-
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Regelventil der Art,
wie es z. B. benutzt wird, um den Flüssigkeitsdruck in einem hydraulischen System
zu regeln, indem Flüssigkeit in das System aus einer unter Druck stehenden Strömungsmittelquelle
eingelassen wird, wenn der Druck in dem System niedriger als erforderlich ist, oder
indem Flüssigkeit aus dem System abgeführt wird, wenn der Druck in dem System höher
als erforderlich ist, oder, wie in den meisten Fällen, indem Flüssigkeit sowohl
zu- als auch abgeführt wird, um den Druck in dem System innerhalb vorbestimmter
Grenzen zu halten.
-
Ventile der erfindungsgemäßen Art können auch verwendet werden, um
den Strömungsmittelfluß in oder aus einem Servomotor ad. dgl. in einem Servosystem
mit geschlossenem Kreislauf zu regeln. Tatsächlich ist die vorliegende Erfindung
in erster Linie für solche Regelventile gedacht und wird nachstehend in ihrer Anwendung
für einen solchen Zweck beschrieben. In solchen Fällen kann das Ventil verwendet
werden, um den Systemdruck indirekt zu regeln durch Steuerung des Servomotors, der
seinerseits den Systemdruck steuert.
-
Wenn ein schnelles Ansprechen des Servomotors verlangt wird, werden
im allgemeinen Spindelventile verwendet, da sie große Strömungsdurchgänge bieten
und damit hohe Strömungsgeschwindigkeiten der Arbeitsflüssigkeit in oder aus dem
Servomotor ermöglichen. Spindelventile, wie sie bisher angewandt wurden, bewirken
jedoch ungewünschte Hysteresiseffekte, wenn die Spindel nicht kontinuierlich gedreht
wird, und in jedem Fall unterliegt die Spindel sogenannten »Bernoullikräften« infolge
der Geschwindigkeitsgradienten in dem Flüssigkeitsstrom. Diese Kräfte neigen dazu,
ungewünschte, nicht lineare Leistungskurven und UnstetigkeitsefEekte zu liefern.
Auf der anderen Seite sind Sitzventile, d. h. solche Ventile, in denen der Ventilstößel
zur Schließung des Ventils in Anschlag gegen einen Ventilsitz, der die Strömungsöffnung
umgibt, gebracht wird, im wesentlichen frei von Hysteresis- und anderen ungewünschten
Effekten, jedoch für eine direkte Regelung eines schnell ansprechenden Servosystems
nicht geeignet.
-
Aus diesem Grunde ist bereits versucht worden, Regelventile zu benutzen,
bestehend aus einem Tochterventil, welches normalerweise ein Spindelventil ist und
das hydraulisch bedient wird unter der Kontrolle eines Sitzventils als Mutterventil.
In diesen vorbekannten Tochter-Mutterventil-Kombinationen wird ein flüssigkeitsbetätigtes
Tochterventil (zur Kontrolle des Strömungsmittelflusses zu dem Servomotor) geöffnet
und geschlossen von einem Kolben, der gleitbar in einem Zylinder angeordnet ist,
wobei ein Mutterventil mit Sitz den Strom in und aus dem Zylinder über eine Öffnung
in einer der Zylinderwände reguliert und damit den das Tochterventil steuernden
Flüssigkeitsdruck steuert.
-
Es ergab sich jedoch, daß in diesen bekannten Tochter-Mutterventil-Kombinationen
das Tochterventil nicht genau phasenabgestimmt zu dem Mutterventil arbeitet, was
zu einer unstetigen Arbeitsweise führt.
-
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Ventil in der Art des
Tochter-Mutterventils zu liefern, in welchem das Tochterventil einheitlich mit dem
Mutterventil arbeitet.
-
Das erfindungsgemäße Regelventil zur Druckregelung eines Strömungsmittelsystems
besitzt ein Tochterventil, welches so eingerichtet ist, daß es Strömungsmittel in
und/oder aus dem System leitet, und welches von einem Bedienungselement betätigt
wird, welches sich in Abhängigkeit von dem Arbeitsdruck eines Strömungsmittels in
einer Arbeitskammer bewegt, eine Zuführung, um das Strömungsmittel aus einer unter
Druck stehenden Strömungsmittelquelle in die Arbeitskammer zu leiten, und ein Mutterventil,
bestehend aus einem Ventilstößel und einem damit zusammenwirkenden Ventilsitz, welches
den Abfluß des Strömungsmittels aus der Arbeitskammer und damit den Arbeitsdruck
in der Arbeitskammer kontrolliert. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, daß
der Mutterventilsitz an einem Abflußrohr angeordnet ist, welches sich von der Arbeitskammer
erstreckt, und daß dieses Abflußrohr an dem Bedienungselement befestigt oder mit
ihm verbunden ist, so daß es sich einheitlich oder im Gleichklang mit dem Bedienungselement
bewegt.
