DE3226809C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Wegeventil nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Es ist schon ein solches Wegeventil aus der DE 27 17 384 A1 bekannt, bei dem der in einer Schieberbohrung geführte Längsschieber einer Hauptsteuerstufe an einem Kolbenabschnitt sowohl Feinsteuernehmungen als auch Druckausgleichs-Ringnuten aufweist. An dem die Verbindungen von einer Motorkammer zur Zulaufkammer bzw. zur Rücklaufkammer steuernden Kolbenabschnitt sind diese dem Druckausgleich dienenden Entlastungsrillen nur im Bereich der Motorkammer angeordnet, während beiderseits davon zur Feinsteuerung dienende Steuerkerben am Kolbenabschnitt ausgebildet sind. Hierdurch können sich am Kolbenabschnitt im Bereich der Steuerkerben relativ große, nicht druckausgeglichene Flächen ausbilden, die bei einseitiger Druckbelastung des Längsschiebers zu einer Erhöhung der Reibkräfte führen können. Obwohl der Längsschieber zur Feinsteuerung dienende Steuerkerben aufweist, eignet sich das Wegeventil mehr für große Durchflußströme, und sein Längsschieber erfordert größere Betätigungskräfte.

Ferner ist aus der DE 29 19 109 A1 ein hydraulisches Wegeventil bekannt, bei dem die zur gegenseitigen Berührung vorgesehenen Flächen am Längsschieber und an der Wand der Schieberbohrung fein bearbeitet werden, um so Längsschieber und Schieberbohrung mit einer sehr engen Herstellungstoleranz zu fertigen. Trotz sorgfältigster Herstellung können sich zwischen den zylindrischen Umfangsabschnitten von Längsschieber und Bohrungswand kleinste und unvermeidliche Abweichungen ergeben, die zur Ausbildung von flächigen Drucktaschen führen, in die das anstehende Druckmittel eindringt. Von dem Druck in solchen Drucktaschen wird der Längsschieber ab seinem gegenüberliegenden Umfangsbereich fest an die Bohrungswand gepreßt, was zu erhöhten, einer Verstellbewegung des Längsschiebers sich widersetzenden Reibkräften führt. Unter Umständen kann dadurch die Betätigungskraft des Stellmagneten oder einer Rückstellfeder nicht mehr zur einwandfreien Verstellung des Längsschiebers ausreichen. Um solche Reibungskräfte zu verringern, sind hier in der Wand der Schieberbohrung Entlastungs-Ringnuten angeordnet. Auch bei dieser Anordnung der Entlastungs-Ringnuten ergeben sich meist dann besonders große Betätigungskräfte, wenn der Längsschieber längere Zeit in einer bestimmten Stellung ruht. Für eine ausreichende Funktionssicherheit solcher Wegeventile mußten deshalb die Stellmagnete bzw. die Federn entsprechend stärker und damit größer ausgelegt werden, als dies eigentlich für die ordnungsgemäße Betätigung erforderlich gewesen wäre. Die Anordnung der Entlastungs-Ringnuten in der Innenwand des Gehäuses ist ferner auch aufwendiger und damit teuerer als die Anordnung solcher Nuten in der Außenwand eines Längsschiebers. Weiterhin hat der Längsschieber dieses Wegeventils keine Feinsteuerausnehmungen und eignet sich daher schlecht zur proportionalen Steuerung kleiner Druckmittelmengen. Obwohl die Entlastungs-Ringnuten im Gehäuse die hydraulische Zentrierung des Längsschiebers verbessern, können sich in den Wandabschnitten zwischen den relativ schmalen Entlastungsnuten immer noch, wenn auch kleinere, Drucktaschen ausbilden, und damit zu einer Erhöhung der Reibkräfte führen.

Ferner ist aus dem Fachbuch "Oil Hydraulic Power and its Industrial Applications", Walter Ernst, McGraw- Hill Book Company 1960, Second Edition, Seite 266, Figur 10.38 ein elektromagnetisch betätigtes, hydraulisches Wegeventil bekannt, dessen Längsschieber einen Kolbenabschnitt aufweist, an dem Entlastungs-Ringnuten sowie Steuerkerben angeordnet sind. Dieses Wegeventil arbeitet mit negativer Überdeckung, da eine Motorkammer über die Feinsteuerkerben in einem Kolbenabschnitt in der Ausgangsstellung des Längsschiebers gleichzeitig mit einer Zulaufkammer und einer Rücklaufkammer verbunden ist. Ein Teil der Entlastungs-Ringnuten am Kolbenabschnitt liegt hierbei im Bereich der Motorkammer, so daß sie in Ausgangslage des Längsschiebers garnicht wirksam werden können. Der andere Teil der Entlastungsnuten, der im Bereich der Schieberbohrung liegt, wird von den Feinsteuerkerben durchdrungen und kann somit auch nicht voll wirksam werden.

