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Steuerventil zur gleichzeitigen Steuerung des Zulaufs eines Druckmittels
zum und des Rücklaufs desselben vom Verbraucher Die Erfindung betrifft ein Steuerventil
zur gleichzeitigen Steuerung des Zulaufs eines Druckmittels zum und des Rücklaufs
vom Verbraucher, beispielsweise einem doppelt wirkenden Arbeitszylinder.
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Zur Steuerung beiderseits wirkender Arbeitszylinder od. dgl. benutzt
man allgemein Längs- oder Drehschieber, bei denen die steuernden Teile zwecks Abdichtung
übereinander gleiten müssen, was besonders genaue Herstellung erfordert und größere
Betätigungswege und größere Reibung mit sich bringt; auch sind diese Konstruktionsformen
gegen Schmutz und Fremdkörper recht empfindlich. Manche dieser Konstruktionen weisen
eine Kraftrückwirkung des gesteuerten Öldruckes entgegen der Betätigungsrichtung
des Schiebers auf.
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Steuerventile mit kugel- oder tellerförmigem Verschlußstück werden
nur sehr selten zu solchen Zwecken benutzt, obgleich sie in anders gearteten, einfacheren
Fällen, z. B. als Überdruckventile, Rückschlagventile, zur Steuerung einseitig wirkender
Arbeitszylinder od. dgl., teilweise weit verbreitet sind und oft wegen kleinerer
Bauweise, billigerer Herstellung und sichereren Funktionierens vorgezogen werden.
Um nämlich Zu- und Rücklauf in einem beiderseitig wirkenden Arbeitsgerät vertauschen
und eventuell noch zusätzliche Bedingungen für den Stromlauf in der Mittelstellung
des Steuerventils erfüllen zu können, bedurfte es bei dem bisherigen Stand der Technik
dieser Ventile komplizierter, viel Raum beanspruchender und teuerer Kombinationen.
Selbst wenn diese Teile in einem Gehäuse untergebracht waren, benötigte man vier
Verschlußstücke (Kugel, Kegel, Teller) auf ebensoviel Sitzen, wenn auch bereits
Vereinfachungen vorgeschlagen wurden insofern, daß jeweils ein Verschlußstück beim
Schließen ein anderes vom Sitz drückt.
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Zwar sind auch Ventile bekanntgeworden, bei denen ein einziges Verschlußstück
zum Schließen von zwei Sitzen dient, jedoch berührt das Verschlußstück bei diesen
Konstruktionen jeweils immer nur einen der beiden Sitze, nicht beide gleichzeitig.
Infolgedessen ist mit diesen Ventilen ein Vertauschen zweier Stromwege, das ein
wechselweises Verschließen von vier Sitzen erfordert, nicht möglich.
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Auch sind schon Ventile mit zwei verschiedenen, mechanisch miteinander
in Verbindung stehenden Verschlußstücken bekanntgeworden. Die Ausführung ist insofern
nachteilig, als diese Verschlußstücke mit großer Maßhaltigkeit hergestellt und verbunden
sein müssen, um ein gleichzeitiges Abschließen garantieren zu können. Diese Forderung
ist aber praktisch sehr schwer und nur mit großen Kosten realisierbar.
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Schließlich ist bekannt, Abschlußschieber zweiteilig auszuführen.
Die beiden Teile werden dann durch eine zwischen ihnen sitzende Feder und eventuell
durch den mittels Rückschlagventil zwischen sie geleiteten Druck auf ihren Sitz
gepreßt. Die bekannten Ausführungen müssen sich aus ähnlichen Gründen auf das Abschließen
der Verbindung zwischen zwei Leitungen beschränken. Sie sind also nur für Absperr-,
nicht aber für Umschaltzwecke geeignet.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, bei einem Steuerventil der eingangs
genannten Art je zwei ringförmige Dichtkanten am Gehäuse und an dem gleichzeitig
als Zu- oder Rückleitung für das Druckmittel dienenden Betätigungsglied sowie ein
einziges dazwischen befindliches Verschlußstück anzuordnen, wobei letzteres durch
jeweils eine Dichtkante des Betätigungsgliedes auf die auf seiner anderen Seite
befindliche Dichtkante des Gehäuses aufgedrückt wird. Dies ergibt ein einfaches
Steuerventil mit wenig Teilen, die dazu noch mit großer Toleranz gearbeitet sein
können.
