DE19646446A1

DE19646446A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE19646446A1
Application number: DE19646446A
Authority: DE
Inventors: Winfried Rueb
Original assignee: Mannesmann Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 1996-11-11
Filing date: 1996-11-11
Publication date: 1998-05-14

Description

Die Erfindung betrifft eine elektrisch verstellbare Ventilanordnung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Insbesondere in der Mobilhydraulik ist man bestrebt, die Ventilanordnungen zur Ansteuerung von Verbrauchern, beispielsweise einfach- oder doppeltwirkenden Hubzylindern möglichst kompakt auszugestalten. Häufig werden die Hydrau likkomponenten in Scheibenbauweise ausgeführt, so daß meh rere Scheiben, beispielsweise Ventilscheiben zu einem ge meinsamen Steuerblock zusammengefügt werden. Die einzelnen Ventilscheiben dienen als Gehäuse zur Aufnahme von Wegeven til-, Schaltventil- und Pilotventilschiebern etc., die je weils direkt oder mittels Vorsteuerventilen betätigt wer den.

Bei der Konstruktion der Ventilanordnungen wird ver sucht, die Anzahl der in die Scheiben einzuarbeitenden Ka näle auf ein Minimum zu reduzieren, so daß auch der ferti gungstechnische Aufwand bei der Herstellung und Bearbeitung des Gußrohlings für die Scheibe verringert wird. Aus diesem Grund wird es häufig vorgezogen, die Ventilschieber der Ventilanordnung direkt über Elektromagnete zu betätigen und nicht durch Vorsteuerventile, deren Steuerleitungen das Einarbeiten von zusätzlichen Kanälen in den Gußrohling er fordern, während bei der direkten Betätigung nur Aufnahme bohrungen zur Befestigung der Elektromagnete und zur Durch führung der Stößel vorgesehen werden müssen.

Die Ventilschieber werden in der Regel in Querbohrungen der Ventilscheibe geführt, die in den Schmalseitenflächen der Ventilscheibe münden, so daß auch die Elektromagnete in diese Schmalseiten eingeschraubt werden müssen. Die Elek tromagnete müssen daher derart gewählt werden, daß sie noch in diese Schmalseiten einschraubbar sind.

Bei einigen Anwendungen kann es vorkommen, daß zur Be tätigung der in der Ventilscheibe aufgenommenen Ventil schieber vergleichsweise hohe Schaltleistungen erforderlich sind, so daß auch Elektromagnete mit entsprechenden Lei stungen eingesetzt werden müssen. Derartige Elektromagnete mit erhöhter Leistung haben in der Regel jedoch vergleichs weise große Außenabmessungen, so daß deren Befestigungs bünde zu groß sind, um in die Schmalseitenflächen der Ven tilscheibe eingeschraubt werden zu können. Eine Erhöhung der Schaltleistung durch Vergrößerung der Elektromagnete ist daher durch die effektive Scheibendicke begrenzt.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zu schaffen, bei der mit minimalem Bauraum eine erhöhte Schaltleistung aufbringbar ist.

Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentan spruchs 1 gelöst.

Durch die Maßnahme, den Ventilschieber an zumindest ei ner Stirnseite mit einer Feder zu beaufschlagen und deswei teren an beiden Ventilschieberstirnseiten jeweils einen Elektromagneten vorzusehen, kann die Schaltleistung erhöht werden, ohne daß zusätzlicher Bauraum in Dickenrichtung der Ventilscheibe benötigt wird. Dies wird erreicht, indem beide Elektromagnete gleichzeitig bestromt werden, so daß der eine die Federkraft kompensiert und die Kraft des wei teren Elektromagneten praktisch vollständig zur Verschie bung des Ventilschiebers benutzt wird.

