DE19646611C1 - Elektro-hydraulisches Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-hydraulisches Steuerventil für hydraulischen Schreitausbau mit einem an eine Hochdruckleitung anschließbaren 3/2-Wegeventil und einem an eine eigensi­ chere Stromversorgung anschließbaren Elektromagneten zur Betätigung eines von einer Schließfeder und durch die anstehende Druckflüssigkeit auf einem Dichtsitz in der Schließstel­ lung gehaltenen Schließkörpers, der von dem Schaltstößel des Elektromagneten in die Öff­ nungsstellung verstellbar ist, wobei zwischen dem Schaltstößel und dem Schließkörper ein Fe­ derpuffer mit einem durch Federkraft vorgespannten Druckkörper angeordnet sind.

Aus der DE 37 17 403 C1 ist eine Schaltvorrichtung für ein hydraulisches Wegeventil bekannt, das auf vorgegebene Schaltkräfte und Schaltwege genau eingestellt werden kann. Diese Schaltvorrichtung wird mit gutem Erfolg im untertägigen Bergbau zur Steuerung von hydrauli­ schen Schreitausbaueinheiten eingesetzt. Der Betrieb dieser Abstützvorrichtungen erfordert hohe Stützkräfte, die von den Stempeln des Ausbaus bei hohen Drucken erzeugt werden. Die Steuerventile werden von Elektromagneten geschaltet, die aus Sicherheitsgründen an eigensi­ chere Stromversorgungen angeschlossen sind. Die Umsetzung der mit den Elektromagneten im eigensicheren Bereich erzielbaren, an sich geringen Schaltkräfte gegen den in den Ventilen an­ stehenden hohen Druck der Hochdruckflüssigkeit macht es erforderlich, daß die Ventile unter den vorgegebenen Bedingungen sehr genau ansprechen und geschaltet werden.

Diese Schaltvorrichtung verwendet zur Übertragung der von dem Impulsgeber (Elektromagneten) erzeugten Schaltkraft auf das hydraulische Wegeventil einen waagebalken­ artig gelagerten, zweiarmigen Hebel mit gleichlangen Hebelarmen an beiden Seiten. Auf der Seite des Wegeventils ist in den Hebelarm ein Federpuffer mit einem entgegen der Betäti­ gungsrichtung federnd vorgespannten Druckkörper eingesetzt, der in einer in Betätigungsrich­ tung verstellbaren Buchse axial verschiebbar geführt ist. Mit dem Federpuffer wird eine vorge­ gebene Schaltkraft auf den Schaltstift des Wegeventils übertragen, deren Größe durch die Vor­ spannung der Feder veränderbar ist. Der Federpuffer ist mit der Buchse in eine Gewindeboh­ rung des Hebels eingesetzt und gegenüber dem ortsfest in dem Ventilgehäuse angeordneten Wegeventil in Betätigungsrichtung einstellbar, so daß der erforderliche Schaltweg genau be­ stimmt werden kann. Eine sorgfältige Justierung in der Betätigungsrichtung ist dringlich gebo­ ten, weil das Schaltverhalten des Ventils durch das toleranzbedingte Spiel der einzelnen Bautei­ le des Ventils zueinander einerseits und durch das vorhandene Spiel innerhalb des Elektroma­ gneten andererseits erheblich beeinflußt wird. Die Schaltkraft des Elektromagneten nimmt mit dem zurückgelegten Schaltweg überproportional zu. Folglich soll das Ventil im ansteigenden Bereich der Schaltkraft geschaltet werden. Wenn der Schaltweg bei zu engem Spiel zu knapp bemessen ist, fehlt die Kraft zum Öffnen des Ventils, weil die volle Schaltkraft noch nicht er­ reicht ist. Bei zu großem Spiel fährt der mit dem Anker verbundene Schaltstößel des Elektro­ magneten in die Endstellung, ohne das Ventil zu schalten.

Die vorgenannte Schaltungsanordnung bedarf der Verbesserung. Der bauliche Aufwand zur Übertragung der Schaltkräfte und zur Unterbringung eines justierbaren Federpuffers in einem zweiarmigen Hebel ist erheblich und demzufolge teuer. Die Justierung und der Austausch der Bauteile sind zeitaufwendig.

