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Die
Erfindung betrifft ein Abschneideventil sowie eine Servoventilbaugruppe
mit hydraulischer Reaktion, welche ein solches Abschneideventil
aufweist.
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Abschneideventile
sind allgemein aus dem Stand der Technik bekannt und werden beispielsweise
in Servoventilbaugruppen mit hydraulischer Reaktion eingesetzt,
um den Druck in einem hydraulischen Reaktionsraum der Servoventilbaugruppe
zu begrenzen. Infolge dieser Druckbegrenzung im hydraulischen Reaktionsraum
wird eine hydraulische Mindest-Lenkunterstützung sichergestellt.
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Über die
Detailkonstruktion des Abschneideventils läßt sich dessen Druck/Durchfluß-Kurve
verändern,
wobei diese Kurve unmittelbar die Ventilkennlinie des Servoventils
beeinflußt.
Als besonders vorteilhaft für
die Servoventilkennlinie haben sich zweistufige Abschneideventile
mit einer Permanentdrossel erwiesen (vgl. 1 und 2).
Allerdings entsteht zwischen einem ersten und einem zweiten Abschneidepunkt
dieser herkömmlichen
Abschneideventile eine unerwünschte
Krümmung
in der Ventilkennlinie des Servoventils. Es hat sich gezeigt, daß die Druck/Durchfluß-Kurve
des Abschneideventils zwischen dem ersten und zweiten Abschneidepunkt nicht
konkav, sondern wenigstens linear, besser konvex, verlaufen muß, um in
diesem Bereich einen gewünschten,
im wesentlichen linearen, Kennlinienabschnitt des Servoventils zu
erhalten.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein zweistufiges Abschneideventil,
insbesondere für
eine Servoventilbaugruppe mit hydraulischer Reaktion zu schaffen,
dessen Druck/Durchfluß-Kurve
zwischen einem ersten und einem zweiten Abschneidepunkt linear oder
konvex verläuft.
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe durch ein Abschneideventil der eingangs genannten Art gelöst, bei
dem die zweite gedrosselte Strömungsverbindung
ausgehend von der Schließstellung
des Ventilkörpers
bis zu einem vorgegebenen axialen Abstand des Ventilkörpers vom
Ventilsitz einen im wesentlichen konstanten Drosselquerschnitt aufweist. Damit
entspricht die zweite gedrosselte Strömungsverbindung des Abschneideventils
zwischen dem ersten und zweiten Abschneidepunkt einer Blende, wodurch
auch die Druck/Durchfluß-Kurve
des Abschneideventils einen blendentypischen, progressiven Verlauf
annimmt.
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Auch
die erste gedrosselte Strömungsverbindung
weist bevorzugt einen konstanten Drosselquerschnitt auf. Dadurch
ist gewährleistet,
daß die Druck/Durchfluß-Kurve
des Abschneideventils im Bereich vor dem ersten Abschneidepunkt,
in dem die erste gedrosselte Strömungsverbindung
alleine den Ventildurchfluß bestimmt,
ebenfalls progressiv verläuft.
Im Bereich zwischen dem ersten und zweiten Abschneidepunkt wirken
die beiden gedrosselten Strömungsverbindungen
wie parallel geschaltete Blenden, so daß auch in diesem Bereich ein
gewünschter
progressiver, d. h. konvexer Druck/Durchfluß-Verlauf sichergestellt ist.
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In
einer Ausführungsform
ist die erste gedrosselte Strömungsverbindung
als Drosselbohrung im Ventilkörper
ausgebildet. Bei notwendigen Druck/Durchfluß-Anpassungen, zum Beispiel für unterschiedliche
Baureihen von Servoventilen, beschränken sich die notwendigen baulichen Änderungen
im wesentlichen auf den Ventilkörper.
Das Ventilgehäuse
kann unter Umständen
vollkommen unverändert
beibehalten werden. Der Aufwand und die Kosten für die Anpassung des Abschneideventils sind
dementsprechend gering.
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In
einer alternativen Ausführungsform
kann die erste gedrosselte Strömungsverbindung
jedoch auch als Drosselbohrung im Ventilgehäuse ausgebildet sein.
