EP0083688A2

EP0083688A2 - Elektro-hydraulisch vorgesteuertes Proportionaldrosselventil

Info

Publication number: EP0083688A2
Application number: EP82108826A
Authority: EP
Inventors: Karl-Heinz Dr. Post
Original assignee: Barmag Barmer Maschinenfabrik AG
Current assignee: Oerlikon Barmag AG
Priority date: 1981-09-26
Filing date: 1982-09-24
Publication date: 1983-07-20
Also published as: US4535966A; DE3272593D1; EP0083688A3; EP0083688B1

Abstract

Das Proportional-Drosselventil ist elektro-hydraulisch vorgesteuert. Hierzu ist der Drosselkolben (5) mit einem Differentialkolben (7) verbunden, der von dem magnetisch betätigten Vorsteuerventil (3) hydraulisch angesteuert wird. Eine vorzugsweise mechanische Rückführung (1) der Stellung des Drosselkolbens (5) auf den Vorsteuerkolben (3) ist vorgesehen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektro-hydraulisch vorgesteuertes Proportionaldrosselventil, dessen Drosselkolben hydraulisch durch einen Vorsteuerschieber bei Rückführung der Stellung des Drosselkolbens auf den Vorsteuerschieber steuerbar ist.
Bekannt ist ein Proportionaldrosselventil, das aus einem 2-Wegeeinbauventil besteht, das auf der vom Pumpendruck abgewandten Seite mit einem Steuerdruck und in Schließrichtung mit einer Schließfeder beaufschlagt wird. Der Steuerdruck ist dabei durch einen Vorsteuerschieber in Abhängigkeit von einer elektromagnetisch eingegebenen Führungsgröße gesteuert, die Rückführung der momentanen Drosselkolbenstellung auf den.Vorsteuerschieber erfolgt durch eine zwischen beiden aufgespannte Schraubenfeder (ölhydraulik und Pneumatik 1981, Seite 35).
Wegen der relativ geringen Kraft der Schließfeder arbeitet dieses Drosselventil in Schließrichtung für manche Einsatzzwecke zu. träge, wenn zwischen Ölzulauf und ölablauf keine Druckdifferenz vorhanden ist. Außerdem ist das Problem zu lösen, daß der Vorsteuermagnet am vollen Pumpendruck anliegt.
Das Drosselventil nach der Erfindung ist ebenfalls ein elektro-hydraulisch vorgesteuertes Proportionaldrosselventil, welches sich dadurch auszeichnet, daß der Drosselkolben mittels eines Differentialkolbens betätigt wird. Der Differentialkolben ist durch eine Kolbenstange fest mit dem Drosselkolben verbunden. Die größere wirksame Kolbenfläche des Differentialkolbens ist in Schließrichtung des Drosselkolbens wirksam. Der Differentialkolben wird von beiden Seiten mit den durch den Vorsteuerschieber aufgegebenen Steuerdrücken beaufschlagt und seine Stellung in einem Regelkreis auf die Vorsteuerung zurückgeführt. Die Stellung des Drosselkolbens kann vorteilhaft durch eine zwischen dem Drosselkolben und dem Vorsteuerschieber abgestützte Feder auf den Vorsteuerschieber zurückgeführt werden.
In einer besonderen Ausführungsform des erfindungsge. mäßen Drosselventils sind Drosselkolben und Vorsteuerschieber parallel zueinander bewegbar, die zwischen beiden abgestützte Feder ist ein Federstab, der entweder am Drosselkolben, an der Kolbenstange oder am Vorsteuerschieber fest eingespannt ist. Durch den Federstab wird ein häufiger Nachteil der Schraubenfedern, die Ermüdung, vermieden. Zur Druckentlastung der Kolbenstange gegenüber dem auf dem Drosselkolben lastenden hydraulischen Druck in Verschieberichtung kann eine Druckentlastungsbohrung Drosselkolben, Kolbenstange und Differentialkolben durchdringen und in einen durch Druckentlastungskolben abgeschlossenen Gegendruckraum münden. Weiter kann erfindungsgemäß der Differentialkolben in einem gemeinsamen Differentialzylinder liegen, wobei die wirksame Flächendifferenz auf der Schließseite zum Entlastungskolben größer ist als die Flächendifferenz auf der öffnungsseite.
Durch die erfindungsgemäße Lösung wird erreicht, daß die Betätigung des Drosselkolbens in beiden Richtungen allein von der Vorsteuerung abhängig ist. So wird erreicht, daß das Drosselventil auch dann sicher schließt, wenn im Fördersystem keine nennenswerte Druckdifferenzen vorhanden sind. Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, daß das Drosselventil in beiden Durchflußrichtungen brauchbar und wirksam ist.