Bei Ventilanordnungen, deren Ventilschieber aus der Nullstellung lediglich in einer Richtung verschoben wird, reicht es in der Regel aus, wenn der Ventilschieber über eine Feder in seine Nullstellung vorgespannt ist, während beide Stirnseiten mit den Elektromagneten beaufschlagbar sind. Um die gleiche Wirkrichtung herzustellen, kann an ei ner Stirnseite ein ziehender Elektromagnet und an der ande ren Stirnseite ein stoßender Elektromagnet vorgesehen wer den. Es ist jedoch auch möglich, einen der Elektromagnete über eine Umlenkeinrichtung anzukoppeln, so daß beide Elek tromagnete beispielsweise als Hubmagnet ausgeführt werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Feder(n) auf die Rückseite des (jeweils zugeordneten) Ankers wirkt, so daß dieser Anker über die Feder gegen den Ventilschieber ge drückt wird. Bei entsprechender Bestromung des Elektroma gneten kann die Feder durch den Anker gespannt werden, so daß die Kraft des anderen Elektromagneten zur Ventilschie berverschiebung verwendet werden kann. Durch diese Weiter bildung müssen die Anker nicht am Ventilschieber eingehängt werden, da keine Zugkräfte auf diesen übertragen werden müssen.

Bei Ventilanordnungen mit einem Ventilschieber, der aus einer Nullstellung heraus in erste und zweite Arbeitsstel lungen verschiebbar ist, werden in vorteilhafter Weise beide Ventilschieberstirnseiten jeweils mit einer Feder und mit einem Doppelhubmagneten beaufschlagt, der sowohl in stoßender als auch in ziehender Richtung wirken kann. Bei dieser Variante für ein sog. Dreistellungsventil werden die beiden Doppelhubmagnete derart beaufschlagt, daß beide in Verschiebrichtung des Ventilschiebers wirken, so daß die Kraft eines Doppelhubmagneten zur Kompensation der Kraft der in Gegenrichtung wirkenden Feder verwendet wird, wäh rend der andere Doppelhubmagnet gemeinsam mit der anderen Feder die Verschiebung des Ventilschiebers herbeiführt. Durch diese Konstruktion läßt sich die Schaltleistung bei der Ansteuerung von Ventilanordnungen in Scheibenbauweise bei praktisch gleichbleibendem Bauraum mit minimalem vor richtungstechnischen Aufwand vergrößern.

Anstelle eines Doppelhubmagneten können auch zwei Ma gnete mit entgegengesetzter Wirkrichtung koaxial hinterein ander geschaltet werden, wobei deren Anker über eine Ver bindung, beispielsweise eine Zugstange miteinander verbun den sind.

Prinzipiell sind bei der erfindungsgemäßen Einrichtung Proportionalmagnete und Schaltmagnete einsetzbar.

Zur Einstellung einer exakten Nullposition können dem Ventilschieber noch weitere Zentrierfedern zugeordnet wer den, über die eventuell vorhandene Abweichung der Federrate oder der Vorspannung der beiden auf die Stirnseiten wirken den Federn ausgeglichen werden. Die Federrate der Zentrier feder ist wesentlich geringer als diejenige der beiden Fe dern.

Durch Abstützen der Feder(n) an jeweils einem Federtel ler, der auf den Ventilschieber wirkt und in der Nullstel lung am Gehäuse anliegt, wirkt bei einer Axialbewegung des Ventilschiebers jeweils nur eine der Federn gegen den zugeordneten Anker, während die andere Feder am Gehäuse abgestützt wird, so daß die Ventilschieberbewegung alleine durch die über den anderen Anker übertragene Kraft bewirkt wird.

Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand schematischer Zeichnungen näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipskizze einer erfindungsgemäßen Venti lanordnung in einer Nullstellung des Ventilschie bers;

Fig. 2 eine Darstellung der Ventilanordnung aus Fig. 1 bei bestromten Elektromagneten und

Fig. 3 Federkennlinien von Federn zur Beaufschlagung des Ventilschiebers aus Fig. 1.

Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht einer Venti lanordnung 1, die beispielsweise in einer Ventilscheibe ei nes Steuerblocks ausgebildet ist. Dazu ist in dem durch die Ventilscheibe gebildeten Ventilgehäuse 2 eine Aufnahmeboh rung 4 für einen Ventilschieber 6 ausgebildet, der axial verschiebbar in der Aufnahmebohrung 4 geführt ist. Der Ven tilschieber 6 ist über zwei Elektromagnetanordnungen 8, 10 und zwei Federn 12, 14 in seine in Fig. 1 dargestellte Nullstellung vorgespannt.

