DE3513582C2 - Proportional arbeitendes Hydroventil mit Informationserfassung betreffend die stärksten Drücke in den Verbraucherkreisen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Steuerventil der Art, wie es in Hydraulikkreisen zum Steuern eines oder meh­ rerer Verbraucherkreise verwendet wird, die beispielsweise Kraftzylinder, Pumpen oder Hydraulikmotoren enthalten. Der­ artige Anordnungen werden zum Steuern von Maschinen, Werk­ zeugmaschinen, Arbeitsfahrzeugen der öffentlichen Hand, in Flugzeugen und in verschiedenen sonstigen Fahrzeugen verwendet.

Ein hydraulisches Steuerventil ist zwischen einem oder meh­ reren Verbraucherkreisen und einer hydraulischen Druckver­ sorgung geschaltet, die eine Druckflüssigkeitsquelle und einen druckfreien Rückleitungskreis enthält. Es ist geläu­ fig, mehrere hydraulische Steuerventile in einer einzigen Steuereinheit zusammenzufassen, insbesondere auf Fahrzeugen und in Flugzeugen dergestalt, daß sie gleichzeitig mehrere Verbindungen liefern, um mit einem Male verschiedene Ver­ braucher zu steuern, die beispielsweise aus einzelnen Kraftzylindern bestehen.

Jedes hydraulische Steuerventil enthält einen Steuerkolben, der zwischen mehreren Stellungen verschieblich ist. Das hy­ draulische Steuerventil wird als proportional arbeitend be­ zeichnet, wenn man bei einer gegebenen Verschiebung des Steuerkolbens im Verbraucherkreis eine gegebene Flüssig­ keitsmenge unabhängig von den Belastungsbedingungen oder dem Gegendruck der Verbraucher enthält, die Kraftzylinder od. dgl. sind.

Die Erfindung betrifft ein solches proportional arbeitendes hydraulisches Steuerventil des Typs, der außerdem eine Er­ fassung von Informationen über die Höhe des vom Verbraucher geforderten Drucks aufweist. Eine solche Informationserfas­ sung der Art, die mit dem englischen Ausdruck "load sensing" bezeichnet wird, hat die Aufgabe, zu einer Druck­ regeleinrichtung der Anlage den stärksten Druck zu übertra­ gen, der von dem am stärksten belasteten Verbraucher gefor­ dert wird. Dies gestattet eine Druckregelung auf genau den notwendigen Wert zur Speisung der Verbraucher.

Aus der US 3,881,512 ist bereits ein derartiges hydrau­ lisches Steuerventil mit einem Druckerfassungskanal in sei­ nem Gehäuse bekannt. Dieser stehe über Bohrungen mit einer eine Rückstellfeder eines Ausgleichskolbens aufnehmenden Kammer in Verbindung. In der neutralen Stellung des Steuer­ kolbens ist der Druckerfassungskanal über die Bohrungen mit einem Rücklaufkanal, in den Arbeitsstellungen mit den Ver­ braucherabgängen verbunden. Die vorgeschlagenen Kanäle sind jedoch in ihrer Herstellung äußerst aufwendig.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein in Aufbau und Herstellung vereinfachtes Steuerventil zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch ein hydraulisches Steuerventil mit den Merkmalen des beigefügten Anspruchs 1 gelöst. Durch die Ausbildung des Druckerfassungskanals mit einer Ringkammer in der Gehäusebohrung zusätzlich zu den ohnehin zu fertigenden Ringkammern in dieser Bohrung ent­ stehen bei der Herstellung kaum zusätzlich Kosten.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unter­ ansprüchen 2 bis 7 angegeben.

