DE102009019552A1

DE102009019552A1 - Proportional-Drosselventil

Info

Publication number: DE102009019552A1
Application number: DE200910019552
Authority: DE
Inventors: Peter Bruck; Markus Bill
Original assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Current assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Priority date: 2009-04-30
Filing date: 2009-04-30
Publication date: 2010-11-11
Also published as: US20120037829A1; EP2425164B1; CN102439341A; CN102439341B; WO2010124763A1; US8746276B2; EP2425164A1

Abstract

Ein Proportional-Drosselventil (1) mit einem Ventilkolben (2), der in einem Ventilgehäuse (3) mit einem Fluideinlass (4) und einem Fluidauslass (5) in Längsrichtung verschiebbar geführt ist und der durch einen Energiespeicher, insbesondere in Form einer Druckfeder, gegen einen Hubanschlag (6) vorgespannt ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass in dem Proportional-Drosselventil (1) ein Druckbegrenzungsventil (7) integriert ist, mit Hilfe dessen der Fluiddruck auf der Rückseite (8) des Ventilkolbens (2) im Sinne eines Öffnens am Hubanschlag (6) bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckes am Fluideinlass (4) beeinflusst ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Proportional-Drosselventil mit einem Ventilkolben, der in einem Ventilgehäuse mit Fluideinlaß und Fluidauslaß in Längsrichtung verschiebbar geführt ist und der durch einen Energiespeicher, insbesondere in Form einer Druckfeder, gegen einen Hubanschlag vorgespannt ist.
Proportional-Drosselventile werden häufig verwendet, wenn die Höhe des diese Ventile passierenden Fluidstromes stufenlos in Abhängigkeit zu einem anliegenden Magnetstrom einer den Ventilkolben ansteuernden Spule verändert werden soll. Im Hinblick auf einen Aufbau als Schieberventil ist der Öffnungsquerschnitt abhängig von der Kolbenposition. Wird die Spule mit einem elektrischen Strom beaufschlagt, bildet sich eine dem Magnetstrom proportionale Magnetkraft aus, wodurch der Ventilkolben in eine Öffnungsposition bewegbar ist. Dabei wird regelmäßig eine auf der Rückseite des Ventilkolbens angeordnete Feder gespannt, deren Federkraft der Magnetkraft entgegenwirkt. Stellt sich ein Gleichgewicht zwischen Magnetkraft und Federkraft ein, verharrt der Ventilkolben in seiner Position.
Das Proportional-Drosselventil ist weitgehend unabhängig von dem zu steuernden Druckniveau, weil der Ventilkolben druckausgeglichen ist, indem der Druck auf beide Stirnflächen sowie in der Vorsteuerkammer vorherrscht.
Proportional-Drosselventile werden beispielsweise bei Hub-Senkanwendungen etwa bei Flurförderfahrzeugen eingesetzt. Zum Absenken der Last bei solchen Einsatzzwecken wird ein 2/2-Wege-Ventil im Rahmen der Hub-Senkbewegung grundsätzlich eingesetzt. Gleichzeitig kommt zur Steuerung des Volumenstromes ein Proportional-Drosselventil zum Einsatz. Zur Absicherung des Gesamtsystems der beiden genannten Ventile wird zusätzlich ein Druckbegrenzungsventil verwendet, um den Maximaldruck zu begrenzen.
Die bekannten Systeme weisen so eine Mehrzahl von Ventilen auf, die entsprechenden Bauraum benötigen.
Im Hinblick auf diese Ausgangssituation stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Proportional-Drosselventil zu schaffen, das mehrere Funktionen betreffend die Hub-Senkbewegung in sich integriert.
Diese Aufgabe wird durch ein Proportional-Drosselventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit gelöst.
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 in dem Proportional-Drosselventil ein Druckbegrenzungsventil integriert ist, mit Hilfe dessen der Fluiddruck auf der Rückseite des Ventilkolbens im Sinne eines Öffnens am zugehörigen Ventilsitz bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckes am Fluideinlaß beeinflußbar ist, ist eine Kombination der Funktion des Proportional-Drosselventils mit dem Druckbegrenzungsventil geschaffen, die gegenüber dem Stand der Technik Bauteile und Bauraum einsparen hilft.
