GAUMNITZ MICHAEL (DE)
SCHROEDER BERND (DE)
WEINGART JOERG (DE)
DUERR MICHAEL (DE)
GAUMNITZ MICHAEL (DE)
SCHROEDER BERND (DE)
WEINGART JOERG (DE)
DE19834121A1 | 2000-02-03 | |||
US3818927A | 1974-06-25 | |||
JPS6256880U | 1987-04-08 | |||
US4008876A | 1977-02-22 | |||
DE10101247A1 | 2001-07-26 | |||
US20020125451A1 | 2002-09-12 |
Ansprüche 1. Ventilanordnung mit einem Schließkörper (50) zum Verschließen einer Druckmitteldurchgangsöffnung (43), der über einen ersten Verstellmechanismus verstellbar ist, so dass der Schließkörper (50) einen Öffnungs- oder Schließhub durchführt, gekennzeichnet durch einen zweiten Verstellmechanismus über den der Schließkörper (50) derart verstellbar ist, dass er einen Zusatzhub (h) durchführt, so dass ein Gesamthub des Schließkörpers (50) größer oder kleiner als der alleine durch den ersten Verstellmechanismus bewirkte Hub ist. 2. Ventilanordnung nach Anspruch 1 , wobei der Zusatzhub (h) durch in Öffnungsrichtung auf den Schließkörper (50) wirkende Strömungskräfte bewirkt ist. 3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Schließkörper (50) über den ersten Verstellmechanismus in Öffnungsrichtung von einer ersten Feder (38) und in Schließrichtung von einer Magnetkraft eines Hubmagneten beaufschlagbar ist. 4. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Schließkörper (50) über den zweiten Verstellmechanismus in Schließrichtung von einer zweiten Feder (60) und in Öffnungsrichtung von den Strömungskräften beaufschlagbar ist. 5. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei ein in einem Ventilgehäuse (46) axial verschiebbar gelagerter Führungsstößel (48) mit einem aus dem Ventilgehäuse (46) geführten Endabschnitt mit dem Schließkörper (50) fest verbunden ist. 6. Ventilanordnung nach Anspruch 5, wobei der Führungsstößel (48) in einer am Ventilgehäuse (46) axial gleitend gelagerten Ventilhülse (54) aufgenommen ist. 7. Ventilanordnung nach Anspruch 6, wobei die Ventilhülse (54) zum Verstellen des Schließkörpers (50) über den ersten Verstellmechanismus mit einer dem Schließkörper (50) zuweisenden Stirnfläche (56) an dem Schließkörper (50) und mit einer von dem Schließkörper (50) abweisenden Stirnfläche (58) über die zweite Feder (60) an einem mit dem Führungsstößel (48) verbundenen Stützteller (62) abgestützt ist. 8. Ventilanordnung nach Anspruch 7, wobei an einem schließkörperfemen Hülsenendbereich der Ventilhülse (54) ein durch den Hubmagneten verschiebbarer und in etwa hohlzylindrischer Magnetanker (64) die Ventilhülse (54) mit einem ersten Längsabschnitt fest umgreift und mit einem zweiten Längsabschnitt die zweite Feder (60) und den Stützteller (62) des Führungsstößels (48) aufnimmt. 9. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 8, wobei sich die erste Feder (38) an dem Ventilgehäuse (46) abstützt und über den Magnetanker und die Ventilhülse (54) den Schließkörper (50) in Öffnungsrichtung vorspannt. 10. Ventilanordnung nach Anspruch 9, wobei die zweite Feder (60) dem zweiten Verstellmechanismus zugeordnet ist und den Schließkörper (50) über den Stützteller (62) und dem Führungsstößel (48) in Schließrichtung vorspannt. 11. Ventilanordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 10, wobei der Öffnungshub des ersten Verstellmechanismus durch einen an einer Hülsenmantelfläche der Ventilhülse (54) ausgebildeten Anschlagsring (68) begrenzt ist, wobei der Anschlagsring (68) an einem am Ventilgehäuse (46) angeordneten Gehäuseanschlag (70) anschlägt. 12. Ventilanordnung nach Anspruch 5, wobei die erste Feder (38) an dem Ventilgehäuse (46) abgestützt ist und an einer ersten Stirnfläche (72) eines in etwa hohlzylindrischen und beidseitig verschlossenen Magnetankers (64) angreift und diesen vorspannt, wobei durch den Magnetanker (64) der Führungsstößel (48) in etwa axial hindurchgeführt ist, und eine dritte Feder (74) an einer zweiten Stirnfläche (76) des Magnetankers (64) diesen spannt und an einem auf dem Führungsstößel (48) axial verschiebbaren und an einem Gehäuseanschlag (70) anschlagbaren Anschlagsring (68) sich abstützt, wobei der Anschlagsring (68) über am Führungsstößel (48) ausgebildeten Mitnahmevorsprung (82) bei einem Schließhub weg vom Gehäuseanschlag (70) verschiebbar ist. 13. Ventilanordnung nach Anspruch 12, wobei im Magnetanker (64) die zweite Feder (60) sich an einer in die gleiche Richtung wie die erste Stirnfläche (72) weisenden ersten Innenfläche (80) absützt und einen in dem Magnetanker (64) angeordneten und fest mit dem Führungsstößel (48) verbundenen Stützteller (62) vorspannt, wobei der Stützteller (62) bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub (h) des zweiten Verstellmechanismus sich an einer der ersten Innenfläche (80) gegenüberliegenden Innenfläche (78) des Magnetankers (64) abstützt. 