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Stetig arbeitendes Ventil Die Erfindung betrifft ein stetig arbeitendes
Ventil mit einem Ventilstellglied, auf das das zu steuernde Medium in einer Richtung
und eine Kraft in entgegengesetzter Richtung einwirkt.
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Druckbegrenzungsventile in Sitz- und Längskolbenausführung sind in
zahlreichen Ausführungen bekannt.
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Im Prinzip wird der zu regelnde Druck auf die Steuerfläche des Ventilstellgliedes
eines Druckregelventils geleitet und die so erzeugte Druckkraft (Istwert) mit einer
Vergleichskraft (Sollwert),z.B. Federkraft, Magnetkraft, Steuerdruckkraft, verglichen.
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Die Steuerfläche des Ventilstellgliedes steht in unmittelbarem Zusammenhang
mit dem zur Verfügung stehenden ölstrom und der erzeugten Regelkraft bzw. aufzubringenden
Sollwertkraft. Mit wachsendem ölstrom nehmen auch die Stellkräfte zu. Ein elektrisch
betätigtes Ventil ist i.a. durch die begrenzte Größe der elektrisch erzeugten Stellkraft
(z.B. Proportionalmagnet) im Durchfluß- und/oder Druckbereich begrenzt. Man verwendet
bei
größeren Leistungen daher vorgesteuerte Systeme, d.h. Druckbegrenzungsventile
mit kleinem Steuerölstrom (kleine Steuerfläche) und großen Druckbereichen. Mit diesen
sogenannten Vorsteuerventilen werden hydraulisch betätigte Druckbegrenzungsventile
mit großem Förderstrom hydraulisch angesteuert.
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Um ein Hochdruckbegrenzungsventil mit großem Förderstrom und kleinen
Stellkräften zu realisieren, wird die zur Erreichung großer Querschnitte erforderliche
große Kolbenfläche des Ventilstellgliedes größtenteils ( 90 ... 95 %) hydrostatisch
entlastet. Dies wiederum erzeugt bei großen Durchflußänderungen insbesondere bei
kleinen Durchflüssen nur geringe Stellwege.
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Die geschwindigkeitsabhängige Dämpfung derartiger Systeme ist aufgrund
der geringen Stellwege so klein, daß sie zur Systemstabilisierung des Druckregelkreises
i.a. nicht ausreicht, d.h.
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das System ist unstabil und schwingt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hochdruckbegrenzungsventil mit großem
Förderstrom und kleinen Stellkräften zu schaffen, das frei von Schwingungen ist.
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Die Erfindung nützt die über die Druckschwingung des Ventilstellgliedes
hervorgerufenen Strompulsationen im Ventilrücklauf und den dadurch erzeugten Staudruck.
Dieser wird auf den Stellkolben, z.B. den Stößel eines Proportionalmagneten, derart
zurückgeführt, daß beim öffenen des Ventilstellgliedes (Systemdruck fällt ab), d.h.
wachsendem Ölstrom im Rückstauraum des Ventils, die Kraft am Sollwertsteller (z.B.
Proportionalmagnet) vergrößert wird und damit der Systendruckabfall bzw. die öffnungsbewegung
des Ventilstellgliedes verhindert wird (Systemrückkopplung).
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Die Erfindung wird nachfolgend an zwei Beispielen eingehender beschrieben.
Es zeigen:
Fig. 1 ein über Proportionalmagnet betätigtes Hochdruckbegrenzungsventil
in Sitzkolbenausführung mit hydrostatischer Entlastung des Regelkolbens und mit
hydraulischer Gegenkopplung des Staudruckes.
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Fig. 2 ein Druckminderventil mit hydraulischer Gegenkoppelung des
Staudruckes in der Tankleitung.
