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Die
Erfindung betrifft ein hydromechanisches Filterventil zur Filterung
von Druckschwingungen bestimmter Frequenz und/oder Amplituden eines Drucksignals,
das in einer Steuer- oder Druckleitung anliegt. Die Erfindung betrifft
des Weiteren eine LS-Steueranordnung.
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Insbesondere
bei Load-Sensing-Systemen (LS-Systeme) können in der LS-Leitung, über die
der höchste
Lastdruck mehrerer Verbraucher abgegriffen und zu einem Pumpenregler
geführt
wird, Druckschwingungen auftreten, die dann in Schwingungen des
Pumpendrucks resultieren. Es zeigte sich, dass insbesondere in der
Mobilhydraulik die niederfrequenten Schwingungen zu mechanischen
Schwingungen von hydraulischen Verbrauchern führen können und daher nicht akzeptabel
sind.
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Bei
LS-Systemen können
derartige Druckschwingungen durch Veränderung an den Ventilen oder
Pumpenreglern verringert werden, wobei beispielsweise die Federn
der Individualdruckwaagen des LS-Systems so ausgelegt werden, dass
die unerwünschten
Schwingungen verringert werden. Es sind auch Lösungen bekannt, bei denen in
der LS-Leitung ein Drosselrückschlagventil
oder ähnliches
eingebaut wurde; es zeigte sich jedoch, dass derartige Lösungen eine
Verbesserung nur in bestimmten Arbeitspunkten ermöglichen,
im Übrigen
jedoch unwirksam sind.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein hydromechanisches Filterventil zu
schaffen, mit dem unerwünschte
Druckschwankungen zuverlässig beseitigt
werden können.
Der Erfindung liegt des weiteren die Aufgabe zugrunde, eine LS-Steueranordnung
zu schaffen, bei der niederfrequente Schwankungen des Pumpendrucks
mit geringem vorrichtungstechnischen Aufwand minimiert sind.
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Diese
Aufgabe wird hinsichtlich des hydraulischen Filterventils durch
die Merkmale des Patentanspruches 1 und hinsichtlich der LS-Steueranordnung durch
die Merkmale des Patentanspruches 14 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat das
hydromechanische Filterventil einen eine Verbindung zwischen einem
Zulauf und einem Ablauf auf- bzw. zusteuernden Ventilkörper, der
mit zwei druckbeaufschlagten Flächen
ausgeführt
ist, wobei eine in Drosselrichtung und die andere in Öffnungsrichtung
wirkt. Beide Flächen
werden über
eine jeweils vom Zulauf abzweigende Steuerleitung mit dem Zulaufdruck
beaufschlagt, wobei in der Steuerleitung, über die die in Drosselrichtung
wirksame Fläche
mit Steueröl
beaufschlagt wird, eine Ventileinrichtung vorgesehen ist, die Steuersignale
oder deren Anteile mit dem zu filternden Frequenzbereich nicht oder
mit stark verringerter Amplitude durchlässt. Dabei werden Signalanteile
mit einer Frequenz oberhalb einer Grenzfrequenz nicht oder nur abgeschwächt durchgelassen und
Signalanteile mit einer Frequenz unterhalb der Grenzfrequenz im
wesentlichen durchgelassen.
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Demzufolge
basiert die Erfindung darauf, dass das im Zulauf anliegende Drucksignal
zum einen an einer Steuerkante des Filterventils ansteht und gleichzeitig
auf seine beiden Steuerflächen
geleitet wird, wobei in Öffnungsrichtung
das Drucksignal im wesentlichen unverändert wirksam ist, während in
Drosselrichtung durch die in der Steuerleitung angeordnete Ventileinrichtung nur
Drucksignale wirken, die im zu filternden Frequenzbereich oder darunter
liegen. Das heißt, über die
Ventileinrichtung in der Steuerleitung werden Drucksignale mit einer
relativ hohen Frequenz gesperrt, so dass diese praktisch als Tiefpassfilter
wirkt. Demzufolge wirken bei niedrigeren Frequenzen bzw. Druckanstiegsgeschwindigkeiten
bzw. Druckabbaugeschwindigkeiten auf beiden Seiten des Ventilkörpers die
gleichen Kräfte
und dieser verbleibt in seiner Grundposition (minimaler Durchfluss
bzw. maximaler Durchfluss je nach Ausführung). Für den Fall, dass die Druckschwankungen relativ
hochfrequent sind, so werden diese über die Ventileinrichtung in
der Steuerleitung gefiltert, dass der relativ hochfrequente Anteil
des Drucksignals nur auf die andere Steuerfläche in Öffnungsrichtung wirkt – der Ventilkörper wird
dann entsprechend in Öffnungsrichtung
verschoben und das hochfrequente Drucksignal durchgelassen. Vergleichsweise
niederfrequente Druckschwankungen werden über das Filterventil dagegen
zuverlässig
gesperrt. Durch Einsatz eines derartigen hydromechanischen Filterventils
in eine LS-Leitung einer LS-Steueranordnung können Schwankungen des Pumpendrucks
im schädlichen
Bereich zuverlässig
verhindert werden.
