DE4316637C2 - Druckreduzierventil - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit einer Ausfallsicherheitseinrichtung für ein Druckreduzier­ ventil mit den Merkmalen des Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein herkömmliches elektromagnetisches Druckreduzierventil, welches bei­ spielsweise in Fig. 5 der Zeichnung gezeigt ist, weist einen Elektromagneten 8 auf, welcher bewirkt, daß ein Steuerschieber 1 eine Gleitbewegung ausführt, um eine Steueröffnung 4 entwe­ der mit einer Versorgungsöffnung 5 oder einer Vorratsbehälter- Öffnung 6 in Abhängigkeit von der Verschiebungsstellung zu verbinden.

Der Steuerschieber 1 ist derart in eine Öffnung 2a in ein Ventilgehäuse 2 eingesetzt, daß er darin frei gleitbeweglich ist. Die Steueröffnung 4, die Versorgungsöffnung 5, welche mit einer Ölquelle P verbunden ist und eine Vorratsbehälteröffnung 6, welche mit einem Vorratsbehälter T verbunden ist, münden in diese Öffnung, und ein Rückführungsölkanal 3, welcher von der Steueröffnung 4 abzweigt, ermöglicht, daß ein Druck Pc an der Steueröffnung 4 an eine Stirnfläche 1a des Steuerschiebers 1 angelegt werden kann.

Der Elekgromagnet 8 ist in einem Gehäuse 10 untergebracht, welches mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden ist, und ein Tauchkolben 9 ist derart ausgelegt, daß er sich an der gegenüberliegenden Stirnfläche 1b des Steuerschiebers 1 in Abhängigkeit von dem Magnetisie­ rungszustand des Elektromagneten 8 abstützt. Wenn ein elektrischer Strom durch den Elektromagneten 8 geleitet wird, wird er erregt, und der Tauchkolben 9 wird hierdurch in Rich­ tung auf eine Basis 7 des Gehäuses 10 derart mit einer Zug­ kraft beaufschlagt, daß der Steuerschieber 1 in Richtung nach links in dieser Figur gedrückt wird. Die Druckkraft ist in diesem Fall proportional zum Magnetisierungsstrom, welcher durch den Elektromagneten 8 fließt.

Kleine Zwischenräume sind zwischen der Öffnung 2a und dem Steuerschieber 1 vorhanden, so daß die Steueröffnung 4, die Versorgungsöffnung 5 und die Vorratsbehälteröffnung 6 unter­ einander verbunden werden können. Die Längen S₁+S₂ dieser Zwischenräume in axialer Richtung ändern sich in Abhängigkeit von der Position des Steuerschiebers 1. Jedoch ist S₁+S₂ immer konstant.

Der in der Steueröffnung 4 erzeugte Druck Pc ändert sich nach Maßgabe des Verhältnisses von S₁ und S₂. Wenn bei­ spielsweise S₁ klein ist und S₂ groß ist, wird der Druck Pc größer.

Wenn ein Strom i₁ dem Magneten 8 zugeführt wird, wirkt ei­ ne Antriebskraft F₁ auf den Steuerschieber 1 ein, welcher versucht, diesen in Richtung nach links in dieser Figur zu drücken. Wenn ferner der Druck Pc auf die linke Stirnfläche des Steuerschiebers 1 über den Rückführungsölkanal 3 wirkt, wirkt eine Druckkraft F₂, basierend auf dem Druck Pc auf den Steuerschieber 1 in Richtung nach rechts in der Zeichnung wirkend ein. Wenn die Druckaufnahmefläche des Steuerschie­ bers 1 Aa ist, ergibt sich folgende Druckkraft:

F₂ = Pc × Aa (1)

Der Steuerschieber 1 wird somit in einer Position gehalten, in welcher die Antriebskraft F₁ infolge des Elektromagneten 8 und die Druckkraft F₂, welche in Gegenrichtung wirkt, sich in einem Gleichgewichtszustand befinden. Die Antriebskraft F₁ ist proportional zum elektrischen Strom i₁, welcher durch den Elektromagneten 8 fließt, während die Druckkraft F₂ proportional zum Druck Pc ist, welcher durch die Steueröffnung 4 erzeugt wird. Im Gleichgewichtszustand ergibt sich folgendes:

