DE10348582A1

DE10348582A1 - Ventil

Info

Publication number: DE10348582A1
Application number: DE2003148582
Authority: DE
Inventors: Martin Reuter; Johannes Koenig
Original assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Current assignee: Marco Systemanalyse und Entwicklung GmbH
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-19
Also published as: WO2005040618A1

Abstract

Ein hydraulisches Ventil umfasst ein Gehäuse, eine Betätigungseinrichtung mit einem Elektromagneten und einem manuellen Betätigungselement, das an einer Vorderseite des Ventils angeordnet ist. Ferner ist ein Vorsteuerventil und ein Hauptsteuerventil vorgesehen. Eine Ventilpatrone ist von der Vorderseite des Gehäuses aus in dieses einsetzbar.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein hydraulisches Ventil insbesondere zur Anwendung in eigensicherer Umgebung, beispielsweise zum Schalten von Strebausbaugestellen im Untertagebau.
Derartige hydraulische Ventile zur Steuerung von Bergbauhydraulik umfassen üblicherweise ein Gehäuse, eine Betätigungseinrichtung mit einem Elektromagneten und einem manuellen Betätigungselement, wobei das Betätigungselement eine Vorderseite des Ventils definiert, sowie ein Vorsteuerventil und ein Hauptsteuerventil. Das Hauptsteuerventil weist dabei eine Ventilpatrone auf, die in das Gehäuse eingesetzt ist. Derartige hydraulische Ventile sind dabei so an einem Strebausbaugestell befestigt, dass der Bergmann von der Vorderseite des Ventils aus im Bedarfsfall eine manuelle Betätigung vornehmen kann. Nachteilig ist bei derartigen Ventilen, dass die Ventilpatronen oft nur von der Unterseite des Gehäuses oder sogar von der Rückseite des Gehäuses aus zugänglich sind, was einen Austausch der Ventilpatronen im Störungsfall erschwert wenn nicht unmöglich macht.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, ein hydraulisches Ventil der eingangs genannten Art im Hinblick auf einen vereinfachten Service zu verbessern.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt durch die Merkmale des Anspruchs 1 und insbesondere dadurch, dass bei einem hydraulischen Ventil der eingangs genannten Art die Ventilpatrone von der Vorderseite aus in das Gehäuse eingesetzt ist. Auf diese Weise ergibt sich nicht nur der Vorteil, dass der Bergmann auf einfache Weise einen Austausch der Ventilpatrone vornehmen kann. Zusätzlich kann der verbraucherseitige Ausgang des Hauptsteuerventils in Axialrichtung der Ventilpatrone nach hinten erfolgen, so dass der Fluss der Hydraulikflüssigkeit nicht abgewinkelt werden muss, was ansonsten den realisierbaren Durchfluss reduzieren und die Herstellungskosten erhöhen würde.

Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind in der Beschreibung, der Zeichnung sowie den Unteransprüchen beschrieben.

Nach einer ersten vorteilhaften Ausführungsform kann das Gehäuse zweiteilig ausgebildet sein und ein erstes Gehäuse für die Betätigungseinrichtung und ein zweites Gehäuse für die Ventilpatrone aufweisen, die miteinander lösbar verbunden sind. Bei dieser Ausführungsform ist es auch mit einfachen Mitteln möglich, im Falle eines Defektes der Betätigungseinrichtung das erste Gehäuse von dem zweiten Gehäuse zu lösen und einen Austausch vorzunehmen. Insbesondere wenn in dem ersten Gehäuse das Vorsteuerventil angeordnet ist, kann auch im Falle eines defekten Vorsteuerventils auf einfache Weise eine Reparatur erfolgen.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform ist das Vorsteuerventil oberhalb von und parallel zu der Ventilpatrone angeordnet. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich eine äußerst kompakte Bauweise des gesamten Ventils, was im Untertagebau aufgrund der beengten Platzverhältnisse von Vorteil ist. Beispielsweise lässt sich mit der erfindungsgemäßen An ordnung eine Bautiefe in der Größenordnung von etwa 135 mm erzielen, wobei auch die benötigte Bauhöhe lediglich etwa 150 mm beträgt.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform lässt sich die Kompaktheit der Anordnung weiter dadurch erhöhen, dass zwischen dem Elektromagneten und dem Vorsteuerventil elektronische Bauteile der Betätigungseinrichtung angeordnet sind.

