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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit einer einstellbaren
Meßblende
und einer Druckwaage, über
die der Druckabfall an der Meßblende konstant
gehalten werden kann.
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Solche
Ventilanordnungen werden beispielsweise in der Mobilhydraulik zur
Ansteuerung von hydraulischen Verbrauchern, beispielsweise eines Krafthebers
eines Ackerschleppers, des Löffels
eines Baggers, des Drehantriebs eines Baggers, etc. verwendet.
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In
der
DE 196 46 428
A1 der Anmelderin wird eine Ventilanordnung beschrieben,
bei der die einstellbare Meßblende
durch ein Proportionalventil gebildet ist, dessen Ventilschieber
als Hohlschieber ausgeführt
ist. In diesem Ventilschieber ist ein Druckwaagenkolben geführt, dessen
Steuerkante einen Steuerquerschnitt im Mantel des Wegeventil-Ventilschiebers
aufsteuert. Je nach Öffnungsquerschnitt der
Meßblende
(Wegeventil) wird der Druckwaagenkolben in eine Regelstellung gebracht,
in der die in Öffnungsrichtung
wirkende Druckkraft des Druckmittels stromabwärts der Meßblende gleich groß ist wie die
in Schließrichtung
wirkende Druckkraft eines Steuerdrucks (Lastmeldedruck) in einem
Steuerraum des Druckwaagenkolbens plus der Kraft einer Steuerfeder.
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Beim
Einsatz einer derartigen Ventilanordnung zur Ansteuerung eines Krafthebers
zeigte es sich, daß insbesondere
bei dem Einleiten des Heben- oder Senkenvorgangs des Krafthebers,
erhebliche Strömungkräfte auf
den Druckwaagenkolben und den Wegeventilschieber wirken, durch die
das Ansprechverhalten der Ventilanordnung verschlechtert wird und
der Ausgangsdruck von den vorgegebenen Sollwerten abweicht.
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Demgegenüber liegt
der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung zu schaffen, bei
der der Einfluß der
Strömungskräfte auf
ein Minimum reduziert ist.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Durch
die Maßnahme,
den Druckwaagenkolben mit einer zweiten Steuerkante zu versehen, über die
ein Kompensationssteuerquerschnitt aufsteuerbar ist, erfolgt im
Bereich der Druckwaage eine Aufteilung der Druckmittelströmung, so
daß der
Druckabfall an den Steuerquerschnitten gegenüber der herkömmlichen
Lösung
wesentlich abgesenkt werden kann. Des weiteren ermöglicht es
die zweite Steuerkante, eine Kompensationströmung aufzubauen, durch die
das Druckmittel aus entgegengesetzten Richtungen zum Radialdurchbruch
im Mantel des Wegeventilschiebers geführt ist, so daß sich die
Strömungskräfte im Bereich
zwischen den beiden Steuerquerschnitten und dem Radialdurchbruch
zumindest teilweise aufheben. Die strömungsdynamischen Wechselwirkungen
des Druckmittels mit dem Druckwaagenkolben und dem Wegeventilschieber
werden durch die erfindungsgemäße Ausbildung
eines Kompensationssteuerquerschnittes auf ein Minimum reduziert,
so daß das
Ansprechverhalten gegenüber der
herkömmlichen
Lösung
erheblich verbessert wird.
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Bei
der herkömmlichen
Lösung
gemäß der
DE 196 46 428 A1 wird
das Druckmittel in Abhängigkeit
von der Wegeventilschieberstellung zu zwei Ringräumen geführt, von denen einer einem
Arbeitsanschluß A
und der andere einem Arbeitsanschluß B zugeordnet ist. Je nach
dem, ob der Wegeventilschieber nunmehr aus seiner Grundposition
nach links oder nach rechts verschoben wird, kann das Druckmittel
in den einen Arbeitsanschluß direkt
radial einströmen
oder es muß um
mehr als 90° umgelenkt werden.
D.h., der beispielsweise durch einen Bohrungsstern gebildet Radialdurchbruch
des We geventilschiebers wird je nach Ansteuerungsrichtung des Verbrauchers
unterschiedlich durchströmt,
so daß entsprechend
auch das Ansprechverhalten der Wegeventilanordnung beeinflußt ist.