Pc = F₁/Aa (2)

Der Druck Pc ist daher proportional zum Strom i₁, welcher durch den Elektromagneten 8 fließt. In anderen Worten ausgedrückt bedeutet dies, daß, wenn der Magnetisierungsstrom, welcher durch den Elektromagneten fließt, größer oder kleiner wird, sich die Steuerschieber-Antriebskraft F₁ des Tauchkolbens 9 än­ dert, so daß der Steuerschieber in eine Position verschoben wird, in welcher die Druckkraft F₂ im Gleichgewicht hiermit ist und das Verhältnis von S₁ zu S₂ ändert sich. Durch Ver­ ändern des Verhältnisses von S₁ zu S₂ auf diese Weise wird ein hoher an der Versorgungsöffnung 5 anliegender Druck auf einen beliebigen Steuerdruck Pc reduziert.

Wenn jedoch bei einem derartigen elektromagnetischen Propor­ tional-Reduzierventil der durch den Magneten 8 fließende Strom aus irgendeinem Grunde unterbrochen wird, fällt die Steuerschieberantriebskraft F₁ des Tauchkolbens 9 auf Null ab, der Steuerschieber bewegt sich soweit wie möglich in dieser Figur nach rechts, und der Steuerdruck Pc fällt auf den Druck Pr der Vorratsbehälteröffnung 6 ab.

Wenn der Magnetisierungsstrom i₁ infolge einer Störung oder eines Ausfalls unterbrochen wird, wenn eine hydraulische Stelleinrichtung 20 infolge des Drucks Pc eine Arbeit zu ver­ richten hat, kann die Steueröffnung 4 nunmehr den Druck nicht mehr aufrechterhalten und die hydraulische Stelleinrichtung 20 verkürzt sich. Wenn die Stelleinrichtung 20 in einer Hy­ draulikeinheit zum Verteilen der Antriebskraft bei einem Vierradfahrzeug mit Drehmomentverteilung eingesetzt wird und keine Energieversorgung mehr zum Elektromagneten 8 infolge ei­ ner Störung oder eines Ausfalles der elektrischen Schaltung erfolgt, wird daher die Verwirklichung eines Vierradantriebs unmöglich.

Um dies zu verhindern, könnte ein weiteres Druckventil beispiels­ weise für den Fall einer Öldruck-Notsituation vorgesehen werden. Hier­ durch wird jedoch die hydraulische Schaltung komplizierter und es entstehen in unvermeidbarer Weise größere Kosten.

Alternativ könnte der Tauchkolben 9 mittels einer Feder in Richtung zu dem Steuerschieber 1 derart gezogen werden, daß selbst dann, wenn die Steuerschieberantriebskraft F₁ auf Null abfällt und der Magnetisierungsstrom i₁ unterbrochen wird, die Steueröffnung einen gewissen minimalen Druck auf­ rechterhalten kann. In diesem Fall ist es jedoch mit übli­ chen Einrichtungen nicht mehr möglich, daß der Druck Pc an der Steueröffnung 4 unter diesen Minimalwert eingestellt wer­ den kann.

Aus der gattungsbildenden US 42 50 922 ist ein elektromagne­ tisch betreibbares Steuerventil bekannt, welches sich insbeson­ dere zur Verwendung mit einem automatischen Getriebe eines Fahrzeugs eignet. Das Ventil umfaßt einen Elektromagneten, dessen Tauchspule mit einem Steuerkolben eines Steuerventils verbunden ist. Eine Rückstellfeder ist so angeordnet, daß sie den Kolben in einer neutralen Mittelstellung hält, wenn der Elektromagnet nicht erregt ist. Das Steuerventil umfaßt weiterhin einen Rückführkanal für die Hydraulikflüssigkeit, derart, daß der in der Steueröffnung erzeugte Druck an die Stirnfläche des Steuerkolbens angelegt wird.

