-
Die Erfindung betrifft eine Einrichtung, bestehend aus mindestens einem Regelkolben, der in einem Gehäuse längsverfahrbar geführt ist, dass mindestens zwei Anschlussstellen für Fluid aufweist, und der mit einer Steuerkante des Gehäuses an einer Anschlussstelle zusammenwirkt, die die andere Anschlussstelle in Regelstellungen des Regelkolbens mit Fluid über eine Fluidverbindung versorgt und dabei aufgrund von auftretenden Strömungskräften in Richtung einer diese Fluidverbindung sperrenden Schließstellung zu ziehen sucht.
-
Durch die
DE 10 2014 004 796 A1 ist ein Proportional-Druckregelventil bekannt mit einer gattungsgemäßen Einrichtung mit einem in einem Ventilgehäuse längsverfahrbar geführten Regelkolben, der mittels eines Magnet-Betätigungssystems zum wahlweisen Verbinden von im Ventilgehäuse vorhandenen Anschlussstellen dient, wie einem
- – Druckversorgungsanschluss (P),
- – Verbraucheranschluss (A) und
- – Tank- oder Rücklaufanschluss (T),
wobei ein erster Kennlinienverlauf zwischen einem Steuersignal des Magnet-Betätigungssystems und dem Durchflussvolumen oder dem Ansteuerdruck (P), bezogen auf einen an den Verbraucheranschluss (A) anschließbaren Verbraucher, hergestellt ist. Bei dieser bekannten Lösung wird mittels einer Steuereinrichtung nach Durchlaufen des ersten Kennlinienverlaufs ein zweiter Kennlinienverlauf für den am Verbraucheranschluss (A) des Ventilgehäuses anschließbaren Verbraucher erzeugt, der sich von dem ersten Kennlinienverlauf unterscheidet. Hierdurch ist für vorgebbare Anwendungen des bekannten Druckregelventils ein anderes Ventilverhalten erreicht und damit das Anwendungsspektrum für dieses Proportional-Druckregelventil erhöht.
-
Auf den dahingehenden Regelvorgang wirken, bedingt durch die anstehenden Drücke und die zu beherrschenden Volumenströme an den Anschlussstellen, auch sog. Strömungskräfte auf den Ventil- oder Regelkolben der Einrichtung ein, wobei diese Strömungskräfte regelmäßig durch einen Druckabfall an der zuordenbaren Steuer- oder Regelkante im Gehäuse verursacht sind, beispielsweise im Bereich von Pumpen- oder Druckversorgungsanschluss (P) zum Verbraucheranschluss (A), wobei durch diesen Druckabfall eine Kraft in Richtung des an die Einrichtung angeschlossenen Magnet-Betätigungs-systems entsteht, der den Regelkolben in Richtung seiner Schließstellung zu bewegen sucht, wodurch der eingestellte Druck weiter reduziert wird.
-
Für bestimmte Anwendungen, beispielsweise bei Kupplungsanwendungen, ist jedoch ein schnelles „Füllen” der Kupplung für deren sinnfällige Betätigung notwendig, so dass solche zu steuernden Ventile grundsätzlich nicht besonders geeignet sind. Abhilfe kann man durch den Einsatz sog. vorgesteuerter Ventile (
DE 10 2012 015 356 A1 ) schaffen, jedoch haben diese Ventile eine erhöhte Leckage, bedingt durch das Vorsteueröl, das in Richtung Tank oder Rücklauf fließt, was eine erhöhte Verlustleistung mit sich bringt. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, die Magnetkraft des Magnet-Betätigungssystems zu erhöhen, was den Bauraumbedarf erhöht und sowohl bei der Herstellung als auch im Betrieb des Ventils zu erhöhten Kosten führt.
-
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zu schaffen, die besonders geeignet ist, bei Druckregel-Proportionalventilen zum Einsatz zu kommen und die die oben beschriebenen Nachteile nicht aufweist und sich kostengünstig herstellen und betreiben lässt sowie kompakt im Aufbau ist. Eine dahingehende Aufgabe löst eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 in seiner Gesamtheit.
