Vorαantfluertas ProDortlonal-Druckbeσrenzunσsvβntil

Die vorliegende Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Proportio- nal-Druckbegrenzungsventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zum Betrieb eines Druckbegrenzungsventils gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9.

Vorgesteuerte Proportional-Druckbegrenzungsventile sind bekannt. Ein bekanntes Proportional-Druckbegrenzungsventil ist in dem Buch „Der Hydraulik Trainer", Band 2, herausgegeben von der Mannesmann Rexroth GmbH, Lohr/Main, beschrieben, und zwar auf den Seiten B20 und B21.

Aus der DE 38 24 089 AI ist ein vorgesteuertes Proportional- Druckbegrenzungsventil mit einer in einem Hauptkolben angeordne¬ ten Steueröldüse bekannt. Um einen sehr kleinen einstellbaren Druck zu erhalten, ist der Ausgang einer Steueröldtise zur Zufüh¬ rung von Steueröl zu einem Vorsteuerventil unmittelbar aus dem Hauptkolben durch Verbindungsmittel herausgeführt.

Das Proportional-Druckbegrenzungsventil gemäß der DE 38 24 089 AI neigt unter Umständen im Bereich kleiner Volumenströme mit hohem Druck zum Schwingen. Deshalb ist in dem Ventil gemäß der DE 38 24 089 AI bereits eine Dämpfungsdüse in dem Hauptkolben vorgesehen. Da aber in dem oben genannten Bereich der Regelhub des Hauptkolbens sehr klein ist und somit auch das über die Dämpfungsdüse aus dem Steuerraum verdrängte Steuerölvolumen, ist die Dämpfungswirkung der Dämpfungsdüse auf den Regelhub des

Hauptkolbens zu schwach und kann in diesem Bereich nicht verhin¬ dern, daß das Ventil schwingt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden und insbesondere auch im Bereich kleiner Volumenströme mit hohem Druck eine aus¬ reichende Dämpfung des Hauptkolbens zu bewirken, um insbesondere zu verhindern, daß das Ventil schwingt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die vorliegende Erfindung bei einem Druckbegrenzungsventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bzw. bei einem Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 9 die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bzw. 9 genannten Merkmale vor.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Vorteile, Ziele und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung von Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. In der Zeichnung zeigt:

Figur 1 schematisch einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Proportional-Druckbegrenzungsventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 2 schematisch einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Proportional-Druckbegrenzungsventil gemäß einem zweiten

Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;

Figur 3 schematisch einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Proportional-Druckbegrenzungsventil gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung, Figur 4 schematisch einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Proportional-Druckbegrenzungsventil gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und

Figur 5 schematisch ein vorgesteuertes Proportional-Druckbegren- zungsventil gemäß dem Stand der Technik.

Das Ventil 1 nach Figur 5 besteht aus einem Hauptventil 2 sowie einem Pilot- oder Vorsteuerventil 3. Eine Pumpe ist mit 5 und ein Tank mit 6 bezeichnet. Das Vorsteuerventil 3 weist einen Proportionalmagneten 8 auf, der über einen Magnetstößel 11 auf einen Vorsteuerkegel 13 einwirken kann.

Das Hauptventil 2 weist eine in eine mit einem Deckel 4 ver¬ schlossene Ausnehmung eines Gehäuses 10 eingesetzte Büchse 14 mit einem darin angeordneten Hauptkolben 16 auf, der durch eine Schließfeder 17 gegen seinen Sitz vorgespannt ist. In der Büchse 14 sind eine axial verlaufende Einströmbohrung 18 sowie mehrere

radial verlaufende Ausströmbohrungen 19 ausgebildet. Die Pumpe 5 steht über eine Leitung 21 mit der Einströmbohrung 18 in Verbin¬ dung, während die Ausströmbohrungen 19 über eine Leitung 20 mit dem Tank 6 in Verbindung stehen. Der Druck in der Einströmboh- rung 18 beaufschlagt den Hauptkolben 16 in Öffnungsrichtung.

Zur Erzeugung eines Vorsteuerdruckes ist die Einströmbohrung 18 über eine Steueröldüse 7 und eine Dämpfungsdüse 9 mit dem Feder¬ oder Steuerraum 22 verbunden. Ein Druck in dem Steuerraum 22 be¬ aufschlagt den Hauptkolben 16 in Schließrichtung. Der Verbin- dungspunkt 25 der beiden Düsen 7 und 9 steht über eine weitere Düse 12, die ebenfalls die Funktion einer Dämpfungsdüse besitzt, mit einem Druckraum 24 des Vorsteuerventils 3 in Verbindung. Die Dämpfungsdüse 12 ist in einer Leitung 23 angeordnet, die den Druckraum 24 des Vorsteuerventils 3 über einen in der Büchse 14 befindlichen radialen Kanal 30 und einen am Außenumfang des

Hauptkolbens 16 angeordneten ersten Ringkanal 37 mit dem Verbin¬ dungspunkt 25 verbindet.