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Die
Erfindung betrifft außerdem
eine Servoventilbaugruppe mit hydraulischer Reaktion, die ein Servoventil,
ein hydraulisches Reaktionsmodul, einen hydraulischen Reaktionsraum
und ein erfindungsgemäßes Abschneideventil
aufweist, wobei der Fluideinlaß des
Abschneideventils mit dem hydraulischen Reaktionsraum und der Fluidauslaß mit einem
Fluidreservoir in Verbindung steht.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung und deren Vorteile ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand bevorzugter Ausführungsformen
beschrieben, die in den beigefügten
Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:
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1 ein
Abschneideventil gemäß dem Stand
der Technik;
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2 eine
Druck/Durchfluß-Kurve
für das Abschneideventil
gemäß 1;
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3 eine
Druck/Durchfluß-Kurve
für ein
erfindungsgemäßes Abschneideventil;
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4 einen
Längsschnitt
durch eine erste Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abschneideventils;
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5 einen
Längsschnitt
durch eine zweite Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abschneideventils;
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6 einen
Längsschnitt
durch eine dritte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abschneideventils;
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7 einen
Längsschnitt
durch eine vierte Ausführungsform
des erfindungsgemäßen Abschneideventils;
und
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8 eine
Servoventilbaugruppe mit hydraulischer Reaktion, die ein erfindungsgemäßes Abschneideventil
umfaßt.
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Die 1 zeigt
einen Längsschnitt
und einen Detailausschnitt eines Abschneideventils 10' gemäß dem Stand
der Technik.
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Das
Abschneideventil 10' umfaßt ein Ventilgehäuse 12,
welches einen Fluideinlaß 14,
einen Fluidauslaß 16 und
einen Ventilsitz 18 aufweist, sowie einen im Ventilgehäuse 12 entlang
einer Ventilachse A beweglichen Ventilkörper 20, der in einer
Schließstellung
dicht am Ventilsitz 18 anliegt und in einer Öffnungsstellung
vom Ventilsitz 18 beabstandet ist. Im Ventilgehäuse 12 ist
außerdem
eine Ventilfeder 22 vorgesehen, die sich an einem Ventilboden 24 abstützt und
den Ventilkörper 20 gegen
den Ventilsitz 18 beaufschlagt. Das Ventilgehäuse 12 und
der Ventilkörper 20 definieren
gemeinsam eine Druckkammer 26, die über eine Druckammerbohrung 28 mit Hydraulikfluid
versorgt wird.
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Zwischen
dem Fluideinlaß 14 und
dem Fluidauslaß 16 ist
eine von der Position des Ventilkörpers 20 unabhängige, erste
gedrosselte Strömungsverbindung
vorhanden, die im Ausführungsbeispiel
nach 1 als Drosselbohrung 30 im Ventilgehäuse 12 ausgebildet
ist, wobei die Drosselbohrung 30 und die Druck kammerbohrung 28 zusammen
den Fluideinlaß 14 bilden.
Darüber
hinaus ist in einer Öffnungsstellung
des Ventilkörpers 20 eine
zweite gedrosselte Strömungsverbindung
zwischen dem Fluideinlaß 14 und
dem Fluidauslaß 16 vorhanden.
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Im
Stand der Technik gemäß 1 besteht die
zweite gedrosselte Strömungsverbindung
aus einem Ventilsitz-Ringspalt, der zwischen dem Ventilsitz 18 und
dem Ventilkörper 20 bei
einer Bewegung des Ventilkörpers 20 von
seiner Schließstellung
in eine Öffnungsstellung
entsteht. In einem vergrößerten Detailausschnitt
(1, unten) ist der Bereich, in dem dieser Ventilsitz-Ringspalt
entsteht, hervorgehoben und mit dem Bezugszeichen 32 versehen.
