EP1952032B1

EP1952032B1 - Hydraulisches/pneumatisches steuerventil mit fail-safe funktion

Info

Publication number: EP1952032B1
Application number: EP06818623A
Authority: EP
Inventors: Harald Geis; Horst Rott
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2005-11-24
Filing date: 2006-11-17
Publication date: 2011-09-07
Anticipated expiration: 2026-11-17
Also published as: ATE523699T1; DE102005056039B4; DE102005056039A1; WO2007059898A1; EP1952032A1

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches / pneumatisches Steuerventil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffes des Anspruches 1.

Stand der Technik

Ein gattungsmäßiges Steuerventil mit Fall-Safe Funktion ist aus der DE-A-103 08 910 bekannt und findet Verwendung insbesondere bei Steueraufgaben in Bereich der Mobilhydraulik. Die Sicherheitsfunktion besteht darin, dass im Fehlerfall in jeder Wegposition, in die das Ventil durch eine Betätigungseinrichtung bewegt wird, ein an der Anschlussstelle A angeschlossenes hydraulisches Steuerorgan drucklos geschaltet sein soll. Dies wird dadurch realisiert, dass eine druckbeaufschlagte Anschlussstelle P mit einer oder mehreren weiteren Anschlussstellen T verbunden wird, die mit einem oder mehreren Behältern verbunden ist, und diesen Anschluss damit entlastet.
Bei dem vorbenannten Ventil wird die Sicherheitsfunktion durch ein Ventilteil gebildet, in das ein Steuerschieber integriert ist. Der Schieber weist hierzu eine koaxiale Bohrung auf, die als Entlastungskanal ausgebildet ist, der über einen Querkanal und Steuerausnehmungen in Form einer Ringnut am Umfang des Steuerschiebers mit der Verbraucheranschlussstelle verbunden ist. Die durch einen Stößel eines Betätigungselementes gebildete Stirnseite des Steuerschiebers ist offen und mündet in einen Steuerraum. Die Querbohrung ist so ausgebildet, dass sie sowohl in der ersten Stellung, in welcher der Steuerschieber nicht betätigt wird, und in einer zweiten Stellung, sowie in jeder Zwischenstellung zwischen den beiden Stellungen, in der er betätigt wurde, mit der Anschlussstelle für den Verbraucher verbunden ist.
Auch wenn keine zusätzlichen Abdichtungsmaßnahmen vorgesehen sind, bedingt der im Normalbetrieb verschlossene Ausgleichskanal im Steuerschieber eine metallische Abdichtung zwischen Ventilkolben und Betätigungsstange. Eine solche Abdichtung ist aber nur bei einer erhöhten Fertigungsgenauigkeit des Schiebers möglich. Zusätzlich treten Leckageprobleme bei dieser Art der Abdichtung auf, welche die Lebensdauer des Ventils stark beeinflussen, die im Normalbetrieb zu einem Druckabfall am Verbraucheranschluss führen.
Bei der gattungsgemäßen Anordnung ist über die Art einer koaxialen Abdichtung keine Aussage getroffen. Bei der Anordnung ist im Steuerschieber eine Ventilfunktion integriert, die mit einem Verbraucheranschluss in Verbindung steht. Zwischen dem Steuerschieber und dem Betätigungselement des Steuerschiebers ist eine kraft- und formschlüssige Verbindung in Form einer koaxialen Abdichtung vorgesehen ist. Der Stauraum ist direkt mit einem zusätzlichen Tankanschluss verbunden, über den im Störfall das Hydraulikmedium abfließen kann. Im Normalfall, also bei geschlossener Abdichtung, erfolgt die Entlastung über einen anderen Tankanschluss.
US 5,085.402 A zeigt ein Magnetventil, in der Funktion eines Sitzventils mit dem direkt ein in axialer Richtung angeordneter Ein- und Auslasskanal des Ventils durch eine axiale Hubbewegung eines zylinderförmigen Betätigungselementes geschlossen bzw. geöffnet werden kann. Der Kopf des Betätigungselementes ist in Richtung des Auslasskanals als Dichtstößel ausgestaltet, der bei Betätigung gegen die Öffnung des Auslasskanals drückt, ihn somit in Form einer koaxialen Abdichtung verschließt und bei der Rückstellung die Öffnung freigibt und somit einen Durchfluss des Fluids gewährleistet. Das bekannte Sitzventil weist keine Sicherheitsfunktion auf. Mit der koaxialen Abdichtung in Form eines Dichtstößels erfolgt die Sperrung und Durchschaltung im Normalbetrieb.
