DE4401485A1 - Steuerventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil mit einem zwischen - mindestens - zwei Schaltstellungen umschalt­ baren Steuerkörper, welcher durch eine Rückstellkraft ständig in eine der Schaltstellungen (Standardstellung) gedrängt wird und durch zumindest einen mit dem Steuer­ körper gekoppelten Aktuator in die übrigen Schaltstellungen umschaltbar ist.

Derartige Steuerventile sind grundsätzlich bekannt, können jedoch im Hinblick auf die Sicherheit einer fluidischen Steuerung kritisch sein, insbesondere wenn mehr als zwei Schaltstellungen vorhanden sein sollen.

So muß das Steuerventil insbesondere bei hydrostatischen Systemen in jeder Schaltstellung weitestgehend leckage­ frei arbeiten, um eine einwandfreie Funktion des System gewährleisten zu können. Hierzu muß der Steuerkörper die jeweiligen Schaltstellungen möglichst exakt einnehmen.

Des weiteren ist es schwierig, bei begrenztem konstruktiven Aufwand ungewollte Umschaltungen des Steuerventiles zu verhindern. Zwar ist es grundsätzlich bekannt und möglich, die die Energiezufuhr zu den Aktuatoren steuernden Steuer­ schaltungen od. dgl. so auszubilden, beispielsweise durch Redundanzen, daß falsche Umschaltbefehle beim Betrieb vermieden werden. Wenn jedoch auf den Steuerkörper ständig eine Rückstellkraft in Richtung der Standardstellung wirksam sein und zu Umschaltungen in die Standardstellung ausgenutzt werden soll, so besteht grundsätzlich die Gefahr einer unerwünschten Umschaltung in die Standardstellung, wenn die Energieversorgung der Aktuatoren ausfallen oder unterbrochen werden sollte.

Zur Lösung der oben aufgezeigten Probleme gibt der Stand der Technik keine zweckmäßigen Hinweise.

Aus der DE 30 38 338 C2 ist es bekannt, bei einem Steuer­ ventil mit zwei Schaltstellungen beide Schaltstellungen mittels federnder Rastkugeln zu verrasten, so daß die Aktuatoren des Ventiles beim Umschalten jeweils gegen den Rastwiderstand arbeiten müssen und eine Unterbrechung der Energiezufuhr der Aktuatoren zu keiner ungewünschten Umschaltung führt. Wegen der relativ schwachen Rastkräfte ist die Sicherheit gegen ungewolltes Umschalten jedoch relativ gering. Außerdem werden die Schaltstellungen recht ungenau positioniert.

Bei Steuerventilen mit mehr als zwei Schaltstellungen ist eine solche Anordnung prinzipiell nicht möglich, da im Hinblick auf konstruktive Einfachheit eine Schaltstellung allein unter Ausnutzung einer Rückstellkraft erreichbar sein soll. Diese müßte dann größer als der Rastwiderstand sein, so daß die Verrastung dementsprechend unwirksam wäre. Im übrigen gibt diese Druckschrift keinerlei Hinweis, wie bei einem Ventil mit vielen Schaltstellungen exakt repro­ duzierbare Lagen des Steuerkörpers erreicht werden können.

Die DE 40 05 501 A1 zeigt ein weiteres Steuerventil mit zwei Schaltstellungen, wobei eine Rückstellfeder vorge­ sehen ist, die das Ventil ständig in eine der beiden Schaltstellungen zu drängen sucht. Zur Einschaltung der anderen Schaltstellung ist ein Aktuator vorgesehen. Außer­ dem ist zur Sicherung dieser anderen Schaltstellung eine formschlüssige Verriegelung vorhanden, die mittels eines zusätzlichen Aktuators ausgelöst werden kann. Die Ver­ riegelung wirkt mit einem gesonderten Betätigungselement zusammen, welches mit weiteren Betätigungselementen des Ventiles federnd gekoppelt ist. Damit lassen sich exakte Schaltstellungen nur dann gewährleisten, wenn diese als Endlagen ausgebildet werden können.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein neues Steuerventil der eingangs angegebenen Art mit besonders hoher Funktions- und Betriebssicherheit zu schaffen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß eine für alle Schaltstellungen vorgesehene Hemmung, welche mittels eines Aktuators gegen eine die Hemmung ständig in die Hemmlage spannende Kraft auslösbar ist, in Hemmlage mittels eines von dieser Kraft ständig beaufschlagten Hemmelementes mit einem steuerkörperseitig angeordneten Gegenhemmelement sowohl hemmwirksam als auch zur Posi­ tionierung der jeweiligen Schaltlage kraft- und form­ schlüssig zusammenwirkt.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, die Hemmung mit ständig wirksamer Kraft zu beaufschlagen, so daß eine Auslösung der Hemmung nur durch Energiezufuhr an einen die Hemmung dann aufhebenden Aktuator möglich ist und durch entsprechende Ausbildung des Formschlusses zwischen Hemmelement und Gegenhemmelement exakt vorgebbare Schaltlagen erreicht werden. Aufgrund dieser Doppelfunktion der Hemmung und des lediglich zu deren Auslösung benötigten Aktuators wird einerseits eine besonders einfache Konstruk­ tion und andererseits eine besonders hohe Sicherheit gewähr­ leistet.