Ein zweiter Ringkanal 35 ist am Außenumfang der Büchse 14 in dem Gehäuse 10 angeordnet und steht über den radialen Kanal 30 mit dem ersten Ringkanal 37 in Verbindung. Die Ausströmbohrungen 19 öffnen sich zu einem dritten Ringkanal 36 hin, der ebenfalls am Außenumfang der Büchse 14 in dem Gehäuse 10 angeordnet ist und über die Leitung 20 mit dem Tank 6 in Verbindung steht. Steigt der Druck in der Pumpenleitung 21 und damit in der Einströmboh- rung 18 auf den am Vorsteuerventil 3 eingestellten Wert an, so öffnet dieses. Bedingt durch die Steuerdüse 7 entsteht ein Druckgefälle am Hauptkolben 16. Dieser hebt vom Sitz ab und öff¬ net die Verbindung von der Pumpe 5 über die Ausströmbohrungen 19 zum Tank 6.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren 1 bis 4 be¬ schrieben. In diesen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche bzw. ähnliche Elemente wie in der Figur 5. Die in den Figuren 1 bis 4 dargestellten erfindungsgemäßen vorgesteuerten Proportio- nal-Druckbegrenzungsventile 101, 102, 103 bzw. 104 sind wie das in der Figur 5 dargestellte Ventil 1 aus einem Hauptventil 201, 202, 203 bzw. 204 und einem Vorsteuerventil 3 aufgebaut. Das

Vorsteuerventil 3 ist in den Ausführungsbeispielen der Figuren 1 bis 4 analog zu dem Vorsteuerventil des bekannten Druckbegren¬ zungsventils 1 gemäß der Figur 5 aufgebaut. Für die Beschreibung des Vorsteuerventils 3 wird insofern auf die Beschreibung der Figur 5 verwiesen.

Figur 1 zeigt ein erstes erfindungsgemäßes vorgesteuertes Pro- portional-Druckbegrenzungsventil 101. Das Hauptventil 201 weist eine Büchse 14 auf, in der sich ein Hauptkolben 16 befindet. Dieser wird durch eine sich in dem Steuerraum 22 befindliche Schließfeder 17 gegen seinen Sitz vorgespannt. Ist der Hauptkol¬ ben 16 vom Sitz abgehoben, so kann über die Ausströmbohrungen 19 Druckmittel von der Pumpe 5 über die Pumpenleitung 21 in den Ringkanal 36 strömen, der über die Leitung 20 mit dem Tank 6 in Verbindung steht.

Zwischen dem Innenumfang der Büchse 14 und dem Außenumfang des Hauptkolbens 16 ist in der Büchse 14 ein Ringkanal 70 angeord¬ net. In dem Querschnitt der Figur 1 erkennt man, daß der Ringka¬ nal 70 drei Abschnitte 71, 72 und 73 aufweist, die entlang der Längsachse des Hauptventils aufeinanderfolgen. Die einzelnen Ka- nalabschnitt 71, 72 und 73 werden durch rechtwinklige Kanten be¬ grenzt. Der Ringkanalabschnitt 71 steht über einen radialen Ka¬ nal 30 mit dem am Außenumfang der Büchse 14 im Gehäuse 10 ausge¬ bildeten Ringkanal 35 und über die Leitung 23 und die Düse 12 mit dem Vorsteuerventil 3 in Verbindung. Im mittleren Ringkanal- abschnitt 72 ist der Innendurchmesser der Buchse 14 wesentlich kleiner als in den Ringkanalabschnitten 71 und 73, jedoch noch geringfügig größer als der Durchmesser des Hauptkolbens 16. Der Hauptkolben 16 besitzt zwei im Querschnitt ebenfalls rechtwink¬ lige Einschnitte 96 und 97, die durch einen Steg 98 voneinander getrennt sind.

Die axiale Breite des Steges 98 ist gleich der axialen Breite des Ringkanalabschnitts 72 an der Büchse 14. Der Einschnitt 96, der sich auf derselben Seite des Steges 98 befindet wie der Ringkanalabschnitt 71 bezüglich des mittleren Ringkanalab- Schnitts 72, ist wesentlich länger als der Ringkanalabschnitt 71, während der Einschnitt 97 kürzer als der Ringkanalabschnitt

73 ist. In Schließposition des Hauptkolbens 16 liegen sich der Ringkanalabschnitt 72 an der Büchse 14 und der Steg 98 des Hauptkolbens 16 radial genau gegenüber. Zwischen ihnen besteht dann ein enger Freiraum, dessen radiale Breite der Ringkanalab- schnitt 72 bestimmt. In Figur 1 ist die radiale Breite des Frei¬ raums mit x bezeichnet.

