DE4224469A1 - Hydraulisches Wegeventil in Kolbenschieber-Bauweise - Google Patents
Hydraulisches Wegeventil in Kolbenschieber-BauweiseInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einem hydraulischen Wegeventil in Kolben
schieber-Bauweise nach der im Oberbegriff des Anspruchs 1 näher an
gegebenen Gattung.
Gattungsgemäße Wegeventile sind durch die DE 27 17 384 C2 sowie die
DE-GM 88 01 058 bekanntgeworden. Bei diesen hydraulischen Wegeven
tilen handelt es sich um sogenannte Stetigventile, bei welchen eine
Feinsteuerbarkeit des Ventils dadurch gegeben ist, daß die Steuer
kanten im wesentlichen dreiecksförmige Steuerkerben aufweisen, die
bezogen auf den Querschnitt der Steuerflächen zumeist die räumliche
Form eines Halbkegels, einer Halbpyramide oder eine ähnliche Form
aufweisen. Mit solchen Steuerkerben, die sich über den vollen Hubbe
reich des Längsschiebers erstrecken, läßt sich eine Feinsteuerung
des Ventils mit der gewünschten Genauigkeit erzielen. Mit solchen
Geometrien der Steuerkerben läßt sich vor allem im Bereich kleiner
Öffnungsquerschnitte und damit im Bereich kleiner Druckmittelströme
ein quadratischer Verlauf des Volumenstromes über dem Hub erreichen.
Von Nachteil bei diesen Steuerkerben ist nun, daß mit steigendem Vo
lumenstrom der Einfluß der Verluste im Ventilgehäuse immer großer
wird und dadurch der Verlauf der Kennlinie sich abflacht. Die Kenn
linie des Volumenstroms geht daher in mittleren Sollwertbereichen
meist in einen geraden Abschnitt über und kann bei voller Aussteue
rung des Wegeventils einen degressiven Endabschnitt aufweisen, bei
dem also die Steigung abnimmt. Ein solcher Kennlinienverlauf ist vor
allem bei Bremsvorgängen von großen Massen ungünstig, wo üblicher
weise zuerst schnell und anschließend langsam abgebremst werden
soll. Ferner ist es unerwünscht, daß die bei solchen Ventilen üblich
auftretende Drift bei kleineren Sollwertgrößen zu größeren relativen
Fehlern führt.
Ferner ist aus der DE 35 15 563 C1 ein hydraulisches Wegeventil in
Kolbenschieber-Bauweise bekannt, an dessen Steuerschieber das Ver
laufsbild der Steuerkanten dem Verlauf einer Sinusfunktion ent
spricht. Mit dieser Steuerkantengeometrie soll bei guter Feinsteuer
barkeit des Ventils eine sprunghafte Änderung der Strömungskräfte
vermieden werden. Obwohl hier die Strömungskräfte in Abhängigkeit
vom Öffnungsquerschnitt einen progressiv knickfreien Verlauf haben,
hat auch dieses Wegeventil den Nachteil, daß der Volumenstrom keine
quadratische Funktion über den gesamten Sollwertbereich ergibt. Die
Kennlinie für den Volumenstromverlauf bildet hier über dem Sollwert
bereich im wesentlichen eher eine Gerade. Auch ist hier die Fein
fühligkeit bei kleinen Volumenströmen begrenzt, da durch den sinus
förmigen Verlauf der Steuerkanten die Volumenstromkennlinie mit
einer definierten Steigung beginnt.
