DE3011233C2 - - Google Patents

Description

Druckbegrenzungsventile werden in hydraulischen Schaltungen zur Begrenzung des maximal zulässigen Druckes verwendet. Es können sich jedoch in solchen hydraulischen Schaltungen bei der Verwendung üblicher Druckbegrenzungsventile unerwünscht hohe momentane Drücke oberhalb der eingestellten Druckgrenze entwickeln, d. h., es kommen Überschwingvorgänge während des Regelvorganges vor. Ein solcher Regelvorgang kommt beispielsweise dann vor, wenn eine absinkende Last plötzlich gebremst wird, wodurch ein momentaner Druckanstieg im System in der Größenordnung von 84 000 bis 210 000 Kp/cm² sec erzeugt wird. Solche wiederholten Überschwingvorgänge haben eine verkürzte Lebensdauer der betroffenen Systembauteile zur Folge.

Um Druckspitzen in hydraulischen Anlagen abzubauen, ist es bekannt (DE-OS 20 18 243), den Steuerraum des Hauptventils über eine Drossel mit einem Druckmittel­ speicher zu verbinden, der eine Rückholeinrichtung für ein Hilfsventil darstellt, welches bei auftretenden Druckspitzen in der Steuerleitung zwischen Vorsteuerventil und Hauptventil anspricht und diese Druckspritzen ableitet, um auf diese Weise den Druck im Steuerraum zu erniedrigen und dadurch die Ansprechgrenze des Hauptventils herabzusetzen. Bei dieser Anordnung muß das träge Hauptventil bereits angesprochen haben, bevor die Dämpfungsmaßnahme greift.

Es ist auch bereits bekannt (US-PS 30 83 727), das Hauptventilglied nach Art eines Stoßdämpfers in seinen Bewegungen zu verzögern und hierzu die Kombination von Druckmittelspeicher und Drosselventilen anzuwenden. Durch diese Maßnahme werden Überschwingvorgänge auf Kosten der Ansprechempfindlichkeit des Systems bekämpft.

Aus DE-GM 77 15 366 ist ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsmittel bekannt, das außer dem maximalen Druck auch die Druckanstiegsgeschwindigkeit begrenzen soll. Das Druckbegrenzungsventil weist in seinem Vorsteuerventil einen Aufstoßkolben auf, der als Differentialkolben ausgebildet ist, dessen große wirksame Fläche einer Kammer zugewandt ist, die über einen Kanal mit dem Systemdruck verbunden ist. Eine kleine wirksame Fläche des Differentialkolbens begrenzt zusammen mit dem Ventilglied des Vorsteuerventils einen Zwischendruckraum, der über Querbohrungen mit dem Druckraum des Hauptventils in Verbindung steht. Eine auf die große wirksame Fläche wirkende Feder hält den Differentialkolben mit seiner kleinen wirksamen Fläche anliegend am Ventilglied des Vorsteuerventils. Der mittlere Teil des Differentialkolbens begrenzt einen Raum, dessen darin befindliche Flüssigkeit bei einem plötzlichen Systemdruckanstieg komprimiert wird. Um das Maß dieser Komprimierung, die aufgrund des kleinen Raumes nur minimal sein kann, kann sich der Differentialkolben bewegen und das Ventilglied das Vorsteuerventils öffnen und so den Druckanstieg pro Zeiteinheit begrenzen.

Ein zusätzlicher Druckmittelspeicher, der eine wirksame Signalverzögerung ermöglicht, ist nicht vorgesehen, ebenso wenig eine Drossel, über die dieser Speicher mit der Systemdruckleitung in Verbindung steht.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil zu schaffen, welches auf die Druckanstiegsgeschwindigkeit im System in der Weise anspricht, daß der Ansprechdruck im Maße der Zunahme der Druckanstiegsgeschwindigkeit herabgesetzt wird.

Die Lösung der gestellten Aufgabe ergibt sich aus dem Hauptanspruch und wird durch die Maßnahmen der Unteransprüche weiter entwickelt und ausgestaltet.

Wenn die erste Wirkfläche beim Stand der Technik eine Größe F hat, so hat sie bei der Erfindung die Größe F+A1, der die zweite Wirkfläche A1 entgegenwirkt, so daß im stationären Fall F die effektive Wirkfläche des Vorsteuerventils bleibt.

