DE3612684A1 - Hydraulische steuervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrich­ tung der im Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1 ange­ gebenen Art.

In der Praxis sind Regelventile bekannt, die besonders geeignet sind für Geschwindigkeits- und Lageregelun­ gen von Bewegungen in einer Richtung gegen Last. Dabei ist eine hydraulische Steuervorrichtung vorgesehen, in deren Steuerkreis die Blende und das Dreiwege-Vorsteuer­ ventil sowie das externe Stellglied enthalten sind. Das Dreiwege-Vorsteuerventil erzeugt in Abhängigkeit von der Stellkraft des Stellgliedes an seinem Steueranschluß ei­ nen Druck, der das Blendenelement gegen die Kraft der Feder und den Druck in der Ablaufleitung beaufschlagt, um eine bestimmte vorgewählte Blendenöffnungsgröße aufrechtzuerhalten. Der zweite Ausgang des Dreiwege-Vor­ steuerventils ist mit dem Tank verbunden, um zum Senken des Drucks am Steueranschluß Druckmittel ablassen zu können. Damit die Steuervorrichtung auf sich ändernde Drücke in der Zulauf- und/oder in der Ablaufleitung rea­ gieren kann, ist eine Wegaufnahmevorrichtung zur Lagere­ gelung des Blendenelementes erforderlich, mit der die jeweilige Lage des Blendenelementes abgetastet und dem Stellglied mitgeteilt wird, das rückwirkend die Stell­ kraft verändert, um über das Vorsteuerventil die vorher gewählte Blendenöffnungsgröße hydraulisch zu halten. Die Wegaufnahmeeinrichtung ist baulich aufwendig und

teuer. Ferner ist das Dreiwege-Vorsteuerventil aufwendig und teuer in der Herstellung, weil es im wesentlichen den vollen Arbeitsdruck gegenüber dem Ablaufdruck zum Tank verarbeiten muß. Ferner ist ein aufwendiger elek­ trischer Steuerkreis notwendig.

Aus der Zeitschrift Ölhydraulik + Pneumatik, 25 (1981) Nr. 8, Seiten 617 bis 624, sind elektrisch geregelte Zweiwege-Einbauventile bekannt, die einem neuen Konzept entsprechend entwickelt wurden. Auf Seite 618, oben,sind unterschiedliche Möglichkeiten für die Wegrückführung gezeigt, unter anderem auch mit sogenannten Folge-Kol­ bensystemen. Das letztgenannte Prinzip ist jedoch für eingangs genannte Steuervorrichtungen nur bedingt brauchbar, da es für verschiedene Anwendungszwecke un­ zulässige Leckverluste in der Nullstellung sowie ein Arbeitsverhalten bedingt, dessen Regelkennung erst bei einem bestimmten Druck mit einem stufenförmigen Übergang beginnt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuer­ vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der eine gewählte Blendenöffnungsgröße auf baulich ein­ fache Weise und mit einem einfachen und preiswerten Vor­ steuerventil bei Druckänderungen in der Zulauf- und/oder in der Ablaufleitung beibehalten wird.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Ausbildung überlagert sich der Druck in der Ablaufleitung im Vorsteuerventil linear dem Druck am Steueranschluß des Vorsteuerventils, so daß die Druck­ differenz zwischen dem Druck im Steueranschluß des Vor­ steuerventils und dem Ablaufdruck stets der Kraft des Stellgliedes proportional ist. Das Vorsteuerventil braucht nur die verhältnismäßig kleine Druckdifferenz zwischen dem Druck in seinem Steueranschluß und dem Ab­ laufdruck zu verkraften, was den Vorteil bringt, daß das Vorsteuerventil einfach und preiswert ausgebildet sein kann und trotzdem eine außerordentlich wirksame Verstärkung für das externe Verstellglied bildet. Daraus resuliert der besondere Vorteil der Steuervorrichtung, weil nämlich ein Stellglied mit verhältnismäßig schwa­ cher Stellkraft ausreicht, auch hohe Drücke und große Fördermengen problemlos zu verarbeiten. Ist das Stell­ glied beispielsweise ein Proportionalmagnet, so kann dieser schwach und damit klein und preiswert ausgelegt sein. Die hohen Kräfte, die bei gegebenenfalls hohem Ar­ beitsdruck vorliegen, erzeugt das Vorsteuerventil mit Hilfe des aus dem Druck in der Zulaufleitung aufgebauten Drucks im Steueranschluß, der verhältnismäßig hoch sein kann, aber trotzdem durch den Druck in der Ablaufleitung so weit kompensiert wird, daß das Stellglied trotz der hohen verarbeiteten Drücke nur geringe Stellkräfte auf­ zubringen braucht und auch das Vorsteuerventil nur die vorerwähnte relativ kleine Druckdifferenz zu verkraften hat. Einzige grundsätzliche Voraussetzung für das ordnungsgemäße Arbeiten der hydraulischen Steuervorrich­ tung ist, daß der in der Zulaufleitung herrschende Druck stets größer als der Druck in der Ablaufleitung ist, da­ mit der am Steueranschluß des Vorsteuerventils benötigte Druck, der größer als der Druck in der Ablaufleitung sein muß, erzeugt werden kann, und daß ferner der Druck in der Ablaufleitung das Blendenelement entgegen dem Druck vom Steueranschluß des Vorsteuerventils belastet. Die mit der eingestellten Stellkraft des Stellgliedes gewählte Blendenöffnungsgröße in der Blende wird somit ohne gesonderte Wegaufnehmeeinrichtung bei Druckänderungen in der Zulauf- und/oder der Ablauflei­ tung selbsttätig gehalten. Da das Vorsteuerventil nur die geringe Druckdifferenz zu verarbeiten hat, kann es praktisch mit Null-Überdeckung arbeiten und die Druck­ schwankungen sehr feinfühlig ausregeln und trotzdem beim Ein- und Ausschalten der Steuervorrichtung rasch ansprechen. Die grundlegendsten Vorteile dieser Ausbil­ dung sind die Möglichkeit, auch bei hohen Drücken und großen Fördermengen ein verhältnismäßig schwaches Stell­ glied zu benutzen, und die Möglichkeit, ohne eine teure Wegaufnehmeeinrichtung ein einfaches und deshalb preis­ wertes Vorsteuerventil einzusetzen.

