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Steuereinrichtung für Hydraulikventile
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Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung für Hydraulikventile,
welche zur Veränderung des Querschnittes einer Auslaßöffnung des Ventils ein Betätigungselement
besitzen, dessen Lage vom Flüssigkeitsdruck in dem Ventil abhängt, dessen Höchstwert
durch ein elektrisches Signalfür die Steuereinrichtung reguliert wird, welche Mittel
zur Erzeugung eines magnetischen Feldes aus diesem elektrischen Signal besitzt,
wobei die Kraft des Magnetfeldes auf erste Mittel zum Verschließen einer Öffnung
einwirkt und wobei der Druck der Flüssigkeit in dem Ventil auf diese ersten Mittel
in entgegengesetzter Richtung zu der Kraft wirkt, die von dem Magnetventil erzeugt
wird. Die Steuereinrichtung
ist bestimmt zur Befestigung auf Ventilen
von Hydraulikkreisen, insbesondere von Werkzeugmaschinen, um den Druck und/oder
die Fließrate zu begrenzen.
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Bekannte Ventile dieser Art enthalten normalerweise ein bewegliches
Betätigungselement, das in geeigneter Weise den Querschnitt der Ventilauslaßöffnung
verändert. Die Stellung des Betätigungselementes ist dabei eine Funktion des Flüssigkeitsdruckes
in einer Kammer, die mit dem Hauptkanal des Ventils in Verbindung steht. Der Druck
in dieser Kammer wirkt sowohl auf das Betätigungselement wie auf den konischen Kopf
einer Nadel, welche eine Öffnung versperrt, die einen Teil der Ventilsteuer- und
Kontrolleinrichtung darstellt. Im allgemeinen ist um den Schaft dieser Nadel ein
Solenoid gewickelt, der durch die Erzeugung eines Magnetfeldes bewirkt, daß der
Nadelkopf einen gewissen Druck gegen die Öffnung ausübt. Auf diese Weise wirken
die Kraft des Magnetfeldes und die Kraft, welche von dem Flüssigkeitsdruck in der
Kammer erzeugt wird, in entgegengesetzten Richtungen auf die Nadel. So fließt, in
Abhängigkeit davon, ob der Flüssigkeitsdruck größer oder kleiner ist, das strömende
Mittel von der Kammer entweder durch die Öffnung und danach zu einem Auslaß, bis
eine Gleichgewichtsbedingung erreicht ist, bei der die Nadel die Öffnung wieder
verschließt, oder als Alternative strömt keine Flüssigkeit. Diese Gleichgewichtsbedingung
bestimmt einen neuen Flüssigkeitsdruckpegel in der Kammer und demzufolge eine neue
Position des Ventilbetätigungselementes. Diese beschriebenen Steuereinrichtungen
besitzen Jedoch verschiedene Nachteile.
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Da die Öffnung nur eine geringe Größe hat (ungefähr 1 mm im Durchmesser)
erreichen erstens kleine Ablagerungsteile in dem System die Öffnung, insbesondere
bei Arbeitsbeginn des Hydrauliksystems, und blockieren dieses leicht.
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Es ist dann notwendig, die Ventilsteuereinrichtung zu zerlegen, in
dem man die Verbindungsleitungen entfernt und den hydraulischen Teil der Steuereinrichtung
von dem elektrischen Teil trennt'zum Zugang zu den verschiedenen. Elementen des
Hydraulikteils zu erhalten zur Befreiung der Öffnung von den Ablagerungen. Dies
erfordert natürlich eine Folge von Arbeitsgängen, was bedeutet, daß das System für
eine nicht unbeachtliche Zeit außer Betrieb ist. Außerdem ist der Nadelkopf geschliffen,
damit die Nadel eine exakte Dichtung in der Öffnung bildet, und die Öffnung sitzt
in einem Vorsprung, der ebenfalls geschliffen und anschließend in den Körper der
Steuereinrichtung eingesetzt wird. Dies führt zu besonders hohen Herstellungskosten.
Um weiterhin sicherzustellen, daß der Nadelkopf einen dichten Abschluß in der Öffnung
bildet, sitzt das hintere Ende der Nadel mit einem gewissen Spiel in dem Element,
welches die Magnetfeldkraft auf sie überträgt, so daß der Nadelkopf sich selbständig
in der geforderten Weise der Öffnung anpassen kann. Dies bringt jedoch einen weiteren
Nachteil mit sich im Fall mittlerer Arbeitsdrücke, weil der Flüssigkeitsstrahl,
der die Spitze des konischen Nadelkopfes erreicht, diesen zu kleinen Schwingungen
veranlaßt, welche störende Vibrationen in den Leitungen des Hydraulikkreises erzeugen.