Das neue, vorgesteuerte Druckbegrenzungsventil spricht bereits auf die Druckanstiegsgeschwindigkeit an, wenn diese einen bestimmten Wert übersteigt, unabhängig von dem momentanen Druck des Druckmittels. Eine erhöhte Druckanstiegsgeschwindigkeit läßt nämlich ein Überschießen des Druckes über das langzeitlich eingestellte Mittel erwarten, weswegen vor Erreichen des Ansprechdrucks das vorgesteuerte Druckbegrenzungsventil zu arbeiten beginnt und die Druckmittelleitung sich in die Rücklaufleitung drosselnd entspannen kann.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird anhand der Zeichnungen beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Druckbegrenzungsventils,

Fig. 2 einen Querschnitt durch ein Druckbegrenzungsventil,

Fig. 2a eine Einzelheit hieraus in variierter Ausführung,

Fig. 3 ein Druck-Zeit-Diagramm eines periodisch gedämpften Druckbegrenzungsventils und

Fig. 4 ein Druck-Zeit-Diagramm eines aperiodisch gedämpften Druckbegrenzungsventils gemäß der Erfindung.

Das Druckbegrenzungsventil gemäß Erfindung (Fig. 1) weist eine Druckleitung 10 auf, die mit Systemdruck verbunden ist und zu einem Hauptventil 14 sowie einem Vorsteuerventil 20 führt. Das Hauptventil 14 verschließt einen Rücklaufkanal 12, der zu einem Tank oder Behälter führt, und weist ein bewegliches Hauptventilglied 16 mit Kegelsitz oder Schieberkolben-Ausbildung auf. Das Hauptventilglied 16 weist eine rückwärtige, große Beaufschlagungsfläche auf, die dem Druck eines Steuerraums 35 und einer Feder 37 unterliegt und so die Druckleitung 10 nachgiebig gegenüber dem Rücklaufkanal 12 schließt, so lange nicht der Ansprechdruck erreicht ist. Zwischen der Druckleitung 10 und dem Steuerraum 35 befindet sich ein Drosselkanal 18, der in einen Verbindungskanal 38 zwischen dem Steuerraum 35 und dem Steuerventil 20 einmündet. Das Vorsteuerventil 20 steuert die Größe des über den Drosselkanal 18 fließenden Drosselstroms und damit den Druckabfall sowie den Öffnungszeitpunkt des Hauptventils 14.

Das Vorsteuerventil 20 weist eine Bohrung 22 auf, die in eine Federkammer 24, eine Abflußkammer 26, eine Drosselstromkammer 27 und in eine Druckkammer 28 unterteilt ist. Das Vorsteuerventil 20 enthält ein bewegliches Vorsteuerventil­ glied 32 und einen Hilfssteuerkolben 30, der mit einer Wirkfläche A₁ in die Federkammer 24 hineinreicht.

Das Vorsteuerventilglied 32 weist eine größere Wirkfläche A₂ auf, die unter Systemdruck steht, und erstreckt sich von der Abflußkammer 26 bis zur Druckkammer 28 und dient zur Bemessung des Drosselstromes. Hierzu sind am Vorsteuerventilglied 32 ein oder mehrere Bemessungsschlitze 36 angebracht, die in offener Verbindung mit der Drosselkammer 27 stehen. Diese ist über den Verbindungskanal 38 mit dem Drosselkanal 18 verbunden. Der Drosselstrom tritt durch die Schlitze 36 in die Abflußkammer 26 über und wird dabei in seiner Größe bestimmt. Der Drosselstrom fließt über eine Abfluß­ leitung 40 zum Tank ab.

Das Vorsteuerventil 20 weist eine Ventilfeder 42 auf, die an der kleineren Wirkfläche A₂ des Hilfssteuerkolbens 30 anliegt und das Vorsteuerventilglied 32 in Richtung auf die Druckkammer 28 drängt, wobei der Drosselstrom zwischen den Kammern 27 und 26 abgesperrt wird. Die Federkammer 24 ist über eine Dämpfungsleitung 48 mit einem Druckmittelspeicher 44 verbunden, der über eine Dämpfungsdrossel 46 mit Systemdruck versorgt wird.

Das Vorsteuerventilglied 32 mit seinem Hilfssteuerkolben 30 stellen einen Differenzdruckkolben dar, der in Verbindung mit der Dämpfungsdrossel 46 und dem Druckmittelspeicher 44 für eine Dämpfung des Druckanstiegs in der Schaltung sorgt. Der auf die Fläche A₂ einwirkende Druck hat das Bestreben, den Drosselstrom über den Bemessungsschlitz 36 zu öffnen, und der auf der kleineren Fläche A₁ einwirkende Druck wirkt dem entgegen und versucht, den Bemessungschlitz 36 zu schließen. Daraus ergeben sich Dämpfungswirkungen, wie nachstehend beschrieben.