Das erfindungsgemäße hydraulische Wegeventil in Kolbenschieber-Bau
weise mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs hat dem
gegenüber den Vorteil, daß es eine quadratische Funktion für den Vo
lumenstrom über den gesamten Hubbereich ergibt. Durch diese Ausbil
dung der Steuerkerben läßt sich der Einfluß der Gehäuseverluste so
kompensieren, daß die Volumenstrom-Kennlinie einen stetig ansteigen
den, im wesentlichen quadratischen Verlauf im Bereich von 0 bis 100%
des Sollwertes aufweist. Der quadratische Volumenstromverlauf ist
besonders vorteilhaft für die Steuerung von großen Massen, insbeson
dere bei deren Beschleunigen und Abbremsen. Durch die stetig anstei
gende Volumenstrom-Kennlinie läßt sich das Wegeventil im Zusammen
hang mit einer einfacheren Steuerelektronik verwenden. Weiterhin er
laubt die Geometrie der Steuerkerben bei kleinen Druckmittelströmen
eine besonders genaue und feinfühlige Steuerung. Ein weiterer Vor
teil des Wegeventiles ist, daß die bei solchen Ventilen üblich auf
tretende Drift im Bereich kleiner Aussteuerung einen geringeren Ein
fluß hat. Günstig ist ferner, daß die Steuerkerben keine Unstetig
keiten aufweisen, wie dies bei zusammengesetzten Kerbenformen am
Übergang der Kerbenformen der Fall ist. Zudem läßt sich der Steuer
schieber mit diesen Steuerkerben relativ einfach und kostengünstig
herstellen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Wegeventils möglich.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung darge
stellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 ein gattungsgemäßes hydraulisches Wegeventil in einer
vereinfachten Darstellung, Fig. 2 eine Ansicht des erfindungsge
mäßen Längsschiebers mit einem Teil der angrenzenden, gehäusefesten
Steuerkammern, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung des Längs
schiebers nach Fig. 2 und Fig. 4 die Kennlinie für den Volumen
stromverlauf über dem Sollwert Hub für das erfindungsgemäße Wege
ventil.
In Fig. 1 ist die sogenannte Hauptstufe eines hydraulischen Ste
tig-Wegeventils 10 mit Richtungssteuerung in Kolbenschieber-Bauweise
dargestellt, welche durch eine nicht näher gezeichnete Vorsteuerung
ansteuerbar ist. Das Wegeventil 10 weist ein Gehäuse 11 auf, in dem
ein Längsschieber 12 dichtend und gleitend geführt ist. Der Längs
schieber 12 ist durch zwei sich am Gehäuse 11 abstützende Zentrier
federn 13 in seiner Mittelstellung gehalten, wobei an den sich ge
genüberliegenden Enden des Längsschiebers 12 im Gehäuse 11 Druck
räume 14 zur Aufnahme der Zentrierfedern 13 ausgebildet sind. Die
Druckräume 14 weisen Bohrungen 15 auf, welche jeweils eine Verbin
dung zu der nicht dargestellten hydraulischen Vorsteuerung her
stellen.
In dem Gehäuse 11 des Wegeventils 10 ist eine axiale Schieberbohrung
16 für den Längsschieber 12 ausgebildet. Der Längsschieber 12 weist
in vorliegendem Fall 3 mit Abstand zueinander angeordnete umlaufende
Ausnehmungen 17 auf, so daß sich dazwischen zwei den vollen Kolben
querschnitt aufweisende Kolbenabschnitte 18 ergeben. Die Ausneh
mungen 17 umfassen ringförmig einen Kolbenkern 19, so daß sich vom
Kolbenkern 19 radial abstehende, stirnseitige Steuerflächen 21 an
den Kolbenabschnitten 18 ergeben, deren äußerer Rand als Steuerkante
22 dichtend an der Innenfläche der axialen Schieberbohrung 16 glei
tet. In der in Fig. 1 gezeigten, dem gattungsgemäßen Stand der
Technik entsprechenden Darstellung, weisen die Steuerkanten 22 drei
eckförmige Ausnehmungen 23 auf, von denen mehrere mit Abstand zuein
ander im Verlauf der den Kolbenabschnitt 18 umfahrenden Steuerkante
22 angeordnet sind. Die Aussparungen 22 haben in Richtung auf den
Kolbenkern hin eine an sich bekannte, im wesentlichen halbkegelför
mige Gestalt.
Gehäuseseitig ist der Längsschieber 12 umgeben von im Gehäuse 11
ausgebildeten, den Längsschieber 12 ringförmig umschließenden
Steuerkammern 24, welche über Anschlußbohrungen 25 bis 28 mit außer
halb des Wegeventils liegenden und daher nicht dargestellten Aggre
gaten wie Tank, Pumpe, Verbraucher verbunden sind. Dabei sind mit 25
der Anschluß zum Tank, mit 26 der Anschluß zur Pumpe und mit 27 und
28 je ein Anschluß zu einem Verbraucher bezeichnet. Zwischen den an
der Schieberbohrung 16 im Gehäuse 11 ausgesparten Steuerkammern 24
sind Gehäusestege 29 angeordnet, welche mit den Steuerkanten 22 des
Längsschiebers 12 bei dessen axialer Bewegung zusammenwirken. In üb
licher Weise sind die beiden außen liegenden Steuerkammern 24 über
einen Steuerkanal 31 miteinander verbunden und damit auch mit der
Anschlußbohrung 25 zum Tank.
