Vorαesteuertes 3-Weαe-Druckreσβlventil

Die Erfindung geht aus von einem vorgesteuerten 3-Wege- Druckregelventil, das die Merkmale aus dem Oberbegriff des An- spruchs 1 aufweist.

Ein solches 3-Wege-Druckregelventil ist aus dem Buch der „Hydraulik Trainer Band 1", 1991 herausgegeben von der Mannes¬ mann Rexroth GmbH, Seiten 236 bis 239 bekannt. Bei diesem Druck¬ regelventil besitzt der Hauptkolben einen Kolbenbund, mit dem die mittlere Steuerkammer gegen die erste und die zweite Steuer¬ kammer verschlossen werden kann und an den sich beidseitig je¬ weils ein Kolbenhals anschließt, von dem aus sich über den Um¬ fang verteilte Steuernuten in den Kolbenbund hineinerstrecken. Die von dem einen Kolbenhals ausgehenden Steuernuten haben von den vom anderen Kolbenhals ausgehenden Steuernuten einen axialen Abstand, der in etwa gleich der axialen Ausdehnung der mittleren Steuerkammer ist.

Das Vorsteuerventil des bekannten vorgesteuerten Druckregelven¬ tils ist ein direktgesteuertes Druckregelventil mit einem Druck- anschluß, einem Tankanschluß und einem Regelanschluß. Dieser ist mit einem Druckraum vor der einen Stirnseite des Hauptkolbens fluidisch verbunden. Dem Druckanschluß des Vorsteuerventils fließt Steueröl vom Druckanschluß des Hauptventils zu. Je nach Einstellung einer Feder wird im Regelanschluß des Vorsteuerven- tils und damit vor der einen Stirnseite des Hauptkolbens ein be¬ stimmter Druck eingeregelt. Die mittlere Steuerkammer der Ven¬ tilbohrung des Hauptventils ist über einen Gehäusekanal mit ei¬ nem Druckraum vor der anderen Stirnseite des Hauptkolbens ver¬ bunden. Es stellt sich jeweils ein solcher Druck in der mittle- ren Steuerkammer und ^' damit im Regelanschluß ein, daß am Haupt¬ kolben ein Gleichgewicht zwischen den verschiedenen Druck- und Federkräften besteht. Ein vorgesteuertes 3-Wege- Druckregelventil, bei dem dem Vorsteuerventil das Steueröl vom

Druckanschluß des Hauptventils zugeführt wird, bezeichnet man als hochdruckgesteuert. Der besondere Vorteil dieser Art der Vorsteuerung besteht darin, daß der Hauptkolben auch bei einem großen Volumenstrom und einer großen Druckdifferenz zwischen dem Druckanschluß und dem Regelanschluß des Hauptventils nicht zu¬ zieht, d.h. die Verbindung zwischen dem Druckanschluß und dem Regelanschluß unterbricht und damit die Einsatzmöglichkeit des Ventils beschränkt. Nachteilig ist, daß das bekannte vorgesteu¬ erte Druckregelventil bei bestimmten Betriebsbedingungen zur In- Stabilität neigt, also Druckschwingungen am Regelanschluß auf¬ treten.

Ziel der Erfindung ist es, ausgehend von einem Ventil mit den Merkmalen aus dem Oberbegriff des Anspruchs 1, ein vorgesteuer¬ tes 3-Wege-Druckregelventil zu schaffen, daß ein sehr stabiles Verhalten besitzt und das bis zu großen Volumenströmen bei einer hohen Druckdifferenz zwischen dem Druckanschluß und dem Regelan¬ schluß nicht zuzieht.

Dieses Ziel wird bei einem vorgesteuerten 3-Wege- Druckregelventil, das die Merkmale aus dem Oberbegriff des An- spruchs 1 aufweist, erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß man dieses Ventil zusätzlich mit den Merkmalen aus dem kennzeichnen¬ den Teil des Anspruchs 1 aufweist. Das erfindungsgemäße 3-Wege- Druckregelventil ist also niederdruckgesteuert, da das Steueröl dem nun als Druckbegrenzungsventils ausgebildeten Vorsteuerven- til nicht vom Druckanschluß, sondern vom Regelanschluß bzw. von einem Bereich des Ventils in dem der Regeldruck herrscht, zuge¬ führt wird. Durch diese Art der Steuerölentnahme und durch die Art des Vorsteuerventils wird die Stabilität des Druckregelven¬ tils deutlich verbessert.

