DE102010035445A1

DE102010035445A1 - Hydrauliksystem

Info

Publication number: DE102010035445A1
Application number: DE102010035445A
Authority: DE
Inventors: Andreas Birk
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-09-16
Filing date: 2010-08-26
Publication date: 2011-03-24

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem mit einem Tank, einem als Schieberventil mit positiver Überdeckung ausgeführten Druckminderventil, das einen Tankanschluss, einen Systemdruckanschluss und einen Arbeitsdruckanschluss aufweist, der durch das Druckminderventil mit dem Systemdruckanschluss oder dem Tankanschluss verbindbar ist, mit einem Verbraucher und einem Zusatzventil.
Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass das Zusatzventil zwischen dem Verbraucher und dem Druckminderventil mit dem Arbeitsdruckanschluss verbindbar ist, um den Ventilschieber in kritischen Situationen an einer Steuerkante zu halten.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydrauliksystem mit einem Tank, einem als Schieberventil mit positiver Überdeckung ausgeführten Druckminderventil, das einen Tankanschluss, einen Systemdruckanschluss und einen Arbeitsdruckanschluss aufweist, der durch das Druckminderventil mit dem Systemdruckanschluss oder dem Tankanschluss verbindbar ist, und mit einem Verbraucher und einem Zusatzventil
Aus der internationalen Veröffentlichung WO 2007/003151 A1 sind Druckminderventile bekannt, die den Arbeitsdruck entweder mit dem Tankdruck oder mit dem Systemdruck verbinden beziehungsweise Zwischenstellungen einnehmen, um den Arbeitsdruck stufenlos zu modulieren.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Ansprechverhalten eines Druckminderventils in einem Hydrauliksystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in kritischen Situationen zu verbessern.
Die Aufgabe ist bei einem Hydrauliksystem mit einem Tank, einem als Schieberventil mit positiver Überdeckung ausgeführten Druckminderventil, das einen Tankanschluss, einen Systemdruckanschluss und einen Arbeitsdruckanschluss aufweist, der durch das Druckminderventil mit dem Systemdruckanschluss oder dem Tankanschluss verbindbar ist, mit einem Verbraucher und einem Zusatzventil, dadurch gelöst, dass das Zusatzventil zwischen dem Verbraucher und dem Druckminderventil mit dem Arbeitsdruckanschluss verbindbar ist, um den Ventilschieber in kritischen Situationen an einer Steuerkante zu halten.
Das Druckminderventil ist vorzugsweise als 3/2-Wegeventil mit positiver Überdeckung beziehungsweise als 3/3-Wegeventil ausgeführt. Der Tankanschluss steht mit einem Tank in Verbindung, der ein Arbeitsmedium, wie Hydrauliköl, enthält, das mit einem Tankdruck, vorzugsweise Umgebungsdruck, beaufschlagt ist. An den Arbeitsdruckanschluss ist mindestens ein Verbraucher angeschlossen. Bei dem Verbraucher handelt es sich zum Beispiel um einen Hydraulikzylinder, insbesondere einen Verstellzylinder für ein CVT-Getriebe, einen Gangstellzylinder für ein automatisiertes Schaltgetriebe oder für ein Doppelkupplungsgetriebe oder einen Kupplungszylinder. In einer Zone der positiven Überdeckung kann der Ventilschieber Weg verfahren, ohne dass der Arbeitsdruck sich verändert. Die positive Überdeckung wird benötigt, um zu verhindern, dass im Betrieb ständig Arbeitsmedium durch das Druckminderventil strömt. Wenn das Arbeitsmedium relativ kalt ist, kann sich die positive Überdeckung, zum Beispiel aufgrund von viskoser Reibung des Ventilschiebers, nachteilig auf das Ansprechverhalten des Druckminderventils auswirken. Weiterhin kann das Ansprechverhalten des Druckminderventils in bestimmten Betriebszuständen zu träge sein, beispielsweise bei einem Fahrzeug im Start-Stopp-Betrieb. In diesem Fall soll beispielsweise eine Kupplung sehr rasch beaufschlagt werden können. In solchen kritischen Situationen wird der Ventilschieber gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung durch einen gezielten Volumenstrom an oder in der Nähe der Steuerkante gehalten. Dadurch wird das Ansprechverhalten in den kritischen Situationen deutlich verbessert.