Gemäß einem ersten Merkmal zur vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Steuerkolben ein 3-Stellungs-Kolben ist, der jeweils eine Arbeitsstellung auf jeder Seite der neutralen Ruhestellung hat, das Gehäuse zwei Verbraucherabgänge aufweist, von denen in jeder Ar­ beitsstellung der eine durch den Steuerkolben mit Arbeits­ druck beaufschlagbar ist, während der andere an eine Rück­ laufleitung angeschlossen ist, der Steuerkolben zwei entge­ gengesetzt angeordnete axiale Bohrungen hat, von denen in jeder der beiden Arbeitsstellungen jeweils eine den Druck­ erfassungskanal mit dem zugeordneten Verbraucherabgang ver­ bindet, für jede axiale Bohrung wenigstens zwei mit axialem Abstand angeordnete radiale Bohrungen in dem Steuerkolben vorgesehen sind, die an einem Ende an die jeweilige axiale Bohrung angeschlossen sind und von denen jeweils die erste mit dem anderen Ende an den zugeordneten Verbraucherabgang und die zweite an die zugeordnete Ringkammer des Drucker­ fassungskanals Anschluß hat, wenn der Steuerkolben die ent­ sprechende Arbeitsstellung einnimmt.

Gemäß einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung ist der Druckerfassungskanal an eine ODER-Verknüpfung ange­ schlossen, welche die so erhaltene Information über den Ar­ beitsdruck verarbeitet, wobei die Gesamtheit der ODER-Ver­ knüpfungen der verschiedenen Steuerventile auf diese Weise das Auswählen des größten Arbeitsdrucks gestattet und diese Information einer Einrichtung zum Regeln des Speisedrucks für die Steuerventilgruppe zugeführt wird.

Gemäß noch einem weiteren Ausgestaltungsmerkmal der Erfin­ dung ist die Anordnung des Druckerfassungskanals so getrof­ fen, daß sie ein Überlagern der Wirkung dieses Drucks mit demjenigen der Rückstellfeder des Ausgleichskolbens gestat­ tet, wodurch ein konstanter Wert für die Druckdifferenz beiderseits von progressiv wirkenden Schrägkanten gewähr­ leistet ist, die am Steuerkolben vorgesehen sind, um den Druck zu den Verbraucherabgängen zu leiten.

Noch ein weiteres Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung sieht vor, daß die Rückstellfeder des Ausgleichskolbens mit einer eine Stellschraube enthaltenden Stelleinrichtung zum Regeln ihrer Vor­ spannung versehen ist.

Schließlich ist nach einem letzten Ausgestaltungsmerkmal der Erfindung ein Entlastungsventil parallel zu jedem den Verbraucher­ druck zu einem Empfänger leitenden Verbraucherabgang geschaltet.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein propor­ tional arbeitendes hydraulisches Steuerungsventil, dessen Steuerkolben sich in der neutralen Ruhelage befindet,

Fig. 2 und 3 zwei analoge Längsschnitte mit dem Steuerkolben in der einen bzw. anderen Arbeitsstellung und

Fig. 4 schematisch die Zusammenschaltung mehrerer solcher hydraulischer Steuerventile unmittelbar nebeneinander.

Das in den Fig. 1 bis 3 dargestellte hydraulische Steuerventil, nachstehend Hydroventil genannt, das ein so­ genanntes Kolbenventil ist, weist ein Gehäuse 1 mit einer Ventilbohrung (Bohrung) 2 auf, in welcher ein zylindrischer Ventilkolben 3 als Steuerkolben verschiebbar ist. In üblicher Weise erfolgt die Schaltung der einzelnen hydraulischen Kreise durch Verlagern von Ringnuten im Ventilkolben 3 vor Ringkammern im Gehäuse 1.

An seinem linken Ende weist der Ventilkolben 3 beispielsweise eine auf Federkraft beruhende bekannte Rückstelleinrichtung auf, welche eine Schraubendruckfeder 4 enthält, die zwischen den Flanschen 5 und 6 zweier Hülsen 7 und 8 eingespannt ist, die ihrerseits zwischen zwei Schulterflächen am Ende 9 des Ventil­ kolbens 3 gefangen sind, um welchen sie gleiten können. Dadurch nimmt der Ventilkolben 3 im Ruhezustand die in Fig. 1 ge­ zeigte Mittelstellung ein, während er nach rechts (Fig. 3) ver­ schoben wird, wenn ein Steuerdruck über eine Öffnung 10 in einer gehäusefesten Kappe 61 zugeführt wird. Im Gegensatz hierzu wird er nach links (Stellung der Fig. 3) verzogen, wenn ein Steuer­ druck entgegengesetzt über eine Öffnung 11 in einer gehäusefesten Kappe 62 an seinem anderen Ende zugeführt wird.