Dieser Nachteil wird durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilanordnung
ebenfalls ausgeräumt,
da aufgrund der Ausbildung von zwei Steuerquerschnitten die Durchströmung des
Radialdurchbruches des Wegeventilschiebers unabhängig von der Ansteuerungsrichtung
des Verbrauchers ist.
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Die
Ausbildung der beiden Steuerquerschnitte (Kompensationssteuerquerschnitt,
Steuerquerschnitt) ist besonders einfach, wenn der Druckwaagenkolben
mit einer Axialbohrung versehen ist, in der zwei axial beabstandete
Manteldurchbrüche
münden,
denen jeweils eine der vorgenannten Steuerkanten zugeordnet ist.
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Die
beiden Steuerkanten werden vorteilhafterweise durch einen radial
zurückgestuften
Abschnitt des Druckwaagenkolbens ausgebildet, der zwischen den beiden
Manteldurchbrüchen
vorgesehen ist.
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Eine
weitere Vergleichmäßigung der
Strömungskräfte läßt sich
erzielen, indem im Mantel des Wegeventilschiebers zwei durch einen
Steuersteg getrennte Ringnuten ausgebildet sind, wobei die dem Kompensationssteuerquerschnitt
zugeordnete Steuerkante mit dem Steuersteg zusammenwirkt, während die
andere Steuerkante mit einer Umfangskante der stromaufwärtigen Ringnut
in Wirkverbindung steht.
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Bei
dieser vorteilhaften Konstruktion mündet der Radialdurchbruch (Bohrungsstern)
im Wegeventilschieber im Bereich der stromaufwärtigen Ringnut, d.h. zwischen
den beiden Steuerquerschnitten (Kompensationssteuerquerschnitt,
Steuerquerschnitt).
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Im
Axialbohrungsabschnitt des Druckwaagenkolbens mündet ein Radialdurchbruch,
der mit einer Drosselbohrung im Wegeventilschiebermantel derart
zusammenwirkt, daß der
Druck am Druckwaageneingang bei vollständig aufgesteuertem Druckwaagenkolben
in den Federraum der Druckwaage geführt ist.
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Der
Aufbau der Ventilanordnung ist besonders einfach, wenn der Druckwaagenkolben
in seiner Schließstellung
gegen eine Anschlagschulter des Wegeventilschiebers vorgespannt
ist.
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Sonstige
vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren
Unteransprüche.
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Im
folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
Schaltung zur Ansteuerung eines doppeltwirkenden Verbrauchers, bei
der die erfindungsgemäße Ventilanordnung
verwendet ist;
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2 eine
Ventilscheibe zur Realisierung der in 1 dargestellten
Schaltung;
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3 eine
Detaildarstellung der Ventilscheibe aus 2;
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4 eine
Detailansicht eines Druckwagenkolbens der Ventilscheibe aus 3 und
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5 eine
Detailansicht gemäß 4 bei aufgesteuerten
Steuerquerschnitten.
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Der
Grundaufbau der in den
1 und
2 dargestellten
Schaltung ist bereits in der eingangs genannten Druckschrift
DE 196 46 428 A1 der Anmelderin
beschrieben, so daß sich
im folgenden lediglich auf die Beschreibung der we sentlichen Grundbauelemente
beschränkt
wird. Hinsichtlich von in der vorliegenden Anmeldung nicht beschriebenen Details
wird der Einfachheit halber auf die Offenbarung der
DE 196 46 428 A1 verwiesen.
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1 zeigt
den Schaltplan einer Ventilscheibe 2 eines Ventilblocks, über die
die beiden Anschlüsse
A, B eines doppelt wirkenden Verbrauchers (nicht gezeigt) mit Druckmittel über einen
Pumpenanschluß P
versorgbar sind oder aber das Druckmittel vom Verbraucher über einen
Tankanschluß T
zu einem Tank rückführbar ist.
