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Dokumentenidentifikation DE102004017088B4 29.03.2007
Titel Ventilvorrichtung
Anmelder Hydac Electronic GmbH, 66128 Saarbrücken, DE
Erfinder Casimir, Michael, 66128 Saarbrücken, DE;
Kattler, Frank, 66346 Püttlingen, DE
Vertreter Bartels & Partner, Patentanwälte, 70174 Stuttgart
DE-Anmeldedatum 07.04.2004
DE-Aktenzeichen 102004017088
Offenlegungstag 27.10.2005
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 29.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 29.03.2007
IPC-Hauptklasse F16K 11/07(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F15B 13/044(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   F16K 31/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung, die mit mindestens einem Schaltmagneten verbunden ist, mit einem Ventilgehäuse mit darin angebrachten Fluidanschlußstellen, wie Pumpen-, Nutz- und Tankanschlüssen gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1.

Dahingehende Ventilvorrichtungen sind in einer Vielzahl von Ausführungsformen auf dem Markt frei erhältlich. In Verbindung mit Schaltmagneten sind sie wichtiger Bestandteil der sog. Proportionalventil – Technik. Die dahingehende Technik ist dadurch charakterisiert, dass ein elektrisches Eingangssignal als Spannung in einem elektronischen Verstärker entsprechend der Spannungshöhe in einen elektrischen Strom umgesetzt ist. Proportional zu diesem elektrischen Strom als Eingangsgröße erzeugt dann ein Proportionalmagnet als Schaltmagnet die Ausgangsgröße Kraft oder Weg. Diese Größen Kraft oder Weg werden als Eingangssignal für das Hydraulikventil eingesetzt und bedeuten proportional dazu einen bestimmten Volumenstrom oder einen Druck. Für den Verbraucher und damit für das Arbeitselement an der Maschine bedeutet das neben der Beeinflussung der Richtung die stufenlose Beeinflussung der Geschwindigkeit und der Kraft. Gleichzeitig kann noch entsprechend dem zeitlichen Verlauf, z.B. Änderung des Volumenstromes in der Zeit, die Beschleunigung oder Verzögerung stufenlos beeinflußt werden (vgl. Arno Schmitt, Einstieg in die Proportionalventil – Technik in „Der Hydrauliktrainer", Band 2, Mannesmann-Rexroth GmbH, 1989). Je nachdem, welche Funktion im Vordergrund steht, also die Wegefunktion, die Stromfunktion und/oder die Druckfunktion, findet die Proportionalhydraulik Anwendung bei Wegeventilen, Stromventilen oder sog. Druckventilen.

Die technischen Vorteile der Proportionalventiltechnik liegen in den kontrollierten Schaltübergängen, der stufenlosen Steuerung der Sollwerte und der Reduzierung der hydraulischen Einrichtungen für bestimmte Steuerungsaufgaben. Ferner sind mit Proportionalventilen schnelle und exakte Bewegungsabläufe möglich bei gleichzeitiger Verbesserung und Genauigkeit der Steuervorgänge. Es hat sich jedoch gezeigt, dass die bekannten Ventilvorrichtungslösungen auch auf dem Gebiet der Proportionalventiltechnik für manche Steuerungsaufgaben, wie bei doppelt wirkenden hydraulischen Arbeitszylindern, bei denen unter Vermeidung mechanischer Kopplungsglieder die Ansteuerung für Positionieraufgaben erfolgt, Wünsche offen läßt, insbesondere im Hinblick auf die Funktionssicherheit des Gesamtsystems sowie des raschen Reagierens.

Durch die DE 43 19 162 A1 ist eine gattungsgemäße Ventilvorrichtung bekannt, mit zwei gegenüberliegenden mit einem Ventilgehäuse verbundenen Betätigungsmagneten, mit im Ventilgehäuse angebrachten Fluidanschlußstellen in Form mindestens eines Pumpenanschlusses P, mindestens zweier Nutzanschlüsse A, B und mindestens zweier Tankanschlüsse T1, T2 und mit einem Ventilkolben, der radiale Vorsprünge aufweist, die jeweils einer Fluidanschlußstelle A, B, T1, T2 im Ventilgehäuse zuordenbar sind und fluidführenden Wegen zwischen den Vorsprüngen, wobei die Vorsprünge in einer Neutralstellung den Weg zu dem jeweiligen zuordenbaren Nutzanschluss A, B teilweise oder vollständig versperren, oder wobei bei freigehaltenen Nutzanschlüssen A, B der jeweilige Pumpenanschluss P durch den zuordenbaren Vorsprung vollständig gesperrt ist. Die bekannte Lösung betrifft ein Hydraulikventil, das zum Steuern eines hydraulischen Aktuators in einem System zur Wankstabilisierung eines Kraftfahrzeuges verwendbar ist. Bei der bekannten Lösung ist jedoch nicht ausgeschlossen, dass etwaige Störeinflussgrößen das hydraulische Ventilsystem in nachteiliger Weise beeinflussen.