Für das allgemeine Verständnis eines vorgesteuertes 3-Wege-

Druckregelventils genügt es, davon auszugehen, daß in allen of¬ fen mit dem Regelanschluß verbundenen Räumen des Ventils der gleiche statische Druck, nämlich der Regeldruck herrscht. Bei näherer Betrachtung stellt man jedoch fest, daß durchaus örtli-

ehe Abweichungen vom Regeldruck bestehen, die durch die Geome¬ trie des Hauptkolbens und der Hohlräume im Ventilgehäuse bedingt sind, und daß deshalb die Geometrie und die Stelle, an der man das zum Vorsteuerventil fließende Steueröl entnimmt, die Funkti- on des Druckregelventils beeinflussen. Bei einem erfindungsgemä¬ ßen vorgesteuerten 3-Wege-Druckregelventil ist es nun gelungen, durch die besondere Art des Hauptkolbens und durch die Art der Zuführung von Steueröl aus dem Regeldruckbereich in den vor der einen Stirnseite des Hauptkolbens, den man auch als Regelkolben bezeichnen kann, gelegenen ersten Druckraum ein Zuziehen des

Ventils auch bei großen Volumenströmen und hohen Druckdifferen¬ zen zwischen dem Druckanschluß und dem Regelanschluß zu vermei¬ den.

Vorteilhafte Ausgestaltungen eines erfindungsgemäßen vorgesteu- erten 3-Wege-Druckregelventils kann man den Unteransprüchen ent¬ nehmen. Dabei betreffen die Ansprüche 2 bis 11 die Ausgestaltung des Regelkolbens im Hinblick auf den Hohlraum in ihm und im Hin¬ blick auf die Langlöcher, die eine Verbindung zwischen dem Au¬ ßenumfang des Regelkolbens und dem Hohlraum schaffen. Die An- sprüche 12 bis 17 beziehen sich in erster Linie darauf, wie die beiden Druckräume vor den Stirnseiten des Regelkolbens mit dem Regelanschluß und mit dem Vorsteuerventil verbunden sind.

Im Hinblick auf die Gestaltung der Langlöcher hat sich als be¬ sonders vorteilhaft erwiesen, wenn gemäß Anspruch 5 die Länge der Langlöcher kleiner ist als der lichte Abstand zwischen der ersten Steuerkammer und der zweiten Steuerkammer und wenn sich zumindest einseitig an jedes Langloch axial eine radial nach in¬ nen geschlossene Feinsteuertasche anschließt, wobei die Gesamt¬ länge eines ein Langloch und mindestens eine Feinsteuertasche aufweisenden Ausschnitts des Regelkolbens annähernd gleich dem lichten Abstand zwischen der ersten Steuerkammer und der zweiten Steuerkammer ist. Bevorzugt ist die Gesamtlänge des Ausschnitts geringfügig größer als der lichte Abstand zwischen den beiden genannten Steuerkammern. Durch die Feinsteuertaschen wird das Einschwingverhalten des Druckregelventils bei Sprüngen der Füh-

rungsgröße, also des Regeldrucksollwertes, positiv beeinflußt. Der Regeldrucksollwert wird durch die Einstellung des Vorsteuer¬ ventils vorgegeben. Ist dieses ein proportional z.B. mit Hilfe eines Elektromagneten ansteuerbares Druckbegrenzungsventil, so kann der Regeldrucksollwert schnell geändert werden. Ist die Ge¬ samtlänge aus Langloch und Feinsteuertasche geringfügig größer als der lichte Abstand zwischen der ersten Steuerkammer und der zweiten Steuerkammer, so spricht man von einer negativen Über¬ deckung der Steuerkanten am Regelkolben und an der ersten und zweiten Steuerkammer. Es fließt dann zwar in einer Stellung des Regelkolbens, in der weder vom Druckanschluß zum Regelanschluß noch vom Regelanschluß zum Tankanschluß ein wesentlicher Volu¬ menstrom vorhanden ist, dauernd ein Leckölstrom vom Regelan¬ schluß zum Tankanschluß, der vom Druckanschluß her ausgeglichen werden muß. Jedoch werden dann durch die negative Überdeckung der Steuerkanten unerwünschte periodische Druckschwankungen im Regelanschluß vermieden.