Die Hemmkraft kann so groß bemessen sein, daß sie auch von den zur Umschaltung dienenden Aktuatoren nicht über­ wunden werden kann. Neben einer erhöhten Sicherheit gegen Fehlschaltungen wird damit insbesondere eine sehr exakte Positionierung der Schaltstellungen erreicht.

Gemäß einer konstruktiv bevorzugten Ausführungsform der Erfindung kann die Hemmung durch einen Riegelschieber gebildet werden, der mit den Schaltstellungen des Steuer­ körpers zugeordneten Riegelausnehmungen am Steuerkörper zusammenwirkt und von einer Federung ständig in seine Riegellage gespannt wird, wobei durch keilförmige Flächen am Riegelschieber und/oder am Steuerkörper jeweils eine kraft- und formschlüssige Positionierung der Schalt­ stellungen relativ zum Riegelschieber erfolgt.

Die zur Umschaltung des Steuerkörpers dienenden Schalt­ aktuatoren können ohne weiteres selbsthemmungsfrei aus­ gebildet sein, um bei Auslösung der Hemmung und Ausschaltung der Schaltaktuatoren die Standardstellung allein unter Aus­ nutzung der Rückstellkraft einschalten zu können, wobei dann durch die nach der Umschaltung wieder wirksam werdende Hemmung eine exakt reproduzierbare Lage des Steuerkörpers erzwungen wird.

Im übrigen wird hinsichtlich vorteilhafter Merkmale der Erfindung auf die Unteransprüche sowie die nachfolgende Erläuterung einer in der Zeichnung dargestellten vorteil­ haften Ausführungsform der Erfindung verwiesen.

Dabei zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Seitenansicht eines 4/3-Ventiles,

Fig. 2 eine Darstellung des Steuerkörpers in Standard­ stellung,

Fig. 3 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Steuerkörpers in der einen weiteren Schaltstellung und

Fig. 4 eine der Fig. 2 entsprechende Darstellung des Steuerkörpers in der anderen weiteren Schalt­ stellung.

Das dargestellte Steuerventil 1 besitzt einen im wesent­ lichen quaderförmigen Gehäusekörper 2 mit einer axialen Längsbohrung 3, die an ihren axialen Enden mit Gewinde­ abschnitten versehen ist, die gegenüber der übrigen Längs­ bohrung 3 einen vergrößerten Durchmesser aufweisen. Von dem in Fig. 1 rechten Bereich der Längsbohrung 3 zweigt eine als Gewindebohrung ausgebildete Querbohrung 4 ab. Im übrigen besitzt der Gehäusekörper 2 insgesamt vier in die Längsbohrung einmündende Anschlußbohrungen 5, von denen in Fig. 1 lediglich zwei Anschlußbohrungen 5 sicht­ bar sind. An diese Anschlußbohrungen 5 sind Leitungen od. dgl. eines nicht dargestellten Fluid-Systems ange­ schlossen.

Innerhalb der Längsbohrung 3 ist eine Steuerhülse 6 ein­ geschrumpft, welche im Bereich der Querbohrung 4 ein seitliches Fenster 6′ aufweist. Die Steuerhülse 6 nimmt einen kolbenartigen Steuerkörper 7 verschiebbar auf, welcher sich zwischen drei in den Fig. 2 bis 4 darge­ stellten Stellungen umschalten läßt, so daß die Anschluß­ bohrungen 5 in drei unterschiedlichen Weisen miteinander verbunden bzw. voneinander abgetrennt werden.

