EP3721094B1

EP3721094B1 - Ventilvorrichtung

Info

Publication number: EP3721094B1
Application number: EP19705145.1A
Authority: EP
Inventors: Peter Bruck; Frank Schulz; Christian Stauch; Jan Lübbert
Original assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Current assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2019-02-07
Publication date: 2022-06-01
Anticipated expiration: 2039-02-07
Also published as: WO2019162097A1; US20200378409A1; DE102018001303A1; EP3721094A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung mit einem

Zulaufanschluss einer Zulaufseite für die Versorgung eines am Zulaufanschluss anschließbaren hydraulischen Verbrauchers mit Druckfluid,
Ablaufanschluss einer Ablaufseite für das Abführen von Druckfluid aus dem anschließbaren Verbraucher, wobei je nach Ansteuerrichtung dieses Verbrauchers die Zulaufseite sich in die Ablaufseite und die Ablaufseite in die Zulaufseite ändert,
einem Druckversorgungsanschluss, und
einem Rücklaufanschluss,

Zulaufseite eine Druckregelungseinrichtung und
Ablaufseite eine Volumenstromregelungseinrichtung

Durch EP 1 642 035 B1 ist ein gattungsgemäßes hydraulisches System bekannt mit den Merkmalen des Oberbegriffes des Patentanspruches 1, mit einem hydraulisch ansteuerbaren Antriebsteil als hydraulischem Verbraucher mit zwei gegenläufigen Antriebsrichtungen, wobei für mindestens eine Antriebsrichtung mindestens ein Druckregler, insbesondere in Ventilform, vorgesehen ist, sowie eine Drossel zwischen dem Druckregler und dem Antriebsteil, wobei zur Erkennung des Lastzustandes des Antriebsteils eine Sensorik vorgesehen ist, in Form eines Druckwertaufnehmers, der für jede Antriebsrichtung des Antriebsteils in dem zugeordneten, fluidführenden Strang zwischen der Drossel und dem Antriebsteil geschaltet ist. Dadurch, dass bei der bekannten Lösung der Druckwertaufnehmer die momentane Lastsituation am Antriebsteil erfasst, dass der Druckregler in seiner Grundstellung die Sekundärseite des Systems mit einem Tankverschluss respektive Rücklaufanschluss verbindet, und dass bei Ansteuerung des Druckreglers der Sekundärdruck auf den Druck der proportionalen Vorsteuerung abzüglich der am Ventilkolben des Druckreglers angreifenden Federkraft geregelt ist, ist in vorteilhafter Weise ein Steuerungs- und Regelungskonzept realisiert, mit dem basierend auf einem Grundsystem sich für hydraulisch ansteuerbare Antriebsteile oder Verbraucher, wie hydraulische Arbeitszylinder oder Hydro-Antriebsmotoren, eine Druck-, Wege-, Geschwindigkeits- und Positionsmessung für die bewegbaren Komponenten des jeweiligen gewählten Antriebsteils erreichen lässt. Über den jeweiligen Druckregler, insbesondere in Ventilform, lassen sich dynamische und genaue Ansteuerungsvorgänge je nach hydraulischem Anwendungsfall mit der bekannten Systemlösung realisieren. Mit dem bekannten hydraulischen System unter Verwendung von Druckreglern und entsprechenden Drosseln kann auf die bisher bekannte übliche Wegeventiltechnik zum Ansteuern der Bewegung eines hydraulischen Verbrauchers verzichtet werden, so dass die Verlustleistung und die Störanfälligkeit reduziert sind bei gleichzeitiger Verkürzung der Reaktionszeit für das hydraulische System. Eine vergleichbare Ventilvorrichtung ist auch durch WO 2006/117062 A1 bekannt.
An solche hydraulischen Systeme, sei es in Form stationärer Anlagen, sei es in Form mobiler Arbeitsmaschinen, werden immer höhere Anforderungen bezüglich Produktivität, Flexibilität und Energieeffizienz gestellt. Bei großen Maschinen, wie sie beispielsweise im "Miningbereich" zur Anwendung kommen, setzen sich verstärkt Mehrkreissysteme durch, also Hydraulikstrukturen mit zugeordneten Pumpen für die verschiedenen Verbraucher. Die Aufteilung der Leistungsanforderungen birgt ein enormes, energetisches Potential. Bei kosten- und bauraumsensitiven Anwendungen sind solche Mehrkreissysteme aus ökonomischer und konstruktiver Sicht jedoch schwierig einzusetzen.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, solche bekannten Hydraulikstrukturen zu vereinfachen und durch ein effizienteres Steuerungs- respektive Ventilkonzept zu ersetzen, um die jeweiligen Energieaufnahmen abzusenken, um dergestalt nicht nur Betriebskosten zu sparen, sondern auch einen entlastenden Beitrag zu den zusehends sich verschärfenden gesetzlichen Abgasregularien zu schaffen.