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydrauliksystems ist dadurch gekennzeichnet, dass in kritischen Situationen über das Zusatzventil ein zusätzlicher Volumenstrom, insbesondere über den Tankanschluss beziehungsweise den Tank, abgeführt wird. Der zusätzliche Volumenstrom wird vorzugsweise nur unterhalb eines bestimmten Drucks des Hydraulikmediums abgeführt. Bei einem Druck oberhalb einer bestimmten Grenze wird der Volumenstrom abgeschaltet. Dieser Druck kann beispielsweise zwischen 0,5 bar und 5 bar betragen, ein typischer Wert ist etwa 3 bar.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydrauliksystems ist dadurch gekennzeichnet, dass das Druckabschaltventil ein Schieberventil mit einem Kolben ist, dessen mindestens eine erste Kolbenfläche mit Arbeitsdruck beaufschlagbar ist, wobei eine Federkraft der mit Arbeitsdruck beaufschlagten ersten Kolbenfläche entgegenwirkt, und dass das Druckabschaltventil einen weiteren Arbeitsdruckanschluss aufweist, der mit einem Tankanschluss mittels des Kolbens verbind- und trennbar ist. Die Federkraft ist dabei bis zu einem auf die erste Kolbenfläche wirkenden Grenz-Arbeitsdruck größer als die hydraulische Kraft auf den Kolben. Bei steigendem Arbeitsdruck überschreitet ab einem bestimmten Druckniveau die hydraulische Kraft die Federkraft und der Kolben wird entgegen der Federkraft verschoben. Bei einem bestimmten Kolbenweg wird dabei die Öffnung zum Tankanschluss überfahren und damit verschlossen. Damit kann kein Hydraulikmedium mehr als gewünschte Leckage (zusätzlicher Volumenstrom) das Druckabschaltventil durchströmen. Ein typischer Grenzarbeitsdruck ist etwa 3 bar.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydrauliksystems ist dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kolbenfläche anderer Größe des Druckabschaltventils mit Arbeitsdruck beaufschlagbar ist, so dass die Differenz der hydraulischen Kräfte entgegen die Federkraft wirkt. Weiterhin kann in der Leitung zum Abführen des zusätzlichen Volumenstroms zum Tank eine Blende angeordnet ist. Alternativ kann auch eine Drossel in der Leitung vorgesehen sein.
Bei einem weiteren Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Hydrauliksystems ist ein Ventilschieber des Druckminderventils über eine Steuerleitung mit einem Arbeitsdruck beaufschlagt ist, der über den Arbeitsdruckanschluss bereitgestellt wird. Zusätzlich oder alternativ kann ein Ventilschieber des Druckminderventils über eine Vorsteuerleitung mit einem Vorsteuerdruck beaufschlagt sein.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Hydrauliksystems ist dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikzylinder an den Arbeitsdruckanschluss angeschlossen ist. Bei dem Hydraulikzylinder handelt es sich vorzugsweise um einen Verstellzylinder, etwa einen Gangstellzylinder eines automatisierten Schaltgetriebes oder eines Doppelkupplungsgetriebes oder einen Kupplungszylinder, der durch eine Getriebesteuerung mit Hilfe des Druckminderventils gesteuert wird.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 einen Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Hydrauliksystems mit einem Druckminderventil und einem Druckabschaltventil als Zusatzventil,
2 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Druckabschaltventils,
3 ein zweites Ausführungsbeispiel eines Druckabschaltventils und
4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Druckabschaltventils.
In den 1 bis 4 sind gleiche oder ähnliche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen.
In 1 ist eine Hydrauliksystem 1 mit einem Hydraulikzylinder 2 dargestellt. Bei dem Hydraulikzylinder 2 handelt es sich zum Beispiel um einen Verstellzylinder eines stufenlos verstellbaren Kegelscheiben-Umschlingungsgetriebes, um einen Gangstellzylinder in einem Getriebe oder um einen Kupplungszylinder. Der Hydraulikzylinder 2 wird über nicht dargestellte eine Pumpe aus einem Tank 5 mit einem Arbeitsmedium versorgt. Bei dem Arbeitsmedium handelt es sich um ein Hydraulikmedium, insbesondere Hydrauliköl.