Bevorzugte Ausführungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Das Druckbegrenzungsventil ist zur funktionalen Kopplung der Steuerleitungen mit in den Ventilkolben vorzugsweise integriert, wobei die Steuerleitungen zumindest bewirken, dass auf einen Ventilsitz, insbesondere ausgestaltet in Form eines Kegelsitzes des Druckbegrenzungsventils, der Fluiddruck am Fluideinlaß des Proportional-Drosselventils wirkt. Dabei wird der Fluiddruck vom Fluideinlaß über eine radial versetzte Axialbohrung in dem Ventilkolben auf die Rückseite des Ventilkolbens über eine Blendenbohrung und eine axial in dem Ventilkolben verlaufende Bohrung sowie über eine von dieser abführenden Radialbohrung an eine Vorsteuerkammer des Ventils gelegt. Ein Druckausgleich des Ventilkolbens ist dadurch bewirkt. Dieser Fluiddruck wirkt gleichzeitig auch auf den Ventilsitz des Druckbegrenzungsventils ein und übersteigt der Druck den an einer Ventilfeder des Druckbegrenzungsventils fest eingestellten Wert, so wird ein Steuerkanal zum Fluidauslaß freigegeben. Der sich nun einstellende Vorsteuer-Volumenstrom vom Fluideinlaß über die seitliche Axialbohrung in dem Ventilkolben, die Rückseite des Ventilkolbens sowie die Blende mit angeschlossener Axialbohrung zu dem Ventilsitz des Druckbegrenzungsventils verursacht an der Blende einen Druckabfall. Dieser reduzierte Fluiddruck wird in die Vorsteuerkammer gemeldet, woraus eine resultierende Kraft entgegen der Hauptfeder des Ventilkolbens resultiert und den Ventilkolben in Richtung auf eine „Öffnen-Position” zwischen dem Fluideinlaß und dem Fluidauslaß bewegt.
Dieser Wirkmechanismus ist grundsätzlich sowohl im unbestromten als auch im bestromten Zustand des Proportional-Drosselventils möglich, so dass eine ständig verfügbare Druckbegrenzungssituation in dem Proportional-Drosselventil integriert ist.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im einzelnen erläutert. Es zeigt die einzige Figur in prinzipieller und nicht maßstäblicher Dar stellung einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes Proportional-Drosselventil.
In der genannten Figur ist in einem Längsschnitt ein von seiner grundsätzlichen Auslegung her direkt gesteuertes Proportional-Drosselventil 1 dargestellt. In einem Magnetsystem-Gehäuse ist ein Magnetsystem 14 vorgesehen, wobei mittels einer Gleichstromspule 15 ein Magnetanker 16 ansteuerbar ist. Das Magnetsystem 14 ist als drückendes, weggesteuertes Proportional-Magnetsystem ausgebildet, wobei im bestromten Zustand der Gleichstromspule 15 der Magnetanker 16 und ein mit diesem wirkverbundenes Betätigungsglied 17 nach unten in Richtung eines Fluideinlasses 4 bewegt wird.
Das Betätigungsglied 17 ist mit einem eine Blendenfunktion darstellenden Ventilkolben 2 wirkverbunden. Im unbestromten Zustand der Gleichstromspule 15 wird der nicht näher dargestellte Magnetanker 16, das Betätigungsglied 17 und der Ventilkolben 2 durch eine Feder 18 in Richtung eines Hubanschlages 6 gefahren. Das entspricht dem Schließzustand des Proportional-Drosselventils und dem Schließzustand zwischen Fluideinlaß 4 und Fluidauslaß 5. Der Magnetanker 16 ist innenliegend in dem Polrohr angeordnet.
Das Magnetsystem-Gehäuse ist mit einer zylindrischen Führung 19 in ein Ventilgehäuse 3 ragend ausgebildet und insoweit gegenüber der Umgebung abgedichtet. Das zylindrische Betätigungsglied 17 ragt ebenso in die zylindrische Führung 19 und ist darin formschlüssig lösbar mit einem, die Feder 18 dornseitig führenden Fortsatz 20 des Ventilkolbens 2 verbunden. Der Fortsatz 20 geht nach einem Durchtritt durch ein zylindrisches Distanzstück 21 mit einem, den Hubanschlag 6 definierenden Boden 22 in den als „Blendenkolben” ausgebildeten Ventilkolben 2 über. Der Hubanschlag 6 trennt insoweit die Rückseite 8 des Ventilkolbens 2 von seinem Hauptsteuerabschnitt 23.
Der Ventilkolben 2 weist den Hauptsteuerabschnitt 23 für die Ansteuerung der Durchflußrate vom Fluideinlaß 4 zum Fluidauslaß 5 auf. Zu diesem Zweck weist der Hauptsteuerabschnitt 23 eine Einlaßöffnung 24 und radiale Auslaßöffnungen 25 auf. Die Auslaßöffnungen 25 können beim Verfahren des Ventilkolbens 2 in Richtung Fluideinlaß 4 teilweise oder ganz mit dem Fluidauslaß 5 am Ventilgehäuse 3 zur Deckung gebracht werden in Abhängigkeit von der Stellbewegung des Magnetankers 16 des Magnetsystems 14.
