DE3537760C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung richtet sich auf ein Proportionaldrosselventil
nach dem Oberbegriff des Patentanspruches.
Ein gattungsgemäßes Proportionaldrosselventil ist aus einem Aufsatz aus der
Fachzeitschrift "Ölhydraulik und Pneumatik" 25 (1981) Nr. 8, Seite 617 bis 624
mit dem Titel "Elektrisch geregelte 2-Wege-Einbauventile" bekannt. Die Regelung
des Ablaufstromes bei diesem Ventil ist leckstrombehaftet. Daher ergeben sich
Probleme, wenn Lasten in vorgegebener Position des Ventils auch über einen
längeren Zeitraum lagegenau gehalten werden müssen.
Weiterhin ist aus der EP 00 73 268 A1 ein Proportionaldrosselventil bekannt.
Bei der dort beschriebenen Konstruktion muß notwendigerweise ein Rückkopplungsmechanismus
vom Hauptfluß-Regelabschnitt zum Steuerteil vorgesehen
sein, um eine proportionale Verschiebung des Kolbens zur Krafteinwirkung der
Magnetspule unabhängig von dem Kolbeneinlaßdruck zu gewährleisten. Dementsprechend
ist die vorbekannte Konstruktion platzaufwendig und macht eine
Mehrzahl unterschiedlicher Teile erforderlich, welche vergleichsweise hohe
Produktionskosten bedingen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßes Ventil so weiterzubilden,
daß ein lagegenaues Halten von Lasten in einer vorgegebenen Postion
auch über längere Zeit hin zuverlässig sichergestellt ist.
Diese Aufgabe wird gelöst gemäß dem kennzeichnenden Teil von Anspruch 1.
Durch diese erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventils ergibt sich folgende
Funktionsweise:
Im Betrieb, wenn kein Eingangsstrom an der Proportionalmagnetspule anliegt, steht der Ventilkegelabschnitt des Vorsteuerventilkolbens in Kontakt mit dem Ventilsitz und unterbricht den Fluidfluß von einem Steuerabschnitt für den Hauptfluß zu einem weiteren Steuerabschnitt, so daß die Flußrate in der Drosselstelle zwischen den Räumen auf entgegengesetzten Seiten des Kolbens Null wird und die Drücke in diesen Räumen sich aneinander angleichen, so daß der Kolben eine Verbindung zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung mit Hilfe seiner Feder unterbricht. Wenn die Magnetspule mit einem gewissen Strom beaufschlagt wird, erzeugt diese eine Magnetkraft entsprechend dem Eingangsstrom. Dementsprechend wird der Steuerkolben durch die Schubstange bewegt und gegen die Federkraft verschoben und öffnet den Ventilkegelabschnitt, woraufhin ein Teil des Fluids, welches durch die Einlaßöffnung fließt, als Steuerflüssigkeit durch die Drosselöffnung fließt, welche beide Seiten des Kolbens miteinander verbindet, wobei eine Druckreduktion in der veränderlichen Öffnung des Steuerabschnitts stattfindet. Die Steuerflüssigkeit, deren Druck reduziert wird, fließt durch den Ventilkegelabschnitt, die Federkammer, die Drosselöffnung und die Abflußöffnung zu einem Behälter, wodurch Druckunterschiede über den Drosselöffnungen des Kolbens und der Steuerspule erzeugt werden. In dem Steuerabschnitt wird das Öffnen der veränderlichen Öffnung gegen die Kraft der Magnetspule durch die Schubkraft des Steuerkolbens aufgrund des Druckunterschiedes und der auf den Ventilkegelabschnitt wirkenden Federkraft reguliert, so daß eine Durchflußrate entsprechend der Magnetventilkraft aufrechterhalten wird. Andererseits verlagert die Druckdifferenz über der Drosselöffnung, welche den Kolben überbrückt, entsprechend der Durchflußrate den Kolben in eine Position, in welcher die Druckkraft des Kolbens aufgrund der Druckdifferenz durch die den Kolben beaufschlagende Federkraft ausgeglichen wird. Dementsprechend ist die Durchflußrate des Fluids, welches von der Einlaßöffnung zu der Auslaßöffnung fließt, im wesentlichen proportional zur Kraft der Magnetspule.
