Die Erfindung betrifft ein Schieberventil der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art.

In der Praxis bekannte Schieberventile, beispielsweise auch sogenannte Proportional-Schieberventile, werden hydraulisch oder fallweise manuell aus einer Grund- oder Neutralstellung verstellt, um Hydraulikströme zu steuern und/oder je nach Auslenkungsgrad eine bestimmte Strommenge pro Zeiteinheit durchzulassen. In den meisten Schieberventilen wird die Grund- oder Neutralstellung durch die Federanordnung eingestellt, die dann noch eine Grundvorspannung hat, die jedoch geringer ist, als die Vorspannung in jeder ausgelenkten Hubwegstellung des Schieberkolbens. Die Gegenkraft aus der Grund- oder Neutralstellung nimmt in jeder Verstellrichtung zu, da die Federanordnung zunehmend zusammengedrückt wird. Der Schieberkolben bleibt solange in einer ausgelenkten Hubwegstellung, wie eine entsprechende Verstellkraft wirkt. Da der eigentliche Verstellwiderstand des Schieberkolbens von vielen Faktoren abhängt, die sich im Betrieb ändern, ist es zwischen mechanisch begrenzten Endpositionen kaum möglich eine ausgelenkte Zwischen-Hubwegstellung mit hydraulisch erzeugter Verstellkraft exakt einzustellen, und zu halten.

In elektrohydraulischen Spannvorrichtungen von Werkzeugmaschinen sind hydraulisch verstellbare Richtungssteuer-Schieberventile bekannt, deren Schieberkolben in beiden Richtungs-Endstellungen durch eine mechanische Verrastung festlegbar ist, um sicherzustellen, dass bei einem Stromausfall und Verlust der hydraulischen Stellkraft der Schieberkolben in der eingestellten Endstellung verharrt. Diese Schieberventile enthalten keine den Schieberkolben beaufschlagende Federanordnung.

Ferner sind in der Praxis Proportionalschieberventile oder Federanordnung beispielsweise für Erdbohrgeräte bekannt, deren Schieberkolben in jeder Hubwegstellung stehen bleibt, um eine bestimmte Bohrgeschwindigkeit (Strommenge) einzuhalten.

Bei einem aus US 30 88 489 bekannten, hydraulisch betätigten Schieberventil weist ein mit dem Schieber verfahrbarer Hülsenkörper innenliegende Rastnuten auf, die mit mehreren um den Umfang verteilten Rastkugeln zusammenarbeiten. Die Rastkugeln sind in einem im Gehäuse festgelegten Kolben platziert und werden durch eine Feder und einen Konus des Kolbens in die Eingriffsstellung gedrückt. Zum Lösen der Verrastung wird der Kolben mit dem Konus hydraulisch. gegen Federkraft verstellt.

Bei einem aus US 4 936 346 (2 und 3) bekannten, mechanisch verstellbaren Schieberventil ist im Inneren des Schiebers ein Kolben hydraulisch gegen Federkraft verstellbar, der über einen konischen Verstellabschnitt mehrere in Umfangsrichtung verteilte Rastkugeln nach außen und in Eingriff mit jeweils einer nach innen offenen Rastnut beaufschlagt. Zum Lösen einer verrasteten Hubwegstellung wird der Stelldruck für den Kolben abgebaut, so dass der Kolben durch die Federkraft in eine Lösestellung gedrängt wird, in der die Rastkugeln nach innen in den Schieber zurückgedrückt werden.

Weiterer Stand der Technik ist enthalten in US 4 309 022, US 3 128 677, US 3 891 182 und US 3 790 129.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Schieberventil mit einer den Schieberkolben beaufschlagenden Federanordnung zu schaffen, das zumindest hydraulisch einfach zu verstellen ist und eine kompakte, funktionssichere Verrastung aufweist.

