DE4031628A1 - 3-wege-regelventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 3-Wege-Regelventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartige Ventile dienen zur präzisen Regelung eines Verbrauchers in Abhängigkeit von vorzugsweise elektri­ schen Ansteuersignalen einer Regelschaltung, um auf diese Weise eine hohe Dynamik der Druckregelung sicherzustellen.

Bei konventionell ausgeführten 3-Wege-Regelventilen ist der Regelkolben in der einen Richtung vom Regeldruck und von der Kraft einer Feder und in der anderen Richtung von einem Steuerdruck beaufschlagt, der über ein elektrisch angesteuertes Vorsteuerventil ein­ gestellt wird. Die Feder zusammen mit dem Regeldruck beaufschlagt den Regelkolben in Richtung einer Verbin­ dung eines Tankanschlusses mit dem Regeldruckraum, wäh­ rend der Steuerdruck den Regelkolben in eine Stellung zu verschieben sucht, in der der Regeldruckraum mit ei­ nem Systemdruckanschluß verbunden ist.

Es hat sich gezeigt, daß derartige Regelventile oftmals den Anforderungen an die Regeldynamik bzw. Re­ gelgeschwindigkeit nicht genügen, insbesondere dann, wenn die Druckregelung in einem Druckbereich stattfin­ den soll, indem der Druck im Regeldruckraum annähernd dem Druck am Systemdruckanschluß entspricht. Diese Be­ triebsbedingungen treten beispielsweise dann auf, wenn ein Verbraucher, beispielsweise ein Linearmotor unter hohem Lastdruck einer Lageregelung oder auch Druckrege­ lung unterzogen wird.

Um für diese Einsatzfälle eine ausreichend hohe Regel­ geschwindigkeit bereitzustellen, wurde vom Erfinder be­ reits ein 3-Wege-Regelventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 entwickelt, das in der DE 38 05 288 A1 beschrieben ist. Gemäß diesem bekannten Lösungs­ prinzip wird der Regelkolben mit einem Stellkolben ver­ bunden, dessen vom Steuerdruck und gegensinnig vom Re­ geldruck beaufschlagte wirksame Arbeitsflächen kleiner sind als die Querschnittsfläche des Regelkolbens. Gemäß einer Ausführung des Stellkolbens ist dieser als Stu­ fenkolben ausgebildet, dessen größere Querschnittsflä­ che mit dem Steuerdruck und dessen kleinere Quer­ schnittsfläche mit dem Regeldruck beaufschlagt ist. Mit dieser Gestaltung gelingt es, das Druckgefälle zur Ver­ stellung des Regelkolbens zu vergrößern und auf diese Weise die Regeldynamik zu erhöhen, auch wenn der Regel­ druck annähernd an den von der Druckmittelquelle be­ reitgestellten Systemdruck heranreicht. Dieser Vor­ schlag, gemäß dem die Anhebung der Regeldynamik mit ei­ nem erhöhten Platzbedarf erkauft wird, beruht zudem auf dem Gedanken, die beim Ansteuervorgang fließenden Steu­ erdruck-Volumenströme möglichst klein zu halten und auf diese Weise die Ansprechgeschwindigkeit des Regelven­ tils positiv zu beeinflussen. Allerdings erfordert die­ ses Konzept eine äußerst genaue Fertigung im Bereich der Steuerkanten des Vorsteuerventils, um mit kleinen Steuerdruck-Volumenströmen die angestrebte Regeldynamik sicherzustellen.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, das 3-Wege-Regelventil gemäß dem Oberbegriff des Pa­ tentanspruchs 1 in der Weise weiterzubilden, daß die Regelgeschwindigkeit unter Vereinfachung des Ventilauf­ baus und mit verringerten Herstellungskosten im ge­ samten Betriebsbereich des Regelventils gleichbleibend hoch gehalten werden kann.