Da die größere Fläche A₂ in direkter Verbindung mit dem Systemdruck steht, wird dort ein rascher Druckanstieg auf erhöhten Systemdruck sofort wirksam (unmittelbare Druckabtastung). Der an der kleineren Fläche A₁ wirksame Druck steigt langsamer an, da wegen der Kompressibilität von Hydrauliköl im Speicher 44 entweder einiges an Hydraulikflüssigkeit über die Dämpfungsdrossel 46 geflossen sein muß, bis der erhöhte Systemdruck erreicht ist, oder die Fläche A₁ um einen größeren Betrag verschoben sein muß, um die Hydraulikflüssigkeit im Druckmittelspeicher 44 auf den erhöhten Systemdruck zu bringen. Der Druckmittelanstieg an der Fläche A₁ wird durch die gewählten Größen der Dämpfungsdrossel 46 und dem Druck­ mittelspeicher 44 eingestellt. Wenn der Druckanstieg des Systemdrucks genügend groß ist, wird aufgrund des Differenzdruckes an den Flächen A₁ und A₂ eine Kraft erhalten, welche die Kraft der Feder 42 überwindet und das Vorsteuerventil 20 bei dem Bemessungsschlitz 36 öffnet. Dies führt zu einem Druckabfall in der Steuerkammer 35 des Hauptventils 14 und damit zu dessen Öffnung.

Wenn Hydraulikflüssigkeit über das Hauptventil abströmt, kann es zu einem raschen Druckabfall des Systemdrucks kommen, was zum gegenteiligen Effekt führt. Die Dämpfungsdrossel 46 verzögert das Abfließen von Druckmittel aus dem Druckmittelspeicher 44, so daß dessen Druck voll an der Fläche A₁ wirksam wird und höher als der augenblickliche Systemdruck ist. Das Vorsteuerventil 20 wird deshalb geschlossen, der Druck im Steuerraum 35 fällt nicht weiter ab. Es entwickeln sich Dämpfungswirkungen sowohl beim raschen Anstieg als auch beim raschen Abfall des Systemdrucks.

Der Ansprechdruck C_P des Vorsteuerventils 20 wird durch die Differenz der Flächen A1 und A2 sowie die Federkraft F_s der Ventilfeder 42 wie folgt bestimmt:

Wenn der Systemdruck oberhalb dieses Betrages ansteigt, ist die Differenzdruckkraft auf die Flächen A₁ und A₂ größer als die Federkraft 42, und das Vorsteuerventilglied 32 be­ wegt sich unter Zusammenpressung der Ventilfeder 42 in Öffnungsrichtung der Bemessungsschlitze 36. Der auf diese Weise bemessene Drosselstrom aus dem Steuerraum 35 des Hauptventils 14 führt zu einem Druckabfall an der Rückseite des Hauptventilgliedes 16, so daß dieses öffnet und es zu einem augenblicklichen Druckabfall des Systemdruckes kommt. Die Schaltung arbeitet als Regelkreis und hält den Systemdruck bei oder leicht oberhalb des Ansprechdruckes des Vorsteuerventils 20.

Die Ansprechgeschwindigkeit der Schaltung wird durch die Federsteifigkeit der Ventilfeder 42 und die Breite des Bemessungsschlitzes 36 bestimmt. Bei vernünftig raschem Ansprechen verhindert die Dämpfungsdrossel 46 in Verbindung mit dem Druckmittelspeicher 44 eine Instabilität des Systems, d. h. es wird so viel Dämpfung entwickelt, daß die Ansprechgeschwindigkeit gewissermaßen "überdämpft" wird, wodurch die maximale Anstiegsgeschwindigkeit des Systemdrucks begrenzt wird. Die Größe dieser Grenzen ist eine Funktion des Volumens des Druck­ mittelspeichers 44 und der Größe der Dämpfungsdrossel 46. Die maximale Anstiegsgeschwindigkeit kann auf einen gewünschten Wert stabilisiert werden, indem die beiden Bauteile eine geeignete Größe erhalten.

Fig. 2 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform der hydraulischen Schaltung, die in einem Gehäuse für ein Druckbegrenzungsventil untergebracht ist, wobei sich entsprechende Teile mit dem gleichen Bezugszeichen, jedoch mit dem Suffix a versehen sind.

