DE3528781A1 - Proportional-drosselventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein proportionales Drosselventil mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmalen.

Solche Zweiwegedrosselventile sind bekannt (Ölhydraulik und Pneumatik, Zeitschrift für Fluidtechnik, Heft 8, August 1981, Bild 2). Dabei ist das den Durchflußquerschnitt des Drosselventils bestimmende Ventilglied im Öffnungssinn vom Einlaßdruck und in Schließrichtung von einer Feder unter dem an einem elektrisch angesteuerten Pilotventil eingestellten Steuerdruck beaufschlagt. Es handelt sich somit um ein Drosselventil mit hydraulischer Druckrückführung.

Bei Druckschwankungen am Einlaß oder Auslaß des Drosselventils kann sich die Position des Ventilgliedes verändern, falls das Pilotventil nicht in der Lage ist, die Druckschwankungen durch entsprechende Veränderung des Steuerdrucks auszugleichen. Dies ist insbesondere bei langen Rohrleitungen und großen Durchflußmengen der Fall, da große Druckmittelvolumina in solchen Systemen zu Schwingungen neigen, die zu entsprechenden Druckschwankungen führen.

Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht deshalb darin, das Drosselventil so auszubilden, daß aufgrund von Druckschwankungen auftretende Instabilitäten beseitigt werden.

Die genannte Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angeführten Merkmale gelöst. Vorteilhafte erfindungsgemäße Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Erfindungsgemäß ist es somit möglich, bei einem Drosselventil mit hydraulischer Druckrückführung eine sehr hohe Stabilität bei Druckschwankungen zu erzielen, ohne daß es elektrischer Mittel bedarf.

Zusätzlich kann dem Drosselventil eine Druckwaage vorgeschaltet werden, die bei sich ändernden Druckverhältnissen im Auslaß des Drosselventils, also verbraucherseitig und im Zulauf zur Druckwaage das Druckgefälle im Drosselquerschnitt in bekannter Weise konstant hält. Der Zusammenbau von Drosselventil und Druckwaage erfolgt als Zwillingsventil mit in einer Achse angeordnetem Ventilglied und Regelkolben, so daß sich eine günstige Bauform mit entsprechenden Verstellmöglichkeiten für die Federn der Druckwaage und des Drosselventils ergibt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein Schnitt durch ein Proportional-Drosselventil mit Druckwaage dargestellt ist.

In einem gemeinsamen Gehäuse 10 ist jeweils von einer Stirnseite her ein Drosselventil 11 und eine Druckwaage 12 eingebaut. Die Druckwaage 12 ist dem Drosselventil 11 vorgeschaltet und besteht aus einem Regelkolben 14 mit Bohrungen 15, die über Öffnungen 16 in einer im Gehäuse 10 angeordneten Büchse 17 mit dem Einlaß 18 in Verbindung stehen. Der Regelkolben 14 ist von einer Feder 19, die mittels einer Büchse 20 von außen her einstellbar ist, gegen einen an der Büchse 17 vorgesehenen Anschlag 21 in die geöffnete Ausgangsstellung der Druckwaage gedrückt. Im Federraum 22 wirkt auf die Rückseite des Regelkolbens 14 ferner der Druck im Auslaß 24 über eine Leitung 25. Die gegenüberliegende, dem Raum 26 zugekehrte Fläche des Regelkolbens 14 ist mit dem Ausgangsdruck der Druckwaage beaufschlagt.

Das Drosselventil besteht aus einem Ventilglied 30, das in einer im Gehäuse 10 einsitzenden Hülse 31 verschiebbar gelagert ist. Die vordere Stirnseite 32 des Ventilgliedes ist mit Blendenöffnungen 33 versehen, über die das Strömungsmittel aus dem Raum 26 in den Auslaß 24 strömen kann, wenn das Ventilglied aus der dargestellten Ausgangslage nach links in Öffnungsrichtung verschoben wird. Der im Raum 26 herrschende Ausgangsdruck der Druckwaage 12 wirk in Öffnungsrichtung auf die durch den Durchmesser D ₂ bestimmte Stirnfläche des Ventilgliedes 30.