Vorzugsweise schließt sich gemäß Anspruch 8 beidseitig an jedes Langloch axial jeweils eine Feinsteuertasche an. Grundsätzlich ist es möglich, die beiden Feinsteuertaschen an einem Langloch hinsichtlich ihrer Länge, ihrer Tiefe oder ihrer Breite unter¬ schiedlich zu gestalten. Bevorzugt sind jedoch gemäß Anspruch 9 die beiden Feinsteuertaschen beidseits eines Langlochs gleich.

Erfindungsgemäß fließt dem ersten Druckraum aus dem Hohlraum des Regelkolbens über eine interne fluidische Verbindung im Regel¬ kolben das Steueröl zu. Bevorzugt erfolgt, wie dies im Anspruch 13 angegeben ist, auch die Verbindung des Regelanschlusses mit dem zweiten Druckraum vor der anderen Stirnseite des Regelkol¬ bens vom Hohlraum des Regelkolbens aus ^■ „ αrch den Regelkolben hindurch.

Mit Hilfe von Dämpfungsdüsen, die gemäß Anspruch 15, 16 oder 17 angeordnet sind, kann das Verhalten des Ventils beeinflußt wer¬ den. Insbesondere wirkt sich eine Düse zwischen dem zweiten

Druckraum und dem ersten Druckraum oder dem Vorsteuerventil gün¬ stig auf das Einschwingverhalten des Druckregelventils aus.

Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen vorgesteuerten 3-Wege-Druckregelventils sowie zwei Arten der Vorsteuerung sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand der Figuren dieser Zeich¬ nungen wird die Erfindung nun näher erläutert.

Es zeigen

Figur 1 einen Teillängsschnitt durch das Ausführungsbeispiel mit einer ersten Art der Vorsteuerung, Figur 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus Figur 1 mit einer etwas anderen Position des Regelkolbens, Figur 3 eine Draufsicht auf den Regelkolben in Richtung des

Pfeiles A aus Figur 2, Figur 4 einen Schnitt entlang der Linie IV-IV aus Figur 2 und Figur 5 schematisch eine zweite Art der Vorsteuerung.

Das vorgesteuerte 3-Wege-Druckregelventil nach Figur 1 besitzt in einem Ventilgehäuse 10 seines Hauptventils 9 eine durchgehen¬ de Ventilbohrung 11, in der als Regelkolben ein Hauptkolben 12 axial verschiebbar ist. Die Ventilbohrung 11 ist an beiden Sei- ten durch Deckel 13 verschlossen, die mit dem Ventilgehäuse 10 verschraubt sind und in Verlängerung der Ventilbohrung eine Aus¬ nehmung 14 mit einer zentralen Erhöhung 15 aufweisen.

Die Ventilbohrung 11 ist an mehreren axial voneinander beabstan¬ deten Stellen zu ringkanalartigen Steuerkammern erweitert. Eine erste Steuerkammer 16 befindet sich in der Mitte der Ventilboh¬ rung 11 und ist mit einem Druckanschluß P des Hauptventils 9 verbunden. In einem größeren Abstand von der ersten Steuerkammer 16 befinden sich zwei zweite Steuerkammern 17, die über einen Brückenkanal 18 miteinander und außerdem mit einem Tankanschluß T des Hauptventils 9 verbunden sind. Zwischen der Steuerkammer 16 und jeder Steuerkammer 17 ist eine dritte Steuerkammer 19 an¬ geordnet, von denen nur eine als Regelanschluß A des Ventils ge¬ nutzt wird. Die andere Steuerkammer 19 ist nach außen verschlos¬ sen. Auch von den zweiten Steuerkammern 17 ist nur eine genutzt,

nämlich diejenige, die, von der ersten Steuerkammer 16 aus be¬ trachtet, jenseits der genutzten dritten Steuerkammer 19 ange¬ ordnet ist. Die beiden überzähligen Steuerkammern 17 und 19 sind vorhanden, weil aus Kostengründen dasselbe Ventilgehäuse wie bei in großen Stückzahlen hergestellten vorgesteuerten 4/3-

