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Die
Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Druckventil nach dem Oberbegriff
des Patentanspruches 1.
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Ein
derartiges Druckventil kann beispielsweise als Druckbegrenzungs-
oder Druckreduzierventil ausgeführt sein. Der Grundaufbau
derartiger vorgesteuerter Druckbegrenzungsventile ist beispielsweise
aus dem Datenblatt RD 29160/04.05 der Bosch Rexroth AG oder dem
Datenblatt D 7485/1 der Firma Heilmeier & Weinlein bekannt. Diese Druckbegrenzungsventile
bestehen im Prinzip aus einem Hauptventil und einer Vorsteuerstufe,
wobei ein Ventilkörper des Hauptventils über einen
Vorsteuerdruck in eine Schließposition vorgespannt ist,
der mittels der Vorsteuerstufe eingestellt wird. Diese Vorsteuerstufe kann
beispielsweise als direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil ausgeführt
sein, wobei der den Hauptventilkörper in Öffnungsrichtung
beaufschlagende, zu begrenzende Druck bei der im Datenblatt RD 29160
beschriebenen Lösung auch am Eingang der Vorsteuerstufe
anliegt. Aufgrund der hohen Druckdifferenz an der Vorsteuerventilanordnung neigt
ein derartiges System zum Schwingen, so dass in der den zu begrenzenden
Druck abgreifenden Pilotleitung oft Dämpfungsdüsen
vorgesehen werden müssen.
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Bei
der im Datenblatt D 7485/1 beschriebenen Lösung wird der über
die Pilotleitung abgegriffene Systemdruck mittels eines Druckreduzierventils auf
einen niedrigeren, konstanten Druck gemindert, der dann am Eingang
eines Druckregelventils anliegt, das als stetig verstellbares Wegeventil
ausgeführt ist, wobei der Steuerraum hydraulisch mit einem Ausgangsanschluss
des Druckregelventils verbunden ist, so dass ein den Hauptventilkörper
in Schließrichtung beaufschlagender Vorsteuerdruck einstellbar
ist. Bei der vorgenannten Lösung wirkt dieser Vorsteuerdruck über
einen Übersetzerkolben auf den Hauptventilkörper.
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Gemeinsamer
Nachteil der vorbeschriebenen Lösungen ist, dass zur Vermeidung
von Wechselwirkungen zwischen der Vorsteuerung und der Hauptstufe
ein erheblicher Aufwand erforderlich ist und dass die Vorsteueranordnung
aufgrund des komplexen Aufbaus mit proportional verstellbaren Vorstuerventilen
zum einen teuer ist und zum anderen einen erheblichen Bauraum in
Anspruch nimmt.
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Demgegenüber
liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein einfach aufgebautes
Druckventil zu schaffen.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Druckventil mit den Merkmalen des Patentanspruches
1 gelöst.
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Erfindungsgemäß hat
das vorgesteuerte Druckventil eine Hauptstufe mit einem Ventilkörper, der
mittelbar oder unmittelbar von einem in einem Steuerraum anliegenden
Vorsteuerdruck beaufschlagt ist. Dieser wird über eine
Vorsteueranordnung eingestellt, die ein in einem Druckmittelströmungspfad
von einer einen Pilotdruck führenden Pilotleitung zum Steuerraum
angeordnetes Vorsteuerventil hat. Dieses ist mit einem veränderlichen
Düsen- oder Strömungsquerschnitt ausgeführt,
der beispielsweise durch ein Schaltventil gebildet ist. Erfindungsgemäß ist
diesem veränderlichen Strömungsquerschnitt ein
weiterer Strömungsquerschnitt zugeordnet, der in einem
Druckmittelströmungspfad zwischen dem Steuerraum und einem
Tank angeordnet ist. Der veränderliche Strömungsquerschnitt
kann über eine Steuereinheit derart eingestellt werden, dass
sich in Abhängigkeit vom Pilotdruck im Steuerraum ein vorbestimmter
Steuerdruck einstellt.
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Demgemäß bilden
die beiden Strömungsquerschnitte eine Stromteilerschaltung, über
die bei Einstellung des veränderlichen Strömungsquerschnitts
und bei bekanntem Druck in der Pilotleitung der Vorsteuerdruck im
Steuerraum einstellbar ist. Eine derartige Lösung zeichnet
sich durch einen sehr geringen vorrichtungstechnischen Aufwand aus
und lässt sich in äußerst kompakter Form
realisieren.