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Die
nicht dargestellte Pumpe ist als Verstellpumpe ausgeführt, deren
Förderleistung
in Abhängigkeit
vom Lastdruck LS am Verbraucher eingestellt wird. Derartige Load-Sensing-Schaltungen sind
im Stand der Technik hinlänglich
bekannt, so daß auf eine
grundlegende Beschreibung verzichtet werden kann.
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In
der Ventilscheibe 2 ist ein stetig verstellbares Wegeventil 4 mit
einem die Ansteuerungsrichtung des Verbrauchers bestimmenden Richtungsteil
und einem die Meßblende
bildenden Geschwindigkeitsteil aufgenommen. Der durch das Wegeventil 4 gebildeten
Meßblende
(Geschwindigkeitsteil) ist eine Druckwaage 5 nachgeschaltet,
deren Druckwaagenkolben 40 in seiner Regelstellung den
Druckabfall über
der Meßblende
lastdruckunabhängig
konstant hält.
Der Ausgang der Druckwaage 5 ist hydraulisch mit dem Richtungsteil
des Wegeventils 4 verbunden, über den je nach Ansteuerung
einer der Arbeitsanschlüsse
A, B mit Druckmittel versorgt und der andere mit dem Tankanschluß T verbunden
wird. In den Arbeitsleitungen zu den Arbeitsanschlüssen A,
B sind stetig verstellbare, entsperrbare Rückschlagventilanordnungen 6, 8 geschaltet,
die in ihrer Sperrstellung die Rückströmung vom
Verbraucher verhindern und in der entsperrten Durchlaßstellung
eine Rückströmung vom
entsprechenden Arbeitsanschluß A
oder B zum Tankanschluß T
hin ermöglichen.
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Die
Ansteuerung des Wegeventils 4 erfolgt über Pilotventile 10, 12, über die
die Stirnseiten eines Wegeventilschiebers 28 des Wegeventils 4 mit
einem Steuerdruck beaufschlagbar sind, um diesen aus seiner dargestellten
Neutralposition zu verschieben. Der Wegeventilschieber 28 ist
durch zwei Druckfedern 30, 32 in seine Neutralposition
vorgespannt. Der Regelkolben 40 der Druckwaage 5 ist
in Schließrichtung von
der Kraft einer Regelfeder 44 und vom Lastdruck beaufschlagt,
der über
eine Lastdruckmeldeleitung 22 vom Verbraucher abgegriffen
wird. Der sich am Druckwaageneingang einstellende Druck ist über eine
Steuerleitung 38 zur in Öffnungsrichtung wirkenden Stirnfläche des
Druckwaagenkolbens 40 geführt.
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Die
Pilotventile 10, 12 sind stetig verstellbar ausgeführt, so
daß ein
Druck in der Größenordnung zwischen
dem Tankdruck und dem Druck am Pumpenanschluß P an die Stirnseiten des
Wegeventilschiebers 28 anlegbar ist. Dieser Steuerdruck
wird auch zur Entsperrung der Rückschlagventilanordnungen 6 und 8 verwendet.
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2 zeigt
eine konkret ausgebildete Ventilscheibe 2, in der der Schaltung
gemäß 1 realisiert
ist.
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Die
Ventilscheibe 2 hat die beiden Arbeitsanschlüsse A, B
sowie einen Pumpenanschluß P
und den Tankanschluß T,
die die Ventilscheibenpackung des Ventilblocks senkrecht zur Zeichenebene
durchsetzen. Darüber
hinaus ist der höchste
Lastdruck aller über
den Ventilblock angesteuerten Verbraucher an einen Steueranschluß LS geführt.
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Die
Ventilscheibe 2 hat Aufnahmebohrungen für das Wegeventil 4,
dessen Wegeventilschieber 28 als Hohlschieber ausgeführt ist.
Der in 2 lediglich gestrichelt angedeutete Druckwaagenkolben 40 ist im
Inneren des Wegeventilschiebers 28 geführt.
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Parallel
zum Wegeventil 4 sind in der Ventilscheibe 2 die
beiden entsperrbaren Rückschlagventilanordnungen 6, 8 aufgenommen.