Zwischen die Pumpe 4 und den Hydraulikzylinder 2 ist zur Steuerung desselben ein Druckminderventil 8 geschaltet, das als Proportionalventil ausgeführt und elektromagnetisch beziehungsweise hydraulisch betätigbar ist. Das Druckminderventil 8 ist als Wegeventil mit einer positiven Überdeckung ausgeführt. Ein Systemdruckanschluss des Druckminderventils 8 steht über eine Verbindungsleitung 11 mit einem Ausgang der Pumpe in Verbindung. Ein Tankanschluss des Druckminderventils 8 steht mit dem Tank 5 in Verbindung. Ein Arbeitsdruckanschluss des Druckminderventils 8 steht über eine Arbeitsdruckleitung 12 mit dem Hydraulikzylinder 2 in Verbindung. Von der Arbeitsdruckleitung 12 geht eine Steuerleitung 14 aus, durch die ein Ventilschieber 4 des als Schieberventil ausgeführten Druckminderventils 8 mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt ist. Die Steuerleitung 14 des Druckminderventils 8 wird auch als Druckrückführung bezeichnet. Weiterhin ist der Ventilschieber 4 über die Vorsteuerdruckleitung 6 mit einem Vorsteuerdruck beaufschlagt.
Von der Arbeitsdruckleitung 12 geht eine Leckageleitung 15 ab, welche zu einem Zusatzventil in Form eines Druckabschaltventils 16 führt. Das Druckabschaltventil 16 lässt bis zu einem vorbestimmbaren Grenzdruck einen zusätzlichen Volumenstrom aus der Arbeitsdruckleitung über die Leckageleitung durch das Druckabschaltventil 16 in den Tank 5 strömen. Oberhalb dieses Grenzdrucks, der vorzugsweise zwischen 0,5 bar und 5 bar liegt, wird der Zugang zum Tank 5 mittels eines Kolbens 17 des Druckregelventils 16 verschlossen. Verschiedene Ausführungsformen von Druckregelventilen 16.1, 16.2 und 16 sind in den 2, 3 und 4 beschrieben.
Über das Druckminderventil 8 wird der Arbeitsdruckanschluss beziehungsweise die Arbeitsdruckleitung 12, je nach Bedarf mit beliebigen Zwischenstellungen, mit dem Systemdruckanschluss beziehungsweise der Verbindungsleitung 11 oder dem Tankanschluss beziehungsweise dem Tank 5 verbunden. Zwischen der zum Tank geöffneten Stellung und der zum Systemdruck geöffneten Stellung ist eine dritte Stellung oder Überdeckungszone angeordnet, in der alle drei Anschlüsse durch den Ventilschieber verschlossen sind. In dieser Überdeckungszone beziehungsweise dritten Stellung kann der Ventilschieber Weg verfahren, ohne dass sich der Arbeitsdruck in der Arbeitsdruckleitung 12 wesentlich verändert. Diese dritte Stellung oder Überdeckungszone, die auch als positive Überdeckung bezeichnet wird, wird benötigt, damit im Betrieb nicht ständig Hydraulikmedium aus der Arbeitsdruckleitung 12 über den Arbeitsdruckanschluss und das Druckminderventil 8 in den Tank 5 zurückströmt.
Kupplungszylinder, Gangstellzylinder oder Verstellzylinder haben die Eigenart, dass sie eigentlich dicht ausgeführt werden und nur dann Volumenstrom aufnehmen oder abgeben, wenn sie Wege verfahren, zum Beispiel zum Überfahren eines Lüftspiels. Wenn dagegen eine Nasskupplung angelegt ist, reagiert sie recht steif und der Kupplungszylinder bewegt sich auch bei Druckänderungen kaum. Gleiches gilt für Verstellzylinder, wenn eine Kegelscheibengetriebe-Übersetzung bei wechselndem Moment, zum Beispiel bei Stützbedarf, gehalten werden soll. Das führt dazu, dass ein Druckminderventil 8 bei Verwendung mit einem Kupplungszylinder, einem Gangstellzylinder oder einem Verstellzylinder als Hydraulikzylinder 2, wenn der Druck konstant gehalten werden soll, oft im Bereich der Überdeckung arbeiten. Bei einem folgenden Änderungswunsch, das heißt Druckaufbau oder Druckabbau in dem Hydraulikzylinder 2, muss der Ventilschieber dann oft erst innerhalb der Überdeckung verfahren werden, um die Steuerkante des Druckminderventils 8 zu erreichen.
