Die vorliegende Erfindung betrifft ein Volumenstromregelventil nach dem
Oberbegriff des Anspruches 1 und insbesondere ein Volumenstromregelventil
für ein kontinuierlich verstellbares Getriebe (CVT).
Volumenstromregelventile, die im folgenden auch als Stromregelventile
bezeichnet werden, kommen dann zum Einsatz, wenn der Flüssigkeitsstrom
eines Arbeitsfluides zu einem Hydrozylinder oder einem anderen hydrauli
schen Verbraucher, beeinflußt werden soll, indem ein Teil des von einer
Förderpumpe bereitgestellten Flüssigkeitsstromes dem hydraulischen Ver
braucher zugeführt wird und ein nicht benötigter Überschußteil wieder in den
Pumpenkreislauf zurückgeführt wird.
Ein Stromregelventil besitzt dabei einen weitgehend definierten Abregelpunkt,
ab dem es dafür sorgt, daß dem hydraulischen Verbraucher ein im wesentli
chen konstanter Flüssigkeitsstrom zugeführt wird, auch wenn die von der
Pumpe bereitgestellte Liefermenge weiter ansteigt.
Ganz allgemein weist ein Stromregelventil einen Schieber oder Ventilkolben
auf, der in einer Ventilbohrung gegen die Kraft einer Druckfeder axial ver
schiebbar aufgenommen ist und beidseitig von aufgrund einer Meßblende
unterschiedlichen Drücken beaufschlagt wird. Über das Stromregelventil wird
der oben bereits angesprochene überschüssige Förderstrom in einen Rücklauf
rückgeführt, der mit einem Tank oder mit der Saugseite der Förderpumpe
verbunden ist, und damit, verglichen mit der Druckseite der Förderpumpe, mit
einem Bereich mit niedrigem Druckniveau.
Der Abregelpunkt des Stromregelventils stellt für das hydraulische System eine
wichtige Kenngröße dar, da der dem hydraulischen Verbraucher zugeführte
Volumenstrom bei der Auslegung des Systems als Eingangskenngröße dient
und sich bei einem Verschieben des Abregelpunktes das Verhalten des
Systems negativ ändern kann, da der zur Auslegung dienende Volumenstrom
nicht mehr eingehalten werden kann.
Aufgrund der Arbeitscharakteristik des hydraulischen Verbrauchers kann es im
hydraulischen System zu hohen Drücken kommen. An der Meßblende des
Stromregelventils tritt ein gewisser Druckverlust auf. Zwischen der die Feder
des Stromregelventils aufnehmenden Kammer und dem bereits angesproche
nen Rücklauf kommt es aber bei hohen Systemdrücken trotz des nach der
Meßblende niedrigeren Druckes zu einer hohen Druckdifferenz, die zu einem
Leckstrom zwischen der Federkammer und dem Rücklauf führt.
Diese Leckage vermindert den vom Stromregelventil dem hydraulischen
Verbraucher zugeführten Volumenstrom und führt zu einer Verschiebung des
Abregelpunktes. Als Konsequenz hiervon verändert sich das Verhalten des
hydraulischen Systems.
Insbesondere dann, wenn der von der Förderpumpe bereitgestellte Volumen
strom den vom hydraulischen Verbraucher benötigten Volumenstrom deutlich
übersteigt, was beispielsweise bei einer vom Verbrennungsmotor eines
Kraftfahrzeuges angetriebenen Pumpe bei hohen Motordrehzahlen immer
wieder der Fall ist, muß das Stromregelventil viele Regelvorgänge ausführen,
der Ventilkolben wird also in der Ventilbohrung einer ständig wiederkehrenden
oszillierenden Bewegung unterworfen. Dies führt aufgrund der Werkstoffpaa
rung Metall auf Metall insbesondere im Bereich der Dichtkanten des Kolbens
und der Ventilbohrung an dieser Stelle zu einem erhöhten Verschleiß und
damit zu einer Zunahme der Spalthöhe, was zu einem erheblichen Anstieg des
Leckstroms führt.
Ein Abrunden der Dichtkanten des Kolbens kann dieses Problem nicht beseiti
gen, da in einem hydraulischen System üblicherweise Verunreinigungen in
Form von kleinen Partikeln vorliegen, die sich zwischen der Ventilbohrung und
der abgerundeten Kolbenkante festsetzen, was den Verschleiß zwischen
Ventilbohrung und Kolben sogar noch erhöht und damit die Spalthöhe und die
Leckage ansteigen läßt. Ein solches Abrunden würde auch zu einer verstärk
ten Neigung des Kolbens zum Kippen in der Ventilbohrung führen und damit
zu einem den Verschleiß fördernden Verkanten.
Diese Neigung zum Verkanten könnte zwar möglicherweise durch einen lang
ausgeführten Ventilkolben reduziert werden, diese Lösung scheitert aber an
dem dadurch benötigten und nicht zur Verfügung stehenden Bauraum.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher zur Beseitigung der geschilderten
Nachteile die Aufgabe zugrunde, ein Volumenstromregelventil zu schaffen,
welches über seine gesamte Einsatzzeitdauer einen vorbestimmten Abregel
punkt bei behält. Es soll außerdem ein Verfahren geschaffen werden, mit dem
die Beibehaltung des Abregelpunktes ermöglicht wird.
Die Erfindung weist zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Ventiles die im
Anspruch 1 genannten Merkmale auf. Vorteilhafte Ausgestaltungen hiervon
sind in den weiteren Ansprüchen beschrieben. Die Erfindung weist außerdem
zur Lösung dieser Aufgabe hinsichtlich des Verfahrens die im Anspruch 11
genannten Merkmale auf.