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Ausführungsbeispiele des Steuerventils gemäß der Erfindung sind in
den Abbildungen im Längsschnitt aufgezeigt und werden an Hand dieser beschrieben.
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In den Abb. 1 und 2 sitzt das kugel- bzw. tellerförmige Verschlußstück
1 mit Spiel zwischen je zwei ringförmigen Dichtkanten 2 und 3 des Gehäuses und den
Dichtkanten 4 und 5 des Betätigungsgliedes, das in Abb. 2 mit S bezeichnet ist.
Es ist selbstverständlich,
daß auch das Gehäuse verschiebbar und
die übrigen Teile stationär ausgeführt werden können. Durch Verschieben des Betätigungsgliedes
S nach links wird das Verschlußstück 1 zwischen den Dichtkanten 2 und 5 festgepreßt,
dichtet diese ab und gibt damit dem bei P von der Pumpe kommenden Ö1 nur noch den
Weg über die Kante 4 in die linke, zum Arbeitszylinder führende Leitung 6, dem von
der anderen Zylinderseite über die Leitung 7 zurückfließenden Öl den Abfluß über
die Kante 3 in den Rücklauf R frei.
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Der auf die Ringfläche zwischen der Dichtkante 2 (bzw. 3) und der
Gleitbahn des Betätigungsgliedes S wirkende Öldruck sucht das Verschlußstück 1 und
das Betätigungsglied S wieder in die Mittelstellung zurückzudrücken, gibt also dem
Bedienenden ein unmittelbares Gefühl für die Größe der vom Arbeitszylinder ausgeübten
Kraft. Die Ringfläche zwischen den Dichtkanten 2 und 5 (bzw. 3 und 4) ist maßgebend
für die Kraft, mit der das Verschlußstück 1 allein schon durch den Öldruck auf die
Dichtkante 5 (bzw. 4) gepreßt wird. Man kann der ringförmigen Dichtkante auf der
einen Seite einen größeren Durchmesser geben als auf der anderen, um verschieden
große Kraftrückwirkungen zu erreichen, z. B. mit Rücksicht auf die Verschiedenheit
der beiden wirksamen Flächen des Arbeitskolbens.
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Der Erfindungsgegenstand ermöglicht in besonders einfacher Weise Maßnahmen
gegen die bei Folgsteuerungen (z. B. Fahrzeuglenkungen) und anderen Regelanlagen
so sehr gefürchteten selbsterregten Dauerschwingungen. Dieses wird an den folgenden
Ausführungsbeispielen erläutert. Zum Verständnis sei daran erinnert, daß solche
Dauerschwingungen ;a dadurch angefacht werden, daß eine durch einen Stoß von außen
(Störung) verursachte Bewegung des Kolbens im Arbeitszylinder infolge der Elastizität
der mechanischen Verbindung zwischen Arbeitszylinder und Steuerventil und der (mechanischen
und hydraulischen) Reibung der Lagerungen und insbesondere des Schiebers im Steuerventil
erst verspätet zu einem entgegenwirkenden Ausschlag des Steuerventils führt; deshalb
und wegen der Elastizität des Drucköls und der ölführenden Bauteile (insbesondere
Schläuche), ferner auch wegen der verzögerten Wirkung etwaiger in die Druckleitung
eingebauter Mengenregler (z. B. Bypass-Ventile in der Ölpumpe) u. dgl. kommt der
die Störung bekämpfende Druckimpuls zu spät in den Arbeitszylinder und bleibt dort
auch zu lange bestehen. Dabei können Je nach Vorherrschen der einen oder anderen
der genannten Ursachen Arbeitszylinder und Steuerventil gleichsinnig oder mit mehr
oder großer Phasenverschiebung an der Schwingung teilnehmen, wobei der Arbeitszylnder
das Öl gerade in der Mittelstellung des Steuerventils mit größter Geschwindigkeit
durch das Ventil treibt oder zum mindesten in gewissen Abschnitten der Schwingungsperiode
in den mit der Pumpe zusammenhängenden Druckraum des Ventils drückt. Die beschriebene
Ventilbauart läßt sich min besonders leicht mit weiteren Vorteilen, wie im folgenden
beschrieben, so abwandeln, daß diesen Ölströmungen ein kräftiger Widerstand entgegengesetzt
und die Schwingung dadurch unterbrochen wird.
