DE3327006A1 - Steuerbares ventil zum bremsen oder zur begrenzung der geschwindigkeit in einem hydraulikkreis - Google Patents

Description

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Patentanwälte Dipl.-Ing. W. Beyer Dipl.-Wirtsch.-Ing. B. Jochem

6000 Frankfurt / Hain Staufenstraße 36

Ann.: Firma Bennes Marrel (Französische Aktiengesellschaft) Zone Industrielle Sud Andrezieux Boutheon - Loire (Frankreich)

Bezeichnung: Steuerbares Ventil zum Bremsen oder zur Begrenzung der Geschwindigkeit in einem Hydraulikkreis.

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ORIGINAL INSPECTED

Beschreibunq ·

Die Erfindung betrifft ein steuerbares Ventil zur Ausrüstung eines Hydraulikkreises und insbesondere ein Ventil, wie eo allgemein bekannt ist unter der einen oder anderen der folgenden Bezeichnungen: Bremsventil, Abgleichventil/ Geschwindiqkeitsbeqrenzunqsventil, Sicherheitsventil.

Die Verwendunq eines Bremsventils dieser Art ist wohlbekannt zur Steuerung von Hydraullkorqanen zum Halten starker Belastunqen. Diese Ventile sind so .ausqebildet, daß sie ein plötzliches und gefährliches Abfallen der anqehobenen Belastunq ausschließen, wie dieses auch im Fall eines Leietunq·- bruchs auftritt.

GanzräU.qemein wird ein solches Ventil zum Aufrechterhalten eines-'ausreichenden Druckes in einem Hydraulikmotor oder einem hydraulischen^ Kraftzylinder verwendet-, um die Verschiebung einer Koppel oder einer Hublast zu kontrollieren. Als Beispiel ohne Beschränkung darauf läßt sich feststellen, daß ein solche· Bremsventil verwendet werden kann:

auf einem Fahrzeuq mit hydrostatischem Getriebe der Art mit offenem Kreis, wenn das Fahrzeuq eine Gefällstrecke befährt oder wenn es qebremst wird;

bei einem hydraulischen Kran, wenn dieser eine Last auf .dem Erdboden absetzt.

Ein Bremsventil dieser Art ist beispielsweise aus der FR-PS 2 469 597 bekannt. Ein solchen bekannten Ventil ist in einen Hcchdruckkreif? eingeschaltet, dessen Abdichtquerschnitt es verändert, und seine Steuerung wird bewirkt durch oinen Steuerdruckpunkt.Im Fall der FR-PS 2 469 597 läßt sich feststellen, daß dieser Steuerdruck im Laufe des Betriebs in einer Heise verändert werden kann, der nicht: imner befterrschfc wixd und deshalb zum Auftreten unregelmäßiger Bewegungen an den Verbrauchers führen kann.

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ORIGINAL iNSPECTED "

Wenn beispielsweise ein solches Ventil.zum Steuern der beiden Arbeitskammern eines Kraftzylinders eines hydraulischen Kranes eingesetzt wird, zeigt die Messung der Drücke beim Anlaufen der Bewegung, daß der Druck in der die Last tragenden Kammer des Kraftzylinders abnimmt und in der entgegengesetzten Arbeitskammer zunimmt,- Diese Druckänderunoen entsprechen der Phase der Beschleuniaunc der beweglichen Masse, die an den Kraftzvlinder anaeschlossen ist. Wenn die gewünschte Geschwindigkeit erreicht ist. steigt der Druck in der belasteten Arbeitskammer des Kraftzylinders und nimmt in'der entaegengesetzten Kammer ab, wie dies in Fig. 1 veranschaulicht ist. In dieser Fiqur geben die Kurvenabschnitte P-, P' , P" den Verlauf des Druckes in den Kammern des Kraftzylinders wider, welche die Last halten. Demgegenüber zeigen die Kurvenabschnitte P₁, P' , P" den Druckverlauf in der entgegenaesetzten Kammer des Kraftzvlinders. Auf der Abszisse ist die Zeit aufqetragen.

Diese physikalische Erscheinung zieht das Problem der Anpassung des Bremsventils nach sich, das konstruktionsbedingt auf Änderungen des Drucks in der- belasteten Arbeitskammer und der entgegengesetzten Kaiamer anspricht.