Die Erfindung geht von der Erkenntnis aus, daß sich der für die Verschiebung
des Abregelpunktes verantwortliche Leckstrom, der über die Abzweigung nach
der Meßblende des Stromregelventils in die Federkammer und weiter in den
Überstromablauf stattfindet, durch eine Erhöhung des Druckniveaus zwischen
der Federkammer und dem Ablauf beseitigen oder zumindest soweit verhin
dern läßt, daß der Abregel punkt des Stromregelventils im wesentlichen
konstant bleibt, da durch das erhöhte Druckniveau ein auch im Betrieb
zunehmender Spaltraum zwischen Ventilkolben und Ventilbohrung gleichsam
"hydraulisch verschlossen" werden kann.
Zur Schaffung des erhöhten Druckniveaus wird in vorteilhafter Weise gleich
der im hydraulischen System ohnehin vorhandene Betriebsdruck oder System
druck herangezogen.
Nach der Erfindung ist daher ein Volumenstromregelventil vorgesehen mit
einem in einer Ventilbohrung gegen eine Feder geführt axial verschiebbaren
Ventilkolben, einer mit der Druckseite einer Förderpumpe verbundenen
Zuführung, einem vom Ventilkolben freigebbaren Überstromablauf, einer vom
Betriebsdruck beaufschlagten ersten Ventilkolbenfläche und einer von einem
an einer Meßblende reduzierten Betriebsdruck beaufschlagten zweiten
Ventilkolbenfläche. Das Volumenstromregelventil besitzt zudem eine Einrich
tung, die die Druckdifferenz zwischen dem reduzierten Betriebsdruck in der
Federkammer und dem Druck im Überstromablauf vermindert oder aufhebt.
Diese Einrichtung besitzt eine Druckleitung, über die in dem an die Feder
kammer angrenzenden Raum zwischen der Federkammer und der Ventilkol
benmantelfläche ein im wesentlichen dem Betriebsdruck entsprechender
Druck anliegt. Mit anderen Worten wird zwischen der Ventilbohrung und der
äußeren Mantelfläche des Ventilkolbens über die Erhöhung des Druckniveaus
an dieser Stelle gleichsam eine hydraulische Dichtung geschaffen.
Nach einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Volumenstromregelven
tiles wird dem Dichtbereich, das heißt der Stelle, an der das erhöhte Druckni
veau ausgebildet werden soll, das unter Betriebsdruck stehende hydraulische
Fluid (beispielsweise Hydrauliköl) über eine im Ventilkolben ausgebildeten
Bohrung zugeführt.
Alternativ hierzu oder auch zusätzlich kann das unter Druck stehende Fluid
auch über eine an der Mantelinnenfläche der Ventilbohrung angeordnete Nut
zugeführt werden.
Zur Ausbildung eines Druckpolsters durch das Fluid ist es vorgesehen, daß
die Druckleitung in einer an der Ventilkolbenmantelfläche oder der Ventilboh
rungsinnenfläche ausgebildeten Ringnut mündet. Dies heißt mit anderen
Worten, daß an der Mantelfläche des Ventilkolbens oder aber auch an der
Innenfläche der Ventilbohrung eine Ringnut vorgesehen wird, in die über die
Druckleitung das Druckfluid eingeleitet wird.
Das durch die Erfindung geschaffene Volumenstromregelventil ist zur Verwen
dung insbesondere in einem CVT Getriebe vorgesehen, d. h. also einem
Getriebe mit kontinuierlich variabler Übersetzung.
Neben dem bereits angesprochenen Volumenstromregelventil schafft die
Erfindung auch ein Verfahren zur Vermeidung einer Veränderung des Abre
gelpunktes eines Volumenstromregelventiles, welches sich dadurch auszeich
net, daß ein Leckstrom zwischen der Federkammer und dem Überstromablauf
des Ventiles durch die Bildung eines weitgehend dem Betriebsdruck entspre
chenden Druckniveaus im Raum zwischen der Federkammer und dem Ablauf
vermieden wird.
Die Erfindung betrifft weiterhin ein Verfahren und eine Vorrichtung zum
Kompensieren von gegebenenfalls temperaturbedingten Druck- , wie Steuer
druckänderungen, eines mit Vorsteuerdruck angesteuerten Steuerventils gemäß
dem Oberbegriff des Anspruchs 14. Die Erfindung betrifft weiter ein Steuerventil
gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
In hydraulischen Steuerungen, wie sie z. B. in Stufenautomatgetrieben, CVT-
Getrieben, automatisierten Kupplungen usw. verwendet werden, wird im
allgemeinen ein Steuerschieber mit einem niedrigen, beispielsweise mit einem
Elektromagneten eingestellten Vorsteuerdruck beaufschlagt und dadurch ein
entsprechend konstruktiv vorgegebenen Bedingungen im allgemeinen höherer
Steuerdruck gesteuert, mit dem beispielsweise eine Kupplung beaufschlagt wird.
Zur Bedämpfung des Schiebers werden in den verschiedenen Ölzuführungen eine
oder mehrere Drosselöffnungen bzw. Blenden vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit dem der
geschilderte, temperaturbedingte Anstieg des Steuerdrucks vermieden werden
kann. Der Erfindung liegt weiter die Aufgabe zugrunde, ein Steuerventil zu
schaffen, das den geschilderten Anstieg des Steuerdrucks mit zunehmender
Temperatur nicht aufweist.
Der das Verfahren betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den
Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst.