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Bei
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel sind beide Strömungsquerschnitte
durch jeweils ein schnell schaltendes Schaltventil ausgeführt.
Prinzipiell wäre es jedoch auch möglich, den tankseitigen Strömungsquerschnitt
durch eine feste Düse auszubilden. Bevorzugte Schaltventile
sind weitestgehend druckausgeglichen und werden daher kaum zu Schwingungen
angeregt, so dass Dämpfungsmaßnahmen wie bei den
eingangs beschriebenen bekannten Lösungen nicht vorgesehen
werden müssen. Schaltventile reagieren zudem sehr schnell
und sind wesentlich einfacher und kostengünstiger herstellbar
als die beim Stand der Technik erforderlichen stetig verstellbaren
Ventile. Ein weiterer Vorteil dieser Schaltventile besteht darin,
dass sie trotz der kostengünstigen Herstellung mit einer
relativ geringen Fertigungsstreuung hinsichtlich des Öffnungsquerschnitts
ausführbar sind, so dass sich der Druck im Steuerraum sehr
exakt einstellen lässt. Die Verwendung von schnell schaltenden
Schaltventilen zur Vorsteuerung von Ventilen ist per se bereits
aus der
JP 09 042211
A bekannt. Bei dieser Lösung werden 2/2-Wegeventile
bzw. Drosselventile über getaktete Schaltventile angesteuert.
Die 2/2-Wegeventile werden als geregelte Stetigventile betrieben,
wobei über einen Lagesensor die Position eines Hauptkolbens erfasst
wird und die Schaltventile derart angesteuert werden, dass der Hauptkolben
in eine vorbestimmte Position verstellt wird. Die Ansteuerung der
Schaltventile erfolgt bei dieser bekannten Lösung somit
innerhalb einer Positionsregelung. Die Verwendung zweier Schaltventile
in einer Druckteilerschaltung zur Einstellung eines vorgegebenen
Vorsteuerdrucks ist dieser Druckschrift nicht entnehmbar.
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Die
Ansteuerung der Schaltventile erfolgt vorzugsweise getaktet, wobei
diese bei einem Ausführungsbeispiel wechselweise getaktet
sind. Dabei kann der Vorsteuerdruck über das Tastverhältnis
der Steuersignale für die Schaltventile eingestellt werden.
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Zur
Einstellung des am Eingang der Druckteilerschaltung anliegenden
Drucks kann in der Pilotleitung ein Druckreduzierventil vorgesehen
werden.
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Bei
einer vereinfachten Lösung wird der Druck in der Pilotleitung über
einen Druckaufnehmer erfasst und bei der Ansteuerung der Schaltventile
berücksichtigt.
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Um
die eingestellten Vorsteuerdrücke und damit auch die Schwingungsneigung
weiter zu minimieren, kann der Vorsteuerdruck über einen
Kraftübersetzerkolben auf den Hauptventilkörper
wirken.
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Dieser
Hauptventilkörper ist bei einem Ausführungsbeispiel
zusätzlich in Schließrichtung von der Kraft einer
Feder beaufschlagt, die den minimal einstellbaren Druck vorgibt.
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Die
Feder kann beispielsweise am Kraftübersetzerkolben abgestützt
werden.
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Der
den Eingangsdruck an der Vorsteuerstufe bildende Pilotdruck kann
ein Systemdruck, der Vorsteuerdruck im Steuerraum oder bei einem
Ventil mit Kraftübersetzerkolben, der diesen beaufschlagenden
Steuerdruck sein.
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Bei
einer besonders bevorzugten Variante der Erfindung erfolgt die Betätigung
der Schaltventile mittels jeweils eines Piezoaktors.
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Wie
bereits erwähnt, kann das Druckventil als Druckbegrenzungs-
oder als Druckreduzierventil ausgeführt sein.
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Im
Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
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1 ein
Schaubild eines erfindungsgemäßen vorgesteuerten
Druckbegrenzungsventils;
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2 einen
Variante des Druckbegrenzungsventils aus 1 mit Kraftübersetzerkolben;
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3 eine
vereinfachte Variante des Druckbegrenzungsventils aus 1 und
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4 das
Druckbegrenzungsventile aus 3 mit Kraftübersetzerkolben.