-
Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil für eine Strömungskraft-Kompensation der Regelkolben im Bereich der Steuerkante des Gehäuses derart eine Gestaltsänderung von seiner zylindrischen äußeren Grundform aufweist, dass eine Strömungsangriffsfläche für Fluid geschaffen ist, die eine entgegen der Strömungskraft wirkende, kompensierende Krafteinleitung auf den Regelkolben bewirkt, die den Regelkolben in eine Öffnungsstellung entgegengesetzt zu der Sperrstellung zu ziehen sucht, wird entsprechend der Kraftformel F = P × A eine Gegenkraft zur Strömungskraft im Betrieb der Einrichtung erzeugt.
-
Da insoweit die Steuer- oder Regelkante „verschoben” wird und der Fluiddruck auf die Gestaltsänderung regelmäßig in Form eines Kreisringes am Regelkolben als Kompensationsfläche konstant bleibt, wirkt zwar nach wie vor die Strömungskraft in Richtung des Magnet-Betätigungssystems; aber gleichzeitig auch die neu erzeugte Gegenkraft als Strömungskraft-Kompensation über der Fläche oder Gestaltsänderung am Regelkolben in Richtung einer der Anschlussstellen im Gehäuse, insbesondere in Form eines Verbraucheranschlusses. Auf diese Art und Weise kann man in konstruktiv einfacher und kostengünstiger Weise die im Betrieb der Einrichtung oder des Ventils auftretenden Strömungskräfte reduzieren. In vorteilhafter Weise wird bei der erfindungsgemäßen Einrichtung daher der Zulaufdruck genutzt, um die Strömungskraft zu kompensieren. Das dabei auftretende Druckniveau ist grundsätzlich höher als auf der Rücklaufseite der Einrichtung, so dass man größere Volumenströme in regelnder Weise besser beherrschen kann. In vorteilhafter Weise wird das die Einrichtung durchströmende Fluid im Bereich der Steuer- oder Regelkante und der Gestaltsänderung im Regelkolben um 90° umgelenkt, so dass sich der auftretende Fluid-Impuls auf der Gestaltsänderung respektive der derart geschaffenen Kompensationsfläche vollflächig abstützen kann.
-
Sofern in vorteilhafter Weise die erfindungsgemäße Einrichtung für ein direkt gesteuertes Ventil Anwendung findet, erlaubt die derart hergestellte Strömungskraft-Kompensation, dass man mit kleineren Magnet-Betätigungssystemen auskommt, die sich regelmäßig auch durch ein verbessertes, zeitnahes Ansteuerverhalten auszeichnen.
-
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Lösung sind Gegenstand der sonstigen Unteransprüche.
-
Im Folgenden wird die erfindungsgemäße Einrichtung anhand einer Anwendung für ein 3-Wege-Druckregel-Proportionalventil näher vorgestellt. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die
-
1 einen Längsschnitt durch die wesentlichen Komponenten des vorstehend genannten Proportionalventils;
-
2 und 3 eine im Stand der Technik bekannte Einrichtung bzw. die erfindungsgemäße Kompensationseinrichtung in einer vergrößerten Darstellung eines mit X in 1 bezeichneten kreisförmigen Bildausschnitts; und
-
4 und 5 Druckregelkennlinien nach dem Stand der Technik bzw. solche Kennlinien, die mit der Einrichtung zur Strömungskraft-Kompensation oder Kraftkontrolle erzielt werden.
-
In der 1 ist im Längsschnitt ein an sich bekanntes 3-Wege-Proportional-Druckregelventil gezeigt mit einem in einem Ventilgehäuse 10 längsverfahrbar geführten Regelkolben 12, der mittels eines als Ganzes mit 14 bezeichneten Betätigungssystems zum wahlweisen Verbinden von im Ventilgehäuse 10 vorhandenen Anschlussstellen dient, wie einem Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss P, einem Verbraucheranschluss A sowie einem Tank- oder Rücklaufanschluss T. Das in 1 gezeigte Betätigungssystem 14 ist in der Art eines Magnetsystems ausgebildet; es wären aber auch Betätigungen möglich mittels eines pneumatischen oder sonstigen fluidischen Stelltriebs (nicht dargestellt). Auch ein mechanisches Betätigungssystem für den Regelkolben 12 ist grundsätzlich nicht ausgeschlossen.