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Bei
einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel
ist die als Tiefpassfilter wirksame, in der Steuerleitung angeordnete
Ventileinrichtung durch eine Filterdrossel und ein dazu in Reihe
geschaltetes Filtervolumen ausgeführt. Durch Auslegung des Drosseldurchmessers
und des Filtervolumens kann dabei der Frequenzgang dieses Tiefpassfilters
an die vorliegenden Betriebsbedingungen angepasst werden.
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Um
das Filterventil auch nach einem schnellen Druckanstieg noch für eine kurze
Zeit offen zu halten, kann in der anderen, zur in Öffnungsrichtung wirksamen
Steuerfläche
führenden
Steuerleitung ein Drosselrückschlagventil
vorgesehen werden.
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Der
Ventilkörper
des Filterventils wird vorzugsweise über eine Feder in Richtung
seiner Schließposition
vorgespannt.
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Erfindungsgemäß wird es
bevorzugt, wenn das Filterventil mit negativer Überdeckung ausgeführt ist,
so dass der Ventilkörper
niemals vollständig schließt, so dass
sehr langsame Druckänderungen, die
nicht zu unerwünschten
Schwingungen im System führen,
das Ventil passieren können.
D.h., das erfindungsgemäße Filterventil
ist nicht als Hochpass sondern als Bandsperre ausgeführt, wobei
sehr langsame Druckschwankungen und hochfrequente Druckschwankungen
durchgelassen werden, während
ein dazwischen liegender schädlicher
Frequenzbereich gesperrt ist.
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Dieser
Frequenzbereich liegt bei LS-Steueranordnungen in der Mobiltechnik
häufig
im Bereich zwischen 5 und 20 Hertz.
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Die
Ventileinrichtung hat vorzugsweise eine variable Filterdrossel,
so dass die Drosselwirkung mit stärker werdender Schwingung größer wird.
In der Öffnungsstellung
weist die Filterdrossel einen großen Durchmesser auf. In der
Drosselstellung hat diese einen kleinen Durchmesser. Bei stärkeren Schwingungen
bleibt daher der Schieber länger
in einer Drosselstellung.
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Entsprechend
einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörper des
Filterventils über
eine Druckfeder in Öffnungsrichtung
vorgespannt, so dass das Filterventil in der Ruhestellung auf gesteuert
ist und eine starke Androsselung jedes Drucksignals vermieden wird
und erst bei einer bestimmten Dynamik eine Androsselung vorgenommen wird.
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In
dem Fall, in dem die LS-Steueranordnung zur Ansteuerung mehrerer
Verbraucher vorgesehen ist, wird vorzugsweise jeder einem Verbraucher
zugeordneten Zumessblende eine Individualdruckwaage zugeordnet.
Das erfindungsgemäße Ventil
wird jedoch nur einmal benötigt,
in der LS-Leitung zwischen Ventilblock und Pumpe. Es muss nicht
jeder Ventilscheibe ein separates Filterventil zugeordnet werden.
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Die
Pumpe zur Druckmittelversorgung der Verbraucher kann als Verstellpumpe
oder als Konstantpumpe mit Bypassdruckwaage ausgeführt sein.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer
Unteransprüche.
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Im
Folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein
Schaltbild einer LS-Steueranordnung mit einem ersten Ausführungsbeispiel
eines hydromechanischen Filterventils;
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2 das
hydromechanische Filterventil aus 1;
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3 Druckschwankungen
des Pumpendrucks und des Lastdrucks bei einer herkömmlichen LS-Steueranordnung;
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4 Schwankungen
des Pumpendrucks und des LS-Drucks
bei einer erfindungsgemäßen LS-Steueranordnung
entsprechend 1;
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5 ein
zweites Ausführungsbeispiel
eines hydromechanischen Filterventils;
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6 ein
drittes Ausführungsbeispiel
eines hydromechanischen Filterventils;
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7 Druckschwankungen
des Pumpendrucks und des LS-Drucks bei einer herkömmlichen LS-Steueranordnung;
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8 Schwankungen
des Pumpendrucks und des LS-Drucks
bei einer erfindungsgemäßen LS-Steueranordnung
nach 6 bei geringer Schieberdämpfung; und
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9 Schwankungen
des Pumpendrucks und des LS-Drucks
bei einer erfindungsgemäßen LS-Steueranordnung
nach 6 bei starker Schieberdämpfung.
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1 zeigt
ein Schaltschema einer LS-Steueranordnung 1 eines
mobilen Arbeitsgerätes,
beispielsweise eines Traktors. Dieser hat eine Vielzahl von Verbrauchern 2,
die über
einen Mobilsteuerblock mit jeweils einer nach 1 ausgebildeten
Ventilscheibe von einer Verstellpumpe 4 mit Druckmittel versorgt
werden. In der Darstellung gemäß 1 ist lediglich
ein Verbraucher dargestellt, der beispielsweise ein Hubzylinder 2 eines
Hubwerks ist. Die Bewegungsrichtung und -geschwindigkeit des Hydraulikzylinders 2 wird
mittels eines proportional verstellbaren Wegeventils 6 eingestellt,
dessen Geschwindigkeitsteil eine Zumessblende 8 ausbildet, über die der
Druckmittelvolumenstrom zum Verbraucher 2 eingestellt wird.