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In einem Ventilgehäuse 1 befinden sich koaxial angeordnete Bohrungen
verschiedener Durchmesser, in deren engsten Bohrung der zylindrische Teil 2a eines
Ventilstellgliedes 2 verschieblich gelagert ist. An dem zylindrischen Teil 2a ist
ein spindelförmiges Teil 2b kleineren Durchmessers angeformt, das in ein konisches
Teil 2c übergeht. Das konische Teil 2c arbeitet als Verschlußglied mit einem Ventilsitz
24 zusammen und steuert den Durchfluß von einer Druckleitung 3 zu einer Leitung
4, die zu einem Tank führt. In Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz 24 ist die
Ventilkammer zu einem Stauraum 15 erweitert, von dem die Leitung 4 abgeht. Die dem
konischen Teil 2c abgewandte Seite des zylindrischen Teils 2a bildet eine Fläche
12, die vom Staudruck in dem Stauraum 15 über eine Leitung 19 beaufschlagt ist.
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Durch den Stauraum 15 hindurch erstreckt sich koaxial zum Ventilstellglied
2 ein Stößel 11, der an einer koaxialen, von einer Lagerung 8 getragenen Kolbenstange
5 eines Stellkolbens 6 befestigt ist. Der Stellkolben 6 bildet den Magnetkern eines
Elektromagneten und liegt in einem geschlossenen Zylinder 30 ein, der von einer
Spule 10 umgeben ist und durch den Stellkolben 6 in einen zum Ventilstellglied näher
liegenden Raum 16 und in einen entfernter liegenden Raum 17 unterteilt ist. Mit
dem Stauraum 15 ist der Raum 16 über eine gedrosselte Leitung 9 und der Raum 17
über eine ungedrosselte Leitung 21 verbunden, die axial durch den Stellkolben 6
und die Kolbenstange 5 hindurch führt.
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Die Führungsgröße wird durch den Anker bzw. Magnetkern des Proportionalmagneten
erzeugt und über den Stößel 11 auf das Ventilstellglied übertragen. Diese Kraft,
die über die Strombeaufschlagung des Magneten verändert werden kann, steht im Gleichgewicht
mit der über den Druck in der Leitung 3 erzeugten Druckkraft auf die Flächen 12
und 14 des Ventilstellgliedes 2. überwiegt die Druckkraft auf diese Flächen gegenüber
der durch den Magneten erzeugten Kraft, dann bewegt sich das Ventilstellglied 2
nach rechts und läßt Öl von der Druckleitung 3 zu der mit dem Tank verbundenen Leitung
4 überströmen.
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Die erreichbaren Regeldrücke des Druckbegrenzungsventils sind durch
die erzielbaren Stellkräfte über den Proportionalmagneten und die für den notwendigen
Durchflußstrom erforderliche Stellkolbenfläche 12 bzw. 13 bzw. 14 begrenzt. Eine
beliebige Erhöhung des Systemdruckes bei gleicher Magnetstellkraft läßt sich erreichen,
wenn man einen Teil der mit dem Systemdruck in Leitung 3 beaufschlagten Flächen
des Ventilstellgliedes 2 hydrostatisch entlastet. Dies wird wie nachfolgend geschildert
erreicht: Die Fläche 12 des Ventilstellgliedes wird durch eine Verbindungsbohrung
19 zwischen dem Druckraum 20 und der Tankleitung 4 entlastet.
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Es wirken auf das Ventilstellglied 2 nur noch Druckkräfte über die
Flächen 13 und 14, die sich bis auf die Differenzfläche 18 gegenseitig aufheben,
d.h. durch die genannten Maßnahmen ist die Druckwirkfläche des Ventilstellgliedes
bei vorgegebenem Kolbenquerschnitt 12 und damit vorgegebenen Durchflußströmen beliebig
reduzierbar. Dadurch kann auch der Druckregelbereich bei vorgegebenen Magnetstellkräften
ohne Durchflußeinbußen beliebig erhöht werden.
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Durch die Druckerhöhung des Reg;.31systems werden jedoch bei gegebenem
Förderstrom die Steliwege des Ventilstellgliedes kleiner. Dies bewirkt eine mit
wachsendem Systemdruck bzw.
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mit kleiner werdener Differenzkolbenf1äche 18 sich verringern de geschwindigkeitsabhängige
Dämpfung des Druckregelsystems.
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Ein derartiges Druckbegrenzungsventil ist daher ohne zusätzliche Maßnahmen
dynamisch nicht stabil.