14. Ventilanordnung nach Anspruch 4, wobei der Schließkörper (50) axial verschiebbar auf einem aus einem Ventilgehäuse (46) geführten Endabschnitt (84) eines in dem Ventilgehäuse (46) axial verschiebbar gelagerten Führungsstößels (48) geführt ist. 15. Ventilanordnung nach Anspruch 14, wobei der Endabschnitt (84) des Führungsstößels (48) in einem Führungsbereich (85) des Schließkörpers (50) radial zurückgestuft ist und hierbei ein Stützteller (62) und eine Ringfläche (90) gebildet sind. 16. Ventilanordnung nach Anspruch 15, wobei der Schließkörper (50) bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub (h) des zweiten Verstellmechanismus an der dem Schließkörper (50) abweisenden Ringfläche (90) mit einer Stirnfläche (88) anschlägt und über die zweite Feder (60) vorgespannt ist, die sich zwischen dem Stützteller (62) und einer der Stirnfläche (88) abweisenden Innenfläche (91) des Schließkörpers (50) abstützt. 17. Ventilanordnung nach Anspruch 16, wobei sich die erste Feder (60) an dem Ventilgehäuse (46) abstützt und einen mit dem Führungsstößel (48) fest verbundenen Magnetanker (64) in Öffnungsrichtung vorspannt, wobei ein fest mit dem Führungsstößel (48) verbundener Anschlagsring (68) an einem Gehäuseanschlag (70) in etwa anliegt. 18. Ventilgesteuerte Hydromaschine mit einer Ventilanordnung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 17. 19. Ventilgesteuerte Hydromaschine nach Anspruch 18, sofern dieser auf die Ansprüche 1 bis 4 bezogen ist, wobei die zweite Feder (60) in einem von dem Schließkörper (50) verschließbaren Förderraum (8) der Hydromaschine (1) angeordnet ist und sich zwischen dem Schließkörper (50) und einer im Förderraum (8) ausgebildeten Abstützeinrichtung (92) abstützt. |
Ventilanordnunq und ventilgesteuerte Hydromaschine Die Erfindung betrifft eine Ventilanordnung gemäß dem Oberbegriff des
Patentanspruches 1 und eine ventilgesteuerte Hydromaschine mit einer derartigen Ventilanordnung.
Ventilgesteuerte Hydromaschinen und Ventilanordnungen sind beispielsweise aus der EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axialoder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schluckvolumen über die Ventilsteuerung stufenlos verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein Zulaufventil und ein Ablaufventil mit einem Druckmittelzulauf bzw. einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind und um den jeweiligen Arbeitsraum im „füll mode", im „partial mode" oder im „idle mode" zu betreiben. Beim „füll mode" wird im Wesentlichen das gesamte Schluck- oder Fördervolumen ausgenützt, im „partial mode" entsprechend nur ein Teil des Volumens. Im „idle mode" ist das Förder-/Schluckvolumen des jeweiligen Arbeitsraumes gleich 0 - die Maschine arbeitet im Leerlauf.
Über eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt dabei häufig nach einer Phasenanschnittsteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden. Bei der beschriebenen Lösung ist das im Zulauf zu jedem Arbeitsraum angeordnete Zulaufventil im unbestromten Zustand mittels Federkraft geschlossen. Das im Ablauf angeordnete Rückschlagventil ist im unbestromten Zustand durch die Federkraft in Öffnungsrichtung vorgespannt.
Falls die Hydromaschine als Motor betrieben werden soll, wird zum Antreiben einer mit der Taumelscheibe verbundenen Welle das Ablaufventil durch Bestromen eines Betätigungsmagneten geschlossen und gleichzeitig das Zulaufventil geöffnet. Dadurch kann Druckmittel in den Arbeitsraum einströmen, so dass die hydraulische Energie des Druckmittels durch die Axialverschiebung des jeweiligen Kolbens und die entsprechende Drehbewegung der Taumelscheibe in eine Drehbewegung der Welle und somit in mechanische Energie umgewandelt wird. Kurz vor dem inneren Totpunkt, in dem der jeweilige Kolben die volle Schluckbewegung ausgeführt hat, wird das Zulaufventil geschlossen, so dass durch den verbleibenden Resthub des Kolbens bis zum Totpunkt der Arbeitsraum druckentlastet wird. Durch diese Druckentlastung kann das Ablaufventil druckentlastet öffnen und der Kolben kann in seiner nachfolgenden Förderbewegung sein Schluckvolumen zum Tank ausschieben. Kurz vor dem äußeren Totpunkt wird dann das Ablaufventil durch Bestromen des entsprechenden Betätigungsmagneten geschlossen. Der verbleibende Hub des Kolbens bis äußeren Totpunkt wird dann zum Komprimieren des im Arbeitsraum eingeschlossenen
Druckmittels benutzt, so dass das Zulaufventil bei Erreichen des äußeren Totpunkts druckentlastet öffnen kann. Durch diesen Ablauf ist gewährleistet, dass die Rückschlagventile im weitgehend druckausgeglichenen Zustand durch relativ geringe Betätigungsmagnetkräfte geschaltet werden können. Diese Ansteuerung ist aufgrund der geforderten Schaltdynamik notwendig.