In Fig. 2 ist nun die erfindungsgemäße Ausbildung des Längs
schiebers 12 dargestellt, und zwar in Form einer Ansicht des Längs
schiebers 12 in Verbindung mit einem Teilausschnitt der gehäuse
festen Steuerkammern 24. Beim erfindungsgemäßen Längsschieber 12
sind anstelle der Ausnehmungen 23 nach Fig. 1 nunmehr Steuerkerben
32 angeordnet, deren Form und Ausbildung aus Fig. 2 in Verbindung
mit Fig. 3 erkennbar ist. Die Steuerkerben 32 für das für 4-Wege
ausgebildete Ventil sind untereinander im Prinzip gleich ausgebil
det, so daß im folgenden eine einzige Steuerkerbe 32 beschrieben
wird. Die Steuerkerbe 32 weist im Kerbenbeginn eine Dreiecksform
auf. Ferner weist die Steuerkerbe 32 eine zwischen der Mantelfläche
33 des Kolbenabschnitts 18 und der Längsachse des Längsschiebers 12
verlaufende Grundfläche 34 auf, die auf einem Durchmesser liegt, der
geringfügig größer ist als der Durchmesser des Kolbenkerns 19. Die
Grundfläche 34 weist dabei ebenfalls eine Dreiecksform auf, wobei
sich deren Schenkel zu der stirnseitigen Steuerfläche 21 hin öffnen
und dabei im wesentlichen im Bereich eines spitzen Winkels ver
bleiben. Von der Grundfläche 34 aus verlaufen Seitenwände 35 nach
außen hin zur Mantelfläche 33, wobei
die Steuerkerbe 32 in der äußeren Mantelfläche 33 eine schmetter
lingsförmige Mantelöffnung 36 bildet und damit eine geometrische
Form aufweist, mit der ein quadratischer Volumenstromverlauf ermög
licht wird. Die Seitenwände 35 sind dabei so ausgebildet, daß sich
ihr Abstand in radialer Richtung und in Längsrichtung gesehen zu
nehmend vergrößert, so daß der von der Steuerkerbe 32 gebildete
Durchflußquerschnitt eine mehrdimensionale Erweiterung erfährt. Die
von der Steuerkerbe 32 in der äußeren Mantelfläche 33 gebildete Man
telöffnung 36 verläuft daher trichterförmig, liegt in radialer
Richtung gesehen über der Grundfläche 34 und ist beträchtlich größer
als diese Grundfläche 34. Durch diese Geometrie der Steuerkerbe 32
entspricht der Volumenstromverlauf über diese Steuerkerbe einer
Funktion höherer Ordnung, die hier mindestens der vierten Ordnung
entspricht. Wie die Fig. 2 in Verbindung mit der perspektivischen
Darstellung des Längsschiebers 12 nach Fig. 3 deutlich zeigt, sind
an dem rechten Kolbenabschnitt 18 an dessen beiden Steuerflächen 21
jeweils zwei Steuerkerben 32 diametral zueinander angeordnet. Ferner
sind am linken Kolbenabschnitt 18 an dessen beiden Steuerflächen 21
jeweils vier Steuerkerben 32 gleichmäßig längs des Umfangs verteilt
angeordnet, wobei deren Öffnungsquerschnitt entsprechend der größe
ren Anzahl der Steuerkerben kleiner ausgebildet ist. Um die Kompen
sierung der Gehäusewiderstände weiter zu verbessern ist an den
stirnseitigen Steuerflächen 21 jeweils ein Hinterschnitt 37 angeord
net, der hier als angedrehter umlaufender Konus ausgebildet ist.