Im normalen Fahrbetrieb stellt das Erreichen der Steuerkante kein Problem dar. Im Start-Stopp-Betrieb kann die Überdeckung durch die viskose Reibung des Ventilschiebers und eine erhöhte Dämpfungswirkung der endlich langen Blenden in der Getriebesteuerung jedoch zu einer unerwünscht langen Antwortzeit und sogar zu Stabilitätsproblemen durch die Totzeit bis zum Ansprechen des Druckminderventils 8 führen. Ähnliche Probleme können auch bei niedrigen Temperaturen des Hydraulikmediums auftreten.
Weiterhin kann ein flaches Verhalten des Druckminderventils 8 in der Überdeckung mit einem scharfen Knick zu steilen Kennlinien und außerhalb der Überdeckung leicht zu einem instabilen Verhalten des Druckreglers führen, da die Bedämpfung des Hydrauliksystems 1 entweder auf den steilen Kennlinienteil oder das flache Verhalten abgestimmt werden muss. Wenn der steile Teil ausreichend bedämpft ist, dann kann das zu einer unbefriedigenden Dynamik in der Überdeckung führen.
Durch die Erfindung wird das Ansprechverhalten des Druckminderventils 8, insbesondere bei höheren Drücken und bei Kälte, verbessert, ohne dass die Grundauslegung des Druckminderventils 8 verändert werden muss. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird der Ventilschieber des Druckminderventils 8 in den vorab beschriebenen kritischen Situationen durch einen gezielten Volumenstrom in den Arbeitsdruckanschluss oder aus diesem hinaus an seiner Steuerkante gehalten. Bei einem Zulauf in den Hydraulikzylinder 2 wird der Ventilschieber vorzugsweise an einer Tankkante gehalten. Bei einem Ablauf aus dem Hydraulikzylinder 2 wird der Ventilschieber vorzugsweise an einer Systemdrucksteuerkante gehalten. Der zusätzliche Volumenstrom stellt dabei eine bewusst in Kauf genommene Zusatzleckage dar.
Als Eingangsgröße für das Bereitstellen des zusätzlichen Volumenstroms wird der Arbeitsdruck verwendet. Bei Überschreiten des Grenzarbeitsdrucks wird der zusätzliche Volumenstrom unterbrochen.
Bei dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel eines Druckabschaltventils 16.1 ist die an die Arbeitsdruckleitung 12 angeschlossenen Leckageleitung 15 in die Leckageleitungen 15.1 und 15.2 verzweigt, welche in den Zylinder des Druckabschaltventils 16.1 geführt sind. Dabei beaufschlagt der Arbeitsdruck aus der Leckageleitung 15.1 eine Fläche A und der Arbeitsdruck aus der Leckageleitung 15.2 eine Fläche a des Kolbens 17. Da die Fläche a kleine als die Fläche A ist, resultiert eine Differenzkraft, welche in der Darstellung der 2 nach rechts wirkt. Der Kolben 17 ist weiterhin mit einer gespannten Feder 18 versehen, deren Federkraft nach links wirkt. Solange die Federkraft größer ist als die resultierende Druckkraft bleibt der Kolben 17 in seiner in der 2 dargestellten linken Anlageposition. Dabei kann Hydraulikmedium durch die Leckageleitung 15.2 über den rechten Kolbenraum des Druckabschaltventils in die Tankanschlussleitung 20 in den Tank 5 strömen. In der Tankanschlussleitung 20 ist eine Blende 19 angebracht. Ab einem gewissen Arbeitsdruck des Hydraulikmediums wird die resultierende Druckkraft größer als die Federkraft, so dass der Kolben 17 nach rechts verfährt und die Tankanschlussleitung 20 verschließt. Damit wird der zusätzliche Volumenstrom unterbrochen. Der Tankanschluss 21 dient lediglich zum Abführen von eventuell durch Undichtigkeiten anfallendem Hydraulikmedium.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Druckabschaltventils 16.2. Der Unterschied zu der Ausführungsform gemäß 2 besteht lediglich darin, dass die Tankanschlussleitung 20 nach dem Verfahren des Kolbens 17 aufgrund steigender Differenzkraft mithilfe eines Sitzventils 22 verschlossen wird und nicht mittels einer Steuerkante des Kolbens 17.