Aus der US 38 07 441 ist ein elektrisch betätigbares Ventil zum Bereitstellen eines Flüssigkeitsstromes bekannt unter Ver­ wendung eines Elektromagneten. Im stromlosen Zustand des Elektromagneten wird kein Ausgangsdruck erzeugt, wogegen im erregten Zustand des Elektromagneten eine Bewegung eines Steuerkolbens des Ventils ausgeführt wird. Dabei ist die Kraft F, welche auf den Steuerkolben wirkt, proportional zur mittleren Stärke des Steuerstroms durch die Spule des Elektromagneten, wodurch die Größe des Ausgangsdrucks proportional zum Steuerstrom ist.

Schließlich istz aus der DE 33 45 561 A1 bekannt eine Kombination aus einem Gasdruckregler und einem Sicherheitsmagnetventil mit einem gemeinsamen Ventilverschlußkörper vorzusehen, welcher gleichzeitig als Regelglied verwendet wird und in Schließrichtung umströmt wird sowie im stromlosen Zustand eines Elektromagneten von der Schließfeder belastet wird. Bei einem Bruch der Arbeitsmembrane geht der Ventilverschlußkörper in Schließstellung bzw. bleibt in der geschlossenen Stellung.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein gattungsbildendes Druckreduzierventil so weiterzubilden, daß es im Betrieb zuverlässig arbeitet und zugleich einfach und daher kostengünstig aufgebaut ist.

Diese Aufgabe wird von einem Druckreduzierventil mit den im An­ spruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst.

Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind Gegenstand mehrerer Unteransprüche.

Einzelheiten und Vorteile der Erfindung er­ geben sich aus der nachstehenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die beigefügte Zeich­ nung. Darin zeigt:

Fig. 1 eine Vertikalschnittansicht eines elektromagneti­ schen Proportional-Reduzierventils gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 2 eine Vertikalschnittansicht eines elektromagneti­ schen Proportional-Reduzierventils gemäß einer zweiten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 3 eine Vertikalschnittansicht eines elektromagneti­ schen Proportional-Reduzierventils gemäß einer dritten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung,

Fig. 4 eine Vertikalschnittansicht eines elektromagneti­ schen Proportional-Reduzierventils gemäß einer vierten bevorzugten Ausführungsform nach der Erfindung, und

Fig. 5 eine Vertikalschnittansicht eines elektromagneti­ schen Proportional-Reduzierventils üblicher Bauart.

Unter Bezugnahme auf Fig. 1 der Zeichnung ist ein Steuerschie­ ber 1 gezeigt, welcher in eine Öffnung 2a im Innern eines Ventilgehäuses 2 derart eingesetzt ist, daß er in dem Gehäuse sich frei gleitend bewegen kann. Eine Steueröffnung 4, eine Versorgungsöffnung 5, welche mit einer Ölquelle P verbunden ist und eine Vorratsbehälteröffnung 6, welche mit einem Vor­ ratsbehälter T verbunden ist, münden in diese Öffnung 2a und der durch die Steueröffnung 4 erzeugte Druck Pc wird nach Maßgabe der Position des Steuerschiebers 1 gesteuert.

Ein Rückführungsölkanal 3, welcher von der Steueröffnung 4 abzweigt, bewirkt eine Druckbeaufschlagung von Pc der Steu­ eröffnung 4 auf eine Stirnfläche 1a des Steuerschiebers 1.

Ein Tauchkolben 9, welcher von einem ersten Elektromagneten 8 ange­ trieben wird, und ein Tauchkolben 12, welcher von einem zwei­ ten Elektromagneten 11 angetrieben wird, sind vorgesehen. Der zwei­ te Tauchkolben ist koaxial und in Serie geschaltet zu dem ersten Tauchkolben in einem Gehäuse 10 angeordnet, welches mit dem Ventilgehäuse 2 verbunden ist. Eine Durchgangsöff­ nung 14 ist der Rückseite des Tauchkolbens 9 zugewandt und ist in dem Gehäuse 10 ausgebildet. Das vordere Ende des zwei­ ten Tauchkolbens 12 ist in diese Durchgangsöffnung 14 einge­ setzt.