Im dargestellten Beispiel ist vorausgesetzt, daß ein Ventilkolben mit drei Stellungen verwendet wird, um einen doppelt wirkenden Kraftzylinder 12 zu steuern. Hierzu ist die eine Arbeitskammer des Kraftzylinders 12 an einen ersten Verbraucherabgang 13 des Gehäuses angeschlossen, während die entgegengesetzte Arbeits­ kammer des Kraftzylinders 12 mit einem zweiten Verbraucherab­ gang 14 am Gehäuse 1 verbunden ist.

Das Hydroventil empfängt in einer ringförmigen Speisekammer 15 den von einer hydraulischen Druckerzeugungsanlage 116 zugeführten Druck.

Gemäß der Erfindung umschließt die Speisekammer 15 einen zylin­ drischen Kolbenschieber (Ausgleichskolben) 16, den eine in einer Kammer 18 angeordnete Schraubendruckfeder (Rückstellfeder) 17 in Anlage gegen den festen Boden 19 seiner Aufnahmebohrung drückt. Die Feder 17 stützt sich ihrerseits gegen einen Anschlag 20 ab, dessen Stellung mittels einer Stellschraube 21 einstellbar ist.

Der Kolbenschieber 16 ist mit einer Radialbohrung 22 versehen, die mit einer axialen Blindbohrung 23 in Verbindung steht. Letztere mündet an einer Sitzfläche, die von einer Kugel 24 verschlossen oder freigelegt werden kann, deren Belastungsfeder 25 sich im vor­ gespannten Zustand im Inneren des Kolbenschiebers 16 befindet. Die die Kugel 24 und die Feder 25 enthaltende Kammer mündet über seitliche Öffnungen 26 in eine Ringkammer 27, welche den mittleren Abschnitt des Ventilkolbens 3 umschließt.

An jedem seiner beiden Enden weist der Ventilkolben 3 eine axial verlaufende innere Kammer (axiale Bohrung) 28 links und 29 rechts auf.

Die Kammer 28 steht mit der Außenseite des Ventilkolbens 3 über zwei mit 30 bzw. 31 bezeichnete Radialbohrungen in Verbindung. In gleicher Weise ist die innere Kammer 29 mit der Außenseite des Ventilkolbens 3 über zwei Radialbohrungen 32 und 33 verbunden. Hierbei werden die Bohrungen 30, 32 als 1. und 31, 33 als 2. Bohrungen bezeichnet.

Wenn sich der Ventilkolben 3 in seiner neutralen Ruhestellung befindet (Fig. 1), ist die Radialbohrung 30 gegen einen vollen Abschnitt 34 des Ventilgehäuses gerichtet, welcher diese zwischen zwei Ringkammer 35 und 36 abdeckt. Die Ringkammer 35 steht mit dem ersten Verbraucherabgang 13 in Verbindung, während die Ringkammer (Rücklaufleitung) 36 an die Rückleitung angeschlossen ist.

In gleicher Weise ist die Radialbohrung 32 im Ruhezustand des Ventilkolbens 3 durch einen vollen Abschnitt 37 im Ventilgehäuse 1 abgedeckt, der sich zwischen zwei Ringkammer 38 und 39 befindet. Die Ringkammer 38 steht mit dem weiten Verbraucherabgang 14 in Verbindung, während die Ringkammer (Rücklaufleitung) 39 an die Rückleitung angeschlossen ist.

Zwischen den Radialbohrungen 30 und 31 bildet das Gehäuse inner­ halb der Bohrung einen vollen Abschnitt 40, vor welchem sich eine Ringnut 41 im Ventilkolben 3 zu verschieben vermag.

