DE2511228A1

DE2511228A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE2511228A1
Application number: DE19752511228
Authority: DE
Inventors: Ted Zettergren
Original assignee: TEDECO AG
Current assignee: Nordhydraulic AB
Priority date: 1974-03-22
Filing date: 1975-03-14
Publication date: 1975-09-25
Also published as: JPS514469A; SE387415B; GB1497567A; SE7403902L

Description

Beschreibung zum Patentgesuch

der Firma TEDECO AG, Terassenweg IA, CH-63oo Zug / Schweiz

betreffend:

" Ventilanordnung "

Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit der ein stufenlos variabler Fluiddruck bewirkt werden soll. Die Erfindung ist primär anwendbar bei Ventilanordnungen für Flüssigkeiten, nämlich Ventile für ö!hydraulische Systeme, und aus diesem Grunde wird in der nachfolgenden Erläuterung ausschliesslich von diesem Anwendungsfall die Rede sein. Die Prinzipien der Erfindung sind jedoch auch anwendbar für gasförmige Fluide.

Ventilanodnungen der Bau "art, auf die sich die Erfindung bezieht, werden u.a. für hydraulische oder elektrohydraulische proportional Positionierung von hydraulischen Richtungssteuerventilen verwendet. Das zu positionierende Ventil kann beispielsweise ein Spulenventil sein, dessen Spule proportional der Auslenkung eines manuellen Betätigungsgliedes verschoben werden soll. In diesem Falle ist der Fluideinlaß der Ventilanordnung mit einer Pumpe oder einer anderen Druckquelie verbunden, während eine Betätigungsfluidauslaß verbunden ist mit einer Positioniereinrichtung in Form eines Hydraulikzylinders oder eines anderen Aktuators

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der mit der Spule gekoppelt ist, und ein Ablauffluidauslaß ist mit einem Tank oder eine Rücklaufleitung verbunden. Die Auslenkung des manuellen Betätigungsorgans wird in eine sntsprechende Einstellung des Drucks in den Beütigungsfluidauslaß durch ein stufenlos einstellbares Servodruckventil übersetzt. Das Servodruckventil kann ein Klappventil sein, ein Solenoidventil der Bauart, bei der eine Betätigungskraft proportional der Grosse des Eingangssignals erzeugt wird, oder irgendein anderes geeignetes Ventil

in einer bekannten Ventilanordnung der betreffenden Bauart wird ein volumetrisches Strömungssteuerglied in der Strömungsstrecke zwischen dem Fluideinlaß und dem Betätigungsfluidauslaß durch eine Drosselstelle gebildet. Während diese Drosselstelle manuell einstellbar ist, ist sie doch fest in dem Sinne, daß sie keinem äusseren Einfluß unterliegt, die automatisch die Strömung in Abhängigkeit von einem Eingangssignal ändert. Ventilanordnungen dieser Bauart arbeiten in vielen Anwendungsfällen gut, haben jedoch bestimmte Nachteile, die in anderen Anwendungsfällen zu Schwierigkeiten führen.

Ein solcher Nachteil, der offensichtlich wird in Verbindung mit der proportionalen Positionierung eines Richtungssteuerventils der oben angedeuteten Weise, besteht darin, daß die volumetrische Strömungsrate, die zur Verfügung steht für die Einspeisung in das Positionierorgan, abnimmt mit Abnahme des Druckabfalls über der Drosselstelle. Infolgedessen ist die Bewegung des Positionierorgans langsam, wenn der Druckabfall niedrig ist. Die volumetrische Strömungsrate durch die Drosselstelle hängt ausserdem ab von der Viskosität der Flüssigkeit, d.h. deren Temperatur, und damit die Positionierorganbeweggung nicht unzutrglich langsam ist, wenn die Viskosität hoch ist, müssen die Drosselstelle wie auch das Servodruckventil mit einer Grosse bemessen werden, bei der die höchste erwartete

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berücksichtigt ist.

Ein anderer Nachteil ergibt sich, wenn mehrere ähnliche Ventilanorlnungen der bekannten Konstruktion parallel von einer gemeinsamen Pumpe oder Druckquelle gespeist werden. In diesem Falle ist die volumetrische Strömungsrate/ die am gemeinsamen Einlaß aller Ventilanordnungen zur Verfügung steht, vorzugsweise in die Ventilanordnung oder die Ventilanordnungen gerichtet, mit der niedrigsten Druckeinstellung in diesem Augenblick. In der Praxis ist es deshalb kaum möglich, eine gleichzeitige und genaue proportionale Positionierung mehrerer Richtungssteuerventile sicherzustellen durch Verwendung parallel gespeister Ventilanordnungen .