Durch die DE 39 34 287 A1 ist ein Magnetventil mit einer Steuermagnet-Anordnung bekannt, bei dem der Ventilkolben zur Ansteuerung eines Pumpen- und Tankanschlusses P, T sowie zweier Nutzanschlüsse A, B im Sinne einer Merkmalsausgestaltung des kennzeichnenden Teils des Patentanspruches 1 mit einem am Ventilgehäuse angreifenden Betätigungsmagneten versehen ist, mit mindestens zwei in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Spuleneinrichtungen, die die Verfahrbarkeit des Ventilkolbens in beiden gegenläufigen Richtungen aus einer Neutralstellung heraus ermöglichen. Auch bei dieser bekannten Lösung ist nicht ausgeschlossen, dass das Ventilsystem nachteilig beeinflußt wird.

Durch die DE 31 19 445 A1 ist ein elektro-hydraulisches Steuerventil bekannt, mit einem Hauptgehäuse als Ventilgehäuse, das eine Axialbohrung umschließt, in der ein Ventilglied als Ventilkolben verstellbar ist. Die Enden des Ventilkolbens bestehen aus magnetisierbarem Material und dem Gehäuseteil sind als Betätigungseinrichtungen Solenoidvorrichtungen an den äußeren Enden der Axialbohrung zugeordnet, um durch Erregung der einen oder der anderen Solenoidvorrichtung das Ventilglied in Richtung auf das eine oder andere Ende der Axialbohrung zu ziehen. Zur Kompensation von Störeinflußgrößen weist die dahingehend bekannte Lösung im Sinne einer weiteren Merkmalsausgestaltung des kennzeichnenden Teiles des Patentanspruches Druckmelderkolben auf, die den Ventilkolben an seinen beiden Enden durchgreifen. Trotz der Möglichkeit der Beeinflussung der Störeinflußgrößen über den jeweiligen Druckmelderkolben, läßt diese bekannte Lösung noch Wünsche offen, was die vollständige Kompensation solcher Störungen betrifft.

Demgemäß liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventilvorrichtungen dahingehend weiter zu verbessern, dass sie in dem genannten Aufgabenbereich zu verbesserten Ergebnissen führt, was die Kompensierung von Störeinflußgrößen anbelangt, insbesondere unter Einbezug einer erhöhten Funktionssicherheit bei reduzierten Kosten. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Ventilvorrichtung mit dem Merkmalen des Patentanspruches 1.

Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 der Betätigungsmagnet mit mindestens zwei in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Spuleneinrichtungen versehen ist, die die Verfahrbarkeit des Ventilkolbens in beiden gegenläufigen Richtungen aus seiner Neutralstellung heraus ermöglichen, dass der Ventilkolben an seinen beiden Enden von jeweils einem Druckmelderkolben durchgriffen ist, der sich mit seinem einen Ende jeweils an feststehenden Teilen (Abschlußdeckel) des Ventilgehäuses oder des Betätigungsmagneten abstützt und der Druckmelderkolben einen weiteren fluidführenden Kanal im Ventilkolben durchgreift, der mit dem jeweils zuordenbaren Tankanschluß verbindbar ist, ist eine Kompensierung von außenwirkenden Störeinflußgrößen vollständig möglich, da diese als Rückmeldung über das hydraulische System an den jeweiligen Druckmelderkolben weiter gegeben und derart kompensierbar sind. Mit der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist es also möglich, unmittelbar Steuerbefehle hydraulisch, zeitnah und funktionssicher weiter zu geben, sowie von außen kommende Störeinflußgrößen wirksam zu kompensieren, ohne dass der eigentliche Steuerbefehl hiervon beeinträchtigt wäre. Aufgrund der wenigen Komponenten baut die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung, die nur einen doppelt wirkenden Betätigungsmagneten, vorzugsweise Proportionalmagneten benötigt, funktionssicher auf und ist kostengünstig in der Herstellung sowie im späteren Betrieb, auch bezogen auf die Wartung.

Kommt es bei einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung, bedingt durch die Aktivierung des Betätigungsmagneten in einer Richtung, beispielsweise hervorgerufen durch einen entsprechenden Ausschlag bei einem Arbeitszylinder, zu einer Verschiebebewegung des Kolbens in korrespondierender Richtung, vergrößert sich auf der einen Seite der Teil des freien Querschnittes des Nutzanschlusses A oder B, der dem Pumpenanschluß P zugewandt ist, und der weitere Nutzanschluß B bzw. A wird entsprechend im Querschnitt durch den Vorsprung des Ventilkolbens reduziert, und zwar wiederum nur auf der Seite, die dem Pumpenanschluß P zugewandt ist. Entsprechend verringert sich dann das Querschnittsvolumen des Nutzanschlusses A oder B gegenüber dem zugeordneten Tankanschluß T1 bzw. T2 bis auf Null und der zuordenbare Tankanschluß T2 bzw. T1 wird verstärkt mit aus dem Nutzanschluß B bzw. A verdrängtem Fluid versorgt, sofern sich insoweit der Nutzanschlußquerschnitt von B bzw. A zum Tankanschluß T2 bzw. T1 vergrößert. Vom Tank aus gelangt dann das Fluid wieder über eine Hydraulikpumpe zurück zum Pumpenanschluß P des Gehäuses für einen weiteren Umlauf im hydraulischen System.