Die Wirkungsweise des Wegeventils 10 wird wie folgt erläutert, wobei
die grundsätzliche Funktion eines hydraulischen Stetig-Wegeventils
als an sich bekannt vorausgesetzt wird und auf die Fig. 4 Bezug ge
nommen wird. Dabei ist in Fig. 4 der Verlauf des Volumenstromes
zwischen zwei benachbarten Steuerkammern 24 über eine Steuerkerbe 32
im Verhältnis zum Sollwert aufgetragen, der hier als Hub des Längs
schiebers 12 aufgefaßt werden kann. Dabei zeigt die Kennlinie 41 die
Verhältnisse für den erfindungsgemäßen Längsschieber 12 mit einer
Steuerkerbe 32, während die gestrichelte Kennlinie 42 die Verhält
nisse für ein gattungsbildendes Ventil mit einfachen, dreieckför
migen Aussparungen 23 veranschaulicht. Aus der Kennlinie
41 für das erfindungsgemäße Wegeventil 10 wird deutlich, daß beim
Aufsteuern einer Druckmittelverbindung zwischen zwei Steuerkammern
durch die Steuerkerbe 32 ein quadratischer Volumenstromverlauf an
fänglich erzielt wird, der durch die Dreiecksform im Kerbenbeginn
verursacht wird. Mit zunehmendem Aufsteuern der Steuerkerbe 32 und
damit steigendem Volumenstrom bleibt dieser progressiv ansteigende
Verlauf der Kennlinie 41 erhalten, auch bei maximaler Auslenkung des
Steuerschiebers 12 bis zu einem Sollwert von 100%. Die mit steigen
dem Volumenstrom stärker werdenden Einflüsse der Gehäuseverluste
werden dabei durch die besondere Geometrie der Steuerkerben 32 kom
pensiert, deren Öffnungsquerschnitt sich beim Aufsteuern nach einer
Funktion Vierter Ordnung erweitert, so daß für den Volumenstrom Q
über das Wegeventil 10 im wesentlichen ein quadratischer Kennlinien
verlauf erhalten bleibt. Im Gegensatz dazu zeigt die gestrichelte
Kennlinie 42 die Verhältnisse beim gattungsbildenden Stand der Tech
nik, wo durch die Gehäuseverluste mit steigendem Volumenstrom der
Kennlinienverlauf immer flacher wird und nach einem geradlinigen Ab
schnitt schließlich einen degressiven Verlauf nimmt, bei dem sogar
die Steigung abnimmt. Im Gegensatz zum gattungsbildenden Ventil mit
der Kennlinie 42 können daher beim erfindungsgemäßen Wegeventil 10
die Gehäuseverluste kompensiert werden, so daß über den gesamten
Aussteuerbereich näherungsweise der quadratische Verlauf der Kenn
linie 41 sichergestellt ist.
Der quadratische Volumenstromverlauf ist von besonderem Vorteil beim
Steuern großer Massen, wo insbesondere beim Abbremsen zuerst eine
schnelle und dann eine langsame Abbremsung erfolgen soll. Durch
diese Ausbildung der Steuerkerben 32 wird in günstiger Weise er
reicht, daß die Steigung der Kennlinie 41 linear mit dem Sollwert
zunimmt. Dies hat zur Folge, daß kleine Volumenströme besonders
feinfühlig gesteuert werden können. Außerdem ist von Vorteil, daß
die bei solchen Stetig-Wegeventilen auftretende Drift im Bereich
kleiner Aussteuerung einen geringeren Einfluß als bei herkömmlichen
Kerben hat; zudem ist der von der Drift verursachte relative Fehler
über den gesamten Sollwertbereich gleich. Die aufgezeigte Gestaltung
der Steuerkerben 32 vermeidet auch Unstetigkeiten in der Kerbenform,
so daß keine sprunghaften Änderungen von Funktionen wie bei zu
sammengesetzten Kerbenformen auftreten können.
Der Längsschieber 12 mit den Steuerkerben 32 kann zudem relativ ein
fach und kostengünstig hergestellt werden. So kann die Kerbenform
ohne die Dreiecksspitze auf Drehautomaten, mit in Bahnregelung ein
bezogenem Hauptantrieb kostengünstig hergestellt werden. Die Drei
ecksspitze läßt sich anschließend relativ leicht durch Erodieren
oder durch Prägen herstellen.
Selbstverständlich sind Änderungen an der gezeigten Ausführungsform
möglich, ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen.