Ein Gehäuse 11 mit einem Druckkanal 10a und einem Rücklaufkanal 12a sind über eine Hauptbohrung 13 miteinander verbunden, die sich als Teilbohrung 15 weiter nach rückwärts erstreckt und in einer Wand 17 endigt. Im Gehäuse 11 und in bestimmtem Abstand zur Bohrung 13 ist eine Steuerbohrung 22a untergebracht, die mit ihrem System­ druckende 28a in den Kanal 10a einmündet, einen erweiterten Mittelbereich 21 aufweist, welchen die Abflußkammer 26a bildet und sich schließlich in einem Bereich für die Federkammer 24a fortsetzt. Das Druckende 28a erstreckt sich quer zum Druckkanal 10a und steht mit der Teilbohrung 15 über einen Drosselflußkanal 38a in Verbindung. Der mittlere Teil 21 der Steuerbohrung 22a steht mit dem Rücklaufkanal 12a über den Abflußkanal 40a in Verbindung. Das Gehäuse umschließt auch einen Druckmittelspeicher 44a bestimmten Volumens, der über eine Drosselbohrung 46a mit dem Druckkanal 10a und über einen Verbindungskanal 48a mit der Federkammer 24a des Vorsteuerventils 20a in Verbindung steht.

Das Hauptventil 14a weist ein Hauptventilglied 16a auf, welches als Schieberkolben mit Kegelventilsitz 39 ausgebildet ist. An seinem Ende mit der größeren Fläche weist das Hauptventilglied 16a eine Sackbohrung 31 auf, die zur Aufnahme der Hauptventilfeder 37 und, zusammen mit der Teilbohrung 15, zur Bildung der Steuerkammer 35 dient. Das Hauptventilglied 16a wird demnach mit seiner kegelförmigen Ventilfläche gegen den Kegelsitz 39 gepreßt.

Das Vorsteuerventil 20a ist verschieblich in der Bohrung 22a gelagert und umfaßt einen zweistückigen Differenzdruckkolben mit einem Hilfssteuerkolben 30a kleineren Durchmessers zwischen der Abflußkammer 26a und der Federkammer 24a und dem Vorsteuerventilglied 32a zwischen der Abflußkammer 26a und dem Druckende 28a. Das Vorsteuerventilglied 32a weist ein Kegelstumpfteil 41 innerhalb der Abflußkammer 26a auf und stellt einen Anschlag für den Hilfs­ steuerkolbe 30a dar. Das Vorsteuerventilglied 32a weist eine Ringnut 43 auf, die einen rückwärtigen Kolbenbereich 45 von einem vorderen Kolbenbereich 47 trennt. Die Ringnut 43 nimmt die Drosselstromkammer 27a auf. Die Drosselstromkammer 27a steht mit dem Druckkanal 10a über die Drossel 18a in Verbindung, die als Winkelbohrung im Kolbenbereich 47 untergebracht ist, ferner besteht eine Verbindung zur Steuerkammer 35 über den Verbindungskanal 38a. Im Kolbenbereich 45 sind ein oder mehrere Bemessungsschlitze 36a vorgesehen. Die Federkammer 24a wird durch eine Einstellschraube 51 verschlossen, an welcher die Steuerventilfeder 42a anliegt. Die Feder 42a drängt das Vorsteuerventilglied 32a, speziell den Kegelstumpfteil 41, in Anlage an einen Ventilsitz 53 bei der Abflußkammer 26a. Durch drehen der Einstellschraube 51 kann der Öffnungsdruck des Vorsteuerventils 20a eingestellt werden.

In den Diagrammen nach Fig. 3 und 4 wird ein Vergleich des Druckanstiegs in einem periodisch gedämpften Druckbegrenzungsventil und einem aperiodisch gedämpften Druckbegrenzungsventil dargestellt. Die Ansprechdruck-Einstellung beider Ventile ist gleich. Bei einem typischen System eines konventionellen Druckbegrenzungsventils treten mehrere Schwingungen auf (Fig. 3), wenn der Druck über den Ansprechdruck des Ventils ansteigt, bevor sich das System erneut stabilisiert. Bei einem derartigen System wird der Ansprechdruck viel schneller erreicht als in dem aperiodisch gedämpften System. Die Regelschwingungen erreichen höhere Druckwerte als der Ansprechdruck. Der Druckanstieg kann zwischen 84 000 bis 210 000 Kp/cm² sec liegen und zu Erschütterungen im System führen, welche die Lebensdauer gewisser Systembauteile verkürzen.