US 3, 797,526 A zeigt ein Druckregelventil, mit dem ein Druckabfall in einem Zu- und Ablaufkanal angezeigt werden soll. Die Anordnung weist eine als Hubmagnet ausgestalteten Betätigungseinrichtung mit einer in Wirkrichtung angeordneten Betätigungsstange auf, die als Dichtstößel mit einem Dichtkopf, der im Normalfall den Durchgang zwischen einem Eingangs- und Ausgangskanal abdichtet. Bei Druckabfall im wird der Dichtkopf durch den Überdruck im Auslaufkanal gegen eine Rückhaltefeder gedrückt und öffnet damit den Durchfluss zwischen Ein- und Ausgangskanal. Die koaxiale Abdichtung des Stößels arbeitet als direktes Stellglied für ein Druckregelventil. Das bekannte Ventil arbeitet somit ebenfalls als Sitzventil.
EP 1 589 392 A1 zeigt ein Druckregelventil mit einem Schieber mit Steuerkanten, der über eine Druckfeder in einem Ventilgehäuse angeordnet ist. Der Schieber weist eine innen liegende Sacklochbohrung auf, durch die je nach axialer Stellung des Schiebers jeweils ein Pump- und mehreren Arbeitszugängen miteinander verbunden oder getrennt werden können. An dem der Feder abgewandten Ende des Schiebers ist im Ventilgehäuse ein feststehendes Ventilsitz angeordnet, der von einem als Ventilkegel ausgestalteten Dichtelement gehalten ist, dass von einer Betätigungsstange eines Betätigungselementes beaufschlagbar ist: Vom Ventilkegel führt ein Abflusskanal zu einem Tank. Durch die Feder wird der Schieber gegen die feststehenden Ventilsitz des Gehäuses gedrückt und in der Sacklochbohrung ein Druck aufgebaut, wodurch sich ein Spalt zwischen dem feststehenden Ventilsitz und dem Ventilkegel bildet. Dadurch kann das Druckmedium über den Abflusskanal abfließen bis zum Druckausgleich. Bei Betätigung der Betätigungsstange wird der Spalt geschlossen und der Abfluss zum Tank verschlossen. Durch das auftretende Druckungleichgewicht wird der Schieber in die entgegengesetzte Richtung bis zum Gleichgewicht bewegt. Bei dem bekannten Druckregelventil erfolgt die Druckregelung über eine Kegel -Sitzverbindung, die als Stellelement für die Druckregelung vorgesehen ist. Die koaxiale Abdichtung des Ventilkegels arbeitet nicht direkt gegen den Steuerschieber sondern gegen einen feststehenden Ventilsitz im Gehäuse.
EP 1 103 992 zeigt ein elektromagnetisch betätigtes Miniatur Druckregelventil mit eine Elektromagnet als Betätigungselement und einer Betätigungstange, die auf ein Ventilteil wirkt, das einem Ventilschieber aufweist, der gegen die Kraft einer Rückstellfeder wirkt und jeweils über eine Anschlussstelle A, eine druckbeaufschlagte Anschlussstelle P und eine Abflussstelle T verfügt. Sicherheitseinrichtungen im Sinne einer Fail-Safe-Funktion sind bei dem Ventil nicht vorhanden.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einem gattungsgemäßen Steuerventil eine verbesserte Abdichtung zu erzielen, die insbesondere im Normalbetrieb Leckageverluste und einen Druckabfall verhindert. Die Aufgabe wird in Verbindung mit dem Oberbegriff durch den kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst.
Der Vorteil der Erfindung liegt darin, dass während einer Beaufschlagung eines Steuerschiebers durch das Betätigungselement durch die kraft - und formschlüssige Abdichtung am Kopf des Betätigungselementes im Normalbetrieb keine oder nur geringe Leckagen an der Stelle auftreten können, so dass kein Druckverlust am Anschluss A eintritt. Bei einer Funktionsstörung hingegen, wenn die Verbindungsstelle zwischen dem Betätigungselement und der Steueröffnung geöffnet ist, wird ein aufgebauter Druck an der Anschlussstelle A durch den Entlastungskanal im Steuerschieber zu der Kopfstelle des Schiebers im Stauraum geführt und durch die leitungsmäßige Verbindung zwischen dem Stauraum und der Anschlussstelle T zum Tankanschluss abgebaut.
Zusatzleitungen im Steuerschieber, über die bisher laut Stand der Technik die Sicherheitsfunktion realisiert wird, sind bei dem erfindungsgemäßen Steuerventil nicht mehr notwendig. Um die Fail-Safe Funktion zu gewährleisten, muss der Steuerschieber eines konventionellen Ventils lediglich leicht modifiziert werden. Es können zum Beispiel für das Ventil Steuerschieber mit der gleichen Außenkontur verwendet werden, wie für Ventile, die ausschließlich in "Normalfunktion" arbeiten. Die einzige Voraussetzung für die Verwendung bei Ventilen in Fail-Safe Funktion ist, dass sie eine durchgehende koaxiale Bohrung als Entlastungskanal aufweisen.