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In 1 ist
ein Schaltbild eines erfindungsgemäßen Druckventils
dargestellt, das beispielhaft als Druckbegrenzungsventil 1 ausgeführt
ist. An einen Eingangsanschluss A des Druckbegrenzungsventils 1 ist
eine Druckleitung 2 angeschlossen, wobei über
das Druckbegrenzungsventil 1 der Druck in der Druckleitung 2 auf
einen vorbestimmten Systemdruck begrenzt werden kann. Dieser wird
beispielsweise über eine an die Druckleitung 2 angeschlossene
Pumpe 4 aufgebaut. Das Druckbegrenzungsventil 1 hat
eine Hauptstufe 6 und eine Vorsteuerstufe 8, über
die der auf die Hauptstufe 6 wirkende Vorsteuerdruck einstellbar
ist.
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Die
Hauptstufe 6 hat einen über eine Feder 10 gegen
einen Ventilsitz 12 vorgespannten Ventilkörper 14, über
den bei Erreichen des Systemdrucks eine Druck mittelverbindung vom
Anschluss A zu einem Ausgangsanschluss B aufsteuerbar ist, der über eine
Tankleitung 16 an den Tank T angeschlossen ist. Die vom
Ventilsitz 12 abgewandte Rückseite des Ventilkörpers 14 begrenzt
einen Steuerraum 18, der auch einen Federraum für
die Feder 10 bildet. Der Steuerraum 18 ist über
ein Schaltventil 20 mit einer Pilotleitung 22 und über
ein weiteres Schaltventil 24 mit der Tankleitung 16 verbunden.
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Die
Pilotleitung 22 ist mit dem Ausgang eines Druckreduzierventils 26 verbunden,
dessen Eingangsanschluss über eine Steuerleitung 28 an
die Druckleitung 2 angeschlossen ist und dessen Tankanschluss über
eine Ablaufleitung 30 mit der Tankleitung 16 in
Druckmittelverbindung steht. Über dieses Druckreduzierventil 26 kann
der in der Druckleitung 2 anliegende Systemdruck auf einen
Pilotdruck gemindert werden, der dann entsprechend in der Pilotleitung 22 anliegt.
D. h. am Eingang des Schaltventils 20 liegt der über
das Druckreduzierventil 26 eingestellte, konstante Pilotdruck 22 an.
Die beiden Schaltventile 20, 24 bilden eine Druckteilerschaltung, über die
bei entsprechender Betätigung der im Steuerraum 18 wirksame
Vorsteuerdruck einstellbar ist.
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Beim
dargestellten Ausführungsbeispiel sind die beiden Schaltventile 20, 24 jeweils
als schnell schaltende Piezowegeventile ausgeführt, die über eine
Steuereinheit 32 angesteuert werden. Gemäß der
Darstellung in 1 erfolgt die Ansteuerung der Schaltventile 20, 24 gegenläufig,
wobei durch Variieren des Tastverhältnisses, d. h. des
Verhältnisses zwischen Öffnungs- und Schließzeiten
der jeweiligen Ventile 20, 24 aufgrund der Druckteilerschaltung
im Steuerraum 18 der gewünschte Vorsteuerdruck
eingestellt wird, der zwischen dem Pilotdruck in der Pilotleitung 22 und
dem Tankdruck im Tank T liegt. Voraussetzung für die Druckteilerschaltung
ist ein bekannter oder definierter Druck in der Pilotleitung 22. Dieser
Druck ist bei der vorliegenden Lösung durch das Druckreduzierventil 26 gewährleistet. Öffnet
das Schaltventil 20 bei geschlossenem Schaltventil 24, so
stellt sich über dessen Durchflusswiderstand, dem bekannten
Volumen des Steuerraums 18 sowie dem Pilotdruck 22 eine
vorhersagbare Zunahme des Vorsteuerdrucks im Steuerraum 18 ein.
Entsprechendes gilt bei der Öffnung des Schaltventils 24,
wobei dann der Druck in dem Steuerraum 18 abnimmt.
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Der
Vorsteuerdruck beaufschlagt gemeinsam mit der Feder 10 den
Ventilkörper 14 in Schließrichtung. Zur
Einstellung dieses Vorsteuerdrucks wird ein Sollwert vorgegeben
und in Abhängigkeit vom eingestellten Pilotdruck in der
Pilotleitung 22 und in Abhängigkeit von in Steuereinheit 32 abgelegten Kennlinien
ein Tastverhältnis für die Ansteuerung der beiden
Schaltventile 20, 24 vorgegeben, über
das der Vorsteuerdruck im Steuerraum 18 einstellbar ist.
Dieses Tastverhältnis und der darüber eingestellte
Vorsteuerdruck bestimmen letztendlich den am Anschluss A und somit
in der Druckleitung 2 anliegenden Systemdruck.