Das Diagramm nach Fig. 4 zeigt, daß bei einer Schaltung gemäß Erfindung zwar der anfängliche Druckanstieg der gleiche ist, dann jedoch die Anstiegsgeschwindigkeit begrenzt wird und der Druckanstieg allmählicher erfolgt und relativ frei von Spitzenwerten ist, d. h., es existiert nur ein Druckanstiegsspitzenwert, der mit Abstand unter dem eingestellten Langzeitdruck des Systems liegt. Dieser mäßige Spitzenwert kommt kurz vor dem Öffnen des Hauptventils bei einem Druckanstieg von ungefähr 2800 bis 5600 Kp/cm² s vor.

In Fig. 2a ist eine Variante des Druckbegrenzungsventils dargestellt. Die zur Steuerkammer 35 führende Drossel 18a ist nicht im Ventilglied des Vorsteuer­ ventils untergebracht, sondern führt vom Druckkanal 10a als Drossel 55 unmittelbar in die Sackbohrung 31 und damit die Steuerkammer 35, welche wiederum über den Kanal 38a mit der Drosselstromkammer 27a in Verbindung steht. Für den Fachmann sind natürlich noch weitere Abänderungen der geschilderten Art möglich.

Claims (7)

1. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit folgenden Merkmalen:

• a) zwischen einer Systemdruckleitung (10, 10a) und
• b) einer Rücklaufleitung (12, 12a) ist
• c) ein Hauptventil (14, 14a) angeordnet, das
  • c1) ein bewegliches Hauptventilglied (16, 16a) und
  • c2) einen Steuerraum (35) aufweist, der
  • c3) über eine Drossel (18, 18a, 55) mit der Systemdruckleitung (10, 10a) verbunden ist;
• d) ein Vorsteuerventil (20, 20a) ist zwischen
  • d1) einer Verbindungsleitung (38, 38a) zum Steuerraum (35) und
  • d2) einer Rücklaufleitung (40, 40a) angeordnet und umfaßt
  • d3) ein bewegliches Vorsteuerventilglied (32, 32a) mit
  • d4) einer dem Systemdruck ausgesetzten ersten Wirkfläche, der in Öffnungsrichtung auf das Ventilglied wirkt, und
  • d5) eine Ventilfeder (42, 42a), die in Schließrichtung auf das Vorsteuerventilglied wirkt, und
    - als kennzeichnende Merkmale -
  • d6) einen in Schließrichtung wirksamen und mit dem Vorsteuerventilglied zusammenwirkenden Hilfssteuerkolben (30, 30a) mit einer zweiten Wirkfläche (A1);
  • d7) die erste Wirkfläche (A2) ist - gegenüber dem Fall der Druckbeaufschlagung der Kolbenrückseite mit Tankdruck - um daß Maß der zweiten Wirkfläche (A1) vergrößert, die zweite Wirkfläche (A1) ist hydraulisch mit
• e) einem Druckmittelspeicher (44, 44a) verbunden, der über
• f) eine Dämpfungseinrichtung (46, 46a) mit einer Systemdruckleitung (10, 10a) verbunden ist.

2. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventilglied (32, 32a) und der Hilfssteuerkolben (30, 30a) des Vorsteuerventils (20, 20a) baulich zur Bildung eines Differenzdruckkolbens miteinander vereinigt sind.

3. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventilglied (32, 32a) und der Hilfssteuerkolben (30, 30a) mit ihrer der jeweiligen Wirkfläche (A2, A1) abgewandten Seite in einem druckniedrigeren Raum (26, 26a) eintauchen.

4. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (20, 20a) im Stromlauf zum Steuerraum (35) des Hauptventils (14, 14a) eine Drosselstromkammer (27, 27a) beherbergt.

5. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach den Ansprüchen 3 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventilglied (32, 32a) ein oder mehrere Bemessungsschlitze (36, 36a) aufweist, welche in oder nahe der Ansprechstellung des Vorsteuerventils die Drosselstromkammer (27, 27a) mit dem druckniedrigeren Raum (26, 26a) verbinden.

6. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventilglied (32, 32a) die Drossel (18, 18a) beherbergt, welche im Stromlauf zum Steuerraum (35) des Hauptventils (14, 14a) angeordnet ist.

7. Vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß alle Bauteile des Ventils in einem Gehäuse (11) untergebracht sind, das einen Systemdruckkanal (10a) und parallel dazu einen Rücklaufkanal (12a) sowie senkrecht zu diesen eine erste Stufenbohrung (13, 15) zur Aufnahme des Hauptventils (14a), eine zweite Stufenbohrung (22a) zur Aufnahme des Vorsteuerventils (20a) und einen Hohlraum für den Druckmittelspeicher (44a) aufweist.