-
Gemäß den bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung befinden sich
die Arbeitskammer und das Bedienungselement in Form eines Zylinders bzw. eines Kolbens.
Andernfalls kann das Bedienungselement aus einer flexiblen Membran od. dgl. bestehen,
welche eine Wand der Arbeitskammer darstellt.
-
In solchen Fällen, in welchen das Strömungsmittel in dem System zur
Betätigung des Bedienungselements geeignet ist, wird bevorzugt, die Zuführung des
Strömungsmittels zu der Arbeitskammer über eine Rohrverbindung zu dem System selbst
vorzusehen.
-
Zur Vereinfachung ist das Abflußrohr im allgemeinen an dem Bedienungselement
befestigt oder bildet mit ihm einen einheitlichen Teil; gegebenenfalls kann jedoch
das Abflußrohr mit dem Bedienungselement antriebsverbunden sein. In beiden Fällen
steht das Abflußrohr in Verbindung mit dem Innenraum der Arbeitskammer an einem
Ende und mit deren Außenseite am anderen Ende.
-
Als Beispiele werden nachstehend verschiedene Ausführungsformen der
Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
-
F i g.1 ist eine schematische Schnittansicht eines erfindungsgemäßen
Regelventils in Arbeitsverbindung mit einem hydraulisch betätigten Servomotor; F
i g. 2, 3 bzw. 4 sind schematische Querschnittsansichten von Teilen anderer Ausführungsformen
von Regelventilen gemäß der Erfindung.
-
Die in F i g. 1 gezeigte Ausführungsform der Erfindung wird in Arbeitsverbindung
mit einem Servomotor gezeigt, der aus einem Servozylinder 5, einem Servokolben 6,
der in dem Zylinder gleitet und die Bohrung des Servozylinders in zwei Zylinderräume
A und B aufteilt, und einer Kolbenstange 7, "die sich zu der durch
den Servomotor zu bedienenden Vorrichtung erstreckt, besteht.
-
Der Servokolben 6 spricht auf die Veränderungen des hydraulischen
Druckes des Strömungsmittels in den Räumen A und B an, und ein erfindungsgemäßes
Regelventil 8 ist vorgesehen, um diese Drucke zu regulieren.
-
Das Regelventil 8 besitzt ein Ventilgehäuse 9, von dem ein Teil einen
Arbeitszylinder 9 A darstellt, eine Buchse 10, die in das eine Ende des Gehäuses
9, welches den Ventilzylinder darstellt, eingesetzt ist, und eine Spindel, bestehend
aus einem Spindelkörper
11 mit einem Ventilkolben 12 an einem Ende
und einem Arbeitskolben 13 am anderen Ende.
-
Hydraulisches Strömungsmittel unter hohem Druck aus irgendeiner geeigneten
Quelle kann in den Servozylinder 5 durch eine Einlaßöffnung 14 eingeführt
werden, um den Raum B unter Druck zu setzen.
-
Drei Öffnungen in der Buchse 10, nämlich eine Hochdrucköffnung 15,
eine Zwischendrucköffnung 16 und eine Niedrigdrucköffnung 17, stehen mit dem Ventilzylinder
in Verbindung. Die Hochdrucköffnung 15 wird durch die Leitung 18 mit dem Raum B
verbunden, um das Einströmen des Strömungsmittels unter dem Druck des Systems aus
dem Raum B in das eine Ende des Ventilzylinders zu erlauben. Die Zwischendrucköffnung
16 steht durch die Leitung 19 in Verbindung mit dem Raum A, und eine Niedrigdrucköffnung
17 wird durch die Leitung 20 mit einer Flüssigkeitsabgabeöffnung 21 verbunden, die
zu einem Sumpf oder einem anderen Ausfluß unter niederem Druck führt.