Obwohl sich das Wegeventil durch die Steuerkerben zur Steuerung kleiner Durchflußmengen eignet, hat diese Anordnung von Steuerkerben und Entlastungs- Ringnuten den Nachteil, daß die Entlastungs-Ringnuten die Durchflußkennlinie störend beeinflussen. So führt jede aus der Schieberbohrung in die Motorkammer austauchende Entlastungsnut zu einem treppenförmigen Knick in der Durchflußkennlinie. Die an sich stetig und leicht gekrümmt verlaufende Durchflußkennlinie bei derartigen Steuerkerben weist daher entsprechend der Anzahl der austauchenden Entlastungs-Ringnuten sprungförmige Unstetigkeitsstellen auf, die sich besonders bei der Steuerung kleiner Druckmittelströme unangenehm bemerkbar machen. Ferner können die Schieberstege zwischen zwei Entlastungsnuten nach dem Eintauchen in die Schieberbohrung Drucktaschen bilden, die bei Druckbeaufschlagung zu einseitig wirkenden, radialen Kräften führen und damit die Reibung erhöhen.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydraulisches Wegeventil der eingangs genannten Art möglichst einfach so weiterzubilden, daß die Reibungskräfte am Längsschieber weiter verringert werden, ohne dabei die Durchflußcharakteristik des Wegeventils nachteilig zu beeinflussen.

Ausgehend von dem Wegeventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Auf diese Weise läßt sich ein Wegeventil erreichen, bei dem unter Beibehaltung der mit Feinsteuerausnehmung erzielbaren Durchflußcharakteristik die Schieberreibkräfte noch weiter reduziert werden.

Durch die Ausbildung der Druckausgleichsfläche in einer einzigen Entlastungs-Ringnut, die möglichst breit und sehr flach gehalten ist, ergibt sich eine bessere hydraulische Zentrierung des Längsschiebers und damit geringere Reibkräfte im Betrieb. Die Größe der Druckausgleichsfläche im Bereich eines dichtenden, stegförmigen Bohrungsabschnittes kann nun wesentlich größer gehalten werden, als dies bei einer Vielzahl von einzelnen Entlastungsrillen möglich ist. Die sehr geringe Einstichtiefe der Entlastungs-Ringnut am Kolbenabschnitt reicht für die Funktion des Druckausgleichs vollkommen aus, beeinflußt aber die Durchflußkennlinie kaum, zumindest nicht in störender Weise. Zudem läßt sich der Längsschieber einfach und billig herstellen.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch angegebenen Wegeventils möglich. Sie unterstützen vor allem einen wirksamen Druckausgleich und damit verringerte Reibungskräfte am Längsschieber, ohne dabei die durch die Feinsteuerausnehmung bedingte Durchflußkennlinie in erheblicher Weise störend zu beeinflussen.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt durch einen Teil eines ersten Wegeventiles,

Fig. 2 einen Querschnitt nach II-II in Fig. 1 durch den Längsschieber,

Fig. 3 die Durchflußkennlinie für das Wegeventil nach Fig. 1,

Fig. 4 zum Vergleich die Durchflußkennlinie bei einem vorbekannten Wegeventil und

Fig. 5 einen Längsschnitt durch einen Teil eines zweiten Wegeventils.

Die Fig. 1 zeigt einen Teil eines Wegeventiles 10, dessen Gehäuse 11 in einer Schieberbohrung 12 einen dichtend und gleitend geführten Längsschieber 13 aufnimmt. In der Schieberbohrung 12 ist eine unter hohem Druck stehende erste Kammer 14 ausgebildet, neben der eine zweite Kammer 15 liegt, in der ein niedriges Druckniveau herrscht. Zwischen den beiden Kammern 14 und 15 ist in der Schieberbohrung 12 ein stegförmiger Bohrungsabschnitt 16 ausgebildet, in dem der Steuerschieber 13 mit einem Kolbenabschnitt 17 dichtend und gleitend geführt ist.