Der Kolbenteil des Steuerkörpers 7 besitzt eine gering­ fügig kürzere axiale Länge als die Steuerhülse 6 und ist an seinen Stirnseiten mit Stößeln 7′ versehen, auf denen Ringscheiben 8 gleitverschiebbar geführt sind, deren Außendurchmesser größer als der Innendurchmesser der Steuerhülse 6, jedoch kleiner als der Innendurchmesser der Längsbohrung 3 ist. Die Ringscheiben 8 werden mittels Schraubendruckfedern 9, die konzentrisch zu den Stößeln 7′ angeordnet und an in die Gewindeabschnitte der Längsbohrung 3 eingeschraubten Widerlagern 10 abgestützt sind, gegen die zugewandten Stirnenden der Steuerhülse 6 bzw. gegen die zugewandten Stirnseiten des Kolbenteiles des Steuer­ körpers 7 gespannt. Die Federn 9 suchen also den Steuer­ körper 7 ständig in die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Standardstellung zu schieben.

An den die Widerlager 10 aufweisenden Stirnseiten des Gehäusekörpers 2 sind elektromagnetische Aktuatoren 11 angeordnet, welche in grundsätzlich bekannter Weise im wesentlichen aus einer Magnetspule sowie einem darin längsverschiebbaren Anker bestehen, welcher mit jeweils einer Stößelstange 12 versehen ist, die jeweils gleich­ achsig zu einem der Stößel 7′ des Steuerkörpers 7 ange­ ordnet ist. Wenn der in Fig. 1 linke Aktuator 11 bestromt wird und der in Fig. 1 rechte Aktuator 11 stromlos gesetzt wird, werden der Anker sowie die Stößelstange 12 des linken Aktuators 11 nach rechts in eine Endlage gedrängt, in der der Steuerkörper 7 zumindest annähernd die in Fig. 3 dargestellte Schaltstellung einnimmt. Wird dagegen der rechte Aktuator 11 bestromt, während der linke Aktuator 11 stromlos gesetzt wird, suchen der Anker sowie die Stößel­ stange 12 des rechten Aktuators 11 eine Endlage einzu­ nehmen, die der in Fig. 4 dargestellten Schaltstellung des Steuerkörpers 7 zugeordnet ist. Die Anker sowie die Stößelstangen 12 sind jeweils selbsthemmungsfrei ange­ ordnet, so daß sie sich weitestgehend widerstandslos verschieben lassen, wenn der zugehörige Aktuator 11 stromlos ist.

Im Bereich des Fensters 6′ der Steuerhülse 6 besitzt der Steuerkörper 7 drei umlaufende Ringnuten 13 mit keil­ förmigem Querschnitt. Der axiale Abstand zwischen den Ringnuten 13 entspricht dem Maß der Verschiebung des Steuerkörpers 7 zwischen dessen Schaltstellungen. In jeder Schaltstellung nimmt eine der Ringnuten 13 eine Lage etwa in der Mitte der Querbohrung 4 ein. In die Querbohrung 4 ist ein Führungsteil 14 für einen Riegel­ schieber 15 eingeschraubt, welcher mittels einer nicht dargestellten Federung ständig mit relativ großer Kraft in Richtung des Steuerkörpers 7 gedrängt wird und sich in den Schaltstellungen des Steuerkörpers 7 mit einer konischen Spitze 15′ jeweils in eine der Ringnuten 13 von radial außen einzuschieben vermag. Mittels eines im Führungsteil 14 angeordneten Führungsringes 16 wird der Riegelschieber 15 quer zur Verschieberichtung praktisch spielfrei geführt. Damit nimmt der Steuerkörper 7 genau reproduzierbare Schaltstellungen ein, wenn der Riegel­ schieber 15 in eine der Ringnuten 13 so weit als möglich eingeschoben wird. Dabei ist die durch die Federung des Riegelschiebers 15 bewirkte Anschubkraft, mit der der Riegelschieber 15 in die Ringnuten 13 eingeschoben wird, so groß, daß die Spitze 15′ des Riegelschiebers 15 auch dann bis in ihre Endlage in die jeweilige Ringnut 13 eingeschoben wird, wenn auf den Steuerkörper 7 durch die Federn 9 oder die Aktuatoren 11 Schubkräfte in Längsrichtung des Steuerkörpers 7 ausgeübt werden.