Eine zweckmäßige Ausführungsform geht weiterhin aus An­ spruch 2 hervor. Ein handelsübliches Druckminderventil läßt sich besonders nutzbringend und kostensparend ein­ setzen, es braucht nur sein Tankanschluß mit der Ablauf­ leitung verbunden zu werden.

Zweckmäßig ist ferner die Ausführungsform von Anspruch 3, weil mit der Nullstellungsfeder erreicht wird, daß das Vorsteuerventil beim Ausschalten der Vorrichtung selbsttätig seine Nullstellung einnimmt und sein Ven­ tilelement nicht in einer Zwischenstellung hängen­ bleibt.

Ein weiterer, wichtiger Gedanke geht aus Anspruch 4 hervor. Da die Druckdifferenz stets der Stellkraft des Proportionalmagneten proportional bleibt, wird neben dem Vorteil, daß die mit einer bestimmten Stellkraft gewählte Blendenöffnungsgröße bei Druckschwankungen selbsttätig gehalten wird, eine exakt proportionale Veränderung der Blendenöffnungsgröße in Abhängigkeit von der Strombeaufschlagung des Proportionalmagneten erreicht. Der Proportionalmagnet kann verhältnismäßig schwach ausgelegt sein, so daß er kostengünstig ist und kompakte Abmessungen erreicht werden.

Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform geht aus An­ spruch 5 hervor. In der Nullstellung des Vorsteuerven­ tils nimmt die Blende selbsttätig ihre Schließstellung ein, wie es für bestimmte Anwendungsfälle erforderlich ist. Die das Blendenelement beaufschlagende Feder be­ stimmt im übrigen die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steueranschluß des Vorsteuerventils und dem Druck in der Ablaufleitung.

Bei einer anderen, für andere Anwendungszwecke geeigne­ ten Ausführungsform sind die Merkmale von Anspruch 6 wichtig, da dann die Blende in der Nullstellung des Vor­ steuerventils selbsttätig ihre volle Öffnungsstellung einnimmt.

