DE19930868B4

DE19930868B4 - Volumenstromregelventil

Info

Publication number: DE19930868B4
Application number: DE1999130868
Authority: DE
Inventors: Dr. Faust Hartmut; Dr. Ebinger Günter; Benjamin Kemmner; Urban Panther; Manfred Homm
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1998-07-07
Filing date: 1999-07-05
Publication date: 2014-02-13
Anticipated expiration: 2019-07-06
Also published as: FR2785401B1; FR2785401A1; JP2000081913A; US6170508B1; DE19930868A1

Abstract

Volumenstromregelventil (1) mit einem in einer Ventilbohrung (2) gegen eine Feder (4) geführt axial verschiebbaren Ventilkolben (3), einer mit der Druckseite einer Förderpumpe verbundenen Zuführung (7), einem vom Ventilkolben (3) freigebbaren Überstromablauf (16), einer vom Betriebsdruck beaufschlagten ersten Ventilkolbenfläche (5) und einer von einem an einer Meßblende (11) reduzierten Betriebsdruck beaufschlagten zweiten Ventilkolbenfläche (6), einer Einrichtung zur Verminderung oder Aufhebung eines Leckstromes zwischen dem Überstromablauf (16) und der die zweite Ventilkolbenfläche (6) aufnehmenden Federkammer (14), wobei die Einrichtung die Druckdifferenz zwischen dem reduzierten Betriebsdruck in der Federkammer (14) und dem Druck im Überstromablauf (16) vermindert oder aufhebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Druckleitung (17, 24) aufweist, über die in dem an die Federkammer (14) angrenzenden Raum zwischen der Federkammer und der Ventilkolbenmantelfläche ein im wesentlichen dem Betriebsdruck entsprechender Druck anliegt und daß die Druckleitung (17, 24) in einer an der Ventilkolbenmantelfläche oder der Ventilbohrungsinnenfläche ausgebildeten Ringnut (18, 25) mündet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Volumenstromregelventil nach dem Oberbegriff des Anspruches 1 und insbesondere ein Volumenstromregelventil für ein kontinuierlich verstellbares Getriebe (CVT).
Solche Regelventile sind beispielsweise aus den Offenlegungsschriften DE 33 15 537 A1 , DE 30 41 873 A1 oder EP 0 626 531 A2 bekannt.
Volumenstromregelventile, die im folgenden auch als Stromregelventile bezeichnet werden, kommen dann zum Einsatz, wenn der Flüssigkeitsstrom eines Arbeitsfluides zu einem Hydrozylinder oder einem anderen hydraulischen Verbraucher, beeinflußt werden soll, indem ein Teil des von einer Förderpumpe bereitgestellten Flüssigkeitsstromes dem hydraulischen Verbraucher 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 wesentlichen 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 verschiebbar 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 angesprochenen 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 Volumenstrom 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 Werkstoffpaarung 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 beseitigen, 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 verstärkten 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 Abregelpunkt beibehält. 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 8 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 verhindern läßt, daß der Abregelpunkt 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 Systemdruck 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, wobei das Volumenstromregelventil zudem eine Einrichtung besitzt, die die Druckdifferenz zwischen dem reduzierten Betriebsdruck in der Federkammer und dem Druck im Überstromablauf vermindert oder aufhebt und sich dadurch auszeichnet, dass die Einrichtung eine Druckleitung besitzt, über die in dem an die Federkammer angrenzenden Raum zwischen der Federkammer und der Ventilkolbenmantelfläche ein im wesentlichen dem Betriebsdruck entsprechender Druck anliegt und dass die Druckleitung in einer an der Ventilkolbenmantelfäche oder der Ventilbohrungsinnenfläche 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. 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 Volumenstromregelventiles wird dem Dichtbereich, das heißt der Stelle, an der das erhöhte Druckniveau 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.