Der das Steuerventil betreffende Teil der Erfindungsaufgabe wird mit den
Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Das erfindungsgemäße Steuerventil wird mit den Merkmalen des Anspruchs 16 in
vorteilhafter Weise weitergebildet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese
zeigt in:
Fig. 1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Volumenstromre
gelventiles nach der Erfindung;
Fig. 1A eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen
Ventilanordnung;
Fig. 2A ein Stromregelventil in einer Schnittansicht nach einer ersten
Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung und
Fig. 2B in einer geöffneten Stellung;
Fig. 3 ein Stromregelventil in einer Schnittansicht nach einer zweiten
Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung;
Fig. 4A ein Diagramm mit einem Kennlinienverlauf zur Darstellung des
Abregelpunktes eines bekannten Stromregelventils bei niedrigem
Betriebsdruck und
Fig. 4B bei einem hohen Betriebsdruck;
Fig. 5A ein Diagramm ähnlich demjenigen nach Fig. 4A für ein bekanntes
Stromregelventil bei niedrigem Betriebsdruck nach einem Dauer
lauf und
Fig. 5B bei einem hohen Betriebsdruck;
Fig. 6A ein Diagramm mit einem Kennlinienverlauf bei niedrigem Be
triebsdruck für ein Volumenstromregelventil nach der Erfindung,
bei dem zur Demonstration ein Ventilkolben mit Bohrung und
Ringnut in eine nach einem Dauerlauf bereits verschlissene Ven
tilbohrung eingesetzt worden ist; und
Fig. 6B ein Diagramm ähnlich demjenigen nach Fig. 6A, aber bei hohem
Betriebsdruck,
Fig. 7 eine Ventilanordnung,
Fig. 8 ein Diagramm und
Fig. 9 ein Diagramm.
Fig. 1 der Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung den grundsätz
lichen Aufbau eines Volumenstromregelventiles 1 nach einer Ausführungsfor
men gemäß der Erfindung.
In einer Ventilbohrung 2 eines Ventilgehäuses (nicht dargestellt) befindet sich
ein Ventilkolben 3 gegen die Kraft einer Feder 4 oder eines Kraftspeichers
axial verschiebbar aufgenommen, wobei der Ventilkolben 3 eine erste im
folgenden als Kolbenfläche 5 bezeichnete Kolbenstirnfläche und eine zweite
Kolbenfläche 6 aufweist. Über eine lediglich schematisch dargestellte Zufüh
rung 7 wird ein hydraulisches Fluid, beispielsweise Hydrauliköl über eine nicht
dargestellte Förderpumpe oder ein anderes Mittel, wie einem vorgeschaltetes
Ventil oder ein Druckspeicher, dem Volumenstromregelventil 1 mit System
druck oder Betriebsdruck zugeführt.
Das unter Druck zugeführte Hydraulikfluid, wie -öl, durchströmt das Stromre
gelventil 1, strömt weiter zu einer Abzweigung 8 und wird über eine Leitung 9
mit dem Systemdruck in die Kammer 10 des Stromregelventils 1 eingeleitet,
um dort die erste Kolbenfläche 5 zu beaufschlagen. An der Meßblende oder
Meßdrossel 11 stellt sich ein bestimmter Druckverlust ein, so daß über die
Abzweigung 12 und die Leitung 13 in der Kammer, wie Federkammer, 14 ein
reduzierter Betriebsdruck vorliegt, der dort die zweite Kolbenfläche 6 beauf
schlagt. In der Leitung 13 kann vorzugsweise eine weitere Blende oder eine
Drossel 11a angeordnet sein, die bei Durchströmung einen Druckabbau im
Bereich 13a bedingt. Der Druckunterschied zwischen den beiden Abzweigun
gen 8 und 12 wird über die Meßblende 11 volumenstromabhängig erzeugt. Der
Druckunterschied zwischen der Abzweigungen 12 und dem Bereich 13a wird
über die Meßblende 11 volumenstromabhängig erzeugt. Das Stromregelventil
1 beginnt abzuregeln, wenn die Drücke an den beiden Kolbenflächen unter
schiedlich groß sind und die von der Feder 4 erzeugte Vorspannkraft durch
den Druckunterschied überwunden wird.
Die Abregelung bedeutet, daß der von der Förderpumpe geförderte und von
einem nicht dargestellten hydraulischen Verbraucher nicht benötigte Volumen
strom als überschüssiger Förderstrom in einen Tank 15 beziehungsweise an
die Saugseite der Förderpumpe geleitet wird oder zu anderen Verbrauchern
oder zu anderen Zwecken, wie zur Kühlung, weitergeleitet wird.
Wie es vorstehend bereits angesprochen worden ist und nachfolgend noch
anhand von Diagrammen näher erläutert werden wird, kann es anwendungs
spezifisch im hydraulischen System zu hohen Betriebsdrücken von beispiels
weise bis zu 100 bar (107 Pa) bei variablen Volumenströmen kommen, die
daher zu vielen Regelvorgängen des Stromregelventils 1 führen. Es wurde
beobachtet, daß sich nach längeren Einsatzzeiten zwischen der Mantelfläche
des Ventilkolbens 3 und der Ventilbohrung 2 im Bereich der zweiten Kolbenflä
che 6 Verschleißerscheinungen einstellen, die zu einer Zunahme der Spalthö
he an dieser Stelle führen.
Da der Bereich zwischen dem Ablauf 16 für den Tank 15 und der Federkam
mer 14 bei bekannten Stromregelventilen im wesentlichen drucklos ist, kommt
es zu einer hohen Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Federkammer 14
und der Umgebung, d. h. dem Ablauf 16 beziehungsweise dem Tank 15.
Der Verschleiß, der hauptsächlich an der Innenwand der Ventilbohrung 2 und
der Kolbendichtkante der Kolbenfläche 6 zu beobachten ist, nimmt im Laufe
des Betriebs zu, was aufgrund der Druckdifferenz zu einer Zunahme des
Leckstroms aus der Federkammer 14 in Richtung zum Ablauf 16 führt. In der in
Fig. 1 dargestellten schematischen Ansicht besitzt der Ventilkolben 3 eine von
der Zuführung 7 ausgehende und sich in Richtung zur Federkammer 14 in
Längsrichtung des Ventilkolbens 3 erstreckende Bohrung 17, über die Hydrau
likfluid mit Betriebsdruck in eine Ringnut 18 eingeleitet werden kann. In der
Ringnut 18 bildet sich somit ein Druckniveau aus, welches von geringen
Leistungsverlusten abgesehen, dem Betriebsdruck entspricht. Die bei be
kannten Ventilen bestehende Druckdifferenz zwischen der Federkammer 14
und dem Ablauf 16 liegt bei dem erfindungsgemäßen Volumenstromregelventil
1 nicht mehr vor und der dem hydraulischen Verbraucher zugeführte Volumen
strom wird nicht durch einen Leckstrom aus der Federkammer 14 verringert.
