich der erzielbaren Positioniergenauigkeit der Zylinderbewegung im Lageregelkreis und bei Einsatz des Ventils zu Druckregelung.
  • Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere ein vorgesteuertes Servoventil welches folgende technische Merkmale umfasst:
       einen Hauptsteuerkolben mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende,
       eine Steuerhülse in welcher der Hauptsteuerkolben axial verschiebbar angeordnet ist,
       in axialem Abstand zu einander angeordnete Einmündungen in die Steuerhülse für mindestens drei Hauptstromanschlüsse,
       eine erste axiale hydraulische Verbindung innerhalb der Steuerhülse zwischen der Einmündung für den ersten Hauptstromanschluss und der Einmündung für den zweiten Hauptstromanschluss,
       eine zweite axiale hydraulische Verbindung innerhalb der Steuerhülse zwischen der Einmündung für den zweiten Hauptstromanschluss und der Einmündung für den dritten Hauptstromanschluss,
       eine, der ersten axialen hydraulischen Verbindung zum Regeln des Durchflusses zugeordnete, erste Steuerkante des Hauptsteuerkolbens,
       eine, der zweiten axialen hydraulischen Verbindung zum Regeln des Durchflusses zugeordnete, zweite Steuerkante des Hauptsteuerkolbens ,
       eine erste Steuerkammer, in welcher der Hauptsteuerkolben eine erste Betätigungsfläche ausbildet,
       eine zweite Steuerkammer, in welcher der Hauptsteuerkolben eine, der ersten Betätigungsfläche axial entgegenwirkende, zweite Betätigungsfläche ausbildet,
       ein Vorsteuerventil hydraulisch verbunden mit mindestens einer der beiden Steuerkammern, und
       eine Rückführung zwischen Hauptsteuerkolben und Vorsteuerventil, in welche ein Positionsaufnehmer des Hauptsteuerkolbens eingebunden ist.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Servoventil der vorbeschriebenen Art zu schaffen welches raumsparend in einen Steuerblock integriert werden kann und eine eindeutig festgelegte Sicherheitsstellung aufweist, ohne dabei auf ein gutes dynamisches Verhalten des Servoventils verzichten zu müssen.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss dadurch gelöst:
       dass die Einmündung in die Steuerhülse für den ersten Hauptstromanschluss gegenüber einer ersten Kolbenstirnfläche am ersten Ende des Hauptsteuerkolbens ausgebildet ist, die Einmündungen in die Steuerhülse für den zweiten, dritten und jeden weiteren Hauptstromanschluss jedoch seitlich zum Hauptsteuerkolben angeordnet sind,
       dass der Hauptsteuerkolben in einer Druckausgleichskammer eine, der ersten Kolbenstirnfläche hydrostatisch entgegenwirkende, Kolbendruckausgleichfläche ausbildet, wobei die Druckausgleichskammer durch einen Druckentlastungskanal im Hauptsteuerkolben mit dem ersten Hauptstromanschluss hydraulisch verbunden ist, und
       dass der Hauptsteuerkolben eine Anschlagfläche ausbildet, welche durch Zusammenwirken mit einer entsprechenden Gegenanschlagfläche eine erste axiale Endstellung des Hauptsteuerkolbens mechanisch festlegt, wobei eine Rückstellfeder derart zum Hauptsteuerkolben angeordnet ist, dass sie auf letzteren eine Federkraft in Richtung seiner ersten axialen Endstellung ausübt.
  • Das erfindungsgemässe vorgesteuerte Servoventil wird mit seiner Steuerhülse direkt in eine Stufenbohrung eines Steuerblocks eingesetzt. Dieser Steuerblock weist dann seitliche Blockbohrungen für den zweiten, dritten und jeden weiteren Hauptstromanschluss auf. Betreffend die Anordnung der Blockbohrung für den ersten Hauptstromanschluss besteht jedoch grösstmögliche Freiheit. Diese Blockbohrung für den ersten Hauptstromanschluss kann zum Beispiel unmittelbar in axialer Verlängerung der Stufenbohrung für die Steuerhülse ausgeführt sein, was bei herkömmlichen vorgesteuerten Servoventilen mit mehr als zwei Hauptanschlüssen bis jetzt nicht möglich ist. Brückenbildungen im Steuerblock zwischen einzelnen Einmündungen in die Steuerhülse sind ebenfalls nicht mehr erfordert. Mit dem erfindungsgemässen Servoventil wird somit eine weitaus kompaktere Bauweise der Steuerblöcke erreicht, als dies bei herkömmlichen Servoventilen der Fall ist. Auch in komplexeren hydraulischen Steuerungen kann das erfindungsgemässe Servoventil zusammen mit diversen zusätzlichen Ventilen, zum Beispiel 2-Wege-Einbauventile, in einen Steuerblock raumsparend integriert werden. Ein direkter Einbau in den Zylinderdeckel von grösseren Zylindern ist ebenfalls möglich.
  • Beim erfindungsgemässen Ventil wird die unsymmetrische hydrostatische Belastung des Hauptsteuerkolben durch entsprechende Dimensionierung der Druckausgleichsfläche des Hauptsteuerkolbens kompensiert. Durch diese hydrostatische Kompensation werden die erforderlichen Betätigungskräfte für den Hauptsteuerkolben verringert, wodurch die Betätigungsflächen in den Steuerkammern kleiner ausgelegt werden können. Es ergeben sich somit kleinere Steuerölvolumina, das heisst, dass bei gleich grossem Vorsteuerventil kürzere Stellzeiten erzielt werden.
