DE102009005768A1

DE102009005768A1 - Druckregelung einer hydraulischen Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102009005768A1
Application number: DE200910005768
Authority: DE
Inventors: Heiko Laffrenzen; Carsten Fiebing
Original assignee: Sauer Danfoss GmbH and Co OHG
Current assignee: Danfoss Power Solutions GmbH and Co OHG
Priority date: 2009-01-23
Filing date: 2009-01-23
Publication date: 2010-07-29
Anticipated expiration: 2029-01-24
Also published as: DE102009005768B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Druckregelventil, eine hydraulische Antriebseinheit sowie ein Verfahren zur Druckeregelung einer verstellbaren Hydraulikmaschine. Das Druckregelventil einer hydraulischen Antriebseinheit weist ein Gehäuse und einen Ventilkörper mit einer Dichtfläche auf, der im Gehäuse verschiebbar angeordnet und gegenüber dem Gehäuse so abgedichtet ist, dass im Gehäuse eine erste und eine zweite Kammer ausgebildet sind. Die erste Kammer weist eine erste Öffnung, an die ein Hochdruck anlegbar ist und die mittels der Dichtfläche in einer ersten Stellung des Ventilkörpers verschließbar ist, und eine zweite Öffnung, an der ein Servodruck anlegbar ist, auf. Die zweite Kammer weist eine dritte Öffnung auf, sodass die zweite Kammer über die dritte Öffnung mit einem Speisedruck beaufschlagbar ist, wobei eine in dem Gehäuse angeordnete Druckfeder den Ventilkörper so vorspannt, dass er sich in der ersten Stellung befindet, und der Ventilkörper in eine zweite Stellung, in der die erste Öffnung nicht verschlossen ist, überführbar ist, indem der Hochdruck und der Servodruck eine größere öffnende Kraft auf den Ventilkörper ausüben als die Summe der schießenden Kräfte des Speisedrucks und der Druckfeder.

Description

Die Erfindung betrifft eine Druckregelung einer hydraulischen Antriebseinheit. Insbesondere betrifft die Erfindung die Druckregelung zur Einstellung des Fördervolumens einer verstellbaren Hydraulikmaschine in der hydraulischen Antriebseinheit.
Verstellbare Hydraulikmaschinen werden vielfach in hydraulischen Fahrantrieben als Hydraulikpumpe oder Hydraulikmotor eingesetzt. Dabei sind verschiedene Bauformen wie Radialkolbenmaschinen oder Axialkolbenmaschinen bekannt. Ferner ist auch die Ausbildung des hydraulischen Fahrantriebs als offener oder geschlossener Kreislauf bekannt.
Eine Anwendungsmöglichkeit aus dem Stand der Technik ist bspw. die Verwendung einer Axialkolbenpumpe mit verstellbarem Fördervolumen und eines Konstantmotors in einem geschlossenen Hydraulikkreislauf eines hydrostatischen Fahrantriebs. Der Volumenstrom der Axialkolbenmaschine lässt sich bspw. über eine im Winkel verstellbare Schrägscheibe oder Schrägachse einstellen. Die Schrägscheibe/Schrägachse wird in der Regel über ein Servosystem, bspw. einen über einen Regelkolben gesteuerten Servokolben, verschwenkt. Eine Speisepumpe, welche ebenfalls vom Antriebsaggregat der Hydraulikmaschine, beispielsweise einem Verbrennungsmotor, angetrieben wird, stellt einen hydraulischen Speisedruck für das Servosystem bereit, mit welchem der Servokolben verstellbar ist.
Für die Hochdruck-Druckbegrenzung im Hydraulikkreislauf des hydrostatischen Fahrantriebs wird zwischen den Fahrzuständen „Zug” und „Schub” unterschieden. Im Zugbetrieb, in dem der Hydraulikmotor von der verstellbaren Hydraulikmaschine angetrieben wird, beispielsweise beim Beschleunigen eines Fahrzeugs, liegt der zu begrenzende Hochdruck in einer Hochdruckverbindungsleitung (Hochdruckseite) an, die beispielsweise von einer verstellbaren Hydraulikmaschine (Hydraulikpumpe) zu einer Konstantmaschine (Hydraulikmotor) führt. Im Schubantrieb, in dem die Konstantmaschine als Pumpe und die verstellbaren Hydraulikmaschine als Motor arbeitet, beispielsweise beim Abbremsen eines Fahrzeugs, liegt der zu begrenzende Hochdruck in einer Niederdruckverbindungsleitung (Hochdruckseite) an, die vom Hydraulikmotor zur Hydraulikpumpe führt. Somit wechseln die Hochdruckseite und die Niederdruckseite je nach Betriebszustand.
Für die Druckbegrenzung auf der Hochdruckseite in dem oben beispielhaft genannten hydrostatischen Fahrantrieb ist ein zweistufiges System bekannt, bestehend aus einem Nullhubdruckregelventil zur Regelung der Fördermenge der verstellbaren Hydraulikmaschine und einem parallel hierzu angeordneten Hochdruckbegrenzungsventil als Überdruckbegrenzung. Dabei gibt es Ausführungsformen, in denen das Nullhubdruckregelventil und das Hochdruck-/Überdruck-Begrenzungsventil in einer Baugruppe als zweistufiges Druckbegrenzungsventil ausgeführt sind
Übersteigt der Hochdruck in einer der beiden Hydraulikleitungen einen vorher festgelegten, ersten Schwellenwert (Öffnungsdruck), so öffnet das Nullhubdruckregelventil und es wird eine hydraulische Verbindung von der Hochdruckseite mit einer ersten, nun aktiven Seite des Servokolben hergestellt, sodass der Druck in der Servoleitung auf der ersten Seite des Servokolbens (aktive Seite) steigt. Über die dadurch hervorgerufene Verschiebung des Servokolbens wird das Fördervolumen der Axialkolbenpumpe derart verstellt, dass der Druck auf der Hochdruckseite reduziert wird. Im Zugbetrieb beispielsweise wird das Fördervolumen der Axialkolbenpumpe reduziert, um den Hochdruck in der Hochdruckleitung zu verringern oder zu begrenzen.
Durch die Verschiebung des Servokolbens erhöht sich der Druck auf der gegenüberliegenden, passiven zweiten Seite des Servokolbens. Um Druckspitzen auf der passiven Seite des Servosystems abfangen zu können, welche durch die Verschiebung des Servokolbens auftreten können, und eine Schädigung des Systems zu vermeiden, wird der Druck beispielsweise über ein Rückschlagventil, das im Servokreis angeordnet ist, begrenzt. Gemäß dem Stand der Technik leitet das Rückschlagventil die Hydraulikflüssigkeit von der passiven Seite des Servokolbens in die Speisedruckleitung. Bei Überschreitung des Schwellendrucks in der Speisedruckleitung leitet das Speisedruckbegrenzungsventil in der Speisedruckleitung die Hydraulikflüssigkeit in den Tank ab. Somit wird die Hydraulikflüssigkeit dem Hydraulikkreislauf entzogen, welche an anderer Stelle wieder zugeführt werden muss.
Übersteigt der Hochdruck in einer der beiden Hydraulikleitungen einen vorher festgelegten, oberhalb des ersten Schwellendrucks liegenden, zweiten Schwellendruck, beispielsweise bei schnellen Druckanstiegen, ist das (zweite) Hochdruckbegrenzungsventil (Überdruckbegrenzungsventil) in der Lage, den Hoch-Druck zu begrenzen und die Hydraulikflüssigkeit über die Speisedruckleitung und das Speisedruckbegrenzungsventil in den Tank abzuleiten.