Eine andere physikalische Erscheinung- die beim Betrieb des Kraftzylinders auftritt, stört das Druckverhältnis in den Arbeitskammern des Kraftzylinders. Es handelt sich um die Reibungen. Wenn man beispielsweise einen Kraftzylinder betrachtet, dessen Wirkungsgrad 95% beträgt und der eine Masse abstützt, die zu einem Druck von 3oo bar in der beiasteten Arbeitskammer führt, ist die Wirkung der Reibung äquivalent einem Druck von 3oo " (1-0,95) = 15 bar. Je nach der Richtung der mittleren Geschwindigkeit kann die Druckänderung in der belasteten Arbeitskammer - 15 bar betragen ,

In Wirklichkeit wird die mittlere Geschwindigkeit durch die Ausströmung in der entgegengesetzten Arbeitskammer geregelt» Demzufolge wird der Einfluß von Änderungen aufgrund der Reibung durch Änderungen des Druckes berücksichtigt, der beispielsweise in der kleinen Arbeitskammer auftritt. Wenn das Querschnittsverhältnis der Arbeitskammern 1,8 beträgt, ist die Amplitude der Druckänderungen in der kleinen Arbeitskammer - 15 χ 1,8 = - 27 bar.

Wenn man schließlich das in der FR-PS 2 469 597 beschriebene Bremsventil näher betrachtet, ist das Verhältnis zwischen dem dem Steuerdruck unterworfenen Querschnitt S und dem dem Bremsdruck unterworfenen Querschnitt s :

S/s =15

Unter diesen Bedingungen sieht man, daß ein Unterscheid von 27 bar auf Seiten des Steuerdruckes gleichbedeutend mit einem Unterschied von 27 χ 15 = 4o5 bar auf Seiten des Bremsdruckes ist.

Die überlagerung dieser beiden Erscheinungen führt zu dem in Fig. 3 widergegebenen Ergebnis. Wenn man einen belasteten Kraftzylinder 1 voraussetzt _e dessen Bewegung aufgrund der treibenden Last (Einfahrrichtung gemäß Pfeil 2) gesteuert wird .von einem Sicherheitsventil 3, das auf einen Druck P_n eingestellt ist, und dessen Querschnittsverhältnis N beträgt, dann ist die Bedingung für das öffnen des Ventils:

P₀ -

P die Ansprechschwelle des Ventils 3,

P. der Druck auf Seiten der großen Arbeitskammer des Kraftzylinders 1,

P der Druck auf Seiten der kleinen Arbeitskammer ist, wie er verwendet wird zum Steuern des Sicherheitsventils 3.

In der Phase, in welcher der Kraftzylinder * auf Geschwindigkeit gebracht wird., fällt P₁, um eine Beschleunigung der an den Kraftzylinder angeschlossenen Masse zu erhalten; hierbei sei P die Größe des D'ruckes, die der Beschleunigungskraft entspricht. Für die Reibungskraft kann man einen entsprechenden Druck P^ definieren. Während der Phase, in welcher der Kraftzylinder 1 auf Geschwindigkeit gebracht wird, herrscht in der belasteten Arbeitskammer des Kraftzylinders ein . Druck:

Damit das Sicherheitsventil öffnet, ist es erforderlich, daß P₀ zunimmt auf den Wert:

^{Pm ^{+ P}f ^{] x}

Wenn die Geschwindigkeit erreicht ist, ist der von der Beschleunigung herrührende Druck Null. Der Druck im Kraftzylinder nimmt nunmehr den Wert P" ein, dergestalt, daß P" = P- - P_f ist. Ebenso wird P- zu P"₂·

Dementsprechend ist der Druckverlauf in Abhängigkeit von der Zeit in Fig. 1 widergegeben.

Vorstehende Folgerungen zeigen die Unsicherheit einer Gleichgewichtsstellung , wenn das Sicherheitsventil von dem Druck P-der entgegengesetzten Arbeitskammer (Fig. 2 ) gesteuert wird. Dennoch ist diese Lösung interessant, denn die gestattet die Ermittlung des Durchgehens der Last (im Fall von Übergeschwindigkeiten, bei denen der Druck in der entgegengesetzten Arbeitskammer auf Null absinkt); sie vermeidet das Heranziehen elektrischer oder hydraulischer Befehle für das

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Sicherheitsventil und damit den Kraftzylinder, Der letztere Punkt ist besonders interessant für Maschinen, die mit Muskelkraft betätigten Verteilern ausgerüstet sind und die als einziges Steuersystem nur über Bewegungen von mechanischen Teilen wie Hebel, Gestängen u.dgl. zwischen.dem Bediener und der Verteilergruppe verfügen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermeiden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch Schaffung eines Bremsventils gelöst., dessen Steuerdruck aufgrund des Vorhandenseins eines Druckminderventils in seinem Steuerkreis veränderbar ist, dessen verminderter Druck eine Funktion der Federvorspannung und des Drucks in der belasteten Arbeitskammer des Kraftzylinders ist.