Im Betrieb, wenn kein Eingangsstrom an der Proportionalmagnetspule anliegt, steht der Ventilkegelabschnitt des Vorsteuerventilkolbens in Kontakt mit dem Ventilsitz und unterbricht den Fluidfluß von einem Steuerabschnitt für den Hauptfluß zu einem weiteren Steuerabschnitt, so daß die Flußrate in der Drosselstelle zwischen den Räumen auf entgegengesetzten Seiten des Kolbens Null wird und die Drücke in diesen Räumen sich aneinander angleichen, so daß der Kolben eine Verbindung zwischen einer Einlaßöffnung und einer Auslaßöffnung mit Hilfe seiner Feder unterbricht. Wenn die Magnetspule mit einem gewissen Strom beaufschlagt wird, erzeugt diese eine Magnetkraft entsprechend dem Eingangsstrom. Dementsprechend wird der Steuerkolben durch die Schubstange bewegt und gegen die Federkraft verschoben und öffnet den Ventilkegelabschnitt, woraufhin ein Teil des Fluids, welches durch die Einlaßöffnung fließt, als Steuerflüssigkeit durch die Drosselöffnung fließt, welche beide Seiten des Kolbens miteinander verbindet, wobei eine Druckreduktion in der veränderlichen Öffnung des Steuerabschnitts stattfindet. Die Steuerflüssigkeit, deren Druck reduziert wird, fließt durch den Ventilkegelabschnitt, die Federkammer, die Drosselöffnung und die Abflußöffnung zu einem Behälter, wodurch Druckunterschiede über den Drosselöffnungen des Kolbens und der Steuerspule erzeugt werden. In dem Steuerabschnitt wird das Öffnen der veränderlichen Öffnung gegen die Kraft der Magnetspule durch die Schubkraft des Steuerkolbens aufgrund des Druckunterschiedes und der auf den Ventilkegelabschnitt wirkenden Federkraft reguliert, so daß eine Durchflußrate entsprechend der Magnetventilkraft aufrechterhalten wird. Andererseits verlagert die Druckdifferenz über der Drosselöffnung, welche den Kolben überbrückt, entsprechend der Durchflußrate den Kolben in eine Position, in welcher die Druckkraft des Kolbens aufgrund der Druckdifferenz durch die den Kolben beaufschlagende Federkraft ausgeglichen wird. Dementsprechend ist die Durchflußrate des Fluids, welches von der Einlaßöffnung zu der Auslaßöffnung fließt, im wesentlichen proportional zur Kraft der Magnetspule.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung im Vergleich zum Stand
der Technik anhand der Zeichnung beschrieben. Dabei zeigt:
Fig. 1 eine Öldruckanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung,
Fig. 2 eine Grafik, welche den Zusammenhang zwischen dem Eingangsstrom einer
Magnetspule und dem Kolbenhub wiedergibt, und
Fig. 3 eine Öldruckanordnung unter Verwendung eines herkömmlichen Ventils.