  • Durch die, durch unmittelbaren Gehäuseanschlag des Hauptsteuerkolbens, mechanisch definierte erste axiale Endstellung des Hauptsteuerkolbens, sowie durch die unmittelbar auf den Hauptsteuerkolben wirkende Rückstellfeder wird eine Sicherheitsstellung des Servoventils eindeutig festgelegt. Selbst bei Nullüberdeckung der Steuerkanten ist das Verhalten des erfindungsgemässen Ventils bei erster Endstellung des Hauptsteuerkolbens eindeutig festgelegt, was bei herkömmlichen, mittenzentrierten Servoventilen nicht möglich ist.
  • Das erfindungsgemässe Ventil wird vorzugsweise als 4-Wegeventil ausgeführt. Dabei umfasst es zusätzlich:
       eine zusätzliche seitliche Einmündung in die Steuerhülse für einen vierten Hauptstromanschluss,
       eine über einen Querbohrung des Hauptsteuerkolbens mit dem Druckausgleichskanal des Hauptsteuerkolbens verbundene Hilfsanschlusskammer,
       eine dritte axiale hydraulische Verbindung innerhalb der Steuerhülse zwischen der Einmündung für den dritten Hauptstromanschluss und der Einmündung für den vierten Hauptstromanschluss ,
       eine vierte axiale hydraulische Verbindung innerhalb der Steuerhülse zwischen der Einmündung für den vierten Hauptstromanschluss und der Hilfsanschlusskammer,
       eine dritte, der dritten axialen hydraulischen Verbindung zugeordnete Steuerkante des Hauptsteuerkolbens , und
       eine vierte, der vierten axialen hydraulischen Verbindung zugeordnete Steuerkante des Hauptsteuerkolbens.
  • Auch in dieser 4-Wege-Ausführung sind im Steuerblock keine Brückenbildungen für den Anschluss der Steuerhülse erforderlich.
  • In einer bevorzugten Ausführungsform wird das zweite Ende des Hauptsteuerkolbens axial abgedichtet in die Druckausgleichskammer eingeführt um dort die Druckausgleichsfläche als zweite Kolbenstirnfläche auszubilden. Diese Ausfürungsform erlaubt eine kompaktere Bauform des Ventils, als dies bei einer ringförmigen Druckausgleichsfläche möglich ist. Letztere Ausführungsform wird jedoch nicht ausgeschlossen.
  • Eine hydrostatische Überkompensation des Servoventils wird erreicht, wenn die axial wirksame Fläche der Druckausgleichsfläche grösser als die axial wirksame Fläche der ersten Kolbenstirnseite ist. Bei Druckbeaufschlagung des ersten Hauptstromanschlusses wirkt somit eine Stellkraft in Richtung dieses ersten Hauptstromanschlusses und kann zum Beispiel die Rückstellkraft der Rückstellfeder vorteilhaft ergänzen.
  • Die Anschlüsse des Servoventils werden vorzugsweise wie folgt belegt:
       der erste Hauptstromanschluss wird hydraulisch mit einer Pumpe verbunden und bildet somit einen Pumpenanschluss (P),
       der zweite Hauptstromanschluss wird hydraulisch mit einer ersten Verdrängerkammer eines Verbrauchers verbunden und bildet somit einen ersten Arbeitsanschluss (A),
       der dritte Hauptstromanschluss wird hydraulisch mit einem Tank verbunden und bildet somit einen Tankanschluss (T),
       der vierte Hauptstromanschluss wird, falls vorhanden, hydraulisch mit einer zweiten Verdrängerkammer eines Verbrauchers verbunden und bildet somit einen zweiten Arbeitsanschluss (B).
  • Bei dieser Ausführung kann der Pumpenanschluss (P) axial in die Steuerhülse eingeführt werden; der Tankanschluss (T) befindet sich zwischen dem ersten und zweiten Arbeitsanschluss. Andere Belegungen der Hauptstromanschlüsse sind jedoch ebenfalls möglich, ohne auf die wesentlichsten Vorteile des erfindungsgemässen Servoventils zu verzichten.
  • Es bleibt anzumerken, dass allgemein unter Pumpe eine hydraulische Druckquelle, unter Tank ein Gefäss oder eine Leitung ohne wesentlichen Gegendruck und unter Verbraucher ein hydraulischer Rotations- oder Linearantrieb verstanden wird.
  • Die vier Steuerkanten des Hauptsteuerkolbens weisen vorzugsweise eine Nullüberdeckung auf. Dadurch werden zum Beispiel eine ausgezeichnete Positioniergenauigkeit, bei Einsatz des Ventils in einem Lageregelkreis eines Hydraulikzylinders, und ein ausgezeichnetes Verhalten, bei Einsatz des Ventils zu Druckregelung, erzielt. Da das Ventil in Sicherheitsstellung nicht mittenzentriert ist, sondern eine axiale Endstellung aufweist, hat die Nullüberdeckung der Steuerkanten keine negative Auswirkung auf das Verhalten des Ventils in seiner Sicherheitsstellung.
  • In einer ersten Ausführungsform des Servoventils nehmen bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens die Steuerkanten folgende Position ein:
       die erste axiale hydraulische Verbindung ist durch die erste und/oder zweite Steuerkante verschlossen,
       die zweite axiale hydraulische Verbindung ist freigegeben,
       die dritte axiale hydraulische Verbindung ist durch die dritte und/oder vierte Steuerkante verschlossen,
       die vierte axiale hydraulische Verbindung ist freigegeben.
  • Der Arbeitsanschluss (A) ist somit in der ersten Endstellung des Hauptsteuerkolbens mit dem Tankanschluss (T) verbunden, während der Arbeitsanschluss (B) über die Druckkammer mit dem Pumpenanschluss (P) verbunden ist.