Nach einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann das Vorsteuerventil von einer Rückseite des Gehäuses aus in dieses eingesetzt sein. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der Vorteil, dass der Frontbereich des zu dem Vorsteuerventil gehörenden Gehäuses oder Gehäuseteils für andere Bauteile, beispielsweise Steckelemente, Übertragungseinrichtungen oder dergleichen verwendet werden kann.

Nach einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung weist die Betätigungseinrichtung einen von dem Elektromagneten bewegbaren Schwenkhebel auf, der einen Ventilstößel des Vorsteuerventils betätigt. Bei dieser Ausführungsform ergibt sich der große Vorteil, dass aufgrund der Hebelübersetzung bei gleichem Ventilweg eine höhere Kraftübersetzung erzielt werden kann, wodurch sich ein kleines Bauvolumen und eine kleine Ansteuerleistung ergibt. Hierbei kann es vorteilhaft sein, wenn der Schwenkhebel ein Anker des Elektromagneten ist, der insbesondere sowohl einen Kern des Elektromagneten wie auch einen Teil eines Mantels des Elektromagneten überdeckt. Auf diese Weise kann die magnetisch wirksame Länge des Ankers vergrößert werden, was die Anzugskraft weiter erhöht.

Eine besonders vorteilhafte Ventilpatrone für das oben beschriebene Ventil kann so ausgebildet sein, dass – abgesehen von Dichtmitteln wie beispielsweise O-Ringen oder Dichtsitzen – ausschließlich zwei Patronengehäusehälften vorgesehen sind, die miteinander verschraubbar sind, wobei in dem Patronengehäuse lediglich ein Ventilkolben und ein Steuerkolben sowie eine Kolbenfeder angeordnet sind. Eine derartige Ventilpatrone ist nicht nur besonders einfach herzustellen und zu montieren. Zusätzlich bildet die fertig montierte Ventilpatrone eine eigenständig handhabbare Einheit, die als solche in das Ventil eingesetzt oder aus dem Ventil entnommen werden kann. Mit anderen Worten muss der Bergmann beim Austausch der Ventilpatrone lediglich ein einziges Bauteil aus dem Ventilgehäuse entfernen und wieder in das Ventilgehäuse einsetzen.

Eine weitere Vereinfachung der Bauweise ergibt sich, wenn in dem Patronengehäuse ein einziger Dichtsitzring, insbesondere aus einem Elastomermaterial, vorgesehen ist, der als Dichtsitz sowohl für den Ventilkolben wie auch für den Steuerkolben dient. Auf diese Weise ist die Anzahl der verwendeten Bauteile weiter reduziert und die Herstellung wie auch die Montage vereinfacht.

Eine vorteilhafte Betätigungseinrichtung für ein Ventil der oben beschriebenen Art kann einen Elektromagneten aufweisen, der eine Spule und einen Kern umfasst, sowie einen von dem Elektromagneten bewegbaren Anker. Im Bereich von zueinander weisenden Stirnflächen können dabei sowohl an dem Kern wie auch an dem Anker jeweils mehrere zueinander im Wesentlichen komplementär ausgebildete Hervorhebungen und Vertiefungen ausgebildet sein. Beispielsweise können durch voneinander beabstandete Nuten entsprechende Hervorhebungen und Vertiefungen gebildet werden, die im Querschnitt gesehen annähernd zinnenförmig ausgebildet sind. Dieser Ausführungsform liegt die Erkenntnis zugrunde, dass üblicherweise Magnetspaltantriebe ein außerordentlich nichtlineares Kraft-Weg-Kennfeld besitzen. Durch das Vorsehen der zueinander kom plementär ausgebildeten Hervorhebungen und Vertiefungen, die beispielsweise eine streifenförmige Strukturierung ergeben, können der Magnetkern und der Anker im Bereich der Hervorhebungen und Vertiefungen ineinander eintauchen, so dass über einen vergleichsweise großen Magnetweg der Luftspalt zwischen diesen Teilen sehr gering und konstant bleibt, wodurch eine hohe und weitgehend wegunabhängige Magnetkraft generiert werden kann.

Nach einer weiteren Ausführungsform kann die Spule in einem Mantel aus magnetisierbarem Material angeordnet sein, wobei im Bereich von zueinander weisenden Stirnflächen an dem Mantel und dem Anker jeweils mehrere zueinander im Wesentlichen komplementär ausgebildete Hervorhebungen und Vertiefungen ausgebildet sind. Auf diese Weise kann die magnetisch wirksame Länge des Ankers vergrößert werden, was die Anzugskraft weiter erhöht.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn in einer Ruhestellung des Ankers bzw. des Hebels die Hervorhebungen an die Vertiefungen unmittelbar angrenzen. Auf diese Weise ergibt sich im Bereich der aneinandergrenzenden Bauteile ein gegenseitiger Abstand von nahezu Null und bereits bei einer geringen Auslenkung des Ankers ergibt sich eine Überdeckung zwischen diesen dann miteinander kämmenden Bauteilen.