Um eine Druckbegrenzungsfunktion mit der Volumenstrom-Regelfunktion des Proportional-Drosselventils 1 überlagern zu können, weist der Hauptsteuerabschnitt 23 des Ventilkolbens 2 eine zu seiner Längsachse 26 konzentrische Innenbohrung auf, in die ein Druckbegrenzungsventil 7 eingesetzt ist. Das Druckbegrenzungsventil 7 weist ein zylinderförmiges Gehäuse 27 auf, in dem mittels einer Druckfeder 28 ein Ventilkegel 29 auf einen Ventilsitz 9 unter Vorspannung angelegt ist. Das Gehäuse 27 des Druckbegrenzungsventils 7 ist fest mit dem hülsenförmigen Hauptsteuerabschnitt 23 des Ventilkolbens 2 verbunden und mit diesem längsverschiebbar geführt. Der Hauptsteuerabschnitt 23 kommuniziert derart im Rahmen des zu führenden Fluids mit verschiedenen Steuerbohrungen zur Ansteuerung, insbesondere betreffend den Fluiddruck auf der Rückseite 8 des Ventilkolbens 2.
Grundsätzlich bewirkt ein über einen an der Druckfeder 28 einstellbarer Grenzdruck am Fluideinlaß 4 eine Ansteuerung des Ventilkolbens 2 im Sinne einer Verschiebebewegung des Ventilkolbens 2 in Richtung auf den Fluideinlaß 4 zu und ermöglicht einem Volumenstrom das Passieren des Proportional-Drosselventils 1.
Der Druck am Fluideinlaß 4 selbst wird über eine im Hauptsteuerabschnitt 23 radial versetzte Axialbohrung 10 auf die Rückseite 8 in den dortigen Federraum übertragen, und die Axialbohrung 10 mündet im Bereich des Hubanschlages 6 aus dem Ventilkolben 2 aus. Von dem Federraum aus pflanzt sich der Druck über eine Blendenbohrung 11 in dem Fortsatz über eine in diesem Fortsatz 20 geführte Bohrung 12 fort, die von dem Ventilkegel 29 des Druckbegrenzungsventils 7 verschlossen ist. Mit geringem, axialen Abstand von dem Ventilkegel zweigt eine Radialbohrung 13 von der Bohrung 12 ab und führt in eine nicht näher dargestellte Vorsteuerkammer, wodurch der Hauptkolben oder Ventilkolben 2 druckausgeglichen ist.
Übersteigt nun der Druck am Fluideinlaß 4 einen vorgebbaren Wert, so öffnet der Ventilkegel 29 den Ventilsitz 9 des Druckbegrenzungsventils 7. Fluid kann so über einen schräg radial geführten Stichkanal 30 durch das Gehäuse 27 des Druckbegrenzungsventils 7 und die Wand des Hauptsteuerabschnittes 23 zu einem Sekundär-Anschluß 31, der mit einem Druckmittelbehälter in Verbindung ist, strömen. An der Blendenbohrung 11 auf der Kolbenrückseite in dem Federraum entsteht dadurch ein Druckabfall, der sich zu der Vorsteuerkammer fortpflanzt. Dies hat zur Wirkung, dass sich der Ventilkolben 2 in Richtung Fluideinlaß 4 bewegt und eine Strömungsverbindung zum Fluidauslaß 5 ermöglicht.
Das beschriebene Kombinations-Ventil kann durch die Integration der Druckbegrenzungsfunktion in das Proportional-Drosselventil das im Stand der Technik aufgezeigte eigenständige Druckbegrenzungsventil zur Systemdruckabsicherung ersetzen, wodurch insoweit vollumfänglich auf ein kostenintensives Ventil verzichtet werden kann. Zusätzlich ist es möglich, durch eine vereinfachte „Verbohrung” im Steuerblock (Verzicht auf einen Ventil-Einbauraum sowie verschiedene Verbindungsbohrungen) eine Kostenreduzierung zu erreichen und spart vor Ort Bauraum ein. Insbesondere für Anwendungsfälle, bei denen eine je nach Betriebszustand der Hubein richtung variable Druckbegrenzung erwünscht ist und diese auf elektronischem Weg realisiert ist, eignet sich das erfindungsgemäße Ventil zur Realisierung einer zusätzlichen mechanischen Absicherung aus Sicherheitsgründen für den Fall eines Fehlers des elektrischen Regelkreises. Bei der elektronischen Druckbegrenzungsfunktion wird der Druck über Drucksensoren erfaßt und von einer Regelelektronik ausgewertet, die bei einer Drucküberschreitung das Proportional-Ventil elektrisch ansteuert und sich somit der Öffnungsquerschnitt derart einstellt, dass der Druck am Fluideinlaß 4 entsprechend der Soll-Vorgabe konstant gehalten wird. Dies ist aufgrund sicherheitsrelevanter Aspekte kritisch und sollte zum Schutz der Systemkomponenten zusätzlich mechanisch abgesichert sein, wozu auch hier noch ein konventionelles Druckbegrenzungsventil (nicht dargestellt) nötig wäre, auf das im Rahmen der erfindungsgemäßen Lösung nunmehr verzichtet werden kann.