Wichtig ist schließlich auch das Merkmal von Anspruch 7, weil die Steuervorrichtung mit der Druckwaage eine last­ kompensierte Stromregelventileinrichtung schafft, die sich durch kompakte Außenabmessungen und nur wenige Ein­ zelteile auszeichnet. Die Blende mit der Steuervorrich­ tung bildet bei dieser Ausbildung die Regelblende der Druckwaage. Die Druckwaage sorgt im übrigen für den stets höheren Druck in der Zulaufleitung.

Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungs des Erfindungsgegenstandes erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Blende mit einer schematisch angedeuteten hydraulischen Steuer­ vorrichtung,

Fig. 2 als Blockschaltbild eine lastkompen­ sierte Stromregeleinrichtung, und

Fig. 3 + 4 zwei Ausführungsvarianten der Blende.

In Fig. 1 ist eine Blende 1 schematisch dargestellt, die in einem nicht näher gezeigten Gehäuse untergebracht ist. Im Gehäuse ist ein Ringkanal 2 als Teil einer Blen­ denkammer 6 vorgesehen, aus der nach unten ein Ablaufka­ nal 3 herausgeführt ist. Zum Ringkanal 2 führt eine Zu­ laufleitung 4. Vom Ablaufkanal 3 führt eine Ablauflei­ tung 5 weg. In der Blendenkammer 6 ist ein Blendenele­ ment 7 in Form eines Blendenkolbens verschiebbar geführt, das radial verteilte Durchgänge 8 aufweist. Das Blendenelement 7 wird durch eine Feder 9 in Fig. 1 nach oben beaufschlagt. Das Blendenelement 7 teilt die Blen­ denkammer 6 in eine obere Kammer 10 und eine untere Kam­ mer 11. Die Durchgänge 8 definieren mit ihren Rändern zusammen mit Begrenzungskanten 13 des Ringkanals 2 eine Blendenöffnung 14, deren Größe in Abhängigkeit von der Hubstellung des Blendenelementes 7 veränderbar ist. In die Kammer 10 mündet ein Kanal 15. An die Zulaufleitung 4 ist eine Steuerleitung 16 angeschlossen, die in eine strichliert angedeutete hydraulische Steuervorrichtung 17 führt, die über eine Leitung 18 mit dem Kanal 15 und über eine Leitung 19 mit der Ablaufleitung 5 verbunden ist. Anstelle der von der Zulaufleitung 4 abzweigenden Steuerleitung 16 könnte auch eine getrennte und extern versorgte Steuerleitung vorgesehen sein.

Wird das Blendenelement 7 in Fig. 1 nach unten bewegt, so wird die Größe der Blendenöffnung 14 verkleinert. In der unteren Endstellung des Blendenelementes 7 ist die Blendenöffnung 14 verschlossen. In der oberen Endstel­ lung des Blendenelementes 7 ist hingegen die Blenden­ öffnung mit voller Größe geöffnet.

Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die hydraulische Steuer­ vorrichtung 17 ein Dreiwege-Vorsteuerventil 20 enthält, das ein übliches Druckminderventil einfacher Bauart sein kann. Ein mit 23 bezeichnetes Ventilelement des Drei­ wege-Vorsteuerventils 20 wird durch eine schwache Null­ stellungsfeder 21 und durch mittels einer Vorsteuerlei­ tung 22 von der Leitung 18 abgeleiteten Druck in Rich­ tung nach oben beaufschlagt. Dieser Beaufschlagung wirkt der über eine Steuerleitung 25 von der Leitung 19 abge­ leitete Druck am oberen Ende des Ventilelementes 23 ent­ gegen. Ferner greift am Ventilelement 23 ein Stellglied 24 an, das zur Verstellung seiner beispielweise nach unten gerichteten Stellkraft extern betätigbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Stellglied 24 ein Proportio­ nalmagnet, dessen Magnetkraft sich proportional zur Strombeaufschlagung verändert.

Ferner ist in Fig. 2 angedeutet, daß die Zulaufleitung 4 und die Ablaufleitung 5 durch eine Druckwaage 26 geführt sind, die dafür sorgt, daß der Druck in der Zulauflei­ tung 4 stets höher ist, als in der Ablaufleitung 5. Auf diese Weise wird insgesamt eine lastkompensierte Strom­ regelventileinrichtung geschaffen.

