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Hydraulisches Stromregelventil mit Anfahrsprungunterdrückung und druckdifferenzabhänfiiier
Sollwertbeeinf lussung Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Zweiwegestromregelventil
neuer Bauart mit schwingungsfreler Anfahrcharakteristik und störgrößenabhängiger
Sollwertbeeinflussung.
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Aufgabe der hydraulischen Stromregelventile ist es, den Durchfluß
Q unabhängig von der am Ventil anliegenden Druckdifferenz a p konstant zu halten.
Besonders schwierig ist diese Forderung einzuhalten bei starken Druckdifferenzschwankungen
am Stromregelventil, wie sie zum Beispiel beim Einschalten des Durchflußstroms durch
hydraulische Wegeventile verursacht werden.
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Die bekannten Stromregelventile bestehen aus einer Meßdrossel mit
konstantem verstellbaren Querschnitt und einem der Meßdrossel vor- oder nachgeschalteten
Stellkolben (auch Druckwaage genannt), der mit den an der Meßdrossel verursachten
Drucksignal beaufschlagt wird. Die mechanische Kraft einer Druckfeder hält den Stellkolben
im Gleichgewicht. Das Drucksignal an der Meßdrossel ist ein Maß für den durch das
Ventil strömenden Durchfluß Q. Ändert sich dieser, dann ändert sich auch das auf
den Stellkolben wirkende Drucksignal. Der Stellkolben führt dann eine Bewegung aus
und ändert den Querschnitt einer Stelldrossel solange, bis alle am Kolben angreif
enden Kräfte wieder im Gleichgewicht sind. Dadurch bleibt die Druckdifferenz an
der Meßdrossel und auch der Durchfluß Q unabhängig von der am Ventil anliegenden
Druckdifferenz nahezu konstant.
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Ist das Ventil nicht druckbeaufschlagt, dann öffnet der Stellkolben
den Drosselquerschnitt an der Druckwaage vollständig. Wird das Ventil plötzlich
mit Druck beaufschlagt (z.B. Anfahren eines Hydromotors bzw. Zylinders), dann läßt
das Ventil zunächst einen Durchfluß Q zu, der weit über dem stationären Wert liegt,
und dies aus folgenden Gründen:
a. Der Drosselquerschnitt am Stellkolben
ist zunächst wesentlich größer, als er bei der vorhandenen Druckdifderen: am Ventil
im stationären Zustand sein dürfte.
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b. Infolge dessen überwiegt die durch die Druckdifferenz an der Meßdrossel
verursachte Schließkraft am Stellkolben, und dieser führt eine rasche Schließbewegung
aus und schiebt dabei Öl, das nicht über die Meßdrossel fließt, zum Ventilausgang.
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Eine Dämpfung der Bewegung des Stellkolbens (etwa durch eine Dämpfungsdrossel)
würde den Effekt a. stark vergrößern, den Effekt b. jedoch reduzieren. Ist der Stellkolben
überhaupt nicht gedämpft, dann kann der Effekt b. zu starken Durchflußerhöhungen
im Anfahrstadium führen, während der Effekt a. dann nur eine untergeordnete Rolle
spielt.
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Man vermied den Anfahrsprung bisher dadurch, daß man den Stromregler
schon vor dem eigentlichen Bewegungsstart durchflutete, um den Stellkolben stets
in Regelstellung zu halten. Derartige Schaltungen sind jedoch nicht immer möglich
und zudem auch mit mit erhöhtem Aufwand verbunden.
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In der Patentsehrift Nr G 1 247 806 wird versucht, diesen Umstand
dadurch zu beheben, daß man die den Stellkolben vorgesehaltete Meßdrossel als weiteren
Stellkolben ausbildet, der bei Druckausfall durch eine Druckfeder den Meßdrosselquerschnitt
schließt.Bei Druckbeaufschlagung öffnet dieser Kolben, dessen Öffnungsgeschwindigkeit
durch eine Dämpfungsdrossel eingestellt werden kann, mehr oder minder schnell den
Meßdrosselquerschnitt bis zu einer durch eine Stellschraube vorgewählten Größe (-Sollwert).
Bs findet also bei Druckbeaufschlagung ein allmähliches Ansteigen des Sollwerts
von Null bis auf den. vorgewählten Wert statt. Während dieses Vorgangs wird aber
der Stellkolben schlagartig mit Druck beaufschlagt. Er führt eine schnelle Schließbewegung
aus und pumpt dabei entsprechend seiner ßchlleßgeschwindigkeit eine zusätzliche
ölmenge in die Sekundärleitung. Die ii Patent beschriebene Anordnung unterdrückt
zwar den Effekt a, des Anfahrsprungs, Effekt b. ist jedoch nach wie vor vorhanden.
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Ein weiterer Nachteil der beiannten Sygtme liegt darin, daß außer
den bisher erwähnten Kräften am Stellkolben auch
Strömungskrkfte
wirken, welche die gewünschte stationäre Regelcharakteristik des Ventils stark beeinflussen.
Diese Nachteile können nur durch eine Ventilneukonstruktion behoben werden. Auch
die bekannte Temperaturempfindlichkeit, welche wie vielfach nicht bekannt hauptsächlich
durch die Ausbildung der Steuerkanten am Stellkolben beeinflußt wird, ist bei den
bekannten Konstruktionen insbesondere bei kleinen Durchflüssen Q und großen Druckdifferenzen
erheblich (positive Überdeckung der Steuerkanten, laminare Strömung).