Diese Aufgabe wird duch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Erfindungsgemäß wird der Regelkolben selbst mit zwei unterschiedlichen Wirk-Druckflächen ausgestattet, von denen die mit dem Steuerdruck beaufschlagte Steuerdruckfläche größer gehalten ist als die Regeldruckfläche. Diese Flächendifferenz stellt sicher, daß bei Steuerölentnahme für das Vorsteuerventil aus dem Systemdruckanschluß selbst für den Fall, daß der Regeldruck, d. h. der Druck am Verbraucher annähernd den Systemdruck erreicht, an der Steuerkante des Vor­ steuerventils ein ausreichend großes Druckgefälle er­ halten bleibt, um den Regelkolben mit gutem Ansprech­ verhalten anzusteuern. Im Vergleich zum Stand der Tech­ nik gemäß DE 38 05 288 A1 ergibt sich über die Steuer­ kante des Vorsteuerventils ein vergrößerter Volumen­ strom. Es hat sich allerdings gezeigt, daß sich dies nicht nachteilig auf die Regelgenauigkeit und -geschwindigkeit auswirkt, weil man bei der erfindungs­ gemäßen Ausbildung des Regelkolbens einen verhältnismä­ ßig großen gestaltungsmäßigen Freiraum für das Flächen­ verhältnis der Wirkdruckflächen am Regelkolben erhält. Abgesehen davon, daß die Konstruktion des Ventils we­ sentlich vereinfacht werden kann, ergibt sich darüber hinaus der zusätzliche Vorteil, daß aufgrund des ange­ hobenen Steuerfluid-Volumenstroms die Steuerquer­ schnitte am Vorsteuerventil vergrößert, die Steuerkan­ ten weniger genau und somit die erforderliche Arbeits­ genauigkeit des Ventils mit geringerem herstellungs­ technischen Aufwand bereitgestellt werden kann.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Eine besonders einfache Ausführung des 3-Wege- Regelventils ergibt sich mit der Weiterbildung des Pa­ tentanspruchs 2, da auf diese Weise der Regelkolben mit sehr einfacher Geometrie ausgeführt werden kann.

Es hat sich gezeigt, daß das Wirkdruck-Flächenverhält­ nis am Regelkolben vorzugsweise zu 2 : 1 gewählt werden sollte, um beispielsweise bei Regeldrücken von 195 bar und einen System-Versorgungsdruck P von 200 bar bei Steuerölentnahme für das Vorsteuerventil aus dem Sy­ stem-Druckanschluß noch ein ausreichendes Druckgefälle an der Steuerkante des Vorsteuerventils sicherzustel­ len.

Durch die erfindungsgemäße Gestaltung des Regelkolbens ergibt sich darüber hinaus eine sehr einfache Formge­ bung für das entsprechende, den Regelkolben aufnehmende Gehäuseteil, das vorzugsweise in Form einer Ventil-Zy­ linderbuchse ausgeführt wird. Diese Konstruktion kommt einem an sich bekannten Konstruktionsprinzip entgegen, gemäß dem die Buchse für den Regelkolben und ggf. auch das Gehäuseteil zur Aufnahme des Vorsteuerventils in einem Gehäusedeckel eines Steuerblocks positioniert wer­ den.

Nachstehend wird anhand der Figur ein Ausführungsbei­ spiel der Erfindung näher erläutert. Die Figur zeigt eine teilweise im Schnitt gezeigte Ansicht des 3-Wege- Regelventils mit Vorsteuerventil sowie Wegaufnehmerein­ richtungen der Regelschaltung.

In der Figur ist mit dem Bezugszeichen 2 das 3-Wege- Regelventil bezeichnet, das einen Regelkolben 4 aufweist, der abdichtend und gleitend verschiebbar in einer Gehäusebuchse 6 aufgenommen ist. Die Gehäuse­ buchse 6 hat im wesentlichen die Form eines mehrfach abgestuften zylindrischen Bauteils, das mehrfach abge­ dichtet - Dichtungen 8 ₁ bis 8 ₃ - in einem nicht näher dargestellten Ventilsteuerblock aufgenommen ist. Das Regelventil eignet sich auf diese Weise als Einbauven­ til. Ein Endabschnitt der Gehäusebuchse 6 sitzt abge­ dichtet - Dichtung 8 ₄ - in einer Ausnehmung 10 eines Ventildeckels 12, der eine abgestufte Bohrung 14 auf­ weist, die in einen Steuerdruckraum 16 des Regelventils 2 mündet.