Fig. 3 zeigt ein Beispiel eines herkömmlichen elektromagnetischen
Proportionaldrosselventils, wie es in dem eingangs
erwähnten Aufsatz dargestellt ist, mit
Druckrückkopplung in schematischer Darstellung. Das in
Fig. 3 dargestellte elektromagnetische Proportionaldrosselventil
umfaßt einen Steuerabchnitt 52
mit einem Proportionalkolben 51 und einen Hauptsteuerabschnitt
53 für die Durchflußrate. Der Hauptsteuerabschnitt
53 für die Durchflußrate umfaßt einen Ventilkörper
56 mit einer Einlaßöffnung 54 und einer Auslaßöffnung
55, welche mit der Einlaßöffnung 54 über eine
Ausnehmung verbunden ist, welche einen Ventilsitz 59
bildet, in welcher ein Kolben 57 angeordnet ist. Der
Kolben 57 wird von einer Feder 58 in Richtung des Ventilsitzes
59 beaufschlagt, um die Verbindung zwischen
der Einlaßöffnung 54 und der Auslaßöffnung 55 zu vermindern
oder zu unterbrechen. Der Steuerabschnitt 52
umfaßt eine Federkammer 60, welche eine Feder 61 aufnimmt,
und den Proportionalkolben
51, gegen welchen ein Steuerkolben 62 durch die Feder
61 gedrückt wird. Eine Ringnut 66 bildet zusammen mit einem
Kanal 55 des Steuerkolbens 62 eine veränderbare Öffnung und
bildet so einen Steuerabschnitt 70 für die Durchflußrate,
wobei die Einlaßöffnung 54 mit der Steuerleitung 64 verbunden
ist, in welcher eine unveränderliche Drosselstelle 63 angeordnet
ist. Die stromaufwärts gelegene Seite der Drosselstelle 63
ist mit der Federkammer 60 durch eine Verbindungsbohrung 69
verbunden, und die Ringnut 66 ist über eine Rückkopplungsausnehmung
67 mit einer (nicht bezeichneten) Fluidkammer des Proportionalkolbens
51 und einer Federkammer 68 des Kolbens 57 verbunden.
Im Betrieb befindet sich dann, wenn von der Solenoid-Spule
keine Kraft ausgeübt wird, der Steuerabschnitt 70 des Steuerkolbens
62 in geschlossenem Zustand, so daß über der Drosselstelle
63 keine Druckdifferenz vorliegt. Konsequenterweise liegt
auch keine Druckdifferenz über den Steuerkolben 62 ebenso
wie über dem Kolben 57 an. Dementsprechend ist die Verbindung
zwischen der Einlaßöffnung 54 und der Auslaßöffnung 55 durch
den Kolben 57 aufgrund der Wirkung der Feder 58 unterbrochen.
Wenn die Magnetspule 51 mit einem bestimmten Strom versorgt
wird und dementsprechend die Magnetspule 51 eine gewisse Kraft
ausübt, welche groß genug ist, den Steuerkolben 62 gegen die
Kraft der Feder 61 zu bewegen, wird der Steuerabschnitt 70
für einen Durchfluß mit einer bestimmten Rate geöffnet, so daß Flüssigkeit in die Steuerausnehmung
64 gelangt und durch den Steuerabschnitt 70,
die Kammer 71 und die Durchlaßöffnung 72 zu
dem Behälter 73 fließt, wodurch eine Druckdifferenz über der
Drosselstelle 63 entsteht. Die Druckdifferenz wird durch den
Steuerkolben 62 übertragen, um eine Durchfluß-Öffnung des
Steuerabschnitts 70 gegenüber der Kraft der Magnetspule
freizulassen, deren Wert von der Magnetspulenkraft abhängt,
und um den Kolben 57 nach oben in eine Position zu bewegen,
in welcher die auf den Kolben wirkende Kraft aufgrund der
Druckdifferenz und die Kraft der Feder 58 im Gleichgewicht
sind, um auf diese Weise eine Verbindung zwischen den Öffnungen 54
und 55 herzustellen.