Das durch die Erfindung geschaffene Volumenstromregelventil ist zur Verwendung 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 Abregelpunktes eines Volumenstromregelventiles, wobei ein Leckstrom zwischen der Federkammer und dem Überstromablauf des Ventiles durch die Bildung eines weitgehend dem Betriebsdruck entsprechenden Druckniveaus im Raum zwischen der Federkammer und dem Ablauf vermieden wird und sich dadurch auszeichnet, dass zur Bildung des Druckniveaus ein inkompressibles Fluid unter Betriebsdruck in eine Ringnut in dem Bereich zwischen der Federkammer und dem Ablauf gepumpt wird.
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.
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Diese zeigt in:
1 eine schematische Teilschnittdarstellung eines Volumenstromregelventiles nach der Erfindung;
1A eine schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung;
2A ein Stromregelventil in einer Schnittansicht nach einer ersten Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung und
2B in einer geöffneten Stellung;
3 ein Stromregelventil in einer Schnittansicht nach einer zweiten Ausführungsform in einer geschlossenen Stellung;
4A ein Diagramm mit einem Kennlinienverlauf zur Darstellung des Abregelpunktes eines bekannten Stromregelventils bei niedrigem Betriebsdruck und
4B bei einem hohen Betriebsdruck;
5A ein Diagramm ähnlich demjenigen nach 4A für ein bekanntes Stromregelventil bei niedrigem Betriebsdruck nach einem Dauerlauf und
5B bei einem hohen Betriebsdruck;
6A ein Diagramm mit einem Kennlinienverlauf bei niedrigem Betriebsdruck für ein Volumenstromregelventil nach der Erfindung, bei dem zur Demonstration ein Ventilkolben mit Bohrung und Ringnut in eine nach einem Dauerlauf bereits verschlissene Ventilbohrung eingesetzt worden ist; und
6B ein Diagramm ähnlich demjenigen nach 6A, aber bei hohem Betriebsdruck,
7 eine Ventilanordnung,
8 ein Diagramm und
9 ein Diagramm.
1 der Zeichnung zeigt in einer schematischen Darstellung den grundsätzlichen Aufbau eines Volumenstromregelventiles 1 nach einer Ausführungsformen 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 Zuführung 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 Systemdruck oder Betriebsdruck zugeführt.
Das unter Druck zugeführte Hydraulikfluid, wie -öl, durchströmt das Stromregelventil 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 beaufschlagt. 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 Abzweigungen 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 unterschiedlich 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 Volumenstrom 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 anwendungsspezifisch im hydraulischen System zu hohen Betriebsdrücken von beispielsweise 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 Kolbenfläche 6 Verschleißerscheinungen einstellen, die zu einer Zunahme der Spalthöhe an dieser Stelle führen.
Da der Bereich zwischen dem Ablauf 16 für den Tank 15 und der Federkammer 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 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 Hydraulikfluid 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 bekannten 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 Volumenstrom wird nicht durch einen Leckstrom aus der Federkammer 14 verringert. Der Volumenstrom am Abregelpunkt 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 erfindungsgemäßen Stromregelventil 1 dauerhaft vermieden werden.
Die 1a zeigt einen weitere erfindungsgemäße Ausgestaltung einer Druckmittelanlage mit einem Volumenstromregelventil 1. Im Vergleich zu dem Ausführungsbeispiel der 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 Rückstellkraft 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 Ausführungsbeispielen 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 1 zu entnehmen.
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 Ringdichtung 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 beaufschlagt, um in der Zeichenebene in Richtung nach rechts gegen die Kraft der Feder 4 axial verschoben zu werden, bis er die in 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 Beaufschlagung 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.
2B zeigt das Stromregelventil 1 nach 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 kegelstumpfförmige Zentrieransatz 22 am Grund 23 der Federkammer 14 an.