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In den Abb. 3 und 4 besteht das Verschlußstück aus zwei Tellern 8
und 9, die durch eine Druckfeder 10 auseinandergepreßt werden, um das Steuerventil
in seine Nullstellung zu bringen. Das von der Pumpe P kommende Öl kann zwischen
-diesen beiden Tellern B. 9 hindurch zum Rücklauf R abfließen (»Nebenschluß«). Beim
Betätigen des Ventils werden die beiden Teller 8, 9 näher aneinander gedrückt, der
Abfluß durch diesen Nebenschluß also gedrosselt. Der entstehende Öldruck sucht die
Teller wieder voneinander zu entfernen, wirkt also der Ventilbetätigung entgegen,
ähnlich wie bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Abb. 1 und 2. Die Größe dieser
Gegenwirkung hängt von der Größe des Ringquerschnittes zwischen dem Durchmesser
der zwischen den Tellern 8, 9 liegenden Nebenschlußdrosselstelle und dem Durchmesser
der Gleitbahn des Betätigungsgliedes S ab, kann also durch Auswechseln der Teller
gegen andersgeformte auf jeden beliebigen Betrag, auch Null, gebracht werden. Um
eindeutige Verhältnisse zu schaffen, kann man der Drosselstelle die Gestalt einander
gegenüberstehender oder übereinandergreifender, an den Tellern 8, 9 sitzender Ringwülste
geben, die. wie bei Regelorganen üblich, z. B. mit konischen Ansätzen oder mit Regelkerben
versehen sein können.
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In Abb. 4 ist durch das Übereinandergreifen der Teller 8 und 9 eine
Drosselstelle 11 geschaffen und durch das Zusammenwirken der Ringwülste 8a mit dem
Rinflansch 9a eine zweite Drosselstelle. Bei Betätigung des Ventils wirkt zunächst
die Drosselstelle 11 mit größerem Radius, also größerer ölbeaufschlagter Ringfläche.
Dann erst wird die Drosselung durch die Teile Ba und 9a wirksam, so daß dann der
Druck zwischen diesen Teilen kleiner als in dem Druckraum des Ventils (bei Anliegen
des Ringwulstes 8a Null) wird. Die Kraftrückwirkung ist bei dieser Anordnung also
auch noch direkt von der Ventilstellung abhängig, also das hydraulische Verstärkungsverhältnis
bei großen Lasten und bei schneller Bewegung der Last größer als bei kleiner Last
und langsamer Bewegung.
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Bei diesen Ausführungen gemäß den Abb. 3 und 1 mit zweiteiligem Verschlußstück
ergibt sieh nun ganz von selbst ein Abschluß der das Steuerventil mit dem Arbeitszylinder
verbindenden Leitungen 6, 7 in der Nullstellung des Ventils, wenn nur die Abstände
der Dichtkanten 2, 3 bzw. 4, 5 den Dichtflächen der Teller 8, 9 entsprechen. Dadurch
wird eine etwaige Schwingung der Anlage beim Nulldurchgang de, Steuerventils aufgefangen.
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Bei starker Phasenverschiebung zwischen Arbeitszylinder und Steuerventil
ist diese Art der Schwingungshemmung weniger wirksam, weil der vom Zylinder kommende
Ölstrom dann seine größten Werte außerhalb der Nullstellung des Steuerventils erreicht.
Es gibt aber auch dann während einer Schwingungsperiode immer zwei Abschnitte, während
derer das Öl von einer Zylinderseite zurück in den Druckraum gedrückt wird und zusammen
mit dem von der Pumpe kommenden Öl über den nur teilweise geschlossenen Nebenschluß
oder das an der Pumpe befindliche Sicherbeitsventil abfließt. Dieses Rückströmen
entgegen dem Ausschlag des Ventils kann man verhindern und also auch Schwingungen
mit starker Phasenverschiebung unterbrechen, wenn man zwischen den Zylind@eran,cliltißräumen
und dein Druckraum Rückschlagventile anbringt. In der Abbildung sind die Teller
8, 9 des Verschlußstücks selbst als Rückschlagventile mit den ringförmigen Verschlußstücken
13 und 14 ausgebildet. die sich über Federn 12 am Betätigungsglied abstützen. Die
Verschlußstücke 13. 14 können selbstverständlich auch anders geformt sein.