Wegeventilen verwendet wird. Wenn im folgenden eine Steuerkammer erwähnt wird, so soll damit jeweils eine genutzte Steuerkammer gemeint sein.

Zumindest an der Steuerkammer 16 und an der Steuerkammer 17 sind durch Eindrehungen 20 bzw. 21 an den voneinander abgewandten axialen Seitenflächen scharfe Steuerkanten 22 bzw. 23 gebildet, die einen bestimmten Abstand voneinander haben.

Der Regelkolben 12 besteht im wesentlichen aus drei Teilen, näm¬ lich einem Rohr 27 sowie zwei Verschlußstücken 28, die von den beiden Stirnseiten des Rohrs 27 bis zur Anlage eines Flansches 29 an der jeweiligen Stirnseite des Rohrs 27 in dieses einge¬ schraubt sind. Insgesamt gesehen ist der Regelkolben 12 also ein Hohlkolben mit einem Hohlraum 30, der sich axial zwischen den beiden Verschlußstücken 28 erstreckt. Das Verhältnis zwischen dem Durchmesser des Hohlraums 30 und dem Außendurchmesser des Regelkolbens 12 beträgt etwa 0,75. Zwischen dem Flansch 29 des einen Verschlußstücks 28 und dem einen Deckel 13 ist eine Schraubendruckfeder 31 angeordnet, die den Regelkolben gegen den anderen Deckel 13 zu drücken sucht.

Der Hohlraum 30 ist zur Außenseite des Regelkolbens 12 hin durch vier sich in axialer Richtung erstreckende Langlδcher 32 offen, die in gleichmäßigen Winkelabständen über den Umfang des Regel¬ kolbens verteilt sind. Axial enden die Langlöcner 32 in einem Kreisbogen mit einem Radius von der halben Breite eines Lang- loσhs. Die Langlöcher 32 sind kürzer als der Abstand der Steuer¬ kanten 22 und 23 voneinander und länger als der mittige Anstand zwischen den beiden Steuerkammern 16 und 19. Sie befinden sich in einem solchen Bereich des Regelkolbens 12, daß sie, wenn der Regelkolben, nach Figur 1 betrachtet, am rechten Deckel 13 an-

liegt, die Steuerkammer 16 axial etwa zur Hälfte und die Steuer¬ kammer 19 ganz überdecken. Der Hohlraum 30 ist wesentlich länger als die Langlöcher 32 und erstreckt sich beidseitig wesentlich über die Länglöcher 32 hinaus.

Beidseits schließt sich an jedes Langloch in axialer Richtung eine Feinsteuertasche 33 an, die radial nach innen hin durch ei¬ nen ebenen Boden 34 begrenzt ist. Die beiden Feinsteuertaschen 33 zu beiden Seiten eines Langlochs 32 sind identisch zueinander ausgebildet. Sie haben dieselbe radiale Tiefe, dieselbe Breite, und zwar die Breite des Langlochs 32, und sind axial durch einen Kreisbogen begrenzt, dessen Radius gleich der halben Breite des Langlochs und der Feinsteuertaschen ist. Die Länge jeder Fein¬ steuertasche 33 beträgt etwa nur ein Sechstel bis ein Siebtel der Länge eines Langlochs 32. Die Gesamtlänge eines Langlochs 32 und der beiden einem Langloch zugeordneten Feinsteuertaschen 33 ist geringfügig größer als der Abstand der beiden Steuerkanten 22 und 23 voneinander. Zwischen diesen Steuerkanten am Ventilge¬ häuse 10 und den Langlöchern 32 mitsamt den Feinsteuertaschen 33 besteht also eine negative Überdeckung. Dies ist vor allem aus den Figuren 2 und 3 ersichtlich, in denen die Langlöcher 32 be¬ züglich der Steuerkanten 22 und 23 des Ventilgehäuses 10 eine mittige Lage einnehmen, in der ein mit S bezeichneter und in Fi¬ gur 3 waagrecht schraffierter Öffnungsquerschnitt zwischen den Feinsteuertaschen 33 und den Steuerkanten 22 und 23 besteht.