Gemäß dem bekannten Stand der Technik werden Druckbegrenzungsventile als Nullhubdruckregelventile eingesetzt, bei denen üblicherweise eine vorgespannte Schraubenfeder eine erste schließende Kraft auf den Ventilkörper ausübt. Weiterhin wird oftmals der Gehäusedruck der hydraulischen Antriebseinheit verwendet, um eine zweite schließende Kraft auf den Ventilkörper auszuüben. Der Gehäusedruck ist eine weitgehend konstante Größe, welche den Wert von 5 bar in der Regel nicht überschreitet, da sonst Schäden am Gehäuse und den Gehäusedichtungen auftreten können. Der Öffnungscharakter des aus dem Stand der Technik bekannten Nullhubdruckregelventils wird somit von zwei konstanten Schließkräften, maßgeblich jedoch von der Schließkraft der vorgespannten Schraubenfeder bestimmt. Das Ventil öffnet somit stets bei einem konstanten, vorher bestimmten Schwellenwert, der normalerweise nur im Stillstand der Arbeitsmaschine und nur durch Änderung der Vorspannung der Ventilfeder veränderbar ist. Dieser Schwellerwert ist unabhängig sowohl von der Drehzahl des Antriebsaggregats als auch vom Lastzustand des hydraulischen Antriebs. Ferner muss gegebenenfalls das komplette Druckbegrenzungssystem neu justiert werden, falls der maximale Speisedruck verändert werden soll, da die Rückschlagventile und die Hochdruckbegrenzungsventile zum Hydraulikkreislauf der Speisepumpe hin öffnen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine verbesserte, variable, den Lastzuständen während des Betriebs der Arbeitsmaschine anpassbare Nullhubdruckregelung bereitzustellen, welche einfach aufgebaut, kostengünstig herstellbar und für bereits existierende Maschinen nachrüstbar ist.
Die Aufgabe wird durch ein Druckregelventil gemäß Anspruch 1, durch eine verstellbare Hydraulikmaschine nach Anspruch 9 sowie ein Verfahren zur Nullhubdruckregelung nach Anspruch 12 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den jeweiligen Unteransprüchen hervor.
Erfindungsgemäß erfolgt die Druckregelung, insbesondere die Druckregelung für die Nullhubdruckregelfunktion, in Abhängigkeit vom momentan herrschenden Speisedruck und nicht, wie im Stand der Technik, in Abhängigkeit vom Gehäusedruck. Der Speisedruck wird von einer Speisepumpe, die vorzugsweise als Zahnringmaschine ausgeführt ist, bereitgestellt. Es besteht jedoch auch die Möglichkeit, eine Zahnrad-, Flügelzellen-, Axialkolben- oder Radialkolbenmaschine als Speisepumpe einzusetzen. Die Speisepumpe wird direkt oder indirekt vom Antriebesaggregat, vorzugsweise über einen Durchtrieb der verstellbaren Hydraulikmaschine, angetrieben. Sie kann aber auch unabhängig von dem Antriebsaggregat der hydraulischen Antriebseinheit betrieben werden. Die Speisepumpe kann mit konstanten oder verstellbaren Verdrängungsvolumen ausgeführt sein. Der Volumenstrom der Speisepumpe verhält sich bei einer Konstantpumpe proportional zur Drehzahl, während bei einer Verstellpumpe das verstellbare Verdrängungsvolumen der Pumpe einen zusätzlichen Einfluss auf den Volumenstrom hat. Eine Verstellpumpe als Speisedruckpumpe bietet dahingehend Vorteile, dass das Fördervolumen der Pumpe entsprechend dem Bedarf in der Speisdruckleitung eingestellt werden kann, ohne die Antriebsdrehzahl, d. h. die Drehzahl des Antriebsaggregats der Arbeitsmaschine verändern zu müssen.
Über eine Speisedruckleitung ist die Speisepumpe mit einem Speisedruckbegrenzventil verbunden. Als Speisedruckbegrenzungsventil sind verschiedene Druckbegrenzungsventile einsetzbar, welche bspw. bei Erreichen eines einstellbaren Schwellendrucks oder gemäß einer Ventilkennlinie zum Tank hin öffnen und somit einen wesentlichen Einfluss auf die Einstellung des Speisedrucks haben. Das Speisedruckbegrenzungsventil kann beispielsweise auch elektronisch angesteuert werden, sodass sich der Speisedruck während des Betriebs der Hydraulikmaschine einstellen lässt. Somit kann der Speisedruck über die Drehzahl der Speisepumpe, über das Fördervolumen der Speisepumpe sowie über das Speisedruckbegrenzungsventil jederzeit variabel eingestellt und den Bedürfnissen der Hydraulikmaschine und des Hydraulikkreislaufes angepasst werden.
Wird also, wie erfindungsgemäß vorgeschlagen, der Speisedruck anstatt des Gehäusedrucks zur Nullhubdruckregelung eingesetzt, ergibt sich durch die Flächenverhältnisse eine konstante Druckdifferenz zwischen dem Hochdruck und dem Speisedruck. Da der Niederdruck und der Speisedruck annähernd gleich sind, ergibt sich unabhängig vom Speisedruck immer die gleiche maximale Zugkraft am Hydromotor. Insbesondere bei Inbetriebnahmen werden Einstellarbeiten am Speisedruckventil vorgenommen, um neben der Versorgung des Servosystems zur Verstellung der Hydraulikmaschine auch eine ausreichende Ausspülung and damit Kreislaufkühlung zu erreichen. Die Erfindung ermöglicht die Einstellarbeiten, ohne nachfolgend auch noch den eingestellten Nullhubdruck nachjustieren zu müssen. Eine derartige Nullhubdruckregelung kann selbstredend für jede hydraulisch angetriebene Funktion der Arbeitsmaschine ausgeführt werden.
Die Referenzierung des Schwellendrucks, welcher an der Hochdruckseite des erfindungsgemäßen Druckregelventils überschritten werden muss, auf den Speisedruck hat dahingehend Vorteile, dass der einstellbare Speisedruck einen variablen Anteil der schließenden Kraft auf das Ventil ausübt. Die verbleibende Schließkraft kann aber weiterhin beispielsweise von einer Druckkraft einer vorgespannten Ventilfeder aufgebracht werden. Die schließende Federkraft, beispielsweise einer Schraubenfeder, auf einen Ventilkörper kann darüber hinaus reduziert werden, da der Speisedruck in hydraulischen Antriebseinheiten im Allgemeinen höher ist als der Gehäusedruck. Der hydraulische Anteil der schließenden Kraft ist bei der Referenzierung auf den Speisedruck deutlich höher als bei der Referenzierung auf den Gehäusedruck. Mit der Reduzierung der Federkraft lässt sich die Feder kleiner dimensionieren, was Vorteile hinsichtlich des Bauraums und/oder des Ansprechverhaltens des Druckregelventils mit sich bringt. Bei Null hubdruckregelventilen gemäß dem Stand der Technik bietet eine Referenzierung auf den konstanten Gehäusedruck schon aufgrund des relativ geringen Druckniveaus weder die Möglichkeit, die Federkraft zu reduzieren, noch die Möglichkeit, den Schwellendruck zu verändern oder gar variabel einzustellen.
Ferner lässt sich der Schwellendruck zentral für alle im System befindlichen Druckbegrenzungsventile einstellen, wodurch sich auch die Schließkraft der Ventile zentral einstellen lässt. Damit entfällt bei Inbetriebnahmen die Einstellung der beiden Nullhubregelventile, was eine erhebliche Aufwandsreduzierung bewirkt. Der Öffnungsdruck ist ferner unabhängig von Schwankungen des Gehäusedrucks und kann somit durch die Referenzierung auf den definierten einstellbaren Speisedruck genauer angepasst werden.