Ein in der beigefügten Zeichnung wiedergegebenes Ausführungsbeispiel gestattet ohne Beschränkung hierauf ein besseres Verständnis der Erfindungsmerkmale. Es zeigen:

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung des Aufbaus und der Funktion-eines Bremsventils gemäß der Erfindung,

Fig. 5 in schematischer Darstellung' eine abgeänderte Ausführungsform der Anwendung der Erfindung,

Fig. 6 eine Ausführungsform unter Verwendung des Grundgedankens nach Fig. 4,-

Fig. 7 die Anbringung des in Fig. 6 gezeigten Druckminderventils auf einem überdruckventil,

Fig„ 8 die hydraulische Schaltung einer Abänderung der Erfindung,

Fig. 9 eine entsprechende Ausführungsform hierzu und

Fig. Io eine weitere Abänderung, die einen überabgleich ermöglicht.

In Fig. 4 .ist ein doppelt wirkender Kraftzylinder ι gezeigt,-der dergestalt arbeitet, daß er einer Last entgegenwirkt., die ihn einzufahren versucht, wie dies durch den Pfeil 2 angedeutet ist. Die große Kolbenfläche des Kraftzylinders, begrenzt, eine Rückhaltekammer 4, in welcher der Druck F₁ herrscht. Die kleine Kolbenfläche entspricht einer entgegengesetzten Kamir.er in welcher der Druck P~ herrscht.

Zwischen den beiden Arbeitskammer!! 4, 5 ist ein in seiner Gesamtheit mit 7 bezeichnetes Bremsventil angeordnet. Die....____._ -Wirkungsweise 'dieses'Bremsventils 7 "ist folgende:

^ In einem Gehäuse 6 (Fig. 6). gleitet ein Schieber 8, der von

einer Feder 9 belastet ist. Das Ventil wird.über eine An-

Schlußöffnung 1o mit dem Druck P^ aus der entgegengesetzten Arbeitskammer 5 des Kraftzylinders 1 gespeist. Der Schieber verbindet in seiner Ruhestellung die Anschlußöffnung Io mit einer Anschlußöffnung 11, an welcher der Druck P herrscht. Wenn dieser Druck P ausreichend groß ist, um auf den Schieber 8 eine Kraft auszuüben, die über derjenigen der Feder 9 liegt, verschiebt sich der Schieber 8 nach rechts unter Zusammendrücken der Feder 9 in Richtung des Pfeils 12 (Fig. 6). Die Verschiebung dauert solange an. bis der Schieber 8 die Verbindung zwischen den Anschlußöffnungen 1o und 11 unterbricht, d.h. zwischen den Drücken P_n und P . Wenn es sich ereignet, daß der_Druck P unter der Wirkung von innerhalb des Ventils vorhandenen Leckquerschnitten oder unter der Wirkung äußerer Leckagen zunimmt, verschiebt- sich der Schieber 8 noch weiter gegen die Feder9 und stellt schließlich die Verbindung mit einer Anschlußöffnung 13 her, in welcher der Druck des Vorratsbehälters für die Hydraulikflüssigkeit herrscht.

Auf einem am äußersten Ende des Schiebers 8 angebrachten Kolben 14 wirkt der Druck P.., der von der belasteten Arbeitskammer 4 des Kraftzylinders 1, der zu schützen ist, kommt. Diese Wirkung unterstützt die des Drucks P auf den Schieber des Ventils, und das Absperren der Verbindung zwischen den Anschlußöffnungen 1o und 11 erfolgt, wenn die folgende Beziehung gegeben ist:

Federkraft = Kraft aufgrund P + Kraft aufgrund P..

Das vorbeschriebene Ventil 15 ist ein Druckminderventil. Dieses kann durch Anbringung eines Sicherheitsventils 16 ergänzt werden, wie dies in Fig. 7 veranschaulicht ist. Der Druck P an der Anschlußöffnung 11"' des Druckminderventi-is-.-"V5 wirkt auf einen Steuerkolben__1 Ί"äes Sicherheitsventils 16. Der Druck P- des Verbrauchers (belastete Arbeitskammer 4 des Kraftzylinders 1) wirkt gleichzeitig auf den - Koiben 14 des Druckminderventils "15 und auf den Ventil- "~ körper-_~iJL=des~Si-cherheitsvent-ils * 16. - . - .