Wenn der Elektromagnet 11 magnetisiert wird, wird der zweite Tauch­ kolben 12 entgegen der Kraft einer Feder 13 derart zurückge­ halten, daß er nicht in Kontakt mit dem ersten Tauchkolben 9 ist.

Wenn jedoch die Energiezufuhr zu dem Elektromagneten 11 unterbrochen wird, bewegt sich dieser infolge der Rückstellkraft der Fe­ der 13 derart nach vorne, daß der Tauchkolben 9 von der Rück­ seite her mit einer Druckkraft beaufschlagt wird, und daß hierdurch der Steuerschieber 1 in eine vorbestimmte Position gedrückt wird.

Ein Steuerstrom i₁, welcher sich nach Maßgabe eines Solldruck­ wertes der Steueröffnung 4 ändert, wird an den ersten Magne­ ten 8 angelegt, und ein konstanter Strom i₂, welcher größer als der minimale Strom ist, welcher erforderlich ist, um den zweiten Tauchkolben 12 entgegen der Kraft der Fe­ der 13 zurückzuhalten, wird an den zweiten Elektromagneten 11 ange­ legt.

Im Grundbetriebszustand beaufschlagt der zweite Elektromagnet 11, welcher durch den Strom i₂ magnetisiert wird, den Tauchkolben 12 mit einer Zugkraft derart, daß dieser nicht in Kontakt mit dem Tauchkolben 9 ist.

Der Steuerstrom i₁, welcher sich nach Maßgabe des Solldruckes ändert, wird an den ersten Elektromagneten 8 angelegt, und der Tauchkolben 9 verschiebt den Steuerschieber 1 nach Maßgabe der erzeugten Antriebskraft. Ein Druck in Abhängigkeit von der Position des Steuerschiebers 1 wird hierdurch über die Steuer­ öffnung 9 erzeugt, und es wird die Grunddruckreduziersteuer­ funktion durchgeführt.

Wenn die Energiezufuhr zu den ersten und zweiten Elektromagneten 8, 11 infolge einer elektrischen Störung oder eines Ausfalles oder aus irgendwelchen anderen Gründen unterbrochen wird, fällt die Steuerschieberantriebskraft des Tauchkolbens 9 auf Null ab, und der Steuerschieber 1 wird durch den Rückführungs­ druck bzw. Gegendruck zurückgedrückt.

Da jedoch der Tauchkolben 12 nicht mehr durch den Elektromagneten 11 zurückgehalten ist, bewegt sich dieser Tauchkolben 12 in­ folge der Rückstellkraft der Feder 13 in Richtung nach vorne. Der erste Tauchkolben 9 wird daher um eine vorbestimmte Kraft zurückgeführt, und der Steuerschieber 1 kommt in einer Posi­ tion zum Stillstand, welche durch die Vorgabekraft der Feder 13 bestimmt ist. Als Folge hiervon fällt der Steuerdruck in der Steueröffnung 4 nicht auf den Druck Pr in der Vorratsbe­ hälteröffnung ab, und der Druck läßt sich nach Maßgabe der Position des Steuerschiebers 1 aufrecht­ erhalten.

Selbst wenn der Strom unterbrochen wird, hält die Steueröff­ nung 4 einen konstanten Druck aufrecht, und eine hydrauli­ sche Stelleinrichtung 20 kann nach wie vor ihre erforderliche Arbeit mit Hilfe dieses Druckes verrichten.

Selbst wenn ferner der Strom bewußt beispielsweise abgeschal­ tet wird und eine Vorrichtung mit der hydraulischen Stellein­ richtung 20 auch noch weitere Bauteile aufweist und eine Stö­ rung bzw. ein Fehler in diesen weiteren Bauteilen festge­ stellt wird, läßt sich der Druck der hydraulischen Stellein­ richtung 20 noch aufrechterhalten.