In 4 ist eine weitere Variante eines Druckabschaltventils 16 für ein erfindungsgemäßes Hydrauliksystem dargestellt, bei der im Unterschied zu der Ausführungsform nach 2 keine Differenzkraft erzeugt wird, da der über die Leckageleitung 15.2 wirkende Arbeitsdruck auf zwei gleich große Flächen a wirkt. In diesem Fall wird die den Kolben 17 bewegende Differenzkraft alleine aus der Druckkraft, welche aus dem auf die Fläche A wirkenden Arbeitsdruck entsteht, und der Federkraft der Feder 18 erzeugt.
Der Arbeitsdruck (Grenzarbeitsdruck), bei dem der Kolben 17 den zusätzlichen Volumenstrom unterbricht, kann anhand der Differenzkraft eingestellt werden. Diese hängt von den Größen der Parameter Flächen A und a, Federkonstante der Feder 18 und Auslegung der Blende 19 ab und ist somit in weiten Grenzen frei wählbar.
Bezugszeichenliste

1: Hydrauliksystem
2: Hydraulikzylinder
4: Ventilschieber
5: Tank
6: Vorsteuerdruckleitung
8: Druckminderventil
11: Verbindungsleitung
12: Arbeitsdruckleitung
14: Steuerleitung
15: Leckageleitung
15.1: Leckageleitung
15.2: Leckageleitung
16: Druckabschaltventil
17: Kolben
18: Feder
20: Tankanschlussleitung
21: Tankanschluss
22: Sitzventil
A: Fläche
a: Fläche

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2007/003151 A1 [0002]

Claims

Hydrauliksystem (1) mit einem Tank (5), einem als Schieberventil mit positiver Überdeckung ausgeführten Druckminderventil (8), das einen Tankanschluss, einen Systemdruckanschluss und einen Arbeitsdruckanschluss aufweist, der durch das Druckminderventil (8) mit dem Systemdruckanschluss oder dem Tankanschluss verbindbar ist, mit einem Verbraucher und einem Zusatzventil, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil (16, 16.1, 16.2) zwischen dem Verbraucher und dem Druckminderventil (8) mit dem Arbeitsdruckanschluss verbindbar ist, um den Ventilschieber in kritischen Situationen an einer Steuerkante zu halten.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in kritischen Situationen über das Zusatzventil (16, 16.1, 16.2) ein zusätzlicher Volumenstrom abführbar ist.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil (16, 16.1, 16.2) den Arbeitsdruckanschluss in den kritischen Situationen mit dem Tank (5) verbindet.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzventil (16, 16.1, 16.2) als Druckabschaltventil (16, 16.1, 16.2) ausgeführt ist, mittels dem oberhalb eines vorbestimmbaren Drucks in der Arbeitsdruckleitung der zusätzliche Volumenstrom unterbrechbar ist.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der vorbestimmbaren Druck 0,5 bis 5 bar beträgt.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Druckabschaltventil (16, 16.1, 16.2) ein Schieberventil mit einem Kolben (17) ist, dessen mindestens eine erste Kolbenfläche (A) mit Arbeitsdruck beaufschlagbar ist, wobei eine Federkraft der mit Arbeitsdruck beaufschlagten ersten Kolbenfläche (A) entgegenwirkt, und dass das Druckabschaltventil (16, 16.1, 16.2) einen weiteren Arbeitsdruckanschluss aufweist, der mit einem Tankanschluss mittels des Kolbens (17) verbind- und trennbar ist.
Hydrauliksystem (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine zweite Kolbenfläche (a) anderer Größe mit Arbeitsdruck beaufschlagbar ist.
Hydrauliksystem (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass in der Leitung (20) zum Abführen des zusätzlichen Volumenstroms zum Tank (5) eine Blende (19) angeordnet ist.
Hydrauliksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilschieber (4) des Druckminderventils (8) über eine Steuerleitung (14) mit einem Arbeitsdruck beaufschlagt ist, der über den Arbeitsdruckanschluss (12) bereitgestellt wird.
Hydrauliksystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ventilschieber (4) des Druckminderventils (8) über eine Vorsteuerleitung (6) mit einem Vorsteuerdruck beaufschlagt ist.