Jede der Rückschlagventilanordnungen 6 hat
einen mit einer Voröffnung
versehenen Hauptkegel 72, der mit einem Aufstoßkolben 92 zusammenwirkt, über den
der Hauptkegel zum Entriegeln von seinem Ventilsitz abhebbar ist.
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Die
beiden Pilotventile 10, 12 sind in Patronenbauweise
ausgeführt
und in die in 2 untere Stirnfläche der
Ventilscheibe 2 eingeschraubt. Bei den Pilotventilen 10, 12 handelt
es sich beispielsweise um elektrisch betätigbare Druckminderventile, über die
der Druck am Pumpenanschluß P
auf einen Systemdruck am axialen Ausgangsanschluß des jeweiligen Pilotventils 10, 12 reduzierbar
ist. Wie aus 1 entnehmbar ist, hat jedes
Pilotventil 10, 12 neben dem mit dem Pumpenanschluß P verbundenen Eingangsanschluß noch einen
mit dem Tankanschluß T
verbundenen Radialanschluß.
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Zur
Absicherung des Drucks am Tankanschluß T ist in der Ventilscheibe 2 ein
Rückschlagventil 114 vorgesehen.
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Hinsichtlich
weiterer Details der Rückschlagventilanordnung
6,
8 und
der Pilotventile
10,
12 sei auf die genannte Druckschrift
DE 196 46 428 A1 verwiesen.
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Der
Aufbau des Wegeventils 4 und der Druckwaage 5 wird
im folgenden anhand der Detaildarstellung gemäß 3 beschrieben.
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Demgemäß hat die
Ventilscheibe 2 zur Aufnahme des Wegeventilschiebers 28 eine
Ventilbohrung 50, in der sich radial nach außen erstreckende Ringräume 52, 54, 56, 58 und 60 ausgebildet
sind. Wie aus 3 entnehmbar ist, ist der Ringraum 52 über eine
gestrichelt angedeutete Lastdruckmeldeleitung 62 mit einem
Steuerkanal 64 verbunden, der zum Steueranschluß LS geführt ist.
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Die
beiden Ringräume 54 und 56 sind über Arbeitskanäle 66, 68 zu
den Arbeitsanschlüssen
A bzw. B geführt.
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Der
Ringraum 58 ist einerseits über eine Pumpenleitung 70 mit
dem Pumpenanschluß P
verbunden und andererseits über
einen Verbindungskanal 74 zu einem Radialanschluß der Pilotventile 10, 12 geführt.
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Der
Ringraum 60 ist ebenfalls hydraulisch mit dem Pumpenanschluß P verbunden.
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Die
in 2 dargestellten axialen Ausgangsanschlüsse der
Pilotventile 10, 12 sind über Steuerkanäle 76, 78 mit
den Federräumen 80, 82 des
Wegeventils 4 verbunden. Von dort sind die Steuerkanäle 76, 78 weiter
zu den Rückschlagventilanordnungen 6 bzw. 8 geführt.
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Der
Wegeventilschieber 28 ist über Druckfedern 30, 32 in
seine in 3 dargestellte Grundposition
vorgespannt. Beim gezeigten Ausführungsbeispiel
greifen die Druckfedern 30, 32 über Federteller 84, 86 an
den Stirnflächen
des Wegeventilschiebers 28 an. In der dargestellten Position
des Wegeventilschiebers 28 liegen die Federteller 84, 86 an
Anlageschultern der Ventilscheibe 2 im Bereich der Steuerkanäle 76 bzw. 78 an.
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Die
beiden Druckfedern 30, 32 sind an Verschlußschrauben 88, 90 abgestützt, die
die Ventilbohrung 50 in Axialrichtung abschließen.
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Wie
eingangs bereits erwähnt,
ist der Wegeventilschieber 28 als Hohlkolben ausgeführt und
hat eine Axialbohrung 94, die sich in der Darstellung nach 3 vom
linken Endabschnitt des Wegeventilschiebers bis in den Bereich des
Ringkanals 60 erstreckt. In dieser Axialbohrung 94 mündet ein
Meßblenden-Bohrungsstern 96,
dessen Durchbrüche
als Ra dialbohrungen im Wegeventilschiebermantel ausgebildet sind.