Der Regelkolben 4 ist als Stufenkolben mit zwei Wirk- Durchmessern D₁ und D₂ ausgebildet. Der größere Durch­ messer D₁ bestimmt die Größe einer Steuerdruckfläche auf der einen Seite des Regelkolbens 4, während der kleinere Wirk-Durchmesser D₂ die Regeldruckfläche defi­ niert, d. h. diejenige Fläche, die dem zu regelnden Ver­ braucherdruck ausgesetzt ist. Mit 18 ist der Regel­ druckraum bezeichnet, der über Steuerkanten 20 bzw. 22, die an über den Umfang gleichmäßig verteilten Durch­ trittsöffnungen 24 ausgebildet sind, wechselweise mit einem Tankanschluß 26 (T) oder mit dem von der Strö­ mungsmittelquelle versorgten Systemdruckanschluß 28 (P) verbunden wird. In der gezeigten Neutralstellung des Regelkolbens 4 werden beide Steuerkanten 20, 22 von ei­ nem Gehäusesteg 30 abgedeckt.

Auf seiten des Tankanschlusses 26 weist die Gehäuse­ buchse 6 einen radial nach innen vorstehenden Ringbund 32 auf, durch den sich mit Spiel ein im Durchmesser verringerter Regelkolbenabschnitt 34 hindurcherstreckt, der über eine Radialschulter 36 in den Abschnitt des größeren Wirkdurchmessers D₁ übergeht. Auf diese Weise wird zwischen dem Regelkolben 4 und der Gehäusebuchse 6 ein Ringraum 38 gebildet, in dem die Druckfeder 40 aufgenommen ist, die sich einerseits an der Radial­ schulter 36 und andererseits am Ringbund 32 abstützt.

Der Regelkolben wird in der einen Richtung, d. h. gemäß der Figur nach links, von der Kraft der Druckfeder 40 und von der Druckkraft im Regeldruckraum 18 beauf­ schlagt. Diese Kräftesumme hat die Tendenz, den Regel­ druckraum 18 mit dem Tankanschluß 26 zu verbinden. In der entgegengesetzten Richtung wirkt die Druckkraft im Steuerdruckraum 16, der über ein nachfolgend näher zu beschreibendes Vorsteuerventil 42 angesteuert wird.

Das Vorsteuerventil bzw. Pilotventil 42 hat ein Ventil­ gehäuse 44, das an den Ventildeckel 12 angesetzt ist, und zwar derart, daß sich eine Längsachse 46 einer Ven­ tilbuchsenausnehmung parallel zur Achse des Regelven­ tils 2 erstreckt. In die Ventilbuchsenausnehmung 48 ist eine Ventilbuchse 50 eingesetzt, die mit einem Vorsteu­ erventilkolben 52 derart zusammenwirkt, daß in Abhän­ gigkeit von der Stellung des Vorsteuerventilkolbens 52 ein Steuerdruckanschluß 54 entweder über eine Steuer­ kante 56 mit einem Tankanschluß 58 oder über eine Steu­ erkante 60 mit einem Anschluß 62 verbunden wird, der über Bohrungsabschnitte 64, 66 und einen Leitungsab­ schnitt 68 mit dem Systemdruckanschluß 28 in Strömungs­ mittelverbindung steht. Das Vorsteuerventil 42 ist dementsprechend als 3/2-Wege-Proportionalventil ausge­ bildet, wobei die Stellung des Vorsteuerventilkolbens 52 von einem Proportionalmagneten 70 mit angebautem Wegaufnehmer 72 geregelt ist. Dabei können der Kern des Wegaufnehmers 72 und der Anker des Proportionalmagneten 70 fest miteinander verbunden sein. Der Kraft des mit 74 bezeichneten Ankers des Proportionalmagneten 70 wirkt eine mit 76 bezeichnete Druckfeder entgegen.