Die beiden Verschlußstücke 28 sind zentral von einer Axialboh¬ rung 40 durchsetzt, deren Durchmesser wesentlich kleiner als der Durchmesser des Hohlraums 30 ist. Über die Axialbohrung 40 in dem einen Verschlußstück 28 und über eine austauschbare Steuer¬ düse 41, die im Abstand zum Hohlraum 30 in der Axialbohrung sitzt, ist ein erster Druckraum 42, der sich vor derjenigen

Stirnseite des Regelkolbens 12 befindet, die von der Schrauben¬ druckfeder 31 beaufschlagt ist, fluidisch mit dem Hohlraum 30 verbunden. Vom Druckraum 42 besteht über eingegossene und ge¬ bohrte Kanäle 43 und 44 im Ventilgehäuse 10 eine fluidische Ver- bindung zu dem als Proportional-Druckbegrenzungsventil ausgebil-

deten Vorsteuerventil 45. In der fluidischen Verbindung ist noch eine Dämpfungsdüse 46 angeordnet, die jedoch für die grundsätz¬ liche Funktion des Druckregelventils nicht notwendig ist. Die Einstellung des Vorsteuerventils 45 kann mit einem Proportional- Elektromagneten 47 verändert werden. Je nach der Höhe des Stro¬ mes, der durch den Elektromagneten 47 fließt, öffnet das Vor¬ steuerventil 45 bei einem anderen Druck an seinem Eingang.

Über die Axialbohrung 40 des anderen Verschlußstücks 28 ist ein sich von der anderen Stirnseite des Regelkolbens 12 befindlicher zweiter Druckraum 48 mit dem Hohlraum 30 verbunden, wobei in dieser Verbindung eine vorzugsweise austauschbare Dämpfungsdüse 49 angeordnet sein kann. Weiterer Verbindungen zum zweiten Druckraum 48 bedarf es an sich nicht. Bei dem Ausführungsbei¬ spiel nach Figur 1 ist jedoch der zweite Druckraum 48 über den Kanälen 43 und 44 entsprechende Kanäle und eine darin angeordne¬ te Dämpfungsdüse 50 mit dem ersten Druckraum 42 verbunden.

Bei der alternativen Vorsteuerung gemäß Figur 5 ist das Druckbe¬ grenzungsventil 45 von Hand auf verschiedene Werte einstellbar. Die Dämpfungsdüse 50 ist nicht zwischen dem zweiten Druckraum und dem ersten Druckraum, sondern zwischen dem zweiten Druckraum und dem VorSteuerventil 45 angeordnet.

In der Normalausführung eines erfindungsgemaßen vorgesteuerten 3-Wege-Druckregelventils werden zwei Düsen 41 und 46 verwendet, die gleichen Öffnungsquerschnitt haben. Die Verbindung zwischen dem Hohlraum 30 und dem zweiten Druckraum 48 ist offen, d.h. die Düse 49 ist nicht eingesetzt. Durch einen Stopfen ist die Ver¬ bindung des zweiten Druckraums 48 zum ersten Druckraum oder zum Vorsteuerventil verschlossen.

Mit Hilfe des gezeigten 3-Wege-Druckregelventils wird im Regelanschluß A ein durch die Einstellung des Vorsteuerventils vorgegebener Druck aufrechterhalten. Dabei unterscheidet man ei¬ ne Druckreduzierfunktion, in der zur Aufrechterhaltung des Drucks im Regelanschluß A diesem Druckmittel vom Druckanschluß P zugeführt werden muß, eine Druckbegrenzungsfunktion, in der zur

Aufrechterhaltung des Drucks im Regelanschluß A aus diesem Druckmittel zum Tankanschluß T abströmen muß, und eine Druckhal¬ tefunktion, in der der Volumenstrom im wesentlichen Null ist und nur ein Leckölvolumenstrom ersetzt wird.