In der Normalfunktion liegt der abgedichtete Kopf des Betätigungselementes direkt an der Steueröffnung des Steuerschiebers. Die Steueröffnung des Schiebers ist durch die Abdichtung verschlossen. Die Normalfunktion kann durch zwei Positionen beschrieben werden. In einer als erste Position bezeichnete Stellung des Schiebers ist der druckbeaufschlagte Anschluss P über den Entlastungskanal direkt mit dem Arbeitsanschluss verbunden. Der Abfluss zum Tankanschluss ist gesperrt. Der Stauraum ist jedoch über eine leitungsmäßige Verbindung permanent mit der Anschlussstelle T verbunden. Durch die weiter abgedichtete Verbindungsstelle der Steueröffnung des Steuerschiebers erfolgt kein Druckabfall am Verbraucher A.
In der zweiten Position des Steuerschiebers ist der Druckanschluss P gesperrt. Der Verbraucher A wird jetzt über den Ausgleichskanal im Steuerschieber über den mit dem Kanal verbundenen Tankanschluss T verbunden. Für diesen Fall hat die Abdichtung der Steueröffnung lediglich Abdichtfunktion, die ein übermäßiges Eindringen des Fluids des Ventils in den Bereich der Betätigungseinrichtung verhindert. Die Verbindung des Anschlusses P mit dem Tankanschluss ist durch die axiale Schieberposition gesperrt.
In beiden die Normalfunktion charakterisierenden Positionen des Steuerschiebers ist somit die Ventilsteuerfunktion für den Verbraucher garantiert.
Bei einer Funktionsstörung des Ventils wird die Ansteuerung des Betätigungselementes beendet, wenn beispielsweise der Steuerschieber zwischen den beiden Position auf Grund von Verschmutzungen oder ähnlichem blockiert ist. Der Steuerschieber wird in eine Position gebracht, bei der die Kopfstellen von Steuerschieber und Betätigungselement im Abstand zueinander stehen. In dieser Position, die zwischen der oben beschriebenen ersten und der zweiten Position des Steuerschiebers liegt, ist der Anschluss T von dem Verbraucheranschluss A des Ventils zwar gesperrt, die Verbindung von A zu der Druckanschlussstelle P ist jedoch noch geöffnet, so dass der Anschluss A noch druckbeaufschlagt wird. Eine Entlastung dieser druckbeaufschlagten Anschlussstelle A erfolgt zunächst in Verbindung mit der als koaxiale Bohrung im Steuerschieber ausgeführten Entlastungskanals, dessen Steueröffnung jetzt geöffnet ist und in einen Stauraum mündet. Dieser Raum weist erfindungsgemäß eine leitende Verbindung zur Anschlussstelle des Tankes T auf, so dass auf diesem Wege immer eine Druckentlastung des Verbraucherstelle A sichergestellt ist. Die Verbindung des Entlastungskanals über den Stauraum zu der Anschlussstelle T bleibt aufrecht.
Nach dem Stand der Technik werden leitungsmäßige Verbindungen zwischen dem Stauraum und der Umgebung bei hydraulisch / pneumatischen Steuerventilen zum Antrieb eines Arbeitsgerätes oder einer Antriebssteuerung ausschließlich zur Entlüftung oder Entleerung des Ventils oder der Betätigungseinrichtung des Fluids verwendet. Eine Verwendung dieser Leitungen für Sicherheitseinrichtungen und zu Fail-safe Funktion ist dem Stand der Technik nicht zu entnehmen.
Die leitungsmäßige Verbindung ist innerhalb der äußeren Umhüllung des Ventils angeordnet und verläuft parallel zum Entlastungskanal des Steuerschiebers. Sind weitere Anschlussstellen an die Umgebung vorgesehen, so kann selbstverständlich diese Verbindung auch zu diesen Stellen geführt werden. Entscheidend ist nur, dass bei offener Verbindungsstelle zwischen Steuerschieber und Betätigungselement eine Druckentlastung des Stauraumes garantiert ist.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Abdichtung am Kopf des Betätigungselementes mit einem Elastomermaterial durchzuführen. Dieses Material dient der besseren Abdichtung der Steueröffnung. Die Abdichtung kann z. B. durch einen am Kopfende des Betätigungselementes angebrachten Pfropfen oder durch eine Beschichtung der Stirnseite realisiert werden. Die Form der Abdichtung kann vorteilhaft entweder als Elastomerkolben oder -kegel erfolgen. In einer ersten Ausführung kann das Elastomermaterial die gesamte radiale Fläche einnehmen. Damit ist je nach verwendetem Material des Elastomers eine elastische Kontaktstelle vorgesehen, die ein hartes Aufprallen des Betätigungselementes auf den Steuerschieber an der Verbindungsstelle verhindert oder abmildert. Durch diese Maßnahme werden Verschleißerscheinungen der beiden Bauelemente verhindert oder erheblich reduziert.
