DE3739824A1 - Vorgesteuertes 3-wege-druckregelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes 3-Wege-Druck­ regelventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung geht von einem bekannten Druckregelventil aus (DE-PS 29 03 560). Dabei ist der Hauptregelkolben vom Steuerdruck in Richtung einer Verbindung von der Pumpe zum Verbraucher belastet. Andererseits wirkt auf den Hauptregelkolben entgegen dem Steuerdruck der Verbraucher­ druck, der somit den Hauptregelkolben in Richtung einer Verbindung zwischen dem Verbraucher zum Tank belastet. Da auch der Vorsteuerkolben entgegen der Stellkraft vom Ver­ braucherdruck beaufschlagt ist, wird bei dem bekannten Druckregelventil der Verbraucherdruck auf beide Kolben als Istwert zurückgeführt. Es ist auch bekannt (DE-OS 33 23 363), bei einem vorgesteuerten 3-Wege-Druckregel­ ventil, den Steuerdruckraum für den Hauptregelkolben über ein Stromregelventil an die Pumpenzulaufleitung anzu­ schließen. Die Absteuerung des Steuerdrucks zum Tank er­ folgt über ein 2-Wege-Vorsteuerventil. Auch bei diesem Ventil ist der Hauptregelkolben entgegen dem Steuerdruck mit dem Verbraucherdruck belastet, der das Bestreben hat, die Verbindung zwischen der Pumpe und dem Verbraucher zu schließen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Druckregel­ ventil der eingangs geschilderten Art dahingehend weiter­ zubilden, daß die Regelstabilität erhöht wird, also beim Ändern des Sollwerts am Vorsteuerventil für den Verbraucher­ druck das Einschwingverhalten zu verbessern und Instabili­ täten zu vermeiden, die sich durch Druckschwankungen am Verbraucher äußern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im kenn­ zeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst.

Hieraus geht hervor, daß der dem Steuerdruckraum entgegen­ gesetzte Steuerraum des Hauptregelkolbens mit dem Pumpendruck beaufschlagt ist, und der Zulauf in den Steuerdruckraum über eine Drossel erfolgt, während das Vorsteuerventil ein 2-Wege­ ventil ist, das den Ablauf des Druckmittels aus der Steuer­ druckkammer zu einem niedrigeren Druckniveau steuert. Damit können vom Verbraucher verursachte Druckschwankungen nicht am Hauptregelkolben wirksam werden. Die Rückführung des Verbraucherdrucks erfolgt vielmehr allein auf das Vorsteuer­ ventil, das unabhängig vom Hauptventil ein entsprechend steifes Regelverhalten aufweisen kann. Damit wird die Regel­ stabilität des erfindungsgemäßen Ventils verbessert.

Weitere vorteilhafte Merkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Auch diese Merkmale dienen der Verbesserung des Einschwing­ verhaltens und der Regelstabilität. Außerdem wird eine ver­ einfachte Bauweise erzielt. Dies gilt insbesondere für das Vorsteuerventil.

Die Erfindung ist nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Druckregel­ ventils mit einem Vorsteuerventil,

Fig. 2 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem geänderten Vorsteuerventil und

Fig. 3 eine schematische Darstellung ähnlich Fig. 1, jedoch mit einem geänderten Hauptregelkolben.

In Fig. 1 ist ein Hauptregelkolben 1 in einer Bohrung 2 eines nicht näher dargestellten Gehäuses verschiebbar. Der Hauptregelkolben 1 weist zwei Steuerkanten 3 und 4 auf, über die eine zwischen den Steuerkanten liegende Ausnehmung 6 mit einem Kanal 8 oder mit einem Kanal 9 verbindbar ist. Der Kanal 8 ist an eine Pumpe 10 angeschlossen und der Kanal 9 ist an einen Tank T angeschlossen. Die Ausnehmung 6 zwischen den Steuerkanten ist über eine Leitung 11 an einen Ver­ braucher 12 angeschlossen.