In der dargestellten Grundposition ist der Meßblenden-Bohrungsstern 96 zwischen
den beiden Ringräumen 58, 60 angeordnet.
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Im
Axialabstand zum Meßblenden-Bohrungsstern 96 ist
ein Richtungsbohrungsstern 98 ausgebildet, der in der gezeigten
Grundposition zwischen den beiden Ringräumen 54, 56 angeordnet
ist.
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Durch
die vorbeschriebene Geometrie kann das Druckmittel vom Pumpenanschluß P je nach
Ansteuerung des Wegeventilschiebers 28 über die Pumpenleitung 70,
den Meßblenden-Bohrungsstern 96,
die Axialbohrung 94, den Richtungsbohrungsstern 98 und
den Arbeitskanal 66 zum Verbraucher A oder entsprechend über den
Ringraum 60, den Meßblenden-Bohrungsstern 96,
die Axialbohrung 94, den Richtungsbohrungsstern 98 und
den Arbeitskanal 68 zum Verbraucher B geführt werden.
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Der
Druckwaagenkolben 40 ist innerhalb der Axialbohrung 94 verschiebbar
geführt
und über
die Regelfeder 44 mit der von dieser entfernten Stirnfläche 100 gegen
eine Anschlagschulter 102 der Axialbohrung 94 in
seine Schließstellung
vorgespannt. Der Druckwaagenfederraum 104 ist hydraulisch
mit dem Ringraum 52 verbunden, so daß der Lastdruck den Druckwaagenkolben 40 ebenfalls
in Schließrichtung
beaufschlagt.
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Die 4 und 5 zeigen
den Druckwaagenkolben 44 in seiner Schließstellung
bzw. einer Regelposition in vergrößerter Darstellung.
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Demgemäß hat der
Druckwaagenkolben 44 eine Axialsacklochbohrung 106,
die in der Stirnfläche 100 des
Druckwaagenkolbens 44 mündet.
Im Mündungsbereich
ist der Mantel des Druckwaagenkolbens 44 radial von einem
Bohrungsstern 108 durchsetzt. In Abstand zu diesem ist
ein Kompensationsboh rungsstern 110 ausgebildet, der in
der dargestellten Position im Bereich des Ringraums 54 angeordnet
ist. Im weiteren Axialabstand zum Bohrungsstern 108 ist
ein Radialdurchbruch 112 ausgebildet, über den der Druck in der Axialsacklochbohrung 106 in Zusammenwirken
mit einer Düsenbohrung 114 in den
Federraum 104 führbar
ist.
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Im
Bereich zwischen den beiden Bohrungssternen 108 und 110 ist
der Druckwaagenkolben 44 radial zurückgestuft, so daß im Bereich
des Bohrungssterns 108 eine erste Steuerkante 116 und
im Bereich des Kompensationsbohrungssterns 110 eine zweite
Steuerkante 118 ausgebildet wird.
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Der
radial zurückgestufte
Abschnitt 115 ist im Bereich der ersten Steuerkante 116 als
Schrägfläche ausgebildet,
während
er im Bereich der zweiten Steuerkante 118 als Radialstufe
ausgeführt
ist.
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Der
Wegeventilschieber 28 hat gemäß 4 zwei axial
beabstandete Ringnuten 120, 122, die in der Innenumfangsfläche der
Axialbohrung 94 ausgebildet sind.
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Die
beiden Ringnuten 120, 122, sind durch einen Mittelsteg 124 voneinander
getrennt, der mit der zweiten Steuerkante 118 zusammenwirkt.
Die in der Darstellung nach 4 rechte
Umfangskante (Schrägfläche) der
ersten Ringnut 120 wirkt mit der ersten Steuerkante 116 zusammen,
so daß bei
Axialverschiebung des Druckwaagenkolbens 44 durch Zusammenwirken
der ersten Steuerkante 116 und der ersten Ringnut 120 ein
Steuerquerschnitt aufgesteuert wird, während durch Zusammenwirken
der zweiten Steuerkante 118 und dem Mittelsteg 124 ein Kompensationssteuerquerschnitt
geöffnet
wird. In der gezeigten Grundposition sind die beiden Steuerquerschnitte
geschlossen.