Zur besseren Einpassung ist es vorteilhaft, wenn die Elastomerabdichtung in eine maulartige, axiale Ausnehmung des Kopfteiles des Betätigungselementes eingefasst ist und bündig in radialer Richtung mit dem Kopfteil abschließt. Der Öffnungsdurchmesser des Maules entspricht dem Durchmesser der Steueröffnung des Steuerschiebers, so dass durch das eingelagerte Elastomermaterial die Abdichtung erfolgt. Die Kraftübertragung von der Betätigungseinrichtung auf den Kopf des Steuerschiebers erfolgt dabei ausschließlich durch die äußere koaxiale Ringkontaktfläche des Kopfes des Betätigungselementes.
Als weitere elastomer Abdichtung ist auch eine Abdichtung über O- Ringe vorteilhaft, die in einer umfangmäßig angeordneten Nut an der Stirnseite des Betätigungselementes angeordnet sind. Konstruktiv lässt sich die O- Ringabdichtung durch einen an der Stirnseite angeordneten zylindrischen Zapfen realisieren, auf dessen Außenumfang die O- Ringe angeordnet sind.
Wenn in besonderen Einsatzfällen des Ventils eine elastomere Abdichtung nicht möglich ist, kann die Abdichtung auch als eine plane Fläche des Stirnteiles des Betätigungselementes ausgeführt sein. Das Betätigungselement ist in diesem Falle an der Verbindungsstelle als volle Kolbenfläche ausgeführt, die die koaxiale Öffnungsbohrung des Steuerschiebers abdichtet.
Eine weitere vorteilhafte Möglichkeit der Abdichtung besteht darin, dass Betätigungselement als Dichtstößel auszuführen. Der Kopf des Betätigungselementes ist in dieser Ausführung als Messingkegel ausgeführt, dessen Spitze in die offene Stirnseite des Steuerschiebers eindringt und diese Stelle abdichtet.
Der Dichtstößel kann ferner in einer weiteren vorteilhaften Ausführung in Form einer Hülse aufgebaut sein, deren äußerer Hülsenboden die Abdichtfläche gegenüber der Bohrung des Steuerschiebers bildet. Im Inneren der Hülse ist eine Kugel oder ein anderer geformter Sitzkörper lose angeordnet und wird von der Stirnseite des in die Hülsenöffnung eintauchenden Kopf des Betätigungselementes in Ihre Position gehalten. Das Betätigungselement stößt gegen die Kugel, die damit den äußeren Hülsenboden gegen die Steueröffnungsbohrung drückt. Eine solche Konstruktion verhindert ein Verkanten der Verbindungsstelle, so dass immer eine vollständige Abdichtung ermöglicht wird.
Zur Verbesserung des Druckausgleiches zwischen der Stirnseite des Steuerschiebers und des Betätigungselementes weist der Steuerschieber in dem Staurum eine Rückstelleinrichtung auf, die zweckmäßig als Druckfeder ausgeführt ist. Der Kopf des Steuerschiebers im Stauraum weist zu diesem Zweck radiale Schultern auf. Das eine Ende der Druckfeder stützt sich dort ab während das andere Ende gegen den von der Verbindungsstelle abgewandten Boden des Stauraumes drückt. Durch diese Anordnung wird zusätzlich sichergestellt, dass der Kopf der Betätigungselementes in jeder Schaltposition des Steuerschiebers immer in Anlage an die Steueröffnung des Schiebers liegt und Leckagevertuste im Normalbetrieb durch Undichtigkeiten vermieden werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführung der Erfindung umfasst insbesondere als Betätigungseinrichtung einen Elektromagneten, dessen Anker mit axial verlängertem Stangenstößel das Betätigungselement bildet, an dessen Kopf die Abdichtung angeordnet ist. Für hydraulische Steuerungsfunktionen wird vorzugsweise ein Proportionalmagnet verwendet, dessen Hub / Strom Kennlinie der axialen Verschiebung des Steuerschiebers entspricht.
Für die sichere Funktionsweise sowohl in der Normalfunktion als auch in der Fail-Safe Funktion ist es weiter vorteilhaft, wenn der Anker des Elektromagneten mit einer zusätzlichen koaxialen Abdichtung gegenüber seinen Ankergegenstück versehen ist, die im axialen Abstand zur Abdichtung der Verbindungsstelle angeordnet ist. Durch diese Maßnahme wird verhindert, dass das durch den hohlen Steuerschieber einströmende hydraulische Medium, insbesondere bei offener Verbindungsstelle des Steuerschiebers mit dem Ankerstößel, nicht in den Ankerraum des Magneten strömen kann, und ausschließlich durch die Entlastungsleitung vom Stauraum zur Anschlussstelle T strömt.
Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und den im Folgenden beschriebenen beiden Ausführungsbeispielen.