Der Volumenstrom am Abregel punkt des Stromregelventils 1 wird nicht mehr
um den Leckstrom verringert, der Abregelpunkt daher nicht mehr verschoben.
Eine aufgrund der Verschiebung des Abregelpunktes des Stromregelventils 1
bedingte Veränderung der Arbeitscharakteristik des vom Volumenstrom
beaufschlagten hydraulischen Verbrauchers kann daher mit dem erfindungs
gemäßen Stromregelventil 1 dauerhaft vermieden werden.
Die Fig. 1a zeigt einen weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer
Druckmittelanlage mit einem Volumenstromregelventil 1. Im Vergleich zu dem
Ausführungsbeispiel der Fig. 1 ist ein Pilotventil 100 über die Verbindung
13b mit den Druckmittelverbindungen 13a und 13c verbunden, wobei die
Verbindung 13c mit der Kammer 14 verbunden ist.
Das Pilotventil 100 weist einen in einem Gehäuse 101 entgegen der Rückstell
kraft eines Kraftspeichers 102 axial verlagerbaren Schieber oder Kolben 103
auf. In einem Zustand bei geringen eingangsseitigen Drücken schließt der
Kolben 103 mit einer Dichtfläche den Eingang des Ventils 100 durch die von
dem Kraftspeicher 102 aufgebrachte Kraft ab. Diese Dichtfläche des Kolbens
ist vorzugsweise konisch ausgebildet. Sie kann aber in anderen Ausführungs
beispielen auch anders gestaltet sein. Eingangsseitig weist das Ventil 100 eine
Drossel oder Blende 104 auf, welche bei Durchströmung den Druck reduziert.
Steigt der eingangsseitige Druck am Ventil 100 multipliziert mit der wirksamen
Fläche über einen vorgebbaren Wert an, welcher durch die Kraft der Feder
102 gegeben ist, so verschiebt sich der Kolben 103 axial und gibt die Öffnung
des Ventils 100 zumindest teilweise frei. Dadurch fließt ein Volumenstrom
durch das Ventil von Leitung 13 über die Leitungen 13a und 13b zum Ablauf
115. Durch den Volumenstrom wird der Druck in den Bereichen 13a, 13b und
105 durch die Drosseln oder Blenden 11a, 104 reduziert. Dadurch senkt sich
der Druck auch in der Kammer 14 und der Kolben 3 des Ventils 1 verschiebt
sich axial und die Verbindung 7 nach 16 wird in Abhängigkeit der axialen
Stellung des Kolbens 3 geöffnet und die Abregelung des Flusses nach 8 wird
bestimmt. Die weitere Funktionsweise des Ventils 1 ist der Beschreibung der
Fig. 1 zu entnehmen.
Fig. 2A zeigt ein Stromregelventil 1 gemäß der Erfindung nach einer ersten
Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung mit einem Ventilkolben 3,
der in der Ventilbohrung 2 gegen die Kraft der Druckfeder 4 axial verschoben
werden kann. In der geschlossenen Stellung liegt keine Verbindung zwischen
der Zuführung 7 und dem Ablauf 16 vor. Über die von einem mit einer Ring
dichtung 19 versehenen Stopfen 20 verschlossene Bohrung 21 kann der
Ventilkolben 3 in die Ventilbohrung 2 eingesetzt werden.
Der Ventilkolben 3 wird an seiner ersten Kolbenfläche 5 von einem über die
Leitung 9 eingebrachten Hydraulikfluid, beispielsweise Hydrauliköl beauf
schlagt, um in der Zeichenebene in Richtung nach rechts gegen die Kraft der
Feder 4 axial verschoben zu werden, bis er die in Fig. 2B gezeigte offene
Stellung einnimmt. Nach der in dieser Figur nicht dargestellten Meßblende wird
über die Leitung 13 Hydrauliköl mit verringertem Druck in die Federkammer 14
eingebracht, so daß sich die an der zweiten Kolbenfläche 6 wirkende Kraft zu
der Federkraft addiert und im Gleichgewicht steht mit der von der Beaufschla
gung der Kolbenfläche 5 her stammenden Kraft.
Über die im Ventilkolben 3 im Winkel schräg verlaufende Bohrung 17 wird
Hydrauliköl aus der Zuführung 7 in die Ringnut 18 eingeleitet, so daß sich dort
ein Druckpolster bildet, welches einen Leckstrom aus der Federkammer 14 in
den Ablauf 16 verhindert. Im Bereich zwischen der Ringnut 18 und dem am
Außenbereich der Kolbenfläche 6 zwischen der Mantelaußenfläche des
Kolbens 3 und der Ventilbohrung 2 auftretenden Spaltraum stellt sich somit ein
Kräfte- oder Druckgleichgewicht zwischen dem Druck in der Ringnut 18 und
dem in der Federkammer 14 und damit im Spaltraum herrschenden Druck ein.
Es kann sich daher kein Leckstrom mehr einstellen.
Fig. 2B zeigt das Stromregelventil 1 nach Fig. 2A in der geöffneten Stellung, in
der ein über die Zuführung 7 eingebrachter überschüssiger Förderstrom über
den Ablauf 16 abgeleitet wird. In der geöffneten Stellung liegt der kegel
stumpfförmige Zentrieransatz 22 am Grund 23 der Federkammer 14 an.
Fig. 3 der Zeichnung zeigt ein Stromregelventil nach der Erfindung in einer
zweiten Ausführungsform, die sich von der vorstehend beschriebenen ersten
Ausführungsform darin unterscheidet, daß die Druckleitung 24 zum Aufbau des
Druckpolsters nicht mehr in der Form der in Fig. 2A dargestellten Bohrung 17
vorliegt, sondern im Gehäusekörper des Stromregelventils 1 oder der Ventil
bohrung 2 eine Nut 24 verläuft, die in Fig. 3 durch die mit einem Pfeil für die
Strömungsrichtung des Hydraulikfluids versehene gestrichelte Linie dargestellt
ist und eine Verbindung zwischen der Zuführung 7 und der Ringnut 25 in dem
an die Kolbenfläche 6 angrenzenden Raum bildet.