Eine dahingehende Aufgabe löst eine Ventilvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit. Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 die Druckregelungseinrichtung und die Volumenstromregelungseinrichtung jeweils ein Proportionalventil und ein Druckregelventil nebst einer Druckwaage von ihrer Funktion her aufweisen, die derart miteinander verschaltet und angesteuert sind, dass bei einer Versorgung des Zulaufanschlusses vonseiten des Druckversorgungsanschlusses in einer Durchströmungsrichtung das eine Druckregelventil als Druckregler arbeitet und das aufseiten des Ablaufanschlusses bei Überschreiten eines vorgebbaren Solldrucks am anderen Druckregelventil sich die Durchströmungsrichtung umkehrt und das Druckfluid strömt über das andere Proportionalventil und die zugeordnete Druckwaage, die beide von ihrer Funktion her als Stromregelventil arbeiten, in Richtung des Rücklaufanschlusses ab. Dergestalt lässt sich in einer "aufgelösten Bauweise" mit einzelnen, voneinander baulich getrennten Ventilkomponenten die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung realisieren. Es ist eine Art dezentrale Ventilsteuerung geschaffen mit sog. getrennten Steuerkanten, die die Möglichkeit einer separaten Ansteuerung von Ventilelementen auf der Zu- und Ablauf-seite eines an die Ventilvorrichtung anschließbaren hydraulischen Verbrauchers, wie einem hydraulischen Arbeitszylinder, bieten. Neben einer individuellen Betätigung von Zu- und Ablauf sind Schaltungstopologien umsetzbar, die beispielsweise Schwimm- oder Eilgangsstellungen beinhalten.
Mit der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung sind die Forderungen im Rahmen von Bewegungsaufgaben für den hydraulischen Verbraucher erfüllt, einerseits eine bestimmte Geschwindigkeit einstellen und andererseits sicherstellen zu können, dass die Zulaufseite des Verbrauchers im Falle unterstützender, sog. generatorischer Lasten ausreichend befüllt wird. Hierzu setzt die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung eine hydraulisch-mechanische Regelung für die Größen Volumenstrom und Druck ein.
Dabei ist es vorteilhaft, die Volumenstromregelung jeweils auf die Ablaufseite des Verbrauchers zu legen, weil so motorische und generatorische Lasten mit dem gleichen Stromregler auf eine definierte Geschwindigkeit eingestellt werden können. Demgemäß liegt die Druckregelung dann auf der Zulaufseite, womit Befüllungsdefizite bei Senkbewegungen (generatorische Last) unter Annahme einer ausreichenden Versorgung durch hydraulisch-mechanisches Einregeln eines ausreichend hohen Fülldrucks vermieden werden.
Dient die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung für den Einsatz bei einem hydraulischen Verbraucher, wie einem hydraulischen Arbeitszylinder oder einem in gegenläufigen Richtungen verfahrbaren Hydromotor, wird bei einem Wechsel der Bewegungs- oder Betätigungsrichtung die angesprochene Zulaufseite dann zur Ablaufseite und die Ablaufseite zur Zulaufseite für den jeweiligen Verbraucher. Insoweit stellt die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung sicher, dass mit nur einer Vorrichtung auch bei wechselnden Betätigungsrichtungen immer auf der Zulaufseite mit der Druckversorgung die Druckregelungseinrichtung und auf der jeweiligen Ablaufseite eine Volumenstromregelungseinrichtung auf den Fluidstrom steuernd einwirkt.
Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung ist in der Lage, die energetischen, funktionalen und strukturellen Potentiale von getrennten Steuerkanten bei Ventilen zu nutzen und gleichzeitig die sich hieraus ergebende Komplexität auf Komponenten- und Steuerungsebene zu beherrschen. Die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung lässt sich energetisch günstig betreiben, was Betriebskosten senken hilft und aufgrund des verbesserten Steuerungskonzepts mit den getrennten Steuerkanten lassen sich im Rahmen der Druckversorgung, regelmäßig bereitgestellt von motorisch antreibbaren Hydropumpen, Antriebsenergien einsparen, was Abgaswerte reduzieren hilft.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch, die vorstehend genannten Ventilkomponenten, insbesondere das jeweilige Druckregelventil und die jeweils zugehörige Druckwaage, in einem einzigen Kombinationsventil von ihren Funktionen her zusammenzufassen.
In bevorzugter Weise ist dabei vorgesehen, dass das Kombinationsventil über zwei in einem Ventilgehäuse unabhängig verfahrbare Steuerschieber verfügt, in Form eines Druckregelschiebers und in Form eines Druckwaagenschiebers, die die möglichen fluidführenden Verbindungen zwischen dem Druckversorgungsanschluss, dem Rücklaufanschluss und einem Arbeitsanschluss steuern, der für den hydraulischen Verbraucher in der einen und der anderen entgegengesetzten Strömungsrichtung jeweils den Zulauf- bzw. den Ablaufanschluss bildet. Dergestalt lässt sich mit nur einem Kombinationsventil mit zwei im Ventilgehäuse unabhängig verfahrbaren Steuerschiebern eine dezentrale Ventilsteuerung realisieren mit getrennten Steuerkanten, was neben einer verbesserten Steuergeometrie auch strukturelle Vorteile bietet, insbesondere was die Reduzierung des Verschlauchungs- und Verrohrungsaufwandes anbelangt gegenüber bekannten Lösungen mit vereinzelten, räumlich voneinander getrennten Einzelventilen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung anhand von Ausführungsbeispielen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig. 1: in der Art eines hydraulischen Schaltplans eine erste Ausfüh-rungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in "auf-gelöster" Bauweise mit einer Vielzahl von einzelnen Ventil-komponenten;
Fig. 2 bis 6: eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventil-vorrichtung, mit der die Funktion der einzelnen Ventilkom-ponenten nach der Fig. 1 in einem Kombinationsventil zusammengefasst sind.