Der Hydraulikzylinder 2 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel
als Differentialzylinder ausgeführt
und ist durch einen Kolben 10 in einen bodenseitigen Zylinderraum 12 und
eine von einer Kolbenstange durchsetzten Ringraum 14 unterteilt. Ein
Arbeitsanschluss A des Wegeventils 6 ist über eine
Vorlaufleitung 16 mit dem Zylinderraum 12 und ein
Arbeitsanschluss B des Wegeventils 6 über eine Rücklaufleitung 18 mit
dem Ringraum 14 des Hydraulikzylinders 2 verbunden.
Ein Druckanschluss der Verstellpumpe 4 ist über eine
Zulaufleitung 20 mit einem Eingangsanschluss P des Wegeventils
verbunden, dessen Tankanschluss T über eine Ablaufleitung 22 in
einen Tank 24 einmündet.
In der Zulaufleitung 20 ist eine Individualdruckwaage 26 angeordnet,
die in Schließrichtung über eine
Steuerleitung 28 vom Druck stromaufwärts der Zumessblende 8 und
in Öffnungsrichtung
vom Druck in einer LS-Leitung 30 beaufschlagt ist. Über diese
LS-Leitung 30 wird der Lastdruck des Verbrauchers 2 abgegriffen.
Die Individualdruckwaage 26 ist des Weiteren in Öffnungsrichtung
von der Kraft einer Feder 32 beaufschlagt. Die Individualdruckwaage 26 bildet
gemeinsam mit der Zumessblende 8 einen Stromregler aus, über den
der Druckabfall über
der Zulaufmessblende 8 unabhängig vom Lastdruck konstant
gehalten werden kann. Derartige LS-Steueranordnungen mit vorgeschalteter
Druckwaage sind aus dem Stand der Technik bekannt, so dass weitere
Ausführungen
entbehrlich sind.
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Im
Bereich zwischen der Individualdruckwaage 26 und dem proportional
verstellbaren Wegeventil 6 ist ein Rückschlagventil 31 vorgesehen,
das in Richtung zum Wegeventil 6 öffnet. In der dargestellten
federvorgespannten Grundposition (0) sind die Anschlüsse P, A,
B des Wegeventils 6 abgesperrt und die LS-Leitung 30 mit
der Ablaufleitung 22 verbunden, so dass diese druckentlastet
wird. Bei Verschieben des Wegeventils 6 in eine seiner
mit (a) gekennzeichneten Positionen wird der Druckanschluss P mit
dem Arbeitsanschluss B und der Arbeitsanschluss A mit dem Tankanschluss
T verbunden, so dass Druckmittel in Abhängigkeit von der Einstellung der
Zumessblende 8 in den Ringraum 14 gefördert und
aufgrund der Einfahrbewegung des Kolbens 10 aus dem Zylinderraum 12 zum
Tank 24 hin verdrängt wird.
Bei Einstellung des Wegeventils 6 in eine seiner mit (b)
gekennzeichneten Positionen wird entsprechend das Druckmittel über die
Zumessblende in den Zylinderraum 12 gefördert und aus dem Ringraum 14 zum
Tank 24 hin verdrängt.
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Die
LS-Leitung 30 führt
zu einem Pumpenregler 34, über den die Verstellpumpe 4 derart
geregelt wird, dass der Pumpendruck in der Zulaufleitung 20 stets über eine
vorbestimmte Druckdifferenz Δp über dem
höchsten
Lastdruck in der LS-Leitung 30 liegt (LS-System).
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Wie
bereits eingangs erwähnt,
kann es insbesondere bei Anwendungen in der Mobilhydraulik zu Druckschwankungen
in der LS-Leitung 30 kommen, die in Druckschwankungen des
Pumpendrucks resultieren, wobei insbesondere die Frequenzen im Bereich
zwischen 5 und 20 Hertz schädlich
sind und zu Unstetigkeiten in der Ansteuerung des oder der Verbraucher
führen
können.
Zur Minimierung derartiger unerwünschter
Druckschwankungen ist in der LS-Leitung ein hydromechanisches Filterventil 36 entsprechend
dem ersten Ausführungsbeispiel
angeordnet, dessen Aufbau anhand 2 erläutert wird.
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Dieses
Filterventil 36 ist als stetig verstellbares Ventil mit
negativer Überdeckung
ausgeführt
und über
eine Druckfeder 38 in Richtung einer Grundposition (a)
vorgespannt, in der die Verbindung zwischen der Zulaufseite des
Filterventils 36 und der Ablaufseite (unten in 2)
noch etwas geöffnet
ist, so dass Steueröl
vom Pumpenregler 34 und von diesem zurück zum Tank 24 strömen kann.