  • In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils wird, in der ersten Endstellung des Hauptsteuerkolbens ,der zweite Arbeitsanschluss (B) zum Pumpenanschluss (P) gesperrt. In dieser Ausgestaltung weist der Hauptsteuerkolben eine erste Hilfssteuerkante auf, welche der dritten und vierten Steuerkante derart zugeordnet ist, dass sie bei der ersten axialen Endstellung des Hauptsteuerkolbens die vierte axiale hydraulische Verbindung axial verschliesst. Die dritte und vierte Steuerkanten sind dann, zum Beispiel, derart angeordnet, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens die dritte axiale hydraulische Verbindung zwischen Tankanschluss (T) und zweitem Arbeitsanschluss (B) freigegeben ist.
  • In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des Servoventils werden der erste Arbeitsanschluss (A) und der zweite Arbeitsanschluss (B) in der ersten Endstellung des Hauptsteuerkolbens zum Pumpenanschluss (P) und zum Tankanschluss (T) gesperrt. In dieser Ausgestaltung weist der Hauptsteuerkolben eine erste und zweite Hilfssteuerkante auf. Die erste Hilfssteuerkante ist der dritten und vierten Steuerkante derart zugeordnet, dass sie in erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens die vierte axiale hydraulische Verbindung verschliesst. Die zweite Hilfssteuerkante ist der ersten und zweiten Steuerkante derart zugeordnet, dass sie bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens die zweite axiale hydraulische Verbindung verschliesst. Die erste und zweite Steuerkante sind dabei derart angeordnet, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens, die erste axiale hydraulische Verbindung zwischen Pumpenanschluss (P) und erstem Arbeitsanschluss (A) verschlossen ist. Die dritte und vierte Steuerkante sind dagegen derart angeordnet, dass in erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens die dritte axiale hydraulische Verbindung zwischen Tankanschluss (T) und zweitem Arbeitsanschluss (B) verschlossen ist.
  • Die Kombination mit einem zusätzlich zwischen Vorsteuerventil und Hauptsteuerkolben angeordneten Freischaltventil ermöglicht bei dessen Entlastung in eine federzentrierte Grundstellung, zum Beispiel bei einem Notaus- oder Fehlersignal, dass der Hauptsteuerkolben durch die Rückstellfeder, respektiv durch zusätzliche hydraulische Druckkräfte in seine erste axiale Endstellung betätigt wird. Durch die vorbeschriebenen Ausführungen der Kolbengeometrie kann so z.B. ein Hydraulikzylinder durch Sperren der Arbeitsanschlüsse gestoppt, oder durch Verbinden der Arbeitsanschlüsse zum Tank drucklos geschaltet werden. Dadurch kann das unkontrollierte Fahren in eine Endstellung des Zylinders bei erkannten Fehlern in der Regelelektronik, Maschinensteuerung oder sogar im Vorsteuerventil selbst vermieden werden.
  • Um eine Vorsteuerung der vorbeschriebenen Ventilausführungen auch mit einem 3-Wege-Vorsteuerventil zu ermöglichen, wird die zweite Steuerkammer, mit der in Richtung der ersten Endstellung wirkenden zweiten Betätigungsfläche, mit einer stets drucklosen Tankleitung (Y) unmittelbar hydraulisch verbunden. Die erste Steuerkammer, mit der in entgegengesetzte Richtung der ersten Endstellung wirkenden ersten Betätigungsfläche, wird dagegen mit dem Arbeitsanschluss des 3-Wege-Vorsteuerventil hydraulisch verbunden.
  • Der Positionsaufnehmer des Hauptsteuerkolbens ist in einer ersten Ausgestaltung als Wegmesssystem mit elektrischem Ausgang ausgeführt und in einen geschlossenen Regelkreis mit dem Vorsteuerventil eingebunden.
  • Das Servoventil kann jedoch ebenfalls mit mechanischer Rückführung ausgestattet sein. In dieser Ausführung ist dann ein 3-Wege-Vorsteuer-Schieberventil in axialer Verlängerung des zweiten Endes des Hauptsteuerkolbens angeordnet, welches einen Vorsteuer-Druckanschluss (P'), einen Vorsteuer-Tankanschluss (T'), einen Vorsteuer-Arbeitsanschluss (A') und einen Kolbenschieber aufweist. Eine Messfeder verbindet den Vorsteuer-Kolbenschieber axial mit dem Hauptsteuerkolben, und ein proportional zu einem elektrischen Signal wirkender, Stellmagnet ist mechanisch mit dem Vorsteuer-Kolbenschieber verbunden. Die Positionierung des Hauptsteuerkolbens erfolgt somit in einem geschlossenem Positionsregelkreis bis Kräftegleichgewicht zwischen Magnet- und Messfederkraft erreicht ist.
  • Durch ein entsprechend in der Vorsteuerung angeordnetes Freischaltventil lässt sich auch bei einem 3-Wege-Vorsteuerventil zusätzliche Abschaltsicherheit bei Fehlererkennung erreichen. Der Vorsteuer-Druckanschluss (P') ist dabei über das Freischaltventil mit dem Vorsteuer-Tankanschluss (T') unmittelbar hydraulisch verbunden, und das Vorsteuerventil ist derart gestaltet, dass der Vorsteuer-Arbeitsanschluss (A'), je nach Stellung des Vorsteuer-Kolbenschiebers, entweder mit dem Vorsteuer-Tankanschluss (T') oder dem Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') unmittelbar hydraulisch verbunden ist. Bei Entlastung des Freischaltventils fährt der Hauptsteuerkolben, wie vorbeschrieben, in seine erste axiale Endstellung.
  • Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den beigefügten Zeichnungen dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen:
    • Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung des Servoventils, mit 4-Wege-Vorsteuerventil;
    • Figur 2 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführung des Servoventils, mit 4-Wege-Vorsteuerventil;
    • Figur 3 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführung des Servoventils, mit 4-Wege-Vorsteuerventil;
    • Figur 4 einen Längsschnitt durch eine Ausführung des Servoventils wie in Figur 1, jedoch mit 4-Wege-Vorsteuerventil und Freischaltventil;
    • Figur 5 einen Längsschnitt durch eine Ausführung des Servoventils wie in Figur 1, jedoch mit 3-Wege-Vorsteuerventil und Freischaltventil;
    • Figur 6 einen Längsschnitt durch eine weitere Ausführung des Servoventils wie in Figur 1, jedoch mit integriertem 3-Wege-Vorsteuerventil mit mechanischer Rückführung und Freischaltventil.
  • Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung des Servoventils 3. Eine Steuerhülse 5 ist in eine Stufenbohrung 2 eines Steuerblockes 1 eingesetzt. In dieser Steuerhülse 5 ist ein Hauptsteuerkolben 6 axial verschiebbar eingepasst. Das in den Figuren gezeigte Servoventil 3 ist ein 4-Wege-Servoventil und weist einen Pumpenanschluss (P), einen Tankanschluss (T), sowie einen ersten Arbeitsanschluss (A) und einen zweiten Arbeitsanschluss (B) auf.
  • Der Pumpenanschluss (P) steht in hydraulischer Verbindung mit einer Druckleitung (nicht gezeigt). Der Tankschluss (T) steht in hydraulischer Verbindung mit einer drucklosen Leitung (nicht gezeigt). Die Arbeitsanschlüsse (A) und (B) stehen in hydraulischer Verbindung mit einer ersten, respektiv zweiten Verdrängerkammer eines hydraulischen Linear- oder Rotationsantrieb (nicht gezeigt).
  • Eine erste Steuerblockbohrung 50 für den Pumpenanschluss (P) mündet in koaxialer Verlängerung der Stufenbohrung 2 in die Steuerhülse 5. Drei Blockbohrungen 51, 52, 53 für den Tankanschluss (T) 51, den ersten Arbeitsanschluss (A) 52 und den zweiten Arbeitsanschluss (B) 53, sind quer zur Stufenbohrung 2 angeordnet und münden seitlich in die Steuerhülse 5. Sie bilden dabei, in axialem Abstand zueinander angeordnete, ringförmige Einmündungen 51', 52', 53', mit entsprechenden Querbohrungen in der Steuerhülse 5 aus.
  • Innerhalb der Steuerhülse 5 verbindet eine erste axiale hydraulische Verbindung 28 die Einmündung 50' für den Pumpenanschluss (P) mit der Einmündung 52' für den Arbeitsanschluss (A); eine zweite axiale hydraulische Verbindung 29 die Einmündung 51' für den Tankanschluss (T) mit der Einmündung 52' für den Arbeitsanschluss (A); eine dritte axiale hydraulische Verbindung 30 die Einmündung 51' für den Tankanschluss (T) mit der Einmündung 53' für den Arbeitsanschluss (B); und eine vierte axiale hydraulische Verbindung 31 die Einmündung 53' für den Arbeitsanschluss (B) mit einer koaxial innerhalb der Steuerhülse 5 angeordneten Hilfsanschlusskammer 22. Bedingt durch die ringförmigen Einmündungen 51', 52', 53' ist der axiale Abstand zwischen der zweiten und dritten (29 und 30) axialen hydraulischen Verbindung weitaus grösser, als der axiale Abstand zwischen der ersten und zweiten (28 und 29), respektiv der dritten und vierten (30 und 31) axialen hydraulischen Verbindung.
  • Der Haupttsteuerkolben 6 weist einen ersten koaxialen Kolbenbund 8 auf, welcher dem Arbeitsanschluss (A) zugeordnet ist und axial in der ersten und zweiten axialen hydraulischen Verbindung 28 und 29 verschiebbar ist, sowie einen zweiten koaxialen Kolbenbund 9 auf, welcher dem Arbeitsanschluss (B) zugeordnet ist und axial in der dritten und vierten axialen hydraulischen Verbindung 30 und 31 verschiebbar ist. Der erste Kolbenbund 8 bildet eine, der ersten hydraulischen Verbindung 28 zugeordnete, erste Steuerkante 28' aus, sowie eine, der zweiten hydraulischen Verbindung 29 zugeordnete, zweite Steuerkante 29' aus. Beide Steuerkanten 28', 29' weisen eine Nullüberdeckung auf. Der zweite Kolbenbund 9 bildet eine, der dritten hydraulischen Verbindung 30 zugeordnete, dritte Steuerkante 30' aus, sowie eine, der vierten hydraulischen Verbindung 31 zugeordnete, vierte Steuerkante 31' aus. Beide Steuerkanten 30', 31' weisen ebenfalls eine Nullüberdeckung auf.
  • Über eine axiale Kolbenbohrung 18 und eine Kolbenquerbohrung 19 ist die Hilfsanschlusskammer 22 durch den Hauptsteuerkolben 6 mit dem Pumpenanschluss (P) verbunden. Der Hauptsteuerkolben verbindet demnach mit seinem koaxialen Kolbenbund 8 den ersten Arbeitsanschluss (A) und mit seinem koaxialen Kolbenbund 9 den zweiten Arbeitsanschluss (B) wechselseitig mit dem Pumpenanschluss (P) oder dem Tankanschluss (T), wobei der jeweilige Durchfluss der Hydraulikflüssigkeit über die vier Steuerkanten 28', 29', 30', 31' geregelt wird.