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Selbst,,:ei-ständ@lich umfaßt die F_rfindung auch Steuerventile, bei
denen der Kelien,#chltiß und die I--Zückschlagventile getrennt von den die Steuerung
übernehmenden
Teilen der Teller angeordnet sind. Liegt bei einer Ventilkonstruktion der Nebenschluß
außerhalb der die Umsteuerung zu den Zylinderseiten besorgenden Teile oder etwa
so wie in Abb. 5, so kommt man mit einem gewöhnlichen Rückschlagventil in der Druckzuleitung,
jedoch hinter der Abzweigung N des Nebenschlusses, aus; in dem Beispiel der Abb.
5 mit einem ringförmigen Verschlußstück 15.
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Bei diesen mit Rückschlagventilen versehenen Ventilen staut sich beim
Rückfördern einer Zylinderseite entgegen der Ventilstellung infolge des Schließens
des entsprechenden Rückschlagventils ein Druck vor diesem auf, der wegen des Durchmesserunterschiedes
zwischen der zylindrischen Gleitfläche und der ringförmigen Abdichtkante des Betätigungsgliedes
(auf der entgegengesetzten Seite) den entgegengerichteten Ventilausschlag noch zu
vergrößern sucht. Dadurch erfährt also das Ventil im Falle einer Schwingung der
Anlage außer den mechanischen Betätigungskräften zusätzlich noch hydraulische Kräfte.
wodurch die Reibung und damit die Verspätung mehr oderweniger aufgehoben oder der
Ventilausschlag überhaupt vergrößert wird. Bei einer gewissen Undichtigkeit der
Rückschlagventile 13, 14, 15 oder der Teller 8, 9 lassen diese hydraulischen Kräfte
schon nach, ehe die Rückförderung auf Null absinkt. Dieser hydraulische Einfluß
auf die Ventilstellung ist dann also abhängig von der augenblicklichen Geschwindigkeit
des Arbeitskolbens im Sinne eines schwingungshemmenden »Vorhaltes« (nach der in
der Regeltechnik üblichen Ausdrucksweise). Diese Effekte kann man vergrößern, wenn
man der Gleitfläche einen größeren Durchmesser als den ringförmigen Dichtkanten
gibt (vgl. Abb. 4).
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Die letztere Maßnahme ist durch die stärkere Anpressung der Teller
8, 9 auf ihren Sitzen 2, 3, 4, 5 auch dann wichtig, wenn auf gutes Abschließen der
Zylinderleitungen in der Nullstellung des Ventils Wert gelegt wird. Übrigens kann
man die Teller 8, 9 aus elastischem Baustoff, z. B. aus Polyamiden, herstellen oder
mit einer Gummiauflage zum besseren , Abdichten versehen, insbesondere bei den Bauarten
gemäß den Abb. 3 und 4, bei denen scharfe Strömungen ja im wesentlichen nur in der
Nebenschlußdrossel auftreten, nicht an den äußeren Flächen der Teller. Auch kann
man beim Vorhandensein der Rückschlagventile 13, 14, 15 den Abstand der beiden ringförmigen
Dichtkanten 4, 5 des Betätigungsgliedes etwas größer als dem der Dichtkanten 2,
3 des Gehäuses machen, um stets sicher zu sein, daß die Teller 8, 9 in der Nullstellung
fest an den Gehäusedichtkanten anliegen.
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Auch Ventile mit Kugeln oder einfachen Tellern als Verschlußstücke,
ähnlich denen der Abb. 1 und 2, können übrigens in der Nullstellung einige oder
alle Räume gegeneinander abdichten, wenn die Dichtkanten des Schiebers oder des
Gehäuses oder jeweils eine von ihnen elastisch angepreßt werden, wobei auch die
Funktion von Rückschlagventilen übernommen werden kann.
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Abb. 6 zeigt endlich eine Bauform mit noch weitergehender Aufteilung
des Verschlußstückes, wobei die den Rücklauf steuernden Teller 16, 17 gleichzeitig
als Nachsaugeventile dienen können. Deren Federn 20 und 21 gehören gleichzeitig
auch zu den als Rückschlagventile ausgebildeten, den Zulauf regelnden Tellern 18
und 19. Bei der Verschiebung des Betätigungsgliedes S nach links wird der rechte
Teller 19 mittels der Ringfeder 25 mit großer Federkonstante abschließend auf seinen
Sitz gedrückt. Die Nebenschlußbohrungen 26 werden dabei mehr oder weniger von dem
linken Teller 18 verschlossen. Das gleiche gilt unter sinngemäßer Vertauschung bei
Verschiebung nach rechts.