Die in Fig. 1 gezeigte Ventilvorrichtung weist einen Zulaufanschluss ZA einer Zulaufseite für die Versorgung eines am Zulaufanschluss ZA anschließbaren hydraulischen Verbrauchers mit Druckfluid auf. Ferner ist ein Ablaufanschluss AA einer Ablaufseite für das Abführen von Druckfluid aus dem anschließbaren Verbraucher vorgesehen. Des Weiteren weist die Ventilvorrichtung einen Druckversorgungsanschluss P für die Versorgung der Ventilvorrichtung und des hydraulischen Verbrauchers mit Druckfluid vorgebbaren Drucks auf und des Weiteren ist ein Rücklaufanschluss T respektive ein Tankanschluss vorgesehen für die Abfuhr von verdrängtem Fluid aus dem hydraulischen Verbraucher sowie der Ventilvorrichtung. Der hydraulische Verbraucher ist aus einem hydraulischen Arbeitszylinder AZ gebildet mit einer Kolbenstangeneinheit KSE, wobei der Arbeitszylinder AZ auf seiner Kolbenseite permanent fluidführend mit dem Zulaufanschluss ZA in Verbindung ist und die Stangenseite mit dem Ablaufanschluss AA gemäß der Darstellung nach der Fig. 1. Wird die Kolbenseite der Kolbenstangeneinheit KSE über den Zulaufanschluss ZA mit Druckfluid vorgebbaren Drucks versorgt, fährt die Kolbenstangeneinheit KSE, in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen, nach rechts aus und das im Stangenraum befindliche Fluid wird über den Ablaufanschluss AA aus dem Arbeitszylinder AZ abgeführt. Im umgekehrten Falle, also beim Einfahren der Kolbenstangeneinheit KSE, in Blickrichtung auf die Fig. 1 gesehen nach links, wird dann der Ablaufanschluss AA zum Zulaufanschluss ZA und das bei der Einfahrbewegung der Kolbenstangeneinheit KSE kolbenseitig verdrängte Fluid verlässt über einen Ablaufanschluss AA, der ursprünglich bei der Ausfahrbewegung den Zulaufanschluss ZA gebildet hat, den Arbeitszylinder AZ. Die Kolbenstangeneinheit KSE des Arbeitszylinders AZ führt also je nach Versorgungszustand mit Druckfluid eine hin- und hergehende Bewegung und insoweit eine Bewegung in gegenläufigen axialen Richtungen aus. Anstelle des Arbeitszylinders AZ könnte als hydraulischer Verbraucher auch eine Hydro-Motoreinheit (nicht dargestellt) treten, der ebenfalls, je nach Befüllungszustand seiner Kammern, in gegenläufigen Richtungen drehen kann.
Wie die Fig. 1 ergibt, sind sowohl auf der Zulaufseite als auch auf der Ablaufseite der Ventilvorrichtung jeweils ein 3/2-Proportionalschieberventil DRV mit einer Druckwaage DW vorhanden. Gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 ist der Eingang des 3/2-Proportionalschieberventils DRV über den Druckversorgungsanschluss P an eine übliche Druckversorgungsquelle, wie eine Hydropumpe, angeschlossen. Der Ausgang des Proportionalventils DRV ist in der Art eines Nutzanschlusses ausgebildet und mit A bezeichnet. Das Proportionalventil DRV ist, wie dargestellt, elektromagnetisch ansteuerbar und der Ventilschieber ist auf seiner gegenüberliegenden Steuerseite mit dem Steuerdruck aus dem Nutzanschluss A ansteuerbar. Der dahingehende Volumenstrom, vom Nutzanschluss A stammend, wird auf einen Eingang der Druckwaage DW geführt, die in der gezeigten Druckwaagenposition den Druck am Nutzanschluss A zum Tank oder Rücklaufanschluss T führt. In einer anderen Regelposition der jeweiligen Druckwaage DW nimmt diese eine den dahingehenden Fluidweg sperrende Stellung ein. Des Weiteren ist eine Steuerseite der jeweiligen Druckwaage DW mit einem Energiespeicher, insbesondere in Form einer Druckfeder, beaufschlagt und weiter steht als Steuerdruck der Rücklaufdruck, vom Nutzanschluss A stammend, an, sofern das jeweilige Proportionalventil DRV seine weitere, in der Fig. 1 gezeigte Schieberstellung einnimmt, bei der die fluidführende Verbindung vom Druckversorgungsanschluss P zum Nutzanschluss A unterbunden ist und ansonsten eine Fluidverbindung rücklaufend vom Nutzanschluss A in Richtung der einen Steuerseite der Druckwaage DW besteht. Auf der gegenüberliegenden Steuerseite der jeweiligen Druckwaage DW liegt der Druck PM an einem Messanschluss M an, der am Zulaufanschluss ZA respektive am Ablaufanschluss AA des Arbeitszylinders AZ abgegriffen wird.
Des Weiteren ist gemäß dem hydraulischen Schaltplan nach der Fig. 1 in üblicher Weise sowohl der jeweilige Zulaufanschluss ZA als auch der jeweilige Ablaufanschluss AA über ein einstellbares Druckbegrenzungsventil DBV in üblicher Weise gegen zu hohen Betriebsdruck in Richtung des Rücklaufanschlusses T abgesichert. Für die elektromagnetische Ansteuerung des jeweiligen Druckregelventils DRV dient eine nicht näher bezeichnete und dargestellte Steuereinrichtung, die den von Druckwertaufnehmern DWA ermittelten Messdruck am Zulaufanschluss ZA respektive am Ablaufanschluss AA sinnfällig verarbeitet und Steuersignale an die Druckregelventile DRV und an die elektromagnetisch betätigbaren Proportionalventile PV zwecks deren Ansteuerung weiterleitet.