Über eine Bohrung 35 wird auch der Federraum 36 des Ventilgliedes mit dem Druck im Raum 26 beaufschlagt. Die von diesem Druck beaufschlagte Fläche ist von dem Innendurchmesser D ₃ des Ventilgliedes bestimmt. Da die Durchmesser D ₂ und D ₃ gleich sind, heben sich die im Raum 26 und 36 auf das Ventilglied wirkenden Kräfte auf.

Eine Feder 38 im Federraum 36 drückt das Ventilglied in Schließrichtung. Die Feder 38 stützt sich an einer in der Bohrung 39 des Ventilgliedes 30 verschiebbar angeordneten Büchse 40 ab. Über eine mit dem Gehäuse 10 verschraubte Schraube 42 ist die Büchse 40 und damit die Kraft der Feder 38 einstellbar, die in Schließrichtung wirkt. Der Öffnungshub des Ventilgliedes 30 wird durch eine weitere Einstellschraube 43 begrenzt.

Das Ventilglied 30 ist abgesetzt und weist eine ringförmige Steuerfläche 45 auf. Der an die Steuerfläche 45 angrenzende Raum zwischen dem Ventilglied 30 und der Hülse 31 ist über Öffnungen 47 in der Hülse mit einer Steuereinleitung 48 verbunden, die über einen Stromregler 49 mit dem Einlaß 18 und mit einem Pilotventil 50 verbunden ist. Die vom Steuerdruck beaufschlagte Steuerfläche 45 ist durch die Differenz des Außendurchmessers D ₁ und des die Stirnseite des Ventilgliedes bestimmenden Durchmessers D ₂ bestimmt. Der die Steuerfläche beaufschlagende Steuerdruck wirkt in Öffnungsrichtung des Ventilgliedes.

Das Pilotventil 50 ist ein elektrisch ansteuerbares proportionales Druckbegrenzungsventil, dessen abflußseitiger Raum 51 über ein federbeaufschlagtes Pilotventil 52 mit einer zum Tank T führenden Leitung 53 verbunden ist, in welche eine zum Raum 55 auf der Rückseite des Drosselventils führende Leitung 56 führt.

Im folgenden ist die Wirkungsweise des Drosselventils erläutert. Das Drosselventil 11 verändert abhängig vom Steuerdruck, der mit dem elektrisch verstellbaren Pilotventil 50 einstellbar ist, den Drosselquerschnitt zwischen dem Raum 26 und dem Auslaß 24 und bestimmt somit die Durchflußmenge. Vom Einlaß 18 wird über den Stromregler 49 Druckmittel zu dem Pilotventil 50 und dem Pilotventil 52 geleitet. Von dem Stromregler 49 wird unabhängig vom Druckgefälle zwischen dem Einlaß 18 und den Pilotventilen die Druckmittelmenge geregelt. Das Pilotventil 52 ist ebenfalls ein Druckbegrenzungsventil, das auf den niedrigst möglichen Druck eingestellt ist. Das Druckbegrenzungsventil 50 erzeugt proportional zu dem von ihm angelegten elektrischen Sollwert den Steuerdruck, der auf die Steuerfläche 45 des Ventilgliedes wirkt.