Ausführungsbeispiel

Fig. 1 zeigt in einer Längsschnittdarstellung eine erste Ausführungsform des erfinderischen Steuerventils in einer Gesamtansicht.
Fig. 2 zeigt in einer Längsschnittsdarstellung eine zweite Ausführungsform des erfinderischen Steuerventils in einer Gesamtansicht.
Fig. 3a bis Fig. 3c zeigen in Längsschnittdarstellungen Details der Fig. 1 .

Bei dem in Fig. 1 dargestelltem hydraulischen Steuerventil handelt es sich um ein als Sicherheitsventil in Fail-Safe Funktion arbeitendes 3/ 2 Wege Proportional-Druckminderventil, d.h. der zu regelnde Druck steht an der Stirnfläche eines Steuerschiebers 3 eines Ventilteils 17 des Steuerventils an und wirkt einer durch eine Betätigungseinrichtung 2 eines Betätigungselementes 1 erzeugten Kraft und der durch eine Rückstelleinrichtung 5 erzeugten Gegenkraft entgegen.
Das Ventilteil 17, das im Wesentlichen die rechte Seite der Fig. 1 einnimmt, besteht aus einem hülsenartigen Ventilkörper 12 und weist, an seiner linken Stirnseite angeordnet, eine mit A gekennzeichnet Anschlussstelle eines Verbrauchers auf, der über eine Druckleitung 4, die mit einem Druckanschluss P verbunden ist, und mit einem Arbeitsmedium z. B Hydrauliköl versorgt wird. Bei dem Verbraucher kann es sich entweder um die direkte hydraulische Steuerung eines Antriebs- oder Arbeitssystem handeln oder um die Steuerung von Vorsteuerventilen für derartige Systeme. Als weitere Anschlussstelle weist der Ventilkörper 12 auf seinem Umfang eine dritte Anschlussstelle für einen Tank T auf. Der als Zylinder ausgestaltete Steuerschieber 3 weist in seinem Inneren einen koaxialen Entlastungskanal 6 auf, der sich axial über seine gesamte Länge erstreckt. Die Fail-Safe Funktion des in Fig. 1 dargestellten Ventils besteht darin, dass bei Funktionsstörungen die Anschlussstelle A in jeder Position des Steuerschiebers entlastet werden soll, A muss mit T verbundenen sein, gleichzeitig sollte die Verbindung von A zu P unterbrochen sein.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ventilteil 17 handelte es sich um ein Teil eines Einbauventils in Patronenbauweise in einen dafür vorgesehenen Einbauort (Cavity). Am Außenumfang des Ventilkörpers 12 sind jeweils drei O-Ringabdichtungen ersichtlich. Die Bezugsziffer 19 zeigt die O- Ring Abdichtung zwischen der Betätigungseinrichtung 2 und der atmosphärischen Umgebung des Ventils. In Achsrichtung zwischen den Anschlüssen T und P und zwischen P und A sind die beiden weiteren O-Ringabdichtungen 20, 21 angeordnet. Diese trennen in der Cavity die Zuleitungen der einzelnen Anschlüsse von einander.
In einer die gesamte axiale Länge des Ventilköpers 12 sich erstreckenden koaxialen Bohrung 30 ist der Steuerschieber 3 gelagert. An dem der Betätigungseinrichtung 2 entgegen gesetztem Ende des Ventilkörpers 12 mündet die Bohrung 30 direkt in die Verbraucheranschlussstelle A. Der Steuerschieber 3 weist an seinem äußeren Umfang im axialen Bereich zwischen den Anschlüssen P und T eine axiale Ausnehmung 31, und eine mit dieser Ausnehmung verbundenen radiale Verbindung 32 auf, die mit dem koaxialen Entlastungskanal 6 im Inneren des Steuerschiebers 3 verbunden ist. Dieser Entlastungskanal 6 erstreckt sich über die gesamte axiale Länge des Steuerschiebers 3 von der Anschlussstelle A bis zu einer Verbindungsstelle 10 am anderen Ende.
Der Ventilkörper 17 weist an seinem der Betätigungseinrichtung 2 zugeordneten Ende eine koaxialen Ausnehmung auf, die einen Stauraum 7 bildet, in dem die Rückstelleinrichtung gegen die Kraftwirkung des Bestätigungselementes 2 wirkt. Die Rückstelleinrichtung ist als Druckfeder um den Außendurchmesser des Steuerschiebers 3 angeordnet und drückt mit ihrem axial linken Ende gegen den Boden der Ausnehmung und mit dem anderen Ende gegen eine Schulter des Kopfes des Steuerschiebers 3 in diesem Bereich. Der Entlastungskanal 6 des Steuerschiebers 3 mündet an diesem Kopfende in eine Steueröffnung 8. Die Öffnung ist in der dargestellten Position des Schiebers 3 an der Verbindungsstelle 10 mit dem Kopf des Betätigungselementes 1 fest verschlossen.