Die Funktion des Stromregelventils 1 nach der zweiten Ausführungsform
entspricht derjenigen der ersten Ausführungsform. Das in Fig. 3 dargestellte
Stromregelventil 1 läßt sich aber kostengünstiger herstellen, da es nicht
erforderlich ist, in dem Ventilkolben 3 die Bohrung 17 einzubringen.
Nachfolgend wird auf die in den Fig. 4A bis 6B dargestellten Kennlinien
Bezug genommen. Die in den jeweiligen Diagrammen dargestellten Kennlinien
sind bei Volumenstromregelventilen mit niedrigen beziehungsweise hohen
Betriebsdrücken p aufgenommen, wobei als Förderpumpe eine von einem
Verbrennungsmotor angetriebene Pumpe eingesetzt sein kann, die in Abhän
gigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen Motordrehzahl einen Förder
volumenstrom von etwa bis zu 100 l/min oder vorzugsweise bis etwa 60 l/min
bereitstellt.
Das Volumenstromregelventil kann in einem stufenlos einstellbaren Getriebe
(CVT) zur Ansteuerung einer hydraulischen Krafterzeugungseinheit eingesetzt
sein, wobei das CVT Getriebe einen Volumenstrom Q von zwischen etwa
5 l/min bis 30 l/min, vorzugsweise zwischen 12 l/min bis 15 l/min bei einem
Betriebsdruckniveau p von zwischen etwa 6 bar (6.105 Pa) bis 100 bar (107 Pa)
benötigt. Es bedeutet dies, daß der von der Förderpumpe geförderte über
schüssige Volumenstrom vom Volumenstromregelventil abgeregelt werden
muß.
Fig. 4A zeigt ein Diagramm mit dem Kennlinienverlauf des Volumenstrom Q
über der Motordrehzahl eines bekannten Volumenstromregelventils bei einem
niedrigen Betriebsdruck p. Das Volumenstromregelventil wird dabei von einem
vollständig geschlossenen in einen vollständig geöffneten Zustand und von
diesem wieder in den vollständig geschlossenen Zustand gefahren, woraus
sich der in den jeweiligen Diagrammen dargestellte Kurvenverlauf des Volu
menstroms Q mit einer Hysterese ergibt. Fig. 4A zeigt dabei einen Kurvenver
lauf, der mit einem noch neuen bekannten Volumenstromregelventil, d. h.
einem bekannten Volumenstromregelventil aufgenommen wurde, welches sich
noch nicht in Verwendung befunden hatte und deshalb noch keinen Verschleiß
aufweist. Der Kurvenverlauf zeigt ab einem charakteristischen Volumenstrom
QK den gewünschten Verlauf, d. h. einen Knickpunkt, ab dem das Volumen
stromregelventil dem hydraulischen Verbraucher einen weitgehend konstanten
Volumenstrom zuführt, d. h. das Volumenstromregelventil regelt ab.
Fig. 4B zeigt einen ähnlichen Kurvenverlauf des Volumenstroms Q über der
Motordrehzahl bei einem hohen Betriebsdruck p bei einem bekannten Volu
menstromregelventil, welches noch nicht im Dauerbetrieb gefahren wurde und
dessen Ventilbohrung daher noch nicht einem Verschleiß unterworfen war.
Auch hier regelt das Volumenstromregelventil den Volumenstrom ab einem
charakteristischen Volumenstrom QK wieder ab.
Wenn das bekannte Volumenstromregelventil einem längeren Dauereinsatz
ausgesetzt wird, führt dies zu einem betriebsbedingten Verschleiß, der an der
Ventilbohrung und der Kolbendichtkante festzustellen ist, d. h. also zu einem
erhöhten Spaltraum zwischen Ventilbohrung und Ventilkolben.
Fig. 5A zeigt den Kennlinienverlauf des verschlissenen bekannten Stromregel
ventils bei einem niedrigen Betriebsdruck, der in etwa dem in Fig. 4A darge
stellten Kennlinienverlauf ähnelt.
Wenn das verschlissene Stromregelventil, dessen Kennlinienverlauf bei
niedrigem Betriebsdruck in Fig. 5A dargestellt ist, aber mit einem hohen
Betriebsdruck beaufschlagt wird, stellt sich der in Fig. 5B dargestellte Verlauf
des Volumenstroms über der Motordrehzahl ein. Wie es ohne weiteres
ersichtlich ist, ist zwar auch hier noch ein Abregel punkt gegeben, der Abregel
punkt hat sich aber um einigen l/min, etwa 3 l/min, verschoben, d. h. dem
hydraulischen Verbraucher wird ein zu geringer Volumenstrom zugeführt,
seine Arbeitscharakteristik ändert sich, das Verhalten des hydraulischen
Systems ändert sich.
Die Verschiebung des Abregelpunktes wird von einem Leckstrom zwischen
dem in der Federkammer befindlichen unter hohen Betriebsdruck vorliegenden
Hydraulikfluid und dem Ablauf des Volumenstromregelventils aufgrund der dort
herrschenden hohen Druckdifferenz und des veschleißbedingten Spaltraumes
verursacht, wobei der Leckstrom im betrachteten Fall bei dem angesprochenen
Wert von etwa 3 l/min liegt.
Fig. 6A und 6B zeigen nun die Kennlinienverläufe des Volumenstroms über der
Motordrehzahl bei einem niedrigen beziehungsweise einem hohen Betriebs
druck, wenn ein mit einer Bohrung und einer Ringnut versehener Ventilkolben
3 des erfindungsgemäßen Stromregelventils 1 gemäß Fig. 2A in die schon
verschlissene Ventilbohrung eines bekannten Stromregelventils eingesetzt
wird. Der Ventilkolben 3 besteht aus einer Aluminiumlegierung und weist eine
Hartoxidbeschichtung auf.
