DE4302036C2 - Als Wechseldrossel ausgeführtes Steuerorgan - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein druckmittelbetriebenes Steuerorgan gemäß Oberbegriff von Anspruch 1.

Im Stand der Technik sind derartige druckmittelbetriebene Steuerorgane nach Art eines Drosselrückschlagventils allgemein bekannt und weisen ein Gehäuse auf, dessen Durchströmquerschnitt bei geöffnetem Steuerorgan, d. h. bei freiem Durchgang, durch eine Gehäusebohrung und in gedrossel­ ter Stellung durch ein hubbewegliches Drosselorgan und dessen Sitz im Gehäuse begrenzt ist.

Aufgrund des begrenzten Einbauraumes ist es wichtig, die hydrostatischen Getriebe möglichst kompakt zu bauen. Daraus resultiert, daß die Ver­ stellsysteme klein gehalten und somit vom Systemdruck gespeist werden müssen, um eine sichere Verstellung in allen Betriebssituationen zu gewährleisten.

Ein Mangel dieser Verstellungen ist, daß große Verstellzeiten nur durch sehr kleine Blenden realisiert werden können. Dabei ist es wichtig für das Fahrverhalten eines Fahrzeuges, daß die Verstellzeit vom kleinen Schluckvolumen zum großen Schluckvolumen in der Regel größer sein muß als die vom großen Schluckvolumen zum kleinen. Das trifft z. B. zu, wenn der Fahrer bei hoher Fahrzeuggeschwindigkeit den Verstell­ motor auf großen Schwenkwinkel stellt und der vergrößerte Förderstrom des Motors nicht von der Pumpe aufgenommen werden kann. Damit kommt es zu extrem hohen Verzögerungswerten des Fahrzeuges.

Darüber hinaus kann es bei sehr kleinen Drosselquerschnitten der be­ kannten Steuerorgane zum Zusetzen derselben durch in dem zu dros­ selnden Fluid mitgeführte Verunreinigungen kommen.

Außerdem ist sowohl bei gebohrten als auch bei in die Mantelfläche eines Drosselorgankegels eingeschliffenen Drosselquerschnitten der ferti­ gungstechnische Aufwand erheblich.

Demzufolge besteht die Aufgabe der Erfindung darin, ein als Drossel­ rückschlagventil ausgebildetes Steuerorgan bereitzustellen, das große Verstellzeiten über sehr kleine Drosselquerschnitte ermöglicht, selbst­ reinigend ist, in engen Toleranzen, technologisch einfach und kostengün­ stig gefertigt werden kann.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebe­ nen Merkmale gelöst.

Danach besteht das in unterschiedliche Richtungen durchströmbare druckmittelbetriebene Steuerorgan nach Art eines Drosselrückschlagventils aus einem Gehäuse und ist zum Steuern oder Regeln von hydraulischen Systemen vorgesehen. Das Steuerorgan hat je nach Durchströmrichtung einen Durchströmquerschnitt bei geöffnetem Steuerorgan, d. h. bei freiem Durchgang, der durch eine Gehäusebohrung und bei gedrosselter Stellung durch ein hubbewegliches Drosselorgan und dessen Sitz im Gehäuse begrenzt ist. Der Sitz des Drosselorgans ist durch eine sich an die Bohrung des Durchströmquerschnittes anschließende, kegelstumpfförmige Verengung gebildet, in die mindestens zum Teil die Form eines n-seiti­ gen Pyramidenstumpfes eingearbeitet ist. Die Anzahl der Seiten des Pyramidenstumpfes beträgt vorzugsweise drei oder vier.

Das Drosselorgan steht mit seiner Oberfläche je nach Ausbildung des Pyramidenstumpfes in der Kegelform in Punktkontakt, wenn ebene Seitenflächen des Pyramidenstumpfes gemäß einem bevorzugten Ausfüh­ rungsbeispiel vollständig ausgebildet sind, oder in Linienkontakt, wenn der Pyramidenstumpf gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel nur teilweise in die Kegelform eingearbeitet ist, d. h. nur ebene Teilflächen, die sich von den Kanten erstrecken, ausgebildet sind. Zwischen der Oberfläche des Drosselorgans und der Pyramidenstumpfoberfläche verbleibt ein freier Querschnitt, der der Drosselquerschnitt ist.

Das Drosselorgan ist gemäß noch einem weiteren Ausführungsbeispiel mit einer gekrümmten Oberfläche versehen und ist z. B. eine Kugel, ein Ventilkegel oder Ventilkegelstumpf.

Das wechselseitig beaufschlagbare Steuerorgan kann zweckmäßig auch so ausgebildet sein, daß sich in Strömungsrichtung sowohl vor als auch hinter dem Drosselorgan ein wie oben beschriebener Sitz befindet.