Die Mantelfläche
des Ventilkörpers 20 ist
in diesem Bereich 32 nahezu zylindrisch, verjüngt sich
jedoch minimal in Richtung zur Druckkammer 26, so daß eine umlaufende
Spaltbreite des Ventilsitz-Ringspalts bei einer Bewegung des Ventilkörpers 20 in
seine Öffnungsstellung
kontinuierlich zunimmt. In einem vorbestimmbaren axialen Abstand
s vom Ventilsitz 18 knickt die Mantelfläche ab und verjüngt sich
stärker
in Richtung zur Druckkammer 26. Dieser Knick in der Mantelfläche definiert
einen Abschneidepunkt in der Druck/Durchfluß-Kurve des Abschneideventils 10'.
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In
der 2 ist für
das Abschneideventil 10' gemäß 1 ein
entsprechendes Diagramm zu sehen, bei dem ein am Fluideinlaß 14 anstehender Druck
P über
einem Ventildurchfluß Q
aufgetragen ist. Im Bereich zwischen dem Diagrammursprung und einem
ersten Abschneidepunkt 34 wird der Ventildurchfluß Q ausschließlich von
der ersten gedrosselten Strömungsverbindung,
d. h. der Drosselbohrung 30 im Ventilgehäuse 12 festgelegt.
Da diese erste Strömungsverbindung
einen konstanten Drosselquerschnitt aufweist, ist die Kurve in diesem
Bereich konvex, d. h. linksgekrümmt,
und entspricht dem typischen, progressiven Kurvenverlauf einer Blendenöffnung.
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Ab
dem im ersten Abschneidepunkt 34 herrschenden Druck P1 wird die Ventilfeder 22 zusammengedrückt und
der Ventilkörper 20 bewegt
sich in Richtung zum Ventilboden 24. Der Ventildurchfluß Q wird
ab diesem Druck P1 gemeinsam von der ersten und
zweiten gedrosselten Strömungsverbindung
bestimmt. Mit steigendem Druck P am Fluideinlaß 14 entfernt sich
der Ventilkörper 20 zunehmend
vom Ventilsitz 18, so daß sich der Durchflußquerschnitt des
Ventilsitz-Ringspalts
vergrößert. Dadurch
ergibt sich ab dem ersten Abschneidepunkt 34 in Überlagerung
mit der Drosselbohrung 30 im Druck/Durchfluß-Diagramm
gemäß 2 ein
rechtsgekrümmter, konkaver
Kurvenverlauf. In einem vorgegebenen Abstand s vom Ventilsitz 18 knickt
die Mantellinie des Ventilkörpers 20 ab,
so daß sich
der Ventilkörper 20 stärker verjüngt. Dieser
Knick in der Mantellinie führt zu
einer Unstetigkeitsstelle in der Druck/Durchfluß-Kurve, welche einen zweiten
Abschneidepunkt 36 definiert. Ab dem im zweiten Abschneidepunkt 36 herrschenden
Druck P2 wächst der Drosselquerschnitt
der zweiten gedrosselten Strömungsverbindung
schneller an. Der Gesamtdurchflußquerschnitt des Abschneideventils 10' ist etwa ab
dem zweiten Abschneidepunkt 36 so groß, daß der konkave Verlauf der Druck/Durchfluß-Kurve
im wesentlichen in einen linearen Verlauf übergeht (vgl. 2).
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Die 3 zeigt
ein Druck/Durchfluß-Diagramm
für ein
erfindungsgemäßes Abschneideventil 10 (vgl. 4 bis 7).
Dabei unterscheidet sich das Diagramm gemäß 3 vom Diagramm
gemäß 2 im
wesentlichen nur durch den Kurvenverlauf zwischen dem ersten Abschneidepunkt 34 und
dem zweiten Abschneidepunkt 36. Im Gegensatz zum konkaven
Kurvenverlauf in 2 ist die Kurve in 3 zwischen
dem ersten Abschneidepunkt 34 und dem zweiten Abschneidepunkt 36 konvex,
also linksgekrümmt.
Durch diesen konvexen Kurvenabschnitt wird zwischen dem ersten Abschneidepunkt 34 und dem
zweiten Abschneidepunkt 36 ein gewünschter, vorzugsweise linearer
Verlauf der Ventilkennlinie eines Servoventils erreicht.