Wie ohne weiteres ersichtlich ist, liegt selbst bei einer bereits verschlissenen
Ventilbohrung der Abregel punkt des erfindungsgemäßen Stromregelventils bei
niedrigem Betriebsdruck und bei hohen Betriebsdruck unverändert bei dem
charakteristischen Wert des Volumenstroms QK. Es bedeutet dies, daß durch
die Erzeugung des Druckniveaus in der Ringnut des Volumenstromregelventils
selbst bei einer bereits verschlissenen Ventilbohrung auch bei hohem Be
triebsdruck kein Leckstrom mehr festzustellen ist, das erfindungsgemäße
Stromregelventil also auch nach einem Dauereinsatz mit etwaiger verschlisse
ner Ventilbohrung seinen Abregel punkt nicht verändert. Der in Fig. 6A und 6B
ersichtliche insgesamt etwas höhere Volumenstrom ergab sich aufgrund einer
etwas anderen Federvorspannung bei der im Versuch verwendeten Anord
nung. Von wesentlicher Bedeutung ist aber, daß sich der Abregelpunkt des
erfindungsgemäßen Stromregelventils auch bei einer verschlissenen Ventil
bohrung bei hohem Betriebsdruckniveau nicht aufgrund von Leckage verändert
hat. Das erfindungsgemäße Stromregelventil kann daher über seine gesamte
Einsatzzeitdauer den als Eingangskenngröße für das hydraulische System
verwendeten Abregelpunkt beibehalten.
In der obigen Beschreibung wird deutlich, daß die erfinderische Ausgestaltung
einer Ventilanordnung Fehlverhalten des Systems aufgrund von Leckagen
vermindert oder unterbindet. Dieses Fehlverhalten, also beispielsweise eine
Verschiebung des Abregelpunktes der Ventilanordnung aufgrund von Druck
abhängigkeiten, kann auch durch andere Ursachen bedingt sein. Die erfinderi
sche Lösung behebt oder vermindert diese Probleme. Weiterhin kann durch
Temperaturänderungen des Hydraulikfluids, wie -öl, eine Veränderung des
Abregelpunktes bei Ventilen nach dem Stand der Technik erfolgen, da durch
die Temperaturänderung sich die Viskosität des Fluids ändert und dadurch die
Durchflußrate an Leckagestellen erhöht. Durch diese erhöhte Durchflußrate
wird an den Drosselstellen auch der Druckabbau vergrößert. Bei einer erfin
dungsgemäßen Ventilanordnung kann dieser Effekt ebenfalls vermindert
werden.
Hinsichtlich vorstehend im einzelnen nicht näher erläuterter Merkmale der
Erfindung wird im übrigen ausdrücklich auf die Ansprüche und Zeichnung
verwiesen.
Es ist ein Volumenstromregelventil vorgesehen mit einem in einer Ventilboh
rung gegen eine Feder geführt axial verschiebbaren Ventilkolben, einer mit der
Druckseite einer Förderpumpe verbundenen Zuführung, einem vom Ventilkol
ben freigebbaren Überstromablauf, einer vom Betriebsdruck beaufschlagten
ersten Ventilkolbenfläche und einer von einem an einer Meßblende reduzier
ten Betriebsdruck beaufschlagten zweiten Ventilkolbenfläche, wobei das
Volumenstromregelventil eine Einrichtung zur Verminderung oder Aufhebung
eines Leckstromes zwischen dem Überstromablauf und der die zweite Ventil
kolbenfläche aufnehmenden Federkammer besitzt.
Ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Steuerventils ist in Fig. 7 im Teilschnitt
dargestellt.
Das Steuerventil weist ein Gehäuse 110 mit einer abgestuften Längsbohrung auf,
in der ein Steuerschieber 112 beweglich ist.
Der Steuerschieber 112 weist eine Vorsteuerfläche 114 auf, die über eine
Vorsteuerdruckleitung 116 mit Vorsteuerdruck beaufschlagt ist. Weiter weist der
Steuerschieber 112 eine an einer Abstufung ausgebildete Ringfläche auf, die eine
gegensinnig zur Vorsteuerfläche 114 wirkende Steuerfläche 118 bildet, die über
eine an eine Steuerleitung 120 angeschlossene Verbindungsleitung 122 mit dem
in der Steuerleitung 120 vorhandenen Steuerdruck beaufschlagt ist.
Eine am Steuerschieber 112 ausgebildete Ringnut 124 verbindet die Steuerleitung
120 je nach Stellung des Steuerschiebers 112 mit einem Druckanschluß 126 oder
einem Rücklaufanschluß 128.
Die Funktion des an sich bekannten Steuerventils ist derart, daß sich in der
Steuerleitung 120 ein Steuerdruck derart einstellt, daß die vom Vorsteuerdruck auf
die Vorsteuerfläche 114 ausgeübte, gemäß der Figur nach rechts wirkende Kraft
genauso groß ist wie die vom Steuerdruck auf die Steuerfläche 118 aufgebrachte,
nach links wirkende Kraft. Entsprechend verhält sich der Steuerdruck zum
Vorsteuerdruck etwa wie die Größe der Vorsteuerfläche 114 zur Steuerfläche 118.
Im allgemeinen ist der Steuerdruck größer als der Vorsteuerdruck. Es sind jedoch
auch Einsatzfälle denkbar, bei denen der Steuerdruck kleiner ist als der
Vorsteuerdruck.