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu beheben. Zu diesem Zweck ist gemäß der Erfindung vorgesehen, daß in der ersten Fluidstromungsstrecke ein Festströmungsventil angeordnet ist und in der zweiten Fluidströmungsstrecke ein Servodruckventil für die Aufrechterhaltung eines stufenlos variablen Druckes in dem Betätigungsfluidauslaß. Das die volumetrische Strömungsrate steuernde Glied ist also ein Festströmungsventil, d.h. ein Ventil der bekannten Bauart, bei der eine Strömung fester volumetrischer Rate sich einstellt unabhängig von Druckänderungen an Einlaß und Auslaß, so lange der Druckabfall über dem Ventil einen vorgegebenen relativ niedrigen Wert übersteigt.

In einer bevorzugten AUSFÜHRUNGSFORM umfasst das Servodruckventil eine Düse, deren Einlaß in koitibanter offener iömmunikation steht mit dem Betätigungsfluidauslaß, ein Ventilschließglied und einen elektromagnetischen Aktuator, der ein elektrisches Eingangssignal in eine proportionate Kraft übersetzt, die das Ventilschließglied in Richtung auf das Auslaßende der Düse drückt und damit veranlasst, daß der Druck auf der Einlaßseite

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der Düse einen Wert annimmt proportional dem Eingangssignal.

Ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung wird nachstehend unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert.

Figur 1 zeigt in Seitenansicht, teilweise im Schnitt,

eine Ventilbaugruppe mit zwei Ventilanordnungen gemäß der Erfindung in Verbindung mit einem doppelt wirkenden Positionierzylinder für ein hydraulisches Richtungssteuerventil,

Figur 2 zeigt einen Ausschnitt aus Figur 1 in grösserem

Maßstab, und

Figur 3 ist ein Blockdiagramm eines Hydraulikkreislaufs

mit der Ventilbaugruppe nach Figur 1, einem Prioritätsventil und einer Pumpe.

Die Ventilbaugruppe 11 umfasst zwei identische Ventilanordnungen 12, die hydraulisch parallel geschaltet sind und dazu dienen, die Verschiebung eines doppelt wirkenden Positionierzylinders 13 zu steuern, der mechanisch gekoppelt ist mit einer federzentrierten Ventilspule 14 eines proportional wirkenden Mehrwegeventils 15; die Zeichnung zeigt nur einen Ausschnitt des Mehrwegeventils, bei dem es sich um eine konventionelle Bauart handel kann.

Die beiden Ventilanordnungen 12 besitzen ein gemeinsames Ventilgehäuse 16 mit einem gemeinsamen Einlaß 17, der an eine Pumpe oder eine andereHydraulxkdruckquelle über einen Querdurchlaß 17A angeschlossen ist, sowie mit einem gemeinsamen Auslaß 18, der an einen Tank oder einen Niederdruckbehälter über einen Querdurchlaß 18B angeschlossen ist. Die Hydraulikflüssigkeit, die durch den Auslaß 18 strömt, wird nachfolgend als Ablaufflüssigkeit

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bezeichnet. Darüberhinaus ist das Ventilgehäuse mit zwei zusätzlichen- Auslassen 19 versehen, die nachfolgend als Betätigungsflüssigkeitsauslässe bezeichnet werden, zugeordnet jeweils einer der Venti!anordnungen 12 und in offener Verbindung rat jeweils einem der aneinander gegenüberliegenden Zylinderräume des Positionierzylinders 13. Demgemäß bildet das Gehäuse 16 eine Strömungsstrecke zwischen dem Einlaß 17 und jedem der Betätigungsflüssigkeitsauslässe 19 sowie einen weiteren Strömungspfad zwischen jedem der Betätigungsflüssigkeitsauslässe und dem Ablaufflüssigkeitsauslaß 19 aus.

