-
Beschreibung
-
Die Erfindung betrifft ein 2-Wege-Proportionaldrosselventil mit einem
Ventilgehäuse sowie einem Zulauf und einem Ablauf, mit einer Ansteuervorrichtung,
welche mit einer einem Eingangssignal proportionalen Kraft auf einen Steuerkolben
eines Vorsteuerventiis arbeitet und mit einem im Leistungskreis liegenden, mit dem
Steuerkolben fluchLenden Ventilkolben, der sich über eine erste Feder am Ventil(3ehtiuse
tind über eine zweite Feder am Steuerkolben abstützt.
-
Proportionaldrosselventile sind Bauelemente zur Volumenstromsteuerung
in hydraulischen Anlagen. Sie ermöglichen die stufenlose Veränderung eines Steuerquerschnitts,
dessen Größe durch ein veränderliches Eingangcsignal, das häufig ein elektrisches
Signal ist, vorgegeben wird. Der durch diesen Steuerquerschnitt fließende Volumenstrom
ist abhängig von der Druckdifferenz am Steuerquerschnitt und von der Größe des Steuerquerschnitts.
-
Entsprechend der konstruktiven Gestaltung werden direktwirkende und
vorgesteuerte Proportionaldrosselventile unterschieden. Direk Lw irkende Drosselventile
weisen einen druckausgeglichenen Kolben auf, dessen Steuerquerschnitt bei Fehlen
eines anderweitigen Eingangssignals durch eine Feder geschlossen ist. Im Arbeitsbereich
verschiebt ein Proportio nalmagnet den Kolben gegen die Feder und bewirkt hierdurch
eine Einstellung de Steuerquerschnitts des Kolbens. Da die Kraft des Mayneten proportional
dem elektrischen Strom ist, wird - von Hysterese und Ie.ibung abgesehen - jedem
Stromwert eine bestimmte Auslenkung des Kolbens gegen die Feder zugeordnet.
-
Dem Vorteil eines einfachen, robusten Aufbaus derartiger direktwirkender
Ventile steht als wichtigster Nachteil gegenüber, daß sie aufgrund der geringen
Stellkräfte der Proportionalmagneten nur für kleine und mittlere Volumenströme einsetzbar
sind. Bei großen Volumonströlncr dagegen übersteigen die Feder~ und Strömungskräfte
am Steuerkolben die Stellkraft des Magneten. Deshalb werden für rnittlere und große
Volumens
Lröme vorgesteuerte Drosselventile eingesetzt.
-
Ein bekanntes vorgesteuertes Proportionaldrosselventil (DE-OS 24 28
287) sieht einen Vorsteuerkolben vor, auf dessen beide Stirnflächen je ein Elektromagnet
einwirken kann, um eine einem Eingangssignal proportionale Kraft auf diesen Vorsteuerkolben
auszuüben. Die Vorsteuerung ist dabei so ausgebildet, daß an ihr der Druck des Zulaufs,
das heißt der Pumpenleitung, anliegt und bei der ge.ringsten- Auslenkung des Vorsteuerkoibens
aus seiner Neutralstellung auf eine von zwei Steuerieitungen gegeben wird. Diese
beiden Steuerleitungen stellen jeweils eine Verbindung mit einem Stirnende einer
Bohrung dar, in der ein Ventilkolben oder Kolbenschieber verschiebbar angeordnet
ist. Je nach Richtung der Auslenkung stellt dieser Kolbenschieber eine Verbindung
zwischen den Zulauf und einem von zwei Verbrauchern her, während gleichzeitig der
zweite Verbraucher mit einem Tank verbunden wird.
-
Der den Leistungszweig steuernde Ventilkolben ist parallel zu dem
Vorsteuerkolben angeordnet. Ein Federstab ist mit seinem einen Ende in den Ventilkolben
fest. eingesetzt und an seinem anderen Ende mit dem Vorsteuerkolben verbunden. Somit
wird die Auslenkung des Ventilkolbens über den Federstab auf den Vorsteuerkolben
zurückgeführt und ein Kraftabgleich zwischen diesen beiden Elementen herbeigeführt.