Die gestellte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Die Kombination der mechanischen Rastvorrichtung, die wenigstens eine zweite vorbestimmte, verrastete Hubwegstellung des Schieberkolbens definiert, mit der Federanordnung, die eine erste vorbestimmte Hubwegstellung definiert, resultiert in einer einfachen, zumindest hydraulischen Verstellung des Schieberventils. Da die Verstellkraft den Schieberkolben aus der ersten Hubwegstellung gegen die sich verformende Federanordnung bewegt, und die Haltekraft der Rastvorrichtung in der zweiten Hubwegstellung größer eingestellt ist als die Wirkkraft der Federanordnung ist, liegen bei der Verstellung relativ genau vorherbestimmte Kraftverhältnisse vor, gegenüber denen den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens grundsätzlich variierende Einflüsse in den Hintergrund treten. D.h., der hydraulische Verstelldruck und/oder die Einwirkzeit des hydraulischen Verstelldrucks ist bzw. sind genau bekannt, um den Schieberkolben zuverlässig in die zweite verrastete Hubwegstellung zu bringen, die dieser einhält, sobald keine Verstellkraft mehr wirkt. Es kann der hydraulische Verstelldruck relativ grob auf einen so hohen Wert eingestellt werden, dass die zweite vorbestimmte Hubwegstellung zuverlässig erreicht wird, ohne Gefahr, den Schieberkolben über die zweite vorbestimmte Hubwegstellung hinaus zu verfahren. Denn bei Erreichen der zweiten vorbestimmte Hubwegstellung wirken die gestiegene Kraft der Federanordnung und die Kraft der Rastvorrichtung, wobei jedoch die Kraft der Federanordnung nach Überfahren der zweiten vorbestimmten Hubwegstellung noch aufstiege. Durch das Zusammenspiel zwischen der mechanischen Rastvorrichtung und der Federanordnung lässt sich das Schieberventil demzufolge sehr einfach hydraulisch verstellen. Dies gilt auch für eine mechanische oder eine Handverstellung, die gegebenenfalls zusätzlich zur hydraulischen Verstellvorrichtung vorgesehen ist. Um den Schieberkolben aus der wenigstens einen zweiten vorbestimmten, verrasteten Hubwegstellung wieder zurück in die erste Hubwegstellung zu bringen, ist es nun nur erforderlich, einen hydraulischen oder mechanischen Verstellkraftimpuls aufzubringen, der unter der Rückstellkraft der Federanordnung ausreicht, die Haltekraft der Rastvorrichtung zu überwinden. Sobald die Haltekraft der Rastvorrichtung überwunden ist, bringt die Federanordnung den Schieberkolben selbsttätig in die erste Hubwegstellung zurück. Trotz steuerungstechnisch einfacher hydraulischer Verstellung des Schieberventils ist hohe Sicherheit gegeben, dass der Schieberkolben die jeweils gewünschte Hubwegstellung genau erreicht. Deshalb kann das Schieberventil sogar ohne zusätzliche Überwachungseinrichtungen für Einsatzfälle benutzt werden, in denen bisher zusätzliche Überwachungsvorrichtungen notwendig waren, um das Erreichen der gewünschten Hubwegstellung zu bestätigen. Zusammengefasst werden die sich aus der Kombination der Federanordnung und der Rastvorrichtung ergebenden, relativ genau bekannten Kraftverhältnisse genutzt, um ohne Beeinträchtigung durch die unvermeidlichen, den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens im Betrieb variierenden Einflüsse eine präzise Verstellung des Schieberventils steuern zu können, und den Schieberkolben in der jeweils gewünschten Hubwegstellung selbsthaltend zu positionieren. Zweckmäßig definiert die Rastvorrichtung eine zweite und mindestens eine dritte vorbestimmte verrastete Hubwegstellung des Schieberkolbens. Diese Hubwegstellungen sind nicht notwendigerweise die Endstellungen des Hubwegs des Schieberkolbens. Die zweiten und dritten Hubwegstellungen könnten durchaus an derselben Seite der ersten Hubwegstellung gewählt werden. Die Rastvorrichtung weist wenigstens ein Rastglied und wenigstens eine Rastvertiefung für das Rastglied auf, die sich bei der Bewegung des Schieberkolbens relativ zueinander bewegen, und dabei keine nennenswerten Hemmkräfte aufbauen, bis die verrastete Hubwegstellung erreicht ist. Die herstellungstechnisch einfache und kompakte Rastvorrichtung zeichnet sich durch eine mit dem Schieberkolben gekoppelte Hülse aus, die die Rastvertiefung aufweist, und von einem Hülsenkörper umgeben ist, in welchem die Rastglieder gehaltert sind. Die Rastglieder sind zweckmäßigerweise federbelastete Kugeln, die einen sicheren Rasteingriff erzeugen, außerhalb des Rasteingriffes jedoch keine nennenswerten Hemmkräfte produzieren. Es dient ein erster Gehäusekappenanschlag zum Positionieren des Hülsenkörpers und als Abstützung für ein erstes Federwiderlager, wobei die Gehäusekappe auch einen zweiten Anschlag für ein zweites Federwiderlager hat, das auf der Hülse angeordnet ist. Zwischen den Federwiderlagern ist wenigstens eine vorgespannte Druckfeder vorgesehen. Montagetechnisch einfach wird die Hülse über einen Spannteil am Schieberkolben gehalten. Die Hülse weist einen Bewegungsabschnitt für die beiden Federwiderlager auf, wobei die Hülse und der Spannteil den Bewegungsabschnitt in axialer Richtung begrenzende Mitnehmeranschläge für die beiden Federwiderlager bilden.