-
Das Magnetsystem 14 weist in üblicher und daher im Detail nicht näher beschriebener Weise eine Spulenwicklung 16 in einem Spulenkörper 18 auf, wobei die Spulenwicklung 16 der dahingehenden Betätigungsspule über ein Steckerteil 20 mit einem Steuerstrom versorgbar ist. In Richtung des Ventilgehäuses 10 grenzt der Spulenkörper 18 an eine Polplatte 22 an, die zu ihrem freien stirnseitigen Ende hin von einer Flanschplatte 24 umfasst ist, die dem Festlegen des Druckregelventils an einen nicht näher dargestellten Ventilblock dient. Dergestalt lässt sich das in 1 gezeigte Druckregelventil in der Art eines Cartridge-Einsatzes oder in der Art einer Einsatzpatrone in dem nicht näher dargestellten Ventilblock festlegen, der über entsprechende Anschlussgeometrien verfügt, die mit den genannten Anschlüssen P, A und T im Ventilgehäuse 10 sinnfällig in fluidführende Deckung miteinander bringbar sind. Bei dem gezeigten Ventil gibt es kein 100%iges Polrohr. Die Steuerkante ist an der Ankerplatte 22 angeformt. Weiterhin gibt es eine eigenständige Hülse, welche den Fluidraum abdichtet.
-
In dem Spulenkörper 18 ist längsverfahrbar ein Magnetanker 26 geführt, der über einen Druckausgleichskanal 28 verfügt, um dergestalt druckausgeglichen eine hemmnisfreie Hin- und Herbewegung des Magnetankers 26 im Magnetsystem zu ermöglichen. In Blickrichtung auf die 1 gesehen weist der zylindrische Magnetanker 26 an seiner rechten freien Stirnseite eine Betätigungsstange 30 auf, die permanent an dem Regelkolben 12 anliegt. Hierfür wird der Regelkolben 12 an seinem in Blickrichtung auf die 1 gesehen rechten Ende über einen Energiespeicher in Form einer Druckfeder 32 in permanenter Anlage mit der Betätigungsstange 30 gehalten, wobei die Druckfeder 32 den Regelkolben 12 in eine linke Anschlagstellung in Form eines Anschlags 33 auf der linken Innenseite des Ventilgehäuses 10 zu bringen sucht.
-
In der in 1 gezeigten Verschiebestellung des Regelkolbens 12 steuert dieser eine Steuer- oder Regelkante 34 am Ventilgehäuse 10 an und regelt insoweit den möglichen Fluiddurchfluss von Anschluss P nach Anschluss A über den Fluidraum 36 des insoweit als Hohlkolben ausgeführten Regelkolbens 12. Wird das Magnetsystem 14 stärker bestromt, verfährt der Regelkolben 12 in Blickrichtung auf die 1 gesehen entgegen der Wirkung der Druckfeder 32 weiter nach rechts und der angesprochene Öffnungs- oder Regelquerschnitt an der Steuer- oder Regelkante 34 wird stärker geöffnet, so dass vermehrt Fluidvolumen vom Druckversorgungsanschluss oder Pumpenanschluss P zum Verbraucheranschluss A strömt, der stirnseitig in das Ventilgehäuse 10 eingebracht ist und eine permanente fluidführende Verbindung mit dem Fluidraum 36 des Regelkolbens 12 aufweist. Bleibt das Magnetsystem 14 unbestromt, verschiebt die Druckfeder 32 die Anordnung, bestehend aus Regelkolben 12, Betätigungsstange 30 und Magnetanker 26, in Blickrichtung auf die 1 gesehen nach links, und zwar maximal so lange, bis der Regelkolben 12 in Anlage mit dem Anschlag 33 des Ventilgehäuses 10 kommt.