Die Drosselwirkung wird durch die von der beschriebenen Sitzgeometrie definierten, freien Querschnittflächen erzielt, wobei der engste Drossel­ querschnitt und damit die stärkste Drosselwirkung bei am Sitz anliegen­ dem Drosselorgan, d. h. bei einer gegen den Sitz drückenden Strömung, und der weiteste Drosselquerschnitt und damit die geringste Drosselwir­ kung bei vom Sitz abgehobenen Drosselorgan, d. h. bei einer das Drossel­ organ vom Sitz wegdrückenden Strömung gebildet wird.

Ein Vorteil des erfindungsgemäßen Steuerorgans mit der so ausgebildeten Sitzform in Verbindung mit dem Drosselorgan der beschriebenen Art besteht darin, daß die für große Verstellzeiten des Steuerorgans in z. B. hydraulischen Antriebssystemen erforderlichen sehr kleinen Drosselquer­ schnitte je nach Stärke der Ausbildung des Pyramidenstumpfes in der Kegelform des Sitzes des Drosselorgans gewährleistet sind. Weitere Vorteile bestehen darin, daß es selbstreinigend ist, fertigungstechnologisch z. B. durch plastisches Einprägen der Pyramidenstumpfform kostengünstig ist und für die Gewährleistung enger Fertigungstoleranzen geeignet ist.

Die Fertigungstoleranzen sind im wesentlichen durch die Herstellungs­ toleranzen des Prägewerkzeuges bestimmt. In der Serienfertigung fallen diese Toleranzen jedoch weg. Für eine eingesetzte handelsübliche Kugel­ lagerkugel sind die Toleranzen im Kugeldurchmesser, die im Mikrometer­ bereich liegen, ebenfalls vernachlässigbar. Damit ergibt sich ein als Drosselrückschlagventil ausgeführtes Steuerorgan, das fertigungstechnisch erhebliche Vorteile besitzt und in der weniger gedrosselten Stellung (Kugel hebt vom Sitz ab) die extrem kleinen Drosselquerschnitte ver­ größert und sich so selbst reinigt.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung darge­ stellten bevorzugten Ausführungsbeispiels eines als eine Wechseldrossel bzw. ein Drosselrückschlagventil ausgeführten Steuerorgans für eine Anwendung in hydraulischen Systemen eines hydrostatischen Getriebes, bestehend aus Verstellpumpe und Verstellmotor, näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 das Schaltbild eines hydrostatischen Getriebes;

Fig. 2 den Aufbau eines als Wechseldrossel ausgeführten Steuerorgans nach dem Stand der Technik;

Fig. 3a den Aufbau eines als Wechseldrossel ausgeführten erfindungs­ gemäßen Steuerorgans;

Fig. 3b den Aufbau eines als Wechseldrossel ausgeführten erfindungs­ gemäßen Steuerorgans mit einer Feder zum Andrücken der Kugel; und

Fig. 4 die graphische Darstellung der Abhängigkeit des geometrischen Drosselquerschnittes von der Anzahl der Pyramidenstumpfseiten, vom Neigungswinkel der Pyramidenstumpfseiten gegenüber der Pyramidenstumpfgrundfläche und vom Kugeldurchmesser.

In Fig. 1 ist ein vereinfachter hydraulischer Schaltplan eines hydrostati­ schen Getriebes, bestehend aus Verstellpumpe und Verstellmotor, darge­ stellt. Die Druckölversorgung eines Hydromotors 14 geschieht über ein Rückschlagventil 12, welches den jeweils höheren Druck der Leitung A und B durchläßt. Ein elektrisches Schaltventil 13 ermöglicht das Schal­ ten des Hydromotors 14 auf minimales und maximales Schluckvolumen. Zwischen einem Servokolben 15 des Motors 14 und dem Schaltventil 13 ist ein als Wechseldrossel bzw. Drosselrückschlagventil ausgeführtes Steuerorgan angeordnet, das beim Schalten zum kleinen Schluckvolumen eine kleine Blende 16 mit dem Drosselrückschlagventil 17 umgeht und so kleine Verstellzeiten ermöglicht. In der gezeigten Schaltstellung des Schaltventiles 13, in der zum großen Schluckvolumen verstellt wird, sperrt das Drosselrückschlagventil 17, und der Volumenstrom wird infolge der kleinen Blende 16 stark begrenzt. Dadurch erfolgt das Verstellen des Hydromotors 14 zum großen Schluckvolumen in einer relativ großen Zeit.

In Fig. 2 ist ein als Drosselrückschlagventil ausgeführtes bekanntes Steuerorgan gezeigt. Die Drosselfunktion ergibt sich entweder durch einen zwischen dem Steuerorgan und einer zentralen Drosselbohrung freigegebenen, z. B. gebohrten Drosselquerschnitt 18 oder durch einen Drosselquerschnitt 19, der durch das Einschleifen eines Schlitzes in den Drosselorgankegel, d. h. in die Mantelfläche des Drosselorgans, entsteht. Fertigungstechnisch ist beides sehr aufwendig. Darüber hinaus ist es sehr schwierig, den Öffnungsquerschnitt in engen Toleranzen zu fertigen; das gilt insbesondere für Querschnitte, die einem Bohrungsdurchmesser von 0,2 mm entsprechen. Der große Vorteil eines Drosselorgans mit einer eingeschliffenen Kerbe ist, daß diese Ausführung selbstreinigend ist, da der Drosselorgankegel bei umgekehrter Strömungsrichtung abhebt und sich somit Schmutzpartikel wieder lösen können. Das trifft bei der gebohrten Variante nicht zu; eine mit 0,2 mm Durchmesser gebohrte Drossel kann aus Zuverlässigkeitsgründen (Verschmutzungsgefahr) nicht eingesetzt werden.