Rings um den Ventilkolben 3 befindet sich in der Zone um die Radialbohrung 31, wenn der Ventilkolben 3 nach rechts verschoben ist (Fig. 2), eine ringförmige Gehäusekammer (Ringkammer) 42.

In gleicher Weise weist der Ventilkolben 3 an seinem entgegen­ gesetzten Ende eine Ringnut 43 auf, die vor einem vollen Bereich 44 des Ständers verschieblich ist. Rings um die Radialbohrung 33 befindet sich, wenn der Ventilkolben 3 nach links verschoben ist (Fig. 3), eine ringförmige Gehäusekammer (Ringkammer) 45.

Die beiden Gehäusekammern 42 und 45 sind durch einen Kanal (Druckerfassungskanal) 46 verbunden, der als "Kanal zum Erfassen des Verbraucherdrucks" (oder auf englisch "load sensing channel") bezeichnet wird und in ständiger Verbindung mit der Kammer 18 der Feder 17 steht, die den Kolbenschieber 16 belastet.

An den verschiedenen Ringnuten des Ventilkolbens 3 sind Schräg­ kanten für eine stetige Druckänderung vorgesehen, wie sie beispielsweise mit den Ziffern 48, 49, 50 und 51 bezeichnet sind. Endlich ist ein Entlastungsventil (Speiseventil) 52 parallel zu dem ersten Verbraucherabgang geschaaltet. In gleicher Weise ist ein zweites Entlastungsventil (Speiseventil) 53 parallel zu dem zweiten Verbraucher­ abgang 14 geschaltet. Hinter den Entlastungsventilen 52 und 53 befindet sich eine Kammer (Rücklaufleitung) 54, die mit der Rückleitung für die Hydraulikflüssigkeit verbunden ist.

Auf Seiten eines jeden Verbraucherabgangs 13, 14 befindet sich ein Überdruckventil 55 bzw. 56, das sich zu jeweils einer der Rückleitungskammern 36 bzw. 39 zu öffnen vermag.

Die Wirkungsweise ist folgende:

Die Funktion "Speisung" wird durch Verschieben des Ventilkolbens 3 nach der einen oder anderen Richtung aus der in Fig. 1 ge­ zeigten Neutralstellung verwirklicht. Diese Funktion wird er­ halten, indem ein Steuerdruck entweder durch die Öffnung 10 (Fig. 2) oder die Öffnung 11 (Fig. 3) zugeführt wird. Das Aus­ maß der Verschiebung des Ventilkolbens wird von der augenblick­ lichen Höhe des Steuerdrucks bestimmt, der von dem entgegenge­ richteten Druck der mehr oder weniger zusammengedrückten Feder 4 aufgefangen wird.

Man sieht, daß im Fall der Fig. 2 der Speisedruck in der Kammer 27 dem Verbraucherabgang 13 zugeführt wird, während der Ver­ braucherabgang 14 mit der Rückleitungskammer 39 in Verbindung steht. Der Kraftzylinder 12 wird deshalb in Einfahrrichtung ge­ steuert. Im Gegensatz hierzu wird im Fall der Fig. 3 die Speise­ kammer 27 in Verbindung mit dem Verbraucherabgang 14 gebracht, so daß der Kraftzylinder 12 in Ausfahrrichtung betätigt wird, während der Verbraucherabgang 13 mit der Rückleitungskammer 36 verbunden wird.

Die Funktion der Informationsaufnahme für den Belastungsdruck, d. h. den Druck im Verbraucherabgang 13 für den Fall der Fig. 2 bzw den Druck im Verbraucherabgang 14 für den Fall der Fig. 3 geht aus von dem Belastungserfassungskanal 46. Dieser Kanal ist zu beiden Seiten über die mit den vollen Bereichen 40 und 44 der Ventilbohrung zusammenarbeitenden Ringnuten 41 und 43 des Ventil­ kolbens 3 mit der Rückleitung über die Kammern 36 bzw. 39 ver­ bunden.