Jede Ventilanordnung 8, 10 ist beim gezeigten Ausfüh rungsbeispiel als Doppelhubmagnet ausgeführt und hat zwei koaxial hintereinander angeordnete Spulenkörper 16, 18 bzw. 17, 19 die einen gemeinsamen Anker 20 bzw. 21 umgeben.

Die Spulenkörper 16, 18; 17, 19 sind derart mit Strom beaufschlagbar, daß beispielsweise der innenliegende Spu lenkörper 18 (19) den Anker in stoßender Richtung, d. h. hin zum Ventilschieber 6 beaufschlagt, während der außenlie gende Spulenkörper 16 (17) den Anker 20 in ziehender Rich tung, d. h. weg vom Ventilschieber 6 beaufschlagt. Der Anker 20, 21 ist dabei zwischen den Spulenkörpern 16, 18 bzw. 19, 17 angeordnet, so daß der Anker 20 (21) aus der Nullstel lung (Fig. 1) heraus durch Bestromung des Spulenkörpers 16 (19) oder des Spulenkörpers 18 (17) bewegbar ist.

Jeder Anker 20, 21 hat einen Stößel 22, der am Ventil schieber 6 befestigt ist, so daß der Stößel 22 auch in zie hender Richtung auf den Ventilschieber 6 wirken kann.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Konstruktionsprinzip wirken die beiden Federn 12, 14 jeweils auf die vom Ventil schieber 6 abgewandten Rückseiten der Anker 20, 21, so daß deren Vorspannkräfte über den Stößel 22 auf den Ventil schieber 6 übertragen werden.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, ist die Kennlinie der beiden Federn 12, 14 relativ flach gewählt (geringe Federrate), so daß die Federkräfte ΔF bei einer Verschiebung des Ventil schiebers 6 eine vergleichsweise geringe Änderung erfahren. Durch diese flache Federkennlinie wird erreicht, daß die auf diesen wirkenden Federkräfte ΔF₂ sowohl in der Nullage (Fig. 1) als auch in der Auslenkposition (ΔS₂ in Fig. 3) in etwa das gleiche Niveau haben. Bei einer steilen Federkenn linie (links in Fig. 3) würde bei gleicher Auslenkung ΔS₁ eine erheblich größere Kraft ΔF₁ auf den Ventilschieber 6 wirken.

Bei Ventilanordnungen mit üblichen Nennweiten, bei spielsweise NG6, NG10 kann die Vorspannung der beiden Fe dern 12, 14 beispielsweise mit 50 N gewählt werden. Die Elektromagnete 8, 10 müssen dann entsprechende Kräfte auf bringen.

Wie desweiteren aus Fig. 1 hervorgeht, ist der Ventil schieber 6 neben den Federn 12, 14 noch durch zwei Zen trierfedern 24, 26 in seine Nullstellung vorgespannt, die einerseits am Gehäuse des Elektromagneten 8, 10 abgestützt sind und andererseits über einen Federteller 28 bzw. 30 auf den Ventilschieber 6 wirken. In der gezeigten Nullstellung liegen die Federteller 28, 30 mit Radialflanschen an dem Ventilgehäuse 2 an. Durch diese beiden Zentrierfedern 24, 26 werden eventuelle Abweichungen bei der Vorspannung oder bei der Federkennlinie der beiden Federn 12, 14 ausgegli chen, so daß der Ventilschieber 6 stets exakt in seine Nullstellung vorgespannt ist.

Anstelle der Zentrierfedern 24, 26 könnte auch eine nicht dargestellte Einstellvorrichtung zur Justierung der Vorspannung der Federn 12, 14 verwendet werden. Selbstver ständlich sind beide Varianten auch parallel nebeneinander anwendbar.

Bei den Doppelhubmagneten 8, 10 kann es sich je nach Anwendungsfall um Proportionalmagnete oder Schaltmagnete handeln.

Anstelle der in Fig. 1 angedeuteten Doppelhubmagnete 8, 10 können auch zwei Elektromagnete koaxial hintereinander geschaltet werden, deren Anker miteinander verbunden sind. Einer dieser Spulenkörper muß dann eine Wirkung in stoßen der Richtung entfalten, während der andere Spulenkörper den Anker in ziehender Richtung beaufschlagt.