-
Der Ventilkolben 12 besitzt eine ausreichende axiale Länge, um die
Zwischendrucköffnung 16 vollständig abzudecken. Wenn sich daher der Ventilkolben
12 in der Mitte des Ventilzylinders befindet, kann keine Strömung in oder aus dem
Raum A stattfinden; wenn sich jedoch die Spindel 11 nach links verschiebt
(gemäß F i g. 1) und damit der Ventilkolben 12 sich gegen das innere Ende des Ventilzylinders
zu bewegt, kann Strömungsmittel unter hohem Druck aus dem Ventilzylinder durch die
Zwischendrucköffnung 16 und die Leitung 19 in den Raum A des Servozylinders einfließen,
so daß an beiden Seiten des Servokolbens 6 der gleiche Druck entsteht. Infolge der
Anwesenheit der Kolbenstange 7 ist die wirkungsvolle Fläche des Servokolbens 6,
die dem Raum A ausgesetzt ist, größer als die, die dem Raum B ausgesetzt ist, so
daß gleiche Drucke in den Räumen A und B zur Folge haben, daß der
Kolben 6 und die Kolbenstange 7 sich verschieben.
-
Wenn andererseits der Ventilkolben 12 aus seiner Mittelstellung sich
zu der anderen Seite zu verschiebt, kann Strömungsmittel aus dem Raum A in den Ventilzylinder
einfließen und dann durch die Niedrigdrucköffnung 17 und die Leitung 20 zu der Strömungsmittelabgabeöffnung
21 fließen. Der Druck in dem Raum B würde dann den Kolben 6 in die andere Richtung
verschieben. Die Stellung des Ventilkolbens 12 mit Bezug auf die Zwischendrucköffnung
16 bestimmt daher, ob der Servomotor in Bewegung kommt und gegebenenfalls in welche
; Richtung.
-
Ein Abflußrohr 22 erstreckt sich axial von der dem Ventilkolben 12
gegenüberliegenden Stirnseite des Arbeitskolbens 13 durch einen Flansch in der Wand
des Gehäuses 9, die das äußere Ende des Arbeitszylinders bildet. Dieser Flansch
enthält vorzugsweise Abdichtungsmittel, wie z. B. einen O-Ring 23, der das Abflußrohr
22 umgibt und innerhalb einer umlaufenden Rille in der Bohrung des Flansches gehalten
ist, so daß ein abgedichteter Arbeitszylinderraum C zwischen dieser Wand und dem
Arbeitskolben 13 gebildet wird. Das Strömungsmittel innerhalb des Raumes C, welches
auf den Arbeitskolben 13 einwirkt, wirkt daher dem Systemdruck des Strömungsmittels,
welches auf den Ventilkolben 12 einwirkt, entgegen. Die Wirkung des Flüssigkeitsdruckes
in dem Raum C kann durch eine schraubenförmige Druckfeder 24 erhöht werden,
deren eines Ende an der Wand anliegt, die das äußere Ende des Arbeitszylinders darstellt,
und deren anderes Ende an dem Arbeitskolben 13 anliegt. Selbstverständlich können
auch andere herkömmliche Möglichkeiten für die Beaufschlagung der Spindel mit einer
Druckbelastung verwendet werden.
-
Das Strömungsmittel in dem Raum C steht unter einem Druck, der nachfolgend
als Arbeitsdruck bezeichnet wird, und wird über die Leitung 25 zugeführt, die sich
durch den Spindelkörper 11 von der äußersten Fläche des Ventilkolbens 12 und durch
eine kleine, die Strömung begrenzende Öffnung 26
erstreckt.
-
Die Leitung 25 öffnet sich in die Bohrung des Abflußrohres 22, welches
an seinem äußeren Ende durch einen scharfkantigen Ventilsitz 27 begrenzt wird, der
mit dem Mutterventilstößel 28 zusammenwirken kann.
-
Der Ventilstößel 28 kann eine Halbkugel 29 darstellen
mit einem Stift 30, der sich senkrecht von der Mitte der flachen, d. h. der dem
Ventil zugewandten Seite der Halbkugel 29 erstreckt.
-
Der Stift 30 steckt in sauberer gleitender Passung innerhalb der Bohrung
des Rohres 22 und dient dazu, den Ventilstößel 28 mit Bezug auf den Ventilsitz 27
zu zentrieren. Der Stift 30 soll eine oder mehrere flache Seiten (oder Rillen) aufweisen,
die Strömungsmitteldurchtritte darstellen, durch welche Strömungsmittel aus dem
Abflußrohr 22 heraustreten kann, wenn die Halbkugel 29 von dem Ventilsitz 27 entfernt
ist.
-
Mit Hinblick auf die strömungsbegrenzende öffnung 26 wird der Arbeitsdruck
bestimmt durch die Abströmgeschwindigkeit des Strömungsmittels aus dem äußeren Ende
des Abffußrohres 22, d. h., der Arbeitsdruck wird bestimmt durch die Belastung des
Ventilstößels 28 gegen den Ventilsitz 27. Das Mutterventil fungiert also als ein
Überdruckventil zur Bestimmung des maximalen Arbeitsdruckes.