Die hydraulische Steuervorrichtung arbeitet wie folgt:

Vor Betriebsaufnahme hat die Feder 9 das Blendenelement 7 in die obere Endstellung verschoben; die Blendenöff­ nung 14 hat ihre volle Größe. Das Stellglied 24 bringt keine Stellkraft auf. Die Nullstellungsfeder 21 hat das Ventilelement 23 in seine obere Endstellung verschoben (entsprechend der symbolischen Darstellung in Fig. 2); die Verbindung von der Leitung 18 zur Leitung 19 ist offen.

Wird nun Druck eingespeist, so wird auch mit dem Stell­ glied 24 eine vorbestimmte Stellkraft eingestellt, die einer bestimmten Größe der Blendenöffnung 14 ent­ spricht. Das Ventilelement 23 des Vorsteuerventils 20 hat sich nach unten bewegt, so daß aus der Leitung 16 mit ihrem Druck P _A im Steueranschluß des Vorsteuerven­ tils 20 ein Druck P _X aufgebaut wird, der über die Lei­ tung 18 das Blendenelement 7 oben belastet und nach un­ ten verschiebt, so daß die Blendenöffnung 14 allmählich geschlossen wird. Der sich bis dahin in der Ablauflei­ tung 5 aufbauende Druck B erzeugt in der Leitung 19 den Druck P _B, der über die Steuerleitung 25 zusammen mit der Stellkraft des Stellgliedes 24 das Ventilelement 23 nach unten belastet, so daß sich zwischen dem Druck P _X und dem Druck P _B eine Druckdifferenz einstellt, die exakt der Stellkraft des Stellgliedes 24 proportional ist. Unter der Kraft der Feder 9 und mit dem Druck B in der Leitung L wird das Blendenelement 7 in einer vorbestimm­ ten Hubstellung gehalten, in der die vorbestimmte Blen­ denöffnungsgröße eingestellt ist. Es ergibt sich ein Gleichgewichtszustand.

Steigt bei einer Anwendung der Blende 1 in Verbindung mit einer Druckwaage 26 (wie in Fig. 1 angedeutet) der Druck A in der Zulaufleitung 4, so steigt auch der Druck P _B in der Leitung 19 und der Steuerleitung 25, die das Ventilelement 23 geringfügig nach unten verlagert, so daß auch der Druck P _X in der Leitung 18 und in der Steuerleitung 22 steigt, der wegen des ebenfalls stei­ genden Druckes P _B der Tendenz des Blendenelementes 7, sich nach oben zu bewegen, entgegenwirkt und das Blen­ denelement in der Hubstellung festhält, die der vorgewählten Größe der Blendenöffnung 14 entspricht.

Sinkt oder steigt hingegen bei einer Anwendung der Blen­ de 1 ohne eine Druckwaage der Druck A, so ändert sich die Stellung des Blendenelementes 7 nicht, da der Druck A sowohl beim Blendenelement 7 als auch im Vorsteuerven­ til 20 radial eingespeist wird, darart, daß er keine Kraft in axialer Richtung erzeugen kann.

Steigt hingegen der Druck B in der Ablaufleitung 5, was über die Steuerleitung 11 ein Anheben des Blendenelemen­ tes 7 bewirken möchte, so wird auch das Ventilelement 23 über die Steuerleitung 25 geringfügig nach unten bewegt, damit aus dem Druck P _A der Druck P _X in der Leitung 18 entsprechend erhöht wird, bis wieder die eingestellte Größe der Blendenöffnung 14 gehalten ist.

Sinkt der Druck B in der Ablaufleitung 5, möchte der Druck P _X in der Leitung 18 das Blendenelement 7 nach un­ ten bewegen. Da gleichzeitig der Druck P _B in der Leitung 19 und in der Steuerleitung 25 sinkt, ist das Ventilele­ ment 23 unter dem noch hohen Druck in der Steuerleitung 22 geringfügig nach oben verlagert, so daß der Druck P _X in der Leitung 18 über die Leitung 19 entsprechend abge­ senkt wird, damit die Größe der Blendenöffnung 14 gehal­ ten wird.

Auf diese Weise wird die durch das Stellglied 24 vorge­ gebene Größe der Blendenöffnung 14 bei Druckschwankun­ gen selbsttätig eingehalten.