In dem Strömungspfad zwischen dem Einlaß 17 und seinem Betätigungsf lüssigkeitsauslaß 19 weist jede Ventilanordnung 12 ein volumetrisch v/irkendes Strömungsraclsteuerglied in Form eines sog. Festströmungsventil 2o auf ( häufig auch als druckkompensiertes Strömungssteuerventil bezeichnet ), d.h. ein Ventil, das immer eine Strömung einer festen volumetrischen Strömungsrate passieren lässt, unabhängig von Druckänderungen an Einlaß und Auslaß, solange der Druckabfall über ihm oberhalb eines gegebenen relativ niedrigen Wertes liegt. Ventile dieser Bauart sind bekannt. Das Festströmungsventil 2o umfasst einen rohrförmigen Ventilkörper 21, der in dem Ventilgehäuse 16 verschieblich ist und dauernd an einen Anschlag im Ventilgehäuse mittels einer Druckfeder 22 gedrückt wird, deren Kraft einstellbar ist durch Verdehen eines Schraubgewindestopfens 23.

Ein Endabschnitt 24 des Ventilkörpers 21 steht dauernd unter dem Druck der Flüssigkeit im Einlaß 17 und bildet eine Platte mit kalibriertem Loch,d.h. ein Widerstandsglied, das aus praktischen Gründen als gegenüber Viskositätsänderungen unempfindlich betrachtet werden kann, mit einer Zentralöffnung 25,durch die die Flüssigkeit den Hohlraum 26 des Ventilkörpers erreichen kann. Dieser Hohlraum kommuniziert mit dem Betätigungsflüssigkeitsauslaß 19 über eine Anzahl von in ümfangsrichtung im Abstand liegenden

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Durchbrüchen 27 in der Seitenwandung des Ventilkörpers 21. Die Durchbrüche 27 wirken zusammen mit einer Kante des Betätigungsflüssigkeitsauslasses 19 derart, daß der Querschnitt der offenen Strömungsstrecke zwischen dem Hohlraum 26 und dem Auslaß 19 veringert wird gemäß der augenblicklichen Position des Ventilkörpers.

Wenn der Ventilkörper sich in der dargestellten Position befindet, ergibt sich beinahe keine Beeinträchtigung der Flüssigkeitsströmung aus Einlaß 17 zum Auslaß 19; wenn jedoch der Druckabfall über der Lochplatte 24 einen gegebenen relativ niedrigen Wert überschreitet, der durch Einstellung der Feder 22 vorgegeben wird, verschiebt sich der Ventilkörper gegen die Kraft der Feder derart, daß die Strömung zum Auslaß 19 verringert wird und ein Gegendruck sich entwickelt mit der Tendenz, den Ventilkör per zurückzuführen. Die Verschiebung des Verülkörpers gegen die Feder wird begrenzt durch den Stopfen 23 derart, daß Strömungspfad zwischen Einlaß 17 und Auslaß 18 bzw. 19 niemals vollständig verschlossen werden kann.

Der Betätigungsflüssigkeitsauslaß 19 bildet zugleich einen Einlaß eines elektrohydraulischen Druckeinstell-oder Servodruckventils 3ü, dessen grundsätzlicher Aufbau bekannt ist; Ventile dieser Bauart sind in US-PS 3 791 4o8 und GB-PS 1 388 587 beschrieben. Dieses Ventil ermöglicht, daß der Druck im Auslaß 19 einen Wert annimmt, der abhängt von ehern elektrischen Steuersignal, das mittels eines Kabels 31 angelegt wird. Das Ventil 3o umfasst eine rohrförmige Düse 32 in dem Gehäuse. Das Einlaßende dieser Düse ist in ofener Kommunikation mit dem Auslaß 19 und bildet an ihrem AUSlaßende einen Ventilsitz, der zusammen wirkt mit einem Ende einer Schubstange 33, die axial beweglich ist in Richtung auf die Düse hin und von dieser weg. Eine Kammer 34 in dem Gehäuse 16 rings um das Auslaßende der Düse steht in offener Kommunikation mit dem Auslaß 18.

Die Schubstange 33 ist starr befestigt an einem Solenoidanker, der bei Einspeisung eines Gleichstromsteuersignals über Kabel

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eier Kraft in Richtung auf die Düse 32 unterworfen wird, proportional der Stromhöhe des Steuersignals. Demgemäß wird die Schubstange 33 in Richtung auf das Auslaßende der Düse durch eine Kraft gedrückt, die proportional der Grösse des Steuersignals ist, umd demgemäß die Tendenz hat, die Flüssigkeitsströmung durch die Düse zu begrenzen. Der demgemäß über der Düse sich entwickelnde Druck hat die Tendenz die Schubstange zurückzuführen und demgemäß diese Begrenzung zu verringern.Ein Druck, der unabhängig ist von der volumetrisehen Strömungsrate durch die Düse und proportional dem Steuersignal - bei korrekter Auslegung linear proportional - wird im Ergebnis in der Düse entwickelt und somit auch in dem Betätigungsflüssigkeitsauslaß 19 und dem zugeordneten Zylinderraum des Positionierzylinders .