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Anstelle
der Piezowegeventile können selbstverständlich
auch andere, hydraulisch oder elektrisch betätigte Schnellschaltventile
verwendet werden, wie sie beispielsweise in der
DE 38 02 648 A1 beschrieben
sind. Der Vorteil dieser Schnellschaltventile besteht darin, dass
diese sehr preisgünstig herstellbar sind und in der Regel
weitestgehend druckausgeglichen sind, so dass Schwingungen des Systemdrucks
aufgrund von Wechselwirkungen zwischen Hauptstufe und Vorsteuerstufe
nahezu ausgeschlossen sind.
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Anstelle
des Schaltventils 24 kann die vorbeschriebene Druckteilerschaltung
auch über eine feststehende Düse anstelle des
Schaltventils 24 im Druckmittelströmungspfad zum
Tank realisiert werden.
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Eine
das Druckreduzierventil 26 in Öffnungsrichtung
beaufschlagende Regelfeder 34 begrenzt den Pilotdruck in
der Pilotleitung 22 nach oben. Dementsprechend muss diese
Regelfeder 34 so ausgelegt sein, dass ein hinreichender
Pilotdruck und damit auch ein entsprechend hoher Vorsteuerdruck
im Steuerraum 18 einstellbar sind.
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Diese
Problematik wird bei dem in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel umgangen. Der Grundaufbau des Druckbegrenzungsventils 1 gemäß 2 ist
der gleiche wie beim vorbeschriebenen Ausführungsbeispiel,
so dass zur Vermeidung von Wiederholungen einander entsprechende
Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind und diesbezüglich
auf die vorstehende Beschreibung verwiesen wird.
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Das
in 2 dargestellte Druckbegrenzungsventil 1 hat
somit ebenfalls eine Hauptstufe 6 und eine Vorsteuerstufe 8,
wobei der einzige Unterschied darin besteht, dass der über
die Druckteilerschaltung mit den Schaltventilen 20, 24 im
Steuerraum 18 eingestellte Druck nicht – wie in 1 – direkt
auf den Ventilkörper 14 wirkt, sondern auf einen Kraftübersetzerkolben 36.
Dieser begrenzt mit seiner mit einem vergleichsweise großem
Durchmesser D ausgeführten Stirnfläche den Steuerraum 18.
Der Ventilsitz 12 ist mit einem wesentlich kleineren Durchmesser
d ausgeführt, wobei der Ventilkörper 14 über
die Feder 10 am Kraftübersetzerkolben 36 abgestützt
ist. Beim zuletzt beschriebenen Ausführungsbeispiel ist
der steuerraumseitige Durchmesser des Ventilkörpers 14 gleich
dem Ventilsitzdurchmesser. Beim in 2 dargestellten
Ausführungsbeispiel ist die Feder 10 mit einer
vergleichsweise hohen Federrate ausgeführt, so dass Ventilkörper 14 und Kraftübersetzerkolben 36 fast
starr gekoppelt sind und somit Schwingungen des Ventilkörpers 14 unterbunden
werden.
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Die
federseitige Stirnfläche des Kraftübersetzerkolbens 36 und
der Ventilkörper 14 begrenzen in der dargestellten
Schließposition einen Federraum 38, der mit dem
Ausgangsanschluss B und damit mit der Tankleitung 16 verbunden
ist, so dass der Kraftübersetzerkolben 36 federseitig
druckentlastet ist. In Abhängigkeit vom Durchmesserverhältnis
D/d lässt sich somit auch bei einem niedrigen Vorsteuerdruck im
Steuerraum 18 eine Vorsteuerspannkraft für die Feder 10 und
somit ein hoher Systemdruck in der Druckleitung 2 einstellen,
ohne dass die Regelfeder 34 des Druckreduzierventils 26 übermäßig
steif ausgelegt werden muss. Außerdem können einfache Schaltventile 20, 24 verwendet
werden, die auf einen geringen Vorsteuerdruck ausgelegt sind und
die eine kleine Nenngröße besitzen.
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Im Übrigen
entspricht das vorbeschriebene Ausführungsbeispiel demjenigen
aus 1, so dass weitere Erläuterungen entbehrlich
sind.
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3 zeigt
eine weiter vereinfachte Variante des Druckbegrenzungsventils aus 1.