Ob die Menge des über die Blendenöffnung 14 strömenden Druckmittels konstant gehalten wird, oder das Druckge­ fälle, ist für die Steuervorrichtung 17 ohne Bedeutung. Dies spielt auch für viele Anwendungsfälle keine Rolle, sondern entscheidend ist das Aufrechterhalten einer be­ stimmten Größe der Blendenöffnung 14. Soll auch die Men­ ge konstant gehalten werden, so kann dazu die Druckwaa­ ge 26 in üblicher Weise benutzt werden.

Fig. 3 und 4 zeigt zwei Möglichkeiten zur Ausbildung der Blende. Fig. 3 zeigt die in Fig. 1 gezeigte Blende in symbolhafter Darstellung, wobei die Feder 9 dafür sorgt, daß in Nullstellung die Blende 1 ihre volle Öffnungs­ stellung einnimmt.

Bei der Ausführungsform der Blende 1′ gemäß Fig. 4 ist hingegen vorgesehen, daß die Blende in Nullstellung ihre volle Schließstellung einnimmt, in der die Verbindung von der Zulaufleitung zur Ablaufleitung unterbrochen ist. Grundvoraussetzung für das einwandfreie Funktionieren der Steuervorrichtung ist es, daß der Druck P _A und somit der Druck in der Zulaufleitung 4 größer oder gleich ist der Summe aus dem Druck P _B entsprechend dem Druck B in der Ablaufleitung 5 zuzüglich der maximalen Druckdifferenz, die das Dreiwege-Vorsteuerventil 20 zu verarbeiten vermag. Der in der Leitung 18 herrschende Druck P _X ergibt sich aus der Summe des Druckes P _B in der Leitung 19 (entsprechend dem Druck B in der Ablauflei­ tung 5) und der jeweiligen Druckdifferenz des Dreiwege-Vorsteuerventils 20, d.h., der Druckdifferenz zwischen dem Druck P _X und dem Druck P _B.

Wichtig ist auch, daß das Dreiwege-Vorsteuerventil in der Nullstellung praktisch ohne Leckverluste arbeitet, so daß es z.B. bei Gabel- oder Hubstaplern problemlos eingesetzt werden kann.

Claims (7)

1. Hydraulische Steuervorrichtung mit einer Blende (1) mit einer hydraulisch verstellbaren Blendenöffnung (14) zwischen einer Zulauf- und einer Ablaufleitung (4, 5), mit einem Dreiwege-Vorsteuerventil (20), dessen Ventil­ element (23) mit einem externen Stellglied (24) in Ver­ bindung steht, und das mit seinem Eingang an eine Zu­ laufsteuerdruckleitung (16) und mit seinem Steueran­ schluß an eine Kammer (10) der Blende (1) angeschlos­ sen ist, in der ein Blendenelement (7) entgegen dem Druck in der Ablaufleitung (5) und der Kraft einer Fe­ der (9) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) mit der Ablaufleitung (5) verbunden ist, daß das Ventil­ element (23) des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) entgegen der Stellkraft des externen Stellgliedes (24) vom Druck im Steueranschluß und in der entgegengesetzten Richtung vom Druck im zweiten Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerven­ tils (20) beaufschlagt wird, und daß der Druck in der Zulaufleitung (4) um mindestens den maximalen Wert der möglichen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steuer­ anschluß und dem Druck im zweiten Ausgang größer ist als der Druck in der Ablaufleitung (5).

2. Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß das Dreiwege-Vorsteuerventil (20) ein Druckminderventil ist, dessen Tankausgang mit der Ablaufleitung (5) verbunden ist.

3. Hydraulische Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilelement (23) des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) parallel zum Druck im Steueranschluß eine schwache Nullstellungsfeder (21) wirksam ist.

4. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das externe Stellglied (24) ein Proportionalmagnet mit zur Strombeaufschlagung proportionaler Stellkraft ist, und daß die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steueran­ schluß und dem Druck im zweiten Ausgang des Dreiwege­ Vorsteuerventils (20) der jeweiligen Stellkraft des Pro­ portionalmagneten proportional ist.

5. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenelement (7) unter der Kraft der Feder (9) in eine Schließstellung der Blendenöffnung (14) bewegbar ist.

6. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenelement (7) unter der Kraft der Feder (9) in eine volle Öffnungsstellung der Blendenöffnung (14) bewegbar ist.

7. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (1) die Regelblende einer Druckwaage (26) ist.