Anhand der beigegebenen Zeichnungen werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung näher erläutert.
Das Proportionaldrosselventil 1 nach Fiq. 1 weist einen Drosselkolben 5 auf, welcher einen ölstrom in Durchlaufrichtung 4.1 oder 4.2 steuert. Dieser Dorsselkolben ist durch Kolbenstanqe 6 mit dem Differentialkolben 7 fest verbunden. Der Differentialkolben gleitet in dem Differentialzylinder 23, welcher auf der Schließseite 21 durch Kolbenfläche 16 am Sperrkolben 20 und auf der öffnungsseite 22 durch Kolbenfläche 17 am Drosselkolben 5 begrenzt wird. Am anderen Ende der Kolbenstange 6 sitzt der Druckentlastungskolben 13 in dem Gegendruckraum 15, der über einen Druckentlastungskanal 12 mit der Stirnfläche des Drosselkolbens verbunden und so groß ist, daß an der Einheit aus Drosselkolben, Kolbenstange und Druckentlastungskolben ein Ausgleich der hydraulischen, durch das Fördermedium bewirkten Kräfte in Bewegungsrichtung der Kolbenstange eintritt.
Ein mittels eines Elektromagneten 2 bewegter Vorsteuerschieber 3 ist parallel zur Einheit aus Drosselkolben 5, Kolbenstange 6, Differentialkolben 7, Kolbenstange 6' und Druckentlastungskolben 13 bewegbar und nimmt - zunächst - eine dem dem Elektromagneten 2 aufgegebenen Vorsteuersignal (Strom) entsprechende Stellung ein, wodurch eine der beiden Steuerdruckleitungen 8, 9 zur Öffnungsseite 22 bzw. Schließseite 21 des Differentialzylinders 23 freigegeben wird; der Differantialkolben bewegt sich entsprechend und damit der Drosselkolben. Mit der Bewegung des Vorsteuerschiebers einerseits und der Differentialkolbeneinheit (5, 6, 7, 6', 13) andererseits biegt sich der an der Kolbenstange 6' eingespannte und in den Vorsteuerschieber 3 gelenkig eingreifende Federstab 11. Dadurch übt der Federstab auf den Vorsteuerschieber einerseits und den Drosselkolben andererseits eine Rückstellkraft aus, die zu der Magnetkraft am Vorsteuerschieber einerseits und der hydraulischen Kraft am Differentialkolben andererseits im Gleichgewicht steht. In dieser Weise wird die Drosselkolbenstellung auf die Vorsteuerung zurückgeführt. Die Stellung des Vorsteuerschiebers 3 wird entsprechend der Stellung des Drosselkolbens 5 im Verhältnis zum Vorsteuersignal korrigiert.
Von Bedeutung sind die Flächenverhältnisse am Differentialkolben. In Schließrichtung wirkt die Kolbenfläche 10, vermindert um die Kolbenfläche 16 am Sperrkolben 20. Diese Flächendifferenz ist größer als die in Öffnungsrichtung wirksame Fläche 14 vermindert um die Fläche 17 am Drosselkolben. In der Nullstellung der Vorsteuerung, in der Bund 24 und 25 die Ringkanäle 26 und 27 im wesentlichen abdecken, ist über Kanal 18, Verbindungskanal 19 sowie Leckagen sowohl an der Kolbenfläche 10 als auch an der Gegenfläche 14 der Vorsteuerdruck wirksam. Wegen des Flächenverhältnisses wird der Drosselkolben in Schließrichtung gedrückt. Wird zur öffnung des Drosselkolbens 5 der Elektromagnet 2 so erregt, daß sich der Vorsteuerschieber nach unten (Zeichnung) bewegt, so wird Ringraum 26 und Kanal 8 mit dem Verbindungskanal 19 und Ringkanal 27 mit dem (hier nicht dargestellten) Abfluß zum Tank verbunden. Infolge der Druckdifferenz auf Schließ- und öffnungsseite wird der Differentialkolben nach oben bewegt und der Durchfluß am Drosselkolben geöffnet. Diese Bewegung wird durch den Federstab 11 auf den Vorsteuerschieber 3 im Schließsinne zurückgeführt, so daß das Ventil ein proportionales Regelverhalten zeigt.
Das Ventil nach der Erfindung hat den Vorteil, daß es hydraulisch, jedoch unabhängig vom Fördermedium und dessen Druck gesteuert werden kann. Hierzu wird der Vorsteuerdruckanal 8 mit einer geeigneten Druckquelle verbunden, die einen genügend hohen Druck liefert. Dadurch ist ein sichers öffnen und Schließen mit hohen Geschwindigkeiten möglich, auch wenn von dem Drosselventil ein Medium mit sehr geringem Druck gesteuert wird.