In einer bekannten derartigen Vorrichtung muß der Steuerabschnitt
52 über den Steuerdurchlaß 64 hinaus mit einer Rückkopplungsleitung
67 zur Einführung des Steuerdrucks in die Fluidkammer 68 des Kolbens
57 versehen sein. Dementsprechend ist der Aufbau als solcher
kompliziert. Darüber hinaus muß, da der Steuerdruck der Proportionalmagnetspule
51 zugeführt wird, diese druckfest und wasserdicht
sein, wodurch das Ventil voluminös und teuer wird. Weiterhin
können, da ein kleiner Überlappungsbereich zwischen dem
Durchflußratensteuerabschnitt und dem Steuerkolben vorhanden
ist, in einer neutralen Position relativ große Fluidlecks
auftreten. Infolgedessen wird die Lastbeständigkeit der Vorrichtung
vermindert, wenn sie in einer Schaltung eingesetzt wird,
in welcher eine Last in der neutralen Position des Ventils
auftritt, insbesondere bei Verwendung in einem Kreis zur Herabsetzung
der Last einer Lasthebelvorrichtung.
Ein in Fig. 1 dargestelltes Proportionaldrosselventil
umfaßt einen Hauptsteuerabschnitt 1
und ein Steuerteil 2. Der Hauptsteuerabschnitt 1 umfaßt
einen Ventilkörper 3 mit einer Ventilbohrung 4, einen in die
Ventilbohrung 4 eingesetzten, in dieser gleitend verschiebbaren
Kolben 5, und eine den Kolben 5 in Richtung auf einen Ventilsitz 7
beaufschlagende Feder 6, wobei der Ventilsitz 7 in einem vorderen
Endabschnitt der Ventilbohrung 4 so ausgebildet ist, daß eine
Durchlaßöffnung zwischen der Einlaßöffnung 8 und der Auslaßöffnung
9 verschlossen wird.
Der Kolben 5 weist eine Drosselöffnung 11 auf, die eine
Federkammer 10, welche in einem hinteren Abschnitt des Kolbens 5
ausgebildet ist, mit der Einlaßöffnung 8 verbindet. Eine Ringnut
12 ist an einem Abschnitt der inneren Oberfläche der Ventilbohrung
4 ausgebildet, in welche sich die Auslaßöffnung 9 öffnet.
Eine Ringnut 13 und ein zurückspringender Abschnitt 14, welcher
mit der Ringnut 13 in Verbindung steht, sind in einem Abschnitt
des Kolbens 5 zwischen dem Ventilsitz 7 und einem Kolbenabschnitt
ausgebildet, welcher in seiner Lage der Ringnut 12 entspricht.
Der zurückspringende Abschnitt 14 dient dazu, einen geeigneten
Dichtbereich zwischen der Ringnut 12 und dem zurückspringenden
Abschnitt 14 auszubilden, wenn das Ventil geschlossen ist.
Das Steuerteil 2 umfaßt eine Hülse 16, die in eine Ventilbohrung
15 eingesetzt ist, welche in dem Ventilkörper 3 ausgebildet
und mit diesem fest verbunden ist, einen Vorsteuerventilkolben 17,
welcher gleitend in eine Bohrung der Hülse 16 angesetzt ist,
und ein Proportionalmagnet (Magnetspule) 19, welche koaxial zu dem
Kolben 17 an einer äußeren Seitenfläche 18 des Ventilkörpers
3 angeordnet ist. Der Vorsteuerventilkolben 17 ist an seinem
der Magnetspule 19 entgegengesetzten Ende mit einem Ventilkegelabschnitt
20 versehen, welcher mittels einer Feder 22 gegen Ventilsitz
21 gepreßt wird, welcher in dem hinteren Ende der Hülse 16
ausgebildet ist und den gleichen Durchmesser aufweist, wie
die Innenbohrung der Hülse 16. Ein vorderes Ende des Vorsteuerventilkolbens
17 liegt einer Schubstange 23 der Magnetspule 19 gegenüber,
wobei im unbestromten Zustand der Spule 19 ein leichter Zwischenraum
besteht, wenn der Ventilkegelabschnitt 20 in Kontakt mit dem
Ventilsitz 21 ist.
In dem Vorsteuerventilkolben 17 ist eine Drosselöffnung 26 ausgebildet.