-
In der dahingehenden Position des Regelkolbens 12 ist der Verbraucheranschluss A mit dem Tank oder Rücklaufanschluss T fluidführend verbunden, und zwar über eine Auskehlung 38 im Regelkolben 12, die permanent fluidführend mit dem Fluidraum 36 verbunden ist und deren axiale Länge kleiner ist als die Länge des Innenwandbereichs des Ventilgehäuses 10 zwischen Anschluss P und Anschluss T. In dieser Stellung ist der Druckversorgungsanschluss P vom Verbraucheranschluss A getrennt, indem der Regelkolben 12 die Steuer- oder Regelkante 34 überfahren hat; eine Verfahrstellung, wie sich aus der 2 im Stand der Technik ergibt. Zur Bildung des Druckversorgungs- oder Pumpenanschlusses P sowie des Tank- oder Rücklaufanschlusses T sind in das Ventilgehäuse in üblicher Weise Bohrungsreihen 40 bzw. 42 eingebracht, wobei man in den 2 und 3 noch einen Teil einer Bohrung der Bohrungsreihe 40 erkennt. Damit sich der Regelkolben 12 hemmnisfrei im Ventilgehäuse 10 bewegen kann, ist an dessen linker Stirnseite ein Drosselkanal 44 eingebracht, der sich zwischen dem Innenraum des Ventilgehäuses 10 mit dem Anschlag 33 und dem Fluidraum 36 im Inneren des hohlgebohrten Regelkolbens 12 durch die Abschlusswand desselben erstreckt.
-
Im unbestromten Zustand ist also der Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss P verschlossen und der Verbraucheranschluss A ist mit dem Tank- oder Rücklaufanschluss T verbunden. Wird nun ein Stromsignal über das Steckerteil 20 an die Spulenwicklung 16 des Magnetsystems 14 angelegt, drückt in Richtung des Verbraucheranschlusses A gesehen das Magnetsystem 14 mit einer der Höhe des Steuerstroms entsprechenden Kraft auf den Regelkolben 12. Dadurch wird der Regelkolben 12 gegen die Rückstellfeder 32 nach rechts geschoben und das Fluid(öl) strömt vom Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss P zum Verbraucheranschluss A. Je nach Art des nicht näher dargestellten Verbrauchers, beispielsweise in Form einer Kraftfahrzeugkupplung, baut sich am Verbraucheranschluss A dann ein Gegendruck auf, der auf die Regelkolbenfläche am Ventil wirkt und eine Gegenkraft zur Magnetkraft des Magnetsystems erzeugt, welche den Regelkolben 12 wieder zurück in die gegenläufige Steuerrichtung bewegt. Dadurch wird der Zufluss vom Druckversorgungs- oder Pumpenanschluss P zum Verbraucheranschluss A verringert, bis der am Verbraucheranschluss A anliegende Druck der Magnetkraft und damit der Druckwert-Vorgabe über dem Stromsignal entspricht.
-
Benötigt der Verbraucher nun keine Druckflüssigkeit mehr, was der Fall ist, wenn die Kupplung am Anschlag steht, bewegt sich der zylindrische Regelkolben 12 weiter zurück und verschließt gemäß der Darstellung nach der 2 zum Stand der Technik die Zulaufbohrungen 40 des Druckversorgungs- oder Pumpenanschlusses P und unterbricht insoweit die Fluidversorgung am Verbraucheranschluss A. Fällt der Ausgangsdruck durch die Entlastung des angeschlossenen Verbrauchers unter die Druckvorgabe, drückt der Magnetanker 26 über die Betätigungsstange 30 den Regelkolben 12 wieder nach rechts und der Regelvorgang beginnt erneut. Der maximal erreichbare Regeldruck wird dabei durch die Magnetkraft des Magnetsystems 14 festgelegt. Steigt der Druck am Verbraucheranschluss A über den Vorgabewert an, wird der Regelkolben 12 mit dem Magnetanker 26 in Blickrichtung auf die 1 gesehen nach links geschoben und öffnet die Verbindungen vom Verbraucheranschluss A zum Rücklauf- oder Tankanschluss T. Dadurch wird der Druck am Verbraucheranschluss A begrenzt.