Ein Schieber 40 des Filterventils 36 ist mit zwei
Steuerflächen 42, 44 ausgeführt, wobei
die Steuerfläche 42 im
Sinne einer Verringerung des Durchströmungsquerschnittes und die
Steuerfläche 44 im
Sinne einer Vergrößerung des Durchströmungsquerschnittes
des Filterventils 36 wirksam ist. Vom Zulauf des Filterventils 36 zweigt
zu einem von der Steuerfläche 42 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 46 und zu einem von der Steuerfläche 44 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 48 ab, d.h. an der Steuerkante
des Schiebers 40 und an den beiden Steuerflächen 42, 44 liegt
im Prinzip der Zulaufdruck 30 an. In der der Steuerfläche 44 zugeordneten
Steuerleitung 48 ist ein Drosselrückschlagventil 50 angeordnet,
das dafür
sorgt, dass das Filterventil 36 nach einem schnellen Druckanstieg
noch kurze Zeit offen gehalten wird, so dass noch etwas Steueröl zum Ablauf
durchgelassen wird.
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In
der der Steuerfläche 42 zugeordneten Steuerleitung 46 sind
eine Filterdrossel 52 und ein Filtervolumen 54 in
Reihe zueinander angeordnet. Die Filterdrossel 52 und das
Filtervolumen 54 bilden zusammen ein Tiefpassfilter, dessen
Frequenzgang u.a. vom Durchmesser der Filterdrossel 52 und
der Größe des Filtervolumens 54 abhängt. Je
kleiner der Durchmesser der Filterdrossel 52 und je größer das Volumen
des Filtervolumens 54 ist, desto tiefer muss eine Frequenz
sein, um auf die Federseite (Steuerfläche 42) des Filterventils 36 zu
gelangen. D.h. durch die Filterdrossel 52 und das Filtervolumen 54 werden vergleichsweise
hohe Frequenzen des LS-Signals ausgefiltert.
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In Öffnungsrichtung
wirkt auf den Schieber 40 des Filterventils 36 das
LS-Signal praktisch unverändert.
In Schließrichtung
wird das LS-Signal mit Hilfe der Filterdrossel 52 und des
Filtervolumens 54 derart gefiltert, dass die hohen Frequenzen
gesperrt werden. Somit wirken bei tiefen Frequenzen auf beide Steuerflächen 42, 44 des
Schiebers im Wesentlichen die gleichen Kräfte, so dass dieser in seiner
Ruhestellung (a) verbleibt. In dem Fall, in dem die Frequenz relativ
hoch ist, d.h., bei einem schnellen Druckanstieg, wird dieses LS-Signal
in der Steuerleitung 46 ausgefiltert oder verzögert weiter
gegeben, während
es in der Steuerleitung 48 unverändert auf die Steuerfläche 44 aufgeprägt wird,
so dass der Schieber 40 in Öffnungsrichtung (b) in eine
Regelposition verschoben wird. Ein derartiges LS-Signal wird somit
vom Filterventil 36 zum Pumpenregler 34 hin durchgelassen.
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Die
in Ruhestellung verbleibende negative Überdeckung stellt zusammen
mit der hydraulischen Kapazität
auf der Ablaufseite des Filterventils 36 ein Tiefpassfilter
dar. Durch die Größe der negativen Überdeckung
lässt sich
bestimmen, welche Frequenzen das Filterventil in jedem Fall passieren
können. Hierbei
ist jedoch darauf zu achten, dass sich diese Frequenz nicht mit
der über
die Filterdrossel 52 und das Filtervolumen 54 vorgegebenen
Sperrfrequenz überschneidet,
da sonst das Filterventil 36 wirkungslos ist.
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Das
Filterventil 36 stellt somit ein Bandsperrfilter dar, das
niedrige und höhere
Frequenzen passieren lässt,
einen mittleren Frequenzbereich, beispielsweise 5 bis 20 Hertz,
jedoch sperrt. Genau genommen wird ein bestimmter Bereich von Druckanstiegsgeschwindigkeiten
gesperrt. Sehr langsam und sehr schnell ansteigende Drucksignale
werden wenig beeinflusst, während
ein bestimmter Bereich von Druckanstiegsgeschwindigkeiten vom Filterventil 36 gesperrt
wird. Die Druckanstiegsgeschwindigkeit ergibt zusammen mit einer
bestimmten Amplitude eine Frequenz – insofern verhalten sich Druckanstiegsgeschwindigkeit
und Frequenz grundsätzlich
proportional zueinander, wenn auch der Faktor von der Amplitude
abhängt.
Bei den vorstehenden Ausführungen wird
daher der Einfachheit halber von Frequenzen gesprochen.
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Im
LS-System unerwünschte
Frequenzen können
durch das erfindungsgemäße Filterventil
gezielt ausgefiltert werden, ohne die Dynamik des Ansprechverhaltens
beim Schalten von Ventilen, die zur Steuerung der hydraulischen
Verbraucher eingesetzt werden, zu verschlechtern. Durch geeignete
Auslegung der Filterdrossel 52 und des zugehörigen Filtervolumens 54 lässt sich
der gewünschte
ausgefilterte Frequenzbereich in einfacher Weise an die vorhandenen
Betriebsbedingungen anpassen.
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Die
Druckunterschiede zwischen den beiden Steuerflächen 42, 44 können relativ
gering sein. Die in Öffnungsrichtung
wirksamen Kräfte
sind dementsprechend klein. Gleichzeitig wirken an der Steuerkante
des Filterventils 36 Strömungskräfte in schließender Richtung.