Strömt nun Fluid gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 von unten nach oben, also vom Druckversorgungsanschluss P zum Verbraucher A, wirkt das auf der Zulaufseite angeordnete 3/2-Proportionalschieberventil als Druckregler. Übersteigt nun der Druck am Arbeitsanschluss A des Druckreglers auf der Ablaufseite den mit Hilfe von dessen Proportionalmagneten DRV eingestellten Solldruck, kehrt sich die Durchströmungsrichtung um und das Druckfluid (Öl) fließt in den Arbeitsanschluss A hinein und von dort aus durch die in Fig. 1 rechts dargestellte Druckwaage DW in den Rücklaufanschluss T. Die rechte Druckwaage DW vergleicht dabei den Druck am Arbeitsanschluss A mit dem am Messanschluss M anstehenden Druck PM. In diesem Rücklauf-Zustand wirkt dann das rechte 3/2-Proportionalschieberventil DRV als Wegeventil, wobei die Steuerkante von Nutzanschluss A zur rechten Druckwaage DW voll geöffnet ist. In Kombination mit dem gezeigten rechten Proportionalventil PV zwischen den Anschlüssen A und M wirkt dann die aufgezeigte Anordnung als Stromregelventil.
Die in Fig. 1 gezeigte Ventilvorrichtung in sog. aufgelöster Bauweise bietet also eine hydraulisch-mechanische Regelung der Größen Volumenstrom und Druck an. Dabei wurde, wie dargelegt, die Volumenstromregelung auf die Ablaufseite des hydraulischen Verbrauchers gelegt, weil derart motorische und generatorische Lasten mit dem gleichen Stromregler auf eine definierte Geschwindigkeit eingestellt werden können. Konsequenterweise liegt dann insoweit die Druckregelung auf der Zulaufseite, womit Befüllungsdefizite bei Senkbewegungen (generatorische Last) unter Annahme einer ausreichenden Versorgung durch hydraulisch-mechanisches Einregeln eines ausreichend hohen Fülldrucks vermieden werden. Kehren sich nun die Verhältnisse um, fährt also gemäß der Darstellung nach der Fig. 1 die Kolbenstangeneinheit KSE des Arbeitszylinders AZ nach links ein, wird der bisherige Zulaufanschluss ZA zum Ablaufanschluss AA und der bisherige Ablaufanschluss AA zum Zulaufanschluss ZA. Das in Fig. 1 rechts dargestellte Druckregelventil DRV bildet dann den Druckregler aus und die links dargestellte Kombination von Proportionalventil PV mit der Druckwaage DW den Stromregler.
Einen möglichen Aufbau eines sog. Kombinationsventils, das die Funktion jeweils eines Druckregelventils DRV nebst der zugehörigen Druckwaage DW in einer Ventilkonstruktion zusammenfasst, zeigt eine prinzipielle Ausgestaltung nach der Fig. 2. Für eine verbesserte und vereinfachte Darstellung sind die wesentlichen Komponenten des Kombinationsventils nur prinzipiell und vereinfacht dargestellt und ferner ist das Kombinationsventil nur mit seiner oberen Hälfte oberhalb seiner Betätigungsachse dargestellt, wobei das rotationssymmetrische Gesamt-Ventilgehäuse des Kombinationsventils der Einfachheit halber nicht dargestellt ist, selbstredend aber die im Folgenden noch näher erläuterte Ventilmimik umfasst und Durchlässe unter Bildung der einzelnen Anschlüsse P, A, T, M entsprechend freilässt.
Das in Fig. 2 gezeigte Ventil verfügt über zwei Schieber in Form eines links dargestellten Druckregelschiebers DRS und eines rechts dargestellten Druckwaagenschiebers DWS. Die dahingehenden beiden Schieber DRS und DWS steuern dabei die fluidführenden Verbindungen zwischen dem Druckversorgungsanschluss P, dem Arbeitsanschluss A und dem Rücklaufanschluss T an, der insoweit den Tankanschluss bildet. Der weiter in der Fig. 2 links dargestellte Rücklaufanschluss T oder Tankanschluss einer Vorsteuerstufe, gebildet aus einem Vorsteuerkegel 18, der von einem nicht näher dargestellten Betätigungsmagneten üblicher Bauart für das gezeigte Kombinationsventil ansteuerbar ist, ist mit dem rechts dargestellten Haupttankanschluss (Rücklaufanschluss T) zusammengelegt, was jedoch nicht zwingend erforderlich ist.
Weiterhin existieren verschiedene Räume in Form eines Vorsteuerraums X, in dem ein Steuerdruck px, der von dem Druckversorgungsanschluss P stammt, ansteht, wobei der genannte Steuerdruck px proportional zur Kraft des bestromten Betätigungsmagneten respektive Proportionalmagneten von links nach rechts auf den Druckregelschieber DRS einwirkt. Für die Verbindung zwischen Druckversorgungsanschluss P und Vorsteuerraum X ist ein Vorsteuerkanal 5 vorgesehen, der eine Blende 3 oder ein nicht näher dargestelltes Stromregelventil als Druckteiler der Vorsteuerung aufweist. Insoweit liegt der Vorsteuerdruck px an einer Meldefläche 1 an, die, in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen, die linke Stirnfläche des Druckregelschiebers DRS bildet und in der in Fig. 2 dargestellten Verschiebestellung des Druckregelschiebers DRS ist der Vorsteuerraum X, der ansonsten von dem Ventilgehäuse begrenzt ist, im Wesentlichen auf Null zurückgefahren, bis auf eine mit 2 bezeichnete Kerbe für die hydraulische Endlage des Druckregelschiebers DRS in seiner in Fig. 3a, 3b gezeigten rechten End- oder Anschlagposition.
Des Weiteren ist in der Fig. 2 ein Ausgleichsraum E ersichtlich, der gemäß der Darstellung nach der Fig. 2 gleichfalls im Wesentlichen auf das Volumen Null zusammengefahren ist. Dabei wird der Ausgleichsraum E von dem Ventilgehäuse begrenzt sowie von einer Ausgleichsfläche 4 als Teil eines Ringbundes, der gegenüber dem sonstigen Durchmesser des Druckregelschiebers DRS radial verbreitert ist. Die der Ausgleichsfläche 4 gegenüberliegende Ringfläche 4' des Ringbundes, mit im vorliegenden Fall demselben Durchmesser versehen wie die Ausgleichsfläche 4, ist unmittelbar dem Versorgungsdruck px am Druckversorgungsanschluss P ausgesetzt. Des Weiteren ist der Ausgleichsraum E über den strichliniert dargestellten Ausgleichskanal 6 im Druckregelschieber DRS permanent fluidführend mit dem Nutzanschluss A verbunden. Demgemäß mündet der Ausgleichskanal 6 an einer weiteren oder rechten Ringfläche 9 des Druckregelschiebers DRS aus, wobei die Ringfläche 9 denselben Durchmesser aufweist wie die Ringfläche 4, die insoweit als Ausgleichsfläche für die Fläche 9 dient, was für die Funktion von besonderer Bedeutung ist. Auch die rechte Ringfläche 9 ist Teil eines Ringbundes mit einer weiteren Anschlagfläche 9' mit demselben Durchmesser, die in der gezeigten Stellung den Druckversorgungsanschluss P mit begrenzt. Die Durchmesser der Flächen 4' und 9' können voneinander verschieden sein, nur die Durchmesser der Flächen 4 und 9 müssen gleich sein.