Das erfindungsgemäße Ventil eignet sich besonders zur Verwendung in eigensicheren Bereichen, in denen eine niedrige Stromaufnahme von besonderer Bedeutung ist. In diesen sogenannten ex-Bereichen erlauben die zugelassenen Stromversorgungen auch während nur sehr kurzer Zeiten keine Überlast, was beim Schalten eines Ventils zu Problemen führen kann, da beim Öffnen des Ventils bauartbedingt ein erhöhter Stromverbrauch auftritt. Grundsätzlich ist es bekannt, nach dem Öffnen eines Ventils den Strom entweder durch elektronische Schaltungen oder durch bestimmte Wicklungen des Elektromagneten abzusenken. Dies löst jedoch nicht das Problem, dass bei gleichzeitigem Öffnen mehrerer Ventile ein zu hoher Stromverbrauch auftritt.

Bei einem erfindungsgemäßen Verfahren zum Schalten eines Ventils wird zunächst ein elektrischer Energiespeicher mit einem zugeführten Ladestrom unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes aufgeladen. Anschließend wird das Ventil geschaltet, wobei einerseits der zugeführte Strom unterhalb des Schwellwertes und andererseits der durch Entladen des Energiespeichers erhältliche Strom kombiniert werden, so dass sich ein Schaltstrom oberhalb des Schwellwertes ergibt.

Nach einer vorteilhaften Ausbildung kann dabei, beispielsweise durch einen Microcontroller, überwacht werden, wann ein externes Schaltsignal an das Ventil weitergeleitet wird. Sobald die Ankunft des Schaltsignals detektiert worden ist, kann der elektrische Energiespeicher innerhalb einer vorbestimmten Zeit aufgeladen werden und nach Ablauf dieser Zeit kann das Ventil nach dem oben beschriebenen Verfahren geschaltet werden. Auf diese Weise ist zwar eine gewisse Zeitverzögerung zwischen der Ankunft des Schaltsignals und dem tatsächlichen Schalten des Ventils vorhanden. Eine solche Zeitverzögerung kann sich jedoch im Bereich unterhalb von 100 ms bewegen, was bei vielen Anwendungen keine Probleme mit sich bringt.

Nach weiteren vorteilhaften Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens kann eine Schaltverzögerung auch völlig vermieden werden, beispielsweise wenn das Aufladen des elektrischen Energiespeichers innerhalb einer Vorwarnphase erfolgt, die an dem zu schaltenden Gerät vorgesehen ist, bevor ein Schaltvorgang erfolgen darf. So ist beispielsweise bei Strebausbaugestellen stets bei Aktivieren eines bestimmten Gestells eine zeitlich begrenzte Vorwarnphase vorgesehen, damit sich Bergleute aus dem Bereich dieses Gestells entfernen können. Eine solche Vorwarnphase kann auf vorteilhafte Weise dazu verwendet werden, den elektrischen Energiespeicher aufzuladen, bevor Schaltvorgänge erfolgen.

Auch ist es möglich, den elektrischen Energiespeicher durch einen Strom aufzuladen, der von einer Spannungsversorgung des Ventils abgeleitet wird. Auch in diesem Fall tritt keine Schaltverzögerung auf, da der elektrische Energiespeicher kontinuierlich aufgeladen werden kann.

Nach einer weiteren Ausbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann das Aufladen des elektrischen Energiespeichers auch durch Schaltimpulse erfolgen, die eine derart kurze Zeitdauer besitzen, dass das Ventil nicht schaltet, jedoch der elektrische Energiespeicher aufgeladen wird. Beispielsweise können kurze Schaltimpulse mit einer Dauer von beispielsweise etwa 10 ms und mit einem Abstand von etwa 100 ms gesendet werden, so dass diese kurzen Schaltimpulse zum Aufladen des elektrischen Energiespeichers verwendet werden können.

Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung rein beispielhaft anhand einer vorteilhaften Ausführungsform und unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:

1 einen Schnitt durch ein hydraulisches Ventil;

2 eine Auschnittsvergrößerung von 1, welche die Betätigungseinrichtung veranschaulicht;

3 eine Draufsicht auf die Betätigungsvorrichtung von 2 bei abgenommenem Gehäusedeckel;

4A eine Ventilpatrone in der Ruhestellung; und

4B die Ventilpatrone von 4A in Schaltstellung.