-
Nachteilig ist bei diesem bekannten Proportionalsteuerventil, daß
es aufgrund der Parallelanordnung von Vorsteuerkolben und Ventilkolben der Hauptstufe
ein relativ großes Bauvolumen erfordert. Darüberhinaus ist in Sperrstellung wegen
des Radialspiels zwischen Kolben und Gehäuse ein Leckölstrom über den Kolbenschieber
unvermeidlich.
-
Es ist Ferner ein elektrohydraulisches Durchsatzsteuerventil bekannt
(DE-OS 28 14 103), bei dem ein Steuerkolben einer Vorsteuerung in einer Buhrung
angeordnet ist, die mit einer weiteren Bohrung fluchtet, in der ein Kolbenschieber
vorgesehen ist. Auf das eine Ende des Steuerkolbens wirkt ein Proportionalmagnet
ein. Das andere Ende dieses Steuerkolbens stützE sich über eine Feder am Kolbenschieber
ab, der zudem durch eine weitere parallelgeschaltete Feder am Ventil gehäuse abgestützt
ist. Der im Zulauf anliegende Druck wird über eine Drosselstelle auf das dem Steuerkolben
gegenüberliegende Ende des Kolbenschiebers gegeben, wobei der auf den Kolbenschieber
wirkende Druck durch den Steuerkolben gesteuert wird, der die Stirnseite des Kolt>enschiebers
mit einem Tank verbinden kann.
-
Auch diese Anordnung erfordert ein relativ großes Bauvolumen. Zum
Funktionieren ist ständig, also auch bei geschlossenem Steuerquerschnitt, ein Leckölstrom
erforderlich. Im übrigen läßt sich durch deii Kolbenschieber im Leistungszweig eine
absolute Abdichtung nicht erzielen.
-
Es ist weiter bereits ein vorgesteuertes Proportionaldrosselventil
bekannt, das im Leistungszweig ein als Sitzventil ausgebildetes 2-Wcge-Einbauventil
verwendet. Der in axialer Richtung verschiebbare Vcrltilkolben ist durch den Versorgungsdruck
und den Steuerdruck, die jeweils auf eine Kolbenfläche wirken, eingespannt. Die
Sollstellung des Sitz ventilkolbens wird über einen Stellantrieb mit Kraftrückführung
vorgegeben, wobei der Stellantrieb aus einem 4-Kanten-Kolbenventil und cinem Proportionalmagneten
gebildet ist. Über einen Lageregelkreis mit hydraulischen Abgleich folgt das Einbauventil
dem Stellantrieb.
-
Dieses bekannte Drosselventil hat den Vorteil, daß seine Ansteuerung
für alle Nenngrößen von Einbauventilen einsetzbar ist. Dem steht aber al; nachteilig
die sehr aufwendige Konstruktion entgegen die neben einer Vielzahl von Bauteilen
hohe Anforderungen an die Maß- und Formgenauigkeit der Bauelemente stellt.
-
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht nun darin, ein Proportionaldrosselventil
der eingangs erwähnten Art zu schaffen, das die Nachteile der bisher bekannten einschlägigen
Ventile vermeidet und insbesondere einen einfachen und robusten Aufbau hat.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Ventilkolben
als Sitzventilkolben ausgebildet ist, dessen Steuerraum über ein Drosselstelle mit
dem Zulauf und über eine weitere vom Steuerkolben.
-
gesteuerte Drosselstelle mit dem Ablauf verbunden ist.
-
Ein so ausgebildetes Ventil eignet sich zur stufenlosen Steuerung
eines Strömungsquerschnitts und zeichnet sich durch gutes statisches und dynamisches
Verhalten aus. Es ist eine gute Linearität zwischen Eingangssignal und Voiumenstromsignal
sowie durch die Kraftrückführung zwischen Ventilkolben und Steuerkolben (Vorsteuer-.und
Hauptstufe) außerdem eine sehr geringe Hysterese der Volumenstromsignalfunktion
zu erzielen.
-
Hinzu kommt noch, daß der Einfluß von Temperaturänderungen des Hydrauliköls
weitgehend ausgeregelt wird. Das dynamische Verhalten des Ventils ist durch ein
schnelles Ansprechen auf Sollwert~ und Störgrößenänderungen gekennzeichnet.