Wenn andererseits die Grundsteuerfunktion beendet ist, läßt sich der Druck Pc der Steueröffnung 4 auf den Druck der Vor­ ratsbehälteröffnung 6 herabsetzen. In anderen Worten bedeutet dies, daß, wenn die an den ersten und den zweiten Elektromagneten an­ gelegte Energie unterbrochen wird und zugleich die Zufuhr von Arbeitsöl von der Ölquelle P gestoppt wird, kein Öldruck an der Versorgungsöffnung 5 und zwar selbst dann nicht vorhan­ den ist, wenn der Steuerschieber 1 in einer vorbestimmten Po­ sition gehalten wird. Der Druck Pc an der Steueröffnung 4 ist dann äquivalent zu dem Druck der Vorratsbehälteröffnung 6.

Wenn beispielsweise diese hydraulische Stelleinrichtung 20 in einer Hydraulikeinheit eingesetzt wird, welche die An­ triebskraft in einem Fahrzeug mit Vierradantrieb ein Drehmo­ ment aufteilt, und eine Störung bzw. ein Ausfall im elektri­ schen System des Fahrzeugs auftritt, läßt sich die minimale Antriebskraft für die vier Räder aufrechterhalten, und die Antriebskraft wird verteilt. Diese Verteilung erfolgt in ei­ nem solchen Verhältnis, daß ein Bremsen bei einem engen Kur­ venfahren nicht auftritt.

Wenn die Energieversorgung zu den ersten und dem zweiten Elektromagne­ ten 8, 11 wiederum aufgenommen wird, zieht der Tauchkolben 12 sich in eine Position zurück, in welcher dieser nicht mehr den ersten Tauchkolben 9 berührt, und die Position des Steuer­ schiebers 1 ist nur durch den ersten Tauchkolben 9 bestimmt, welcher nach Maßgabe des Steuerstroms i₁ verschoben wird, und die Einrichtung kann wiederum die Grundsteuerfunktion ausfüh­ ren.

Der Druck kann einfach dadurch aufrechterhalten werden, daß ein zweiter Elektromagnet 11 wie zuvor beschrieben vorgesehen wird. Diese Auslegung ermöglicht somit auf einfache Weise eine Ausfallsi­ cherheitseinrichtung, ohne daß man ein besonderes Druckkonstant­ halteventil in der hydraulischen Schaltung vorzusehen braucht. Da dies ferner dadurch bewerkstelligt wird, daß in einem Druckreduzierventil ein erster und ein zweiter Elektromagnet in einer koaxialen Anordnung vorgesehen sind, sind die Grunddruckredu­ ziercharakteristika genau die gleichen wie bei einem Druckre­ duzierventil üblicher Bauart, und es besteht nicht die Gefahr hinsichtlich einer Beeinträchtigung des Ventilbetriebs, und das Druckreduzierventil läßt sich mit niedrigen Kosten her­ stellen.

Eine zweite bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung wird nunmehr unter Bezugnahme auf Fig. 2 erläutert. Bei dieser zwei­ ten bevorzugten Ausführungsform geht der Rückführungsölkanal 3, welcher den Druck Pc, welcher an der Steueröffnung 4 erzeugt wird, an die Stirnfläche 1a des Steuerschiebers 1 anlegt, direkt durch den Steuerschieber 1. Daher besteht nicht die Notwendig­ keit, den Rückführungsölkanal 3 im Gehäuse 2 vorzusehen, und das Druckreduzierventil läßt sich kompakter auslegen.

Fig. 3 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung. Dieses Ventil hat eine "negative Überdeckung" bei einem Steuerschieber, bei dem also die Gleitflächen nicht voll­ ständig die Versorgungsöffnung 5 und die Vorratsbehälteröff­ nung 6 abdecken und auch in diesem Fall wird der Druck Pc nach Maßgabe der Position des Steuerschiebers 1 gesteuert.