Wird also der Betätigungsmagnet oder ein weiterer Betätigungsmagnet dahingehend beaufschlagt, dass die Verschiebeposition aus der Neutralstellung in der anderen Richtung erfolgt, erhöht sich der Nutzquerschnitt des Nutzanschlusses B zum Pumpenanschluß P und entsprechend verringert sich A, soweit der Pumpenanschluß P angesprochen ist. Die dahingehende Stellung entspricht dann dem umgekehrten Anschlag bei dem Arbeitszylinder. Da im Grunde das geschlossene System zwischen den Nutzanschlüssen A und B hydraulisch vorgespannt ist, wird bedingt durch den jeweiligen Betätigungsmagneten die Auslenkung des Ventilkolbens aus der Neutralstellung unmittelbar vorgenommen und es kommt direkt und zeitverzögerungsfrei sowie ohne Schlupf zur Betätigungsauslenkung. In praktischen Versuchen hat sich gezeigt, dass die dahingehende Anordnung zu einem sehr steif ausgelegten Betätigungssystem führt, das sehr funktionssicher ist und kostengünstig realisiert werden kann. Ferner kann bei der Auslenkung des Ventilkolbens aus der Neutralstellung der Tankanschluß T1 oder T2 angedrosselt werden, der dem Nutzanschluß A, B mit vergrößertem Nutzquerschnitt zugewandt ist.

Bei einer anders gearteten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist bei einer ersten Variante vorgesehen, dass die Vorsprünge in der Neutralstellung den Weg zu dem jeweiligen zuordenbaren Nutzanschluß A, B vollständig versperren oder dass bei frei gehaltenen Nutzanschlüssen A, B der jeweilige Pumpenanschluß P durch den zuordenbaren Vorsprung vollständig gesperrt ist. Die dahingehenden Sperrlösungen in der Neutralstellung stellen sicher, dass im geschlossenen Hydraulikkreis das System vorgespannt ist und aus dieser gesicherten Sperrstellung kann die Ansteuerung des hydraulischen Kreises veranlaßt werden, sobald der jeweilige Betätigungsmagnet die Auslenkung des Ventilkolbens in gegenläufigen Richtungen veranlaßt. Insoweit kommt es bei der ersten Ausführungsform dieser erfindungsgemäßen Variante zu einer Variierung der Querschnitte an den beiden Nutzanschlüssen A, B bei konstantem Öffnungsquerschnitt des Pumpenanschlusses P sowie einer Veränderung der Querschnittssituation bei den beiden Tankanschlüssen T1, T2. Bei der zweiten Variante bleiben die Querschnitte der Nutzanschlüsse A, B unangetastet und Veränderungen ergeben sich insoweit nur beim Querschnitt des Pumpenanschlusses P sowie bei den zugehörigen Tankanschlüssen T1, T2.

Als besonders vorteilhaft hat es sich in hydraulischen Systemen mit Differentialarbeitszylindern oder Schwenkmotoren erwiesen, die beiden Ausführungsformen einer Ventilvorrichtung in den geschlossenen Hydraulikkreis zu integrieren, vorzugsweise parallel zueinander anzuordnen, um dergestalt die teilweise geöffnete durch die gesperrte Ausführungsform bei Ausfall und umgekehrt zu ersetzen. Da die beiden Ausführungsformen der Ventilvorrichtung nach zwei verschiedenen Funktionsmustern arbeiten, die auf gegenteiligen Wirkprinzipien beruhen, ist insofern die Funktionssicherheit in hydraulisch geschlossenen Systemen deutlich erhöht.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung weist das Ventilgehäuse auf seiner einen Seite den Betätigungsmagneten auf und auf seiner gegenüberliegenden Seite einen Dämpfungsraum, dessen Volumen mittels des verschiebbaren Ventilkolbens veränderbar ist. Ferner ist vorzugsweise der Ventilkolben bei unbestromtem Betätigungsmagneten mittels zweier Kraftspeicher, insbesondere in Form von Druckfedern, in der Neutralstellung gehalten. Aufgrund des Dämpfungsraumes und der Kraftspeicher ist eine sichere Mittenjustierung für das Gesamtsystem erreicht, auch im Falle von einwirkenden Störeinflüssen von außen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung anhand verschiedener Ausführungsformen nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen die

1 bis 3 im Längsschnitt in drei verschiedenen Einstellpositionen eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung, wobei die 3 insoweit geändert ist, als dort eine andere Realisierung des Druckmelderkolbens realisiert ist;

4 und 5 ebenfalls im Längsschnitt eine zweite Ausführungsform der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in zwei verschiedenen Varianten und in eingenommener Neutralstellung,

6 in der Art eines hydraulischen Schaltplanes die Anwendung des erfindungsgemäßen Ventilsystems bei einem doppelt wirkenden, hydraulischen Arbeitszylinder.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung anhand der ersten Ausführungsform nach den 1 bis 3 näher erläutert.