Wenn deren Anteil zu groß wird, kann
das Filterventil nicht weit genug öffnen und somit nicht bestimmungsgemäß arbeiten.
Bei gegebener Druckdifferenz auf den Steuerflächen 42, 44 sollte
der Schieberdurchmesser daher ein gewisses Mindestmaß nicht
unterschreiten, um die ordnungsgemäße Funktion zu gewährleisten.
Gleichzeitig wird der Einfluss der Schieberreibung auf die Ventilfunktion
umso geringer, je größer dessen
Durchmesser ist. Eine Obergrenze für den Schieberdurchmesser ist dadurch
gegeben, dass der Schieber selbst bei seiner Bewegung Steueröl in Richtung
einer Stirnseite verdrängt
(abhängig
von der Bewegungsrichtung). Durch die Drosselventile 52, 50 führt diese
Steuerölverdrängung selbst
zu einem Druckanstieg auf der entsprechenden Stirnseite und könnte damit
die Funktionsweise des Ventils verfälschen. Bei Anwendungen in
der Mobilhydraulik hat sich ein Schieberdurchmesser von etwa 8 mm
als bevorzugtes Maß herausgestellt.
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Die
erfindungsgemäße Funktion
wurde bereits in der Praxis geprüft. 3 zeigt
den zeitabhängigen
Verlauf des LS-Drucks und des Pumpendrucks (Druck in der Zulaufleitung 20)
bei einem herkömmlichen
System. Man sieht, dass aufgrund der Schwankungen des Lastdrucks
in der LS-Leitung 30 auch der Pumpendruck erheblichen Schwankungen
unterworfen ist, die zu mechanischen Schwingungen von hydraulischen
Verbrauchern führen.
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Bei
Verwendung des erfindungsgemäßen Filterventils 36 können die
Druckschwankungen in der LS-Leitung 30 gemäß 4 auf
ein Minimum reduziert werden, wobei lediglich hochfrequente Schwingungen
zum Pumpenregler 34 gelangen, die jedoch für die Funktion
der LS-Steueranordnung unschädlich
sind. Entsprechend stellt sich in der Zulaufleitung 20 ein
Pumpendruck ein, dessen Druckschwankungen eine wesentlich geringere
Amplitude der schädlichen
Frequenz als beim Stand der Technik aufweisen – derartige Druckschwankungen
sind unschädlich
und beeinträchtigen
die Ansteuerung der Verbraucher 2 praktisch nicht.
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5 zeigt
ein hydrodynamisches Filterventil 136 entsprechend einem
zweiten Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung, das statt des Filterventils 36 in
der LS-Steueranordnung von 1 verwendbar
ist. Dieses Filterventil 136 ist als stetig verstellbares
Ventil ausgeführt
und über
eine Druckfeder 138 in Richtung einer Ruhestellung (a)
vorgespannt, in der die Verbindung zwischen der Zulaufseite des Filterventils 136 und
der Ablaufseite (unten in 5) geöffnet ist,
so dass Steueröl
vom Pumpenregler 34 und von diesem zurück zum Tank 24 strömen kann. In
der Drosselstellung (b) des Schiebers 140 kann Druckmittel
nur gedrosselt vom Pumpenregler und von diesem zurück zum Tank
strömen.
Der Schieber 140 des Filterventils 136 ist mit
zwei Steuerflächen 142, 144 ausgeführt, wobei
die Steuerfläche 142 im Sinne
einer Vergrößerung des
Durchströmungsquerschnittes
und die Steuerfläche 144 im
Sinne einer Verringerung des Durchströmungsquerschnittes des Filterventils 136 wirksam
ist. Vom Zulauf des Filterventils 136 zweigt zu einem von
der Steuerfläche 142 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 148 und zu einem von der
Steuerfläche 144 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 146 ab, d.h. an der Steuerkante
des Schiebers 140 und an den beiden Steuerflächen 142, 144 liegt
im Prinzip der Zulaufdruck der LS-Leitung 30 an. An der
Steuerfläche 142 wirkt der
Druck in der LS-Leitung 30 ohne Dämpfung oder Drosselung.
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In
der der Steuerfläche 144 zugeordneten Steuerleitung 146 sind
eine Filterdrossel 152 und ein Filtervolumen 154 in
Reihe zueinander angeordnet. Parallel zu der Filterdrossel 152 ist
ein zur Steuerfläche 144 hin öffnendes
Rückschlagventil 156 vorgesehen,
in dessen geöffneter
Position Steueröl
von der LS-Leitung 30 über
das Filtervolumen 154 der Steuerfläche 144 zuleitbar
ist. Die Filterdrossel 152 und das Rückschlagventil 156 bilden
zusammen ein Drosselrückschlagventil.
Die Filterdrossel 152 und das Filtervolumen 154 bilden
zusammen ein Tiefpassfilter, dessen Frequenzgang vom Durchmesser der
Filterdrossel 152 und der Größe des Filtervolumens 154 abhängt. Je
kleiner der Durchmesser der Filterdrossel 152 und je größer das
Volumen des Filtervolumens 154 ist, desto tiefer muss eine
Frequenz des LS-Drucks sein, damit sich dieser von der Steuerfläche 144 des
Filterventils 136 zur LS-Leitung 30 hin abbaut.