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 2A dargestellten Bohrung 17 vorliegt, sondern im Gehäusekörper des Stromregelventils 1 oder der Ventilbohrung 2 eine Nut 24 verläuft, die in 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 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 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 Abhängigkeit von der auf der Abszisse aufgetragenen Motordrehzahl einen Fördervolumenstrom 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 überschüssige Volumenstrom vom Volumenstromregelventil abgeregelt werden muß.
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 Volumenstroms Q mit einer Hysterese ergibt. 4A zeigt dabei einen Kurvenverlauf, 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 Veschleiß aufweist. Der Kurvenverlauf zeigt ab einem charakteristischen Volumenstrom Q_K den gewünschten Verlauf, d. h. einen Knickpunkt, ab dem das Volumenstromregelventil dem hydraulischen Verbraucher einen weitgehend konstanten Volumenstrom zuführt, d. h. das Volumenstromregelventil regelt ab.
4B zeigt einen ähnlichen Kurvenverlauf des Volumenstroms Q über der Motordrehzahl bei einem hohen Betriebsdruck p bei einem bekannten Volumenstromregelventil, 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 Q_K 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.
5A zeigt den Kennlinienverlauf des verschlissenen bekannten Stromregelventils bei einem niedrigen Betriebsdruck, der in etwa dem in 4A dargestellten Kennlinienverlauf ähnelt.
Wenn das verschlissene Stromregelventil, dessen Kennlinienverlauf bei niedrigem Betriebsdruck in 5A dargestellt ist, aber mit einem hohen Betriebsdruck beaufschlagt wird, stellt sich der in 5B dargestellte Verlauf des Volumenstroms über der Motordrehzahl ein. Wie es ohne weiteres ersichtlich ist, ist zwar auch hier noch ein Abregelpunkt gegeben, der Abregelpunkt 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.
6A und 6B zeigen nun die Kennlinienverläufe des Volumenstroms über der Motordrehzahl bei einem niedrigen beziehungsweise einem hohen Betriebsdruck, wenn ein mit einer Bohrung und einer Ringnut versehener Ventilkolben 3 des erfindungsgemäßen Stromregelventils 1 gemäß 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 Abregelpunkt des erfindungsgemäßen Stromregelventils bei niedrigem Betriebsdruck und bei hohen Betriebsdruck unverändert bei dem charakteristischen Wert des Volumenstroms Q_K. Es bedeutet dies, daß durch die Erzeugung des Druckniveaus in der Ringnut des Volumenstromregelventils selbst bei einer bereits verschlissenen Ventilbohrung auch bei hohem Betriebsdruck kein Leckstrom mehr festzustellen ist, das erfindungsgemäße Stromregelventil also auch nach einem Dauereinsatz mit etwaiger verschlissener Ventilbohrung seinen Abregelpunkt nicht verändert. Der in 6A und 6B ersichtliche insgesamt etwas höhere Volumenstrom ergab sich aufgrund einer etwas anderen Federvorspannung bei der im Versuch verwendeten Anordnung. Von wesentlicher Bedeutung ist aber, daß sich der Abregelpunkt des erfindungsgemäßen Stromregelventils auch bei einer verschlissenen Ventilbohrung 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 Druckabhängigkeiten, kann auch durch andere Ursachen bedingt sein. Die erfinderische 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 erfindungsgemäßen 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 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, wobei das Volumenstromregelventil eine Einrichtung zur Verminderung oder Aufhebung eines Leckstromes zwischen dem Überstromablauf und der die zweite Ventilkolbenfläche aufnehmenden Federkammer besitzt.
Ein Ausführungsbeispiel eines bekannten Steuerventils ist in 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 Vorsteuerdrosselöffnung 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 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.
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 Maximalstrom 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. Hierbei 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 7 und der Diagramme gemäß 9 erläutert, die denen der 8 entsprechen, sich jedoch auf eine erfindungsgemäße Auslegung des Steuerventils beziehen.
Der Grund für den anhand 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 Vorsteuerdrosselöffnung 130 (solange der Vorsteuerdruck kleiner ist als der Steuerdruck), nimmt der Druck an der Steuerfläche 118 weniger stark ab, so daß sich die Druckverluste 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: p_ST = p_VST × V, (I) wobei