Bei ausreichendem Systemdruck auf beiden Seiten des Drosselventils kann der Vorsteuerdruckkanal jedoch auch mit einer der Leitungen 28 oder 29 verbunden werden. Erwähnenswert ist, daß auch relativ geringe Systemdrücke ausreichen, da Schließgeschwindigkeit und Schließkraft auch durch die Vorgabe des Flächenverhältnisses an dem Differentialkolben beeinflußt werden können.
Das Ventil hat den weiteren Vorteil, daß es in beiden Richtungen (Pfeile 4.1 und 4.2) durchströmt werden kann.
Fig. 2 zeigt eine Modifizierung des Drosselventils nach Fig. 1, mit demselben Aufbau und denselben Eigenschaften. Insbesondere kann das Drosselventil in den beiden Stromrichtungen, (Pfeil 4.1 und 4.2) durchströmt werden. Durch besondere Maßnahmen wird zusätzlich erreicht, daß die Schaltgeschwindigkeit und die leckfreie Dichtung des Drosselkolbens sowohl bei sehr geringen Druckdifferenzen zwischen Zu- und Ablauf (d.h. insbesondere bei großen Durchflußmengen), als auch bei Druckabfall in einer der Leitungen 28, 29 gewährleistet bleiben.
Ergänzend zu Fig. 1 ist in Fig. 2 dargestellt, daß der Magnet 2 einen Stößel 30 besitzt, der auf den Vorsteuerschieber 3 einwirkt. Dargestellt ist ferner der Tankkanal 31, welcher durch die Tankbrücke 32 den Vorsteuerzylinder an seinen beiden Enden drucklos macht. Die hier dargestellte Ergänzung veranschaulicht, daß das Vorsteuerventil als hydraulische Brücke (Wheatstonesche Meßbrücke) wirkt, durch welche in den Vorsteuerkanälen 8 und 9 unterschiedliche Steuerdrücke erzeugt werden zur Betätigung des Differentialkolbens 7.
Im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 wirkt auf den Drosselkolben 5 des Ventils nach Fig. 2 die im Gegendruckraum 15 untergebrachte Feder 33 in Schließrichtung. Hiermit wird folgendes erreicht: Es mag wünschenswert sein, die Schließseite 21 des Differentialkolbens ständig mit einem geringen Druck zu belasten. Aus diesem Grunde werden Magnet 2 und Vorsteuerschieber 3 so eingestellt, daß am Kolbenbund 25 ständig und auch in der Nullstellung des Vorsteuerventils bzw. Schließstellung des Drosselkolbens 5 ein geringer - hier nicht darstellbarer - Spalt besteht, durch den ein geringer ölstrom aus Verbindungskanal 19 auf die Schließseite des Differentialkolbens 7 gelangt. Dieser geringe Spalt bedeutet in Fig. 2 eine geringe Verschiebung des Vorsteuerschiebers 3 nach oben und damit auch eine entsprechende geringe Auslenkuna der Feder 11. verbunden mit einer nach oben gerichteten geringen Federkraft. Die Feder 32 dient nun dem Zweck, diese Federkraft, die unerwünschter Weise im öffnungssinne des Drosselkolbens 5, wirkt, zu kompensieren.
In Fig. 2 ist ferner dargestellt, daß der Vorsteuerdruckkanal 18 wechselweise mit dem Druck der Leitungen 28 oder 29 beaufschlagt wird. Hierzu ist ein Wechselventil 34 vorgesehen. Dessen Eingänge sind mit der Leitung 29 andererseits verbunden. Der Mittelausgang 35 des Wechselventils 34 führt in den Vorsteuerdruckkanal 18.
Das Wechselventil 34 bewirkt, daß im Vorsteuerdruckkanal 18 jeweils der höhere Druck der Leitungen 28 oder 29 anliegt. Bei Druckgleichheit sind beide Drücke der Leitungen 28, 29 gleichermaßen wirksam. Bei Änderung der Stromrichtungen (Pfeile 4.1, 4.2) erfolgt automatisch eine Umschaltung des Steuerdrucks. Das Vorsteuerventil wird auch dann mit dem erforderlichen Drucköl versorgt, wenn eine der Leitungen 28 oder 29 drucklos geschaltet wird, z.B. indem sie mit dem Tank verbunden wird. Anstelle des Wechselventils kann jedes andere druckabhängigesschaltbare Ventil verwandt werden. Das Wechselventil zeichnet sich jedoch durch robuste und einfache Bauweise aus.
Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel, bei dem nur eine Stromrichtung (Pfeil 4.1) möglich ist. Der Steuerdruck wird stets der Leitung 29 über den zentralen Druckentlastungskanal 12 entnommen. Der Vorteil der Ventile nach den Figuren 1 und 2 bleibt jedoch auch hier erhalten:

Auch dieses Ventil ist unabhängig von der Druckdifferenz zwischen den Leitungen 29 und 28. Die Schließkraft und Schließgeschwindigkeit hängt ebenfalls von den Flächenverhältnissen am Differentialkolben 7 ab, so daß auch niedrige Systemdrücke zur Vorsteuerung ausreichen. Die .Sitzkraft kann noch dadurch gefördert werden, daß die Schließseite des Differentialkolben 7 auch in der Nullstellung des Drosselkolbens bzw. Vorsteuerventils mit einem Druck beaufschlagt wird. Dies kann - wie in Fig. 2 beschrieben - dadurch geschehen, daß Magnet 2 und Vorsteuerschieber 3 wiederum so eingestellt werden, daß in der Nullstellung des Vorsteuerschiebers 3 am Kolbenbund 25 ein geringer Spalt zur Verbindung der Steuerdruckleitung 9 mit dem Verbindungskanal 19 geöffnet ist. Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 ist für die hierzu erforderliche geringe Verschiebung des Vorsteuerschiebers 3 eine verhältnismäßig schwache Druckfeder 36 vorgesehen. Im übrigen erfolgt das Schließen des Drosselventils nach Fig. 1 bis 3 dadurch, daß der Strom und dementsprechend die auf das Vorsteuerventil wirkende Ventilkraft des Elektromagneten verringert oder abgeschaltet wird. Die von dem Federstab 11 ausgeübte Kraft bringt nun das Vorsteuerventil in eine Position, in der Kolbenbund 25 den Verbindungakanal 19 mit Vorsteuerkanal 9 verbindet. Damit wird der Differentialkolben 7 im Sinne des Schließens mit Drucköl beaufschlagt.