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Die 4 bis 7 zeigen
vier Ausführungsvarianten
des Abschneideventils 10, insbesondere für eine Servoventilbaugruppe
mit hydraulischer Reaktion, die jeweils eine Druck/Durchfluß-Kurve
gemäß 3 aufweisen.
Der allgemeine Aufbau und die Funktion der erfindungsgemäßen Abschneideventile 10 entsprechen
im wesentlichen dem Aufbau und der Funktion herkömmlicher Abschneideventile 10', so daß hierzu
auf die Ausführungen
zu 1 verwiesen wird. Bei der Beschreibung der Abschneideventile 10 gemäß den 4 bis 7 wird
im folgenden nur noch auf die Unterschiede zum Stand der Technik
eingegangen, wobei einander entsprechende Bauteile identische Bezugszeichen
tragen.
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Die 4 zeigt
das erfindungsgemäße Abschneideventil 10 gemäß einer
ersten Ausführungsform.
Die zweite gedrosselte Strömungsverbindung ist
hier ein umlaufender Ringspalt 38, der ausgehend von der
in 4 dargestellten Schließstellung des Ventilkörpers 20 bis
zu einem vorgegebenen Ventilhub s, also einem vorgegebenen axialen
Abstand s des Ventilkörpers 20 vom
Ventilsitz 18, einen im wesentlichen konstanten Drosselquerschnitt
aufweist.
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Analog
zum Stand der Technik entsteht unmittelbar nach dem Abheben des
Ventilkörpers 20 vom
Ventilsitz 18 ein sich vergrößernder Ventilsitz-Ringspalt,
der zunächst
den Fluidfluß über die zweite
gedrosselte Strömungsverbindung
bestimmt. Im Bereich des Ventilsitzes 18 verjüngt sich
der Ventilkörper 20 jedoch
so stark, daß die
Querschnittsgröße des Ventilsitz-Ringspalts
die Querschnittsgröße des Ringspalts 38 bereits
bei geringem Ventilhub überschreitet
und der konstante Drosselquerschnitt des Ringspalts 38 für die zweite
gedrosselte Strömungsverbindung
maßgebend
wird. Dieser Ventilhub ist im Verhältnis zum gesamten Ventilhub
s, über
den die zweite gedrosselte Strömungsverbindung
einen vom Ringspalt 38 festgelegten, konstanten Drosselquerschnitt
aufweist, vernachlässigbar.
Dies wird auch im Druck/Durchfluß-Diagramm nach 3 deutlich,
da der Kurvenverlauf zwischen dem ersten Abschneidepunkt 34 und
dem zweiten Abschneidepunkt 36 im wesentlichen dem idealen
Verlauf einer Blende mit konstantem Durchflußquerschnitt entspricht. Der
Einfluß des
Ventilsitz-Ringspalts unmittelbar nach dem Abheben des Ventilkörpers 20 vom Ventilsitz 18 ist
auch in den weiteren Ausführungsformen
vorhanden aber vernachlässigbar,
so daß im
folgenden nicht weiter darauf eingegangen wird.
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Die 5 zeigt
das Abschneideventil 10 gemäß einer zweiten Ausführungsform.
In diesem Fall ist die zweite gedrosselte Strömungsverbindung nicht als umlaufender
Ringspalt 38, sondern als wenigstens eine in axialer Richtung
verlaufende Nut 40 ausgebildet. In 5 ist die
wenigstens eine Nut 40 im Ventilkörper 20 vorgesehen,
alternativ oder zusätzlich
kann jedoch auch wenigstens eine in axialer Richtung verlaufende
Nut 40 im Ventilgehäuse 12 vorgesehen
sein. Genau wie der Ringspalt 38 in der ersten Ausführungsform
stellt auch die wenigstens eine Nut 40 ausgehend von der
Schließstellung
des Ventilkörpers 20 bis
zu einem Ventilhub s einen im wesentlichen konstanten Drosselquerschnitt
für die zweite
gedrosselte Strömungsverbindung
bereit.