Der Kolbenabschnitt 17 trägt eine sehr breite und relativ flache Entlastungs-Ringnut 18, wodurch am Kolbenabschnitt 17 ein erster, zur ersten Kammer 14 hin gewandter Steuerbund 19 sowie ein zweiter, zur zweiten Kammer 15 hin angrenzender Steuerbund 21 ausgebildet sind. Die Steuerbünde 19, 21 sind fein bearbeitet und somit mit sehr geringer Herstellungstoleranz in der Schieberbohrung 12 geführt. Als Feinsteuerausnehmung sind am Kolbenabschnitt 17 diametral zueinander zwei Steuerkerben 22 ausgebildet, wie dies Fig. 2 auch näher zeigt. Die Steuerkerben 22 haben ihren größten Öffnungsquerschnitt zur ersten Kammer 14 hin und enden mit ihren Spitzen im zweiten Steuerbund 21, so daß sie die Entlastungs-Ringnut 18 voll durchdringen. Die von den Steuerkerben 22 belassene Umfangsfläche der Entlastungs-Ringnut 18 bildet die eigentliche Druckausgleichsfläche 23 am Kolbenabschnitt 17. Die Entlastungs-Ringnut 18 ist möglichst breit ausgeführt, so daß einerseits die Führung des Längsschiebers 13 in der Schieberbohrung 12 und andererseits noch die Abdichtung durch den zweiten Steuerbund 21 zwischen den Kammern 14 und 15 gewährleistet ist. Die Einstichtiefe der Entlastungs-Ringnut 18 ist so klein gewählt, daß einerseits gerade noch ein Druckausgleich über die Ringnut 18 stattfinden kann, während andererseits die durch die Geometrie der Steuerkerbe 22 vorgegebene Durchflußkennlinie kaum beeinflußt wird. Bei einem Außendurchmesser des Längsschiebers 13 von ca. 12 mm beträgt die Einstichtiefe der Entlastungsringnut 18 etwa 2,5 hunderstel Millimeter; die Einstichtiefe der Ringnut 18 ist deshalb in Fig. 1 in übertriebener Weise dargestellt.

Die Wirkungsweise des Wegeventils 10 nach Fig. 1 wird wie folgt erläutert, wobei auch auf Fig. 3 Bezug genommen wird, deren Kennlinie 24 den Durchfluß Q in Abhängigkeit von Hub s des Längsschiebers 13 zeigt. In der gezeichneten Ausgangslage des Längsschiebers 13 blockiert der zweite Steuerbund die Verbindung zwischen den Kammern 14 und 15. Der in der ersten Kammer 14 anstehende, hohe Druck baut sich über die Steuerkerben 22 auch in der Entlastungs- Ringnut 18 auf und zentriert den Kolbenabschnitt 17. Im Bereich zwischen den Steuerbünden 19 und 21 befinden sich somit keine druckunausgeglichenen Flächen mehr, die eine einseitige radiale Anspressung des Kolbenabschnitts 17 an den Bohrungsabschnitt 16 und damit erhöhte Reibungskräfte hervorrufen könnten. Wird der Kolbenabschnitt 17 nach rechts bewegt, so öffnen die Steuerkerben 22 eine Verbindung von der ersten 14 zur zweiten Kammer 15. Infolge der Geometrie der Steuerkerbe 22 wird dabei die in Fig. 3 dargestellte, stetig gekrümmte Kennlinie 24 erreicht. Taucht hierbei der Rand zwischen zweitem Steuerbund 21 und Entlastungs-Ringnut 18 in die zweite Kammer 15 ein, so ergibt dies in der Kennlinie 24 am Punkt 25 zwar einen kleinen Knick, der Verlauf der Kennlinie 24 bleibt jedoch nahezu unverändert erhalten. Erreicht wird dies vor allem durch die nur wenige hunderstel Millimeter tiefe Entlastungs-Ringnut 18, die den wirksamen Durchflußquerschnitt nur unwesentlich beeinflussen kann. Auch mit zunehmendem Hub des Längsschiebers 13 bleibt die Zentrierung des Kolbenabschnitts 17 in der Schieberbohrung 12 weitgehend erhalten.