Die DE 41 22 982 C2 beschreibt eine Schaltvorrichtung, bei der ein Elektromagnet und ein 2/2-Schieberkolben-Wegeventil achsgleich hintereinander angeordnet sind, wobei der Schalt­ kolben des Ventils am Schaltstößel des Magneten anliegt. Der Ventilkörper ist mit dem Gehäu­ se des Elektromagneten abstandsveränderlich verschraubt, damit der Überdeckungsgrad zwi­ schen dem Schaltkolben und einer Steuerbohrung im Ventilkörper verändert und somit der Durchflußquerschnitt zur Druckregulierung eingestellt werden kann. Diese Veränderung hat keinen Einfluß auf die Schaltkraft, die vom Elektromagneten auf das Ventil ausgeübt wird.

Der vorliegenden Erfindung ist die Aufgabe gestellt, ein elektrohydraulisches Steuergerät der eingangs genannten Art in der Weise auszubilden, daß ein präzises Schaltverhalten bei hohen Arbeitsdrücken und kleinen Abmessungen des Ventils gewährleistet ist.

Diese Aufgabe wird mit den im Kennzeichen des Hauptanspruches genannten Merkmalen ge­ löst. Die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung ist Gegenstand der Unteransprüche.

In dem erfindungsgemäßen Steuergerät sind das 3/2-Wegeventil und der Federpuffer in einer Ventilpatrone achsgleich mit dem Elektromagneten auf einer Kraftfluß-Wirklinie hintereinander angeordnet, wobei die Ventilpatrone gegenüber dem ortsfesten Elektromagneten im Abstand justierbar in das Ventilgehäuse eingesetzt ist.

Die in der Ventilpatrone angeordneten Bauteile des 3/2-Wegeventils sind mit dem Federpuffer zu einer kompakten, im Ventilgehäuse verstellbaren Baueinheit zusammengefaßt, die mit einem Feingewinde von außen in die optimale Schaltposition gebracht werden kann.

Der Federpuffer ist ein vorgefertigtes, in sich vorgespanntes Bauteil mit einer gedrungenen Bauform, das in einer zum Schaltstößel des Elektromagneten offenen, topfförmigen Aufnahme an der kopfseitigen Stirnseite der Ventilpatrone eingelegt ist und somit keiner nachträglichen Justierung bedarf. Die Schaltkraft wird vom Schaltstößel des Elektromagneten über den Fe­ derpuffer auf den Schaltstift des 3/2-Wegeventils übertragen. Der Abstand zwischen dem Schaltstößel und dem Federpuffer bewirkt einen Leerhub in der Anzugsphase des Magneten, in der die Schaltkraft aufgebaut wird.

Das Ventil wird erst dann mit dem Schaltstift gegen den anstehenden Druck und die Ventilfe­ der aufgestoßen, wenn die Schaltkraft eine vorgegebene Stärke erreicht hat. Dabei verhält sich der vorgespannte Federpuffer wie ein starrer Körper, der die Schaltkraft dosiert auf dem Schaltstift des Ventils weiterleitet, so daß auch bei kleinen Abmessungen des Ventils unter hohem Druck ein präzises Schaltverhalten gewährleistet ist.

Nach dem Öffnen des Ventils führt der Magnet bei weiter ansteigender Schaltkraft einen Rest­ hub aus, der auf den Federpuffer übertragen und von dessen Feder aufgenommen und gespei­ chert wird. Die im Federpuffer gespeicherte überschüssige Schaltkraft wird beim Zurückschal­ ten des Ventils dazu genutzt, eine durch Anlage des Ankers am Eisenkern des Magneten er­ zeugte Remanenzkraft wieder aufzuheben. Der kegelstumpfförmig ausgebildete Druckkörper des Federpuffers zentriert sich an den Zentrierschrägen der Einsatzhülse selbst in die Ausgangs­ lage zurück.

Die kompakte Bauweise des Steuergeräts wird auch in der Weise vorteilhaft genutzt, daß die Stromzuführung für zwei Steuerventile, die nebeneinander in einem Ventilgehäuse untergebracht sind, über eine mit Dioden und mit einer Steckbuchse bestückte Leiterplatte er­ folgt, die raumsparend in einem das Ventilgehäuse kopfseitig abschließenden Gehäusedeckel untergebracht ist.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbei­ spiels näher erläutert. Die Zeichnung zeigt ein elektro-hydraulisches Steuergerät, dessen linke Hälfte im Längsschnitt dargestellt ist.