D.h. durch die Filterdrossel 152 und das Filtervolumen 154 wird
ermöglicht,
dass der Schieber 140 nur verzögert aus seiner Drosselstellung
(b) in seine Ruhestellung (a) zurückgelangt, so dass vergleichsweise
hohe Frequenzen des LS-Signals ausgefiltert werden können.
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In Öffnungsrichtung
wirkt auf den Schieber 140 des Filterventils 136 das
LS-Signal praktisch unverändert.
In Drosselrichtung wird das Steueröl an der Steuerfläche 144 mit
Hilfe der Filterdrossel 52 und des Filtervolumens 54 derart
gefiltert, dass es nur verzögert
zur LS-Leitung 30 zurückgelangt,
wodurch die vergleichsweise hohen Frequenzen gesperrt werden. Somit
wirken bei tiefen Frequenzen unterhalb einer unteren Grenzfrequenz
auf beide Steuerflächen 142, 144 des
Schiebers im Wesentlichen die gleichen Kräfte, so dass dieser in seiner
Ruhestellung (a) verbleibt. Alle Signale der LS-Leitung 30 werden prinzipiell
ungehindert durchgelassen, so dass die Dynamik nicht behindert wird.
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In
dem Fall, in dem die Frequenz relativ hoch ist, d.h. oberhalb einer
unteren Grenzfrequenz liegt, wird bei ansteigendem Druck Steueröl zur Steuerfläche 142 über die
Steuerleitung 148 und zur Steuerfläche 144 über das
auf gesteuerte Rückschlagventil 156 geleitet,
so dass der Schieber 144 zunächst in der Ruhestellung (a)
verbleibt. Bei schnellem Druckabbau in dem durch die Steuerfläche 144 begrenzten
Druckraum baut sich Steueröl
in dem durch die Steuerfläche 144 begrenzten
Druckraum über das
Filtervolumen 154 und die Filterdrossel 152 nur verzögert zur
LS-Leitung 30 ab, während
Steueröl
in der Steuerleitung 148 unverändert auf die Steuerfläche 142 wirkt.
Im Ergebnis wird der Schieber 140 entgegen der Kraft der
Feder 138 in Drosselrichtung (b) in seine Drosselposition
verschoben. Ein LS-Signal mit relativ hohen Frequenzen in der LS-Leitung 30 wird
somit vom Filterventil 136 zum Pumpenregler 34 hin
nur gedrosselt weitergeleitet.
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In
Abhängigkeit
vom Durchmesser der Filterdrossel 152 und der Größe des Filtervolumens 154 sowie
in Abhängigkeit
von der Frequenz und Amplitude der Schwingungen des Drucks in der
LS-Leitung 30 erfolgt ein Übergang zwischen der Ruhestellung (a)
und der Drosselstellung (b) nach einer bestimmten Anzahl an Schwingungen,
bis die Drosselstellung vollständig
eingestellt ist und dadurch weitere Schwingungen in einem unerwünschten
Frequenzbereich verhindert werden.
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Nach
einem Abklingen der Schwingungen, die Frequenzanteile oberhalb der
Grenzfrequenz enthalten, in der LS-Leitung 30 wird der
Schieber 140 mittels der Druckfeder 138 wieder
in die Ruhestellung (a) verschoben.
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Bei
Frequenzen des Drucks in der LS-Leitung 30, die unterhalb
einer unteren Grenzfrequenz liegen, haben die Filterdrossel 152 und
das Filtervolumen 154 nur eine geringe oder keine Wirkung.
Somit hat das Filterventil 136 entsprechend dem zweiten
Ausführungsbeispiel
eine Bandsperrfilter-Wirkung. Zu den sonstigen Wirkungen und Vorteilen
des Filterventils 136 entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel
wird auf die Ausführungen
zum ersten Ausführungsbeispiel
verwiesen.
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6 zeigt
ein Filterventil 236 entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel,
das sich vom Filterventil 136 entsprechend dem zweiten
Ausführungsbeispiel
durch eine variable Androsselung des Steuerölvolumenstromes vom Filtervolumen 254 zur Steuerleitung 246 unterscheidet.
Das hydrodynamische Filterventil 236 entsprechend dem dritten
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung ist statt des Filterventils 36 in
der LS-Steueranordnung von 1 verwendbar
und ist ebenfalls als stetig verstellbares Ventil ausgeführt und
ist über
eine Druckfeder 238 in Richtung einer Ruhestellung (a)
vorgespannt, in der die Verbindung zwischen der Zulaufseite des Filterventils 236 und
der Ablaufseite (unten in 6) geöffnet ist,
so dass Steueröl
vom Pumpenregler 34 und von diesem zurück zum Tank 24 strömen kann. In
der Drosselstellung (b) des Schiebers 240 kann Druckmittel
nur gedrosselt vom Pumpenregler und von diesem zurück zum Tank
strömen.