-
Auf diesen Regelvorgang wirken bedingt durch Druck- und Volumenstrom auf den Regelkolben 12 auch sog. Strömungskräfte ein. Diese Strömungskräfte verursachen einen Druckabfall an der Steuer- oder Regelkante 34 (vgl. 2) und durch diesen Druckabfall entsteht eine Kraft in Richtung des Magnetsystems 14, wobei der Regelkolben 12 in Richtung seiner Schließstellung, also in Blickrichtung auf die 1 gesehen nach links, bewegt wird. Der eingestellte Druck wird dabei weiter reduzieret, da die bekannte Ventillösung nach der 2 in ihre Schließstellung geht. Das sich hieraus ergebende Kennlinien-Resultat kann man in der 4 zum Stand der Technik ersehen. In dem zur Verdeutlichung mit einer Ellipse 46 umrandeten Kennlinienfeld ist dargestellt, wie sich der bekannte Druckregler mit steigendem Volumenstrom verhält. Erhöht man den Volumenstrom beispielsweise bei eingestellten 4 bar auf 5 l pro Minute, sinkt der Druck gegen Null bar ab. Da bei den bereits angesprochenen Kupplungsanwendungen für das Ventil jedoch ein schnelles „Füllen” der Kupplung stattzufinden hat, wäre dieses bekannte Ventil insoweit nicht geeignet für eine solche Anwendung, da das rasche Füllen der Kupplung durch das Schließverhalten des Ventils gerade verhindert wird.
-
Hier setzt nun die Erfindung ein, die mit ihrer konstruktiven Ausgestaltung eine Gegenkraft zur Strömungskraft erzeugt, was im Folgenden, insbesondere unter Einbezug der Darstellung nach der 3 sowie der 5, noch näher erläutert werden wird.
-
Wie sich insbesondere aus der Darstellung nach der 3 ergibt, weist der Regelkolben 12 für eine Strömungskraft-Kompensation im Bereich Steuer- oder Regelkante 34 des Gehäuses 10 eine Gestaltsänderung 48 von seiner zylindrischen äußeren Grundform 50 auf. Aufgrund dieser Gestaltsänderung 48 ist eine Strömungsangriffsfläche 52 für Fluid geschaffen, die eine entgegen der Strömungskraft wirkende kompensierende Krafteinleitung auf den Regelkolben 12 bewirkt, die den Regelkolben 12 in eine Öffnungsstellung entgegengesetzt zu der Sperrstellung zu ziehen sucht; in Blickrichtung auf die 1 gesehen also von links nach rechts zu ziehen sucht. Die Strömungsangriffsfläche 52 steht senkrecht auf der Längs- oder Verfahrachse 54 des Regelkolbens 12 und ist mit diesem zusammen verfahrbar.
-
Die Gestaltsänderung 48 besteht insbesondere aus einem Durchmessersprung, vorzugsweise aus einer Stufe 56 im Regelkolben 12, die gegenüber einer freien Stirnseitenfläche 58 des Regelkolbens 12 im Bereich seiner Auskehlung 38 von dieser weg in Richtung der Anschlussstelle A zurückversetzt ist. Die Strömungsangriffsfläche 52 bildet eine Ringfläche aus und ist in einer regelnden Stellung in Anlage mit der Steuer- oder Regelkante 34 des Gehäuses 19, respektive in deren Verlängerung angeordnet, wobei die Fluidverbindung zwischen den beiden Anschlussstellen P, A angesteuert wird.