Der Steuerdruck verschiebt das Ventilglied in Öffnungsrichtung so weit, bis die Kraft der Druckfeder 38 gleich der hydraulischen Öffnungskraft des Steuerdrucks ist. Da die Kraftänderung der Druckfeder 38 über den Federhub linear ist, wird der Durchflußquerschnitt des Drosselventils stufenlos proportional dem angelegten Sollwert am Pilotventil 50 eingestellt. In der durch die Höhe des Steuerdrucks vorgegebenen Lage bleibt das Ventilglied stehen. Da über die gleichen Durchmesser D ₂ und D ₃ das Ventilglied selbst druckausgeglichen ist, kann die Position des Ventilgliedes durch Druckschwankungen sowohl im Einlaß 18 als auch am Auslaß 24 nicht verändert werden. Solche Druckschwankungen können sehr erheblich sein, insbesondere dann, wenn es sich um große Querschnitte und lange Leitungen handelt, also um große Durchflußmengen und Volumen, die zu niederfrequenten resonanten Schwingungen neigen und damit erhebliche Druckschwankungen hervorrufen können.

Die vom Steuerdruck beaufschlagte Ringfläche 45 des Ventilgliedes 30 weist die gleiche Fläche auf wie die dem Raum 55 zugekehrte endseitige Stirnfläche 58 des Ventilgliedes. Treten in der zum Tank T führenden Leitung 53 Druckschwankungen auf, so werden diese ebenfalls ausgeglichen, da sich bei Druckerhöhung oder Druckerniedrigung in der Leitung 53 diese Druckänderung gleichzeitig auf die endseitige Ringfläche 58 des Ventilgliedes 30 und auf den abflußseitigen Raum der Pilotventile 50 und 52 wirkt, wodurch der Steuerdruck in der Leitung 48 und damit auch auf die Steuerfläche 45 um die gleiche Druckdifferenz wie der Druck auf die Ringfläche 58 verändert wird. Somit entstehen durch die Druckänderung gleich große hydraulische Kräfte auf die Ringflächen 45 und 58, so daß die Lage des Ventilgliedes 30 nicht verändert wird. Solche Druckschwankungen können insbesondere bei langen, zum Tank T führenden Leitungen 53 auftreten, in denen oft auch am Ende ein Filter 59 vorgesehen ist, so daß sich entsprechende Staudruckänderungen einstellen können.

Bei einem Versagen des Pilotventils 50 kann der Steuerdruck notfalls auch mit dem Pilotventil 52 eingestellt werden.

Mit der dem Drosselventil 11 vorgeschalteten Druckwaage 12 wird in bekannter Weise trotz unterschiedlicher Belastungen von Seiten des an den Auslaß 24 angeschlossenen Verbrauchers und des Druckmittelzuflusses im Einlaß 18 die Durchflußmenge durch das Drosselventil und damit die Arbeitsgeschwindigkeit des Verbrauchers konstant gehalten. Der Regelkolben 14 der Druckwaage wird von der Kraft der Feder 19 und dem am Auslaß 24 herrschenden Druck (Verbraucherdruck) in Öffnungsrichtung und vom Ausgangsdruck im Raum 26, der gleich dem Eingangsdruck des Drosselventils ist, in Schließrichtung beaufschlagt. Erhöht sich der Auslaßdruck, so wird der Regelkolben 14 in Öffnungsrichtung verstellt, so daß sich auch der Druck im Raum 26 erhöht und damit das Druckgefälle über den Drosselquerschnitt konstant bleibt. Umgekehrt bleibt das Druckgefälle und damit der Durchfluß auch konstant, wenn sich der Druck im Auslaß 24 verringert, wodurch der Regelkolben in Schließrichtung verstellt wird, den Zufluß über die Öffnungen 14, 15 drosselt und damit den Druck im Raum 26 verkleinert, bis am Drosselventil wieder das gleiche Druckgefälle herrscht.

Steigt der Druck im Einlaß 18 und als Folge auch der Druck im Raum 26, dann verstellt sich der Regelkolben 14 in Schließrichtung, wodurch der Zufluß über die Öffnungen 14 und 15 stärker gedrosselt wird. Der Druck im Raum 26 und damit auf das Druckgefälle über das Drosselventil bleiben konstant. Fällt der Druck im Einlaß 18, dann sinkt auch der Druck im Raum 26. Der Regelkolben 14 verschiebt sich in Öffnungsrichtung, so daß der Zufluß über die Öffnungen 14 und 15 schwächer gedrosselt wird. Der Druck im Raum 26 und als Folge das Druckgefälle über das Drosselventil bleiben gleich.