Der Steuerdruckanschluß 54 steht über eine Querbohrung 78 im Gehäusedeckel 12 mit der Bohrung 14 und damit mit dem Steuerdruckraum 16 in Verbindung. In die Bohrung 14 ragt ein sich an die Wirkdruckfläche größeren Durchmes­ sers anschließender Stufenfortsatz 80 des Regelkolbens 4, wobei über den Stufenfortsatz 80 eine Verbindung zu einem Wegaufnehmerstift 82 hergestellt wird. Letzterer ragt in den Innenraum eines Wegaufnehmers 84, dessen vorzugsweise elektrisches Ausgangssignal S₈₄ dem Ist­ wert der Position des Regelkolbens 4 entspricht. Dieses Ausgangssignal S₈₄ wird in einer schematisch angedeute­ ten Regelschaltung 86 mit einem Sollwert S_Soll ver­ knüpft, woraus eine Regelgröße R gebildet wird, mit der ein unterlagerter Regelkreis 88 mit Proportionalmagnet 70 und Wegaufnehmer 72 für das Vorsteuerventil 42 ange­ steuert wird. Auf diese Weise wird in Abhängigkeit von der Regelgröße R der Druck im Steuerdruckraum 16 gere­ gelt.

Das 3-Wege-Regelventil funktioniert wie folgt:

Wenn am Sollwerteingang der Regelschaltung 86 der Soll­ wert 0% eingegeben wird, so soll der Regelkolben 4 die in der Zeichnung dargestellte Lage, d. h. die Mittel­ stellung einnehmen, in der beide Steuerkanten 20 und 22 geschlossen sind und damit der Regeldruckraum 18 vom Tankanschluß 26 und vom Systemdruckanschluß 28 abge­ sperrt ist. Die Lageposition des Regelkolbens 4 wird durch den Wegaufnehmerstift 82 und damit durch den Weg­ aufnehmer 84 erfaßt und als Istwertsignal auf die Re­ gelschaltung 86 gegeben. Solange am Reglereingang eine Soll-Istwert-Differenz vorliegt, wird eine Stellgröße für den unterlagerten Regelkreis 88 gebildet, die den Vorsteuerventilkolben 52 derart ansteuert, daß über den Steuerdruck im Steuerdruckraum 16 die Lage des Regel­ kolbens 4 so weit verstellt wird, bis die Soll-Istwert- Differenz im Regelkreis 86 zu Null wird und somit die entsprechende Lage des Regelkolbens 4 erreicht ist.

Steht am Regler der Regelschaltung 86 keine Soll-Ist­ wert-Differenz an, sind die Kräfte am Regelkolben 4, d. h. einerseits die auf den großen Wirkdurchmesser D₁ einwirkende Steuerdruckkraft und andererseits die Summe aus der Kraft der Feder 40 und der Druckkraft des auf den kleineren Wirkdurchmesser D₂ einwirkenden Regel­ drucks im Gleichgewicht.

Wird der Sollwert S_Soll von 0 bis +100% erhöht, so re­ duziert die Steuerkante 22 den Systemdruckanschluß 28 mit dem Regeldruckraum 18. Wird andererseits der Soll­ wert S_Soll von 0 bis -100% verstellt, so wird über die Steuerkante 20 eine Verbindung zwischen Regeldruckraum 18 und Tankanschluß 26 hergestellt.