Um pulsierende Bewegungen des Steuerschiebers 112 infolge von
Druckschwankungen und dadurch ausgelöste hohe Druckfluktuationen in der
Steuerleitung 120 zu vermeiden, ist in der Vorsteuerdruckleitung 116 eine
Vorsteuerdrosselöffnung 130 vorgesehen. In der Verbindungsleitung 122 ist eine
Steuerdrosselöffnung 132 vorgesehen. Die Querschnitte dieser Drosselöffnungen
werden im Stand der Technik derart ausgelegt, daß je höher die Druckverstärkung
des Steuerventils ist, umso größer das Verhältnis des Durchmessers der Vor
steuerdrosselöffnung 130 zur Steuerdrosselöffnung 132 ist; insbesondere ist die
mit höherem Druck beaufschlagte Steuerdrosselöffnung 132 kleiner als die mit
kleinerem Druck beaufschlagte Vorsteuerdrosselöffnung 130.
In der Praxis führt dies bei einem typischen Steuerventil zu einem in Fig. 8
dargestellten Verhalten.
Es sei angenommen, daß die Vorsteuerfläche 1 cm2 beträgt und die Steuerfläche
0,38 cm2 beträgt, die geometrische Verstärkung bzw. Druckübersetzung also bei
etwa 2,6 liegt. Der Durchmesser der Steuerdrosselblende bzw. -öffnung beträgt
0,8 mm, der der Vorsteuerdrosselöffnung 130 1,3 mm.
Fig. 8 stellt auf der Waagrechten die Bestromung eines nicht dargestellten als
Elektromagnetventil ausgebildeten Vorsteuerventils dar, mit dem der
Vorsteuerdruck in der Vorsteuerdruckleitung 116 eingestellt wird. Der Maxi
malstrom beträgt 1 A. Bei diesem Strom wird der maximale Vorsteuerdruck erzielt.
Auf der Senkrechten ist der Druck in der Steuerleitung 120 dargestellt und als
Kupplungsdruck bezeichnet, da die Steuerleitung 120 beispielsweise an eine
automatisierte Kupplung angeschlossen ist.
Die Kurve a gibt die konstruktive Sollkurve an, gemäß der bei vollem bzw.
maximalen Vorsteuerdruck ein Steuerdruck von etwa 112 bar erzielt werden soll.
Die Kurve a entspricht der Kennlinie eines ausgeführten Steuerventils bei
Normaltemperatur und besonders toleranzfreier Ausführung, d. h. minimalen
Leckspalten zwischen Steuerschieber und Gehäuse. Die Kurve b gibt die
Steuerdruckkurve für das ausgeführte Steuerventil bei einer maximalen
Betriebstemperatur von 150°C und damit dünnflüssigem Hydraulikmittel an. Hier
bei sind Spiele zwischen dem Steuerschieber 112 und dem Gehäuse 110
berücksichtigt. Durch Herstellung des Schiebers 112 und des Gehäuses aus
Aluminium kann vermieden werden, daß sich die Spalte mit der Temperatur
wesentlich ändern. Wie ersichtlich, liegt der maximale Steuerdruck bei über 60
bar, was nicht nur zu Funktionseinbußen führt, sondern zur Zerstörung von mit
dem Steuerventil gesteuerten Komponenten, beispielsweise einem Getriebe,
führen kann.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der bereits beschriebenen Fig. 7 und der
Diagramme gemäß Fig. 9 erläutert, die denen der Fig. 8 entsprechen, sich jedoch
auf eine erfindungsgemäße Auslegung des Steuerventils beziehen.
Der Grund für den anhand Fig. 8 geschilderten, temperaturbedingten Anstieg des
Steuerdrucks ist folgender:
Aufgrund von Leckagen ergibt sich sowohl aus der Vorsteuerdruckleitung 116
durch das Steuerventil hindurch eine Leckströmung, so daß der auf der vom
Steuerventil abgewandten Seite der Vorsteuerdrosselöffnung 130 herrschende
Vorsteuerdruck infolge des Druckabfalls, den die Leckströmung beim
Durchströmen der Vorsteuerdrosselöffnung 130 erfährt, auf einen geringeren, an
der Vorsteuerfläche 114 wirksamen effektiven Vorsteuerdruck abfällt. Ähnlich
erfährt infolge der Leckströmung durch die Steuerdrosselöffnung 132 hindurch der
Steuerdruck in der Steuerdruckleitung 120 einen Druckabfall und ist als geringerer
effektiver Steuerdruck an der Steuerfläche 118 wirksam.
Bei der beschriebenen bekannten Grundauslegung ist der Druckverlust, der bei
hohen Temperaturen mit entsprechend hohen Spaltleckagen an der kleinen
Steuerdrosselöffnung 132 entsteht, deutlich größerer als der Druckverlust an der
unter geringerem Druck stehenden und größeren Vorsteuerdrosselöffnung 130.
Da der Steuerschieber 112 den Steuerdruck solange regelt, bis ein
Kräftegleichgewicht vorliegt, steigt der Steuerdruck auf ein höheres Niveau als der
konstruktiven Auslegung entsprechend.
Wenn die Steuerdrosselöffnung 132 größer gewählt wird als die Vorsteuer
drosselöffnung 130 (solange der Vorsteuerdruck kleiner ist als der Steuerdruck),
nimmt der Druck an der Steuerfläche 118 weniger stark ab, so daß sich die Druck
verluste an der Vorsteuerdrosselöffnung 130 und der Steuerdrosselöffnung 132
etwa kompensieren und das konstruktive, durch das Verhältnis der Größen der
Vorsteuerfläche 114 und der Steuerfläche 118 gegebene
Druckverstärkungsverhältnis zumindest annäherend erhalten bleibt. Wenn die
effektive Druckverstärkung mit zunehmenden Leckverlusten etwas zunimmt, so ist
das bezüglich des maximal erzielten Steuerdrucks unschädlich, da der maximale
effektive Vorsteuerdruck durch die Druckverluste an der Vorsteuerdrosselöffnung
130 sinkt.
Für eine quantitative Abschätzung gilt folgendes:
Konstruktiv soll gelten:
pST = pVST×V (I)
wobei
pST = Steuerdruck,
pVST = Vorsteuerdruck,
V = Vorsteuerfläche/Steuerfläche.