Bei Bestromung beispielsweise der Spulenkörper 17 und 18 wird der Anker 21 durch den Spulenkörper 17 in ziehender Richtung, d. h. hin zur Feder 14 und der Anker 20 durch den Spulenkörper 18 in stoßender Richtung, d. h. hin zum Ventil schieber 6 beaufschlagt, so daß der Ventilschieber 6 nach rechts (Ansicht nach Fig. 2) verschoben wird. Dabei wirkt nur der Stößel 22 des Ankers 20 direkt auf den Ventilschie ber 6, während der Anker 21 auf die Feder 14 wirkt, um diese zusammenzudrücken. Das heißt, der in ziehender Rich tung (weg vom Ventilschieber 6) wirkende Anker überträgt keine Zugkräfte auf den Ventilschieber 6 sondern entlastet diesen nur durch Zusammendrücken der Feder 14, so daß keine mechanische Verbindung zwischen Anker 20, 21 und Ventil schieber 6 erforderlich ist.

Die von den Elektromagneten 8, 10 aufbringbaren Kräfte und die Federraten und Vorspannungen der Federn 12, 14 sind derart aufeinander abgestimmt, daß der Elektromagnet 10 oder genauer gesagt der Spulenkörper 17 und der Anker 21 die Kraft der entgegengesetzt wirkenden Feder 14 kompensie ren (ΣF=0), so daß die auf den Ventilschieber 6 wirkende Stellkraft durch die von der Feder 12 und den Spulenkörper 18 auf den Anker 20 wirkenden Kräfte (F_Feder + F_Magnet8) be stimmt wird.

Durch diese Neukonstruktion kann damit praktisch die doppelte Schaltleistung im Vergleich zu herkömmlichen Elek tromagneten aufgebracht werden, ohne daß ein größerer Elek tromagnet verwendet werden muß. Es können somit Ventil scheiben mit vergleichweise geringer Scheibendicke Verwen dung finden.

Bei der Verschiebung des Ventilschiebers gemäß Fig. 2 wird der Federteller 30 von seiner Stützposition abgehoben und die Zentrierfeder 26 gespannt, während die andere Zen trierfeder 24 keine Wirkung entfaltet, da der Federteller 28 in seiner Stützposition verbleibt und die Spannung der Feder 24 konstant bleibt. Da die Federrate der Federn 24 und 26 vergleichsweise gering ist, kann die Kraft des Elek tromagneten nahezu vollständig zur Ventilverstellung ausge nutzt werden.

Die Verschiebung des Ventilschiebers 6 in umgekehrter Richtung (links in Fig. 2) erfolgt entsprechend durch Be stromung der Spulenkörper 16 und 19 der Elektromagnete 8 bzw. 10, so daß der Doppelhubmagnet 8 gegen die Kraft der Feder 12 wirkt, während der Ventilschieber 6 durch die Kraft der Feder 14 und des Doppelhubmagneten 10 in Ver schieberichtung beaufschlagt wird.

Prinzipiell läßt sich die erfindungsgemäße Ventilanord nung für Sekundärfunktionen an Arbeitsmaschinen verwenden, die keine maximalen Volumensströme leiten und die ohne Hilfsfunktionen, wie beispielsweise Rastung der Ventilstel lungen, automatisches Entrasten, leckölfreie Abdichtung usw. ausgeführt sind. Das bevorzugte Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Ventilanordnungen dürften bei der Automa tisierung von Bewegungsabläufen mittels Standardventilen liegen, über die kleine und mittlere Hydraulikfluidvolumen ströme geschaltet werden.

Wie bereits eingangs erwähnt, ist die Anwendung nicht auf Dreistellungsventile beschränkt, sondern es können auch Ventilanordnungen mit einer Nullstellung und einer oder mehreren ersten Arbeitsstellungen verwendet werden, bei de nen der Ventilschieber aus der Nullstellung nur in einer Richtung verschoben wird. Bei einer derartigen Anwendung reicht es aus, wenn beidseitig ein handelsüblicher Elektro magnet angeordnet ist, die beide in gleicher Richtung auf den Ventilschieber wirken, so daß ein Elektromagnet die Fe der kompensiert und der andere die Axialverschiebung ver ursacht. Dabei können eine oder mehrere Federn vorgesehen werden, um den Ventilschieber in seine Null-Anschlagposi tion vorzuspannen. Die Federn 12, 14 können über Federtel ler (strichpunktiert angedeutet in Fig. 1 rechts) auf den Anker 20, 21 wirken, so daß diese (wie die Federteller 28, 30) in der Nullstellung am (Magnet)-Gehäuse abgestützt sind. Bei der Verschiebung des Ventilschiebers wird einer der Federteller abgehoben und die zugeordnete Feder kompri miert, während der andere Federteller in seiner Stützstel lung bleibt. Die zugeordnete Feder beaufschlagt den Ventil schieber nicht in Verschieberichtung.