In dem Ventilgehäuse 1 des Steuergerätes sind zwei 3/2-Wegeventile 2 und deren Elektro­ magnete 3 nebeneinander angeordnet, wobei sich zwischen einem Elektromagneten 3 und ei­ nem 3/2-Wegeventil 2 jeweils ein Federpuffer 4 befindet. Die beiden Elektromagnete 3 des Steuergerätes sind mit einer Steckbuchse 5 an eine nicht dargestellte, eigensichere Stromver­ sorgung angeschlossen. Die Steckbuchse 5 ist in eine mit Dioden bestückte Leiterplatte 6 ein­ gesetzt, die in horizontaler Lage beide Magnete 3 überdeckt und in einem das Ventilgehäuse 1 kopfseitig flach abschließenden Gehäusedeckel 7 untergebracht ist.

Mit 8 ist der Mantel ist eines Elektromagneten 3 bezeichnet, der einen Eisenkern 9, einen zy­ lindrischen Spulenkörper 10 sowie einen innenliegenden Anker 11 umfaßt. Durch die Erregung des Elektromagneten 3 bei angelegter Spannung wird der Anker 11 in axialer Richtung auf das 3/2-Wegeventil 2 zu bewegt. Mit dem Anker 11 ist ein Schaltstößel 12 verbunden, der die Schaltkraft des Elektromagneten 3 auf den Federpuffer 4 und mit diesem weiter auf das 3/2-Wege­ ventil 2 überträgt. Der Schaltstößel 12 ist auf ganzer Länge durch den Elektromagneten 3 und die Leiterplatte 6 hindurchgeführt. Das kopfseitige Ende des Schaltstößels 12, das aus dem Gehäusedeckel 7 austritt und durch eine elastische Haube 13 abgedeckt ist, kann notfalls von Hand zum Öffnen des 3/2-Wegeventils 2 betätigt werden.

Die Bauteile des 3/2-Wegeventils 2 sind in einer Ventilpatrone 18 integriert, die mit einem Feingewinde 19 am Patronenmantel versehen und in eine Ventilbohrung 20 des Ventilgehäuses eingeschraubt ist. Das 3/2-Wegeventil 2 ist im wesentlichen baugleich mit dem Gegenstand der DE 32 06 555 C2. Die Anschlüsse P für eine Hochdruckleitung, A von einem Verbraucher und T für den Rücklauf zum Tank münden in eine nicht bezeichnete innere Stufenbohrung der Ventilpatrone 18 ein, in der die Ventilbauteile angeordnet sind. Am Patronenmantel und in der Stufenbohrung sind Dichtungen zwischen den Anschlüssen vorgesehen, die ebenfalls nicht be­ zeichnet sind.

Die Zeichnung zeigt das 3/2-Wegeventil 2 in der Schließstellung, in der der Verbraucheran­ schluß A für den Rücklauf zum Tank T geöffnet und gegenüber dem Hochdruckanschluß P geschlossen ist.

Der Federpuffer 4 ist ein vorgefertigtes Bauteil mit einer Druckfeder 14, die in einer Einsatz­ hülse 15 eingeschlossen und durch eine kopfseitig eingeschraubte Gewindescheibe 16 auf eine vorgegebene Kraft vorgespannt ist. Die Druckfeder 14 wirkt auf einen zum 3/2-Wegeventil 2 hin kegelstumpförmig abgeschrägten Druckkörper 17, der gegen eine korrespondierend dazu ausgebildete Zentrierschräge am Rand der ventilseitigen Öffnung der Einsatzhülse 15 anliegt.