Nach Fig. 3 besteht das als Drosselrückschlagventil erfindungsgemäß ausgeführte Steuerorgan 1 aus einem Gehäuse 6, einem Zulauf-/Ablauf­ querschnitt 10 (je nach Strömungsrichtung), einem in einer Kegelform ausgebildeten Übergang zu einem Durchströmquerschnitt 2, wobei in den Kegel 4 ein regelmäßiger Pyramidenstumpf mit vier ebenen Seitenflächen eingearbeitet und so der Sitz eines kegelförmigen Drosselorgans 5 gebil­ det ist, das durch einen Querstift 7 gegen Herausfallen der Kugel aus dem Steuerorgan gesichert ist. Zwischen dem Querstift 7 und der Kugel 5 kann eine Schließfeder für die Kugel 5 vorgesehen sein.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist für die Strömungsrichtung 9, bei der die Kugel 5 in Kontakt mit dem Sitz 3, 4 ist, der geome­ trische Drosselquerschnitt durch die freien Flächen zwischen den Kon­ taktpunkten der Kugeloberfläche an den Pyramidenstumpfseitenflächen und der Pyramidenstumpfkontur 3 definiert, bezogen auf die dem engsten geometrischen Querschnitt entsprechende Ebene.

Für die Strömungsrichtung 8, bei der die Kugel 5 nicht mit dem Sitz 3, 4 in Kontakt ist, ist der Drosselquerschnitt als die zwischen Kugelober­ fläche und Pyramidenoberfläche freigegebene Fläche definiert, bezogen auf die dem engsten geometrischen Querschnitt entsprechende Ebene.

Zwischen diesen beiden Grenzdrosselquerschnitten, d. h. zwischen freiem Durchgang bei geöffnetem Drosselrückschlagventil (Strömungsrichtung 8), und voll gedrosselter Stellung (Strömungsrichtung 9, Kugel 5 am Sitz 3, 4 anliegend), verändert sich der Drosselquerschnitt je nach den Strö­ mungsverhältnissen durch das Drosselrückschlagventil.

Claims (10)

1. Druckmittelbetriebenes Steuerorgan (1) nach Art eines Drosselrück­ schlagventiles für hydraulische Systeme, mit einem Gehäuse (6), dessen Durchströmquerschnitt (2) bei geöffnetem Steuerorgan, d. h. bei freiem Durchgang, durch eine Gehäusebohrung, und in gedrossel­ ter Stellung von einem hubbeweglichen Drosselorgan (5) und dessen Sitz im Gehäuse begrenzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der in einem Bereich einer kegelstumpfförmigen Verengung der Gehäusebohrung eingearbeitete Sitz (3, 4) des Drosselorgans (5) die Form eines n-seitigen Pyramidenstumpfes (3) hat.

2. Steuerorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyramidenstumpf (3) im Bereich des Sitzes (3, 4) des Drosselorgans (5) vollständig aus der Kegelform (4) herausgearbeitet ist, so daß ebene Flächen die Kanten des Pyramidenstumpfes verbinden.

3. Steuerorgan nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Pyramidenstumpf (3) im Bereich des Sitzes (3, 4) des Drosselorgans (5) nicht vollständig aus der Kegelform (4) herausgearbeitet ist, so daß der Pyramidenstumpf (1) nur in seinen Kantenbereichen ausgebildet ist.

4. Steuerorgan nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl n der Seiten des Pyramidenstumpfes (3) des Sitzes (3, 4) des Drosselorgans (5) mindestens drei beträgt.

5. Steuerorgan nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzahl n der Seiten des Pyramidenstumpfes (3) des Sitzes (3, 4) des Drosselorgans (5) mindestens vier beträgt.

6. Steuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselorgan eine gekrümmte Oberfläche hat.

7. Steuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselorgan (5) eine Kugel ist.

8. Steuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselorgan (5) ein Ventilkegel ist.

9. Steuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Drosselorgan (5) ein Ventilkegelstumpf ist.

10. Steuerorgan nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sich zwei Sitze für das Drosselorgan (5) mit minde­ stens zum Teil ausgebildetem Pyramidenstumpf gegenüberliegen; und sich das zwischen den Sitzen befindliche Drosselorgan (5) je nach Strömungsrichtung (8, 9) an den zugegehörigen Sitz im Gehäuse anlegt und zwischen sich und dem Pyramidenstumpf einen entspre­ chenden Drosselquerschnitt begrenzt.