Der Ventilkörper 12 weist ferner eine axial im Inneren des Körpers angeordneten leitungsmäßige Verbindung 34 auf, durch die eine leitende Verbindung des Stauraumes 7 mit dem Tankanschluss T herstellt wird. Die Verbindungsleitung 34 sorgt in der Normalfunktion für eine Entlüftung oder Entleerung des Fluids, welches sich in dem Stauraum oder in der Betätigungseinrichtung 2 beim Betrieb sammelt. Bei geöffneter Stellung der Steueröffnung 8 und geöffnetem Anschlussstelle P erfüllt die Leitung 34 die Funktion, dass durch diese Maßnahme der Anschluss A eine direkte Verbindung zum Anschluss T erhält und somit entlastet wird. In der in Fig. 1 dargestellten Position des Steuerschiebers 3 ist bei einem Funktionsausfall eines Verbrauchers eine Entlastung des Anschlusses A über den Entlastungskanal 6, der radialen Verbindung 32 und der axialen Ausnehmung 31 zum Tankanschluss T sichergestellt. Der Anschluss P, also die Druckzuführung, ist gesperrt.
Als Betätigungseinrichtung 2 zeigt Fig. 1 einen topfartig gestalteten Elektromagneten in der Bauweise als Proportionalmagnet. Bei entsprechender Auslegung einer Kraft- Hubkennlinie des Magneten wird ein proportionaler Zusammenhang zwischen Magnetstrom und dem am Steuerschieber 3 anstehenden Druck erzielt. Die Magnetteile 28 des Elektromagneten werden von einem topfartigen Gehäusetopf 29 umgeben, an dessen Topfboden ein Stecker 22 für die Bestromung einer in einem Spulenkörper 26 angeordneten Wicklung 25 vorgesehen ist. In dem Gehäusetöpf 29 eingelagert ist das Joch mit einer Jochscheibe 23. Der magnetische Fluss wird über die Wicklung 25, über ein nichtmagnetisches Material, einem als Hohlzylinder ausgestalteten Anker 14 und den die Kennlinie beeinflussenden Ankergegenstück geschlossen, das im Bereich des Arbeitshubes des Ankers 14 als Konus 15 gestaltet ist, der sich gegen die Hubrichtung verjüngt. Die vom magnetischen Feld erzeugte Kraft bewirkt auf den Anker 14 eine in axialer Richtung nach links gerichtete Hubbewegung.
Der Anker 14 ist über eine Lagerbuchse 24 in einer als Topf ausgestalteten Druckhülse 27 geführt, die sich axial von dem sich in Richtung des Ventilkörpers 12 angeordneten Ende des Magnetteiles 28, entlang des Außenumfanges von Konus 15 und Anker 14 erstreckt und dort fest sowohl mit dem Spulenkörper 26, als auch mit dem Ankergegenstück verbunden ist, und an ihrem Topfboden die der Hubrichtung entgegengesetzte Stirnseite des Ankers 14 umfasst. Zwischen dem Ankergegenstück und der Druckhülse 27 ist zusätzlich als Abdichtung des Magnetteiles 28 gegenüber Umgebungsmedien eine zusätzliche O-Ringabdichtung 18 vorgesehen. In der zur Hubrichtung weisenden offenen Stirnseite des Ankers 14 ist eine als Stößel 13 ausgestaltete Stange eingelassen, die durch eine durchgehende koaxiale Öffnung des Ankergegenstückes an ihrem anderen Ende den Kopf des Betätigungselementes 1 bildet. Innerhalb der Öffnung des Ankergegenstückes ist der Stößel 13 durch eine Lagerbuches 16 gelagert.
Durch die Hubbewegung des Stößels 13 wird der Steuerschieber 3 in eine Position nach links in Fig. 1 verschoben, bei der der Anschluss P über die radiale Bohrung 32 und ggf. über die axiale Ausnehmung mit dem Entlastungskanal 6 des Steuerschiebers 3 verbunden ist. Die Verbindungsstelle 10 zwischen der Steueröffnung 8 und dem Kopf des Stößels 13 ist durch das Anliegen der magnetischen Kraft verschlossen. Der Arbeitsanschluss A wird mit Druck versorgt.
Erfindungsgemäß weißt der Kopf des Stößels 13 an seiner Stirnseite eine Abdichtung 9 auf, die die Steueröffnung 8 in der in Fig. 1 darstellten Position des Steuerschiebers 3 verschließt. In der Ausführung nach Fig. 1 umfasst die Abdichtung 9 ein Elastomermaterial 11, welches in einer koaxialen Ausnehmung der Stirnseite des Stößels 13 angeordnet ist. Das Elastomermaterial 11 ist als Kegel in die Ausnehmung eingepresst.
Die Ausführung gemäß der Fig. 2 unterscheidet sich lediglich in der Art der Abdichtung 9 von der Ausführung in Fig. 1 . Daher werden im Folgenden für gleiche Funktionen die gleichen Bezugszeichen verwendet wie in Fig. 1 . Die Materialpaarung aus Stößelmaterial (Stahl) und Elastomermaterial 11 (Fig.1) ist in dieser Ausführung als O- Ring -Abdichtung 33 ausgeführt. Die in Richtung der Steueröffnung 8 gerichtete Stirnseite des Stößelkopfes weist hierzu einen radialen Zapfen aus, der als Aufnahme für die O- Ringabdichtung 33 vorgesehen ist. Die Abdichtung der Verbindungsstelle 10 zwischen dem Stößel und der Steueröffnung 8 erfolgt außenumfangs durch die O- Ringe 33, während die Kraftübertragung auf den Steuerschieber 3 durch den Stahl des Stößels 13 erfolgt.