Die in 1 im Längsschnitt dargestellte Ventilvorrichtung weist in Blickrichtung auf die Figur gesehen rechts einen als Ganzes mit 10 bezeichneten Magneten auf. Der dahingehende Betätigungsmagnet 10 in Form eines Proportionalmagneten ist in üblicher und daher nicht näher beschriebener Art und Weise mit einem Ventilgehäuse 12 verbindbar, das im wesentlichen zylindrisch ausgebildet ist. In dem Ventilgehäuse 12 sind Fluidanschlußstellen eingebracht in Form mindestens eines Pumpenanschlusses P, zweier Nutzanschlüsse A, B sowie zweier Tankanschlüsse T1, T2. Innerhalb des Ventilgehäuses 12 ist längsverfahrbar ein Ventilkolben 14 geführt, der außenumfangsseitig radiale Vorsprünge 16, 18 aufweist. Der radiale Außenumfang des jeweiligen Vorsprunges 16, 18 ist derart gewählt, dass er an der Innenumfangsseite des Ventilgehäuses 12 abgleiten kann. Bei der Ausführungsform nach der 1 sind die beiden mittleren radialen Vorsprünge 16 den Nutzanschlüssen A, B zugeordnet und die beiden axial an den Enden des Ventilkolbens 14 angeordneten Vorsprünge 18 den beiden Tankanschlüssen T1, T2. Zwischen den Vorsprüngen 16, 18 sowie zwischen den beiden Vorsprüngen 16 selbst ist der Ventilkolben 14 im Durchmesser reduziert, so dass insoweit fluidführende Wege 20, 22, 24 zwischen dem Innenumfang des Ventilgehäuses 12 und dem jeweils reduzierten Außendurchmesser des Ventilkolbens 14 gebildet sind. Bei der Ausführungsform nach der 1 greifen die beiden radialen Vorsprünge 16 in der Neutralstellung der Ventilvorrichtung in den freien Fluiddurchlaßquerschnitt der Nutzanschlüsse A, B ein. Die Vorsprünge 16, 18 sind jeweils kreiszylindrisch ausgebildet und der jeweilige Anschluß A, B, P, T1, T2 kann aus mehreren, vorzugsweise diametral einander gegenüberliegenden Bohrungen innerhalb des Ventilgehäuses 12 bestehen, wobei zuordenbare Bohrungen eines Anschlusses in einer gemeinsamen Längsebene zu der Längsachse 26 der Ventilvorrichtung verlaufen.

Auf seinen beiden gegenüberliegenden Seiten weist das Ventilgehäuse 12 jeweils einen Raum 28, 30 auf, dessen jeweiliges Volumen mittels des verschiebbaren Ventilkolbens 14 veränderbar ist. Ist der Magnet 10 gemäß der Darstellung nach der 1 in seiner unbestromten Stellung, ist der Ventilkolben 14 mittels zweier Kraftspeicher in Form der beiden Druckfedern 32, 34 in der bereits angesprochenen Neutralstellung gehalten. Die erste Druckfeder 32 stützt sich dabei mit ihrem einen freien Ende an einem Abschlußdeckel 36 des Ventilgehäuses ab und mit ihrem anderen Ende an der freien Stirnseite des in Blickrichtung auf die 1 gesehen linken Endes des Ventilkolbens 14. Die andere Druckfeder 34 ist im Magneten 10 selbst integriert, was im folgenden noch näher erläutert werden wird.

Der jeweilige Pumpenanschluß P ist in Richtung der Längsachse 26 des Ventilgehäuses 12 gesehen zwischen den jeweiligen Nutzanschlüssen A, B angeordnet und diese wiederum zwischen den jeweiligen Tankanschlüssen T1, T2. In Blickrichtung auf die 1 gesehen ist also die Anordnung der Anschlüsse im Ventilgehäuse 12 von links nach rechts gesehen wie folgt: Erster Tankanschluß T1, erster Nutzanschluß A, Pumpenanschluß P, zweiter Nutzanschluß B, zweiter Tankanschluß T2. Des weiteren ist der erste Raum als Dämpfungsraum 28 über eine Drosselstelle 38 im Ventilgehäuse 12 angeordnet und mit einem nicht näher dargestellten Tank verbindbar, in den die Tankanschlüsse T1, T2 münden. Wie sich des weiteren aus der 1 ergibt, ist der Ventilkolben 14 an seinen beiden Enden von jeweils einem Druckmelderkolben 40, 42 durchgriffen. Der jeweilige Druckmelderkolben 40, 42 stützt sich mit seinem einen freien Ende jeweils an feststehenden Teilen des (Abschlußdeckels 36) des Ventilgehäuses 12 oder des Magneten 10 ab, wobei hierfür sich der Druckmelderkolben 42 an einer stangenartigen Verlängerung 44 abstützt, die den Magneten 10 entlang der Längsachse 26 der Ventilvorrichtung durchgreift und die mit ihrem einen freien Ende über eine hülsenartige Verbreiterung 46 am Druckmelderkolben 42 anstößt und mit ihrem anderen freien Ende an einem Abschlußboden 48 des Magneten 10.