Der hydraulische Verstelldruck der Verstellvorrichtung wird auf einen Wert eingestellt, der größer ist als die Festsetzkraft der Rastvorrichtung in der verrasteten Hubwegstellung. Damit ist sichergestellt, dass der Schieberkolben gegen die zunehmende Kraft der Federanordnung in die zweite Hubwegstellung gebracht und dort verrastet wird, da die wirksame Kraft der Federanordnung kleiner ist, als die Festsetzkraft der Rastvorrichtung. Diese Druck-Einstellung gewährleistet, dass die verrastete Hubwegposition des Schieberkolbens einfach auch wieder gelöst werden kann, um den Schieberkolben in die erste Hubwegstellung zurückzubringen. Der Verstelldruck kann jedoch auch, abhängig von der Verstellrichtung, für jede Verstellrichtung anders eingestellt werden.

Zweckmäßig ist ein Verstelldruck-Einstellventil mit einem Betätigungsmagneten vorgesehen. Über das Einstellventil wird der jeweils erforderliche Verstelldruck aufgebaut, wobei der Betätigungsmagnet gegebenenfalls auch die Zeitdauer der Einwirkung des Verstelldrucks steuert. Handelt es sich bei dem Betätigungsmagneten um einen Proportionalmagneten, dann kann der Verstelldruck und/oder die Verstellgeschwindigkeit mit dem Wert des Stroms für den Proportionalmagneten besonders einfach eingestellt werden.

In einer bevorzugten Ausführungsform sind zwei ausgelenkte und verrastete Hubwegstellungen des Schieberkolbens in etwa beiderseits einer Mittellage des Schieberkolbens vorgesehen, die die erste Hubwegstellung ist. Da die Federanordnung in den beiden Verstellrichtungen in etwa die gleiche Kraftzunahme erzeugt, können für die beiden Verstellrichtungen in etwa gleiche Verstelldrücke eingesetzt werden.

Um mit relativ geringem mechanischem Kraftaufwand eine stabile verrastete Hubwegstellung zu erhalten, sollte jeder Rastvertiefung als Umfangsnut für den gleichzeitigen Rasteingriff mehreren in Umfangsrichtung verteilter Rastglieder ausgebildet sein. Alternativ könnten auch auf die Rastglieder ausgerichtete Vertiefungen benutzt werden, in die die Rastglieder gleichzeitig eingreifen.