-
Gemäß einem weiteren Vorschlag der Erfindung kann das Proportionaldrosseiventil
so ausgebildet sein, daß die zwischen dem Rückraum des Sitzventil kolbens und dem
Zulauf befindliche Drosselstelle im Sitzventilkolben angeordnet ist. - Dies führt
zu einem besonders einfachen und kompakten Aufbau.
-
Gemäß einem Vorschla-der Erfindung kann die Drosselstelle zwischen
Zulauf und Steuerraum einen konstanten Drosselquerschnitt haben. Dies ergibt einen
besonders einfachen Aufbau. Diese Drosselstelle kann aber auch durch eine Steuerkante
des Steuerkolbens gebildet sein. Ferner kann erfindungsgemäß zur Verbesserung des
statischen Verhaltens zwischein Steuerraum und Ablauf neben der vom Steuerkolben
gesteuerten Drosselstelle eine weitere Drosselstelle mit konstantem Drosselquerschnitt
angeordnet sein.
-
Weiter eieht die Erfindung vor, daß der Ventilkolben eine vom Druck
der Ablaufseite beaufschlagte Fläche aufweisen kann. Dies ermölicht, daß mit dem
Ventil ohne zusätzliche Bauelemente die Rückschlagfunktion realisiert werden kann.
-
Weiter schlägt die Erfindung vor, daß die vom Druck der Ablaufleite
beaufschlagte Fläche eine Kegelfläche ist.
-
Es entspricht einem weiteren Vorschlag der Erfindung, daß die Ansteuervorrichtung
einen Proportionalmagneten aufweist. Somit wird es möglich, das Ventil in einfacher
Weise in elektrische Regelkreise zu integrieren.
-
Weiter sieht die Erfindung vor, daß der Proportionalmagnet über eine
Justierfeder abgestützt werden kann. Auf diese Weise ist es ohne Schwierigkeiten
möglich, eine Nullpunkt-Einstellung für jedes einzelne Ventil vorzunehmen.
-
Schließlich schlägt die Erfindung noch vor, daß die Ansteuervorrichtung
einen auf ein Ende einer Feder wirkenden druckausgeglichenen Stößel aufweisen kann,
wobei das zweite Ende der Feder am Steuerkolben angreift.
-
Somit ist das Ventil auch für eine Nockensteuerung oder dergleichen,
für die Betätigung mit einem externen Steuerdruck oder für eine Einstellung von
Hand ohne weiteres einsetzbar.
-
Im folgenden Teil der Beschreibung werden einige Ausführungsformen
des erfindungsgemäßen Proportionaldrosselventils anhand von Zeichllungen beschrieben.
Es zeigt: Fig. 1 einen Axialschnitt durch eine erste Ausführungsforln des Ventils,
bei der die Ansteuervorrichtung als Proportionalmagnet augebil det ist, Fig. 2 einen
Axialschnitt durch eine zweite Ausffihrunysform des Ventils, Fig. 3 eine hubbetätigte
Ansteuervorrichtung für das Ventil,
Fiy. 4 eine von einem externen
Steuerdruck abhängige Ansteuervorrichtung und Fig. 5 eine mechanische AnsteuervorrÍchtung
mit Stellspindel.
-
Das erfindungsgemäße 2-Wege-Proportionaldrosselventil gemäß Fig. 1
hat ein Gehäuse 1 mit einem Zulauf 2 und einém Ablauf 3. Fluchtend zu dem Zulauf
2 weist das Gehäuse 1 eine Bohrung 4 auf. In einem erweiterten Abschnitt 5 dieser
Bohrung sitzt ein Sitzventilkolben 6, der mit einem Ventilsitz 7 des Gehäuses 1
einen Steuerquerschnitt ergibt.
-
Der Sitzventilkolben ist in seinem dem Zulauf 2 zu gewandten Bereich
kegelförmig ausgebildet. Er weist eine Bohrung 8 auf, die den Zulauf 2 über eine
im Sitzventilkolben 6 angeordnete Drosselstelle 9 mit dem Steuerraum 10 dieses Sitzventilkolbens
6 verbindet. Der Sitzventilkolben 6 hat eine weitere Kegelfläche 11, die auf der
dem Ablauf zugewandten Seite des Ventilsitzes 7 angeordnet ist und dernzufolge von
dem im Ablauf 3 vorliegenden Druck beaufschlagt wird.