p_ST: = Steuerdruck,
p_VST: = Vorsteuerdruck,
V: = Vorsteuerfläche/Steuerfläche.

p_ST – Δp_ST = V(p_VST – Δp_VST), (II)

Δp_VST: = Druckabfall an der Vorsteuerdrosselöffnung 130 und
Δp_ST: = Druckabfallan der Steuerdrosselöffnung 132.

Aus der Formel II folgt, daß der Steuerdruck bei gegebenen p_VST zunimmt, wenn Δp_ST größer als V × Δp_VST.
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 Q_VST/Q_ST größer 1 sind. Ein genauere mathematische Analyse ergibt, daß es vorteilhaft ist, die Dimensionierungen nach folgender Formel zu wählen: K = V^1/4·(Q_VST/Q_ST)^1/2, wobei

K: = Durchmesser Vorsteuerdrosselöffnung/Durchmesser Steuerdrosselöffnung
V: = Vorsteuerfläche/Steuerfläche
Q_VST: = Leckagevolumenstrom durch die Vorsteuerdrosselöffnung
Q_ST: = Leckagevolumenstrom durch die Steuerdrosselöffnung

Erfindungsgemäß wurden in den Zuleitungen zum Steuerventil gemäß der 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 9 erreicht, deren Bezeichnung denen der 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 Vorsteuerdruck beaufschlagt ist, eine Steuerfläche 118, die in Gegenrichtung zur Vorsteuerfläche über eine an eine Steuerdruckleitung 120 angeschlossene Verbindungsleitung 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 Vorsteuerdruck etwa verhält wie die Vorsteuerfläche zur Steuerfläche, wobei in der Vorsteuerdruckleitung eine Vorsteuerdrosselöffnung 130 und in der Verbindungsleitung eine Steuerdrosselöffnung 132 angeordnet ist, ist dadurch gekennzeichnet, 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 Steuerdruck annähernd gegenseitig aufheben.

Claims

Volumenstromregelventil (1) mit einem in einer Ventilbohrung (2) gegen eine Feder (4) geführt axial verschiebbaren Ventilkolben (3), einer mit der Druckseite einer Förderpumpe verbundenen Zuführung (7), einem vom Ventilkolben (3) freigebbaren Überstromablauf (16), einer vom Betriebsdruck beaufschlagten ersten Ventilkolbenfläche (5) und einer von einem an einer Meßblende (11) reduzierten Betriebsdruck beaufschlagten zweiten Ventilkolbenfläche (6), einer Einrichtung zur Verminderung oder Aufhebung eines Leckstromes zwischen dem Überstromablauf (16) und der die zweite Ventilkolbenfläche (6) aufnehmenden Federkammer (14), wobei die Einrichtung die Druckdifferenz zwischen dem reduzierten Betriebsdruck in der Federkammer (14) und dem Druck im Überstromablauf (16) vermindert oder aufhebt, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine Druckleitung (17, 24) aufweist, über die in dem an die Federkammer (14) angrenzenden Raum zwischen der Federkammer und der Ventilkolbenmantelfläche ein im wesentlichen dem Betriebsdruck entsprechender Druck anliegt und daß die Druckleitung (17, 24) in einer an der Ventilkolbenmantelfläche oder der Ventilbohrungsinnenfläche ausgebildeten Ringnut (18, 25) mündet.
Volumenstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung von einer im Ventilkolben (3) ausgebildeten Bohrung (17) gebildet ist.
Volumenstromregelventil (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrung (17) im Winkel zur Ventilkolbenlängsachse verläuft.
Volumenstromregelventil (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Druckleitung von einer an der Mantelinnenfläche der Ventilbohrung (2) angeordneten Nut (24) gebildet ist.
Volumenstromregelventil (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Nut (24) in Richtung der Längsachse der Ventilbohrung (2) erstreckt.
Volumenstromregelventil (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkolben (3) an der zweiten Kolbenfläche (6) eine Zentrierfläche (22) für die Feder (4) besitzt.
Verwendung eines Volumenstromregelventiles (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche zur Volumenstromregelung in einem kontinuierlich verstellbaren Getriebe.
Verfahren zur Vermeidung einer Veränderung des Abregelpunktes eines Volumenstromregelventiles (1), bei dem ein Leckstrom zwischen der Federkammer (14) und dem Überstromablauf (16) des Ventiles durch die Bildung eines weitgehend dem Betriebsdruck entsprechenden Druckniveaus im Raum zwischen der Federkammer (14) und dem Ablauf (16) vermieden wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Bildung des Druckniveaus ein inkompressibles Fluid unter Betriebsdruck in eine Ringnut (18, 25) in den Bereich zwischen der Federkammer (14) und dem Ablauf (16) gepumpt wird.