Die Drosselöffnung 26 verbindet eine Federkammer 24 des Ventilkegelabschnitts
20 mit einer Kammer 25, in welcher die Schubstange
23 der Magnetspule 19 angeordnet ist. An der Außenseite
eines Mittelabschnitts des Vorsteuerventilkolbens 17 ist eine Ringnut 27
derart ausgebildet, daß sie mit der Federkammer 10 des
Hauptsteuerabschnitts 1 über eine durchgehende Öffnung 28 der
Hülse 16 eine Ringnut 29 und eine Steueröffnung 30 in
dem Ventilkörper 3 in Verbindung steht. Ein Vorsprung
32 ist an der Hülse 16 ausgebildet, und zwar zwischen der
Ringnut 27 und einer Ringausnehmung 31, welche anschließend
an den Ventilkegelabschnitt 20 ausgebildet ist. Der
Vorsprung 32 dient zusammen mit einer Mehrzahl von Ausnehmungen
33, welche mit der Ringnut 27 verbunden sind, zur Unterbrechung
der Verbindung zwischen einer Ringnut 39 in der Hülse 16
und der Ringnut 27 mit einer kleinen Dichtfläche zwischen
der Ringnut 39 und den Endabschnitten der Ausnehmungen 33, um
ein Leck von Fluiddruck von der Ringnut 27 und einem größeren
Vorsprung 34 zwischen der Kammer 25 und der
Nut 27 zu unterbringen. Die Kammer 25 ist mit einem Behälter
38 über eine Bohrung 36 der Hülse 16 und einen Durchlaß 37
in dem Ventilkörper 3 verbunden.
Zwei O-Ringe 35 sind an beiden Seiten der Durchlaßöffnung
28 der Hülse 16 vorgesehen.
Wenn im Betrieb der Eingangsstrom i der Magnetspule 19 Null
ist, steht der Ventilkegelabschnitt 20 des Steuerkolbens 17
in Kontakt mit dem Ventilsitz 21, so daß die Verbindung zwischen
der Ringnut 39 und der Federkammer 24 unterbrochen ist, wobei
die Verbindung zwischen der Nut 39 und den Ausnehmungen 33
durch den Dichtbereich unterbrochen ist, welcher durch den
Vorsprung 32 gebildet ist und die Verbindung zwischen
der Ringnut 27 und der Kammer 25 durch den
Vorsprung 34 unterbrochen ist. Dementsprechend existiert
praktisch kein Fluidleck zwischen der Ringnut 27 und der Überlaufleitung
37. Dementsprechend sind die Drucke auf beiden
Seiten des Kolbens 5 im wesentlichen einander gleich und dementsprechend
liegt der Kolben 5 gegen den Ventilsitz 7 aufgrund
der Einwirkung der Feder 6 an und unterbricht die Verbindung
zwischen der Einlaßöffnung 8 und der Auslaßöffnung 9. Andererseits
ist der Druck in einem Bereich des Steuerteils 2, welcher
die Federkammer 24 umfaßt, und in einem stromabwärts gelegenen
Bereich niedriger.
In dem vorstehend beschriebenen neutralen Zustand, wird dann,
wenn ein Strom i der Magnetspule 19 zugeleitet wird, durch
diese eine Kraft erzeugt, welche dem zugeführten Strom entspricht,
wodurch die Schubstange 23 den Vorsteuerventilkolben 17 nach
links gegen die Feder 22 drückt und der Ventilkegelabschnitt
20 geöffnet wird, so daß die Federkammer 24 mit der Ringnut
39 und diese mit der Ringnut 27 über eine veränderbare
Öffnung 40 verbunden wird, welche durch die Nut 39 und die
Ausnehmungen 33 gebildet wird. Dementsprechend geht ein Teil
des Fluids in der Einlaßöffnung 8 als Steuerfluid durch die
Drosselöffnung 11, die Federkammer 10, die Steueröffnung 30,
die Ringnut 29, die Verbindungsöffnung 28, die Ringnut 27
und die Ausnehmungen 33 und nach Druckreduktion in der veränderbaren
Öffnung 40 durch die Nut 39, die Federkammer 24, die Drosselöffnung
26, die Kammer 25, die Bohrung 36 und den Durchlaß
37 in den Behälter 38, wodurch Druckdifferenzen über
der Drosselöffnung 11 und der Drosselöffnung 26 entstehen.