Die Arbeitsweise der Sicherheitseinrichtung für das erfindungsgemäße Steuerventil wird im Folgenden an Hand Fig. 3a bis Fig. 3c erläutert. Die Fig. 3a und Fig. 3b zeigen den Normalbetrieb, sowohl in einer nicht aktivierten Stellung der Betätigungseinrichtung 2 - entsprechend den Ausführungsformen von Fig. 1 und Fig. 2 entspricht diese Position der eines unbestromten Etektromagnetenals auch einer durch die Betätigungseinrichtung 2 aktivierten Position des Steuerschiebers 3, d.h. der Elektromagnet ist bestromt und der Steuerschieber 3 wird in Richtung der Hubbewegung des Stößels 13 axial nach links verschoben. In beiden Positionen ist die Steueröffnung 8 des Steuerschiebers 3 geschlossen, Der Kopf des Betätigungselementes 1 liegt an der Öffnung an. Die Verbindungsstelle 10 ist kraft und formschlüssig abgedichtet.
In der Position nach Fig. 3a ist die Anschlussstelle A für den Verbraucher über den Entlastungskanal 6, der radialen Verbindung 32 und der axialen Ausnehmung 31 zum Tank T entlastet. Die axiale Ausnehmung 31 des Steuerschiebers 3 endet an ihrem rechten Ende in Höhe des Tankanschlusses T und ist mit diesem verbunden. Die radiale Verbindung 32 ist jedoch axial von der Druckleitung 4 des Druckanschlusses P entfernt, so dass dieser verschlossen ist. Über die radiale Verbindung 32 und dem Entlastungskanal 6 ist der Arbeitsanschluss A mit dem Tankanschluss T verbunden. Der Anschluss für ein Arbeitsgerät oder für ein Vorsteuerventil eines Antriebes ist somit stillgelegt. Der Steuerschieber 3 wird durch die als Rückstelleinrichtung 5 wirkende Druckfeder gegen den Kopf des Betätigungselementes 1 gedrückt. Die Verbindungsstelle 10 ist verschlossen. Die leitungsmäßige Verbindung 34 parallel zum Steuerschieber 3 innerhalb des Ventilkörpers 12 übt in dieser Schieberposition keine Sicherheitsfunktion aus, sondern dient ausschließlich der üblichen Entlüftung oder Entleerung für das Fluid des Steuerventils, das sich innerhalb der Betätigungseinrichtung 2 (Elektromagnet) gesammelt hat.
Die Position der Fig. 3b zeigt den Steuerschieber 3 in einer durch das Betätigungselement 1 aktivierten Stellung (bestromter Zustand des Elektromagneten nach Fig. 1 oder Fig. 2 ). Der Schieber 3 wird um die Hubbewegung des Betätigungselementes 1 soweit axial nach links verschoben, bis die radiale Verbindung 32 über der Anschlussstelle P liegt, gleichzeitig aber der Tankabfluss T verschlossen wird. Die Verbindungsstelle 10 zum Betätigungselement 1 hin ist weiterhin verschlossen. Die Anschlussstelle A ist mit der der Druckleitung 4 und dem Anschluss P leitungsmäßig verbunden. Jetzt kann am Verbraucher ein Druck für die Betätigung eines Arbeitsgerätes oder eines Vorsteuerventils für ein angeschlossenes Antriebsystem aufgebaut werden. Auch in dieser Position dient die im Ventilkörper 12 angeordnete leitungsmäßige Verbindung 34 wiederum nur der Entlüftung und /oder Entleerung des Stauraumes 7 oder der Betätigungseinrichtung 2 (Elektromagnet).
Bei einer Funktionsstörung wird die Betätigung (Bestromung) der Betätigungseinrichtung 2 unterbrochen. Der Stößel 13 wird axial nach links verschoben. Im Normalfall würde der Steuerschieber 3 durch die Rückstellfeder 5 der rückwärtigen Hubbewegung des Betätigungselementes 1 folgen. Wenn diese Nachfolgebewegung des Schiebers 3 gestört wird, er also in der Position der Fig. 3b , beispielsweise durch einen Span, einem andere Gegenstand oder allgemein durch Schmutzpartikel festhängt, ist der Arbeitsanschluss - wie dies Fig. 3c zeigt - mit dem Druckanschluss P immer noch verbunden. Das druckbehaftete Medium sammelt sich im Stauraum an, es kann aber jetzt durch die leitende Verbindung 34 des Stauraumes 7 zu dem Tankabfluss T abfließen. Der Arbeitsanschluss A ist damit entlastet und die angeschlossenen Geräte werden stillgesetzt.
Die Erfindung wurde am Beispiel einer Abdichtung aus einer Elastomerabichtung als Kegel ( Fig. 1 ) oder als O- Ring Abdichtung 33 ( Fig. 2 ) erläutert. Sie umfasst darüber hinaus auch weitere Abdichtungsformen, auch insbesondere solche, bei denen der Kopf des Stößels aus dem gleichen Material besteht wie das des Betätigungselementes. Dies umfasst auch Dichtstößel mit einem zugeordneten Sitzkörper, der direkt oder über eine indirekte durch einen inneren Stößel bestätigt wird. Neben den in den beiden Ausführungsbeispielen beschriebnen hydraulischen Steuerventilen bezieht sich die Erfindung auch auf pneumatisch betriebene Ventile. Neben der Betätigungseinrichtung als Elektromagnet gehören auch manuell oder elektronisch betätigte oder ausgelöste Schalteinrichtungen als Betätigungseinrichtungen zum Offenbarungsinhalt der Erfindung.