Der Riegelschieber 15 ist mit einem elektromagnetisch und selbsthemmungsfrei arbeitenden Aktuator 17 kombiniert, bei dessen Bestromung der Riegelschieber 15 aus der in Fig. 1 dargestellten Riegellage ausgelöst bzw. ausgehoben wird.

Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:

Eine Umschaltung des Steuerkörpers 7 zwischen den ver­ schiedenen Schaltstellungen ist nur möglich, wenn der Aktuator 17 mit Strom beaufschlagt wird, so daß der Riegelschieber 15 aus seinem Riegeleingriff in einer der Ringnuten 13 ausgelöst bzw. ausgehoben wird. Wenn gleichzeitig beide Aktuatoren 11 stromlos geschaltet werden, wird der Steuerkörper 7 von den Federn 9 in die in den Fig. 1 und 2 dargestellte Lage gedrängt. Wird einer der Aktuatoren 11 mit elektrischem Strom beauf­ schlagt, so wird der Steuerkörper 7 in eine der in den Fig. 3 und 4 dargestellten Schaltstellungen geschoben und in der jeweiligen Schaltstellung gehalten, solange der zuvor genannte Aktuator 11 bestromt wird. Nachfolgend wird dann die jeweils erreichte Schaltstellung durch Abschalten der Bestromung des Aktuators 17 sowie den damit einhergehenden Eingriff des Riegelschiebers 15 in eine der Ringnuten 13 gesichert, wobei gleichzeitig auch die jeweilige Schaltstellung vom Riegelschieber 15 exakt reproduzierbar justiert wird.

Zusammenfassend ist also hinsichtlich der Funktion zu bemerken, daß eine Umschaltung des Steuerkörpers 7 nur dann möglich ist, wenn zumindest der Aktuator 17 elektrisch bestromt wird. Dies ist gleichbedeutend damit, daß ein ungewolltes Umschalten des Steuerkörpers 7 keinesfalls auftreten kann, wenn die elektrische Stromversorgung ausfallen oder unterbrochen werden sollte.

Das beschriebene Steuerventil 1 kann beispielsweise dazu eingesetzt werden, in einem Baustellenfahrzeug mit hydrostatisch betätigter Lenkung zwischen verschiedenen Lenkweisen elektrisch umzuschalten. Während in der Stan­ dardstellung des Steuerkörpers 7 lediglich die Räder einer Achse, beispielsweise der Vorderachse, gelenkt werden, wird in den anderen Schaltstellungen des Steuer­ körpers 7 mit Allradlenkung gearbeitet, wobei entweder die Vorder- und Hinterräder des Fahrzeuges zur Erzielung einer besonders hohen Wendigkeit gegenläufig zueinander oder für besondere Fahrmanöver im Sinne eines "Hundeganges" des Fahrzeuges gleichsinnig zueinander ausgelenkt werden.

Dabei kann vorgesehen sein, daß der Fahrer zu beliebigen Zeitpunkten zwischen den verschiedenen Lenkweisen um­ stellen kann, wobei jedoch mittels einer elektronischen Steuerschaltung, die eingangsseitig mit Sensoren für die Lenkwinkel der verschiedenen Räder verbunden ist, dafür gesorgt wird, daß die Umschaltung des Steuerventiles 1 und damit die tatsächliche Umschaltung zwischen den ver­ schiedenen Lenkweisen erst dann erfolgt, wenn der Fahrer die Lenkräder in eine Geradeausstellung gebracht hat. Eine solche elektronische Steuerungs- bzw. Überwachungs­ schaltung kann in grundsätzlich bekannter Weise durch Redundanzen od. dgl. eine sehr hohe Sicherheit bieten, d. h. die zur Umschaltung des Steuerkörpers 7 notwendige Bestromung des Aktuators 17 kann tatsächlich nur bei Geradeausstellung der Lenkräder erfolgen. Dagegen braucht die elektronische Überwachungs- bzw. Steuerschaltung bei Stromausfall keinerlei Sicherheitsfunktion zu übernehmen, weil dann aufgrund des ständig unbestromt bleibenden Aktuators 17 eine Umschaltung des Steuerventiles 1 ver­ hindert wird.