Bei der erfindungsgemäßen Nullhubdruckregelung mit Referenzierung des Druckregelventils auf den Speisedruck kann die Abdichtung der Druckregelventile abgekoppelt vom Gehäusedruck erfolgen. Somit kann das Dichtungskonzept der gesamten Arbeitsmaschine einfacher gestaltet werden. Die Referenzierung der Druckregelventile auf dem Speisedruck und somit unabhängig vom Gehäusedruck bietet ggf. die Möglichkeit, den Gehäusedruck gegenüber dem Stand der Technik abzusenken und somit einfachere, kostengünstigere Dichtungen einzusetzen.
Zur erfindungsgemäßen Nullhubdruckregelung wird ein auf den Speisedruck referenziertes Druckregelventil verwendet. Die Druckregelventile können dabei bspw. so in der hydraulischen Antriebseinheit angeordnet sein, dass entweder eine oder beide Druckleitungen zwischen den Hydraulikmaschinen eines hydraulischen Antriebs ein Druckregelventil aufweisen. Für eine Niederdruckleitung ist ein Nullhubdruckregelventil nicht zwingend notwendig, außer, wenn eine Hydraulikmaschine wechselweise als Motor oder als Pumpe betrieben wird, oder die Förderrichtung des Hydraulikfluids umkehrbar sein soll, beispielsweise bei einem hydrostatischen Fahrantrieb zum Ändern der Fahrtrichtung, also wenn eine Hydraulikleitung wechselweise mit Hochdruck oder Niederdruck beaufschlagt wird. Gleiches gilt in analoger Weise für alle mit Hydraulikleitungen verbundenen Arbeitsfunktionen einer Hydraulikmaschine bzw. eines hydraulischen Systems.
Eine auf den Speisedruck referenzierte Druckregelung, bei der Druckspritzen nicht durch Ableitung von Hydraulikflüssigkeit in den Tank abgebaut werden, sondern die Leistung des hydraulischen Aggregats zurückgenommen wird und somit dem funktionellen Hydraulikkreislauf keine Hydraulikflüssigkeit entnommen wird, bietet ferner die Möglichkeit, das Tankvolumen zu reduzieren. Damit werden Totvolumina und überflüssiges Gewicht sowie unnötiger Bauraum eingespart.
Die Druckregelventile werden bevorzug zwischen einer Hochdruckleitung und der ersten, aktiven Seite des Servokolbens angeordnet. Im Falle der Nullhubregelung wird der Servokolben so verstellt, dass der Hochdruck auf der Hochdruckseite reduziert oder begrenzt wird, wie eingangs bereits für die Nullhubdruckregelung erläutert. Die Druckregelventile lassen sich sowohl in geschlossene wie auch in offene Kreisläufe integrieren.
Zusätzlich zu den Ventilen für die Nullhubdruckregelung können die hydraulischen Antriebseinheiten weitere Druckbegrenzungsventile und Bypassventile, welche beispielsweise beim Abschleppen geöffnet werden, aufweisen.
Das erfindungsgemäße Druckregelventil weist ein Gehäuse auf, in welchem ein Ventilkörper verschiebbar so angeordnet ist, dass im Gehäuse eine erste und eine zweite Kammer ausgebildet sind. Das Gehäuse, welches ein- oder mehrteilig ausgeführt sein kann, weist vorzugsweise eine zylindrische Ausnehmung auf. Dabei kann die Ausnehmung beispielsweise auch Abstufungen enthalten, um so zum Beispiel zur Auslegung des Öffnungsdrucks des Ventils verschiedene Querschnittsflächen für die mit Druck beaufschlagten Flächen bereitzustellen. Bei einer zylindrischen Ausnehmung innerhalb des Gehäuses ist beispielsweise eine Art Kolben als Ventilkörper innerhalb der Ausnehmung angeordnet, der im Gehäuse zwei Kammern ausbildet. Der Ventilkörper kann beispielsweise als Stift, Scheibe oder eine Art Becher ausgestaltet sein. Es sind jedoch auch Ventilkörper mit anderen Querschnittsformen denkbar. Runde Querschnitte bieten dahingehend Vorteile, dass sie einfach zu fertigen sind und zudem eine gute Passgenauigkeit zum Ventilkörper in einfacher und zuverlässiger Art und Weise herstellbar ist. Zum Erreichen einer guten Dichtwirkung können verschiedene Arten von Dichtungen verwendet werden, die eine Verschiebung des Ventilkörpers ohne Verlust der Dichtwirkung erlauben, wie beispielsweise Gummidichtungen.
In einer bevorzugten Ausführungsform bewirkt der einstellbare Speisedruck eine schließende Kraft auf den Ventilkörper und bestimmt somit den Öffnungsdruck des Druckregelventils mit. Das Druckregelventil kann auch so gestaltet sein, dass der Speisedruck eine öffnende Kraft auf den Ventilkörper ausübt und somit der Öffnungsdruck auf der Hochdruckseite bei steigendem Speisedruck weiter absinkt. Somit lässt sicht eine umgekehrte Proportionalität zwischen dem Speisedruck und dem Schwellendruck herstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist ein Ventilkörper im Gehäuse derart angeordnet, dass eine erste und eine zweite Kammer ausgebildet sind. Die erste Kammer weist eine erste Öffnung auf, welche in einer ersten Stellung des Druckregelventilkörpers vom Ventilkörper ver schlossen wird, und die mit der Hochdruckleitung bzw. der Niederdruckleitung des hydraulischen Antriebs in Verbindung steht. Die erste Kammer weist ferner eine zweite Öffnung auf, welche mit dem Servokolben zur Einstellung des Verdrängungsvolumens der verstellbaren Hydraulikmaschine verbunden ist. Die zweite Öffnung kann dabei aus mehreren, am Umfang der ersten Kammer im Gehäuse angebrachten Bohrungen ausgebildet sein. Die zweite Kammer weist eine dritte Öffnung auf, welche mit dem Speisedruck beaufschlagbar ist. Die dritte Öffnung kann ebenfalls aus einer Vielzahl von Bohrungen ausgebildet sein, welche beispielsweise am Umfang der zweiten Kammer angeordnet sind. Der Ventilkörper ist ferner von einer weiteren, schließenden Kraft beaufschlagt. Die schließende Kraft kann beispielsweise von einem elastischen Element aufgebracht werden. Diese Kraft wird vorzugsweise von einer Feder, insbesondere einer Schraubenfeder aufgebracht. Der Ventilkörper befindet sich in einer ersten Stellung, wenn die erste Öffnung verschlossen ist. Der dann an der ersten Öffnung anliegende Druck ist geringer als der Öffnungsdruck des Druckregelventils. Dabei wirkt der Druck in der Hochdruckleitung bzw. Niederdruckleitung als öffnende Kraft auf den Ventilkörper. Die Federkraft sowie die Druckkraft des Speisedrucks wirken dagegen als schließende Kräfte auf den Ventilkörper.
In einer ersten Ausführungsform kann das Druckregelventil beispielsweise durch die Anordnung der zweiten Öffnung oder durch die Formgestaltung des Ventilkörpers so ausgestaltet sein, dass der Betrag der Druckkraft aufgrund des Servodrucks auf den Ventilkörper gleich Null ist, also weder eine öffnende noch eine schließende Kraft durch den Servodruck auf den Ventilkörper ausübt wird. In einer solchen Ausführungsform ist das Druckregelventil als Druckregelventil für die Nullhubdruckregelung ohne integrierte Rückschlagfunktion anzusehen. Dies kann beispielsweise dadurch realisiert werden, dass die zweite Öffnung, an der der Servodruck anliegt, am Umfang der ersten Kammer angeordnet, und in der ersten Stellung des Ventilkörpers vom Ventilkörper verschlossen ist, oder dass der Ventilkörper so gestaltet ist, dass die Flächen, auf welche der Servodruck wirkt, sowohl in öffnender als auch in schließender Richtung gleich groß sind.