Offenbart ist eine elektrisch verstellbare Ventilanord nung, deren Ventilschieber über Elektromagnete in seine Ar beitsstellung verschiebbar ist. Dabei wirken auf beide Stirnseiten des Ventilschiebers zwei Elektromagnete in der gleichen Richtung, so daß durch einen dieser Elektromagnete die Kraft einer Vorspannfeder kompensiert wird, während durch den anderen Elektromagnet die Axialbewegung des Ven tilschiebers erfolgt. Auf diese Weise läßt sich durch Ver wendung üblicher Magneten die Schaltleistung praktisch ver doppeln, so daß bei Ventilanordnungen in Scheibenbauweise keine Vergrößerung der Scheibendicke aufgrund größerer Elektromagneten erforderlich ist.

Claims

1. Elektrisch verstellbare Ventilanordnung mit einem Ventilschieber (6), der durch Federvorspannung in seine Nullstellung vorgespannt ist und mittels ei nes Elektromagneten (8, 10) in eine Arbeitsstellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Ven tilschieber (6) durch gleichzeitige Ansteuerung zweier gegen die Kraft einer Feder (12, 14) wir kende Elektromagnete (8, 10) in die Arbeitsstellung bringbar ist.

2. Ventilanordnung nach Patentanspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, daß beide Ventilschieberseiten mit jeweils einer Feder (12, 14) und einem Elektroma gneten (8, 10) beaufschlagt sind.

3. Ventilanordnung nach Patentanspruch 1 oder 2, da durch gekennzeichnet, daß jede Feder auf die vom Ventilschieber (6) abgewandte Seite eines Ankers (16-19) der Elektromagnete (8, 10) wirkt.

4. Ventilanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß beide Elektroma gnete (8, 10) Hubmagnete sind, wobei ein Elektroma gnet über eine Umlenkeinrichtung auf den Ventil schieber (6) wirkt.

5. Ventilanordnung nach einem der Patentansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Ventil schieberseite eine Elektromagnetanordnung (8, 10) zugeordnet ist, über die der Ventilschieber (6) in zwei Richtungen beaufschlagbar ist.

6. Ventilanordnung nach Patentanspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektromagnetanordnung mit ziehender und stoßender Wirkrichtung ein Doppelhub magnet (8, 10) ist.

7. Ventilanordnung nach Patentanspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, daß die Elektromagnetanordnung (8, 10) durch zwei koaxial hintereinander geschaltete Elektromagnete gebildet ist, deren Anker miteinan der verbunden sind.

8. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Pa tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnete (8, 10) Proportionalmagnete mit Wegaufnehmer sind.

9. Ventilanordnung nach einem der von Patentansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß jede Feder (12, 14) am zugeordneten Anker (16 bis 19) über einen Federteller abgestützt ist, der seinerseits in der Nullstellung des Ankers an einer Gehäuseschulter abgestützt ist.

10. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Pa tentansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ven tilschieber (6) über Zentrierfedern (24, 26) in seine Nullstellung vorgespannt ist, die einerseits am Ventilgehäuse (2) abgestützt ist und anderer seits an einem Federteller (28, 30) angreift, der in Anlage an eine Ventilschieberstirnseite bringbar ist und in der Nullstellung des Ventilschiebers (6) gegen das Ventilgehäuse (2) vorgespannt ist.

11. Ventilanordnung nach Patentanspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die Vorspannung der beiden Federn (12, 14) zwischen 50 und 100 N, die Vorspannung der Zentrierfeder etwa 1/10 davon und die von jedem Ma gneten aufzubringende Kraft etwa der Federkraft entspricht.