Claims (23)

1. Steuerventil mit einem zwischen - mindestens - zwei Schaltstellungen umschaltbaren Steuerkörper, welcher durch eine Rückstellkraft ständig in eine der Schalt­ stellungen (Standardstellung) gedrängt und durch zumindest einen mit dem Steuerkörper gekoppelten Aktuator in die übrigen Schaltstellungen umschaltbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine für alle Schaltstellungen vorgesehene Hemmung (13,15), welche mittels eines Aktuators (17) gegen eine die Hemmung ständig in die Hemmlage spannende Kraft auslösbar ist, in Hemmlage mittels eines von dieser Kraft ständig beaufschlagten Hemm­ elementes (15) mit einem steuerkörperseitig ange­ ordneten Gegenhemmelement (13) sowohl hemmwirksam als auch zur Positionierung der jeweiligen Schalt­ stellung kraft- und formschlüssig zusammenwirkt.

2. Steuerventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die auf den Steuerkörper (7) wirkende Rück­ stellkraft eine Federanordnung (9) vorgesehen ist.

3. Steuerventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß für die die Hemmung in die Hemmlage spannende Kraft eine Federung vorgesehen ist.

4. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Hemmelement ein Riegelschieber (15) angeordnet ist.

5. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemmelement bzw. der Riegelschieber (15) und/oder das Gegenhemmelement Keilflächen aufweisen, die im Zusammenwirken mit Gegenflächen am jeweils anderen Element eine Zentrierung der jeweiligen Schaltstellung bewirken.

6. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) als Schieber ausgebildet ist.

7. Steuerventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) als kolbenartiger Schieber translatorisch verstellbar ist.

8. Steuerventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) in einer Steuerhülse, vorzugsweise aus Stahl, verschiebbar ist.

9. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) bei drei Schaltstellungen eine als Mittellage ausgebildete Standardlage sowie zwei weitere Schaltstellungen aufweist, die nahe einer Endlage des Steuerkörpers (7) und/oder der zu dessen Verstellungen dienenden Aktuatoren (11) liegen.

10. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkörper (7) bei drei Schaltstellungen, von denen die Mittellage die Standardstellung bildet, zwei Aktuatoren (11) für die beiden übrigen Schalt­ stellungen besitzt.

11. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verstellung des Steuerkörpers (7) dienenden Aktuatoren (11) selbsthemmungsfrei arbeiten.

12. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Verstellung des Steuerkörpers (7) dienenden Aktuatoren (11) dauerbetriebsfest sind und die jeweils von ihnen eingestellte Schalt­ stellung bei Daueranschluß an eine Kraft- bzw. Energiequelle zu halten vermögen.

13. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die zur Verstellung des Steuerkörpers (7) dienenden Aktuatoren (11) als auch die zur Aus­ lösung der Hemmung dienende Aktuatoranordnung (17) als Elektromagnete ausgebildet sind.

14. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß ein einziges Hemmelement bzw. ein einziger Riegelschieber (15) für alle Schaltstellungen dient.

15. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß keiner der zur Umschaltung des Steuerkörpers (7) dienenden Aktuatoren (11) die Hemmung zu überwinden vermag.

16. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß das Hemmelement bzw. der Riegelschieber (15) durch Kraft- und Formschluß direkt mit dem Steuerkörper (7) zusammenwirkt.

17. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel eines Elektromagneten direkt als Riegelschieber (15) dient.

18. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (17) des Hemmelementes bzw. Riegelschiebers (15) gegenüber einer Aufflansch­ ebene des Gehäusekörpers (2) des Ventiles ange­ ordnet ist.

19. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 18, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (17) des Hemmelementes bzw. Riegelschiebers (15) direkt im bzw. am Gehäuse­ körper (2) des Ventiles angeordnet ist.

20. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 19, dadurch gekennzeichnet, daß die zur Umschaltung des Steuerkörpers (7) dienenden Aktuatoren (11) bzw. Elektromagnete gleichachsig zur Längsachse des Steuerkörpers (7) angeordnet sind.

21. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 20, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren od. dgl. Überwachungselemente zur Erkennung bzw. Registrierung einer Stellung des des Hemmelementes bzw. Riegelschiebers (15) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

22. Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 21, dadurch gekennzeichnet, daß Sensoren od. dgl. Überwachungselemente zur Erkennung bzw. Registrierung der Stellungen des Steuerkörpers (7) mit einer Auswerteschaltung verbunden sind.

23. Steuerventil nach Anspruch 21 oder 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung Teil einer Steuer­ elektronik eines Allrad-Lenksystems ist.