Fig. 4 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform nach der Erfindung, bei der ein Reaktionsbolzen bzw. ein Reaktions­ zapfen 15 vorgesehen ist, welcher eine Druckaufnahmefläche As hat, welche kleiner als die Druckaufnahmefläche Aa des Steuer­ schiebers 1 ist und daß dieser derart vorgesehen ist, daß er eine Druckkraft F₂ auf die Stirnfläche 1a des Steuerschiebers 1 nach Maßgabe des Drucks Pc der Steueröffnung 4 aufbringt.

Der Druck Pc des Rückführungsölkanal 3 wirkt auf den Reak­ tionszapfen 15, welcher dann den Steuerschieber 1 mit einer Druckkraft beaufschlagt. Wenn in diesem Fall die Druckaufnahme­ fläche des Zapfens 15 As ist, ergibt sich die Druckkraft F₂ wie folgt:

F₂ = Pc × As (3)

Da As<Aa ist, muß der erzeugte Steuerdruck Pc zum Entgegen­ wirken einer identischen Antriebskraft F₁ größer gemacht wer­ den. Wenn man einen derartigen Reaktionszapfen 15 daher ein­ setzt, ist die Antriebskraft des Elektromagneten 8, welcher zur Er­ zeugung des gleichen Druckes Pc erforderlich ist, kleiner, ein kleinerer Elektromagnet läßt sich einsetzen und die gesamte Vor­ richtung wird kompakter und läßt sich wirtschaftlicher her­ stellen. Mit 16 ist eine Rückstellfeder bezeichnet, welche den Reaktionszapfen 15 in Kontakt mit dem Steuerschieber 1 hält.

Claims (3)

1. Druckreduzierventil, umfassend
eine Versorgungsöffnung (5), welche mit einer Öl­ quelle (P) verbunden ist,
eine Vorratsbehälteröffnung (6), welche mit einem Vorratsbehälter (T) verbunden ist,
eine Steueröffnung (4), welche mit einer hydrauli­ schen Stelleinrichtung verbindbar ist,
einen Steuerschieber (1), welcher die Steueröffnung (4) mit der Vorratsbehälteröffnung (6) in Abhängigkeit von seiner Axialstellung verbindet,
einen ersten Tauchkolben (9), welcher in Kontakt mit einer Stirnfläche (1b) des Steuerschiebers (1) ist,
einen ersten Elektromagneten (8), welcher den ersten Tauch­ kolben (9) nach Maßgabe eines Steuerstromes axial antreibt, und
einen Rückführungsölkanal (3) zum Anlegen des Drucks der Steueröffnung (4) an die gegenüberliegende Stirnfläche (1a) des Steuerschiebers (1), wobei der in der Steueröffnung (4) erzeugte Druck nach Maßgabe des Steuerstromes des ersten Elektromagneten (8) vergrößert oder verkleinert wird,
gekennzeichnet durch
einen zweiten Tauchkolben (12), welcher in Reihen­ schaltung zum ersten Tauchkolben (9) angeordnet ist,
eine Feder (13), welche den zweiten Tauchkolben (12) in Richtung des ersten Tauchkolbens (9) mit einer Druckkraft beaufschlagt, und
einen zweiten Elektromagneten (11), welcher den zweiten Tauchkolben (12) entgegen der Druckkraft der Feder (13) derart mit einer Zugkraft beaufschlagt, daß dieser nicht in Kontakt mit dem ersten Tauchkolben (9) ist, wenn der zweite Elektromagnet (11) erregt ist.

2. Druckreduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Rückfüh­ rungsölkanal (3) im Steuerschieber (1) ausgebildet ist.

3. Druckreduzierventil nach Anspruch 1 oder 2 gekennzeichnet durch
einen Zapfen (15), welcher eine Druckaufnahmefläche (As) hat, welche kleiner als jene (Aa) des Steuerschiebers (1) ist, welcher den Druck von dem Rückführungsölkanal (3) derart aufnimmt, daß eine Abstützung der gegenüberliegenden Stirnfläche (1a) des Steuerschiebers (1) erfolgt.