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Da der Grundkörper der Steuereinrichtung aus Gußeisen besteht, sind
schließlich verschiedene Dichtungsmittel notwendig um zu verhindern, daß die Porosität
des Gußeisens Flüssigkeitsverluste verursacht.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektrische Steuereinrichtung
für Hydraulikkreisventile zu schaffen, welche die zuvor erwähnten Nachteile nicht
besitzt. Dies bedeutet, daß die Steuereinrichtung einfach und preiswert herstellbar
sein soll und betriebssicher arbeitet und daß weiterhin keine störenden Einflüsse
wie Schwingungen bei mittleren Arbeitsdrücken entstehen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Steuereinrichtung der eingangs genannten
Art erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die genannten ersten Mittel eine Kugel zum
Verschließen der Öffnung enthalten, wodurch der Flüssigkeitsdruck auf die Kugel
über die Öffnung einwirkt, und daß die Kraft des Magnetfeldes über zweite Mittel
zum Verschließen dieser Öffnung auf die Kugel einwirkt. Eine Kugel und ein dazu
passender Sitz als Verschlußelemente sind sehr viel einfacher und preiswerter herzustellen
als ein Nadelventil.
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Durch die Art der Anströmung der Kugel können weiterhin Schwingungen
vermieden werden.
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Als Vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn die zweiten Mittel eine
Druckstange enthalten, welche auf die Kugel einwirkt, wobei die Druckstange der
Kraft des Magnetfeldes unterworfen ist. Durch diese Konstruktion erreicht man eine
besonders einfache und betriebssichere Ubertragung der Magnetkräfte auf die Kugel.
Ferner ist es zweckmäßig, wenn die Öffnung von einer Durchlaßöffnung in einem ersten
Teil gebildet wird, welches weiterhin einen Wandabschnitt zum Führen der Kugel besitzt.
Die Konstruktion kann hierdurch stark vereinfacht werden. Die Flüssigkeit wird dabei
vorteilhafterweise von dem Ventil zu der Durchlaßöffnung des ersten Teils über eine
Ringkammer und wenigstens eine Durchlaßöffnung in einen zweiten Teil zugeführt,
wobei der Durchmesser der Durchlaßöffnung in dem zweiten Teil hinreichend klein
ist zur Erzeugung einer Drosselwirkung und ausreichend größer als die Weite der
Ringkammer. Auf diese Weise werden Schwingungen vermieden und Verunreinigungen von
der Dichtstelle ferngehalten.
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Weitere Merkmale, Einzelheiten und vorteilhafte Wirkungen der Erfindung
ergeben sich aus den Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels.
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Die Abbildungen zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung eines
Ventils mit der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, Fig. 2 eine Seitenansicht der
erfindungsgemäßen Steuereinrichtung, teilweise im Schnitt, Fig. 1 zeigt ein Ventil
1. Das Ventil 1 besitzt einen Körper 2, der einen waagerechten Hauptkanal 3 aufweist.
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In seinem Zentrum bildet dieser Kanal 3 eine Kammer 4, worin ein zylindrisches
Betätigungselement 5 sitzt, dessen unterer Teil so angeordnet ist, daß er eine Verbindungsöffnung
zwischen der Kammer 4 und einem Auslaßkanal 6 versperrt.