Bei einer konkreten Ausführungsform weist die Hülse zwei axial beabstandete Umfangsnuten und zwischen diesen eine zylindrische Einschnürung auf, von der, vorzugsweise, jeweils ansteigende Flanken zu den Umfangsnuten führen. Diese Ausbildung resultiert in einem exakt vorherbestimmbaren Kraftverlauf bis zum Einrücken und nach dem Ausrücken der Rastvorrichtung. In der zylindrischen Einschnürung üben die Rastglieder keinen nennenswerten Einfluss mehr aus, weil dann die Federanordnung die Positionierung vornimmt.

Montagetechnisch einfach werden die Rastglieder gemeinsam durch ein Federelement beaufschlagt. Hierzu ist eine C-förmige, am Hülsenkörper drehgesicherte Feder zweckmäßig. Die Rastvorrichtung lässt sich bequem in einer Gehäusekappe baulich mit der Federanordnung kombinieren. Diese vorfertigbare Baueinheit kann bei Bedarf an verschiedene Typen von Schieberventilen angebaut werden. In der Gehäusekappe erfolgt z.B. die hydraulische Verstell-Beaufschlagung des Schieberkolbens.

An einem Gehäuseende des Schieberventils kann eine zusätzliche mechanische Verstellvorrichtung für den Schieberkolben vorgesehen sein. Die Zusammenarbeit zwischen der Federanordnung und der Rastvorrichtung lässt sich auch bei Benutzen der mechanischen Verstellvorrichtung einsetzen, z.B. bei einer Handverstellung.

Der Innenquerschnitt des Hülsenkörpers entspricht in etwa der hydraulischen Verstelldruckbeaufschlagungsfläche des Schieberkolbens. Dies bedeutet, dass der hydraulische Verstelldruck in dem Bereich zur Wirkung kommt, in der sich die Federanordnung und die damit kombinierte Rastvorrichtung befinden. Dies schließt aber nicht aus, die Rastanordnung beispielsweise bei einem Ende des Schieberkolbens, und die Federanordnung beim anderen Ende des Schieberkolbens anzuordnen, oder an beiden Schieberkolbenenden jeweils eine Rastvorrichtung und eine Federanordnung vorzusehen.

Anhand der Zeichnung wird eine Ausführungsform des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigt:

1 eine Seitenansicht eines Schieberventils, teilweise axial geschnitten.

Ein Schieberventil S enthält in einem blockförmigen Gehäuse 1 einen linear verstellbaren Schieberkolben 2, wobei zur hydraulischen Verstellung des Schieberkolbens 2 für jede Verstellrichtung ein mit einer Dichtung 5 abgedichteter Ventileinsatz 3 eines Ventils 4 (nur ein Ventil 4 ist gezeigt) in das Gehäuse 1 eingreift, derart, dass der Verstelldruck z. B. im Inneren einer Gehäusekappe 9 wirkt. Das Ventil 4 ist mit Befestigungsschrauben 6 am Gehäuse 1 befestigt und weist einen Betätigungsmagneten 7 auf. Zweckmäßig ist der Betätigungsmagnet 7 ein Proportionalmagnet, der in Abhängigkeit von der Stromstärke den Verstelldruck steuert.

Die Gehäusekappe 9 definiert einen durch eine Dichtung 14 abgedichteten Raum 8 für den Verstelldruck und nimmt bei dieser Ausführungsform eine Kombination aus einer mechanischen Rastvorrichtung R und einer Federanordnung F auf.

Am anderen Ende des Gehäuses 1 ist eine mechanische Verstellvorrichtung M vorgesehen. Ein Block 10 am Gehäuse 1 koppelt einen Lenker 11 an einer Stellwelle 12 mit dem Schieberkolben 2. Die Stellwelle 12 lässt sich mittels eines Handhebels 3 von Hand (oder durch einen nicht gezeigten Antrieb) verschwenken.