Um lias Prinzip der erfindungsgemäßen Steuerung zu verstehen, ist es zweckmäßig, die Gleichung für das Gleichgewicht des Sicherheitsventils 16 niederzuschreiben. Wenn P₀ der Vorspanndruck ist, bezeichnet S den Querschnitt, auf den der Steuerdruck P in dem Ventil 16 wirkt, und s ist der Querschnitt, auf den der Bremsdruck P- wirkt.

Man erhält dann:

P₀ : s = P₁ . s + P_p . S

^P _P ^{β (p}o - ^pi > · -I-

Das Druckminderventil 15 ist dergestalt ausgebildet, daS der verminderte Druck auf eine Querschnittsfläche S. und der Bremsdruck auf eine Querschnittsfläche s. wirkt. Diese Querschnittsflächen sind so bemessen, daß:

Ansonsten ist beim Fehlen des Bremsdrucks der verminderte n

Druck bemessen auf einen Wert P = P χ —§— oder:

P ^Kx P X

pO O ^si ' ^{v;a3 die} Bedingung für dan öffnen des Sicher heitsventils 16 ist.

Demzufolge läßt sich die Gleichung für den Gleichgewichts zustand des .Sicherheitsventils 16 wie folgt schreiben:

^Pp0 ^{X S}1 - ^Pp ^{X S}1 ^{+ P}1 ^{X S}1
oder -:- _β

Wenn-man "die Vorspannbediiigüng ■fü.r"~das-"Si-cherhe"£täv"ern^:til ϊ'ζ mit P .-= Pi^ χ ^S1 ansetzt, erhält man:

₀ p₁ _

... ^S1 ^η - - —

oder nochmals:

P_n χ -§- «= P + P. χ -ΙΟ Sp ι S

Dies ist die Gleichung für den Gleichgewichtszustand des Bremsventils 7 gemäß der Erfindung.-Demzufolge ist der "* gesteuerte Druck ständig an seine richtige Größe angepaßt.

Das Druckminderventil 15 kann auf verschiedene Weise vorbelastet sein:

- mechanisch oder durch eine Feder;

- hydraulisch;

- elektrisch

Das öffnen des Ventilkörpers im Sicherheitsventil 16 hört auf bei einem Druck Pp₀- Dieser ist durch folgende Gleichung definiert:

³I

P = ρ + V ·— nri^~- P = P — P

ρθ ρ 1 S₁ ^OÜej- ρ PO *1

Wenn P unterhalb des theoretischen Wertes P_n ■ eingestellt wird, wird P sehr klein. Um dennoch das öffnen des Ventils zu erhalten, ist es notwendig, P- zu erhöhen, was·eine Erhöhung P- nach sich zieht- Man begünstigt hierdurch die Druckbegrenzungswirkung für das Sicherheitsventil.

Wenn P _Q auf einen Wert oberhalb des theoretischen Wertes eingestellt wird, steigt P an: Dadurch wird das öffnen durch die Steuerung des Ventils begünstigt und folglich auch die
Wirkungsweise bezüglich der Begrenzung der Durchströmmenge.

-Gewisse'-S-icherheit^entiie sind nTcht auf den "Rückführdruck abgeglichen. Dies ist beispielsweise der Fall bei der abgeänderten-Äusführung¥f"örm nach.;Fig.-- 5.' In diesem. Fall ist das Ventil oder Bremssystem 18 den Schließkräften und den Öffnungskräften " entsprechend folgenden Gleichungen unterworfen:

Schließkräfte: P_ . s + P_ . s

U j-

öffnungskräfte: P . s ■*- P . S

Demzufolge herrscht, wenn sich diese Kräfte ausgleichen,

die Bedingung:

P_Q . s + P_r „ s = P₁ . s + P .S

oder η

P₀ = (P₁ - P_r ) + P_p -f- .

Wenn man dem Druckminderventil 15 oder der hydraulischen
Balance -noch einer· Kolben 19 vom Querschnitt S₁ hinzufügt, auf welchen der Rüskstelldruck ? wirkt, welcher ein« Kraft liefert, die sich der Abglei=hkraf': überlagert, erhält man
(Fic·. 8 -ind 9) :

^F _PO · ^S1 ^{+ P}r · ^S1 ^{β P}1 ■

^Ρρθ · ^S1 - ^{f Ρ}1 " ^Pr> ^S1 ^{+ P}p ' ^S1 ' Mit der Abyleichbedingung

'pc-P₀. -f. -^po· -Zl-

erhält man daraus:

P₀ . -^L- . S₁ - (P₁ - p_r ) S₁ + P_p . S₁

oder _s

P₀ - (P₁ - P_r ) ₊ P_p -φ

Der Steuerdruck P ist von Neuem engepaßt.