-
Der Sitzventilkolben-6 ist in den Abschnitt 5 der Bohrung 4 eingepaßt
und darin axial verschieblich. Er weist auf seiner Rückseite eine zylindrische Ausnehmung
12 auf, in die die Bohrung 8 mündet.
-
An den erweiterten Abschnitt 5 der Bohrung 4 schließt sich ein Abschnitt
13 an, in dem ein Steuerkolben 14 eines Vorsteuerventils verschiebbar angeordnet
ist. An der dem Sitzventilkolben 6 zugewandten Stirnfläche 15 des Steuerkolbens
14 stützt sich eine Schraubenfeder 16 ab, deren anderes Ende in der Ausnehmung 12
am Sitzventilkolben 6 angreift. Eine zweite Schrauben feder 17 ist zwischen Sitzventilkolben
6 und einer Fläche 18 des Gehäuses 1 in der Bohrung 4 vorgesehen.-Somit ist also
der Sitzventilkolben 6 über die Federn 16 und 17 an dem Steuerkolben 14 sowie am
Gehäuse 1 abgestützt.
-
Der Steuerraum 10 ist über Leitungen 19 und 20 mit dem Ablauf 3 verbunden.
- Die Verbindung zwischen den Leitungen 19 und 20 wird durch eine Steuerkante 22
des Steuerkolbens 14 gesteuert, wodurch sich
eine Drosselstelle
ergibt. Ferner ist in der Leitung 19 eine Drosselstelle 21 vorgesehen.
-
Zur Druckentlastung des Steuerkolbens 14 ist ferner die von dem Sitzventilkolben
6 abgewandte Seite des Steuerkolbens 14 über eine Leitung 23 mit dem Steuerraum
10 verbunden.
-
Das Gehäuse 1 ist in dem gezeigten Ausführunysbeispiel bei 24 geteilt,
wobei die beiden Gehäuseteile durch nicht dargestellte Mittel dichtelld miteinander
verbunden sind.
-
AuF das Gehäuse 1 ist eine Ansteuervorrichtung 25 aufgesetzt, die
einen druckfesten Proportionalmagneten 26 aufnimmt. Ein Stößel 27 dieses Proportionalmagneten
26 wirkt auf den Steuerkolben 14, wobei die durch den Stößel 27 übertragene Kraft
proportional ist dern durch eine Wicklung 28 des Proportionalmagneten 26 fließenden
Strom. Auf die Rückseite des Proportionalmagneten 26 wirkt eine Justierfeder 29
ein, deren Federspannung durch eine Spindel 30 einntellbar list, un eine Nul lpunktj
ustierung der Vorsteuerstufe, also des Steuerkolbells 14, vornehmen zu können.
-
Die Ausführungsform des Ventils gemäß Fig. 2 entspricht weitgehend
derjenigen der Fig. 1. Sie weist ebenfalls ein aus zwei Teilen zusammengesetztes
Gehäuse 1 auf, das mit einer Bohrung 4 versehen ist, in deren erweitertem Abschnitt
5 ein Sitzventilkolben 6 gleitend geführt ist, um den Durchtrittsquerschnitt zwischen
Zulauf 2 und Ablauf 3 zu steuern, und in der ferner ein Steuerkolben 40 gleitend
angeordnct ist. Zwischen dem Sitzventilkolben 6 und dem Steuerkolben 40 liegt ein
Steuerraum 10. Der Sitzventilkolben 6 sowie der Steuerkolben 40 sind über Federn
16, 17 abgestützt. Ein Stößel 27 eines Proportiunalmagneten 26- wirkt auf den Steuerkolben
40.