Das in 1 im Schnitt dargestellte hydraulische Ventil umfasst ein Gehäuse 10, in dem eine Betätigungseinrichtung mit einem Elektromagneten (Spule) 12 und einem manuellen Betätigungselement 14 vorgesehen ist. Hierbei definiert das manuelle Betätigungselement 14 eine Vorderseite 16 des Gehäuses 10. In dem Gehäuse 10 ist ferner ein Vorsteuerventil 18 und ein Hauptsteuerventil 20 vorgesehen.
Das Gehäuse 10 des Ventils ist zweiteilig ausgebildet und umfasst ein erstes Gehäuse 22 für die Betätigungseinrichtung und das Vorsteuerventil 18 und ein zweites Gehäuse 24 für eine Ventilpatrone 70 (4) des Hauptsteuerventils 20. Hierbei ist das erste Gehäuse 22 mit dem zweiten Gehäuse 24 über Schrauben 26 und 28 lösbar miteinander verbunden.
Wie insbesondere 3 in Verbindung mit 1 erkennen lässt, sind in dem ersten Gehäuse 22 zwei Betätigungseinrichtungen und zwei Vorsteuerventile nebeneinander vorgesehen, wohingegen in dem Gehäuse 24 zwei Hauptsteuerventile vorgesehen sind. Hierbei erfolgt die Ansteuerung des in 1 oben dargestellten Hauptsteuerventils 20 durch das in 1 dargestellte Vorsteuerventil 18, wohingegen die Ansteuerung des in 1 unten dargestellten Hauptsteuerventils über das in 1 nicht erkennbare weitere Vorsteuerventil erfolgt. Zur Vereinfachung der Beschreibung wird nachfolgend lediglich die Funktionsweise einer Einheit beschrieben, die aus Betätigungseinrichtung, Vorsteuerventil und Hauptsteuerventil besteht.
Das in 1 dargestellte erste Gehäuse 22 beherbergt die Spule 12 des Elektromagneten, die parallel zu und oberhalb von dem Vorsteuerventil 18 in einer Horizontalbohrung des ersten Gehäuses 22 angeordnet ist. Das erste Gehäuse 22 ist an seiner Vorderseite 16 von einem Gehäusedeckel 30 verschlossen. Das Vorsteuerventil 18 ist von einer zur Rückseite des ersten Gehäuses 22 mündenden Bohrung 32 aus in das erste Gehäuse 22 eingesteckt und dort verschraubt.
Wie 1 zeigt, ist die Spule 12 des Elektromagneten vollständig mit einem Magnetkern 34 ausgefüllt, der von der Vorderseite des ersten Gehäuses 22 aus in das Innere der Spule 12 eingesteckt ist und der sich an seinem hinteren Ende über das Ende der Spule 12 hinaus in eine Bohrung des ersten Gehäuses 22 hineinerstreckt. Am hinteren Ende der Spule 12 ist dabei ein Sprengring 36 vorgesehen, der den Magnetkern 34 in seiner Position hält.
Am vorderen Ende des Magnetkerns 34 erweitert sich dieser konusförmig, wobei an der zur Vorderseite 16 weisenden Stirnfläche des Magnetkerns 34 durch Einfräsen von parallelen Nuten mehrere Hervorhebungen 38 bzw. Vertiefungen 40 gebildet sind, was in 2 besonders gut erkennbar ist. Eine Zentrierung des Magnetkerns 34 ist durch einen Messingring 39 mit konischer Anlagefläche gewährleistet.
2 zeigt auch in vergrößerter Darstellung die Betätigungseinrichtung zur Betätigung des Vorsteuerventils 18, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel einen einseitig angelenkten Schwenkhebel 42 aufweist, der als Anker dient. Wie 2 zeigt, ist der Schwenkhebel 42 an seinem unteren Ende um eine horizontale Welle 44 schwenkbar gelagert, wobei an dem Hebel 42 neben der Welle 44 ein Ventilstößel 46 des Vorsteuerventils 18 befestigt ist. Wird somit durch Bestromen der Spule 12 der Schwenkhebel 42 an seinem oberen Ende nach links verschwenkt, erfolgt gleichzeitig eine Betätigung des Ventilstößels 46 mit einer der Hebellänge entsprechenden Kraftübersetzung.