  • Über seine druckbeaufschlagte Kolbenstirnfläche 12, ist der Hauptsteuerkolben 6 hydrostatisch unsymmetrisch belastet. Ein hydrostatischer Druckausgleich des Hauptsteuerkolbens erfolgt durch Weiterführung der koaxialen Kolbenbohrung 18 zum zweiten Ende des Hauptsteuerkolbens 6, wo sie über eine Kolbenquerbohrung 20 in eine Druckausgleichskammer 25 einmündet, welche in einem Ventildeckel 40 angeordnet ist. Das zweite Ende des Hauptsteuerkolbens ist, axial abgedichtet durch einen Dichteinsatz 7, in diese Druckausgleichskammer 25 eingeführt und bildet einen Druckausgleichsansatz 21 aus. Dieser weist in der Druckausgleichskammer 25 eine der ersten Kolbenstirnfläche 12 hydrostatisch entgegenwirkende Druckausgleichsfläche 13 auf. Ein vollständiger hydrostatischer Druckausgleich ergibt sich wenn die Druckausgleichsfläche 13 gleich der Kolbenstirnfläche 12 gewählt wird. Eine hydrostatische Überkompensation wird erreicht wenn die Druckausgleichsfläche 13 grösser als die Kolbenstirnfläche 12 gewählt wird.
  • Die Betätigung des Hauptsteuerkolbens 6 erfolgt über einen angearbeiteten koaxialen Betätigungskolbenbund 11 durch entsprechende Druckbeaufschlagung seiner ringförmigen ersten, respektiv zweiten Betätigungsfläche 14, 15 . Letztere sind in einer ersten und zweiten Steuerkammer 26 und 27 im Ventildeckel 40 angeordnet, wo sie über Vorsteuer-Anschlüsse 56, 57 mit den Arbeitsanschlüssen (A') und (B') eines angeflanschten 4-Wege-Vorsteuer-Servoventils 60 verbunden sind. Durch Rückführung der, mit einer elektrischen Wegmesvorrichtung 63, gemessenen Position des Hauptsteuerkolbens 6, und Soll-Istwert-Vergleich, in einem elektronischen Regelverstärker 64, ergibt sich demnach ein elektro-hydraulischer geschlossener Regelkreis.
  • Die Betätigungsringflächen 14, 15 sind gerade so gross ausgelegt, dass die beim Überströmen der Steuerkanten 28', 30', bzw. 29', 31' entstehenden Strömungskräfte sicher überwunden werden. Dadurch lassen sich sehr kurze Stellzeiten zum Positionieren des Hauptsteuerkolbens 6 bei vorgegebenem Vorsteuerservoventil 60 erreichen.
  • Zwei axial entgegengesetzte Endstellungen des Hauptsteuerkolbens 6 werden mechanisch durch eine Anschlagringfläche 16 des Hauptsteuerkolbens in der Steuerkammer 26, respektiv eine Anschlagendfläche 17 am zweiten Ende des Hauptsteuerkolbens festgelegt. Bei druckloser erster Steuerkammer 26 wird der Hauptsteuerkolben 6 durch eine Rückstellfeder 24, welche zum Beispiel in der Druckausgleichskammer 25 angeordnet ist, in die erste Endstellung gedrückt. In dieser ersten Endstellung liegt die Anschlagringfläche 16 an einer Gegenfläche 16' der Steuerhülse 5 an, wobei in Figur 1:
    • die erste Steuerkante 28' die erste hydraulische Verbindung 28 zwischen Pumpenanschluss (P) und Arbeitsanschluss (A) verschliesst;
    • die zweite Steuerkante 29' die zweite hydraulische Verbindung 29 zwischen Tankanschluss (T) und Arbeitsanschluss (A) freigibt;
    • die vierte Steuerkante 31' die vierte hydraulische Verbindung zwischen Pumpenanschluss (P) und Arbeitsanschluss (B) freigibt und die dritte hydraulische Verbindung 30 zwischen Tankanschluss (T) und Arbeitsanschluss (B) verschliesst.
  • In dieser Stellung ist somit der Arbeitsanschluss (A) drucklos zum Tank entlastet, der Arbeitsanschluss (B) jedoch über die Hilfsanschlusskammer 22 mit dem Pumpenanschluss (P) verbunden.
  • Bei vielen technischen Anwendungen z.B. in Pressen und Kunststoffspritzgiessmaschinen darf der vom Servoventil gesteuerte Zylinder jedoch keine Bewegung mehr ausführen, wenn eine Sicherheitsabschaltung erfolgt, oder die Ansteuerelektronik ausfällt bzw. dort ein Fehler auftritt. Beide Arbeitsanschlüsse (A) und (B) müssen dazu entweder drucklos zum Tank entlastet oder gesperrt werden, was bei Servoventilen mit Nullüberdeckung bis jetzt nicht möglich war.
  • In der Ventilausführung nach Figur 2 verschliesst ein zusätzlich am Hauptsteuerkolben 6 angearbeiteter erster koaxialer Hilfskolbenbund 32 mit seiner ersten Hilfssteuerkante 32' die vierte hydraulische Verbindung 31 von der Hilfsanschlusskammer 22 zum zweiten Arbeitsanschluss (B), während die dritte und vierte Steuerkante 30' und 31' des zweiten koaxialen Kolbenbundes 9 gleichzeitig die dritte hydraulische Verbindung 30 zwischen Tankanschluss (T) und Arbeitsanschluss (B) freigeben. Der erste Arbeitsanschluss (A) ist über die zweite Steuerkante 29' des ersten koaxialen Kolbenbundes 8 ebenfalls zum Tank entlastet, so dass ein angeschlossener Zylinder in beiden Anschlüssen drucklos geschaltet ist.