In einer Ausgangsstellung des Ventils wird der Regelkolben 12 von der Druckfeder 31 gegen den einen Deckel 13 gedrückt. Die Verbindung zwischen den Steuerkammern 16 und 19, also zwischen Druckanschluß P und Regelanschluß A ist voll geöffnet. Wenn vom Druckanschluß P zum Regelanschluß A ein Volumenstrom fließt, baut dieser einen Druck im Regelanschluß A auf. Dieser Druck wirkt über die Langlöcher 32, den Hohlraum 30, die Axialbohrung 40 in dem einen Verschlußstück 28 und die Steuerdüse 41 im er¬ sten Druckraum 42 und über das andere Verschlußstück 28 auch im zweiten Druckraum 48. Der maximale Öffnungsquerschnitt zwischen Druckanschluß P und Regelanschluß A bleibt zunächst erhalten, bis der Druck im Regelanschluß A den am Vorsteuerventil 45 ein¬ gestellten Wert erreicht. Das Vorsteuerventil 45 öffnet, und es beginnt ein Steuervolumenstrom aus dem Hohlraum 30 über die Steuerdüse 41, den ersten Druckraum 42, die Kanäle 43 und 44 so- wie die Dämpfungsdüse 46 und dem geöffneten Steuerquerschnitt des Druckbegrenzungsventils 45 zum Tank abzufließen. Wenn der Steuervolumenstrom so groß ist, daß das kritische Druckgefälle an der Steuerdüse 41, das der Vorspannkraft der Druckfeder 31 bezogen auf die druckbeaufschlagte Querschnittsfläche des Regel- kolbens 12 entspricht, in Höhe von z.B. 2 bar überschritten wird, bewegt sich der Regelkolben 12, nach Figur 1 betrachtet, nach links und drosselt die Verbindung vom Druckanschluß P zum Regelanschluß A soweit ab, bis ein neues Kräftegleichgewicht am Regelkolben 12 erreicht ist. Dabei wird der durch die Einstel- lung des VorSteuerventils 45 vorgegebene Druck im Regelanschluß A weitgehend unabhängig vom Volumenstrom von P nach A und weit¬ gehend unabhängig von dem Druckniveau in P aufrechterhalten. Vorausgesetzt ist natürlich, daß die Druckdifferenz von P nach A mindestens so groß wie der Durchflußwiderstand des Ventils bei dem betrachteten Volumenstrom ist.

Wenn der Druck in A durch die Einwirkung äußerer Kräfte z.B. auf einen Zylinder den durch das Vorsteuerventil 45 vorgegebenen Wert überschreitet, so wirkt dieser Druck im zweiten Druckraum 48 und verschiebt den Regelkolben 12 so weit nach links, bis die Verbindung von A nach T an der Steuerkante 23 und den entspre¬ chenden Feinsteuerkanten geöffnet wird. Dabei wird weitgehend unabhängig vom Volumenstrom von A nach T der Druck in A entspre¬ chen den am Vorsteuerventil 45 eingestellten Wert konstant ge¬ halten. Der Anschluß P ist im Verlauf dieser Druckbegrenzungs- funktion des Ventils gesperrt.

Wenn im Anschluß A z.B. bei Stillstand eines Hydrozylinders oder eines Hydromotors kein Volumenstrom benötigt wird, arbeitet das Ventil in Druckhaltefunktion. Dabei wird der Regelkolben 12 von seiner Ausgangsstellung so weit nach links verschoben, daß der Steuerquerschnitt an der Steuerkante 22 des Ventilgehäuses 10 nur so weit geöffnet bleibt, daß der für die Druckregelung not¬ wendige Steuerölvolumenstrom aufrechterhalten, eventuelle Leckölverluste in A ausgeglichen werden und ein wegen der nega¬ tiven Überdeckung eventuell vorhandener Leckölstrom von A nach T ersetzt wird.