Der Schieber 240 des Filterventils 236 ist mit
zwei Steuerflächen 242, 244 ausgeführt, wobei
die Steuerfläche 242 im Sinne
einer Vergrößerung des
Durchströmungsquerschnittes
und die Steuerfläche 244 im
Sinne einer Verringerung des Durchströmungsquerschnittes des Filterventils 236 wirksam
ist. Vom Zulauf des Filterventils 236 zweigt zu einem von
der Steuerfläche 242 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 248 und zu einem von der
Steuerfläche 244 begrenzten
Steuerraum eine Steuerleitung 246 ab, d.h. an der Steuerkante
des Schiebers 240 und an den beiden Steuerflächen 242, 244 liegt
im Prinzip der Zulaufdruck der LS-Leitung 30 an. An der
Steuerfläche 242 wirkt der
Druck in der LS-Leitung 30 ohne Dämpfung oder Drosselung.
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In
der der Steuerfläche 244 zugeordneten Steuerleitung 246 sind
ein Rückschlagventil 256 und ein
Filtervolumen 254 in Reihe zueinander angeordnet. Zwischen
dem Zulauf des Filterventils 236 und dem Filtervolumen 254 ist
eine variable Filterdrossel, die über eine Steuerkante bestimmt
ist und in 6 durch eine Filterdrossel 252a mit
großem
Durchmesser und eine Filterdrossel 252b mit kleinem Durchmesser
wiedergegeben ist, vorgesehen. Die variable Filterdrossel 252a, 252b ist
im Schieber 240 angeordnet und wird in Abhängigkeit
von der Stellung des Schiebers 240 geschaltet. Die Drossel 252a mit
großem
Durchmesser ist in der Ruhestellung (a) geschaltet; der Drosseldurchmesser
wird in der Drosselstellung (b) bis zur Drossel 252b mit
kleinem Durchmesser verringert. Das Rückschlagventil 256 öffnet zur
Steuerfläche 244 hin,
wobei in dessen geöffneter
Position der Druck in der LS-Leitung 30 über das
Filtervolumen 254 an der Steuerfläche 144 anliegt. Die
variable Filterdrossel 252a, 252b und das Filtervolumen 254 bilden
zusammen ein Tiefpassfilter, dessen Frequenzgang vom Durchmesser
der variablen Filterdrossel 252a, 252b und somit
von der Schieberposition des Filterventils sowie von der Größe des Filtervolumens 254 abhängt.
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In Öffnungsrichtung
wirkt auf den Schieber 240 des Filterventils 236 das
LS-Signal praktisch unverändert.
In Drosselrichtung wird das Steueröl an der Steuerfläche 244 mit
Hilfe der Filterdrossel 252a mit großem Durchmesser und des Filtervolumens 254 derart
gefiltert, dass es nur verzögert
zur LS-Leitung 30 zurückgelangt,
wodurch die vergleichsweise hohen Frequenzen gesperrt werden. Somit
wirken bei tiefen Frequenzen unterhalb einer unteren Grenzfrequenz
auf beide Steuerflächen 242, 244 des Schiebers
im Wesentlichen die gleichen Kräfte,
so dass dieser in seiner Ruhestellung (a) verbleibt. Alle Signale
der LS-Leitung 30 werden prinzipiell ungehindert durchgelassen,
so dass die Dynamik nicht behindert wird.
-
Auch
in dem Fall, in dem die Frequenz relativ hoch ist, d.h. oberhalb
einer Grenzfrequenz liegen, wird bei ansteigendem Druck Steueröl zur Steuerfläche 242 über die
Steuerleitung 248 und zur Steuerfläche 244 über das
auf gesteuerte Rückschlagventil 256 geleitet,
so dass der Schieber 240 zunächst in der Ruhestellung (a)
verbleibt. Bei einem vergleichsweise schnellen Druckabbau in der
LS-Leitung 30 wird
der Druck in dem durch die Steuerfläche 244 begrenzten
Druckraum vergleichsweise langsam über die Filterdrossel 252a mit
großem
Durchmesser abgebaut, während
das Steueröl
in der Steuerleitung 248 unverändert auf die Steuerfläche 242 wirkt.
Im Ergebnis wird der Schieber 240 entgegen der Kraft der
Feder 238 in Drosselrichtung in seine Drosselstellung (b)
verschoben. Ein LS-Signal mit relativ hohen Frequenzen in der LS-Leitung 30 wird
somit vom Filterventil 136 zum Pumpenregler 34 hin
nur gedrosselt weitergeleitet.
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Bei
höheren
Frequenzen ist die Druckdifferenz über der Filterdrossel aufgrund
der schnelleren Druckänderung
noch höher,
so dass der Schieber 240 weiter in Drosselrichtung verschoben
wird. Dabei verringert die Steuerkante im Filterventil den Drosseldurchmesser,
so dass eine kleinere Filterdrossel wirksam ist. Es wird eine verbesserte
Filterwirkung erzielt.
-
Aufgrund
des größeren Durchmessers
der Filterdrossel 252a ist es möglich, dass eine einmalige,
schnelle Änderung
des LS-Drucks mit geringerer Verzögerung als beim zweiten Ausführungsbeispiel über das
Filterventil 236 weitergeleitet wird. Schwingungen oberhalb
der Grenzfrequenz, bei denen ein mehrmals hintereinander erfolgendes
Absinken des Zulaufdrucks zum Filterventil 236 erfolgt,
werden aufgrund der Filterdrossel 252b mit kleinem Durchmesser
durch das Filterventil 236 über einen längeren Zeitraum gedämpft. Somit
lässt sich
mit einem Filterventil 236 entsprechend dem dritten Ausführungsbeispiel
eine bessere Differenzierung zwischen den Zuständen „Schwingungen" und „keine
Schwingungen" vornehmen.