Des Weiteren ist ein Zwischenraum Z in der Verbindung zwischen Nutzanschluss A und Rücklaufanschluss T vorhanden, in dem ein sich aus dieser Verbindung ergebender Steuerdruck pz herrscht. In dem insoweit parallel zum Druckregelschieber DRS verlaufenden Zwischenraum Z münden der Nutzanschluss A und der Haupt-Rücklaufanschluss T radial ein.
Ferner ist ein Istdruck-Melderaum Y vorhanden, der, in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen, auf der linken Seite von einer Meldefläche 11 für den Istdruck p_A im Druckregelbetrieb begrenzt ist und ansonsten von einer zylindrischen Ausnehmung im Druckwaagenschieber DWS, der mit seiner linken Ringfläche 12 einen rechten freien Endbereich des zylindrischen Druckregelschiebers DRS übergreift respektive umfasst. Während die Meldefläche 11 das rechte freie stirnseitige Ende des Druckregelschiebers DRS bildet, ist gegenüberliegend eine Kreisfläche 16 mit demselben Durchmesser auf der Innenseite des Druckwaagenschiebers DWS vorhanden. Ein etwaiger Steuerdruck p_A, der vom Nutzanschluss A stammt, liegt somit druckwirksam an der Meldefläche 11 an als auch an der Kreisfläche 16 des Druckwaagenschiebers DWS. Insoweit wird der Melde- oder Steuerdruck P_A im Druckwaagenbetrieb an die Flächen 11 und 16 weitergemeldet. Aufgrund der möglichen Verfahrbewegung der beiden Schieber DRS und DWS ändert sich das freie Volumen des Istdruck-Melderaums Y. Um den Steuerdruck p_A vonseiten des Nutzanschlusses in den Istdruck-Melderaum Y weiterleiten zu können, dient ein strichliniert wiedergegebener Meldekanal 7, der in einen im Durchmesser gegenüber den Ringflächen 9, 9' reduzierten Mittenbund respektive Ringbund ausmündet, der insoweit permanent fluidführend mit dem Nutzanschluss A in Verbindung steht. An seinem anderen Ende mündet der dahingehende Meldekanal 7 für den Ist- oder Steuerdruck p_A am Nutzanschluss A in den Istdruck-Melderaum Y aus. Ferner kann in den Meldekanal 7 in optionaler Weise, also im Bedarfsfall, eine Dämpfungsblende 8 geschaltet sein.
Der Druckwaagenschieber DWS stützt sich über eine verbreiterte endseitige Flanschfläche an einem Energiespeicher in Form einer Druckfeder 14 für die Druckwaage ab, wobei die dahingehende Druckfeder 14 relativ hart ausgeführt ist. Des Weiteren ist ein Anschlag 15 für die freie Verfahrbewegung des Druckwaagenschiebers DWS nach links im nicht näher spezifizierten Ventilgehäuse vorhanden. Insoweit stützt sich auch die Feder 14 mit ihrem der Flanschfläche des Druckwaagenschiebers DWS gegenüberliegenden Ende an Wandteilen eines dahingehenden Ventilgehäuses ab. Ferner ist gemäß der Darstellung nach der Fig. 2 im Inneren des Druckregelschiebers DRS ein weiterer Energiespeicher in Form einer Druckfeder 10 geführt, die relativ weich das Ansprechverhalten des Druckreglers mitbestimmt. Die dahingehende Druckfeder 10 stützt sich mit ihrem einen freien Ende an der Kreisfläche 16 des Druckwaagenschiebers DWS ab und mit ihrem anderen freien Ende an der Stirnfläche einer Bohrung im Druckregelschieber DRS.
Des Weiteren ist ein Melderaum M im Ventilgehäuse vorhanden, das, in Blickrichtung auf die Fig. 2 gesehen, auf der linken Seite von einer Meldefläche 17 begrenzt ist, die das rechte freie stirnseitige Ende des Druckwaagenschiebers DWS im Bereich seiner Flanschverbreiterung bildet. In den dahingehenden Melderaum M mündet ein Messanschluss 20, der im Druckwaagenbetrieb den Messdruck p_M führt. Ergänzend sei angemerkt, dass neben der Kerbe 2 für die hydraulische Endlage des Druckregelschiebers DRS für den Druckwaagenschieber DWS eine Entlastungskerbe 13 im Bereich des Haupt-Rücklaufanschlusses T am linken freien stirnseitigen Ende des Druckwaagenschiebers DWS eingebracht ist, wobei ansonsten das dahingehend freie stirnseitige Ende von der Ringfläche 12 begrenzt ist, die im Druckwaagenbetrieb den Druck p_A am Nutzanschluss A an den Druckwaagenschieber DWS weiterleitet. Des Weiteren ist im Bereich des mit dem Betätigungsmagneten ansteuerbaren Vorsteuerkegel 18 ein Kegelsitz 19 für den dahingehenden Vorsteuerkegel im nicht näher spezifizierten Ventilgehäuse vorhanden. Der Kerngedanke dieses erfindungsgemäßen Ventilkonzepts liegt in der Separierung der Aufgaben Druckregelung und Druckwaagenfunktion, die auf die beiden Schieber DRS und DWS verteilt sind, welche mit voneinander unabhängigen Energiespeichern versehen sind in Form der Druckfedern 10 und 14, wobei die Druckfeder 10 nicht nur auf den Druckwaagenschieber DWS auf dessen Kreisfläche 16 einwirkt, sondern auch über eine Anlagemöglichkeit im Bereich der weiteren Ringfläche 9' auf den Druckregelschieber DRS.