Claims

Hydraulisches / pneumatisches Steuerventil, umfassend
- Einen Steuerschieber (3), der durch ein Betätigungselement (1) einer Betätigungseinrichtung (2) betätig wird, das sich im Kraftgleichgewicht mit dem auf den Stirnflächen des Schiebers (3) wirkenden Druck steht,

- in einer ersten Position eine Verbindung über einen Entlastungskanal (6) im Steuerschieber (3) von einer druckbeaufschlagten Anschlussstelle P zu mindestens einer Anschlussstelle A für einen Verbraucher herstellt,

- in einer zweiten Position die Verbindung der Anschlussstelle A zur Anschlussstelle P unterbricht und den Verbraucher A zu einer Anschlussstelle T in einen Tank über den Entlastungskanal (6) entlastet,

- wobei der Entlastungskanal (6) mit der Anschlussstelle A und der Anschlussstelle T in Verbindung steht, und bis zu einer als Steueröffnung (8) in einem Stauraum (7) des Steuerventils ausgestalteten Verbindungsstelle (10) des Steuerschiebers (3) mit dem Betätigungselement (1) geführt ist, und die Verbindung des Entlastungskanals (6) mit der Anschlussstelle T von der Betätigungseinrichtung (2) steuerbar ist,

- zwischen dem Steuerschieber (3) und dem Betätigungselement des Steuerschiebers eine kraft- und formschlüssige Verbindung in Form einer koaxialen Abdichtung vorgesehen ist,

- und eine Sicherheitsfunktion, die bei einer Funktionsstörung des Steuerventils die Verbraucheransschlusstelle A im unbetätigten Zustand unabhängig von der Position des Steuerschiebers (3) zur Anschlussstelle T entlastet,

- wobei die Entlastung der Anschlussstelle A über die geöffnete Abdichtung (9) und dem Stauraum (7) zum Tank (Anschlussstelle T) erfolgt,
dadurch gekennzeichnet, dass die koaxiale Abdichtung (9) an der zu der Verbindungsstelle (10) hinweisenden Seite des Betätigungselement (1) angeordnet ist, zwischen dem Stauraum (7) und dem Tankanschluss (T) eine leitungsmäßige Verbindung (34) vorgesehen ist, die innerhalb einer äußeren Umhüllung (12) des Ventils und parallel zum Entlastungskanal (6) des Steuerschiebers (3) angeordnet ist, wobei vorhandene Druckausgleichskanäle als leitende Verbindung (34) verwendet werden.
Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (9) einen Pfropfen aus einem Elastomermaterial (11) umfasst.
Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Elastomerpfropfen (11) in Richtung der Verbindungsstelle (10) einen kegelförmigen Verlauf aufweist.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (9) eine Paarung aus dem Elastomermaterial (11) und dem Material des Betätigungselementes (1) umfasst.
Steuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf des Betätigungselementes(1) an der Verbindungsstelle (10) umfangmäßig angeordnete Nuten aufweist, in dem ein elastomere Abdichtung, insbesondere eine O-Ringabdichtung (33) gelagert ist.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kopf des Betätigungselement (1) an der Verbindungsstelle (10) eine koaxiale Ausnehmung aufweist, in der das Elastomermaterial (11) eingepasst ist.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Abdichtung (9) durch das Elastomermaterial (11) und die Kraftübertragung durch in Richtung des Steuerschiebers (3) angeordnete Stirnfläche des Betätigungselementes (1) erfolgen.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungselement (1) in Richtung der Verbindungsstelle (10) als Dichtstößel ausgeführt ist.
Steuerventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtstößel als Hülse ausgeführt ist, wobei das Betätigungselement (1) in die koaxiale Öffnung der Hülse einfährt und diese mit ihrem nach außen gerichteten Hülsenbodenfläche gegen die Öffnungsbohrung des Steuerschiebers (13) drückt.
Steuerventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtstößel als Kegel ausgeführt ist, dessen Spitze gegen die Verbindungsstelle drückt.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung (2) einen Elektromagneten insbesondere einen Proportionalmagneten umfasst und das Betätigungselement (1) den Stößel (13) des Ankers(14) des Magneten umfasst.
Steuerventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker (14) des Elektromagneten mit einer zusätzlichen koaxialen Abdichtung gegenüber seinen Ankergegenstück versehen ist, die im axialen Abstand zur Abdichtung der Verbindungsstelle (10) angeordnet ist.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Umschaltung von der ersten zur zweiten Position des Steuerschiebers (3) durch eine im Stauraum (7) angeordnete und gegen den Kopf des Betätigungselementes (1) wirkende Rückstelleinrichtung (5) erfolgt.
Steuerventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstelleinrichtung (5) eine Druckfeder umfasst, die mit ihrem einem Ende gegen die Schulter der Steueröffnung (8) des Steuerschiebers (3) und mit ihrem gegenüberliegenden Ende am Boden des Stauraumes (7) abstützt.