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7 zeigt
eine Simulation ohne Schwingungsdrossel, während die 8 und 9 Simulationen
mit einem Filterventil entsprechend dem zweiten Ausführungsbeispiel zeigen.
In 8 liegt eine Schieberdämpfung von 50 Ns/m vor, bei
der noch störende
niederfrequente Schwingungen im LS-Druck und Pumpendruck vorhanden
sind, während
in 9 eine Schieberdämpfung von 500 Ns/m vorhanden
ist, wodurch störende
niederfrequente Schwingungen nicht mehr vorhanden sind.
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Mit
den Filterventilen 136, 236 entsprechend dem zweiten
und dritten Ausführungsbeispiel
kann eine hohe Dynamik bei der Meldung von LS-Drucksignalen zur
Pumpe erzielt werden, wobei ein stabiles Systemverhalten aufrechterhalten
wird.
-
Bei
der in 1 dargestellten Ausführung der vorliegenden Erfindung
ist eine Verstellpumpe 4 vorgesehen. Prinzipiell kann anstelle
der Verstellpumpe 4 auch eine Konstantpumpe mit Bypassdruckwaage
eingesetzt werden, wobei der LS-Druck dann an der Eingangsdruckwaage
anliegt.
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Bei
der in 1 dargestellten Ausführung ist die Individualdruckwaage
in Öffnungsrichtung
vom Druck stromabwärts
der Zumessblende 8 und in Schließrichtung vom Druck stromaufwärts der
Zumessblende 8 beaufschlagt und dem Wegeventil 6 vorgeschaltet.
Selbstverständlich
kann dann das Filterventil 36 auch bei LUDV-Systemen (lastdruckunabhängiges Durchflussverhalten)
eingesetzt werden, bei denen die Individualdruckwaage der Zumessblende
nachgeschaltet ist und in Öffnungsrichtung
vom höchsten
Lastdruck der Verbraucher beaufschlagt ist. Prinzipiell kann das
Filterventil bei allen Hydrauliksystemen eingesetzt werden, bei
denen niederfrequente Schwingungen beseitigt werden sollen, solange
es in einer Leitung eingebaut wird, die nur der Weiterleitung von
Drucksignalen dient. Durch die starke Androsselung des Drucksignals
im Falle unerwünschter Schwingungen
kann es nicht in Leitungen eingesetzt werden, durch die größere Volumenströme fließen. Das
Ventil kann also nur die Signal-, nicht die Leitungsübertragung
beeinflussen.
-
Offenbart
sind ein Filterventil zur Filterung von Druckschwankungen bestimmter
Frequenz und/oder Amplitude eines Drucksignals und eine mit einem
derartigen Filterventil ausgeführte
LS-Steueranordnung. Das Filterventil hat einen Ventilkörper mit zwei
entgegengesetzt wirksamen Steuerflächen, die beide über eine
Steuerleitung mit dem Zulaufdruck beaufschlagbar sind. In der zur
in Drosselrichtung wirksamen Steuerfläche führenden Steuerleitung ist eine
Ventileinrichtung mit Tiefpassfilter-Funktion angeordnet, über die
höherfrequente
Steuersignale ausgefiltert werden können.
-
- 1
- LS-Steueranordnung
- 2
- Hydraulikzylinder
- 4
- Verstellpumpe
- 6
- Wegeventil
- 8
- Zumessblende
- 10
- Kolben
- 12
- Zylinderraum
- 14
- Ringraum
- 16
- Vorlaufleitung
- 18
- Rücklaufleitung
- 20
- Zulaufleitung
- 22
- Ablaufleitung
- 24
- Tank
- 26
- Individualdruckwaage
- 28
- Steuerleitung
- 30
- LS-Leitung
- 31
- Rückschlagventil
- 32
- Feder
- 34
- Pumpenregler
- 36
- Filterventil
- 38
- Druckfeder
- 40
- Schieber
- 42
- Steuerfläche
- 44
- Steuerfläche
- 46
- Steuerleitung
- 48
- Steuerleitung
- 50
- Drosselrückschlagventil
- 52
- Filterdrossel
- 54
- Filtervolumen
- 136
- Filterventil
- 138
- Druckfeder
- 140
- Schieber
- 142
- Steuerfläche
- 144
- Steuerfläche
- 146
- Steuerleitung
- 148
- Steuerleitung
- 152
- Filterdrossel
- 154
- Filtervolumen
- 156
- Rückschlagventil
- 236
- Filterventil
- 238
- Druckfeder
- 240
- Schieber
- 242
- Steuerfläche
- 244
- Steuerfläche
- 246
- Steuerleitung
- 248
- Steuerleitung
- 251
- Drosselleitung
- 252a
- Filterdrossel
- 252b
- Filterdrossel
- 254
- Filtervolumen
- 256
- Rückschlagventil