Zum anderen freien Ende mündet der jeweilige Druckmelderkolben 40, 42 in einen Kanal 50 des Ventilkolbens 14, wobei der jeweilige Kanal 50 zumindest fluidführend mit dem jeweils zuordenbaren Nutzanschluß A, B verbindbar ist, indem dieser in einen durchgehenden Querkanal 52 im jeweiligen Vorsprung 16 mündet. Der jeweilige Druckmelderkolben 40, 42 durchgreift darüber hinaus einen weiteren fluidführenden Kanal 54 im Ventilkolben 14, der mit dem jeweils zuordenbaren Tankanschluß T1, T2 verbindbar ist. Der sich jeweils an feststehenden Teilen abstützende Druckmelderkolben 40, 42 greift an seinem freien stirnseitigen Ende den jeweils anstehenden Druck in den Nutzanschlüssen A, B auf und gibt dergestalt eine Rückmeldung auf das System. Während der Dämpfungsraum 28 tatsächlich bedingt über die Drosselstelle 38 eine Dämpfungscharakteristik aufweist, fehlt eine wirksame Dämpfung bei dem zweiten Raum 30 insoweit, als über einen Längskanal 56 ein Fluidaustausch zwischen dem Inneren des zweiten Dämpfungsraumes 30 und dem zweiten Tankanschluß T2 möglich ist.

Der besseren Darstellung wegen wird der Aufbau des Magneten, insbesondere Proportionalmagneten, sowie der Außenaufbau des Ventilgehäuses 12 anhand der 2 weiter erläutert.

Der Magnet 10 weist zwei elektrische Spulenwicklungen 58, 60 auf, wobei die Spulenwicklungen derart aufgebaut, angesteuert und bestromt werden, dass bei Erregung der Spulenwicklung 58 der Magnet 10 „drückend" wirkt und bei Betätigung der Spulenwicklung 60 „ziehend". „Drückend" bedeutet, dass bei Erregung der Spulenwicklung 58. sich der Magnetanker 62 des Magneten 10 in Blickrichtung auf die 2 gesehen von rechts nach links bewegt und „ziehend" bedeutet, dass bei Erregung der Spulenwicklung 60 der angesprochene Magnetanker 62 aus seiner Endlage nach der 2 sich in seine rechtsseitige Endlage bewegt gemäß der Darstellung nach der 3. Bei „drückender" Anordnung schiebt der Magnetanker 62 über eine Betätigungshülse 64 und entgegen der Kraftwirkung der ersten Druckfeder 32 den Ventilkolben 14 von rechts nach links in die Endlage gemäß der Darstellung nach der 2.

Die dahingehende Bewegung des Magnetankers 62 wird über die zweite Druckfeder 34 unterstützt. Bei „ziehender" Anordnung wird der Magnetanker 62 in Blickrichtung auf die 2 gesehen von links nach rechts bewegt entgegen der Wirkung der zweiten Druckfeder 34, wobei die dahingehende „ziehende" Bewegung über die erste Druckfeder 32 unterstützt wird. Kommt dabei der Magnetanker 62 an seine rechte Endlage, nimmt er eine Position ein gemäß der Darstellung nach der 3. Der Magnetanker 62 ist in einem Polrohr 66 geführt, wobei für den Erhalt einer sauberen und gerichteten Magnetlinienführung zwei magnetische Trennungen 68 vorhanden sind. Das Polrohr 66 ist nach außen hin über den Abschlußboden 48 druckdicht abgeschlossen und im übrigen ist der Magnet 10 vorzugsweise außenumfangsseitig mit einem Kunststoffmaterial unter Bildung des Gehäuses 70 umspritzt.

Auf der gegenüberliegenden Seite ist der Magnet 10 über ein Magnetgehäuse 72 verschlossen, das mit einer flanschartigen Verbreiterung versehen dem Festlegen der Ventilvorrichtung an nicht näher dargestellten Gehäuseteilen eines hydraulischen Bauteils dient, das mittels der Ventilvorrichtung anzusteuern ist. Der Magnetanker 62 ist wiederum von einem Längskanal durchgriffen, um dergestalt bei der Hin- und Herbewegung einen Druckausgleich herbeiführen zu können, was dem Auftreten von Hemmungen entgegenwirkt. Mittig ist der Magnetanker 62 von der bereits angesprochenen stangenartigen Verlängerung 44 durchgriffen, die auch eine Betätigungshülse 64 durchgreift, in der der Druckmelderkolben 42 teilweise geführt ist. Der Aufbau dahingehender „ziehender" und „drückender" Magnete 10 ist im Stand der Technik bekannt, so dass an dieser Stelle hierauf nicht näher eingegangen wird.