2 verdeutlicht ferner, dass der Schwenkhebel 42 im Bereich seiner dem Magnetkern 34 gegenüberliegenden Stirnfläche ebenfalls mit Hervorhebungen 48 und Vertiefungen 50 versehen ist, die komplementär und versetzt zu den Hervorhebungen 38 und 40 des Magnetkerns 34 ausgebildet und angeordnet sind, so dass der Schwenkhebel 42 mit dem Magnetkern 34 kämmen kann.
Ferner erstreckt sich der Schwenkhebel 42 an seiner Oberseite über den Bereich des Magnetkerns 34 hinaus und überdeckt dabei einen Teil des ersten Gehäuses 22, das aus magnetisierbarem Material hergestellt ist und als Mantel des Elektromagneten dient. Auch in dem Bereich der zueinander weisenden Stirnflächen von erstem Gehäuse 22 und Schwenkhebel 42 sind an dem Schwenkhebel 42 Hervorhebungen 48 ausgebildet, die zwischen sich Vertiefungen 40 ergeben. An der gegenüberliegenden Stirnfläche des ersten Gehäuses 22 sind entsprechend komplementär und versetzt ausgebildete und angeordnete Hervorhebungen 58 ausgebildet, die zwischen sich Vertiefungen 60 ergeben. Hierbei sind sämtliche Hervorhebungen im Querschnitt etwa quadratisch ausgebildet, wobei die zwischen den Hervorhebungen entstehenden Vertiefungen ebenfalls etwa quadratischen Querschnitt besitzen.
In den 1 und 2 ist der Schwenkhebel 42 in seiner Ruheposition dargestellt, in der die Ecken der Hervorhebungen 48 des Schwenkhebels 42 gerade die Ecken der Hervorhebungen 38 des Magnetkerns 34 und die Ecken der Hervorhebungen 58 des ersten Gehäuses 22 berühren bzw. nahezu berühren. Von dieser Ruhestellung aus kann der Schwenkhebel 42 durch Bestromen der Spule 12 aber auch durch das mit einer Feder 35 vorgespannte manuelle Betätigungselement 14, das durch eine Kunststoffmanschette 15 abgedeckt ist, (entgegen dem Uhrzeigersinn) verschwenkt werden. Hierbei macht das obere Ende des Schwenkhebels einen Hub von etwa 0,5 mm. Durch Verschwenken des Schwenkhebels 42 entgegen dem Uhrzeigersinn tauchen die Vorsprünge 48 des Schwenkhebels 42 in die Vertiefungen 40 und 60 des Magnetkerns 34 bzw. des ersten Gehäuses 22 ein. Gleichzeitig wird der Ventilstößel 46 des Vorsteuerventils 18 nach links bewegt, wodurch das Vorsteuerventil 18 öffnet.
In 1 ist erkennbar, dass das Vorsteuerventil 18 zwei von dem Ventilstößel 46 verschiebbare Ventilkugeln aufweist, die von einer Feder 52 vorgespannt sind. In der Ruhestellung drückt die Feder 52 die in 1 links erkennbare Ventilkugel gegen einen Dichtsitz, so dass die Verbindung von Hochdruck P zu der Steuerleitung A verschlossen ist. Gleichzeitig ist die Steuerleitung A mit dem Rücklauf R verbunden. Durch Verschwenken des Schwenkhebels 42, sei es durch manuelle Betätigung des Betätigungselementes 14 oder durch Bestromen der Spule 12 wird der Ventilstößel 46 nach links bewegt, so dass die Strömungsverbindung zwischen Hochdruck P und der Steuerleitung A geöffnet wird. Gleichzeitig wird die Verbindung zwischen der Steuerleitung A und dem Rücklauf R geschlossen. Auf diese Weise wird das Hauptsteuerventil an seinem Steuereingang A mit Hochdruck beaufschlagt, so dass dieses schaltet.