Der linke Schieber oder Druckregelschieber DRS realisiert die Druckregelfunktion, ausgehend vom Druckversorgungsanschluss P zum Druckanschluss A. Die weiche Feder 10 hält ihn in der Ruhelage am linken Anschlag. Wie bereits dargelegt, verfügt der Druckregelschieber DRS über drei Kanäle, wobei der Vorsteuerkanal 5 die Vorsteuerstufe mit Fluid (Öl) aus dem Druckversorgungsanschluss P versorgt. Für die Druckteilerfunktion der Vorsteuerstufe kommt im Kanal 5 wahlweise eine Blende 3 zum Einsatz oder ein in den Druckregelschieber DRS integriertes Miniatur-Stromregelventil (nicht dargestellt). Vorteilhaft an der letztgenannten Lösung ist der geringere und konstante Vorsteuerstrom. Damit ist der Regeldruck im Vorsteuerraum X vom Versorgungsdruck am Anschluss P unabhängig. Dem steht jedoch ein höherer Fertigungsaufwand gegenüber. Der Meldekanal 7 hingegen meldet den Istdruck p_A am Arbeitsanschluss A in den inneren Zwischenraum Y zwischen den beiden Schiebern DRS und DWS. Optional kann hier eine Dämpfungsblende 8 eingesetzt sein. Der weiter vorhandene Kanal 6 als Ausgleichskanal bewirkt einen Druckausgleich zwischen dem Zwischenraum Z, der zwischen den Anschlüssen A und T angeordnet ist, und dem Ausgleichsraum E. Mit Hilfe der Kerbe 2 ist eine hydraulische Endlage für den Druckregelschieber DRS realisiert. Der rechte Schieber oder Druckwaagenschieber DWS arbeitet insoweit als Druckwaage, welche den Druck am Nutzanschluss A mit dem Druck am Messanschluss 20 respektive mit dem Druck im Melderaum M vergleicht. Die dabei entstehende Regeldruckdifferenz wird über die Auslegung der harten Feder 14 als dem weiteren Energiespeicher definiert.
Im Folgenden wird die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Kombinationsventils nach der Fig. 2 näher erläutert, wobei in den nachfolgenden Figuren Bezugszeichen nur insofern gegenüber der Fig. 2 noch angegeben sind, als sie zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Lösung im Wesentlichen benötigt werden.
Die Fig. 3a, 3b und 3c stellen verschiedene Ruhezustände des Kombinationsventils dar, wobei der unbelastete Ruhezustand gemäß der Darstellung nach der Fig. 3a denselben Ventilzustand zeigt, wie er in der Fig. 2 wiedergegeben ist, und die Fig. 3b gibt einen belasteten Ruhezustand für das Ventil wieder, wohingegen die Fig. 3c das Ventil im belasteten Ruhezustand und vorbestromt zeigt.
Insoweit betreffen also die Fig. 3a, 3b und 3c die möglichen Ruhezustände des erfindungsgemäßen Kombinationsventils, d.h. die Zustände, in denen kein Fluid (Öl) über die Strömungspfade P-A oder A-T fließt. Im unbelasteten Ruhezustand (Fig. 2 und 3a) sind alle aufgezeigten Anschlüsse drucklos. Die beiden Schieber DRS und DWS befinden sich in den durch die Federn 10 und 14 und die Gehäuseanschläge definierten Endlagen. Dabei ist die fluidführende Verbindung zwischen dem Druckversorgungsanschluss P und dem Nutzanschluss A verschlossen, die Verbindung vom Nutzanschluss A zum Rücklaufanschluss T voll offen.
Der belastete Ruhezustand gemäß der Darstellung nach Fig. 3b ist durch einen Lastdruck am Messanschluss 20 respektive im Melderaum gekennzeichnet, der auf die Meldefläche 17 an der rechten Seite des Druckwagenschiebers DWS auf diesen einwirkt. Der an der Meldefläche 17 anstehende Druck verschiebt den Druckwaagenschieber DWS gemäß der Darstellung nach der Fig. 3b in die linke Endlage, welche beispielsweise mit Hilfe des ringförmigen Anschlages 15 definiert wird. Das sitzdichte Halten der Last erfordert eine sitzdichte Konstruktion einer Dichtstelle zwischen dem Melderaum M zu dem Rücklaufanschluss T (nicht dargestellt). Die fluidführende Verbindung zwischen dem Nutzanschluss A zum Rücklaufanschluss T ist bis auf die geometrisch klein ausfallende Entlastungskerbe 13 geschlossen.
Zur Überbrückung des langen Tothubes des Druckregelschiebers DRS aus der linken Endlage heraus bis zur Öffnung zwischen Druckversorgungsanschluss P und Nutzanschluss A, ist eine Vorbestromung des nicht näher dargestellten Betätigungsmagneten, der den Vorsteuerkegel 18 ansteuert, sinnvoll. Dabei stellt sich im Vorsteuerraum X ein Vorsteuerdruck px ein, welcher auf die Meldefläche 1 einwirkt und den Druckregelschieber DRS so weit nach rechts verschiebt, bis dieser die fluidführende Verbindung vom Nutzanschluss A in den Zwischenraum Z schließt. Dabei wird angenommen, dass kein Fluid (Öl) aus dem Nutzanschluss A herausfließen kann, weil das am Nutzanschluss A angeschlossene Proportional- oder Rückschlagventil PV (Fig. 1) geschlossen ist. Während der angesprochenen Bewegung, in Blickrichtung auf die Fig. 3c gesehen nach rechts, verdrängt der Druckregelschieber DRS mit seiner Stirnfläche 11 Fluid- oder Ölvolumen aus dem Istdruck-Melderaum Y, wobei dieses Fluidvolumen über den Meldekanal 7 in den Arbeitsanschluss A abfließen kann, von dort aber aufgrund des geschlossenen Anschlussventils PV nicht weiter aus dem System entweichen kann. Daher ist das Fluid (Öl) gezwungen, in den Zwischenraum Z zu fließen und über die Entlastungskerbe 13 der Druckwaage in Form des Druckwaagenschiebers DWS in den Tank- oder Rücklaufanschluss T, und zwar so lange, bis der Druckregelschieber DRS die fluidführende Verbindung zwischen dem Nutzanschluss A und dem Zwischenraum Z schließt. Dabei kommt es zum Druckgleichgewicht zwischen den beiden kreisförmigen Stirnflächen 1 und 11, die von ihrem freien Durchmesser her gleich groß ausgebildet sind und die in Bild 3c dargestellte Ruhelage ist erreicht, wobei der Ausgleichsraum E und der Zwischenraum Z über den Ausgleichskanal 6 im Druckregelschieber DRS stets druckausgeglichen sind.