Die mechanische Rastvorrichtung R besteht aus einer Hülse H mit zwei axial beabstandeten Rastvertiefungen N1, N2, und einem die Hülse H umgebenden, gegebenenfalls führenden, Hülsenkörper K, in dem in Umfangsrichtung verteilte Rastglieder G radial verstellbar gehaltert sind. Die Hülse H ist durch eine Spannschraube 15 und eine Unterlegscheibe 16 zu gemeinsamen Bewegung mit dem Schieberkolben 2 (Anschlag) verbunden. Die beiden Rastvertiefungen N1, N2 sind bei der gezeigten Ausführungsform Umfangsnuten, annähernd dreieckigen Querschnitts, zwischen denen eine zylindrische Einschnürung 18 vorgesehen ist. Von der zylindrischen Einschnürung 18 führen jeweils schräge oder gerundete Rampen 19 zu den Umfangsnuten.

Die Rastglieder G sind Kugeln, die in einer zur Achse der Spannschraube 15 senkrechten Ebene in Radialbohrungen des Hülsenkörpers K sitzen, z.B. acht in regelmäßigen Umfangsabständen angeordnete Kugeln. Alle vorgesehenen Rastglieder werden von einem gemeinsamen Federelement 20 nach innen nachgiebig beaufschlagt, z.B. durch eine C-förmige Feder, die im Hülsenkörper K verdrehgesichert ist.

Anstelle der die Rastvertiefungen N1, N2 bildenden Umfangsnuten könnten auch in Umfangsrichtung verteilte, auf die Rastglieder G ausgerichtete Vertiefungen so vorgesehen sein, dass alle Rastglieder zur gleichen Zeit zum Eingriff kommen. Ferner könnte nur eine Rastvertiefung bzw. Umfangsnut vorgesehen sein, oder könnten über die Länge der Hülse H mehr als zwei Rastvertiefungen vorgesehen sein. Eine kinematische Umkehr ist ebenfalls möglich, d.h., die Rastglieder könnten in der Hülse H angeordnet sein, während die Rastvertiefungen N1, N2 dann im Hülsenkörper K gebildet wären.

Die Federanordnung F besteht aus ersten und zweiten Federwiderlagern W1, W2 und wenigstens einer zwischen den Federwiderlagern W1, W2 angeordneten, vorgespannten Druckfeder 21.

Der Hülsenkörper K ist stationär in der Gehäusekappe 9 positioniert, beispielsweise durch einen ersten Anschlag A1 (einen Sicherungsring) und einen Unterlegring 17. Der erste Anschlag A1 fängt auch das erste Federwiderlager W1 in Verstellrichtung in 1 nach oben ab. Am Grund der Gehäusekappe 9 ist ein zweiter Anschlag A2 vorgesehen, an dem das zweite Federwiderlager W2 in Verstellrichtung in 1 nach unten abgefangen wird. Beide Federwiderlager W1, W2 sind auf einem durchmesserverringerten Bewegungsabschnitt 22 der Hülse H angeordnet, wobei die Spannschraube 15 mit der Unterlegscheibe 16 sowie eine Schulter der Hülse H Mitnehmeranschläge A3, A4 für die beiden Federwiderlager W1, W2 bilden und den Bewegungsabschnitt 22 in axialer Richtung begrenzen.

In 1 befindet sich der Schieberkolben 2 in einer vorbestimmten ersten Hubwegstellung, beispielsweise einer Mittellage (einer Grundstellung oder Neutralstellung). Diese erste Hubwegstellung wird durch die Federanordnung F eingestellt, weil die Druckfeder 21 die beiden Federwiderlager W1, W2 gegen die ersten und zweiten Anschläge A1, A2 und gegen die beiden Mitnehmeranschläge A3, A4 presst. Die Rastglieder G liegen mit geringem Anlagedruck, oder gegebenenfalls relativ kraftlos, in der Mitte der zylindrischen Einschnürung 18 an. In der Kammer 8 herrscht kein oder nur geringer Verstelldruck.