Wenn der Ventilkolben 3 beispielsweise nach rechts (Fig. 2) ver­ schoben wird, laufen nacheinander die folgenden Vorgänge ab:

• - Unterbrechung der Verbindung zwischen der Druckerfassung zu den Ringkammern 36 oder 39;
• - Freilegung der Radialbohrungen 30, 31;
• - Öffnung der Schrägkanten 49 und 50.

Dieser zeitliche Ablauf der Vorgänge zeigt, daß die Verbindung des Druckerfassungskanals 46 mit einem Freilegen der Radialbohrungen 30, 31 beginnt. Von diesem Kanal 46 wird die Druckinformation zu einer Leitung 57 geleitet, die für mehrere Hydroventile, wie die nebeneinander angeordneten Ventile 58, 59 und 60 in Fig 4 ge­ meinsam ist. Ein jedes dieser Hydroventile ist vom gleichen Typ, wie er in den Fig. 1 bis 3 dargestellt ist. Daher gestattet die gemeinsame Leitung 57, in welchem die Informationen über den Belastungsdruck durch die Funktionen "ODER" behandelt werden, ein Auswählen der stärksten dieser Informationen, was den stärksten Verbraucherdruck der Anordnung im betrachteten Augenblick be­ stimmt. Die ausgewählte Information wird nachfolgend einer (nicht gezeigten) Druckregeleinrichtung außerhalb der Ventilgruppe zugeführt.

Die Funktion der Mengenregelung wird dadurch erfüllt, daß ein konstanter Differenzdruck an den Schrägkanten 49, 50 für die stetige Druckänderung sichergestellt wird. Diese Schrägkanten steuern die Verbindungen zwischen der Speisekammer 27 und alternativ den Verbraucherkammern 35, 38. Die Berechnung zeigt, daß die in der Zeichnung dargestellte Konstruktion ein Konstanthalten der Differenz zwischen den Drücken oberhalb und unterhalb einer jeden Schrägkante 49 bzw. 50 ermöglicht, wobei diese Druckdifferenz gleich einem festen Faktor in Abhängigkeit von der augenblick­ lichen Vorspannkraft der Feder 17 und dem Querschnitt des Kolben­ schiebers 16 ist. Um die Größe dieser konstanten Druckdifferenz zu regeln, genügt es, die Stellschraube 21 zum Einstellen der Vorspannung der Feder 17 zu drehen.

Somit steuern die Schrägkanten 49, 50 des Ventilkolbens 3 die an ihnen entlang strömende Flüssigkeitsmenge unter einer konstanten Druckdifferenz. Auf diese Weise ist die Strömungsmenge allein eine Funktion des freigelegten Abschnitts der Schrägkanten und damit der Stellung des Kolbenventils 3.

Es leuchtet ein, daß das Hydroventil nach der Erfindung erlaubt, die die Entlastungsventile 52 und 53 speisende Kammer 54 einer­ seits mit den Rückleitungskammern 36 und 39 und andererseits jeder anderen Druckkammer zu verbinden, die unabhängig von der Rück­ leitung ist.

Claims (7)

1 Proportional arbeitendes hydraulisches Steuerventil zur wahlweisen Versorgung von Verbraucherabgängen mit Arbeitsdruck mit:

• - einem in einer Bohrung (2) eines Gehäuses (1) verschieblichen Steuerkolben (3), dem Druckfluid über einen Ausgleichskolben (16) zuführbar ist und der in der Bohrung (2) entweder eine neutrale Ruhestellung (Fig. 1) oder eine Arbeitsstellung (Fig. 2, 3) einnimmt,
• - einem im Gehäuse (1) vorgesehenen Druckerfassungskanal (46), der ständig mit einer eine Rückstellfeder (17) des Ausgleichskolbens (16) enthaltenden Kammer (18) in Verbindung steht, so daß der im Druckerfassungskanal (46) herrschende Druck die auf den Ausgleichskolben (16) wirkende Kraft der Rückstellfeder (17) überlagert, und
• - wenigstens einer dem Druckerfassungskanal (46) zugehörigen, den Steuerkolben (3) umgebenden Ringkammer (42; 45), welche innerhalb der Bohrung (2) im Gehäuse (1) mit einer Rücklaufleitung (36; 39) in Verbindung steht, wenn der Steuerkolben (3) die neutrale Ruhestellung einnimmt oder an den durch den Steuerkolben (3) mit Arbeitsdruck beaufschlagten Verbraucherabgang (13; 14) Anschluß hat, wenn der Steuerkolben (3) die Arbeitsstellung einnimmt, wobei die Verbindung zwischen der Ringkammer (42; 45) und dem Verbraucherabgang (13; 14) durch eine axiale Bohrung (28, 29) im Steuerkolben (3) erfolgt, welche über eine erste radiale Bohrung (30; 32) an den Verbraucherabgang (13; 14) und über eine mit axialem Abstand zu dieser angeordnete zweite radiale Bohrung (31; 33) an die Ringkammer (42; 45) angeschlossen ist.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (3) ein 3-Stellungs-Kolben ist, der je­ weils eine Arbeitsstellung auf jeder Seite der neutralen Ruhestellung hat, das Gehäuse (1) zwei Verbraucherabgänge (13; 14) aufweist, von denen in jeder Arbeitsstellung der eine durch den Steuerkolben (3) mit Arbeitsdruck beauf­ schlagbar ist, während der andere an eine Rücklaufleitung (36, 39) angeschlossen ist, der Steuerkolben (3) zwei ent­ gegengesetzt angeordnete axiale Bohrungen (28, 29) hat, von denen in jeder der beiden Arbeitsstellungen jeweils eine den Druckerfassungskanal (46) mit dem zugeordneten Verbraucherabgang verbindet, für jede axiale Bohrung (28, 29) wenigstens zwei mit axialem Abstand angeordnete radiale Bohrungen (30, 31, 32, 33) in dem Steuerkolben (3) vorgesehen sind, die an einem Ende an die jeweilige axiale Bohrung (28, 29) angeschlossen sind und von denen jeweils die erste (30, 32) mit dem anderen Ende an den zu­ geordneten Verbraucherabgang (13, 14) und die zweite (31, 33) an die zugeordnete Ringkammer (42, 45) des Druck­ erfassungskanals (46) Anschluß hat, wenn der Steuerkolben (3) die entsprechende Arbeitsstellung einnimmt.

3. Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils in der der einen axialen Bohrung (28, 29) zugeord­ neten Arbeitsstellung die erste radiale Bohrung (30, 32) der jeweils anderen axialen Bohrung mit dem anderen Ende an eine Rücklaufleitung (36, 39) Anschluß hat.

4. Steuerventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, daß in dem Gehäuse (1) zwei Rücklaufleitungen (36, 39) vorhanden sind und der Druckerfassungskanal (46) in der neutralen Ruhestellung mit beiden Rücklaufleitungen verbunden ist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckerfassungskanal (46) an eine ODER-Verknüpfung angeschlossen ist, welche die darüber erhaltene Information über den Arbeitsdruck verarbeitet, wobei die Gesamtheit der ODER-Verknüpfungen von ver­ schiedenen Steuerventilen (58, 59, 60) auf diese Weise das Auswählen des größten Arbeitsdrucks gestattet und diese Information einer Einrichtung zum Regeln des Speisedrucks der Steuerventilgruppe zuführbar ist.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Druck im Druckerfassungskanal (46) derart der Kraft der Rückstellfeder (17) des Aus­ gleichskolbens (16) überlagert ist, daß ein konstanter Wert für die Druckdifferenz beiderseits von progressiv wirkenden Schrägkanten (49, 50) gewährleistet ist, die am Steuerkolben (3) vorgesehen sind, um den Druck zu den Verbraucherabgängen zu leiten.

7. Steuerventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Speiseventil (52, 53) parallel zu jedem den Arbeitsdruck zu einem Verbraucher (12) leitenden Verbraucherabgang (13, 14) geschaltet ist und zwischen den Speiseventilen (52, 53) eine Rücklauf­ leitung (54) angeordnet ist.