Um dem Steuerteil 2 wirkt eine Schubkraft, welche durch den
Vorsteuerventilkolben 17 durch die Druckdifferenz über die Drosselöffnung
26 erzeugt wird, und die Kraft der Feder 22 wirkt gegen die
Kraft aufgrund des Magnetspulenstroms, wodurch die Öffnung
der veränderbaren Öffnung 40 gesteuert und dabei auch die
Durchflußrate auf einen Wert eingestellt wird, welcher der Magnetspulenkraft
entspricht. Andererseits erzeugt die Druckdifferenz
über der Drosselöffnung 11 des Kolbens 5, welche der Durchflußrate
entspricht, eine Kraft, welche den Kolben 5 gegen die
Kraft der Feder 6 in eine Lage drückt, in welcher sich beide
Kräfte das Gleichgewicht halten. Dementsprechend wird die
Durchflußrate des Fluids, welches von der Einlaßöffnung 8
zur Auslaßöffnung 9 fließt, im wesentlichen proportional zu
der durch den Strom in der Magnetspule erzeugten Kraft.
Da die Druckkraft der Magnetspule 19 im wesentlichen proportional
zu deren Strom i ist, ist die Bewegung x des Kolbens 5 im
wesentlichen proportional zu dem Strom i, wie in Fig. 2 dargestellt.
Es ist festzuhalten, daß wenngleich die Drosselöffnung 11
und 26 über dem Kolben 5 bzw. dem Vorsteuerventilkolben 17 in dem Kolben 5
bzw. in dem Steuerkolben 17 selbst ausgebildet sind, es alternativ
hierzu auch möglich ist, diese Drosselöffnungen in dem
Ventilkörper 3 selbst auszubilden.
Wie vorstehend beschrieben, ist es nicht erforderlich,
die Magnetspule mit dem Steuerdruck zu beaufschlagen,
und der Hauptsteuerteil ist über eine einzige Steueröffnung
mit dem Steuerteil verbunden, um die Durchflußregelung
im wesentlichen proportional zum Eingangsstrom zu ermöglichen.
Dementsprechend ist es nicht erforderlich, die Magnetspule
wasserdicht und druckfest auszubilden, so daß diese preisgünstig
und kompakt ausgeführt werden kann. Auch andere Bauteile neben
der Magnetspule können im Aufbau vereinfacht werden, so daß
das Steuerventil selbst im Größe und Kostenaufwand minimiert
werden kann. Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung
wird ein Lecken von Steuerfluid im neutralen Zustand durch
das Vorsehen des Ventilkegelabschnitts an einem Endabschnitt
des Vorsteuerventilkolbens ebenso wie durch die großen Dichtflächen
an dessen anderen Endabschnitt vermieden, so daß das Regelventil
in einem Schaltkreis verwendet werden kann, um eine Last in
einem neutralen Zustand zu halten, wie z. B. in einer Lasthalteschaltung
bei einer Lasthebevorrichtung.
Claims (1)
- Proportionaldrosselventil mit einem Hauptventilkolben (5), der von einem von einem Proportionalmagneten (19) betätigten Vor steuerventilkolben (17) mit zugeordneter variabler Drossel (40) vorgesteuert ist, wobei eine hydraulische Druckrückführung vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende des Vorsteuerventilkolbens (17) mit einem Ventilkegelabschnitt (20) versehen ist, welcher in einen korrespondierenden, an einem Ende einer den Vorsteuerventilkolben (17) umgebenden Hülse (16) ausgebildeten Ventilsitz (21) dichtend eingreift und so die variable Drossel (40) leckstromfrei absperrt, wenn sich der Proportionalmagnet (19) im stromlosen Zustand befindet.
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