Claims

Proportional-Drosselventil mit einem Ventilkolben (2), der in einem Ventilgehäuse (3) mit einem Fluideinlaß (4) und einem Fluidauslaß (5) in Längsrichtung verschiebbar geführt ist und der durch einen Energiespeicher, insbesondere in Form einer Druckfeder, gegen einen Hubanschlag (6) vorgespannt ist, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Proportional-Drosselventil (1) ein Druckbegrenzungsventil (7) integriert ist, mit Hilfe dessen der Fluiddruck auf der Rückseite (8) des Ventilkolbens (2) im Sinne eines Öffnens am Hubanschlag (6) bei Überschreiten eines vorgebbaren Druckes am Fluideinlaß (4) beeinflußt ist.
Proportional-Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (7) in dem Ventilkolben (2) integriert ist.
Proportional-Drosselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass auf einen Ventilsitz (9) des Druckbegrenzungsventils (6) ein Fluiddruck am Fluideinlaß (4) des Proportional-Drosselventils (1) wirkt.
Proportional-Drosselventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluiddruck am Fluideinlaß (4) über eine radial versetzte Axialbohrung (10) in dem Ventilkolben (2) auf die Rückseite (8) des Ventilkolbens (2) über eine Blende (21) und eine axial in dem Ventilkolben (2) verlaufende Bohrung (12) und von dieser abführenden Radialbohrung (13) an eine Vorsteuerkammer zum Druckausgleich des Ventilkolbens (2) weiter geleitet ist.
Proportional-Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluiddruck am Fluideinlaß (4) gleichfalls an einem weiteren Ventilsitz (9) des Druckbegrenzungsventils (7) anliegt und bei Überschreiten eines vorgebbaren Werts dieses öffnet, wobei ein Druckabfall an der Blende (11) bewirkt ist und dadurch eine resultierende Kraft auf den Ventilkolben (2) im Sinne einer Verschiebung desselben zur Verbindung des Fluideinlasses (4) mit dem Fluidauslaß (5) entsteht.
Proportional-Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckbegrenzungsventil (7) über den Ventilkolben (2) auch im unbestromten Zustand eines Betätigungs-Magnetsystems (14) für den Ventilkolben (2) seine Funktion beibehält.