Bei dieser Variante entfällt das Druckreduzierventil 26,
so dass die Pilotleitung 22 direkt an die Druckleitung 2 angeschlossen
ist. Die Ansteuerung der beiden Schaltventile 20, 24 der
Vorsteuerstufe 8 erfolgt dabei in Abhängigkeit
von dem Systemdruck in der Druckleitung 2, der über
einen Druckaufnehmer 40 erfasst wird. Das Ausgangssignal
des Druckaufnehmers 40 wird zur Steuereinheit 32 gemeldet
und in Abhängigkeit von diesem Ausgangssignal das Tastverhältnis der
Schaltventile 20, 24 eingestellt, um den Vorsteuerdruck-Sollwert
im Steuerraum 18 einzustellen. Bei dieser Regelungsstrategie
geht somit der Systemdruck in der Druckleitung 2 unmittelbar
in die Ansteuerung der Schaltventile 20, 24 und
somit in die Vorsteuerung der Hauptstufe 6 ein. Ein weiterer
Vorteil dieses Systems besteht darin, dass sich das Tastverhältnis über
einen sehr einfachen Regler, beispielsweise einen I-Regler derart
nachführen lässt, dass die Regelabweichung im
Mittel praktisch 0 ist. Dies bedeutet ideal waagerechte Äste
im Gleichdruckverhalten bzw. die Entkopplung des Systemdrucks von dem
das Druckbegrenzungsventil 1 durchströmenden Druckmittelvolumenstrom.
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In 4 ist
eine dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 entsprechende
Variante des vorbeschriebenen Ausführungsbeispiels gezeigt.
Demgemäß werden bei dem in 4 dargestellten
Ausführungsbeispiel in Abhängigkeit vom Signal
des Druckaufnehmers 40 die beiden Schaltventile 20, 24 über die
Steuereinheit 32 so angesteuert, dass sich in dem vom Kraftübersetzerkolben 26 begrenzten
Steuerraum 18 der gewünschte Vorsteuerdruck einstellt, der – wie
beim zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel – vom
Systemdruck der Druckleitung 2 abhängt. Hinsichtlich
weiterer Details sei auf die Ausführungen zu den 2 und 3 verwiesen.
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Bei
den vorbeschriebenen Ausführungsbeispielen wird entweder
der Systemdruck 2 über das Druckreduzierventil 26 auf
einen vorbestimmten Pilotdruck gemindert oder es wird direkt der
Systemdruck, d. h. der Druck in der Druckleitung 2 zur
Ansteuerung der Druckteilerschaltung (Schaltventile 20, 24)
verwendet. Alternativ ist es auch möglich, den Druck im
Steuerraum 18 (Rückseite des Ventilkörpers 14 in 1 oder 3)
oder den den Kraftübersetzerkolben 36 beaufschlagenden
Vorsteuerdruck (Ausführungsbeispiel gemäß den 2, 4)
der Berechnung des Tastverhältnisses zugrunde zulegen.
In diesem Fall ergibt sich jedoch keine ideale Entkopplung des Systemdrucks
von dem das Druckbegrenzungsventil 1 durchströmenden
Druckmittelvolumenstrom, da sich durch das Konstanthalten des Drucks
im Steuerraum 18 eine Zunahme des Systemdrucks mit einem
das Ventil durchströmenden Druckmittelvolumenstrom aufgrund
der an der Steuerkante der Hauptstufe 4 auftretenden und
schließend wirkenden Strömungskräfte
ergibt.
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Wie
bereits erwähnt, kann das erfindungsgemäße
Konzept sowohl bei Druckreduzierventilen als auch bei Druckbegrenzungsventilen
eingesetzt werden.
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Offenbart
ist ein vorgesteuertes Druckventil mit einer Hauptstufe und einer
Vorsteuerstufe, wobei die Vorsteuerstufe zwei eine Druckteilerschaltung
bildende Strömungsquerschnitte hat, über die ein
die Hauptstufe beaufschlagender Vorsteuerdruck einstellbar ist.
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- 1
- Druckbegrenzungsventil
- 2
- Druckleitung
- 4
- Pumpe
- 6
- Hauptstufe
- 8
- Vorsteuerstufe
- 10
- Feder
- 12
- Ventilsitz
- 14
- Ventilkörper
- 16
- Tankleitung
- 18
- Steuerraum
- 20
- Schaltventil
- 22
- Pilotleitung
- 24
- Schaltventil
- 26
- Druckreduzierventil
- 28
- Steuerleitung
- 30
- Ablaufleitung
- 32
- Steuereinheit
- 34
- Regelfeder
- 36
- Kraftübersetzerkolben
- 38
- Federraum
- 40
- Druckaufnehmer
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - JP 09042211
A [0009]
- - DE 3802648 A1 [0029]