-
Der Druck auf den Ventilstößel 28 kann von einem Regeldruck bestimmt
werden, der in der Druckkammer 31 auf eine nachgiebige Membran 32, welche einen
Anschlag 33 trägt, wirkt.
-
Im allgemeinen neigt der Regeldruck, der auf die flexible Membran
32 wirkt, dazu, den Mutterventilstößel 28 in Berührung mit dem dazugehörigen Mutterventilsitz
27 zu halten, so lange, bis ein Anstieg des Systemdruckes einen genügenden Arbeitsdruck
erzeugt, um die Wirkung des Regeldruckes auf die Membran 32 zu überwinden. Der Ventilstößel
28 bewegt sich dann von dem Ventilsitz 27 weg, bis ein Ausgleich zwischen dem Arbeits-
und dem Regeldruck erreicht ist.
-
Gegebenenfalls können geeignete Belastungsfedern vorgesehen sein,
um die Wirkung des Arbeitsdruckes auf die Membran 32 zu erhöhen.
-
Gemäß einem anderen Beispiel der Erfindung können solche Belastungsfedern
an Stelle der Druckkammer und der Membran, wie sie soeben beschrieben wurden, verwendet
werden.
-
Obgleich eine flexible Membran eine bequeme Möglichkeit darstellt,
eine Belastung auf den Ventilstößel 28 durch einen geregelten primären Regeldruck
zu übertragen, ist es selbstverständlich, daß flexible Balge, ein gleitbarer Kolben
oder andere geeignete Mittel ebenfalls für diesen Zweck verwendet werden können.
Die
in F i g. 1 dargestellte Ausführungsform der Erfindung kann z. B. benutzt werden
zur Steuerung des Abgabedruckes einer Hochdruckpumpe, und in diesem Fall stehen
die Einlaßöffnung 14 mit der Abgabeöffnung der Pumpe und die Abgabeöffnung
21
mit der Ansaugöffnung der Pumpe in Verbindung. In. diesem Fall wird eine
automatische Steuerung des Abgabedruckes der Pumpe erreicht durch Einbau des flächenförmigen
Ventilstößels 28 in einen beweglichen Einsatz, der durch eine Feder oder auf andere
Weise gegen das Ende des Rohres 22 belastet ist, so daß der Arbeitsdruck begrenzt
ist, indem er gegen die Belastung, wie oben erläutert, ausgeglichen ist. In diesem
Fall reagiert die Spindelstellung einerseits auf den Abgabedruck der Pumpe und andererseits
auf den Arbeitsdruck und die Federbelastung auf die Spindel, so daß eine Zunahme
des Abgabedruckes der Pumpe die Spindel so verschiebt, daß Strömungsmittel unter
hohem Druck dem Servomotor zufließt, der dann so arbeitet, daß er den Abgabedruck
der Pumpe vermindert.
-
Die F i g. 2, 3 und 4 erläutern Mutterventile mit Ventilflächen und
deren Arbeitsanordnung gemäß weiteren Ausführungsformen der Erfindung. Diese Ausführungsformen
können im übrigen so gestaltet sein, wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben
wurde. Die Teile, die in F i g. 2, 3 und 4 gezeigt sind und die den bereits im Zusammenhang
mit F i g. 1 beschriebenen Teilen entsprechen, tragen daher übereinstimmende Bezugszeichen
und werden nicht nochmals erläutert.
-
F i g. 2 zeigt eine Anordnung, in welcher ein Ventilstößel 28 A mit
Ventilfläche in einem Einsatz 34 durch eine Belastungsfeder 35 gegen ein Abflußrohr
22A gedrückt wird. Der Einsatz 34 ist an einem Ende eines Hebels 36 befestigt, der
um eine Achse, die sich entfernt von dem Stößel 28A befindet, schwingen kann.
-
Da der Ventilstößel 28 A durch den Einsatz 34 in Stellung gehalten
wird, besteht keine Notwendigkeit, einen Stift entsprechend dem Stift 30 in der
Ausführungsform gemäß F i g. 1 vorzusehen. Gegebenenfalls kann jedoch eine kegelförmige
Nadel 37 vorgesehen sein, um die Öffnung des Mutterventils zu verändern.
-
Für manche Anwendungsarten einer Flüssigkeitspumpe mit veränderlicher
Verdrängung ist es erwünscht, nicht nur einen konstanten Arbeitsdruck aufrechtzuerhalten
sondern auch eine obere Grenze für andere Bedingungen zu setzen, wie z. B. für die
Pumpengeschwindigkeit, die Abgabeströmung oder das Antriebsmoment. In solchen Fällen
kann eine mechanische Regeleinrichtung oder ein Regeldruck, der auf diese anderen
Begrenzungen anspricht, vorgesehen sein, um eine zweite Begrenzung für den Arbeitsdruck
zu liefern oder um dessen erste Begrenzung zu übersteuern.