Um die Ventilvorrichtung in der Art eines Cartridge-Ventils, also in der Form einer Einschraubpatrone in einer hydraulischen Aufnahmekomponente (nicht dargestellt) festlegen zu können, ist vorgesehen, dass außenumfangsseitig in sich zum Magneten 10 erweiternden Stufen in radial angeordneten Gehäusevorsprüngen 76 Dichteinrichtungen 78 üblicher Art aufgenommen sind, die insoweit die Abdichtung vornehmen. Ferner ist am stirnseitig freien Ende des Magnetgehäuses 72 eine weitere Dichteinrichtung 78 in Form eines O-Dichtringes vorgesehen, der sich wiederum an einem absatzartig sich verbreiternden Vorsprung 80 anordnen läßt, der insoweit dann die Abdichtung gegenüber nicht näher dargestellten Gehäuseteilen der hydraulischen Einrichtung vornimmt, an der die Ventilvorrichtung mit ihrem Schaltmagneten 10 über die flanschartige Verbreiterung 74 festlegbar ist.

Um die Anzahl der Abbildungen zu reduzieren, wird gemäß der Darstellung nach der 3 bei einer geänderten Variante der ersten Ausführungsform deutlich, dass es auch möglich ist, den Druckmelderkolben 42 radial zur Längsachse 26 versetzt im Ventilkolben 14 anzuordnen, so dass dieser sich dann gleichfalls an feststehenden Teilen des Magneten 10 abstützen kann, hier in Form der freien Stirnseite des Magnetgehäuses 72. Im Hinblick auf diese Abstützung ist die Abstützung über die stangenartige Verlängerung 44 nicht mehr notwendig, so dass diese insoweit entfallen kann und der Magnetanker 62 kann unmittelbar über eine Betätigungsstange 82 auf die in Blickrichtung auf die 3 gesehen rechte Seite des Ventilkolbens 14 einwirken. Des weiteren kann die angesprochene Drosselstelle 38 im Ventilgehäuse 12 nicht nur mit einem festen Drosselquerschnitt realisiert sein, wie dargestellt, sondern vielmehr auch mit einem variablen Querschnitt, bei dem der zugewandte radiale Vorsprung 18 mit seiner vorderen Steuerkante 84 einen freien, nicht näher dargestellten Drosselquerschnitt im Ventilgehäuse beeinflußt.

Im folgenden wird die erfindungsgemäße Ventilvorrichtung anhand eines Arbeitsbeispiels nach den 1 bis 3 näher erläutert, wobei die 1 die mittlere Neutralstellung betrifft, die 2 die äußerst linke Anschlagstellung und die 3 die äußerst rechte Anschlagstellung bezogen auf die jeweils maximal mögliche Verfahrposition des Magnetankers 62. Zwischen der Neutralstellung und der maximalen Auslenkstellung in der einen bzw. in der anderen Richtung sind in Abhängigkeit des Systemzustandes, an dem die Ventilvorrichtung in den vorzugsweise geschlossenen hydraulischen Kreis eingebracht ist, Zwischenstellungen möglich.

Ist die Ventilvorrichtung in ihrer in der 1 gezeigten Neutralstellung, sind die Spulenwicklungen 58, 60 des Magneten 10 nicht bestromt und der Ventilkolben 14 wird ausschließlich über die beiden Druckfedern 32, 34 in der in der 1 gezeigten Mittellage gehalten. Insoweit wäre ein hydraulisches Positioniersystem nicht betätigt, beispielsweise mit Differentialzylinder oder Schwenkmotor. Die dahingehende Ventilstellung würde dann beispielsweise der nicht ausgefahrenen Mittelstellung eines hydraulischen Arbeitszylinders 86 (vgl. 6) entsprechen. Der fortwährend betriebene hydraulische Kreis 90 wird über den Pumpenanschluß P und eine Hydropumpe 92 versorgt, wobei dann gleichermaßen Druck in den Nutzanschlüssen A und B ansteht sowie in den Tankanschlüssen T1 und T2. Insoweit wird der vom Pumpenanschluß P gelieferte, unter Druck stehende Fluidstrom zwischen Nutzanschlüssen A, B und Tankanschlüssen T1, T2 in Abhängigkeit der Stellung des Ventilkolbens 14 sinnfällig aufgeteilt. Da in den entsprechenden Zuleitungen zu den Nutzanschlüssen A, B (nicht dargestellt) gleichermaßen der Druck ansteht, ist eine Art vorgespannte Drucksäule im hydraulischen System realisiert und eine Ansteuerung findet nicht statt bzw. bei einem hydraulischen Zylinder bleibt dessen Kolben 88 in der jeweils eingenommenen Arbeitsposition.