Tatsächlich gilt:
pST - ΔpST = V (pVST - ΔpVST) (II)
wobei
ΔpVST = Druckabfall an der Vorsteuerdrosselöffnung 130 und
ΔpST = Druckabfall an der Steuerdrosselöffnung 132.
Aus der Formel II folgt, daß der Steuerdruck bei gegebenen pVST zunimmt, wenn
ΔpST größer als V×ΔpVST.
Insgesamt ist es, wie aus dem Vorstehenden folgt, vorteilhaft, das
Durchmesserverhältnis K der Vorsteuerdrosselöffnung 130 zur
Steuerdrosselöffnung 132 abhängig vom Verhältnis V der Vorsteuerfläche 114 zur
Steuerfläche 118 und/oder von dem Verhältnis der Leckagevolumenströme durch
die Vorsteuerdrosselöffnung 130 und die Steuerdrosselöffnung 132 zu wählen.
Dabei ist K vorteilhafterweise größer 1, wenn V und QVST/QST größer 1 sind. Ein
genauere mathematische Analyse ergibt, daß es vorteilhaft ist, die
Dimensionierungen nach folgender Formel zu wählen:
K = V¼ (QVST/QST)½, wobei
K = Durchmesser Vorsteuerdrosselöffnung/Durchmesser
Steuerdrosselöffnung
V = Vorsteuerfläche/Steuerfläche
QVST = Leckagevolumenstrom durch die Vorsteuerdrosselöffnung
QST = Leckagevolumenstrom durch die Steuerdrosselöffnung.
Erfindungsgemäß wurden in den Zuleitungen zum Steuerventil gemäß der Fig. 7,
in denen der Durchmesser der Vorsteuerdrosselöffnung 130 ursprünglich 1,3 mm
und der Durchmesser der Steuerdrosselöffnung 132 0,8 mm betrug, derart
umgestaltet, daß erfindungsgemäß der Durchmesser der Vorsteuerdrosselöffnung
130 lediglich 1,2 mm beträgt, und der der Steuerdrosselöffnung 132 2,0 mm
beträgt, also deutlich größer ist als der der Vorsteuerdrosselöffnung 130.
Mit einem solchen Steuerventil werden die Kurven gemäß Fig. 9 erreicht, deren
Bezeichnung denen der Fig. 8 entspricht. Es zeigt sich, daß alle Kurven in einem
engen Toleranzband liegen, daß insbesondere die bei der sehr hohen Temperatur
von 150°C bestimmte Kurve b nicht mehr zu hohen Steuerdrucken ansteigt,
sondern den konstruktiv vorgesehenen maximalen Steuerdruck von 12 bar kaum
übersteigt.
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Kompensieren von temperaturbedingten
Steuerdruckänderungen eines mit Vorsteuerdruck angesteuerten Steuerventils,
enthaltend einen in einem Gehäuse 110 verschiebbaren Steuerschieber 112 mit
einer Vorsteuerfläche 114, die über eine Vorsteuerdruckleitung 116 mit Vorsteu
erdruck beaufschlagt ist, eine Steuerfläche 118, die in Gegenrichtung zur Vor
steuerfläche über eine an eine Steuerdruckleitung 120 angeschlossene Verbin
dungsleitung 122 mit Steuerdruck beaufschlagt ist, und eine Ausnehmung 124,
die die Steuerleitung wahlweise mit einem Druckanschluß 126 oder einem
Rücklaufanschluß 128 verbindet, so daß sich der Steuerdruck zum Vorsteuer
druck etwa verhält wie die Vorsteuerfläche zur Steuerfläche, wobei in der Vor
steuerdruckleitung eine Vorsteuerdrosselöffnung 130 und in der Verbindungs
leitung eine Steuerdrosselöffnung 132 angeordnet ist, ist dadurch ge
kennzeichnet, daß die Querschnitte der Drosselöffnungen 130, 132 derart
gewählt werden, daß sich die an ihnen infolge von Leckagen am Steuerschieber
112 entstehenden Druckverluste bezüglich ihrer Auswirkungen auf den Steuer
druck annähernd gegenseitig aufheben.
Die mit der Anmeldung eingereichten Patentansprüche sind Formulierungsvor
schläge ohne Präjudiz für die Erzielung weitergehenden Patentschutzes. Die
Anmelderin behält sich vor, noch weitere, bisher nur in der Beschreibung
und/oder Zeichnungen offenbarte Merkmale zu beanspruchen.
In Unteransprüchen verwendete Rückbeziehungen weisen auf die weitere
Ausbildung des Gegenstandes des Hauptanspruches durch die Merkmale des
jeweiligen Unteranspruches hin; sie sind nicht als ein Verzicht auf die Erzielung
eines selbständigen, gegenständlichen Schutzes für die Merkmale der rück
bezogenen Unteransprüche zu verstehen.
Die Gegenstände dieser Unteransprüche bilden jedoch auch selbständige
Erfindungen, die eine von den Gegenständen der vorhergehenden Unter
ansprüche unabhängige Gestaltung aufweisen.
Die Erfindung ist auch nicht auf die Ausführungsbeispiele der Beschreibung
beschränkt. Vielmehr sind im Rahmen der Erfindung zahlreiche Abänderungen
und Modifikationen möglich, insbesondere solche Varianten, Elemente und Kom
binationen und/oder Materialien, die zum Beispiel durch Kombination oder
Abwandlung von einzelnen in Verbindung mit den in der allgemeinen Beschrei
bung und Ausführungsformen sowie den Ansprüchen beschriebenen und in den
Zeichnungen enthaltenen Merkmalen bzw. Elementen oder Verfahrensschritten
erfinderisch sind und durch kombinierbare Merkmale zu einem neuen Gegenstand
oder zu neuen Verfahrensschritten bzw. Verfahrensschrittfolgen führen, auch
soweit sie Herstell-, Prüf- und Arbeitsverfahren betreffen.