-
Bei dieser Ausführungsform verbindet eine Leitung 41 den Zulauf 2
mit dem Zylinderraums in dem der Steuerkolben 40, der zwei Steuerkanten 42, 43 hlt,
verschiebbar ist. Eine Leitung 44 verbindet diesen Zyliiiderraum ulit dem Steuerraum
10, wobei je nach Stellun des Stcucrkolbe
Ii'j 40 die Steuerkante
42 einen mehr oder weniger großen Dro:.-s(l(luericllnitt zwischen den Leitungen
41 urid 44 freiyibt. Die zweite Steuerkante 43 verbindet eine mit dem Ablauf 3 kommunizierende
Leitung 20 mit dem Zylinderraum des Steuerkolbens 40 und ergibt eine Drosselstelle
zwischen Steuerraum 10 und Ablauf 3.
-
Zur Druckentlastung des Steuerkolbens 40 verbindet eine mit einer
Drocselstelle 45 versehene Bohrung 46, die durch den Steuerkolben 40 hindurchgeführt
ist, den Steuerraum 10 mit der gegenüberliegenden Seite des Steuerkolbens 40.
-
Die Figuren 3 bis 5 betreffen allein Abweichungen in der Ansteuervorrichtung,
die mit beiden Ausführungsformen des-Ventils gemäß Fig. 1 und 2 verwendbar sind.
Die Vorrichtung weist gemäß Fig. 3 ein Gehäuse 50 mit einer Bohrung 51 auf, in der
ein druckausgeglichener Stößel 52 verschiebbar ist, der an seinem einen Ende aus
dem Gehäuse 50 heraus vorsteht. Der Stößel 52 bildet einen Kolben mit einer unteren
Fläche 53 und einer oberen Fläche 54. Diese Flächen liegen in einem Zylinderabschnitt
55 der Bohrung 51. Der Stößel 52 ist mit einer Sackbohrung 56 versehen, in der eine
Schraubenfeder 57 sitzt, deren eines Ende sich an dem Steuerkolben abstützt, wie
dies in Fig. 1 für den Stößel 27 dargestellt ist.
-
Die gesamte Querschnittsfläche des Stößels 52 wird mit dem im Steuerraum
10 vorliegenden Druck beaufschlagt. Ein Druckausgleich am Stößel 52 wird dadurch
hergestellt, daß die Sackbohrung 56 mit einer weiteren Bohrung 58 kommuniziert,
die oberhalb der Fläche 54 in den Zylinderabschnitt 55 mündet. Die Fläche 54 ist
dabei ebenso groß wie die Querschnittsfläche des Stößels 52. Der Teil des Zylinderabschnitts
55, in dem die Fläche 53 liegt, ist über eine Leitung 59 mit dem Tank verbunden.
-
Die Ansteuervorrichtung gemäß Fig. 3 ermöglicht also eine Hubbetätigung-
des Ventils und ist zum Beispiel für die Betätigung durch Steuernocken oder dergleichen
geeignet.
-
Fig. 4 zeigt eine Ausführungsform der Ansteuervorrichtung, die sehr
weitgehend derjenigen nach Fig. 3 entspricht-. Eine Abweichung liegt: lediglich
darin, daß das obere Ende des Stößels 52 bei dieser Ausführungsform in einem Zylinderraum
60 liegt, auf den ein externer Steuerdruck gegeben werden kann.
-
Auch die Ausführungsform der Ansteuervorrichtung gemäß Fig. 5 entspricht
weitgehend derjenigen nach Fig. 3. Eine Abweichung liegt lediglich darin, daß mit
dem oberen Ende des Stößels 52 eine Drehspindel 61 zusammenarbeitet, welche die
Position des Stößels 52 und damit die über die Schraubenfeder 57 auf den Steuerkolben
ausgeübte Kraft bestimmt. Durch eine Leitung 62 ist sowohl der der Fläche 53 zugeordnete
Teil des Zylinderabschnitts 55 als auch der Zylinderraum 63 mit dem Tank verbunden.
-
Im folgenden soll nun die Funktion des erfindungsgemäßen Proportionaldrosselventils
beschrieben werden.
-
Solange die durch den Proportionalmagneten 26 oder über die Schraubenfeder
57 nach den Ausführungsformen auf den Steuerkolben 14 bzw.
-
40 ausgeübte Kraft kleiner ist als die zum Verschieben dieses Steuerkolbens
erforderliche Kraft, hält die Schraubenfeder 16 den durch die Steuerkante 22 bzw.