Der Druckentlastungskanal muß nicht in der Kolbenstange liegen. Er kann sich auch parallel dazu in dem Gehänge von dem Kanal 29 in den Gegendruckraum 15 erstrecken, damit die beiden gleich großen wirksamen Kolbenflächen an den Enden der Kolbenstange, das heißt Stirnseite des Drosselkolbens 5 und wirksame Kolbenfläche des Druckentlastungskolbens 15 (Fig. 1, Fig. 2) bzw. des Sperrkolbens 20 (Fig. 3) durckausgeglichen sind.

BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG

1 Proportionaldrosselventil
2 Elektromagnet
3 Vorsteuerschieber
4 öldurchlaufrichtungen
5 Drosselkolben
6 Kolbenstange
7 Differentialkolben
8 Steuerdruck, Vorsteuerkanal
9 Steuerdruck, Vorsteuerkanal
10 größere Kolbenfläche
11 Feder, Rückführung
12 Druckentlastungskanal
13 Druckentlastungskolben
14 kleinere Kolbenfläche
15 Gegendruckraum
16 Gegendruckfläche am Sperrkolben 20
17 Gegendruckfläche am Drosselkolben 5
18 Vorsteuerdruckkanal, Kanal
19 Verbindungskanal
20 Sperrkolben
21 Schließseite
22 öffnungsseite
23 Differentialzylinder, Steuerzylinder
24 Kolbenbund
25 Kolbenbund
26 Ringkanal
27 Ringkanal
28 Leitung
29 Leitung
30 Stößel
31 Tankkanal
32 Tankbrücke
33 Feder, Kompensationsfeder
34 Wechselventil
35 Mittelausgang
36 Feder

Claims

1..Elektro-hydraulisch vorgesteuertes Proportional- drosselventil,
dessen Drosselkolben hydraulisch durch einen Vorsteuerschieber bei Rückführung der Stellung des Drosselkolbens auf den Vorsteuerschieber steuerbar ist,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Drosselkolben (5) an einer Kolbenstange (6) einen Differentialkolben (7) aufweist, dessen größere wirksame Kolbenfläche (10) in Schließrichtung des Drosselkolbens (5) wirksam ist und der von beiden Seiten (10; 14) mit dem durch den Vorsteuerschieber (3) aufgegebenen Steuerdrücken (8, 9) beaufschlagbar ist, und daß die Stellung des Drosselkolbens (5) in einem Regelkreis auf die Vorsteuerung (2, 3) zurückgeführt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Stellung des Drosselkolbens durch eine zwischen dem Drosselkolben (5) und dem Vorsteuerschieber (3) abgestützte Feder (11) auf die Vorsteuerung (2, 3) zurückgeführt wird.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2,
dadurch gekennzeichnet,
daß Drosselkolben (5) und Vorsteuerschieber (3) parallel zueinander bewegbar sind und durch einen Federstab (11)gegeneinander abgestützt sind,
wobei der Federstab (11) an einem Ende (Kolbenstange (6) fest eingespannt und an dem anderen Ende (Vorsteuerschieber (3) angelenkt ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß ein Druckentlastungskanal (12) den Drosselkolben (5), die Kolbenstange (6, 6'), und den Differentialkolben (7) und den Druckentlastungskolben (13) durchdringt und in einen Gegendruckraum (15) mündet, der durch an der Kolbenstange befestigte Kolben (Druckentlastungskolben 13 und/oder Sperrkolben 20) von der Schließseite (21) des Steuerzylinders (23) getrennt ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Steuerzylinder (23) als"Differe.ntial- zylinder ausgebildet ist, in dem der Differentialkolben (7) auf der einen Seite mit dem größeren Durchmesser und der Druckentlastungskolben (13) und/oder der Sperrkolben (20) auf der anderen Seite mit dem keineren Durchmesser liegen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß auf der Kolbenstange (6) ein Sperrkolben (20) angeordnet ist,

welcher die Schließseite (21) des Differrentialzylinders (23) von einem Verbindungskanal (19) trennt,

welcher Verbindungskanal mit dem Vorsteuereingangsdruck beaufschlagt ist und zu dem Vorsteuerzylinder führt,

wobei in dem Verbindungskanal der Federstab (11) angeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Vorsteuerzylinder über eine Ventilanordnung mit beiden Leitungen (28 u. 29), in welchen das Drosselventil liegt, verbunden ist
und daß die Ventilanordnung in Abhängigkeit von der Druckdifferenz der Leitungen (28 u. 29) steuerbar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Ventilanordnung ein Wechselventil (34) ist, dessen Eingänge mit den Leitungen (28, 29) und dessen Mittelausgang (35) mit dem Eingang des Vorsteuerzylinders verbunden sind.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Kolbenstange (6) im Schließsinne von einer Kompensationsfeder (33) beaufschlagt ist.