Wenn es erwünscht ist, die Ventilspindel 14 des Mehrwegeventils 15 in einer Rchtung z.B. nach rechts in der Zeichnung zu verschieben, wird das solenoide zugeordnete Servodruckventil 3o, im Beispiel das linke Ventil 3o, mit einem Steuersignal versorgt, und ein Druck entsprechend diesem Signal (mindestens geringfügig unter dem Druck im Einlaß 17) entwicklet sich dann allmählich in dem Betätigungsflüssigkeitsauslaß und in dem linken Zylinderraum des Positionierzylinders 13, dessen Kolben 35 zunächst in zentrierter Position gehalten wird durch die Spindelzentrierfeder 36 des Mehrwegeventils. Die Betätigungsflüssigkeit folgt aus dem Auslaß 19, verschiebt den Kolben 35 nach rechts bis der Flüssigkeitsdruck, der auf die linke Seite des Kolbens einwirkt, ausgeglichen wird durch die Zentrierfeder 36, d.h. bis der Druck im Positionierzylihder den Wet erreicht hat entsprechend dem Steuersignal. Das rechte Servodruckventil 3o ist stromlos, so daß die gesamte Flüssigkeit, die durch das rechte Festströmungsventil 2o fliesst, als Ablaufflüssigkeit zum Auslaß strömt, ohne durch eine Begrenzung beeinträchtigt zu werden. Infolgedessen wird in dem rechten Zylinderraum des Positionier-

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Zylinders kein Gegendruck aufgebaut.

Da die volumetrische Strömungsrate, bestimmt durch die Einstellung des Festströmungsventils 2o, jederzeit an den Betätigungsflüssigkeitsauslaß 19 dort zur Verfügung steht, d.h. selbst dann, wenn der Druck dort den von dem Steuersignal vorgegebenen Wert erreicht, wird der Kolben 35 des Positionierzylinders mit praktisch konstanter Geschwindigkeit verschoben bis zur gewünschten Position der Ventilspindel 14.

Aus Vorstehendem ergibt sich auch, daß mehrere Ventilbaugruppen 11 parallel en eine gemeinsame Flüssigkeitsdruckguelle angeschlossen werden können, sowie an eine gemeinsame Rücklaufleitung oder einen gemeinsamen Tank, und gleichzeitig betrieben werden können ohne einander zu stören, unter der Voraussetzung, daß die volumetrische Strömungsrate, die am gemeinsamen Einlaß zur Verfügung steht, hinreicht, um den Bedarf in jedem Augenblick zu decken.

In einer Ventilanordnung der eingangs erörterten bekannten Bauart muß der Druck am Einlaß immer auf einem Pegel gehalten werden entsprechend dem erforderlichen Maximaldruck in dem Betätigungsflüssigkeitsauslaß. Wenn der Druck in diesem AUSLAß niedrig ist, ergibt sich ein erheblicher Leistungsabfall, da die gesamte Strömung durch die Ventilanodnung einem grossen Druckabfall über der Begrenzung unterworfen wird. Ein solcher Druckabfall kann weitgehend vermieden werden durch Verwendung der Ventilanordnung gemäß der Erfindung in Kombination mit einem sog. Prioritätsventil, d.h. einem Ventil, das vorzugsweise Flüssigkeit zu einem primären oder prioritätsbegünstigten Auslaß fördert und die Zufuhr der Flüssigkeit zu einem sekundären Auslaß erst dann beginnt, wenn die volumetrische Strömungsrate durch den prioritätsbegünstigten Auslaß einen voreingestellten oder augenblicklich erwünschten Wert erreicht. Ventile dieser Bauart sind bekannt.

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Figur 3 zeigt diagrammartig die Ventilanordnung 11 nach Figur 1 in Kombination mit einem einstellbaren Prioritätsventil 4o. Der Einlaß dieses Ventils wird von einer Pumpe 41 gespeist und sein Prioritätsauslaß 42 ist verbunden mit dem Einlaß 17 der Ventilbaugruppe. Ein sekundärer Auslaß 43 kann an einen sekundären,nicht dargestellten Kreislauf angeschlossen werden.