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Die wesentliche Aufgabe der Erfindung ist die Einbeziehung der Meßdrossel
in das Stellkolbensystem sowie die Beseitigung beider den Anfahrsprung erzeugender
Konstruktionsmerkmale, um so das stationäre und dynamische Verhalten des Stromreglers
besser an die gewünschte Charakteristik anpassen zu können. Zudem soll die Drosselstelle
am Stellkolben so ausgebildet werden, daß einerseits möglichst wenig oder gar keine
Strömungskräfte auf den Stellkolben wirken, und andererseits der Temperatureinfluß
dieser Stelle auf die Regelgüte stark reduziert wird.
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Die Lösung der Aufgabe erfolgt dadurch, daß der Stellkolben (Druckwaage)
keine definierte Schließstellung mehr besitzt. Vielmehr wird diese durch einen zweiten
beweglichen Anfahrkolben beeinflußt, welcher sich bei Druckbeaufschlagung gegen
eine vorgespannte Feder bewegen kann.
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Die Bewegungsgeschwindigkeit des Anfahrkolbens kann durch eine Dämpfungsdrossel
eingestellt werden. Das Entscheidende hierbei ist jedoch, daß der Stellkolben vor
der Druckbeaufschlagung bereits in Schließstellung ist. Dadurch entfällt die Pumpbewegung
des Stellkolbens beim Anfahrvorgang.
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Die Meßdrossel wird direkt in einen Deckel des als Hohlkolben ausgebildeten
Stellkolbens eingebaut. Dadurch kann der Meßdrosselquerschnitt ( Sollvert) durch
die Stellkolbenbewegung beeinflußt werden. Die Verstellung des Querschnitts der
Meßdrossel erfolgt über eine Längs- bzw. Drehbewegung einer Drosselnadel. Als Drosselkante
des Stellkolbens wird unter anderen eine Ventilsitzanordnung gewählt, um den Störeinfluß
der Strömungskräfte und der Ölviskosität (Temperatur) auf die Regelgüte zu vermindern.
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Die Erfindung wird an Hand der Abbildungen erläutert: Abb. 1 zeigt
schematisch einen Schnitt durch ein Stromregelventil als Ausführungsbeispiel für
die Erfindung.
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Der Stellkolben (1), in dessen Boden die Meßdrossel (4) eingebaut
wurde, wird von der an der Meßdrossel (4) verursachten Druckkraft sowie der Kraft
einer Druckfeder (6) beaufschlagt. Die Druckfeder (6) stützt sich am sogenannten
Anfahrkolben (2) ab, der seinerseits über eine Druckfeder (3), deren Vorspannung
etwas höher liegt als die der Feder (6), nach rechts gedrückt wird. Die Außenfläche
des Anfahrkolbens (2), in den sogenannte Auslaßschlitze (8) eingearbeitet sind,
ist über eine einstellbare Dämpfungsdrossel (5) mit der Abgangsbohrung (7) verbunden.
Der Meßdrosselquerschnitt (Sollwert) wird durch eine Sollwertschraube (11) über
eine Drosselnadel (9) dadurch Längs- oder Drehbewegung verstellt.
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Das Regelsystem ist im drucklosen Zustand gezeichnet. Wird die Eingangsbohrung
(13) mit Druck beaufschlagt, dann läuft zunächst der Anfahrkolben (2) unter dem
Einfluß der Druckkraft nach links. Die Bewegungsgeschwindigkeit des Anfahrkolbens
(2) kann durch die Einstellung der Dämpfungsdrossel (5) beeinflußt werden. Der Stellkolben
(1) bleibt zunächst solange am Anschlag (10) stehen, bis ein Teil der Steuerfenster
(8) des Anfahrkolbens (2) frei wird. Das dann zu fließen beginnende Öl erzeugt je
nach Stellung der Drosseln adel (9) ein Drucksignal an der Meßdrossel (4) und eine
Druckkraft am Stellkolben (1). Dieser bewegt sich dann je nach Größe der am Stromregler
anliegenden Druckdifferenz zusammen mit dem Anfahrkolben (2) solange (Steuerspalt
(8) bleibt etwa konstant), bis der Anfahrkolben (2) den verstellbaren Anschlag (14)
erreicht hat.
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Wird der Drosselquerschnitt (5) volständig geschlossen, dann kann
keine Bewegung der Kolben (1) und (2) erfolgen und es findet keine Durchströmung
des Ventils statt.
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Der Anfahrkolben (2) bewegt sich praktisch nur während der Anlaufphase.
Die Ausgleichsbewegungen hervorgerufen durch Druckschwankungen während des Betriebs
übernimmt im wesentlichen der Stellkolben (1). Durch geeignete Dimensionierung
der
Meßdrosselnadel (9) kann das stationäre und dynamische Verhalten des Stromregelventils
beeinflußt werden. In Abb. 2 ist das Anfahrverhalten eines Systems gemäß Abb. 1
in Abhängigkeit des Drosselquerschnittsverhältnisses an der Dämpfungsdrossel (5)
dargestellt.
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Um den Temperatureinfluß der Steuerkanten (8) auf das Reglerkennfeld
zu vermindern, kann der Stellkolben (1) auch als Sitzkolben ausgeführt werden. Eine
entsprechende Anordnung zeigt Abb. 3. Die Funktion dieser Ausführung ist identisch
mit der in Abb. 1. Lediglich entfällt hier bei geeigneter Wahl der Steuerkanten
des Stellkolbens (1) der Einfluß der Strömungskräfte am Steuerspalt. Der Temperatureinfluß
an dieser Stelle wird dadurch stark reduziert (keine positive Überdeckung der Steuerkanten
möglich).