Will nun eine Bedienperson eine Betätigung für den Arbeitszylinder 86 herbeiführen, wird der Magnet 10 betätigt, beispielsweise die Spulenwicklung 58 bestromt, und in „drückender" Wirkung wird der Ventilkolben 14 von rechts nach links verschoben, also von seiner Ausgangs- oder Neutralstellung nach der 1 in die ausgelenkte Position nach der 2, die der Maximalstellung entspricht. Es ist deutlich, dass in Abhängigkeit der Stärke der Magnetkraft, hervorgerufen durch die Spulenwicklung 58, sich auch Zwischenstellungen einstellen können zwischen der Neutralstellung nach der 1 und der maximal möglichen linken Auslenkstellung nach der 2. Bei der Schaltstellung nach der 2 wird nun verstärkt das Fluid vom Pumpenanschluß P kommend an den Anschluß A abgegeben, wohingegen der Anschluß B gesperrt ist. Das über das hydraulische System aber dann verdrängte Fluid, bedingt durch den verstärkten Zufluß über A, ist dann über den verbreiterten Nutzungsquerschnitt von B in Richtung zu T2 als Tankanschluß gedrosselt abführbar, wohingegen die Zufuhr zum Tankanschluß T1, betreffend den Nutzanschluß A, im wesentlichen auf Null zurückgefahren ist.

Will man nun in gegenläufiger Richtung den Zylinder 86 ansteuern, bestromt man die Spulenwicklung 60 und es kommt zu einer „ziehenden" Anordnung des Magneten 10 mit der Folge, dass nach Durchfahren der Neutralstellung nach der 1 der Ventilkolben 14 seine in Blickrichtung auf die 3 gesehen äußerst rechte Stellung einnimmt. Nun ist der Tankanschluß T2 entsprechend abgesperrt und es gelangt vermehrt Fluid vom Pumpenanschluß P zum Nutzanschluß B, wobei das dahingehend verdrängte Fluid aus dem hydraulischen Kreis dann verstärkt über den Nutzanschluß A zum Tankanschluß T1 hin abgeführt werden kann, wobei in Abhängigkeit, wie die Radialvorsprünge 18 zu den Tankanschlüssen T1, T2 liegen, der dahingehende Abfluß zum Tank gedrosselt vonstatten geht. In der dahingehenden Schaltdarstellung wäre dann eine gegenläufige Situation zu der Schaltdarstellung nach der 2 eingenommen.

Kommt es im Betrieb der hydraulischen Einrichtung zu Störungen, findet eine Verarbeitung dieser externen Störeinflußgrößen über die Druckmelderkolben 40, 42 statt, da insoweit der Störeinfluß über die Nutzanschlüsse A und B an den jeweils zuordenbaren Druckmelderkolben 40, 42 weitergegeben wird, der insoweit durch eine gegenläufige Druckansteuerung des Ventilkolbens 14 versucht, der Störgröße zu begegnen. Versucht beispielsweise eine externe Störeinflußgröße über die Zuleitung zum Nutzanschluß B in Richtung auf den Ventilkolben 14 die Drucksituation zu verändern, verändern sich insgesamt die Druckverhältnisse an dem Druckmelderkolben 40, 42 derart, dass eine gegenläufige Druckresultierende entsteht, die versucht, den Ventilkolben 14 in seiner jeweiligen ausgelenkten Stellung zu halten. Dergestalt ist es beispielsweise möglich, den Kolben 88 des Arbeitszylinders 86 in seiner jeweils eingenommenen Arbeitsstellung zu halten.

Die nachfolgende Ausführungsform wird nur noch insoweit erläutert, als sie sich wesentlich von der vorangegangenen unterscheidet und für dieselben Bauteile werden demgemäß dieselben Bezugszeichen verwendet. Dabei zeigt die 4 eine erste Variante der zweiten Ausführungsform und die 5 eine zweite.

Bei der Variante nach der 4 decken die mittleren Vorsprünge 16 die Nutzanschlüsse A, B ab, wobei die dahingehend vollständig gesperrte Stellung der Neutralstellung nach der 1 der ersten Ausführungsform entspricht. Werden wieder in entsprechender Art und Weise die Spulenwicklungen 58, 60 des Magneten 10 bestromt, kommt es zu einem Schaltverhalten der Ventilvorrichtung in der Art eines Schieberventils und die Vorsprünge 16 geben die entsprechenden Nutzanschlüsse A, B in der jeweils einen Richtung frei, was wiederum dazu führt, dass in Abhängigkeit der Auslenkung des Ventilkolbens 14 einmal mehr Fluid vom Pumpenanschluß P kommend nach A oder B verdrängt wird und mithin zu den zuordenbaren Tankanschlüssen B nach T2 bzw. A nach T1. Die dahingehend zweite Ausführungsform der Ventilvorrichtung kann vorzugsweise in hydraulischen Gesamtkreisen parallel zu der Ventilvorrichtung gemäß der ersten Ausführungsform angeordnet sein, um dergestalt beim Ausfall eine der beiden Ventilvorrichtungen die volle Funktionsfähigkeit im hydraulischen Kreislauf mit Differentialzylinder oder Schwenkmotor aufrechtzuerhalten, wobei die gegenläufige Wirkanordnung einmal vom geöffneten in den geschlossenen Zustand und einmal vom geschlossenen in den geöffneten Zustand zu erhöhter Redundanz und Sicherheit führt.