Im Vergleich zur erfindungsgemäßen Bauart nach Fig. 1 bis 3 zeigt die Fig. 4 eine Kennlinie 26 für ein vergleichbares vorbekanntes Wegeventil. Dabei sind in der Kennlinie 26 deutlich an den Stellen 27, 28 und 29 treppenartige Sprünge zu erkennen, die jedesmal dann entstehen, wenn eine der an sich bekannten, üblichen Entlastungs-Ringnuten aus der Schieberbohrung in eine Kammer austauchen. Solche Unstetigkeiten an den Stellen 27 bis 29 werden durch die Anordnung und die Ausbildung einer einzigen Entlastungs-Ringnut 18, wie dies Fig. 1 näher zeigt, vermieden. Bei einem mit kleiner Toleranz in der Schieberbohrung 12 geführten Längsschieber 13 wird daher die Gefahr verringert, daß durch kleinste und unvermeidliche Abweichungen in der Fertigung sich Drucktaschen bilden und den Längsschieber in radialer Richtung gegen die Schieberbohrung drücken, was zu erhöhten Reibungskräften führen könnte. Der Längsschieber 13 ist daher besonders leicht aus seiner Lage zu bewegen und erfordert geringere Verstellkräfte. Magnetantriebe und Rückstellfedern können daher bei gleichbleibender Funktionssicherheit entsprechend kleiner ausgelegt werden. Auch bei längerem Verweilen des Längsschiebers 13 in seiner Ruhelage wird durch die verbesserte hydraulische Zentrierung erreicht, daß die Verstellkräfte niedrig bleiben. Das Wegeventil 10 eignet sich in vorteilhafter Weise zur Steuerung kleiner Durchflußmengen, da der durch die Geometrie der Feinsteuerausnehmung bedingte Verlauf der Kennlinie 24 weitgehend erhalten bleibt und die einzige kleine Unstetigkeit an der Stelle 25 kaum stört.

Die Fig. 5 zeigt einen Längsschnitt durch ein zweites Wegeventil 30, das als proportional arbeitendes, 4-Wegeventil ausgebildet ist. Sein Gehäuse 31 weist in üblicher Weise eine Zulaufkammer 32, zwei Motorkammern 33, 34 sowie zwei miteinander verbundene Rücklaufkammern 35 und 36 auf, die von einer Schieberbohrung 37 durchdrungen werden. Ein in der Schieberbohrung 37 dicht und gleitend geführter Längsschieber 38 hat zur Steuerung der Verbindung zwischen diesen Kammern 32 bis 36 vier Kolbenabschnitte 39, 41, 42, 43; an jedem Kolbenabschnitt 39 bis 43 sind diametral zueinander zwei Steuerkerben 44 ausgebildet, die als Feinsteuerausnehmungen dienen. Entsprechend wie beim Wegeventil 10 nach Fig. 1 durchdringen die Steuerkerben 44 jeweils eine zugeordnete Entlastungs-Ringnut 45, die möglichst breit und sehr flach ausgebildet ist. An jedem Kolbenabschnitt 39 bis 43 trennt die Entlastungs- Ringnut 45 einen ersten Steuerbund 46 von einem zweiten Steuerbund 47. An den zweiten Steuerbund 47 schließt sich jeweils über eine Entlastungsrille 48 ein dritter Steuerbund 49 an; die Einstichtiefe der Entlastungsrille 48 ist wesentlich größer als diejenige der Entlastungs-Ringnut 45, insbesondere beträgt sie mehr als das Zehnfache.

Die Entlastungsrille 48 sowie der dritte Steuerbund 49 an jedem Kolbenabschnitt 39 bis 43 liegen in der Ausgangsstellung des Steuerschiebers 38 jeweils außerhalb der zwischen den Kammern 32 bis 36 ausgebildeten, stegförmigen Bohrungsabschnitte 51. Der Steuerschieber 38 ist in nicht näher gezeichneter Weise durch Rückstellfedern in seiner Ausgangsstellung zentriert und ist mit Hilfe eines elektromagnetischen Antriebs über die Stößel 52 nach beiden Seiten hin auslenkbar.