Wie 2 vergrößert zeigt, ist an der Vorderseite des Gehäusedeckels 30 ein Schraubelement 33 vorgesehen, mit dem über eine schwache Feder 35 die Ruhestellung des Schwenkhebels 42 eingestellt werden kann. Ferner befindet sich an der Vorderseite des Gehäusedeckels 30 ein elektrisches Anschlusselement 37, mit dem elektrische Leitungen in das Ventil geführt werden.
1 zeigt ferner, dass unterhalb der Spule 12 und oberhalb des Vorsteuerventils 18 ein Einbauraum 65 vorgesehen ist, indem elektronische Bauteile (nicht dargestellt) zur Ansteuerung des Ventils vorgesehen sind.
3 zeigt eine Draufsicht auf das erste Gehäuse 22 bei abgenommenem Gehäusedeckel 30. Wie zu erkennen ist, verbreitert sich der Schwenkhebel 42 im Bereich des Magnetkerns 34 und des als Mantel wirkenden ersten Gehäuses 22. Ferner ist zu erkennen, dass die Erhöhungen bzw. Vertiefungen sowohl im Bereich des ersten Gehäuses 22 wie auch im Bereich des Magnetkerns 34 durch parallele Nuten gebildet sind. Der in 3 rechts erkennbare, nicht mit einem Bezugszeichen versehene Schwenkhebel betrifft die zweite Betätigungseinrichtung, die zur vereinfachten Darstellung hierin nicht beschrieben wird, da der Aufbau sich nicht von der zuvor beschriebenen Betätigungseinrichtung unterscheidet.
4A zeigt die Ventilpatrone 70 des Hauptsteuerventils 20, die ein zweiteiliges Patronengehäuse aufweist, das aus zwei miteinander verschraubbaren Gehäusehälften 72 und 74 besteht. Im Inneren des Patronengehäuses 70 ist verschiebbar ein Steuerkolben 76 angeordnet, der das vordere Ende eines Ventilkolbens 78 umfasst. Das vordere Ende des Ventilkolbens 78 ist dichtend im Innern des hohlen Steuerkolbens 76 aufgenommen. Im hinteren Bereich des Ventilkolbens 78 ist eine Sackbohrung 80 vorgesehen, die über Durchflussöffnungen 82 eine Verbindung zum Außenumfang des Ventilkolbens 78 herstellt.
Der Ventilkolben 78 ist durch eine Feder 84 in seiner Ruhestellung gehalten, in der ein Dichtabschnitt 86 des Ventilkolbens 78 an einem Dichtsitzring 88 anliegt. Der Dichtsitzring 88 besteht aus einem Elastomermaterial und ist in einer ringförmigen Aussparung zwischen der ersten Gehäusehälfte 72 und der zweiten Gehäusehälfte 74 des Patronengehäuses gehalten.
4A zeigt die Ruhestellung des Hauptventils, in der sich der Ventilkolben 78 und der Steuerkolben 76 in der dargestellten Position befinden. Der Steuerkolben 76 schlägt hierbei am Boden der ersten Gehäusehälfte 72 an. Hierbei ist die mit dem Bezugszeichen A versehene Bohrung mit der Steuerleitung A des Vorsteuerventils 18 in Verbindung, wohingegen die mit dem Bezugszeichen R versehenen Öffnungen mit dem Rücklauf in Verbindung stehen. Die mit dem Bezugszeichen P versehenen Öffnungen sind mit Hochdruck in Verbindung.
Wenn die Spule 12 des beschriebenen Ventils bestromt wird, bewegt sich der Schwenkhebel 42 in 2 entgegen dem Uhrzeigersinn nach links, woraufhin der Ventilstößel 46 des Vorsteuerventils 18 nach links verschoben wird, so dass das Vorsteuerventil 18 öffnet und Hochdruck P in die Steuerleitung A weitergibt. Hierdurch wird die in 4A mit dem Bezugszeichen A versehene Bohrung unter Hochdruck gesetzt, so dass sich zunächst der Steuerkolben 76 nach links bewegt, bis dieser an dem Dichtsitzring 88 anliegt und dadurch den Rückfluss R versperrt. Anschließend wird durch den Hochdruck der Ventilkolben 78 nach links in die in 4B dargestellte Stellung bewegt, in der der Hochdruckanschluss P mit dem Ausgang 90 des Ventils verbunden wird, so dass der Hochdruck zum Verbraucher gelangen kann.