  • Eine Sicherheitsendstellung mit gesperrten Arbeitsanschlüssen (A) und (B), zur Verriegelung des Zylinders auch bei anstehenden äusseren Belastungen, wird in der Ausführung nach Figur 3 erreicht. Die Steuerkanten respektiv Hilfssteuerkanten 32', 33' sind so angeordnet, dass sie in erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens folgende Lage einnehmen:
    • die erste Hilfssteuerkante 32' verschliesst, wie in Figur 2, die vierte Verbindung 31 zwischen der Hilfsanschlusskammer 22 und dem Arbeitsanschluss (B);
    • die vierte Steuerkante 31' verschliesst die dritte hydraulische Verbindung 30 zwischen dem Tankanschluss (T) und dem Arbeitsanschluss (B);
    • die erste Steuerkante 28' verschliesst die erste hydraulische Verbindung 28 zwischen Pumpenanschluss (P) und Arbeitsanschluss (A);und
    • die zweite Hilfssteuerkante 33', an einem zweiten am Hauptsteuerkolben 6 angearbeiteten Hilfskolbenbund 33, verschliesst die zweite hydraulische Verbindung 29 zwischen dem Tankanschluss (T) und dem Arbeitsanschluss (A).
  • Damit sind beide Arbeitsanschlüsse (A) und (B) sowohl zum Tank als auch druckseitig gesperrt.
  • Wird entsprechend Figur 4 der Druckausgleichsansatz 21 im Durchmesser so vergrössert, dass die Druckausgleichsfläche 13 grösser als die Kolbenstirnfläche 12 ist, bewirkt dieses eine Überkompensation mit einer zusätzlichen hydrostatischen Kraft zur Rückstellung des Hauptsteuerkolbens 6 in die erste Endstellung.
  • Durch ein zusätzlich zwischen dem Steueranschluss (A') 56 des 4-Wege-Vorsteuerservoventils 60 und der Steuerkammer (A') 26 angeordnetes Freischaltventil 62 wird in dessen federzentrierter Grundstellung ( d.h. bei nicht betätigtem Magneten) die Steuerkammer (A') 26 mit der Betätigungsfläche (A') 14 zum Tank entlastet. Unabhängig von der Stellung des 4-Wege-Vorsteuerservoventils fährt der Hauptsteuerkolben 6 in die erste Endstellung. Erst bei Betätigung des Freischaltventils 62 wird das 4-Wege-Vorsteuerservoventil 60 zur Positionierung des Hauptsteuerkolbens 6 wirksam.
  • Durch eine veränderte Vorsteuerung kann, zur Kostenreduzierung, die Positionierung des Hauptsteuerkolbens 6 auch mit einem vereinfachten 3-Wege-Vorsteuerventil 61 durchgeführt werden (siehe Figur 5). Es weist einen Vorsteuer-Pumpenanschluss (P'), einen Vorsteuer-Tankanschluss (T') und einen Steueranschluss (A') auf. Der Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') ist über die Steuerdruckleitung (X) druckbeaufschlagt. Der Vorsteuer-Tankanschluss (T') ist mit einer drucklosen Steuerleitung (Y) verbunden. Der Steueranschluss (A') ist über ein Freischaltventil 62 mit der ersten Steuerkammer 26 verbunden. Die Steuerkammer 27 mit der Betätigungsfläche 15 die, durch die vorbeschriebene Vergrösserung der Druckausgleichsfläche 13, kleiner als die Betätigungsfläche 14 der Steuerkammer 26 ist, ist ständig über die drucklose Steuerleitung (Y) 54 zum Tank entlastet. Beim nicht angesteuerten 3-Wege-Vorsteuerventil 61 ist der Hauptsteuerkolben 6 in Arbeitsruhestellung, während bei elektrischer Ansteuerung durch Druckbeaufschlagung der grösseren Betätigungsfläche 14 gegenüber der tankentlasteten Betätigungsfläche 15 eine hydraulische Steuerkraft entsteht, die den Hauptsteuerkolben 6, in der bereits beschriebenen Art, im elektro-hydraulischen Positionsregelkreis positioniert. Dazu muss jedoch das Freischaltventil 62 betätigt sein. Bei Entlastung des Freischaltventils 62 in seine Grundstellung, z.B. infolge eines aufgetretenen Fehlers, wird die Steuerkammer 26 wieder zum Tank entlastet, so dass unabhängig vom 3-Wege-Vorsteuerventil 61, durch die hydrostatische Überkompensation und durch die Rückstellfeder 24, der Hauptsteuerkolben 6 in die erste Endstellung fährt.
  • Ist die zusätzliche Sicherheit durch das Freischaltventil 62 nicht erfordert, kann dieses auch entfallen, wobei dann die Steuerkammer 26 direkt mit dem Steueranschluss (A') des 3-Wege-Vorsteuerventils 61 verbunden ist.
  • Anstelle der in den Figuren 1 bis 5 eingesetzten elektrischen Rückführung mit dem elektrischen Wegmessystem 63, wird in der Ausführung nach Figur 6 eine mechanische Rückführung eingesetzt. Ein Kolbenschieberventil 67 in 3-Wege-Ausführung ist in axialer Verlängerung des Hauptsteuerkolbens 6 angeordnet. Es weist einen Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') 58, einen Vorsteuer-Tankanschluss (T') 59, einen Steueranschluss (A') 56 und einen Kolbenschieber 68 auf. Letzterer stützt sich mit einem Ende auf einen Federteller 69 in der Druckausgleichskammer 25 und ist mit seinem zweiten Ende mit einem Proportionalmagnet 66 verbunden. Eine Messfeder 65 ist in der Druckausgleichskammer 25 zwischen Federteller 69 und Hauptsteuerkolben 6 angeordnet. Der Kolbenschieber 68 ist, zwecks hydrostatischem Druckausgleich, axial durchbohrt. Unabhängig von der Stellung des Kolbenschiebers 68 ist der Steueranschluss stets mit dem Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') oder dem Vorsteuer-Tankanschluss (T') verbunden. Der Hauptsteuerkolben 6 ist wie in Figur 4 und 5 ausgeführt und hat somit identische Eigenschaften.