In dem Ausführungsbeispiel nach den Fig. 8 und 9 ist das vorbeschriebene Druckminderventil 15 (Fig. 6) hydraulisch durch einen Abgleichdruck in der Kammer 2o vorbelastet. Dieser Druck ist durch ein Druckbegrenzungsventil 21 bestimmt/ welches auf die gesteuerte Durchströmmenge vermittels einer Drosselstelle 22 wirkt. Der Hilfskolben 19 der Querschnittsfläche S₁ erzeugt am Schieber 8 unter der Wirkung des Rücksteildruckes P_r eine Kraft, die sich derjenigen überlagert_f welche den Steuerdruck widergibt.

Andere Fälle der Funktion können vorgesehen sein. Wenn beispielsweise der Druck P₂ treibender Natur ist, ist es erforderlich, das Sicherheitsventil 16 frei zu steuern, bis es im maximum öffnet, um den Gegendruck auf den normalerweise gebremsten Teil zu begrenzen. Es wird dann erforderlich sein, für die Steuerung des Sicherheitsventils 16 eine Maßnahme vorzusehen, durch welche die Steuerung des Ventils unmittelbar an den Druck P2 angeschlossen wird. Diese Maßnahme kann u.a, in einer vernünftigen Organisation bestehen, die in das Druckminderventil 15 integriert ist.

Die Maßnahme zur Begrenzung des Drucks ~P~ kann bestehen in: einem programmierten überdruckventil?

- rf -

überspannung der Feder

Anwendung einer Kraft in Funktion von P-. auf den Schieber δ des Druckminderventils 15-,

Ein Beispiel für die überspannung der Feder ist in Fig. Ic gezeigt. An das Druckminderventil 15 ist eine Anordnung mit einem Gehäuse 2 3 angesetzt, in welchem ein mit beiderseitigen Kolbenstangen versehener Kolben 24 verschieblich ist. Dieser Kolben begrenzt mit den Bohrungen des Gehäuses und der Buchse 25 zwei mit Anschlußöffnungen 26 bzw, 27 verbundene Kammern_f die den Drücken P₂ bzw. P unterworfen sind.

Die ringförmigen Querschnitte der Kammern sind gleichgroß, und ihre Größen sind dadurch bestimmt, daß die Feder überspannt ist, sobaJLd die Differenz P₂ - P = P oberhalb der Spannung der Fedpr, bezogen auf den von den Konstruktionsdaten bestimmten Ringquerschnitt ist.

Die Spannung der Feder 28 ist durch eine Stellschraube 29 bestimmt. '

Ganz allgemein erkennt man, daß bei allen vorbeschriebenen Varianten des erfindungsgemäßen Bremsventils der hydraulische Abgleich in jedem Augenblick die Übereinstimmung zwischen dan Haltedruck P.. und dem Rückstelldruck P. gewährleistet. Anders ausgedruckt ist der Steuerdruck angepaßt als Funktion des Bereichs der Drücke, die durch das Bremsventil selbst auftreten. Es wird nicht nur.der Haltedruck P

abgeglichen, sondern ebenso der Steuerdruck P .

Claims (4)

1. Patentansprüche

   (1.JBremsventil zur Aufrechterhaltung eines Lastdruckes m einem Hydraulikkreis mit einem steuerbaren Halteorgar. für einen hydraulischen Druck, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck (P ) aufgrund des Vorhandenseins eines Druckminderventils (15 j im Steuerkreis veränderbar ist, dessen verminderter Druck (P ) eine Funktion des Haltedrucks (P..) ist,
2. 2. Bremsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Haltedruck (P..) unter anderem in der großen Arbeitskammer eines doppelt wirkenden Kraftzylinders (1) herrscht,
3. 3. Bremsventil nach Anspruch 1 oder 2,dadurch g e -

   ' k-e nnzeichnet , daß der Steuerdruck (P ) des Brems- ^ ventils (7) von anem hydraulischen Ausgleich aus korrigiert ^ welcher den Haltedruck (P₁) und den Steuerdruck (P )

   ^vr.^irdi welcher den Haltedruck (P₁

   ^%"des-.,B'r.;emsventils (7) ins Gleichgewicht bringt.
4. 4. Bremsventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerdruck (P ) des Bremsventils (7) von dem Druck (Pp) in der

   F
   entgegengesetzten Arbeitskammer des Kraftzylinders (1)

   abgenommen wird.