Wird der Spulenstrom jedoch abgeschaltet, so wird der Schwenkhebel 42 von der Feder 52 des Vorsteuerventils 18 mittels des Ventilstößels 46 im Uhrzeigersinn in die in den 1 und 2 dargestellte Stellung zurückgedrückt, so dass das Vorsteuerventil schließt und den Rücklauf mit der Steuerleitung A verbindet. Hieraufhin wird im Hauptsteuerventil der Ventilkolben 90 in seine in 4A dargestellte Stellung zurückgedrückt und auch der Steuerkolben 76 bewegt sich in die in 4A dargestellte Ausgangsstellung zurück.
Aus der vorstehenden Beschreibung des erfindungsgemäßen Ventils ist erkennbar, dass durch eine Vielzahl von technischen Maßnahmen eine außerordentlich kompakte Ventileinheit geschaffen ist, die mit nur geringen Strömen das Schalten hoher Lasten ermöglicht. So kann mit einem Spulenstrom von etwa 100 mA eine Hebelkraft in der Größenordnung von 100 N erzielt werden, wobei aufgrund der Anordnung von Vorsteuerventil und Hauptsteuerventil große Durchflüsse in der Größenordnung von 1000 1/min geschaltet werden können. Die beschriebene Ventileinheit ist äußerst servicefreundlich und baut außerordentlich kompakt. So weist das Gehäuse 22 nur eine Baubreite von 40 mm auf.
Ferner ist erkennbar, dass sowohl die im Bereich der Betätigungseinrichtung getroffenen Maßnahmen wie auch die gesamte konstruktive Anordnung dazu beitragen, dass die gesamte Einheit kompakt, jedoch gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann. Selbstverständlich eignen sich die Betätigungseinrichtung sowie die beschriebenen Ventilpatronen auch für ein hydraulisches Ventil, bei dem die Ventilpatronen nicht von der Vorderseite aus in das Gehäuse eingesetzt ist.
Schließlich ist im Bereich des Einbauraums 65 eine Steuerelektronik vorgesehen, mit deren Hilfe das erfindungsgemäße Ventil geschaltet wer den kann, ohne dass ein erhöhter Schaltstrom aufgenommen werden muss. Hierbei wird ein Verfahren verwirklicht, bei dem ein ungenutztes Energiepotential vor dem eigentlichen Schalten des Ventils ausgenutzt wird, das darauf zurückzuführen ist, dass in der Praxis wegen der hohen Induktivität der verwendeten Spulen der Strom langsamer ansteigt als die Stromversorgungen liefern können. Durch geeignete Zwischenspeicherungen kann dieses Energiepotential ausgenutzt werden, indem ein elektrischer Energiespeicher mit einem zugeführten Ladestrom unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes aufgeladen wird und bei Schalten des Ventils neben dem zugeführten Strom unterhalb des Schwellwertes auch der Energiespeicher entladen wird, so dass sich ein Schaltstrom oberhalb des Schwellwertes ergibt. Hierbei kann beispielsweise mit Hilfe eines Mikrocontrollers überwacht werden, ob ein Schaltsignal anliegt und wenn ein solches Schaltsignal anliegt, kann der elektrische Energiespeicher innerhalb einer vorbestimmten Zeit aufgeladen werden, ohne dass ein Schaltvorgang ausgelöst wird. Nach Ablauf dieser Zeitdauer, d.h. nach Aufladen des elektrischen Energiespeichers kann dann der Schaltvorgang ausgelöst werden, so dass zusätzlich der im Energiespeicher vorhandene Ladungsinhalt ausgenutzt werden kann. Derartige Vorgänge können in der Größenordnung von etwa 10 bis 100 ms ablaufen, so dass sich in der Praxis das eigentliche Schalten des Ventils nur unmerklich verzögert.