Bei der zweiten Variante der zweiten Ausführungsform nach der 5 ist der mittlere Pumpenanschluß P von nur einem Radialvorsprung 16 des Ventilkolbens 14 abgedeckt. Insoweit ist dann bei einer Betätigung des Magneten 10 in der einen oder anderen Richtung nur eine Vergrößerung des Zulaufs über den Nutzanschluß P möglich, wobei in Abhängigkeit der Verschieberichtung für den Ventilkolben 14 über die zuordenbaren Spulenwicklungen einmal der Nutzanschluß A, einmal der Nutzanschluß B die vom Pumpenanschluß P kommende Fluidmenge erhält bei gleichzeitiger Androsselung des zuordenbaren Tankanschlusses T1 bzw. T2 über die Radialvorsprünge 18. Ansonsten verhält sich die zweite Ausführungsvariante vergleichbar den bereits vorstehend beschriebenen Ausführungsformen.

Mit den genannten Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung ist in der Art eines Schieberventils eine verbesserte Lösung gegeben im Rahmen der Proportional-Ventilsteuertechnik, was insbesondere deren Einsatz in sicherheitstechnisch relevanten Bereichen geboten erscheinen läßt.

Der prinzipielle Schaltplan der vorstehend genannten Ventilvorrichtung mit der in der Hydraulik üblichen Schaltdarstellung eines Ventils ist in der 6 wiedergegeben. Die dort eingesetzten Bezugszeichen wurden bereits im vorherigen Anmeldetext entsprechend erwähnt und das Ventil der Ventilvorrichtung ist in ihrer unbetätigten Mittenstellung gezeigt; ebenso ist der hydraulische Arbeitszylinder 86 in seiner Mittelstellung dargestellt, bei der sich der Kolben 88 in der Mitte befindet und die beiden Fluidräume des Arbeitszylinders 86 sind mit denselben Volumina versehen und im übrigen fluidführend an den hydraulischen Kreis 90 angeschlossen.


Anspruch[de]
Ventilvorrichtung, die mit mindestens einem Betätigungsmagneten (10) verbunden ist, mit einem Ventilgehäuse (12) mit darin angebrachten Fluidanschlußstellen in Form mindestens eines Pumpenanschlusses (P), mindestens zweier Nutzanschlüsse (A, B) und mindestens zweier Tankanschlüsse (T1, T2) und mit einem Ventilkolben (14), der radiale Vorsprünge (16, 18) aufweist, die jeweils einer Fluidanschlußstelle (A, B; T1, T2) im Ventilgehäuse (12) zuordenbar sind und fluidführenden Wegen (20, 22, 24) zwischen den Vorsprüngen (16, 18), wobei die Vorsprünge (16, 18) in einer Neutralstellung den Weg zu dem jeweiligen zuordenbaren Nutzanschluß (A, B) teilweise oder vollständig versperren oder wobei bei freigehaltenen Nutzanschlüssen (A, B) der jeweilige Pumpenanschluß (P) durch den zuordenbaren Vorsprung (18) vollständig gesperrt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsmagnet (10) mit mindestens zwei in axialer Richtung nebeneinander angeordneten Spuleneinrichtungen (58, 60) versehen ist, die die Verfahrbarkeit des Ventilkolbens (14) in beiden gegenläufigen Richtungen aus seiner Neutralstellung heraus ermöglichen, der Ventilkolben (14) an seinen beiden Enden von jeweils einem Druckmelderkolben (40, 42) durchgriffen ist, der sich mit seinem einen Ende jeweils an feststehenden Teilen (Abschlußdeckel 36) des Ventilgehäuses (12) oder des Betätigungsmagneten (10) abstützt und der Druckmelderkolben (40, 42) einen weiteren fluidführenden Kanal (54) im Ventilkolben (14) durchgreift, der mit dem jeweils zuordenbaren Tankanschluß (T1, T2) verbindbar ist. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (12) auf seiner einen Seite den Betätigungsmagneten (10) aufweist und auf seinen beiden gegenüberliegenden Seiten jeweils einen Raum (28, 30), dessen Volumen mittels des verschiebbaren Ventilkolbens (14) veränderbar ist. Ventilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (14) bei unbestromtem Schaltmagnet (10) mittels zweier Kraftspeicher, insbesondere in Form von Druckfedern (32, 34), in der Neutralstellung gehalten ist. Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der jeweilige Pumpenanschluß (P) in Richtung der Längsachse (26) des Ventilgehäuses (12) zwischen den jeweiligen Nutzanschlüssen (A, B) angeordnet ist und diese zwischen den jeweiligen Tankanschlüssen (T1, T2). Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Dämpfungsraum (28) über eine Drosselstelle mit einem Tank verbindbar ist, in den die Tankanschlüsse (T1, T2) münden. Ventilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass außenumfangsseitig in sich zum Betätigungsmagneten (10) erweiternden Stufen in radial angeordneten Gehäusevorsprüngen (76) Dichteinrichtungen (78) aufgenommen sind, die den patronenweisen Einbau des Ventils ermöglichen.






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