Claims (14)
1. Hydraulisches Wegeventil in Kobenschieber-Bauweise mit einem Ge
häuse, in dessen Schieberbohrung ein Längsschieber dichtend und
gleitend geführt ist und bei dem in der Schieberbohrung wenigstens
zwei nebeneinanderliegende Steuerkammern ausgebildet sind, die
zwischen sich einen Gehäusesteg einschließen, in dem ein Kolbenab
schnitt des Längsschiebers die Verbindung zwischen den beiden
Steuerkammern steuert, wozu der Längsschieber wenigstens eine als
Feinsteuerausnehmung dienende, geometrisch so ausgebildete Steuer
kerbe aufweist, die sich über den gesamten Hubbereich des Längs
schiebers erstreckt, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerkerbe
(32) am Öffnungsbeginn durch eine im wesentlichen dreieckige Form
einen quadratischen Volumenstromverlauf (41) aufweist und daß mit
zunehmendem Öffnungshub durch mehrdimensionale Erweiterung der
Steuerkerbe (32) deren Volumenstrom in eine Funktion höherer Ordnung
übergeht, so daß nach Kompensation von Gehäuseverlusten ein über dem
gesamten Sollwertbereich stetig und progressiv ansteigender Volumen
stromverlauf (41) verbleibt.
2. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Steuerkerbe (32) eine zwischen der Längsachse und der Man
telfläche (33) des Längsschiebers (12) gelegene, im wesentlichen
dreieckförmige Grundfläche (34) aufweist, die sich zu einer stirn
seitigen Steuerfläche (21) des Kolbenabschnitts (18) hin öffnet
und von welcher Grundfläche (34) aus Seitenwände (35) sich nach
außen zur Mantelfläche (33) hin erstrecken, welche radial und in
Längsrichtung mit sich in beiden Richtungen vergrößerndem Abstand
verlaufen, wodurch in der Mantelfläche (33) des Kolbenabschnitts
(18) eine über der Grundfläche (34) liegende, sich trichterförmig
erweiternde Mantelöffnung (36) der Steuerkerbe (32) gebildet ist.
3. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der allein durch den Öffnungsquerschnitt der Steuer
kerbe (32) bestimmte Volumenstrom mit zunehmendem Hub des Längs
schiebers (12) in eine Funktion wenigstens vierter Ordnung übergeht.
4. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da
durch gekennzeichnet daß die Grundfläche (34) im wesentlichen pa
rallel zur Längsachse des Längsschiebers (12) verläuft und insbeson
dere in radialer Richtung in der Umfangsfläche des Kolbenkerns (19)
liegt.
5. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da
durch gekennzeichnet, daß mehrere Steuerkerben (32), insbesondere
zwei bis sechs, am Umfang des Kolbenabschnitts (18) gleichmäßig ver
teilt angeordnet sind.
6. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsschieber (12) mehrere
Kolbenabschnitte (18) mit Steuerkerben (32) aufweist, insbesondere
für eine 4-Wege-3-Stellungs-Funktion vier Steuerkanten (22) aufweist.
7. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, ge
kennzeichnet durch seine Verwendung für ein Stetigventil (10).
8. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1
bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Begrenzungslinien der Grund
fläche (34) bis in die stirnseitigen Steuerflächen (21) hinein mit
einander einen spitzen Winkel bilden.
9. Hydraulisches Wegeventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die innenliegenden Enden von Grundfläche (34) und Mantelfläche
(33) in radialer Richtung im wesentlichen übereinander liegen.
10. Hydraulisches Wegeventil nach einem oder mehreren der Ansprüche
1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Form der Steuerkerbe (32)
ohne dessen Dreiecksspitze auf einem Drehautomaten hergestellt wird
und anschließend die Dreiecksspitze, insbesondere durch Erodieren
oder Prägen, angeformt wird.
11. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, da
durch gekennzeichnet, daß der Volumenstromverlauf (41) über den ge
samten Sollwertbereich im wesentlichen nach einer quadratischen
Funktion verläuft.
12. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, da
durch gekennzeichnet, daß an einer stirnseitigen Steuerfläche (21)
ein Hinterschnitt (37) angeordnet ist.
13. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, da
durch gekennzeichnet, daß am Beginn der Steuerkerbe (32) eine zu
sätzliche Feinsteuerkerbe angeordnet ist, deren Tiefe kleiner ist
als diejenige der Steuerkerbe (32).
14. Hydraulisches Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, da
durch gekennzeichnet, daß die axiale Abströmfläche der Steuerkerbe
(32) in der stirnseitigen Steuerfläche (21) etwa das Dreifache der
für den radialen Durchfluß verfügbaren Mantelöffnung (36) beträgt.
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