Falls beispielsweise die Regelung ein schnelles Auf­ steuern der Verbindung zwischen Systemdruckanschluß 28 und Regeldruckraum 18 erfordert, was beispielsweise durch einen Sollwertsprung eingeleitet wird, so wird über das Vorsteuerventil 42 ein erhöhter Steuerdruck- Volumenstrom in den Steuerdruckraum 16 eingesteuert. Weil die dem Steuerdruck ausgesetzte und vom Kolben­ durchmesser D₁ bestimmte Wirkdruckfläche größer, vor­ zugsweise wesentlich größer ist als die entgegenge­ setzte und vom kleineren Kolbendurchmesser D₂ be­ stimmte, dem Regeldruck ausgesetzte Kolbenfläche ist, ist an der Steuerkante 60 selbst für den Fall, daß der Druck im Regeldruckraum 18 annähernd an den Systemdruck P heranreicht und die Steuerfluidentnahme für das Vor­ steuerventil 42 aus dem Systemdruckanschluß 28 erfolgt, ein ausreichend hohes Druckgefälle vorhanden, so daß der Regelkolben 4 mit gutem Ansprechverhalten, d. h. mit großer Geschwindigkeit gemäß der Figur nach rechts ver­ schoben werden kann. Bei einem Systemdruck P von etwa 200 bar und einem Verbraucherdruck, d. h. Regeldruck von 195 bar bedeutet dies, daß bei einem Flächenverhältnis am Stufenkolben von 2 : 1 an der Steuerkante 60 des Vor­ steuerventils 42 ein Druckgefälle von einigen zig bar vorherrschen kann, das durch die Kraft der Druckfeder 40 nur gering reduziert wird. Mit einem derartigen Druckgefälle ist es mit Sicherheit möglich, hochdynami­ sche Druckregelvorgänge unter Last-Höchstdruck auszfüh­ ren.

Wenn umgekehrt über die Steuerkante 20 die Verbindung des Regeldruckraums 18 zum Tankanschluß 26 geöffnet werden soll, steuert die Steuerkante 56 des Vorsteuer­ ventilkolbens 52 die Verbindung der Querbohrung 78 zum Tankanschluß 58 auf, so daß durch das nunmehr gestörte Kräftegleichgewicht am Regelkolben 4 unter Unterstüt­ zung durch die Druckfeder 40 eine Verschiebung des Re­ gelkolbens 4 gemäß der Figur nach links erfolgen kann.

Da im Vergleich zum Stand der Technik ein größerer Steuerfluidvolumenstrom über das Vorsteuerventil 42 ge­ leitet wird, sind die Steuerquerschnitte der Vorsteuerventilbuchse 50 im Vergleich zum Stand der Technik angehoben, wodurch sich der vorteilhafte Effekt ergibt, daß sich Fertigungsfehler weniger gravierend auf das Regelverhalten auswirken können.

Die Erfindung schafft somit ein 3-Wege-Regelventil mit einem Regelkolben zur gesteuerten wechselweisen Verbindung eines Tank- oder eines Systemdruckanschlus­ ses, wobei der Regelkolben gegen die Kraft einer Feder und den auf eine Regeldruckfläche wirkenden Regeldruck durch Einwirkung eines Steuerdrucks auf eine Steuer­ druckfläche in einer Gleichgewichtsstellung haltbar ist. Der Steuerdruck wird von einem vom Systemdruck versorgten Vorsteuerventil in Abhängigkeit von den An­ steuersignalen einer Regelschaltung erzeugt, die abhän­ gig von einem vorgegebenen Sollwert und der Regelstel­ lung des Regelkolbens arbeitet. Um bei einem einfachen Aufbau des Regelventils eine hohe Regeldynamik selbst für den Fall bereitzustellen, daß der Regeldruck nahe an den von einer Strömungsmittelquelle bereitgestellten Systemdruck heranreicht, ist die Steuerdruckfläche am Regelkolben selbst ausgebildet und im Durchmesser grö­ ßer als die Regeldruckfläche gehalten. Auf diese Weise ergibt sich in jedem Fall an der Steuerkante des Vor­ steuerventilkolbens ein ausreichend großes Druckge­ fälle, mit der die Regelgeschwindigkeit auf einem aus­ reichend hohen Niveau gehalten werden kann.