-
Wenn daher das erfindungsgemäße Regelventil benutzt werden soll, um
einen Servomotor zu regeln, der eine solche hydraulische Pumpe mit veränderbarer
Verdrängung betätigt, kann die Anordnung zur Bedienung des Mutterventilstößels eine
Belastungsfeder aufweisen, ähnlich derjenigen, die vorstehend im Zusammenhang mit
F i g. 2 beschrieben wurde, jedoch mit einer übersteuernden Regeleinrichtung, die
in der Lage ist, das Mutterventil bei der vorbestimmten anderen Begrenzung zu 'öffnen
und zu schließen. Ein Beispiel einer solchen Anordnung ist in F i g. 3 gezeigt,
wo ein flächenförmiger Ventilstößel 28 gegen das Abflußrohr 22 mittels einer Druckfeder
38 belastet ist, die auf einen Federsitz 39 wirkt, der sich in Berührung mit einem
frei schwingenden Hebelarm 40 befindet. Das Ausmaß, zu dem die Feder 38 herabgedrückt
wird, kann mittels einer Einstellschraube 41 bestimmt werden, die in der Lage ist,
den zweiten Federsitz 42 zu verschieben. Jedoch ist eine übersteuernde Regeleinrichtung,
wie sie oben besprochen wurde, vorgesehen, die aus einer flexiblen Membran 43, welche
eine Druckkammer 44 schließt, und einem Anschlag 45 an der Membran 43 besteht.
-
Eine die Membran belastende Feder 46 hält normalerweise den Anschlag
45 im Abstand von dem schwingenden Hebelarm 40; wenn jedoch die vorbestimmte
Grenzbedingung erfüllt ist, kann Strömungsmittel unter Druck aus irgendeiner geeigneten
Quelle in die Druckkammer 44 eingelassen werden, wodurch die Membran 43 gekrümmt
wird und bewirkt, daß der Anschlag 45 gegen den Hebelarm drückt und ihn weg von
dem Ventilstößel 28 schwingt, so daß ein Abfluß des Strömungsmittels aus
der Leitung 25 stattfinden kann und damit ein geeigneter Servomotor in Betrieb gesetzt
werden kann.
-
F i g. 4 erläutert eine Anordnung, die ähnlich der in F i g. 3 gezeigten
Anordnung ist, in welcher jedoch die beiden Kontrollen die Betätigung des Ventilstößels
gleichzeitig bewirken. In diesem Fall wird die Belastung auf den Ventilstößel
28 durch einen Schwingarm 47 übertragen, und die Belastung des Stößels ist
davon abhängig, ob eine entsprechende Belastungsfeder 48 an einem Ende des Armes
oder eine Druckkammer mit Membran und Anschlag 49 am anderen Ende die geringere
Wirkung zur Zeit ausübt.
-
Die zuletzt beschriebenen Kontrolleinrichtungen stellen praktische
Anwendungsformen der Erfindung dar. Die Erfindung als solche wird jedoch nicht durch
solche Anwendungsformen beschränkt und kann ganz allgemein zur Druckregelung von
Strömungssystemen Verwendung finden.
-
Der in F i g. 1 erläuterte Servokolben ist von solcher Art, daß eine
ringförmige Fläche dem Zuführungsdruck aus der Öffnung 14 ausgesetzt ist und eine
größere Fläche dem Servodruck in der Kammer A. In manchen Servosystemen sind diese
beiden Flächen jedoch im wesentlichen gleich, und es ist dann notwendig, zwei Ventilkolben
auf dem Spindelventil vorzusehen, um zu bewirken, daß der Druck in einer Kammer
ansteigt und der Druck in der anderen Kammer fällt.
-
Es gibt auch andere Fälle, in welchen ein Spindelventil benötigt wird,
um mehr als ein Servosystem zu steuern, und mehrere Ventilkolben können auf dem
Spindelventil benötigt werden; solche Spindelventile sind bekannt und können als
Tochterventil in demerfindungsgemäßenRegelventilverwendetwerden.
-
Schließlich soll noch erwähnt werden, daß Mutterventilstößel verwendet
werden können, die sich von dem flachflächigen Stößel, wie er in den Zeichnungen
gezeigt ist, unterscheiden. Insbesondere kann das Mutterventil auch eine Kugel oder
einen konischen Teller od. dgl. als Stößel aufweisen.