  • Durch Kraftvergleich zwischen dem zum elektrischen Steuerstrom proportionalen Kraftaufbau des Proportionalmagneten 66, als Sollwert, und der zur Stellung des Hauptsteuerkolbens 6 proportionale Federkraft der Messfeder 65, als Istwert, wird bei Abweichungen zwischen Soll- und Istwert das Vorsteuerschieberventil 67 mit seinem auf die Betätigungsfläche (A') 14 wirkenden Ausgangssteuerdruck solange ausgeregelt, bis die elektrisch vorgegebene Position im Positionsregelkreis erreicht ist.
  • Im Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') 58' ist zusätzlich ein Freischaltventil 62 angeordnet. Bei dessen elektrischer Entlastung in die Grundstellung wird der Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') 58 mit dem Tank verbunden. Unabhängig von der Stellung des Vorsteuerschieberventils 67 ist die Betätigungsfläche (A') 14 damit immer drucklos zum Tank entlastet, wodurch der Hauptsteuerkolben 6 wieder durch die hydrostatische Überkompensation und die Rückstellfeder 24 in die erste Endstellung betätigt wird.
  • Auch bei dieser Ausführung kann bei reduzierten Sicherheitsanforderungen das Freischaltventil 62 entfallen, ohne die sichere Grundfunktion zu beeinträchtigen.

Claims (14)

  1. Vorgesteuertes Servoventil umfassend
       einen Hauptsteuerkolben (6) mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende,
       eine Steuerhülse (5) in welcher der Hauptsteuerkolben (6) axial verschiebbar angeordnet ist,
       in axialem Abstand zueinander angeordnete Einmündungen (50', 51', 52', 53') in die Steuerhülse (5) für mindestens drei Hauptstromanschlüsse (50, 51, 52, 53),
       eine erste axiale hydraulische Verbindung (28) innerhalb der Steuerhülse (5) zwischen der Einmündung (50') für den ersten Hauptstromanschluss (50) und der Einmündung (52') für den zweiten Hauptstromanschluss (52),
       eine zweite axiale hydraulische Verbindung (29) innerhalb der Steuerhülse (5) zwischen der Einmündung (52') für den zweiten Hauptstromanschluss (52) und der Einmündung (51') für den dritten Hauptstromanschluss (51),
       eine, der ersten axialen hydraulischen Verbindung (28) zugeordnete erste Steuerkante (28') des Hauptsteuerkolbens (6),
       eine, der zweiten axialen hydraulischen Verbindung (29) zugeordnete zweite Steuerkante (29') des Hauptsteuerkolbens (6),
       eine erste Steuerkammer (26) in welcher der Hauptsteuerkolben (6) eine erste Betätigungsfläche (14) ausbildet,
       eine zweite Steuerkammer (27) in welcher der Hauptsteuerkolben (6) eine, der ersten Betätigungsfläche (14) axial entgegenwirkende zweite Betätigungsfläche (15) ausbildet,
       ein Vorsteuerventil (60, 67) hydraulisch verbunden mit mindestens einer der beiden Steuerkammern (26, 27), und
       eine Rückführung zwischen Hauptsteuerkolben (6) und Vorsteuerventil (60, 67) in welche ein Positionsaufnehmer (65, 66) des Hauptsteuerkolbens (6) eingebunden ist.
       dadurch gekennzeichnet,
       dass die Einmündung (50') in die Steuerhülse (5) für den ersten Hauptstromanschluss (50) gegenüber einer Kolbenstirnfläche (12) am ersten Ende des Hauptsteuerkolbens (6) ausgebildet ist, die Einmündungen (51', 52', 53') in die Steuerhülse (5) für den zweiten, dritten und jeden weiteren Hauptstromanschluss (51, 52, 53) jedoch seitlich zum Hauptsteuerkolben (6) angeordnet sind,
       dass der Hauptsteuerkolben in einer Druckausgleichskammer (25) eine, der Kolbenstirnfläche (12) hydrostatisch entgegenwirkende Kolbendruckausgleichfläche (13) ausbildet, wobei die Druckausgleichskammer (25) durch einen Druckentlastungskanal (18, 20) im Hauptsteuerkolben (6) mit dem ersten Hauptstromanschluss (50) hydraulisch verbunden ist, und
       dass der Hauptsteuerkolben (6) eine Anschlagfläche (16) ausbildet, welche durch Zusammenwirken mit einer entsprechenden Gegenanschlagfläche (16') eine erste axiale Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) mechanisch festlegt, wobei eine Rückstellfeder (24) derart zum Hauptsteuerkolben (6) angeordnet ist, dass sie auf letzteren eine Federkraft in Richtung seiner ersten axialen Endstellung ausübt.
  2. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
       eine seitliche Einmündung (53') in die Steuerhülse (5) für einen vierten Hauptstromanschluss (53),
       eine über eine Querbohrung (19) des Hauptsteuerkolbens (6) mit dem Druckausgleichskanal (18) des Hauptsteuerkolbens (6) verbundene Hilfsanschlusskammer (22),
       eine dritte axiale hydraulische Verbindung (30) innerhalb der Steuerhülse (5) zwischen der Einmündung (51') für den dritten Hauptstromanschluss (51) und der Einmündung (53') für den vierten Hauptstromanschluss (53),
       eine vierte axiale hydraulische Verbindung (31) innerhalb der Steuerhülse (5) zwischen der Einmündung für den vierten Hauptstromanschluss (53) und der Hilfsanschlusskammer (22),
       eine, der dritten axialen hydraulischen Verbindung (30) zugeordnete, dritte Steuerkante (30') des Hauptsteuerkolbens (6), und
       eine, der vierten axialen hydraulischen Verbindung (31) zugeordnete, vierte Steuerkante (31') des Hauptsteuerkolbens (6).