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Die 6 zeigt
das Abschneideventil 10 in einer dritten Ausführungsform.
Die zweite gedrosselte Strömungsverbindung,
die ausgehend von der Schließstellung
des Ventilkörpers 20 bis
zu einem vorgegebenen Abstand s des Ventilkörpers 20 vom Ventilsitz 18 einen
im wesentlichen konstanten Drosselquerschnitt aufweist, ist in diesem
Fall eine Drosselbohrung 42 im Ventilkörper 20. Die Drosselbohrung 42 steht über einen
Kanal 43, der sich in axialer Richtung durch den Ventilkörper 20 erstreckt,
mit der Druckkammer 26 in Verbindung. Im Unterschied zur ersten
und zweiten Ausführungsform
gemäß den 4 und 5 ist
die zweite gedrosselte Strömungsverbindung
mit konstantem Drosselquerschnitt stromaufwärts des Ventilsitzes 18 angeordnet.
Die Mantelfläche
des Ventilkörpers 20 ist
stromaufwärts
der Drosselbohrung 42 abschnittsweise zylindrisch ausgebildet
und grenzt im wesentlichen dicht an eine zylindrische Innenwand
des Ventilgehäuses 12 an.
Nachdem sich der Ventilkörper 20 um wenigstens
den Abstand s vom Ventilsitz entfernt hat, entsteht im Bereich dieser
aneinander angrenzenden zylindrischen Flächen ein Ringspalt mit schnell
anwachsendem Strömungsquerschnitt,
da sich der Ventilkörper 20 in
Richtung zur Druckkammer 26 verjüngt. Der Ventildurchfluß Q wird
somit ab dem zweiten Abschneidepunkt 36, von diesem Ringspalt,
der Drosselbohrung 30 im Ventilgehäuse 12 und der Drosselbohrung 42 im
Ventilkörper 20 bestimmt.
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Die 7 zeigt
das Abschneideventil 10 in einer vierten Ausführungsform.
Der einzige Unterschied zur dritten Ausführungsform gemäß 6 betrifft
die Ausbildung der ersten gedrosselten Strömungsverbindung. Statt im Ventilgehäuse 12 ist
die erste gedrosselte Strömungsverbindung
als Drosselbohrung 30 im Ventilkörper 20 ausgeführt und
steht genau wie die Drosselbohrung 42 über den Kanal 43 mit
der Druckkammer 26 in Verbindung. Eventuell notwendige
konstruktive Anpassungen des Abschneideventils 10 können in
dieser Ausführungsform
sehr einfach durch den Austausch der Ventilfeder 22 und/oder
des Ventilkörpers 20 vorgenommen werden. Änderungen
am Ventilgehäuse 12 sind
nicht notwendig.
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Die 8 zeigt
eine Servoventilbaugruppe 44 mit hydraulischer Reaktion,
die ein Servoventil 46, ein hydraulisches Reaktionsmodul 48,
einen hydraulischen Reaktionsraum 50 und das Abschneideventil 10 aufweist.
Der Reaktionsraum 50 ist über eine Hydraulikleitung an
eine Pumpe 52 angeschlossen, wobei in der Hydraulikleitung
ein Magnetventil 54 zur Durchflußsteuerung vorgesehen ist.
Der Fluideinlaß 14 des
Abschneideventils 10 steht mit dem hydraulischen Reaktionsraum 50 und
der Fluidauslaß 16 des Abschneideventils 10 mit
einem Fluidreservoir 56 in Verbindung. Über eine Pumpe 54 wird
der Reaktionsraum 50 mit Hydraulikfluid versorgt, wobei
Da das Abschneideventil 10 eine Druck/Durchfluß-Kurve
gemäß 3 hat,
weist die Ventilkennlinie des Servoventils 46 zwischen
einem Druck P1 und einem Druck P2 im hydraulischen Reaktionsraum 50 den
erwünschten,
im wesentlichen linearen Verlauf auf. Die Drücke P1 und
P2 sind dabei die den Abschneidepunkten 34, 36 zugeordneten
Drücke
im Abschneideventil 10 (vgl. 3).