Der Hauptregelkolben 1 begrenzt beidseits Steuerräume 14 und 15. Der Steuerraum 14 ist über eine Bohrung 16 stets mit dem Kanal 8 verbunden, ist also stets mit dem Druck der Pumpe 10 beaufschlagt. Der Steuerdruckraum 15 ist ebenfalls über eine Bohrung 17 mit dem Kanal 8 verbunden, so daß der Zulauf von Steuerdruckmittel in den Raum 15 von der Pumpe her erfolgt. In der Bohrung 17 ist eine Drossel 18 vorgesehen. Im Steuer­ druckraum 15 befindet sich eine Feder 20. Der Hauptregel­ kolben 1 liegt an einem gehäuseseitigen Anschlag 21 an, wenn die Verbindung von der Pumpe 10 über den Kanal 8 und die Steuerkante 3 zum Verbraucher voll geöffnet ist.

Die den Verbraucherdruck führende Ausnehmung 6 ist über eine Leitung 25 mit einem Federraum 26 des Vorsteuerventils ver­ bunden, in dem eine Feder 27 angeordnet ist. Der Verbraucher­ druck und die Feder 27 belasten somit die Stirnfläche 28 des Vorsteuerkolbens 30. Gegensinnig wirkt auf den Vor­ steuerkolben 30 die Stellkraft, die von einem Proportional­ magneten 32 erzeugt wird und von einem Stößel 33 am Anker 34 des Magneten auf die Stirnfläche 35 des Vorsteuerkolbens 30 übertragen wird. Die Stirnfläche 35 wirkt als Steuerkante für eine Öffnung 36, die in den Raum 37 mündet, der über eine Leitung 38 mit der Ausnehmung und damit mit dem Tank verbunden ist. Die Öffnung 36 mündet über einen Kanal 40 in den Steuerdruckraum 15 des Hauptventils.

In der dargestellten Ausführung ist der Anker 34 auf der dem Vorsteuerkolben 30 abgekehrten Seite mit einer Verlän­ gerung 43 versehen, die einen Federteller 44 aufweist. Zwischen dem Federteller 44 und dem Gehäuse befindet sich eine Feder 45, die somit gleichsinnig mit der Feder 27, also gegensinnig zur Stellkraft des Proportionalmagneten wirkt. Die Vorspannung der Feder 45 ist vorzugsweise ein­ stellbar. In einer nicht dargestellten Ausführungsform kann die Feder 45 entfallen und wird die von der Feder 45 aufgebrachte Federkraft auch von der Feder 27 geliefert.

Die Wirkungsweise des dargestellten Druckregelventils ist wie folgt:

Wird von dem Proportionalmagneten 32 keine Stellkraft auf­ gebracht, ist das Vorsteuerventil also in Ruhelage, so schiebt die Feder 27 den Vorsteuerkolben 30 nach rechts, so daß die Steuerkante 35 die Verbindung vom Steuerdruck­ raum 15 zur Tankleitung 38 absperrt.

Daraus folgt, daß der Druck in beiden Steuerräumen 14 und 15 des Hauptregelkolbens gleich ist und dem Pumpendruck entspricht. Die Druckfeder 20 schiebt den Hauptregelkolben 1 nach links, bis die Steuerkante 3 die Verbindung von der Pumpe 10 zur Verbraucherleitung 11 absperrt und die Steuer­ kante 4 die Verbindung der Verbraucherleitung 11 zum Tank T freigibt.

Somit ist bei stromlosem Proportionalmagneten 32 der nied­ rigst einstellbare Druck in der Verbraucherleitung 11 gleich dem Tankdruck, d.h. null bar. Durch die Sperrstellung der Steuerkante 3 in der Verbindung zwischen der Pumpe und dem Verbraucher ist ein Anfahrsprung des Verbrauchers 12 nicht möglich.