Die Fig. 4a und 4b zeigen nunmehr den eigentlichen Druckregelbetrieb. Dabei strömt Fluid (Öl) vom Druckversorgungsanschluss P zum Nutzanschluss A. Der Druck am Nutzanschluss A entspricht dabei dem im Vorsteuerraum X mit Hilfe der Vorsteuerstufe eingestellten Solldruck abzüglich der Druckdifferenz, die der Federkraft entspricht, die die vorgespannte Druckregelfeder 10 auf den Druckregelkolben oder Druckregelschieber DRS ausübt. Die angesprochene Vorsteuerstufe ist dabei durch Bauteile realisiert, die mit den Bezugszeichen 3, 5, 18 und 19 wiedergegeben sind. Der Istdruck p_A am Nutzanschluss A wird über den dahingehenden Meldekanal 7 im Druckregelschieber DRS auf dessen rechte Stirnfläche 11 im inneren Zwischenraum in Form des Istdruck-Melderaums Y gemeldet und mit Hilfe der gleich großen Stirnfläche 1 auf der linken Seite des Druckregelschiebers DRS mit dem Vorsteuerdruck px im Vorsteuerraum X verglichen. Die Geometrie des Druckregelschiebers DRS ist dabei so gestaltet, dass der Raum Y und damit die Fläche 11 stets über den Meldekanal 7 mit dem Nutzanschluss A verbunden ist. Je nach dem anstehenden Druck am Messanschluss 20 respektive im Melderaum M befindet sich die Druckwaage in einer ihrer beiden Endlagen oder möglicherweise dazwischen. Dies beeinflusst nur die auf den Druckregelschieber DRS wirkende Federkraft und verändert insoweit den Regeldruck am Nutzanschluss A nur minimal. Die nachfolgenden Fig. 5a, 5b geben den Druckregelbetrieb bei Sättigung wieder. Kann der über die Bestromung des Vorsteuermagneten am Vorsteuerkegel 18 vorgegebene Solldruck nicht erreicht werden, weil ein sehr großer Volumenstrom aus dem Nutzanschluss A herausfließt, stellt sich ohne Gegenmaßnahmen, auch bei voller Öffnung des Strömungspfades vom Druckversorgungsanschluss P zum Nutzanschluss A, kein Kräftegleichgewicht zwischen den Stirnflächen 1 und 11 am Druckregelschieber DRS ein. Infolgedessen bewegt sich dieser so weit nach rechts, dass er den angesprochenen fluidführenden Pfad P nach A wieder verschließt, womit der Nutzanschlussdruck p_A weiter abfällt und der Schieber den Regelbereich verlässt. Dies wird mit Hilfe der Dreieckskerbe 2 am Druckregelschieber DRS verhindert. Die Dreieckskerbe 2 öffnet eine Verbindung vom Vorsteuerraum X in den Entlastungsraum E hinein und von dort aus über den Ausgleichskanal 6 und den Zwischenraum Z in den Rücklaufanschluss T. Dabei ist konstruktiv sicherzustellen, dass die Verbindung von Entlastungs- oder Ausgleichsraum E zum Rücklaufanschluss T auch dann erhalten bleibt, wenn sich die Druckwaage am linken Anschlag befindet, was in der Fig. 5b dargestellt ist. In diesem Fall verbleibt die Entlastungskerbe 13 als Restöffnung aus dem Zwischenraum Z zum Tank- oder Rücklaufanschluss T. Das über die Kerbe 2 abfließende Fluid (Öl) senkt den Vorsteuerdruck px so weit, dass sich ein vom Nutzanschlussdruck p_A bestimmtes Gleichgewicht zwischen dem Nutzanschlussdruck p_A und dem Vorsteuerdruck p_x einstellt. Der Druckregelschieber DRS verharrt dann im Wirkungsbereich der Kerbe 2. Die Stabilität dieses Zustandes hängt wesentlich von der gewählten Kerbengeometrie ab. Es ist zusätzlich zu gewährleisten, dass die Strömungswiderstände über den Ausgleichskanal 6 und die Entlastungskerbe 13 deutlich kleiner sind als der Widerstand über der Kerbe 2. Deren Widerstand darf den des voll offenen Vorsteuer-Kegelsitzes 19 nicht übersteigen.
In der nachfolgenden Fig. 6 ist der Druckwaagenbetrieb dargestellt. Ist der Vorsteuerdruck px im Vorsteuerraum X kleiner als der Arbeitsdruck am Nutzanschluss A bzw. im Raum Y, so verschiebt die an den Flächen 1 und 11 des Druckregelschiebers DRS wirkende resultierende Kraft den Druckregelschieber DRS in die linke Endlage gemäß der Darstellung nach Fig. 6. Damit öffnet sich der Querschnitt von Nutzanschluss A zum Zwischenraum Z vollständig. Der Arbeitsdruck p_A wirkt dann direkt auf die linke Ringfläche 12 und über den Meldekanal 7 indirekt auf die linke Kreisfläche 16 des Druckwaagenschiebers DWS als Meldedruck ein. Der Druckwaagenschieber DWS vergleicht dann den Arbeitsdruck p_A mit dem Messdruck p_M, welcher auf die rechte Kreisfläche 17 der Druckwaage wirkt. Die Fläche 17 entspricht dabei der Summe der Flächen 12 und 16. Der Druckwaagenschieber DWS nimmt eine Position ein, in der der Volumenstrom vom Nutzanschluss A zum Tank- oder Rücklaufanschluss T an der Drosselstelle zwischen dem Zwischenraum Z und dem Rücklaufanschluss T derart gedrosselt wird, dass sich am Nutzanschluss A der Messdruck p_M abzüglich der mit der Feder 14 definierten Regeldruckdifferenz Δp_M einstellt.
Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist insgesamt eine elektro-hydraulische Steuerung für hydraulische Antriebe geschaffen, die sowohl im motorischen als auch im generatorischen Betrieb in zwei Richtungen arbeiten kann. Dabei wird ein vorgesteuertes Proportionalschieberventil eingesetzt, das die Funktion eines Druckminderers für die Zulaufdrucksteuerung und eine Druckwaage für die Ablaufstromregelung in einem Kombinationsventil miteinander vereint.