-
Die Gestaltsänderung 48 im Regelkolben 12 bildet einen ringförmigen Fluidsteuerraum 60 aus, der im regelnden Betrieb einem geringeren Fluiddruck auf der Rücklaufseite 62 der Einrichtung ausgesetzt ist als dem an der Anschlussstelle P im Ventilgehäuse 10 herrschenden Druck, wobei die jeweils anzusteuernden Drücke größer als der Tank- oder Umgebungsdruck sind.
-
Wie sich des Weiteren aus der Darstellung nach der 3 ergibt, wird bei Öffnen des Fluidquerschnitts, also beim Wegbewegen des Regelkolbens 12 nach rechts, im Betrieb eine Fluidumleitung von ca. 90° derart herbeigeführt, dass der hieraus sich ergebende Impuls sich auf der gesamten Strömungsangriffsfläche 52 in Richtung des Anschlusses A abstützen kann, wobei die Gestaltsänderung 48 dann insgesamt einem konstanten Fluiddruck während der Regelung ausgesetzt ist.
-
Erfindungsgemäß ist der Durchmessersprung in Form der Stufe 56 durch zwei unterschiedliche Durchmesser im Regelkolben 12 gebildet, wobei der. kleinere Durchmesser in die bereits angesprochene Ausnehmung oder Auskehlung 38 im Regelkolben 12 ausmündet.
-
Um also die Strömungskraft durch eine Gegenkraft zu kompensieren, wurde am Regelkolben 12 eine Fläche 52 angefügt, und zwar unterhalb der Steuer- oder Regelkante 34. Durch die dahingehende Anordnung kann der Eingangsdruck am Pumpen- oder Druckversorgungsanschluss P dazu genutzt werden, um die Strömungskraft zu kompensieren. Über die Fläche 52 am Anschluss P kann entsprechend der Kraftformel F = P × A die Gegenkraft zur Strömungskraft erzeugt werden. Da dergestalt die Steuer- oder Regelkante 34 „verschoben” wird und der Druck auf den Kreisring 52 jedoch konstant bleibt, wirkt die Strömungskraft nach wie vor in Richtung des Magnetsystems 14; die neu erzeugte Gegenkraft jedoch über die Fläche 52 am Regelkolben 12 in Richtung des Verbraucheranschlusses A. Während also die Strömungskraft versucht, den Regelkolben 12 in eine Schließstellung zu ziehen, wirkt die erzeugte Gegenkraft entgegen in eine den Regelkolben 12 bewegende oder ziehende Öffnungsstellung. Der zugehörige horizontale Druckkennlinienverlauf ist in 5 in einem Bereich wiedergegeben, der zur Verdeutlichung mit einer Ellipse 64 umrandet ist. Es ergibt sich dergestalt ein weitgehend harmonisches Füllungsverhalten für einen an den Verbraucheranschluss A angeschlossenen Verbraucher, wie eine Kraftfahrzeugkupplung.
-
Die erfindungsgemäße Einrichtung braucht nicht auf Anwendungen bei direkt-gesteuerten Kompakt-Druckreglern, wie das vorgestellte Ventil, eingeschränkt zu sein. Eine solche Strömungskraftkontrolle im Sinne einer Kompensation lässt sich auch ohne weiteres bei Schieberventilen verwirklichen. Des Weiteren können bereits zwei Anschlussstellen, die in regelnder Weise fluidführend miteinander zu verbinden sind, genügen, um im skizzierten Rahmen die Strömungskraft-Kompensation durchführen zu können. Insoweit kann die erfindungsgemäße Einrichtung grundsätzlich dort Anwendung finden, wo eben Anschlussstellen in regelnder Weise fluidführend über einen Regelkolben miteinander zu verbinden oder wieder voneinander zu trennen sind. Insbesondere kann man durch Einsatz der erfindungsgemäßen Strömungskraft-Kompensation erreichen, Magnetsysteme kleiner zu dimensionieren, was das Ansteuerverhalten verbessert und Kosten sowie Bauraum sparen hilft. Dies hat so keine Entsprechung im Stand der Technik.
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
-
Zitierte Patentliteratur
-
- DE 102014004796 A1 [0002]
- DE 102012015356 A1 [0004]