Wenn beide Servodruckventile 3o so eingestellt sind, daß sie den niedrigsten, möglichen Druck haben, d.h. wenn keines von ihnen mit Strom beaufschlagt ist, braucht der Pumpendruck nur hoch genug zu sein, um den Strömungswiderstand des Prioritätsventils 4o und der beiden parallelen Ventilanordnungen 12 zu überwinden. Nur dann, wenn eines der Servodruckventile so eingestellt ist, daß ein erhöhter Druck verlangt wird, muß der Druck am Einlaß des Prioritätsventils entsprechend erhöht werden. Der Leistungsabfall in dem System ist demgemäß niemals grosser als die Leistung, die erforderlich ist, um eire Strömung der kombinierten volumetrischen Durchflussrate zu fördern, bestimmt durch die Festströmungsventile 2o, durch das Prioritätsventil 4o und die beiden Ventilanordnungen, wenn die Servodruckventile 3o auf den Minimaldruck eingestellt sind.

Vorteilhafterweise ist die Einstellung des Prioritätsventils 4o so gewählt, daß die maximale volumetrische Strömungsrate der Strömung durch den Primärauslaß etwas unterhalb, z.B. bis lo%, der maximalen, kombinierten, volumetrischen Strömungsrate durch die Festströmungsventile 2o liegt. Falls beispielsweise jedes der Festströmungsventile 2o eingestellt ist, um einen Liter/pro Minute durchlaufen zu lassen, kann das Prioritätsventil so eingestellt sein, daß 1.8 Liter/pro Minute abgegeben werden. Wenn eines der Servodruckventile 3o eingestellt wiafd, um einen hohen Druck zu schaffen, erhält es nur o.8 Liter/pro Minute und es wäre natürlich wünschenswert, daß das Prioritätsventil 2 Liter/ pro Minute abgäbe. Demgemäß sollte das Prioritätsventil so ein-

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gestellt werden, daß es eine maximale volumterische Strömungsrate liefert, die so nahe wie möglich an dem kombinierten, volumetrischen Strömungsraten liegt, die durch die Festströmungsventile fliessen können; sollte jedoch niemals diese kombinierte, volumetrische Strömungsrate übersteigen, falls nicht ein Druckabbauventil vorgesehen ist zwischen dem Prioritätsventil und dem Einlaß der Festströmungsventile, um unzulässigen Druckanstieg zu verhindern.

Während ein Servodruckventil der Bauart, dargestellt durch das Ventil 3o, bestimmte Vorteile bietet, können andere Servodruckventile, z.B. Klappenventile, verwendet werden.

( Patentansprüche )

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Claims

Patentansprüche

Fluidventilanordnnng mit einem Fluideinlaß, einem Betätigungsfluidauslaß und einem Ablauffluidauslaß, wobei eiie erste Fluidströmungsstrecke zwischen dem Fluideinlaß und dem Betätigungsfluidauslaß und eine zweite Fluidströmungsstrecke zwischen dem Betätigungfluidauslaß und dem Ablauffluidauslaß bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß in der ersten Fluidströmungsstrecke ein Festströmungsventil angeordnet ist und in der zweiten Fluidströmungsstrecke ein Servodruckventil für die Aufrechterhaltung eines stufenlos variablen Druckes in dem Betätigungsfluidauslaß.
2. Fluidventilanodnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Servodruckventil eine Düse (32) umfasst mit einem Einlaß, der in dauernder offener Kommunikation steht mit dem Betätigungsfluidauslaß (19), sowie mit einem Auslaß, der sich in den Ablauffluidauslaß (18) öffnet und einen Ventilsitz ausbildet,daß das Servodruckventil ferner ein in Richtung auf diesen Ventilsitz hin-und her-bewegliches Ventilglied (33) umfasst, sowie ein elektromagnetisches Ventilgliedbetätigungsorgan, das ansprechend ausgebildet ist auf ein elektrisches Eingangssignal zum Heranführen des Ventilgliedes an den Ventilsitz durch eine Kraft proportional der Grosse des elektrischen Eingangssignals.
3. Fluidventilanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch ein Prioritätsventil (4o), dessen Prioritätsströmungsauslaß an den Fluideinlaß angeschlossen ist.

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4. Fluidventxlanodnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet/ daß das Prioritätsventil so eingestellt ist, daß es eine Prioritätsströmung einer volumetrischen Strömungsrate bewirkt, geringfügig unterhalb der eingestellten volumetrischen Strömungsrate des Festströmungsventils.

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ORIGINAL INSPECTED