Der Ventilkörper des Druckregelventils kann aufgrund der Hydraulikkraft des Hochdrucks an der ersten Öffnung in eine zweite Stellung überführt werden, in der die erste Öffnung nicht verschlossen ist und über die erste Öffnung, die erste Kammer und die zweite Öffnung eine hydraulische Verbindung zwischen Hochdruckleitung und Servokolben hergestellt wird. Dies tritt ein, wenn die den Ventilkörper öffnenden Hydraulikkräfte des Hochdrucks und ggf. des Servodrucks größer sind als die schließenden Kräfte der Feder und des Speisedrucks. Somit wird eine hydraulische Verbindung von der Hochdruckseite zur nun aktiven Seite des Servokolbens bereitgestellt, um das Fördervolumen der Verstellpumpe entsprechend anzupassen.
Bewirkt der Servodruck ebenfalls eine öffnende Kraftkomponente auf den Ventilkörper, so kann das Druckregelventil so ausgelegt werden, dass in das Druckregelventil eine Rückschlagfunktion integriert ist, wobei das Druckregelventil mit integrierter Rückschlagfunktion Hydraulikflüssigkeit beispielsweise in die Niederdruckseite ableitet. Bei der Rückschlagfunktion wird der Ventilkörper maßgeblich aufgrund des Servodrucks in die zweite Stellung überführt, in welcher der Ventilkörper die Verbindung zwischen der zweiten Öffnung und der ersten Öffnung freigibt. Somit kann Hydraulikflüssigkeit beispielsweise von der passiven Seite des Servokolbens über den Servokreis und die zweite Öffnung in die erste Kammer des Druckregelventils hinein und über die erste Öffnung bspw. in die Niederdruckseite des hydraulischen Antriebs geleitet werden. Der Öffnungsschwellendruck für die Rückschlagfunktion hängt dabei von der schließenden Kraft des Druckregelventils ab, welche sich aus der konstanten Kraft, beispielsweise der schließend wirkenden Schraubenfeder, sowie der variablen Kraft, welche aus dem momentan herrschenden Speisedruck resultiert, zusammensetzt.
Eine bevorzugte Ausführungsform ist die Kombination der Nullhubdruckregelung mit einem Rückschlagventil, welches zwischen der zweiten, passiven Seite des Servokolbens und bspw. der Niederdruckseite angeordnet ist. Es kann dabei ein separates Rückschlagventil mit oder ohne Speisedruckreferenzierung verwendet werden. Ein auf den Speisedruck referenziertes Rückschlagventil bietet dahingehend Vorteile, dass sich der Öffnungsdruck der Rückschlagventile ebenfalls als konstante Druckdifferenz zwischen Niederdruck und Speisedruck einstellt und bei Einstellarbeiten des Speisedruckes bei Inbetriebnahme nicht verändert werden muss. Es besteht ferner auch die Möglichkeit, das Rückschlagventil in das Druckregelventil zur Nullhubdruckregelung integrieren, wobei die Rückschlagfunktion wechselweise mit der Nullhubregelung ausführbar ist. Somit ergeben sich zusätzlich zu den Vorteilen in der Funktionalität auch Vorteile im Bauraum, da zwei Druckventile in einem Ventil vereint sind.
Bevorzugt wird die Rückschlagfunktion in das Nullhubdruckregelventil integriert, da aufgrund der Einleitung der Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Seite des Servokolbens in die Niederdruckseite wird dem Kreislauf keine Hydraulikflüssigkeit entzogen, was besonders für geschlossene Kreisläufe Vorteile aufweist.
Zum Verschließen der ersten Öffnung des Druckregelventils, welche mit der Hochdruckleitung bzw. Niederdruckleitung verbunden ist, ist eine Dichtfläche am Ventilkörper vorgesehen, die als plane Dichtfläche ausgeführt sein kann. Die Abdichtung kann jedoch auch von einer Dichtfläche übernommen werden, welche an einem Vorsprung des Ventilkörpers angeordnet ist, beispielsweise eine Kugel-Kegel-Geometrie zwischen der Dichtfläche und der ersten Öffnung. Die Form der Dichtfläche kann beispielsweise auch konkav, konvex, kegelartig oder in einer anderen Form ausgestaltet sein, um gewünschte Effekte, beispielsweise in der Ventilkennlinie, zu erzeugen. Vorzugsweise weist die Dichtfläche im Bereich der Kontaktfläche mit dem Gehäuse eine konvexe, insbesondere kugelabschnittsförmige, Form auf, die in einen kegelstumpfartigen Endbereich übergeht. Mit einer solchen Geometrie der Dichtfläche lassen sich die Strömungskräfte auf den Ventilkörper günstig beeinflussen, was zu einer stetiger verlaufenden Druckanstiegskurve in der Ventilkennlinie im Gegensatz zu bekannten Schließgeometrien wie Kugel-Kegel-Geometrien führt. Dies hat einen positiven Einfluss auf die Rückschwenkzeit (Antwortzeit) der verstellbaren Hydraulikmaschine. Auftretende Druckspitzen in der Servodruckleitung sowie in der Hochdruckleitung werden daher schneller abgebaut. Ferner ist durch eine solche Geometrie ein stabiles und über den Hub des Ventils stetiges Verhalten der Durchströmung des Ventils realisierbar.
Weiter vorzugsweise kann die Dichtfläche an einem Vorsprung eines Ventiltellers angeordnet sein, wobei der Ventilteller im Ventilkörper des Druckbegrenzungsventils verschiebbar angeordnet ist. Der Vorsprung an dem Ventilteller, welcher in der einfachsten Ausführung im Bereichs einer Durchführung durch den Ventilkörper eine Zylinderform aufweist, ist zum Ventilkörper in der Durchführung hin abgedichtet. Dies kann beispielsweise über eine Spaltdichtung oder über eine Gummidichtung realisiert werden. Im vorderen Bereich des Vorsprungs ist die Dichtfläche für die Abdichtung der ersten Öffnung angeordnet. Der Teller des Ventiltellers selbst ist zum Ventilkörper hin nicht abgedichtet. In einer solchen Ausführungsform wird der Ventilteller in einer ersten Stellung, in welcher das Druckregelventil verschlossen ist, von einer schließenden Kraft beaufschlagt, welche beispielsweise durch eine Schraubenfeder und durch die schließende Kraft des Speisedrucks, die zumindest auf eine Teilfläche des Ventiltellers wirkt, aufgebracht wird.
Beim Öffnen des Druckregelventils mit Ventilkörper und Ventilteller und damit zum Freigeben der ersten Öffnung aufgrund eines Anstiegs des Hochdrucks wird zunächst nur der Ventilteller aufgrund der Hydraulikkraft des Hochdrucks verschoben. Das Druckregelventil wird also zunächst von einer ersten Stellung in eine zweite Stellung überführt, indem nur der Ventilteller bewegt wird. Dies bringt Vorteile in der Ventildynamik und der Öffnungscharakteristik mit sich, da der Ventilteller in der Regel eine geringere Masse aufweist als der Ventilkörper. Wenn der Hochdruck nach dem Freigeben der ersten Öffnung durch den Ventilteller in der ersten Kammer anliegt, wird der Ventilkörper ebenfalls verschoben, bis er, zumindest teilweise, am Ventilteller anliegt. Das Druckregelventil befindet sich nun in einer dritten Stellung.