43 bestimmten Steuerquerschnitt des Steuerkolbens 14 bzw. 40 des Vorsteuerventils-
geschlossen. Der Druck im Steuerraum 10 entspricht dem Druck im Zulauf 2. Durch
die Schraubenfedern 16 und 17 wird der Sitzventilkolben 6 auf seinen Sitz gepreßt.
Zulauf 2 und Ablauf 3 sind somit voneinander getrennt. Ein Leckölstrom liegt hier
nicht vor.
-
Ikicht nun die auf den Steuerkolben 14 bzw. 40 ausgeübte Kraft zur
Verschiebung dieses Kolbens gegen die Schraubenfeder 16 aus, so öffnet die Steuerkante
22 bzw. 43 des Steuerkolbens einen Steuerquerschnitt, der einen Steuerölstrom vom
Steuerraum 10 über die Leitungen 19, 20 bzw. 44, 20 zum Ablauf 3 zur Folge hat.
Gleichzeitig mit: dem Öffnen der Steuerkante 43 erfolgt ein Schließen der Steuerkante
42. Dies führt zu einer Druckabsenkung im Steuerraum -10. Diese Druckabsenkung führt
schließlich dazu, daß der im Zulauf 2 vorliegende Druck den Sitzventikolben 6 von
seinem Sitz abhebt und einen Durchtrittsquerschnitt zwischen Zulauf 2 und. Ablauf
3 öffnet. Die Schrauberl-fe?er 16 drückt mit zunehmendem Öffnungshub des Sitzventilkolbens
6 stärker gegen die Steuerkolben 14 bzw. 4!), bis sich schließlich ein Stcucrkolben
ein Kraftabyleich ergibt, wodurch sich ein bestimmter Öffnungshub des Sitzventilkolbens
6 einstellt, welcher der durch den Stößel 27 des Proportionalmagneten 26 oder aber
der durch die Schraubcnfeder 57 der Ausführungsformen gemäß den Figuren 3 bis 5
auf den Steuerkolben ausgeübten Kraft proportional ist.
-
Sinkt nun zum Beispiel der Druck im Ablauf 3 ab, so steigt mit zunehmelder
Druckdifferenz der Volumenstrom vom Zulauf 2 zum Ablauf 3.
-
Oloicllzeitig steigt auch der Volumenstrom vom Steuerraum 10 über
die Leitungen 19, 20 bzw. 44, 20 zum Ablauf -3. Dies bedeutet eine Absen-.
-
kung des Steuerdrucks im Steuerraum 10. Folglich öffnet der Sitzventilkolben
G weiter und verschiebt über die Schraubenfeder 16 den Steuerkolben. Ilierdurch
wird der Durchtrittsquerschnitt zwischen. Leitung 19 und Leitung 20 bzw. zwischen
Leitung 44 und Leitung 20 verringert, was ein Ansteigen des Steuerdrucks im Steuerraum
10 zur Folge hat und eine Bewegung des Sitzventilkolbens 6 in Schließrichtung bewirkt.
-
Dieser Vorgang dauert solange an, bis die Kräfte am Steuerkolben erneut
abgeglichen sind. Dies führt dann dazu, daß auch bei geänderter Druckdifferenz zwischen
Zulauf 2 und Ablauf 3 die Position des Sitz ventilkolbens 6 und damit der Durchtrittsquerschnitt
erhalten bleiben.
-
Befindet: sich das Proportionaldrosselventil in Sperrstellung und
steiyt der Druck in Ablauf 3 über der Druck im Zulauf 2, so führt: eine solche Druckdifferenz
dann zum Öffnen des Sitzventilkolbeti 6, wenn die über die Kegelfläche 11 auf den
Sitzventilkolben 6 ousgeübti Kraft größer ist als die in Schließrichtung wirkeiide
Kraft, welche sich aus den Vorspannkräften der Schrauben federn 16 und 17 sowie
aus dem im Steuerraum 10 vorliegenden Steuerdruck ergibt. In ein solchen Fall kann
ein nahezu ungedrosselter Volumenstrom von dciii Ablauf 3 zum Zulauf 2 erfolgen.
Das Ventil kann also eine Rückschlagfuiiktiori erfüllen.
-
Leerseite