10: Gehäuse
12: Spule
14: Betätigungselement
15: Kunststoffmanschette
16: Vorderseite
18: Vorsteuerventil
20: Hauptsteuerventil
22: erstes Gehäuse
24: zweites Gehäuse
26, 28: Schrauben
30: Gehäusedeckel
32: Bohrung
33: Schraubelement
34: Magnetkern
35: Feder
36: Sprengring
37: elektrisches Anschlusselement
38: Hervorhebungen
39: Messingring
40: Vertiefungen
42: Schwenkhebel
44: Welle
46: Ventilstößel
48: Hervorhebungen
50: Vertiefungen
52: Feder
58: Hervorhebungen
60: Vertiefungen
65: Einbauraum
70: Ventilpatrone
72: erste Gehäusehälfte
74: zweite Gehäusehälfte
76: Steuerkolben
78: Ventilkolben
80: Sackbohrung
82: Durchflussöffnungen
84: Feder
86: Dichtabschnitt
88: Dichtsitzring
90: Ausgang
A: Steuerleitung
P: Hochdruck
R: Rücklauf

Claims

Hydraulisches Ventil umfassend: ein Gehäuse (10, 22, 24); eine Betätigungseinrichtung mit einem Elektromagneten (12) und einem manuellen Betätigungselement (14), das eine Vorderseite (16) des Ventils definiert; ein Vorsteuerventil (18); und ein Hauptsteuerventil (20), das eine Ventilpatrone (70) aufweist; dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilpatrone (70) von der Vorderseite (16) aus in das Gehäuse (10, 24) eingesetzt ist.
Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (10) zweiteilig ausgebildet ist und ein erstes Gehäuse (22) für die Betätigungseinrichtung und ein zweites Gehäuse (24) für die Ventilpatrone (70) aufweist, die miteinander lösbar verbunden sind, wobei insbesondere das Vorsteuerventil (18) in dem ersten Gehäuse (22) angeordnet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventil (18) oberhalb von und parallel zu der Ventilpatrone (70) angeordnet ist.
Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromagneten (12) und dem Vorsteuerventil (18) elektronische Bauteile der Betätigungseinrichtung angeordnet sind.
Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorsteuerventil (18) von einer Rückseite des Gehäuses (10, 22) aus in dieses eingesetzt ist.
Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinrichtung einen von dem Elektromagneten (12) bewegbaren Schwenkhebel (42) aufweist, der einen Ventilstößel (46) des Vorsteuerventils (18) betätigt.
Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwenkhebel (42) ein Anker des Elektromagneten (12) ist, der insbesondere sowohl einen Kern (34) des Elektromagneten (12) wie auch einen Teil eines Mantels (22) des Elektromagneten (12) überdeckt.
Ventilpatrone für ein Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass diese, abgesehen von Dichtmitteln, ausschließlich aus einem zweiteiligen Patronengehäuse (72, 74) besteht, dessen beide Hälften (72, 74) miteinander verschraubbar sind, und in dem ein Ventilkolben (78) und ein Steuerkolben (76) sowie eine Kolbenfeder (84) angeordnet sind.
Ventilpatrone nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Patronengehäuse (70) ein einziger Dichtsitzring (88), insbesondere aus einem Elastomermaterial, vorgesehen ist, der als Dichtsitz sowohl für den Ventilkolben (78) wie auch für den Steuerkolben (76) dient.
Betätigungseinrichtung für ein Ventil nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1–7, umfassend: einen Elektromagneten, der eine Spule (12) und einen Kern (34) umfasst, und einen von dem Elektromagneten bewegbaren Anker (42), wobei im Bereich von zueinander weisenden Stirnflächen an dem Kern (34) und dem Anker (42) jeweils mehrere zueinander im Wesentlichen komplementär ausgebildete Hervorhebungen (38; 48) und Vertiefungen (40; 50) ausgebildet sind.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Spule (12) in einem Mantel (22) aus magnetisierbarem Material angeordnet ist, und dass im Bereich von zueinander weisenden Stirnflächen an dem Mantel (22) und dem Anker (42) jeweils mehrere zueinander im Wesentlichen komplementär ausgebildete Hervorhebungen (58; 48) und Vertiefungen (60; 40) ausgebildet sind.
Betätigungseinrichtung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass in einer Ruhestellung des Ankers (42) die Hervorhebungen an die Vertiefungen unmittelbar angrenzen.
Betätigungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 10–12, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (34) das Innere der Spule (12) im Wesentlichen vollständig ausfüllt.
Betätigungseinrichtung nach zumindest einem der Ansprüche 11–13, dadurch gekennzeichnet, dass im Inneren des Mantels (22) und insbesondere benachbart zu der Spule (12) elektronische Bauteile der Betätigungseinrichtung angeordnet sind.
Verfahren zum Schalten eines Ventils nach zumindest einem der vorstehenden Ansprüche 1–7, umfassend die Schritte: Aufladen eines elektrischen Energiespeichers mit einem zugeführten Ladestrom unterhalb eines vorbestimmten Schwellwertes; Schalten des Ventils mit einem zugeführten Strom unterhalb des Schwellwertes unter gleichzeitigem Entladen des Energiespeichers, so dass sich ein Schaltstrom oberhalb des Schwellwertes ergibt.
Verfahren nach Anspruch 15, umfassend die Schritte: Überwachen der Ankunft eines ankommenden Schaltsignals; Aufladen des elektrischen Energiespeichers innerhalb einer vorbestimmen Zeit; Schalten des Ventils nach Ablauf der vorbestimmten Zeit.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, wobei das Aufladen des elektrischen Energiespeichers innerhalb einer Vorwarnphase erfolgt, die an dem zu schaltenden Gerät vorgesehen ist, bevor ein Schaltvorgang erfolgen darf.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufladen des elektrischen Energiespeichers durch Schaltimpulse erfolgt, die eine derart kurze Zeitdauer besitzen, dass das Ventil nicht schaltet.
Verfahren nach Anspruch 15, wobei das Aufladen des elektrischen Energiespeichers durch einen Strom erfolgt, der von einer Spannungsversorgung des Ventils abgeleitet wird.