Der Federpuffer 4 ist in eine topfförmige, zum Schaltstößel 12 des Elektromagneten 3 hin of­ fene Aufnahme 21 eingelegt, die stirnseitig in die Ventilpatrone 18 eingeschraubt ist. Die Schaltkraft vom Elektromagneten 3 wird mit dem Schaltstößel 12 über den Federpuffer 4 auf einen Schaltstift 22 übertragen, der in einer Führungsscheibe 23 geführt ist. Der Schaltstift 22 steht auf einem zylindrischen Schließkörper 24, der in eine Einsatzscheibe 25 eingesetzt ist. In der Öffnungsstellung des 3/2-Wegeventils 2 wird der Schließkörper 24 mit einem pfropfen­ förmigen Dichtelement 26 an der Unterseite auf einem bundringförmigen Dichtsitz 27 einer darunter angeordneten Verteilerscheibe 28 zur Anlage gebracht, so daß der Durchgang zum Tankanschluß T verschlossen wird. In der gezeigten Schließstellung des 3/2-Wegeventils 2 be­ findet sich der Schließkörper 24 mit geringem Abstand über dem Dichtsitz 27. Dieser kurze Schaltweg ist jedoch in der Zeichnung kaum erkennbar. Für den Durchlauf der Druckflüssig­ keit sind nicht bezeichnete seitliche Ausnehmungen in der Mantelfläche des Schließkörpers 24 sowie Querbohrungen 29 in der Einsatzscheibe 25 vorgesehen. Unterhalb der Verteilerscheibe 28 befindet sich ein weiterer Schließkörper 30 mit einem Dichtelement 31, der auf einem ebenfalls bundringförmig ausgebildeten Dichtsitz 32 an der Unterseite der Verteilerscheibe 28 zur Anlage gebracht wird und in der Schließstellung des 3/2-Wegeventils 2 den Hochdruckan­ schluß P gegenüber dem Verbraucheranschluß A abdichtet. Die Stufenbohrung in der Ventilpa­ trone 18 ist nach außen durch einen an der unteren Stirnseite eingeschraubten Endstopfen 33 verschlossen, der auch das Widerlager für eine in Schließrichtung wirkende Ventilfeder 34 bil­ det.

Der Hochdruckanschluß P mündet über eine radiale Stichbohrung 35 in einen zwischen dem Endstopfen 33 und dem Dichtelement 31 gebildeten Zwischenraum ein. In der Mantelfläche des Schließkörpers 30 sind ebenfalls seitliche Ausnehmungen für den Durchlauf der Druck­ flüssigkeit vorgesehen.

Eine in der Verteilerscheibe 28 zentrisch verlaufende Axialbohrung 36 führt von dem Dichtsitz 32 auf der Hochdruckseite zu dem Dichtsitz 27 auf der Tankseite, wobei die Dichtsitze 32 und 27 jeweils wechselweise durch die Dichtelemente 31 bzw. 26 der Schließkörper 30 bzw. 24 druckdicht verschlossen sind. Von der Axialbohrung 36 zweigt mindestens eine Radialbohrung 37 ab, die in einen in der Mantelfläche der Verteilerscheibe 28 umlaufenden Ringkanal 38 ein­ mündet, der wiederum mit dem Verbraucheranschluß A in Verbindung steht.

Neben der zentrisch verlaufenden Axialbohrung 35 ist in einer exzentrisch dazu verlaufenden Parallelbohrung ein Druckstift 39 eingesetzt und abgedichtet geführt ist. Dieser Druckstift 39 ist in seiner Länge so bemessen, daß der Schließkörper 24 auf der Tankseite mit dem Druckstift 39 vom Dichtsitz 27 abgehoben ist, wenn das Dichtelement 31 im Schließkörper 30 unter dem Andruck der Ventilfeder 34 und durch den Druck der bei P anstehenden Hochdruckflüssigkeit auf den Ventilsitz 32 gepreßt wird.

Der Schaltstift 22 hält den Federpuffer 4 in der Aufnahme 21 in einem solchen Abstand zum Boden, daß außer dem Schaltweg noch ein Sicherheitsabstand gegeben ist, der ein Blockieren ausschließt. Des weiteren ist ein Abstand zwischen dem Schaltstößel 12 des Elektromagneten 3 und dem Federpuffer 4 vorgesehen, um zu erreichen, daß das 3/2-Wegeventil erst dann ge­ schaltet wird, wenn die Schaltkraft angestiegen ist und die vorgegebene Größe erreicht hat.

Die Einstellung des im vorgespannten Federpuffer 4 gespeicherten Kraft auf den vorgegebenen Wert erfolgt bereits beim Zusammenbau, also außerhalb des Steuergeräts. Das aus verschiede­ nen Bauteilen zusammengesetzte 3/2-Wegeventil 2 weist von Fall zu Fall unterschiedliche Längentoleranzen auf, die das Schaltverhalten beeinflussen. Über das Feingewinde 19 kann die Ventilpatrone 18 in der Ventilbohrung 20 so verstellt und im Abstand zum Schaltstößel 12 verändert werden, daß der Schaltweg und somit auch die Schaltkraft innerhalb vorgegebener Ober- und Untergrenzen optimal eingestellt werden kann.