Soll nun der Verbraucherdruck erhöht werden, so wird der Proportionalmagnet 32 mit einem elektrischen Strom ange­ steuert. Der Magnetanker 34 schiebt den Vorsteuerkolben 30 nach links und die Steuerkante 35 gibt die Öffnung 36 frei, so daß der Steuerdruckraum 15 mit der Tankleitung 38 ver­ bunden wird. Damit sinkt der Steuerdruck. Ist der Steuer­ druck um das von der Feder 15 vorgegebene Δ p gegenüber dem Druck im Steuerraum 14 abgefallen, so bewegt sich der Hauptregelkolben 1 nach rechts, die Steuerkante 3 öffnet die Verbindung und die Steuerkante 4 schließt die Verbin­ dung. Damit strömt Pumpendruckmittel zum Verbraucher. Der im Verbraucher aufgebaute Druck belastet über die Leitung 25 und den Steuerraum 26 des Vorsteuerventils den Vorsteuer­ kolben 30. Ist der Verbraucherdruck und damit die auf die Kolbenfläche 28 des Vorsteuerkolbens 30 wirkende Kraft entgegen der Stellkraft des Proportionalmagneten 32 soweit angestiegen, daß beide Kräfte gleich groß sind, dann dros­ selt die Steuerkante 35 den Steuerdruck im Raum 15 auf den Druck im Steuerraum 14 minus dem Δ p der Feder 15.

Der Kolben 1 bewegt sich nach links in Regelstellung der Steuerkanten 3 und 4. Aus dem Anschluß 8 fließt entspre­ chend dem Querschnitt der Drossel 18 und dem Δ p der Feder 15 Steuerflüssigkeit über die Steuerkante 35 zur Tanklei­ tung 38.

Wird ein kleinerer Verbraucherdruck gewünscht, so wird der Sollwert des Vorsteuerventils verringert, d.h. die Magnet­ kraft auf den Vorsteuerkolben 30 entsprechend dem neuen Sollwert reduziert. Dadurch wird der Vorsteuerkolben 30 nach rechts verschoben und die Steuerkante 35 drosselt, so daß der Steuerdruck im Raum 15 ansteigt. Die Feder 20 schiebt den Kolben 1 nach links und die Steuerkante 3 schließt die Verbindung vom Anschluß 8 zum Verbraucher. Gleichzeitig öffnet die Steuerkante 4 die Verbindung vom Verbraucher zum Tank, so daß der Verbraucherdruck sinkt.

Sind der Verbraucherdruck und damit die hydraulische Kraft auf die Stirnfläche 28 des Vorsteuerkolbens 30 soweit abge­ sunken, daß die hydraulische Kraft auf die Kolbenfläche 28 kleiner ist als die Kraft des Proportionalmagneten 32, dann schiebt dieser den Vorsteuerkolben 30 nach links. Die Steuer­ kante 35 öffnet und der Steuerdruck im Raum 15 sinkt ab. Der höhere Druck im Steuerraum14 schiebt den Kolben 1 nach rechts in die neue Regelstellung.

Das Druckregelventil weist ferner folgende Eigenschaften auf, wenn am Vorsteuerventil Änderungen des Sollwerts vor­ genommen werden, um entsprechende Änderungen des Verbrau­ cherdruckes, nämlich von einem hohen Druck auf einen nied­ rigeren oder umgekehrt, einzustellen.

Bei einem elektrischen Sollwertsprung von einem niedrigen auf einen höheren Druck wird der Proportionalmagnet 32 mit einem entsprechend höheren elektrischen Strom angesteuert und damit die aufgebrachte Stellkräft erhöht. Diese Magnet­ kraft überwiegt gegenüber der auf der Kolbenfläche 28 la­ stenden hydraulischen Kraft. Dadurch ist der Stößel 33 in der Lage, den Vorsteuerkolben 30 nach links zu verschieben und dabei die Öffnung 36 zum Vorsteuerdruckraum 15 zu öffnen. Der Öffnungshub und somit auch der Drosselquer­ schnitt zwischen der Öffnung 36 und der Steuerkante 35 ist von der Differenz zwischen der Magnetkraft einerseits und der hydraulischen Kraft auf die Kolbenfläche 28 sowie der Federkonstante der Druckfedern 27 und 45 bestimmt. Die Federkonstante der Feder 45 ist verhältnismäßig groß ge­ wählt. Die Feder 45 besitzt also eine steile Federkenn­ linie. Durch Abströmen der Steuerflüssigkeit aus dem Raum 15 in die Tankleitung 38 sinkt der Steuerdruck.