Claims

Ventilvorrichtung mit einem
- Zulaufanschluss (ZA) einer Zulaufseite für die Versorgung eines am Zulaufanschluss (ZA) anschließbaren hydraulischen Verbrauchers mit Druckfluid,

- Ablaufanschluss (AA) einer Ablaufseite für das Abführen von Druckfluid aus dem anschließbaren Verbraucher, wobei je nach Ansteuerrichtung dieses Verbrauchers die Zulaufseite sich in die Ablaufseite und die Ablaufseite in die Zulaufseite ändert,

- einem Druckversorgungsanschluss (P), und

- einem Rücklaufanschluss (T),
wobei auf die jeweilige
- Zulaufseite eine Druckregelungseinrichtung und

- Ablaufseite eine Volumenstromregelungseinrichtung einwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckregelungseinrichtung und die Volumenstromregelungseinrichtung jeweils ein Proportionalventil (PV) und ein Druckregelventil (DRV) nebst einer Druckwaage (DW) von ihrer Funktion her aufweisen, die derart miteinander verschaltet und angesteuert sind, dass bei einer Versorgung des Zulaufanschlusses (ZA) vonseiten des Druckversorgungsanschlusses (P) in einer Durchströmungsrichtung das eine Druckregelventil (DRV) als Druckregler arbeitet und das aufseiten des Ablaufanschlusses (AA) bei Überschreiten eines vorgebbaren Solldrucks am anderen Druckregelventil (DRV) sich die Durchströmungsrichtung umkehrt und das Druckfluid strömt über das andere Proportionalventil (PV) und die zugeordnete Druckwaage (DW), die beide von ihrer Funktion her als Stromregelventil arbeiten, in Richtung des Rücklaufanschlusses (T) ab.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Druckregelventil (DRV) ein Proportionalschieberventil, vorzugsweise ein 3/2-Wege-Proportionalschieberventil, ist, das mittels mindestens eines Proportionalmagneten (18) ansteuerbar die Einstellung einer Solldruckvorgabe am Druckregelventil (DRV) ermöglicht.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das jeweilige Druckregelventil (DRV) und die jeweils zugehörige Druckwaage (DW) in einem Kombinationsventil von ihren Funktionen her zusammengefasst sind.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationsventil über zwei in einem Ventilgehäuse unabhängig verfahrbare Steuerschieber verfügt, in Form eines Druckregelschiebers (DRS) und in Form eines Druckwaagenschiebers (DWS), die die möglichen fluidführenden Verbindungen zwischen dem Druckversorgungsanschluss (P), dem Rücklaufanschluss (T) und einem Arbeitsanschluss (A) steuern, der in Verbindung mit einem Proportionalventil (PV) in der einen und der anderen entgegengesetzten Strömungsrichtung den Zulauf- bzw. den Ablaufanschluss (ZA; AA) bildet.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Kombinationsventil innerhalb des Ventilgehäuses folgende Räume aufweist: einen
- Vorsteuerraum (X), in dem ein Steuerdruck (px), der von dem Druckversorgungsanschluss (P) stammt, entsprechend der Wirkung des bestromten Proportionalmagneten auf den Druckregelschieber (DRS) einwirkt,

- Ausgleichsraum (E),

- Zwischenraum (Z) in der möglichen fluidführenden Verbindung zwischen dem Nutzanschluss (A) und dem Rücklaufanschluss (T), in dem ein sich aus dieser Verbindung ergebender Steuerdruck (pz) wirkt,

- Istdruck-Melderaum (Y), in dem ein Steuerdruck (p_A) wirkt, der vom jeweiligen Druck am Nutzanschluss (A) stammt, und

- Melderaum (M), in dem ein Steuerdruck (p_M) entgegen der Wirkung eines Energiespeichers (14) auf den Druckwaagenschieber (DWS) einwirkt.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckregelschieber (DRS) ein Vorsteuerkanal (5) für eine Blende (3) oder ein Stromregelventil für eine Vorsteuerung eingebracht ist, die den Druckversorgungsschluss (P) mit einer Meldefläche (1) fluidführend verbindet, die Vorsteuerraum (X) zumindest teilweise begrenzt.
Ventilvorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckregelschieber (DRS) ein Ausgleichskanal (6) eingebracht ist, der den Nutzanschluss (A) mit dem Ausgleichsraum (E) fluidführend verbindet.
Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Druckregelschieber (DRS) ein Meldekanal (7) eingebracht ist, mit einer optional darin anordenbaren Dämpfungsblende (8), der den Istdruck (p_A) am Nutzanschluss (A) in den Istdruck-Melderaum (Y) weiterleitet, der von dem Druckwaagenschieber (DWS) begrenzt ist, sowie einer Steuerseite (11) des Druckregelschiebers (DRS), die in dem Istdruck-Melderaum (Y) geführt ist.
Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Druckwaagenschieber (DWS) sich an einem weiteren Energiespeicher (10) abstützt, der den Istdruck-Melderaum (Y) durchgreifend am Druckregelschieber (DRS) angreift.