Der Druck der Feder 19 ist über eine Gewindebüchse 20 verstellbar, die auf der den Einstellschrauben 42 und 43 gegenüberliegenden Stirnseite des Ventilgehäuses 10 angeordnet ist. Das in der Zeichnung dargestellte Bauprinzip von Druckwaage und Drosselventil in einer Achse ermöglicht eine günstige Bauform, bei der an den äußeren Stirnseiten die Verstellmöglichkeit zur Justierung des maximalen Hubes und dem Blendenöffnungsbeginn des Drosselventils sowie des Druckgefälles der Druckwaage angeordnet werden können.

Claims (10)

1. Proportional-Drosselventil mit einem Einlaß, einem Auslaß, einem den Drosselquerschnitt zwischen Einlaß und Auslaß regelnden Ventilglied, dessen dem Einlaß zugekehrte Stirnseite vom Einlaßdruck in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist, mit einer in einem Federraum des Ventilgliedes angeordneten Feder, die das Ventilglied in Schließrichtung beaufschlagt und mit einer Steuerfläche am Ventilglied, die mit einem von einem Pilotventil einstellbaren Steuerdruck beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß zusätzlich zur Kraft der Feder (38) der Einlaßdruck eine der einlaßseitigen Stirnseite abgekehrte gleich große Fläche des Ventilgliedes (30) in Schließrichtung beaufschlagt (D ₂ = D ₃) und der Steuerdruck die von einer Ringfläche des Ventilgliedes gebildete Steuerfläche (45) in Öffnungsrichtung beaufschlagt.

2. Drosselventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (38) an einer im Ventilglied verschiebbar angeordneten Büchse (40) abgestützt ist, die mittels einer im Gehäuse stirnseitig vorgesehenen Schraube (42) einstellbar ist.

3. Drosselventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Maximalhub des Ventilgliedes (30) an einer im Gehäuse stirnseitig vorgesehenen Schraube (43) einstellbar ist.

4. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Federraum (36) des Ventilgliedes über eine Bohrung (35) im Ventilglied mit dem Einlaßraum (26) in Verbindung ist.

5. Drosselventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die ringförmige Steuerfläche des Ventilgliedes gleich groß mit einer außerhalb der Büchse (40) liegenden Ringfläche (58) des Ventilgliedes ist (D ₁ - D ₂ = D ₁ - D ₃).

6. Drosselventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der der Ringfläche (58) des Ventilgliedes zugekehrte Raum (55) und der abflußseitige Raum (51) des Pilotventils (50) mit einer zu einem Tank führenden Leitung (53) verbunden sind.

7. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Pilotventil (50) ein elektrisch ansteuerbares proportionales Druckbegrenzungsventil ist.

8. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der abflußseitige Raum (51) des Pilotventils (50) über ein federbeaufschlagtes Pilotventil (52) mit der Tankleitung (53) und dem der Ringfläche (58) zugekehrten Raum (55) verbunden ist.

9. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß in der vom Einlaß (18) zur Steuerfläche (45) führenden Zufuhrleitung (48) ein Stromregler (49) angeordnet ist.

10. Drosselventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 mit einer Druckwaage zur Lastdruckkompensation, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelkolben (14) der Druckwaage koaxial vor dem Ventilglied (30) angeordnet ist, der vom Regelkolben erzeugte Ausgangsdruck den Gehäuseraum (26) zwischen dem Regelkolben und dem Ventilglied beaufschlagt und der Auslaßdruck des Drosselventils die dem Ausgangsdruck der Druckwaage gegenüberliegende Fläche des Regelkolbens (14) beaufschlagt, an der die von außen einstellbare Feder (19) der Druckwaage abgestützt ist.