Zum Öffnen des Druckregelventils aufgrund eines Anstiegs des Servodrucks (Rückschlagfunktion) kann das Ventil von der ersten Stellung direkt in die dritte Stellung überführt werden. Aufgrund des an der zweiten, offenen Öffnung in der ersten Kammer herrschenden Servodrucks und des an der ersten, geschlossenen Öffnung anliegenden Niederdrucks wird bspw. der Ventilkörper mitsamt dem Ventilteller gegen die schließenden Kräfte beispielsweise der Feder und des Speisedrucks in der zweiten Kammer in die dritte Stellung verschoben. Der Niederdruck, welcher an der ersten verschlossenen Öffnung anliegt, reicht nicht aus, den Ventilteller zu bewegen und die erste Öffnung freizugeben.
Auf Grund des Ventiltellers ergeben sich weiterhin Vorteile in der Auslegung des Schwellendrucks für die Nullhubdruckregelung bzw. die Rückschlagfunktion des Druckregelventils. Beispielsweise kann die Fläche, auf welche der Servodruck zur Realisierung der Rückschlagfunktion wirkt, und damit der gewünschte Öffnungsdruck der Rückschlagfunktion unabhängig vom Öffnungsdruck der Nullhubdruckregelfunktion gewählt werden.
Die schließende Kraft, welche beispielsweise durch das Federelement aufgebracht wird, ist vorzugsweise justierbar. Bei einer Schraubenfeder kann die Federkraft beispielsweise über die Vorspannung eingestellt werden. So können beispielsweise in einem zweigeteilten Gehäuse die Anlageflächen der Schraubenfeder über die Verdrehung einer Gewindeverbindung der beiden Gehäuseteile verschoben werden und so die Vorspannung der Feder verändert werden. Dies bringt zum Einen Vorteile in der Einstellung der Schließkraft im drucklosen Zustand und zum Anderen Vorteile in der Abstimmung der verschiedenen Ventile aufeinander mit sich.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten werden im Folgenden auf Basis bevorzugter Ausführungsformen anhand der beigefügten Figuren näher erläutert. Dabei zeigen:
1 einen Hydraulikschaltplan einer hydraulischen Antriebseinheit mit Druckbegrenzung und Nullhubregelung gemäß dem Stand der Technik,
2 einen Hydraulikschaltplan einer hydraulischen Antriebseinheit mit Druckbegrenzung und Nullhubregelung mit integrierter Rückschlagfunktion gemäß der Erfindung,
3 eine Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Druckregelventils in einer ersten Stellung,
4 Schnittdarstellung einer zweiten Ausführungsform eines Druckregelventils mit integriertem Rückschlagventil in einer ersten Stellung,
5 Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Druckregelventils mit integriertem Rückschlagventil in einer ersten Stellung,
6 Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Druckregelventils mit integriertem Rückschlagventil in einer zweiten Stellung,
7 Schnittdarstellung einer dritten Ausführungsform eines Druckregelventils mit integriertem Rückschlagventil in einer dritten Stellung, und
8 Darstellung einer Dichtfläche eines Druckregelventils.
Gemäß 1 weist eine hydraulische Antriebseinheit 2 aus dem Stand der Technik eine verstellbare Hydraulikmaschine 6, beispielsweise eine Axialkolbenpumpe auf, welche von einem Antriebsaggregat 4 angetrieben wird. Das Antriebsaggregat 4 kann beispielsweise ein Verbrennungsmotor sein. Die verstellbare Hydraulikmaschine 6 ist über eine Hochdruckleitung 18 und eine Niederdruckleitung 16 mit einem hydraulischen Konstantmotor (nicht dargestellt) verbunden, so dass ein geschlossener Kreislauf gebildet wird. In einem Betriebszustand „Zug”, bei welchem hydraulisch Energie vom Antriebsaggregat 4 über die verstellbare Hydraulikmaschine 6, die als Pumpe arbeitet, zum Hydraulikmotor übertragen wird, fördert die verstellbare Hydraulikmaschine 6 Hydraulikflüssigkeit aus der Niederdruckleitung 16 in die Hochdruckleitung 18. In der Hochdruckleitung 18 herrscht dabei ein Hochdruck, während in der Niederdruckleitung 16 ein Niederdruck herrscht. Ein solcher Betriebszustand tritt beispielsweise beim Beschleunigen eines Fahrzeugs auf. Im Betriebszustand „Schub” wird der Energiefluss umgedreht, sodass der Hydraulikmotor (nicht dargestellt) nun als Pumpe arbeitet und Hydraulikflüssigkeit aus der Hochdruckleitung 18 in die Niederdruckleitung 16 gefördert wird. In der Niederdruckleitung 16 liegt nun also ein Hochdruck an, während in der Hochdruckleitung 18 ein Niederdruck anliegt.
Die verstellbare Hydraulikmaschine 6 weist weiter einen Durchtrieb auf, so dass vom Antriebsaggregat 4 zusätzlich eine Speisepumpe 8 angetrieben wird. Die Speisepumpe 8 ist als Konstantpumpe ausgeführt und fördert Hydraulikflüssigkeit aus einem Tank 46 in eine Speisedruckleitung 22. Der hydraulische Druck in der Speisedruckleitung 22 (Speisedruck) wird von einem Speisedruckbegrenzungsventil 20 begrenzt. Die Speisepumpe 8 versorgt über die Speisedruckleitung 22 und eine Regeleinrichtung 24 einen Servokolben 10 mit Hydraulikflüssigkeit, mit dem das Fördervolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6 über beispielsweise eine Schrägscheibe eingestellt wird. Der Servokolben 10 weist eine erste Seite 12 und eine zweite Seite 14 auf, welche über die Regeleinrichtung 24 mit Druck – je nach Anforderung an das Fördervolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6 – beaufschlagt werden.
Zur Druckregelung weist die hydraulische Antriebseinheit 2 aus dem Stand der Technik zwei zweistufige Druckbegrenzungsventile 26, 34 auf. In die zweistufigen Druckbegrenzungsventile ist jeweils ein Druckregelventil 28, 36 und ein Druckbegrenzungsventil 32, 40 integriert. Steigt im Betriebszustand „Zug” der Druck in der Hochdruckleitung 18 über einen ersten festgelegten Schwellenwert (Öffnungsdruck des Druckregelventils 28 zur Nullhubregelung), öffnet sich das erste Druckregelventil 28 im ersten zweistufige Druckbegrenzungsventil 26 und stellt eine hydraulische Verbindung von der Hochdruckleitung 18 zu einer ersten Seite 12 des Servokolbens 10 her, welche nun aufgrund der Druckerhöhung als aktive Seite bezeichnet wird. Die Druckerhöhung auf der aktiven, ersten Seite 12 des Servokolbens 10, führt zu einer Verschiebung des Servokolbens 10 hin zur zweiten Seite 14 des Servokolbens 10, welche in diesem Betriebszustand die passive Seite darstellt. Durch die (Rück-)Verschiebung des Servokolbens 10 wird das Fördervolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6 reduziert. Um Druckspitzen auf der zweiten Seite 14 des Servokolbens 10 zu vermeiden, ist die zweite Seite 14 des Servokolbens 10 mit einem zweiten Rückschlagventil 38 verbunden, welches bei Überschreiten eines vorher bestimmten Schwellenwertes für den Servokreis über das Speisedruckbegrenzungsventil 20 eine hydraulische Verbindung zum Tank 46 herstellt.