  3. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Ende des Hauptsteuerkolbens (6) axial abgedichtet in die Druckausgleichskammer (25) eingeführt ist um dort die Druckausgleichsfläche (13) als zweite Kolbenstirnfläche auszubilden.
  4. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die axial wirksame Fläche der Druckausgleichsfläche (13) grösser als die axial wirksame Fläche der ersten Kolbenstirnseite (12) ist.
  5. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet,
       dass der erste Hauptstromanschluss (50) hydraulisch mit einer Pumpe verbunden ist und somit einen Pumpenanschluss ausbildet,
       dass der zweite Hauptstromanschluss (52) hydraulisch mit einer ersten Verdrängerkammer eines Verbrauchers verbunden ist und somit einen ersten Arbeitsanschluss (A) ausbildet, und
       dass der dritte Hauptstromanschluss (51) hydraulisch mit einem drucklosen Tank verbunden ist und somit einen Tankanschluss (T) ausbildet.
  6. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 2 und Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der vierte Hauptstromanschluss (53) hydraulisch mit einer zweiten Verdrängerkammer eines Verbrauchers verbunden ist und somit einen zweiten Arbeitsanschluss (B) ausbildet.
  7. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 2, 3, 4 oder 6, dadurch gekennzeichnet,
       dass die vier Steuerkanten des Haupsteuerkolbens (6) eine Nullüberdeckung aufweisen,und
       dass in der ersten axialen Endstellung des Hauptsteuerkolbens,
       die erste axiale hydraulische Verbindung (28) durch die erste und/oder zweite Steuerkante (28', 29') verschlossen ist,
       die zweite axiale hydraulische Verbindung (29) freigegeben ist,
       die dritte axiale hydraulische Verbindung (30) durch die dritte und/oder vierte Steuerkante (30', 31') verschlossen ist,
       die vierte axiale hydraulische Verbindung (31) freigegeben ist.
  8. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
       die erste und zweite Steuerkante (28', 29') derart angeordnet sind, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) mindestens eine derselben die erste axiale hydraulische Verbindung (28) verschliesst,
       dass die dritte und vierte Steuerkante (30', 31') derart angeordnet sind, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) mindestens eine derselben die dritte axiale hydraulische Verbindung (30) verschliesst,
       dass eine erste Hilfssteuerkante (32') derart angeordnet ist, dass sie bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) die vierte axiale hydraulische Verbindung (31) verschliesst, und
       dass eine zweite Hilfssteuerkante (33') derart angeordnet ist, dass sie bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) die zweite axiale hydraulische Verbindung (29) verschliesst.
  9. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass
       die erste und zweite Steuerkante (28', 29') derart angeordnet sind, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) mindestens eine derselben die erste axiale hydraulische Verbindung (28) verschliesst,
       die dritte und vierte Steuerkante (30', 31') derart angeordnet sind, dass bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6), die dritte axiale hydraulische Verbindung (30) freigegeben ist,
       dass eine Hilfssteuerkante (32') derart angeordnet ist, dass sie bei erster axialer Endstellung des Hauptsteuerkolbens (6) die vierte axiale hydraulische Verbindung (31) verschliesst.
  10. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
       dass zwischen die erste Steuerkammer (26), mit der in entgegengesetzte Richtung der ersten axialen Endstellung wirkenden ersten Betätigungsfläche (14), und das Vorsteuerventil (60) ein Freischaltventil (62) geschaltet ist, und
       dass dieses Freischaltventil (62) in seiner Grundstellung die erste Steuerkammer (26) mit einer drucklosen Steuerleitung (Y) (54) hydraulisch verbindet.
  11. Vorgesteuertes Servoventil nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet,
       dass die zweite Steuerkammer (27), mit der in Richtung der ersten Endstellung wirkenden zweiten Betätigungsfläche (15), mit einer drucklosen Steuerleitung (Y) (54) unmittelbar hydraulisch verbunden ist, und
       dass die erste Steuerkammer (26), mit der in entgegengesetzte Richtung der ersten Endstellung wirkenden ersten Betätigungsfläche (14), mit einem Steueranschluss (A') des Vorsteuerventils hydraulisch verbunden ist, wobei letzteres ein 3-Wege-Vorsteuerventil (61) ist.
  12. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
       dass der Positionsaufnehmer des Hauptsteuerkolbens (6) als Wegmessystem (63) mit elektrischem Ausgang ausgeführt ist und in einen geschlossenen Regelkreis mit dem 3-Wege-Vorsteuerventil (61) eingebunden ist.
  13. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet,
       dass das Vorsteuerventil ein 3-Wege-Vorsteuerschieberventil (67) in axialer Verlängerung des zweiten Endes des Hauptsteuerkolbens (6) ist, welches einen Vorsteuer-Druckanschluss (P') (58), einen Vorsteuer-Tankanschluss (T') (59), einen Vorsteuer-Arbeitsanschluss (A') (56) und einen Kolbenschieber (68) aufweist,
       dass eine Messfeder (65) den Kolbenschieber (68) axial mit dem Hauptsteuerkolben (6) verbindet, und
       dass ein proportional zu einem elektrischen Signal wirkender, Stellmagnet (66) mechanisch mit dem Vorsteuer-Kolbenschieber verbunden ist.
  14. Vorgesteuertes Servoventil nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet,
       dass der Vorsteuer-Druckanschluss (P') (58) über ein Freischaltventil (62), in der Grundstellung desselben, mit dem Vorsteuer-Tankanschluss (T') (59) hydraulisch verbunden ist, und
       dass das Vorsteuerschieberventil (67) derart gestaltet ist, dass der Steueranschluss (A') (56), je nach Stellung des Kolbenschiebers (68), entweder mit dem Vorsteuer-Tankanschluss (T') (59) oder den Vorsteuer-Pumpenanschluss (P') (58) unmittelbar hydraulisch verbunden ist.
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