In dem Hauptkolben 16 ist ferner eine Steueröldüse 7 in einer axial verlaufenden Sackbohrung 69, die zur Einströmbohrung 18 hin offen ist, vorgesehen. Die Sackbohrung 69 verläuft entlang der Mittelachse des Hauptkolbens 16 und setzt sich in einer Ra¬ dialbohrung 60 fort, die radial nach außen in den Einschnitt 96 münden. Ferner ist in dem Hauptkolben 16 eine Dämpfungsdüse 74 vorgesehen, die in einem Kanal angeordnet ist, der sich aus ei¬ ner zum Steuerraum 22 hin offenen Axialbohrung 77 und aus einer Radialbohrung 78, die im Steg 98 nach außen mündet, zusammen¬ setzt. Die Axialbohrung 77 verläuft entlang der Mittelachse des Hauptkolbens 16.

Die Aufgabe der Dämpfungsdüse 74 ist es, den Regelhub des Haupt¬ kolbens 16 zu dämpfen, um zu verhindern, daß das Ventil 101 schwingt. Die Dämpfungsdüse 74 wirkt als hydraulischer Wider¬ stand über den gesamten Hub des Hauptkolbens 16. Ein weiterer hydraulischer Widerstand wird durch die Radialbohrung 78 und den Abschnitt 72 des Ringkanals 70 gebildet. Dieser hydraulische Wi¬ derstand ist nur im eingezeichneten Hubbereich y (kleiner Volu- menstrom, hoher Druck) des Hauptkolbens 16 wirksam. Bei einem größeren Hub des Hauptkolbens 16 kommt die Radialbohrung 78 aus dem Bereich des Ringkanalabschnitts heraus und öffnet sich zum Ringkanalabschnitt 73 der Büchse 14. In dem Hubbereich y wirkt also eine Kombination von zwei hintereinander geschalteten hy- draulischen Widerständen, nämlich die Düse 74 und der durch die Radialbohrung 78 und den Ringkanalabschnitt 72 gebildete und nach dem Prallplattenprinzip arbeitende hydraulische Widerstand als effektive Dämpfungsdüse. Der vom Kolbenhub abhänigge effek¬ tive Drosselquerschnitt ist nun in dem Hubbereich y kleiner und damit der hydraulische Gesamtwiderstand größer ausgebildet als der Drosselquerschnitt der Düse 74 und damit deren hydraulischer

Einzelwiderstand. Dies hat eine Stabilisierung des Ventils 101 im Bereich kleiner Volumenströme mit hohem Druck zur Folge. Da¬ durch, daß der durch die Radialbohrung 78 und den Ringkanalab¬ schnitt 72 gebildete hydraulische Widerstand nicht über den ge- samten Kolbenhub wirksam ist, werden bei großen Volumenstromän¬ derungen unzulässig hohe Druckspitzen bzw. Druckeinbrüche ver¬ mieden, was die Dynamik des Ventils verbessert. Selbstverständ¬ lich beeinflußt der Querschnitt der Bohrungen 77 und 78 eben¬ falls die Dämpfung des Hauptkolbens 16.

Ein zweites Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Haupt¬ ventils 202 eines Proportional-Druckbegrenzungsventils 102 wird nun im Zusammenhang mit der Figur 2 beschrieben. Am Innenumfang der Büchse 14 befindet sich eine trapezförmig ausgebildete, ringförmige Vertiefung 191. Am Außenumfang des Hauptkolbens 16 sind ein erster ringförmiger Einschnitt 196 mit einer senkrech¬ ten Kante 199 und ein zweiter trapezförmiger Einschnitt 197 aus¬ gebildet. In einem Steg 189 zwischen den Einschnitten 196 und 197 ist, wie in der Querschnittsansicht erkennbar, ein keilför¬ miger Ausschnitt 198 ausgebildet. Im Gegensatz zu dem in Figur 1 erläuterten Ausführungsbeispiel mündet die Radialbohrung 78 in einen Einschnitt am Hauptkolben 16, und zwar in den zweiten Ein¬ schnitt 197, der in der Schließstellung des Hauptkolbens 16 der Vertiefung 191 in der Büchse 14 genau gegenüberliegt. Der zwi¬ schen dem keilförmigen Einschnitt 198 und der Innenwand der Büchse 14 gebildete Kanal 172 bildet mit der Dämpfungsdüse 74 analog dem in der Figur 1 dargestellten Ausführungsbeispiel zwei hintereinandergeschaltete Dämpfungsdüsen. Der keilförmige Ein¬ schnitt 198, der, wie in der Zeichnung dargestellt ist, nicht vollständig ringförmig um den Hauptkolben 16 angeordnet sein muß, ist nur in dem in der Zeichnung mit y bezeichneten Hub des Hauptkolbens 16 wirksam. Bei einem größeren Hub des Hauptkolbens 16 ist nur der Drosselquerschnitt der Düse 74 wirksam. Wie be¬ reits im Zusammenhang in Figur 1 erläutert, ergibt sich dadurch eine Stabilisierung des Ventils , da die effektive Dämpfungswir- kung im Bereich kleiner Volumenströme mit hohem Druck verbessert wird, ohne dadurch die Dynamik des Ventils bei großen Volumen¬ stromänderungen zu verschlechtern.

Ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Haupt¬ ventils 203 eines Proportional-Druckbegrenzungsventils wird nun im Zusammenhang mit der Figur 3 beschrieben. Analog zu der in Figur 2 dargestellten Ausführungsform ist am Innenumfang der Büchse 14 eine ringförmige Vertiefung 291 mit diesmal rechtecki _¬ gem Querschnitt ausgebildet. Die Vertiefung 291 steht über eine Radialbohrung 292 mit einer Ringnut 293 am Außenumfang der Büch _¬ se 14 in Verbindung, in die die Leitung 23 mündet. Am Außenum¬ fang des Hauptkolbens 16 ist nur ein ringförmiger Einschnitt 297 mit rechteckigem Querschnittsprofil ausgebildet. Die Dämpfungs¬ düse 74 ist nun als ein radial durch den Hauptkolben 16 verlau¬ fender Kanal zwischen dem Federraum 22 und der Innenwand der Büchse 14 ausgebildet. In der in Figur 3 gezeigten Schließstel¬ lung des Hauptkolbens 16, die der in den Figuren 1 und 2 gezeig- ten Stellung entspricht, ist die Düse 74 nicht wirksam. Ein wei¬ terer Kanal 200, dessen Drosselquerschnitt kleiner ausgebildet ist als der der Düse 74, verläuft ebenfalls radial durch den Hauptkolben 16 und verbindet in der Schließstellung und bei kleinem Hub des Hauptkolbens 16 den Federraum 22 mit der Vertie- fung 291. Über den mit y bezeichneten Hubbereich des Hauptkol¬ bens 16 ist also nur der Kanal 200 als Dämpfungsdüse wirksam. Ist der Regelhub des Hauptkolbens 16 größer, so steht der Kanal 200 nicht mehr mit der Vertiefung 291 in Verbindung, sondern die Dämpfungsdüse 74 verbindet den Federraum 22 mit der Vertiefung 291. Es ist also bei kleinem Regelhub des Hauptkolbens 16 der geringe Drosselquerschnitt der Dämpfungsdüse 200 wirksam, um Schwingungen zu vermeiden. Bei einem größeren Hub des Hauptkol¬ bens 16 verhindert die Dämpfungsdüse 74 mit größerem Drossel¬ querschnitt eine Verschlechterung der Dynamik des Ventils 1.

In Figur 3 sind der Kanal 200 und die Dämpfungsdüse 74 parallel ausgebildet und beide Dämpfungsvorrichtungen bzw. -kanäle kommen alternativ, abhängig vom Regelhub des Hauptkolbens 16 zum Ein¬ satz. Dies wird durch den in Figur 3 zweimal eingezeichneten Re¬ gelhub y, bei dem der Kanal 200 wirksam ist, verdeutlicht.

Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hauptventils 204 eines Proportional-Druckbegrenzungsventils 104,

das in Figur 4 dargestellt ist, sind nun ein Kanal 374 und ein Kanal 300 ebenfalls parallel angeordnet. Im Gegensatz zu der in Figur 3 dargestellten Ausführungsform sind der Kanal 374 und der Kanal 300 jeweils als ein radialer Kanal in der Büchse 14 ausge- bildet. In der in Figur 4 gezeigten Schließstellung des Haupt¬ kolbens und bei geringem Hub des Hauptkolbens 16 ist nur der Ka¬ nal 300 wirksam. Der gemeinsame Drosselquerschnitt (= Summe der Drosselquerschnitte) des Kanals 374 und des Kanals 300 ent¬ spricht dem Drosselquerschnitt der Düse 74 in den Ausführungs- beispielen der Figuren 1 bis 3. Vergrößert sich nun der Hub des Hauptkolbens 16 über den mit y eingezeichneten Betrag, so ist der gemeinsame Drosselquerschnitt des Kanals 300 und des Kanals 374 wirksam. Im Fall der in Figur 4 gezeigten Stellung, in dem die Feder 17 den Hauptkolben gegen seinen Sitz vorspannt, ist allerdings nur der Kanal 300 als Dämpfungsvorrichtung wirksam und durch den geringeren Drosselquerschnitt gegenüber dem Fall des Einsatzes beider Dämpfungsvorrichtungen 374, 300 werden die oben bereits genannten Vorteile erzielt.