Die im ersten zweistufigen Druckbegrenzungsventil 26 integrierte zweite Druckbegrenzungsstufe kann für sich alleine betrachtet als Überdruckbegrenzungsventil 32 angesehen werden, und dient als Überlastungsschutz. Das Überdruckbegrenzungsventil 32 ist beispielsweise so eingestellt, dass der Öffnungsdruck des Überdruckbegrenzungsventils 32 etwa 10 bis 20 bar über dem des Druckregelventils 28 liegt. Das Druckbegrenzungsventil 32 leitet bei Überschreiten des Öffnungsdrucks Hydraulikflüssigkeit über die Speisedruckleitung 22 und das Speisedruckbegrenzungsventil 20 in den Tank 46 ab.
Im Fahrzustand „Schub” öffnet das zweite Druckregelventil 36 zur Nullhubregelung, wenn ein vorher festgelegter erster Schwellenwert für das Druckregelventil 36 in der Niederdruckleitung 16 überschritten wird. Dadurch wird eine hydraulische Verbindung zwischen der Niederdruckleitung 16 und der zweiten Seite 14 der Servokolbens 10 hergestellt, die dadurch zur aktiven Seite wird. Der Servokolben 10 verschiebt sich in Richtung der ersten, nun passiven Seite 12 des Servokolbens 10 und erhöht das Fördervolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6. Bei Überschreiten eines vorher festgelegten Schwellendrucks auf der ersten Seite 12 des Servokolbens 10 öffnet ein zweites Rückschlagventil 30 und stellt über das Speisedruckbegrenzungsventil 20 eine hydraulische Verbindung zum Tank 46 her.
2 zeigt einen Hydraulikschaltplan einer hydraulischen Antriebseinheit 2, in welcher eine Nullhubregelung gemäß der Erfindung realisiert ist. Zur Nullhubregelung werden ein erstes und ein zweites Druckregelventil 42, 44 verwendet. Die Druckregelventile 42, 44 weisen zusätzlich zu den Anschlüssen der Druckregelventile 28, 36 aus 1 einen Anschluss für eine Speisedruckreferenzierungsleitung 23 auf, sodass die Öffnungscharakteristik der Druckregelventile 42, 44 vom (momentan) herrschenden Druck in der Speisedruckleitung 22 abhängt. Ferner können in die Druckregelventile 42, 44 jeweils eine integrierte Rückschlagfunktion aufweisen und die Funktion der Rückschlagventile 30, 38 aus 1 übernehmen. Die integrierte Rückschlagfunktion der Druckregelventile 42, 44 öffnet ebenfalls in Abhängigkeit des in der Speisedruckreferenzierungsleitung 23 herrschenden Drucks, welcher dem Druck in der Speisedruckleitung 22 entspricht.
Überschreitet der Druck in der Hochdruckleitung 18 den Öffnungsdruck des ersten Druckregelventils 42, welcher vom Druck in der Speisedruckleitung 22 abhängt, so öffnet das erste Druckregelventil 42 und stellt eine hydraulische Verbindung von der Hochdruckleitung 18 zur ersten (nun aktiven) Seite 12 des Servokolbens 10 her. Der Servokolben 10 verschiebt sich in Richtung der zweiten (nun passiven) Seite 14 des Servokolbens 10 und reduziert somit das Verdrängungsvolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6. Überschreitet der Druck auf der passiven Seite 14 des Servokolbens 10 einen Schwellendruck, öffnet die Rückschlagfunktion des zweiten Druckregelventils 44. Der Schwellendruck variiert in Abhängigkeit vom Druck, welcher in der Speisedruckleitung 22 und damit an der Speisedruckreferenzierungsleitung 23 anliegt. Durch das Öffnen der integrierten Rückschlagfunktion des zweiten Druckregelventils 44, wird eine Verbindung von der zweiten Seite 14 des Servokolbens 10 mit der Niederdruckleitung 16 hergestellt, und so der Überdruck abgebaut.
Analoge Vorgänge treten im Schubbetrieb bei Überschreiten des Schwellendrucks in der Niederdruckleitung 16 auf, wodurch das Fördervolumen der verstellbaren Hydraulikmaschine 6 vergrößert wird.
Die hydraulische Antriebseinheit 2 gemäß 2 weist zur Druckbegrenzung zusätzliche, wie schon aus dem Stand der Technik bekannt, Druckbegrenzungsventile 32, 40 auf, welche als separate Baugruppe in der hydraulischen Antriebseinheit 2 angeordnet sind. Sie weisen gemäß 2 einen ebenfalls vom Speisedruck abhängigen Schwellendruck auf, welcher in der Regel höher liegt als der Schwellendruck der Druckregelventile 42, 44.
Wird eines der beiden Überdruckventile 32, 40 durch einen Überdruck geöffnet, so kann, bspw. über ein dem geschlossenen Überdruckventil parallelgeschalteten Drossel-Rückschlagventil, eine direkte Verbindung zwischen der Hochdruckleitung 18 und der Niederdruckleitung 16 hergestellt werden.
3 zeigt eine Schnittdarstellung eines Druckbegrenzungsventils 42, 44 ohne integrierte Rückschlagfunktion gemäß der Erfindung, welches bevorzugt zur Nullhubregelung eingesetzt wird. Das Druckregelventil 42, 44 weist ein zweiteiliges Gehäuse 52, 54 auf. Innerhalb des Gehäuses 52, 54 ist ein Ventilkörper 56 so angeordnet, dass im Gehäuse 52, 54 eine erste Kammer 60 und eine zweite Kammer 62 ausgebildet sind. Die erste Kammer 60 weist eine erste Öffnung 64 auf, welche mit der Hochdruck- bzw. Niederdruckleitung 16 und 18 in Verbindung steht. Der Ventilkörper 56 ist von einer Schraubenfeder 70 so vorgespannt, dass die erste Öffnung 64 mittels einer Dichtfläche 58 des Ventilkörpers 56 in einer ersten Stellung verschlossen ist. Ferner weist die erste Kammer 60 eine zweite Öffnung 66 auf, welche mit der ersten Seite 12 oder mit der zweiten Seite 14 des Servokolbens 10 in Verbindung steht. Die zweite Kammer 62 weist eine dritte Öffnung 68 auf, welche über die Speisedruckreferenzierungsleitung 23 mit der Speisedruckleitung 22 in hydraulischer Verbindung steht, womit Speisedruck in der zweiten Kammer 62 anliegt.
Die schließend auf den Ventilkörper 56 wirkende Kraft setzt sich also aus der Kraft der Schraubenfeder 70 und der Druckkraft des Speisedrucks, der auf den Ventilkörper 56 in der zweiten Kammer 62 wirkt, zusammen. Der an der ersten Öffnung 64 anliegende Druck bewirkt eine öffnende Kraft auf den Ventilkörper 56. Der in der Kammer 60 herrschende Servodruck braucht bei dieser Ausführungsform nicht berücksichtigt zu werden, da sowohl die schließende als auch die öffnende Kraftkomponente des in der ersten Kammer 60 herrschenden Servodrucks, die auf den Ventilkörper 56 wirkt, annähernd gleich groß sind. Aufgrund des variabel einstellbaren Speisedrucks, der an der zweiten Öffnung 66 anliegt und eine schließende Kraftkomponente auf den Ventilkörper 56 ausübt, variiert der Öffnungsdruck, welcher an der ersten Öffnung 64 anliegen muss, um das Druckregelventil 42, 44 zu öffnen und damit durch Nullhubregelung eine Veränderung des Verdrängungsvolumens der verstellbaren Hydraulikmaschine 6 herbeizuführen.