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Das Element 5 hat einen Mittelabschnitt 7, der die axiale Gleitbewegung
des Elementes 5 in einer zylindrischen Ausnehmung 8 führt. Der Führungsabschnitt
7 weist eine Bohrung 11 auf, welche die Kammer 4 mit dem oberen Teil der Ausnehmung
8 verbindet. Ein Kanal 12 geht vom oberen Teil der Ausnehmung 8 aus und steht in
Verbindung mit einer Einlaß-Anschlußleitung 13 einer Steuereinrichtung 14, welche
in Übereinstimmung mit der vorliegenden Erfindung aufgebaut ist, Die Einrichtung
14 besitzt einen Auslaßkanal 15, der mit einem Kanal 16 des Körpers 2 verbunden
ist. Dieser Kanal 16 steht in Verbindung mit einem axialen Durchlaß 17 des Elementes
5. Ein weiterer Kanal 18 geht ebenfalls von der Ausnehmung 8 aus zum Anschluß an
eine andere, nicht dargestellte Steuereinheit, Wie in Fig. 2 deutlicher gezeigt
ist, enthält die Steuereinrichtung 14 ein Vorderteil 20, das mit dem Hydraulikkreis
verbunden ist, und ein Hinterteil 21, in dem ein nicht gezeigter Elektromagnet sitzt,
der über elektrische Anschlußdrähte 22 gespeist wird. Der Vorderteil 20 enthält
einen äußeren, hohlen Gußeisenteil 23, dessen eines Ende mit dem Teil 21 verbunden
ist und dessen anderes Ende mit einem Innengewinde versehen ist zur Aufnahme der
Anschlußleitung
13. In dieser Anschlußleitung 13 sitzt innen eine
zylindrische Kappe 25, Ein unterer Rand 26 dieser Kappe 25 springt nach außen vor
und sitzt in einer Aufnahme der Anschlußleitung 13, Der äußere Durchmesser der Kappe
25 ist geringfügig kleiner als der Durchmesser der inneren Bohrung der Anschlußleitung
13, um so eine Ringkammer 27 zu erzeugen.
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Vorteilhafterweise kann der äußere Durchmesser der Kappe 25 1 mm teine
sein als der Durchmesser der Bohrung der Leitung 13, was eine Weite der Kammer 27
von 0,5 mm ergibt. Die Kappe 25 enthält eine innere Kammer 28, die mit der Ringkammer
27 durch zwei diametral gegenüberliegende Öffnungen 31 in Verbindung steht. Ein
Kupfer-Pfropfen 33 mit zwei Durchlaßöffnungen 34 liegt an einer Stufe 32 in der
Leitung 13 an, Der Durchmesser der Öffnungen 34 ist geringfügig größer als die Weite
der Ringkammer 27 und kann üblicherweise 1 mm betragen. An der gegenüberliegenden
Seite des Pfropfens 33 liegt ein Element 35 an, welches eine axiale Durchlaßöffnung
36 und eine untere Aussparung 37 besitzt, welche die Öffnungen 34 des Pfropfens
33 mit der Öffnung 36 verbindet. Das Element 35 ruht dann an einer Stufe 38 in dem
Teil 23, und weiterhin ist eine ringförmige Dichtung 39 zwischen das Teil 23 und
das Element 35 eingefügt, Das Element 35 hat an seinem anderen Ende eine ringförmige,
vorspringende Wand 41, welche eine Kammer 42 bildet, in der eine Kugel 43 sitzt,
deren Durchmesser im wesentlichen gleich dem Durchmesser der Kammer 42 ist. Die
Kugel 43 dient zum Verschließen der Öffnung 36. Die ringförmige Wand 41 enthält
Durchgangsöffnungen 44. Eine bewegliche Druck stange 45 liegt an der Kugel 43 an
und wird von einem Elektromagnet gesteuert, der in dem Teil 21 sitzt. Ein Teil 46
liegt dicht an der Druckstange 45 innerhalb des Teils 23 an. Das Teil 46 bildet
zwei getrennte Kammern 47 und 48, die mit dem Auslaßkanal 15 der Steuereinrichtung
14 über Gewindebohrungen 49 und 50 verbunden sind.
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Die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung ist bei
der Anwendung auf ein Hydraulikkreisventil folgender: Es wird angenommen, daß eine
Flüssigkeit durch den Hauptkanal 3 fließt. Eine Flüssigkeitsdruckgrenze mag durch
die Steuereinrichtung 14 vorgegeben sein. Dies wird erreicht durch Einstellung des
Stromes zum Elektromagnet in dem Teil 21 zur Abgabe der erforderlichen Kraft, welche
über die Druckstange 45 auf die Kugel 43 übertragen wird, welche derart angestoßen
wird, daß sie die Öffnung 36 versperrt.
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Wenn der Flüssigkeitsdruck in dem Kanal 3 den Grenzdruck überschreitet,
wächst der Druck im oberen Teil der Ausnehmung 8 an; dieser wird durch den Kanal
12 übertragen und gelangt an die Steuereinrichtung 14. Der neue Flüssigkeitsdruck
in der Anschlußleitung 13, in der Ringkammer 27, in den Öffnungen 31 und der Kammer
28 der Kappe 25, in den Öf ngen 34 des Pfropfens 33, in der Aussparung 37 und in
der Öffnung 36 des Elements 35~schafft eine Gegenkraft auf die Kugel 43, welche,
wenn sie die von der Druckstange 45 ausgeübte Kraft überschreitet, die Kugel 43
so bewegt, daß die Flüssigkeit durch die Öffnungen 44 in die Kammer 47 gelangt und
durch die Bohrung 49 und die Kanäle 15 und 16 zum Auslaßkanal 6. Dieser Flüssigkeitsdurchgang
führt zu einer Druckredükti.on in dem oberen Teil der Ausnehmung 8, die es dem Betätigungselement
5 erlaubt, sich nach oben zu bewegen, was zu einem größeren Auslaß aus dem Kanal
6 führt, bis eine neue Gleichgewichtslage beim Druckgrenzwert erreicht ist.