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Der
Richtungsbohrungsstern 98 mündet in der ersten Ringnut 120.
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Soll
nun der Arbeitsanschluß A
mit Druckmittel versorgt werden, so wird das Pilotventil 12 (2) angesteuert,
so daß die
in 2 rechte Stirnseite des Wegeventilschiebers 28 mit
einem Steuerdruck beaufschlagt wird. Dadurch wird der Wegeventilschieber 28 in
der Darstellung nach 3 nach links verschoben, so
daß die
durch den Ringraum 58 ausgebildete Steuerkante den Meßblenden-Bohrungsstern 96 aufsteuert.
Das Druckmittel kann nunmehr vom Pumpenanschluß P in die Axialbohrung 94 des Wegeventilschiebers 28 einströmen. Das
durch den Meßblenden-Bohrungsstern 96 einströmende Druckmittel
beaufschlagt den Druckwaagenkolben 40 in Öffnungsrichtung.
Dieser wird soweit ausgelenkt, bis die in Schließrichtung wirkende Kraft der
Regelfeder 44 sowie die aus dem Lastdruck resultierende
Druckkraft im Gleichgewicht mit der auf die Stirnfläche 100 des
Druckwaagenkolbens 40 wirkende Druckkraft steht.
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5 zeigt
die Verhältnisse
bei einer derartigen Regelposition des Druckwaagenkolbens 40. Durch
die Steuerkanten 116 und 118 wird ein Steuerquerschnitt 126 bzw.
ein Kompensationssteuerquerschnitt 128 aufgesteuert, so
daß das
Druckmittel in zwei Teilströme
unterteilt wird. Der erste Teilstrom strömt von der Stirnfläche 100 her
durch den Bohrungsstern 108 und den Steuerquerschnitt 126 entlang
der Bodenfläche
der ersten Ringnut 120 zum Richtungsbohrungsstern 98 des
Wegeventilschiebers 28. Der andere Teilstrom strömt entlang
der Axialsacklochbohrung 106 zum Kompensationsbohrungsstern 110 und
dann in die zweite Ringnut 122 und wird dort in Gegenrichtung
umgelenkt. Aus der zweiten Ringnut 122 tritt die Druckmittelteilströmung durch
den zweiten Steuerquerschnitt 128 hindurch und strömt zum Richtungsbohrungsstern 98.
D.h. der Richtungsbohrungsstern 98 wird von beiden Richtungen
angeströmt,
so daß unabhängig von
der Stellung des Wegeventilschiebers 28 die Durchströmung des Richtungsbohrungssterns 98 vergleichmäßigt ist. Durch
die Aufteilung des Druckmittelstroms in zwei Teilströme und die Ausbildung
einer Gegenströmung werden
des weiteren die auf den Druckwaagenkolben 40 wirkenden
Strömungskräfte gegenüber der herkömmlichen
Lösung
erheblich minimiert. Durch die gegenläufige Ausbildung der beiden
Teilströme erfolgt
eine zumindest teilweise Kompensation der Strömungskräfte, so daß das beim Stand der Technik zu
beobachtende Schließen
des Druckwaagenkolbens 40 aufgrund des Druckabfalls am
einzigen Steuerquerschnitt nicht zu beobachten ist.
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Durch
die erfindungsgemäße Ausbildung des
zweiten Steuerquerschnitts kann somit das Ansprechverhalten der
Ventilanordnung bei minimalem vorrichtungstechnischen Aufwand wesentlich
verbessert werden.
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Offenbart
ist eine Ventilanordnung mit einer einstellbaren Meßblende
und einer in einem Wegeventilschieber der Meßblende geführten Druckwaage, bei der ein
Druckwaagenkolben mit zwei Steuerkanten ausgeführt ist, über die der Druckmittelstrom in
zwei Teilströme
derart unterteilbar ist, daß die
auf den Druckwaagenkolben und den Wegeventilschieber wirkenden Strömungskräfte zumindest
teilweise kompensiert sind.