4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausbildung eines Druckregelventils 42, 44 gemäß der Erfindung mit einem integrierter Rückschlagventil. Das Druckregelventil 42, 44 weist ein zweiteiliges Gehäuse 52, 54 auf. Innerhalb des Gehäuses 52, 54 ist ein Ventilkörper 56 so angeordnet, dass im Gehäuse 52, 54 eine erste Kammer 60 und eine zweite Kammer 62 ausgebildet sind. Die erste Kammer 60 weist eine erste Öffnung 64, welche mit der Hochdruck- bzw. Niederdruckleitung 16 und 18 in Verbindung steht. Der Ventilkörper 56 ist von einer Schraubenfeder 70 so vorgespannt, dass die erste Öffnung 64 mittels einer Dichtfläche 58 des Ventilkörpers 56 in einer ersten Stellung verschlossen ist. Ferner weist die erste Kammer 60 eine zweite Öffnung 66 auf, welche mit der ersten Seite 12 bzw. der zweiten Seite 14 des Servokolbens 10 in Verbindung steht. Die zweite Kammer 62 weist eine dritte Öffnung 68 auf, welche mit der Spei sedruckreferenzierungsleitung 23 in hydraulischer Verbindung steht und in der der Speisedruck anliegt. Der Ventilkörper 56 ist, im Gegensatz zu dem Ausführungsbeispiel aus 3, so ausgeführt, dass der an der zweiten Öffnung 66 anliegende Druck aus dem Servosystem eine öffnende Kraft auf den Ventilkörper 56 bewirkt. Somit setzt sich die den Ventilkörper 56 öffnende Kraft aus der Hydraulikkraft auf Grund des an der ersten Öffnung 64 anliegenden Drucks sowie aus der Hydraulikkraft aus dem an der zweiten Öffnung 66 anliegenden Servodrucks zusammen. Schließend auf den Ventilkörper 56 wirkt die Hydraulikkraft aus dem Speisedruck, welcher an der Öffnung 68 anliegt, sowie die Federkraft der Schraubenfeder 70.
Treten bspw. auf Grund der Nullhubregelung Druckspitzen auf der passiven Seite des Servokolbens 10 auf, so erhöht sich über die zweite Öffnung 66 der Druck in der ersten Kammer 60. Überwinden die auf den Ventilkörper 56 öffnend wirkenden Kräfte (Druckkräfte auf den Ventilkörper 56 aufgrund des Drucks an der ersten Öffnung 64 und des Drucks in der ersten Kammer 60) die schließenden Kräfte (Druckkraft auf den Ventilkörper 56 aufgrund des Speisedrucks in der zweiten Kammer 62 und der Federkraft der Feder 70), so wird die erste Öffnung 64 freigegeben und Hydraulikflüssigkeit strömt von der passiven Seite des Servokolbens 10 über das Druckregelventil 42, 44 mit integriertem Rückschlagventil auf die Niederdruckseite des geschlossenen Hydraulikkreislaufs.
5 zeigt eine weitere bevorzugte Ausbildung eines Druckregelventils 42, 44 mit integriertem Rückschlagventil in einer ersten, geschlossenen Stellung. Zur Verbesserung der Öffnungsdynamik der Druckregelfunktion bei der Nullhubregelung weist der Ventilkörper 56, welcher im Gehäuse 52, 54 angeordnet ist, zusätzlich einen Ventilteller 72 auf. Der Ventilteller 72 ist in der zweiten Kammer 62 innerhalb des Ventilkörpers 56 angeordnet und weist einen Vorsprung mit einer Dichtfläche 58 auf. Der Vorsprung ragt durch den Ventilkörper 56 hindurch und verschließt in der ersten Stellung die erste Öffnung 64 der ersten Kammer 60 des Druckregelventils 42, 44. Der Vorsprung des Ventiltellers 72 ist dabei zum Ventilkörper 56 hin abgedichtet. Zur Öffnung des Druckregelventils 42, 44 für die Nullhubregelung muss der an der ersten Öffnung 64 anliegende Druck auf die Querschnittsfläche der ersten Öffnung 64 eine größere Kraft aufbringen als die auf den Ventilteller 72 schließend wirkenden Kräfte, welche sich aus der resultierenden Schließkraft aus dem Speisedruck sowie der Federkraft zusammensetzt. Dadurch wird das Druckregelventil 42, 44 in eine zweite Stellung überführt, wie in 6 gezeigt, in welcher der Ventilteller 72 die erste Öffnung 64 freigibt, indem er in den becherförmigen Ventilkörper 56 hineinverschoben ist. Auf Grund der vergleichbar geringen Masse des Ventiltellers 72, im Gegensatz zum Ventilkörper 56, ergeben sich hier Vorteile in der Öffnungsdynamik. Nach dem Freigeben der ersten Öffnung 64 herrscht in der ersten Kammer 60 Hochdruck und der gesamte Ventilkörper 56 wird anschließend so verschoben, dass sich das Druckregelventil 42, 44 in einer dritten Stellung befindet, wie in 7 dargestellt, in der der Ventilkörper 56 am Ventilteller 72 anliegt. Der Ventilkörper 56 und der Ventilteller 72 sind dabei so ausgestaltet, dass bei der Relativbewegung zwischen Ventilteller 72 und Ventilkörper 56 von der ersten in die zweite Stellung und umgekehrt die Abdichtung zwischen beiden bestehen bleibt.
Zum Öffnen des geschlossenen Rückschlagventils aus der ersten Stellung, wie in 5 gezeigt, müssen die öffnend auf den Ventilkörper 56 wirkenden Hydraulikdruckkräfte, die von dem an der zweiten Öffnung 66 und in der ersten Kammer 60 herrschenden Servodrucks und von dem die an der ersten Öffnung 64 anliegende Druck aus der Niederdruck- oder Hochdruckleitung 16, 18 aufgebracht werden, größer sein als die schließenden Komponenten, welche aufgrund der Federkraft der Schraubenfeder 70 sowie des Speisedrucks über die dritte Öffnung 68 in der zweiten Kammer 62 auf den Ventilteller 72/Ventilkörper 56 wirkten. Beim Öffnen des Rückschlagventils wird das geschlossene Druckregelventil 42, 44 aus einer ersten Stellung, wie in 5 gezeigt, direkt in die dritte Stellung, wie in 7 gezeigt, überführt.
8 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der Dichtfläche 58 eines Druckregelventils 42, 44 zur Optimierung der Ventilkennlinie. Im Bereich der Kontaktfläche mit dem Gehäuse 52 weist die Dichtfläche 58 einen kugelabschnittsförmigen Bereich auf, der im Bereich der Kontaktfläche einen Krümmungsradius R von vorzugsweiseweise dem 0,64-fachen des Durchmessers der ersten Öffnung 64 aufweist. Der konvexe Bereich geht an dem freien Ende in einen konischen Endbereich K über.