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In dieser neuen Gleichgewichtslage drückt die Druckstange 45 wieder
gegen die Kugel 43 zum Verschließen der Öffnung 36.
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Die Öffnung 50 entläßt alle Flüssigkeit, die in der Kammer 48 vorhanden
ist, in den Kanal 15, um jeden Flüssigkeitsverlust aus der d e s Kammer 47 zur Kammer
48 und von dieser letzteren zum Hinterteil 21 zu vermeiden, in dem der Elektromagnet
sitzt.
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Wie aus der vorhergehenden Beschreibung deutlich wird weist die erfindungsgemäße
Steuereinrichtung nicht die Nachteile der bekannten, älteren Anordnungen auf. In
dieser Hinsicht, selbst wenn noch eine Drosselöffnung vorhanden ist für die Flüssigkeit,
welche auf das Element wirkt, das von dem Elektromagnet gesteuert wird (in diesem
Fall die Durchlaßöffnung 34 des Pfropfens 33), so ist die Öffnung 34 doch im Gegensatz
zu der analogen Öffnung, welche bei bekannten Anordnungen mit der Spitze der konischen
Nadel zusammenwirkt, nicht mehr einer Blockierung unterworfen, weil die Flüssigkeit
die Ringkammer 27 mit einer Weite von 0,5 mm durchqueren muß, bevor sie an der Öffnung
34 ankommt, welche einen Durchmesser von 1 mm hat. Demzufolge wird jede Ablagerung
mit einem Durchmesser größer als 0,5 mm bei der Kammer 27 zurückgehalten, während
Ablagerungen mit kleinerem Durchmesser nicht blockieren können, weil diese kleiner
sind als der Durchmesser der Öffnung 34. Selbst wo periodische Reinigungsvorgänge
benötigt werden, sind diese wesentlich einfacher als jene, die bei bekannten Anordnungen
erforderlich waren. Es ist nur noch notwendig, die Anschlußleitung 13 abzuschrauben
und die Kappe 25, den Pfropfen 33 und das Element 35 aus dem Teil 23 herauszuziehen,
ohne daß es notwendig wäre, den Teil mit dem Elektromagnet zu zerlegen.
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Die Herstellungskosten für die erfindungsgemäße Steuereinrichtung
werden ebenfalls wesentlich reduziert, weil es nicht länger notwendig ist, die konische
Spitze der Nadel zu schleifen oder die Oberfläche der Kupplungsöffnung, weil die
Abdichtung jetzt durch die Kugel 43 erreicht wird, welche im Handel leicht erhältlich
ist, während das Teil 35 in einem einfachen Drehvorgang hergestellt werden kann.
Weiterhin findet die Kugel 43 eine einwandfreie Dichtposition leichter als die konische
Nadel.
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Darüberhinaus trifft die Flüssigkeit, welche die Öffnungen 34 in
dem Pfropfen 33 verläßt, nicht direkt auf die Kugel 43 sondern stößt zunächst gegen
den Boden des Teils 35 in der Aussparung 37, wodurch verhindert wird, daß eine Vibration
der Kugel 43 entsteht.
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Schließlich ist es nicht länger notwendig, Abschlußdichtungen für
die unter Druck stehende Flüssigkeit vorzusehen, weil der Kupferpfropfen 33 eine
hermetische Dichtung an der Anschlußleitung 13 im Bereich der Stufe 32 und an Element
35 bildet. Auf diese Weise kann die unter Druck stehende Flüssigkeit, d.h. bevor
sie die Kugel 43 erreicht, nicht in Berührung kommen mit dem Gußeisenteil 231 und
es kann daher kein Lecken auftreten.
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Selbstverständlich sind Abwandlungen der erfindungsgemäßen Steuereinrichtung
möglich, ohne den Schutzumfang der erfindungsgemäßen Idee zu verlassen.