Die Einstellung wird mit einem Sechskant-Werkzeug vorgenommen, das in eine entsprechende Ausnehmung 40 an der außenliegenden Stirnseite der Ventilpatrone 18 zum Eingriff kommt.

Der vorgespannte Federpuffer 4 verhält sich beim Schalten in die Öffnungsstellung wie ein starrer Körper und überträgt die Schaltkraft mit genau vorgegebener Größe. Die Schaltkraft wird auf direktem Weg vom Federpuffer 4 auf den Schaltstift 22 übertragen, der den Schließ­ körper 24 mit dem Dichtelement 26 auf den Dichtsitz 27 andrückt, wodurch der Durchgang vom Verbraucheranschluß A zum Tankanschluß T verschlossen wird. Der Druckstift 39 über­ trägt die Schaltkraft weiter auf den Schließkörper 30 und das Dichtelement 31, das vom Dichtsitz 32 abhebt. Die vom Hochdruckanschluß P einströmende Druckflüssigkeit gelangt über die Axialbohrung 36 und die Radialbohrung 37 zum Ringkanal 38 und weiter zum Ver­ braucheranschluß A.

Unter der Wirkung der Ventilfeder 34 und der anstehenden Druckflüssigkeit schaltet das 3/2-Wege­ ventil 2 in die Ausgangs- bzw. Schließstellung zurück, sobald die vom Elektromagneten 3 ausgehende Schaltkraft abfällt.

Claims (5)

1. Elektro-hydraulisches Steuerventil für hydraulischen Schreitausbau mit einem an eine Hoch­ druckleitung anschließbaren 3/2-Wegeventil und einem an eine eigensichere Stromversor­ gung anschließbaren Elektromagneten zur Betätigung eines von einer Ventilfeder und durch die anstehende Druckflüssigkeit auf einem Dichtsitz in der Schließstellung gehaltenen Schließkörpers, der von dem Schaltstößel des Elektromagneten in die Öffnungsstellung verstellbar ist, wobei zwischen dem Schaltstößel und dem Schließkörper ein Federpuffer mit einem durch Federkraft vorgespannten Druckkörper angeordnet ist, dadurch gekennzeich­ net, daß das 3/2-Wegeventil (2) und der Federpuffer (4) achsgleich zu dem Elektromagne­ ten (3) in einer Ventilpatrone (18) angeordnet sind, wobei der Federpuffer (4) auf dem Schaltstift (22) des 3/2 -Wegeventils (2) mit Abstand zu der Ventilpatrone (18) abgestützt ist, die ihrerseits im Abstand zum Schaltstößel (12) des Elektromagneten (3) verstellbar in das Ventilgehäuse (1) eingesetzt ist.

2. Elektro-hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Fe­ derpuffer (4) als vorgefertigtes Bauteil ausgebildet und in eine zum Schaltstößel (12) des Elektromagneten (3) offene, topfförmige Aufnahme (21) an der dem Elektromagneten (3) zugewandten Stirnseite der Ventilpatrone (18) eingelegt ist.

3. Elektro-hydraulisches Steuerventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Fe­ derpuffer (4) einen federbelasteten, in Druckrichtung kegelstumpfförmig abgeschrägten Druckkörper (17) und eine Einsatzhülse (15) mit entsprechend ausgebildeten Zentrierschrä­ gen am Rand der ventilseitigen Öffnung aufweist.

4. Elektro-hydraulisches Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilpatrone (18) mit einem Feingewinde (19) in einer Ventil­ bohrung (20) des Ventilgehäuses (1) verstellbar ist.

5. Elektro-hydraulisches Steuerventil nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine mit Dioden und mit einer Steckbuchse (5) bestückte horizontale Leiterplatte (6) für die Stromzuführung zu den Elektromagneten (3) von zwei nebeneinander in dem Ventilge­ häuse (1) angeordneten 3/2-Wegeventilen (2) in einem das Ventilgehäuse (1) kopfseitig ab­ schließenden Gehäusedeckel (7) untergebracht ist.