Die Wirkungsweise des Wegeventils 30 wird wie folgt beschrieben: Das Wegeventil 30 kann in üblicher Weise als proportional arbeitendes, 4-Wegeventil betrieben werden, wobei durch die Ausbildung und Anordnung der Entlastungs-Ringnut 45 an den Kolbenabschnitten des Längsschiebers 38 die Schieberreibkräfte erheblich reduziert und die Durchflußcharakteristik infolge der Geometrie der Feinsteuerausnehmungen 44 beibehalten werden kann. Für eine ausreichende Funktionssicherheit können daher die Rückstellfedern und die Magnetantriebe relativ klein ausgelegt werden, da die erforderlichen Stellkräfte zum Verschieben des Längsschiebers 38 auch in Grenzfällen klein gehalten werden.

Selbstverständlich sind Änderungen an den gezeigten Ausführungsformen möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So können anstelle der gezeigten dreieckförmigen Steuerkerben auch andere Formen von Steuerkerben verwendet werden, z. B. U-förmige oder trapezförmige Feinsteuerausnehmungen. Auch wird sich die Einstichtiefe der Entlastungs-Ringnut abhängig von verschiedenen Faktoren wie Größe des Wegeventils, Viskosität des Druckmittels und anstehender Druck verändern; so kann sich z. B. bei einem Wegeventil mit einem Durchmesser des Längsschiebers von 50 mm die Einstichtiefe auf 1 Zehntel Millimeter vergrößern, wenn nach der Stelle 25 in der Kennlinie 24 eine etwas vergrößerte Steigung in Kauf genommen wird. Insgesamt verbleibt aber die Einstichtiefe unterhalb einem Wert von 0,2 bis 0,5% des Außendurchmessers am Längsschieber und liegt damit rund ein Zehnerpotenz niedriger als die Einstichtiefe bei den bisher üblichen Entlastungsrillen.

Claims (7)

1. Hydraulisches Wegeventil mit einem Gehäuse, in dessen Schieberbohrung ein Längsschieber dichtend und gleitend geführt ist und bei dem in der Schieberbohrung wenigstens zwei nebeneinanderliegende Kammern ausgebildet sind, die zwischen sich einen stegförmigen Bohrungsabschnitt einschließen, in dem ein Kolbenabschnitt des Längsschiebers die Verbindung zwischen den beiden Kammern steuert, wozu der Längsschieber wenigstens eine Feinsteuerausnehmung sowie am Umfang des Kolbenabschnitts liegende Entlastungs- Ringnuten aufweist, die Druckausgleichsflächen bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinsteuerausnehmung (22) über ihren gesamten Hub nur eine einzige Druckausgleichsfläche (23) durchdringt, deren Breite in axialer Richtung des Längsschiebers (13) ein Vielfaches der Tiefe der sie bildenden Entlastungs-Ringnut (18) beträgt und daß die Tiefe dieser Entlastungs-Ringnut (18) sehr klein ist, so daß der durch die Feinsteuerausnehmung (22) bestimmte Verlauf der Durchflußkennlinie (24) im wesentlichen erhalten bleibt.

2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinsteuerausnehmung als Steuerkerbe (22, 44) ausgebildet ist.

3. Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Feinsteuerausnehmung (22, 44) in axialer Richtung des Längsschiebers (13, 38) gesehen gleich oder größer ist als der halbe Kolbenabschnitt (17, 39).

4. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei dem ein einzelner Kolbenabschnitt durch wenigstens eine Entlastungs-Ringnut in Steuerbunde unterteilt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite der Entlastungs-Ringnut (18; 45) gleich oder größer ist als die Breite der Steuerbunde (19, 21; 46, 47) an diesem Kolbenabschnitt (17; 39), die in Ausgangslage des Längsschiebers (13; 38) den Bohrungsabschnitt (16; 51) berühren.

5. Wegeventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Feinsteuerausnehmung (22; 44) von einer Stirnseite eines Kolbenabschnitts (17; 39) aus gesehen nacheinander einen ersten Steuerbund (19; 46) und die Entlastungs-Ringnut (18; 45) durchdringt und mit ihrem kleinsten Durchflußquerschnitt in einem zweiten Steuerbund (21; 47) endet.

6. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Tiefe der Entlastungs-Ringnut (18; 45) kleiner ist als etwa 0,2 bis 0,5% des Schieberdurchmessers, insbesondere wenige Hunderstel Millimeter beträgt.

7. Wegeventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in Ausgangsstellung des Längsschiebers (13; 38) nur die Steuerbunde (19, 21; 46, 47) im Bohrungsabschnitt (16; 51) geführt sind, die von der Feinsteuerausnehmung (22; 44) ganz oder teilweise durchdrungen sind.