Bei einem Sollwertsprung größer 30% vom gesamten Stell­ bereich schiebt der höhere Druck im Steuerraum 14 den Haupt­ regelkolben 1 nach rechts auf den Anschlag 21. Dabei wird die Feder 20 höher vorgespannt. Auch diese Druckfeder hat eine große Federkonstante. Der Verbraucherdruck steigt nun­ mehr an und der Vorsteuerkolben 30 wird nach rechts ver­ schoben. Damit entspannt sich die Feder 45 und im gleichen Maße erhöht sich die vom Proportionalmagneten aufgebrachte Stellkraft auf den Vorsteuerkolben 30 bis zum Wert des vorgegebenen Sollwertes.

Ist der Verbraucherdruck soweit angestiegen, daß die Diffe­ renz zum vorgegebenen Sollwert nur noch 30% vom gesamten Stellbereich des Ventils beträgt, ist der Vorsteuerkolben 30 in eine Stellung verschoben, in der der Drosselquer­ schnitt an der Steuerkante 35 so dimensioniert ist, daß der Vorsteuerdruck im Raum 15 den Hauptregelkolben 1 noch nicht vom Anschlag 21 abhebt. Der Kolben 1 befindet sich somit noch am Anschlag 21. Die hydraulische Kraft zwischen den beiden Kolbenstirnflächen in den Räumen 14 und 15 ist mit der Feder ausgeglichen. Steigt der Verbraucherdruck weiter an, so wird von der Steuerkante 35 des Vorsteuer­ kolbens der Öffnungsquerschnitt 36 verringert und damit der Steuerdruck erhöht. Damit beginnt die Schließbewegung des Kolbens 1, die somit bei etwa 30% vom gesamten Stellbe­ reich für den Verbraucherdruck beginnt. Von der Feder 45 wird somit die Kraft des Proportionalmagneten auf den Vor­ steuerkolben 30 beeinflußt, die eine vorgezogene Schließ­ bewegung des Hauptregelkolbens zur Folge hat.

Unterstützt wird die vorgezogene Schließbewegung zusätzlich durch die große Federkonstante der Feder 20. Die hohe Federkonstante erzeugt ein großes Δ p zwischen den Drücken in den Steuer­ räumen 14 und 15. Durch dieses Δ p erhöht sich die über die Drossel 18 in den Vorsteuerdruckraum 15 einfließende Steuer­ ölmenge beachtlich. Hieraus folgt ein Rückstau an der Dros­ selstelle 36, der die vorgezogene Schließbewegung des Hauptregelkolbens 1 unterstützt. Durch diese Maßnahme wird das Einschwingverhalten unabhängig vom Mediumvolumen und vom Verbraucherdruck verbessert. Auch ist der Verbraucher­ druck nicht direkt auf den Hauptregelkolben zurückgeführt, so daß sich entsprechende Druckschwankungen, die vom Ver­ braucher verursacht sind, nicht so stark auf das Haupt­ ventil auswirken. Die Rückführung des Verbraucherdrucks erfolgt nur auf das Vorsteuerventil, dessen Regelverhalten entsprechend steif ausgelegt werden kann, so daß sich Druckschwankungen des Verbrauchers weniger nachteilig auswirken können.

Bei Sollwertsprüngen kleiner 30% vom gesamten Stellbereich des Vorsteuerventils ist die vorgezogene Schließbewegung des Hauptregelkolbens anteilig kleiner.

Umgekehrt wird auch bei einem elektrischen Sollwertsprung von einem hohen auf einen niedrigen Druck das Einschwing­ verhalten verbessert.

In Fig. 2 ist eine Ausführung dargestellt, in der ledig­ lich der Vorsteuerkolben 30′ des Vorsteuerventils abge­ ändert ist. Hierbei handelt es sich um ein Sitzventil, das die Verbindung zwischen der Steuerdruckleitung 40 zu der den Verbraucher führenden Leitung 25 steuert. Alle anderen Bauteile sind baugleich mit den in Fig. 1 dargestellten Ventilen und mit den gleichen Bezugszeichen versehen. Da somit der Drosselquerschnitt zur Einstellung des Steuer­ drucks im Raum 15 zum Verbraucherdruck hin erfolgt, muß der Steuerdruck im Vergleich zum einzustellenden Verbraucher­ druck entsprechend hoch sein.