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Um eine stabile Regelfunktion eines Ventils zu erreichen, muß a) entweder
eine geschwindigkeitsabhängige Systemdämpfung erreicht werden (dies ist bei den
vorliegenden kleinen Stellwegen praktisch nicht möglich), b) oder eine andere Systemdämpfung
bzw. Systemgegenkoppelung (dynamische Sollwertkorrektur) erreicht werden.
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Einen möglichen Lösungsweg zeigt Fig. 1.
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Hier wird die Stabilität des Regelkreises durch eine Rückführung des
Staudrucks im Stauraum 15 auf die Rückfläche 22 des Mã 'le~ ankers 6 bewirkt. Dies
erfordert a) ein Schließen oder Drosseln der Bohrung 9, damit der aynamisch sich
verändernde Druck im Stauraum 15 nicht auf die Fläche 23 des Ankers 6 wirken kann,
b) eine Leitungsverbindung 21 zum Raum 17, damit der Anker 6 an seiner rückwärtigen
Fläche 22 mit dem Druck im Stauraum 15 beaufschlagt werden kann.
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Die Wirkungsweise dieses Systems mit Druckrückkoppelung ist folgende.
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Beginnt das Ventilstellglied 2 sich zu bewegen, z.B. den Drosselquerschnitt
24 zu vergrößern, dann nimmt der Ö.ldurchfluß zu und der Staudruck im Raum 15 wächst
geringfügig. Während sich dieser
Druckanstieg über Bohrung 21 direkt
auf den Raum 17 und die Fläche 22 des Ankers 6 überträgt, kann sich diese Druckänderung
auf Fläche 23 nur stark verzögert auswirken, da diese Fläche nur eine stark gedrosselte
Verbindung über Lagerung 8 oder Leitung 9 zum Stauraum 15 hat. Es entsteht somit
eine dynamische Schließkraft auf das Ventilstellglied 2, wenn es den Drosselquerschnitt
24 vergrößern will (Rückkoppelung), und eine Öffnungskraft, wenn dieses den Drosselquerschnitt
24 verkleinern will. Der erreichte Effekt ist ähnlich einer geschwindigkeitsabhängigen
Dämpfung mit einem erhöhten Verstärkungsfaktor (wo100).
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Dieses Gegenkoppelungsprinzip kann auch bei Längskolbenventilen angewandt
werden. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsmöglichkeit hierzu am Beispiel eines Druckminderventils.
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Das Ventil hat die Aufgabe, den Arbeitsdruck in einer Steuerleitung
103 konstant zu halten. Ist er zu groß, so soll durch Bewegung des Ventilstellgliedes
102 nach rechts über einen sich öffnenden Drosselquerschnitt 124 Öl in die mit der
Tankleitung verbundene Leitung 104 abfließen.
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Ist der Druck in Leitung 103 zu klein, dann soll das Ventilstellglied
eine Bewegung nach rechts machen und eine Drosselöffnung 125 zur Hochdruckleitung
127 freigeben; es strömt Öl von 127 nach 103 und der Druck in Leitung 103 steigt
an.
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Die auf das Ventilstellglied 102 wirkende Vergleichskraft wird durch
Druckbeaufschlagung der Fläche 118 erreicht, deren Druckraum 113 über eine Bohrung
128 mit der Steuerleitung 103 verbunden ist.
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Auch hier kann zur Druckgegenkoppelung des Regelsystems der beim
Regelvorgang
erzeugte Staudruck im Raum 115 über Längsbohrung 121 und Raum 117 auf die rückseitige
Fläche 122 des Ankers 1C6 geleitet werden. Zusätzlich besteht hier die Möglichkeit
einei weiteren Rückkoppelung durch Beaufschlagung des Raumes 116 mit dem Rücklauf
staudruck eines vom Druckreduzierventil beaufschiagten Stellzylinders.
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Die Ausführung nach Figur 2 ermöglicht die Fertigung von direkt betätigten
Druckbegrenzungs- und Druckminderventilen mit Durchflußwerten, die bislang nur vorgesteuerten
Ventilen (mehrstufige Ventile) vorbehalten waren.