2: hydraulische Antriebseinheit
4: Antriebsaggregat
6: verstellbare Hydraulikmaschine
8: Speisepumpe
10: Servokolben
12: erste Seite des Servokolbens
14: zweite Seite des Servokolbens
16: Niederdruckleitung
18: Hochdruckleitung
20: Speisedruckbegrenzungsventil
22: Speisedruckleitung
23: Speisedruckreferenzierungsleitung
24: Regeleinrichtung
26: erstes zweistufiges Druckbegrenzungsventil (Stand der Technik)
28: erstes Druckregelventil (Stand der Technik)
30: erstes Rückschlagventil (Stand der Technik)
32: erstes Überdruckbegrenzungsventil
34: zweites zweistufiges Druckbegrenzungsventil (Stand der Technik)
36: zweites Druckregelventil (Stand der Technik)
38: zweites Rückschlagventil (Stand der Technik)
40: zweites Überdruckbegrenzungsventil
42: erstes Druckregelventil mit Speisedruckreferenzierung
44: zweites Druckregelventil mit Speisedruckreferenzierung
46: Tank
52: Gehäuse Teil 1
54: Gehäuse Teil 2
56: Ventilkörper
58: Dichtfläche
60: erste Kammer
62: zweite Kammer
64: erste Öffnung
66: zweite Öffnung
68: dritte Öffnung
70: Druckfeder
72: Ventilteller

Claims

Druckregelventil (42, 44) einer hydraulische Antriebseinheit (2), aufweisend – ein Gehäuse (52, 54) – einen Ventilkörper (56) mit einer Dichtfläche (58), der in dem Gehäuse (52, 54) verschiebbar angeordnet und gegenüber dem Gehäuse (52, 54) so abgedichtet ist, dass im Gehäuse (52, 54) eine erste (60) und eine zweite Kammer (62) ausgebildet sind, wobei – die erste Kammer (60) eine erste Öffnung (64), an die ein erster Druck anlegbar ist und die mittels der Dichtfläche (58) in einer ersten Stellung des Ventilkörpers (56) verschließbar ist, und eine zweite Öffnung (66), an der ein zweiter Druck anlegbar ist, aufweist, und – die zweite Kammer (62) eine dritte Öffnung (68) aufweist, sodass die zweite Kammer (62) über die dritte Öffnung (68) mit einem dritten Druck beaufschlagbar ist, wobei eine in dem Gehäuse (52, 54) angeordnete Druckfeder (70) den Ventilkörper (56) so vorspannt, dass er sich in der ersten Stellung befindet, und der Ventilkörper (56) in eine zweite Stellung, in der die erste Öffnung (64) nicht verschlossen ist, überführbar ist, indem der erste und der zweite Druck eine größere öffnende Kraft auf den Ventilkörper (56) ausüben als die Summe der schießenden Kräfte des dritten Drucks und der Druckfeder (70).
Druckregelventil (42, 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (56) einen Vorsprung aufweist, an dem die Dichtfläche (58) zum Schließen der ersten Öffnung (64) angeordnet ist.
Druckregelventil (42, 44) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilkörper (56) ein Ventilteller (72) verschiebbar angeordnet ist, der von der Druckfeder (70) vorgespannt wird und von dem zweiten Druck beaufschlagbar ist und einen durch eine Öffnung im Ventilkörper ragenden Vorsprung mit einer Dichtfläche (58) aufweist, wobei – der Ventilteller (72) sich in einer ersten Stellung befindet, in der die Dichtfläche (58) die erste Öffnung (64) im Gehäuse (52, 54) verschließt, – der Ventilteller (72) in eine zweite, in die zweite Kammer (62) hineinverschobene Stellung überführbar ist, in der der Vorsprung des Ventiltellers (72) die erste Öffnung (64) im Gehäuse (52, 54) nicht verschließt.
Druckregelventil (42, 44) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorsprung des Ventiltellers (72) die Öffnung im Ventilkörper (56) abdichtet.
Druckregelventil (42, 44) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorspannung der Druckfeder (70) zum Justieren des Druckregelventils einstellbar ist.
Druckregelventil (42, 44) nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Bereich der Dichtfläche (58) zum Schließen der ersten Öffnung (64) eine kugelabschnittsförmige Form aufweist.
Druckregelventil (42, 44) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die kugelabschnittsförmige Form im Bereich der Dichtfläche (58) einen Radius mit dem 0,64-fachen Wert des Durchmessers der ersten Öffnung (64) aufweist.
Druckregelventil (42, 44) nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (58) in einen konischen Endbereich übergeht.
Hydraulische Antriebseinheit (2) mit einer verstellbaren Hydraulikmaschine (6), aufweisend – ein erstes Druckregelventil (42), – eine Regeleinrichtung (24) und einem Servokolben (10) zum Verstellen des Fördervolumens der verstellbaren Hydraulikmaschine (6), wobei eine hydraulische Verbindung zwischen einer ersten Seite (12) des Servokolbens (10) und dem ersten Druckregelventil (42) besteht, – eine Hochdruckleitung (18), die mit dem Druckregelventil (42) verbunden ist und in der ein Hochdruck herrscht, der eine öffnende Kraft auf das Druckregelventil (42) ausübt, und – eine Speisepumpe (8), die einen Speisedruck für den Servokolben (10) bereitstellt, wobei der Speisedruck eine schließende Kraft auf das Druckregelventil (42) ausübt, wobei das Druckregelventil (42) so ausgebildet ist, dass der Hochdruck auf den Speisedruck referenziert ist.
Hydraulische Antriebseinheit (2) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Druckregelventil (42) ein Druckregelventil (42, 44) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 ist, bei dem – die Hochdruckleitung (18) mit der ersten Öffnung (64) des ersten Druckregelventils (42) verbunden ist, – die erste Seite (12) des Servokolbens (10) mit der zweiten Öffnung (66) des ersten Druckregelventils (42) in hydraulischer Verbindung steht, und – der Speisedruck an der dritten Öffnung (68) des ersten Druckregelventils (42) anliegt, sodass die Freigabe der erste Öffnung (64) des ersten Druckregelventils (42) erfolgt, wenn der Hochdruck und der an zweiten Öffnung (66) anliegende Druck eine größere öffnende Kraft auf den Ventilkörper (56) ausüben als die Summe der schließenden Kräfte aus dem Speisedruck und der Druckfeder (70).
Hydraulische Antriebseinheit (2) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Antriebseinheit (2) ein zweites Druckregelventil (44) nach einem der Ansprüche 1 bis 8 aufweist, welches über die erste Öffnung (64) mit einer Niederdruckleitung (16) der hydraulischen Antriebseinheit (2), über die zweite Öffnung (66) mit einer zweiten Seite (14) des Servokolbens (10) verbunden ist und über die dritte Öffnung (68) mit dem Speisedruck beaufschlagt ist, sodass die Freigabe der erste Öffnung (64) des zweiten Druckregelventils (44) erfolgt, wenn der Druck in der Niederdruckleitung (16) und der an der zweiten Öffnung (66) anliegende Druck eine größere öffnende Kraft auf den Ventilkörper (56) ausüben als die Summe der Kräfte aus dem Speisedruck und der Druckfeder (70), wobei Hydraulikflüssigkeit aus der zweiten Seite (14) des Servokolbens (10) in die Niederdruckleitung (16) der hydraulischen Antriebseinheit (2) abströmt.
Verfahren zur Druckregelung eines Hochdrucks einer verstellbaren Hydraulikmaschine (6) mit einem Druckregelventil (42), bei dem zu dessen Öffnen ein Hochdruck eine das Druckregelventil (42) schließende Kraft überwinden muss, die von einer vorgespannten Feder (70) und einem Speisedruck zur Verstellung der Hydraulikmaschine (6) aufgebracht wird, und ein mit dem Druckregelventil (42) in hydraulischer Verbindung stehender Servokolben (10) durch Druckerhöhung auf einer ersten Seite (12) des Servokolbens (10) den Hochdruck in einer hydraulischen Antriebseinheit (2) reduziert oder begrenzt.
Verfahren nach Anspruch 12, bei dem Hydraulikflüssigkeit, welche über das Druckregelventil (42) einer Hochdruckleitung (18) der hydraulischen Antriebseinheit (2) entnommen wird, der ersten Seite (12) des Servokolbens (10) zum Verstellen der Hydraulikmaschine (6) zugeführt wird und Hydraulikflüssigkeit von einer zweiten Seite (14) des Servokolbens (10) über ein weiteres Druckregelventil (44) in eine Niederdruckleitung (16) der hydraulischen Antriebseinheit (2) abgeleitet wird.
Verfahren nach Anspruch 12 oder 13, bei dem der Speisedruck einstellbar ist.