Claims (11)

1. 3-Wege-Regelventil mit einem Regelkolben zur ge­ steuerten wechselweisen Verbindung eines Tank- oder ei­ nes Systemdruckanschlusses mit einem Regeldruckraum, wobei der Regelkolben gegen den auf eine Regeldruckflä­ che einwirkenden Regeldruck durch Einwirkung eines Steuerdrucks auf eine Steuerdruckfläche in einer Gleichgewichtsstellung haltbar ist, und wobei der Steu­ erdruck von einem vom Systemdruck versorgten Vorsteuer­ ventil in Abhängigkeit von den Ansteuersignalen an der Regelschaltung erzeugt wird, die abhängig von einem vorgegebenen Sollwert und der Regelstellung des Regel­ kolbens arbeitet, dadurch gekennzeichnet, daß die Steu­ erdruckfläche (D₁) am Regelkolben (4) ausgebildet und im Durchmesser (D₁) größer als die Regeldruckfläche (D₂) gehalten ist.

2. Regelventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regelkolben (4) von einem Stufen­ kolben gebildet ist, dessen größerer Arbeitsdurchmesser (D₁) mit dem Steuerdruck und dessen kleinerer Arbeits­ durchmesser (D₂) mit dem Regeldruck beaufschlagt ist.

3. Regelventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Regelkolben (4) eine Steuer­ druckfläche hat, die im wesentlichen doppelt so groß ist wie die Regeldruckfläche.

4. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein den Regelkolben (4) aufnehmendes Gehäuseteil (6) zwischen den Steuerdruck­ und Regeldruckflächen einen Ringsteg (32) aufweist, an dem sich eine Druckfeder (40) abstützt und der einen Radialabstand vom Regelkolben (34) hat.

5. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Regeldruckraum (18) von einer an einem Ende offenen Ausnehmung im Regelkolben (4) gebildet ist, und daß in der Kolbenwandung vor­ zugsweise mehrere, über den Umfang gleichmäßig ver­ teilte Durchbrüche (24) vorgesehen sind, die in der Mittelstellung des Regelkolbens (4) von einem Gehäuse­ steg (30) abgedeckt sind, der sich zwischen einem Tank­ anschluß (26) und einem Systemdruckanschluß (28) befin­ det.

6. Regelventil nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Tankanschluß (26) mit einem die Druckfeder (40) aufnehmenden Ringraum (38) zwischen Re­ gelkolben (4) und Gehäuse (6) in Strömungsmittelverbin­ dung steht.

7. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das den Regelkolben (4) aufnehmende Gehäuseteil von einem Einsatz (6) gebildet ist, der abgedichtet und lösbar in einer Bohrung eines Ventilblocks einerseits und eines Gehäusedeckels (12) des Steuerblocks andererseits aufgenommen ist.

8. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (42) als Mehrwege-Proportionalventil ausgeführt und parallel und achsversetzt zum Regelkolben (4) angeordnet ist, wobei der Steuerdruckraum (16) über eine Querbohrung (78) mit dem Steueranschluß (54) des Vorsteuerventils (42) in Verbindung steht.

9. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (42) einen austauschbaren Ventileinsatz (50) aufweist, in dem der Vorsteuerkolben (52) geführt aufgenommen ist.

10. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerdruckfläche (D₁) des Regelkolbens (4) in einen endseitigen Stufen­ fortsatz (80) übergeht, der sich in eine Stufenbohrung (14) eines Ventilgehäuseteils (12) hineinerstreckt und mit einem Wegübertragungsstift (82) verbunden ist, wel­ cher das Stellungssignal des Regelkolbens (4) auf einen am Gehäuseteil (12) sitzenden Wegaufnehmer (84) weiter­ leitet.

11. Regelventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Regelschaltung (86) des Regelkolbens (4) ein Regelkreis für die Stellung des Vorsteuerventils (42) unterlagert ist.