In Fig. 3 ist eine geänderte Ausführungsform des Haupt­ regelkolbens 1 dargestellt. Im übrigen sind die Bauteile baugleich mit der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform und tragen gleiche Bezugszeichen. In Fig. 3 mündet die Pumpendruckleitung 10 in den Steuerraum 14 und die Steuer­ kanten 3 und 4 sind beidseits eines Kolbenabschnitts des Hauptregelkolbens 1 angeordnet, so daß je nach Lage des Hauptregelkolbens die zum Verbraucher 12 führende Leitung 11 über den Steuerraum 14 mit dem Systemdruck oder über die Ausnehmung 9 mit dem Tank verbindbar ist.

Claims (12)

1. Vorgesteuertes 3-Wege-Druckregelventil, dessen Haupt­ regelkolben auf beiden Stirnseiten Steuerräume begrenzt, von denen der eine Steuerraum von dem vom Vorsteuerventil festgelegten Steuerdruck beaufschlagt ist, wobei vom Haupt­ regelkolben abhängig vom Steuerdruck ein Verbraucher mit einer Pumpe oder einem Tank verbindbar ist, und bei dem der Vorsteuerkolben vom Verbraucherdruck entgegen der auf den Vorsteuerkolben wirkenden Stellkraft beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß beide Steuer­ räume (14, 15) des Hauptregelkolbens (1) mit der Pumpe (10) verbunden sind, wobei im Zulauf zum Steuerdruckraum (15) eine Drossel (18) vorgesehen ist, daß der Steuerdruck den Hauptregelkolben in Richtung der Verbindung des Verbrauchers (12) mit dem Tank und der Pumpendruck den Hauptregelkolben in Richtung der Verbindung des Verbrauchers (12) mit der Pumpe (10) belastet, und daß die Absteuerung des Steuer­ drucks auf ein niedrigeres Druckniveau am Vorsteuerkolben (30) mit steigendem Verbraucherdruck gedrosselt wird.

2. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vom Vorsteuerkolben (30) die Verbindung des Steuerdruckraums (15) mit einer zum Tank führenden Leitung (38) steuerbar ist.

3. Druckregelventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß vom Vorsteuerkolben (30′) die Verbindung des Steuerdruckraums (15) mit einer zum Verbraucher führenden Leitung (25) steuerbar ist (Fig. 2).

4. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß entgegen der Stellkraft auf den Vorsteuerkolben (30) eine Federkraft drückt.

5. Druckregelventil nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß von der Feder (27, 45) eine vorbestimmte Mindestkraft aufgebracht wird, wenn sich der Vorsteuerkolben (30) im Drosselbereich befindet und daß dabei ein Verbraucherdruck einstellbar ist, der kleiner ist als der von der Stellkraft vorgegebene Sollwert des Verbraucherdrucks, und daß durch die Drosselung der Steuer­ druck soweit erhöht wird, daß der Hauptregelkolben (1) in Richtung des Schließens der Verbindung zwischen Verbraucher (12) und Pumpe (10) belastet wird.

6. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuer­ ventil von einem Proportionalmagneten (32) betätigbar ist.

7. Druckregelventil nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß am Anker (34) des Propor­ tionalmagneten eine zusätzliche Feder (45) angeordnet ist, die gleichsinnig mit einer den Vorsteuerkolben (30) bela­ stenden Feder (27) und gleichsinnig mit dem Verbraucher­ druck sowie gegensinnig zur Stellkraft wirkt.

8. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß beim Erhöhen des Verbraucherdrucks der Steuerdruck soweit abgesenkt wird, daß der Hauptregelkolben (1) entgegen der Kraft einer im Steuerdruckraum (15) angeordneten Druckfeder (20) an einem gehäuseseitigen Anschlag (21) abgestützt ist.

9. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Haupt­ regelkolben (1) in Schließrichtung bewegbar ist, wenn der Verbraucherdruck bis auf etwa 30% vom gesamten Stellbereich an den eingestellten Sollwert des Vorsteuerventils ange­ langt ist.

10. Druckregelventil nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (20) des Hauptregelkolbens eine hohe Federkonstante aufweist.

11. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (45) des Vorsteuerkolbens eine hohe Federkonstante aufweist.

12. Druckregelventil nach einem der Ansprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die entgegen der Stellkraft des Vorsteuerventils wirkenden Federkräfte von einer einzigen Feder aufgebracht werden.