Um den Schieberkolben 2 aus der gezeigten ersten Hubwegstellung in einer zweite, vorbestimmte Hubwegstellung nach oben zu verstellen, wird in der Kammer 8 Verstelldruck aufgebaut, der auf der Querschnittsfläche des Schieberkolbens 2 wirkt (dem Innenquerschnitt des Hülsenkörpers K). Der Schieberkolben wird nach oben verschoben, bis die Rastglieder G in die Rastvertiefung N2 einrasten. Dabei wird das zweite Federwiderlager W2 vom zweiten Anschlag A2 abgehoben, während das erste Federwiderlager W1 am ersten Anschlag A1 abgefangen bleibt und auf dem Bewegungsabschnitt 22 gleitet. Die Druckfeder 21 wird zunehmend komprimiert. Die Verstellkraft des Schieberkolbens 2 wächst entsprechend der Federrate der Druckfeder 21, und bei Annäherung der Rastvertiefung N2 an die Rastglieder G auch etwas beeinflusst durch den Reibungswiderstand der Rastglieder G an der unteren Rampe 19, bis die Rastglieder G schließlich in der Rastvertiefung N2 einrasten. Die Haltekraft der eingerasteten Rastglieder G ist höher als die Kraft der Federanordnung in dieser Hubwegstellung des Schieberkolbens 2. Durch Einstellen des Verstelldrucks auf einen Wert, der z.B. etwas größer ist als die Haltekraft der Rastvorrichtung R, wird der Schieberkolben 2 zuverlässig in diese verrastete und ausgelenkte Hubwegstellung gebracht. Dann kann der hydraulische Verstelldruck in der Kammer 8 abgebaut werden. Der Schieberkolben 2 bleibt in der zweiten Hubwegstellung.

Um den Schieberkolben 2 wieder in die gezeigte erste Hubwegstellung zurückzuführen, wird beim anderen Ende des Schieberkolbens 2 ein entsprechender Verstelldruck eingesteuert. Hierbei genügt ein kurzer Druckimpuls mit einer Stärke gerade größer als die Haltekraft der Rastvorrichtung R, um die Rastglieder G aus der Rastvertiefung N2 zu lösen. Zum Rückstellen des Schieberkolbens 2 bis in die gezeigte Lage ist kein hydraulischer Verstelldruck unbedingt erforderlich, weil die Federanordnung F wirksam wird, und auch die Rampe 19 mithilft.

Um den Schieberkolben 2 in die dritte vorbestimmte und ausgelenkte sowie verrastete Hubwegstellung zu bringen (Einrasten der Rastglieder G in die Rastvertiefung N1) wird entsprechend auf das in 1 oben liegende Ende des Schieberkolbens hydraulischer Verstelldruck ausgeübt.

Wahlweise kann auch die mechanische Verstellvorrichtung M benutzt werden.

Da beim Verstellen des Schieberkolbens 2, z.B. bei hydraulischer Verstellung, durch die Federanordnung F und die Rastvorrichtung R relativ genau vorherbestimmbare oder ermittelbare Kraftverhältnisse bzw. Kraftprofile mit durchaus nennenswerten Kräften gegeben sind, spielen andere Einflüsse (Temperatur, Verschleiß, Einbaulage, Erschütterungen, und dgl.) für den Bewegungswiderstand des Schieberkolbens bei der Verstellkraft allenfalls eine untergeordnete Rolle. Die hydraulisch aufzubringende Verstellkraft lässt sich genau steuern, um den Schieberkolben mit gewünschter Geschwindigkeit und genau in die gewünschte Hubwegstellung zu bringen. Die hydraulische Verstellkraft lässt sich besonders zweckmäßig mit Hilfe eines Proportionalmagneten einstellen. Zum Rückstellen des Kolbenschiebers ist nur ein Verstellkraftimpuls erforderlich, um die Verrastung zu lösen, ehe die Federanordnung die weitere Rückstellung übernimmt.