Voraussetzung für diese Art der Steuerung (DDP-Prinzip (digital displacement pump)) ist, dass die niederdruck- und hochdruckseitigen Ventile mit hoher Dynamik geschaltet werden können, so dass die vorbeschriebenen Druckmittelströmungspfade sehr schnell abgesperrt oder zum Durchströmen frei gegeben werden können.
In der US 7,077,378 B2 ist eine Ventilanordnung für eine derartige Hydromaschine gezeigt, bei der eine ringförmige Durchströmungsöffnung durch ein tassenförmiges Ventilelement verschlossen werden kann. Diese ringförmige Durchströmungsöffnung ist von einem inneren und einem äußeren Dichtsitz begrenzt, so dass die spezifische Flächenpressung an der Dichtkante gegenüber einem Ventilkegel vergleichsweise gering ist. Nachteilig bei dieser bekannten Lösung ist, dass aufgrund des komplexen Aufbaus des tassenförmigen Ventilelementes und dessen Führung und des mit einer ringförmigen Durchströmungsöffnung ausgeführten Ventilgehäuses der vorrichtungstechnische Aufwand zur Realisierung der Ventilanordnung erheblich ist.
Ein weiterer Nachteil der bekannten Lösung besteht darin, dass der Strömungswiderstand beim Durchströmen der ringförmigen Durchströmöffnung und der Umströmung des tassenförmigen Ventilelementes vergleichsweise hoch ist, so dass der Wirkungsgrad der Hydromaschine vergleichsweise gering ist.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Ventilanordnung und eine ventilgesteuerte Hydromaschine zu schaffen, bei denen die eingangs beschriebenen Steuermodi mit geringem vorrichtungstechnischem Aufwand und hoher Dynamik realisierbar sind.
Diese Aufgabe wird durch eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 und einer ventilgesteuerten Hydromaschine mit den Merkmalen des Patentanspruchs 18 gelöst.
Erfindungsgemäß weist eine Ventilanordnung einen Schließkörper zum Verschließen einer Druckmitteldurchgangsöffnung auf. Der Schließkörper ist hierbei über einen ersten Verstellmechanismus verstellbar, so dass der Schließkörper einen Öffnungs- oder Schließhub durchführt. Über einen zweiten Verstellmechanismus ist der Schließkörper derart verstellbar, dass er einen Zusatzhub durchführt, womit ein Gesamthub des Schließkörpers größer oder kleiner als der alleine durch den ersten Verstellmechanismus bewirkte Hub ist.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass durch den zusätzlichen Hub die Druckmitteldurchgangsöffnung erweitert ist und somit Strömungswiderstände beim Durchströmen der Druckmitteldurchgangsöffnung verkleinert werden. Des Weiteren ist ein äußerst einfacher Aufbau der Ventilanordnung ermöglicht.
Bei einer Variante kann der Zusatzhub des über den ersten Verstellmechanismus geöffneten Schließkörpers durch in Öffnungsrichtung auf den Schließkörper wirkende Strömungskräfte bewirkt sein.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist der Schließkörper über den ersten Verstellmechanismus in Öffnungsrichtung von einer ersten Feder und in Schließrichtung von einer Magnetkraft eines Hubmagneten beaufschlagt.
Der Schließkörper kann über den zweiten Verstellmechanismus in Schließrichtung von einer zweiten Feder beaufschlagt sein.
Der Schließkörper ist beispielsweise fest mit einem aus einem Ventilgehäuse geführten und darin axial verschiebbar gelagerten Führungsstößel verbunden.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist der Führungsstößel in einer am Ventilgehäuse gleitend gelagerten axial verschiebbaren Ventilhülse aufgenommen. Die Ventilhülse kann zum Verstellen des Schließkörpers über den ersten
Verstellmechanismus mit einer dem Schließkörper zuweisenden Stirnfläche an dem Schließkörper und mit einer von dem Schließkörper abweisenden Stirnfläche über eine zweite Feder an einem mit dem Führungsstößel verbundenen Stützteller abgestützt sein.
Zweckmäßig ist an einem schließkörperfemen Hülsenendbereich der Ventilhülse ein durch den Hubmagneten verschiebbarer und in etwa hohlzylindrischer Magnetanker angeordnet, der die Ventilhülse mit einem ersten Längsabschnitt fest umgreift und mit einem zweiten Längsabschnitt die zweite Feder und den Stützteller des Führungsstößels aufnimmt.
Mit Vorteil stützt sich die erste Feder an dem Ventilgehäuse ab und spannt über den Magnetanker und die Ventilhülse den Schließkörper in Öffnungsrichtung vor. Die zweite Feder ist vorzugsweise dem zweiten Verstellmechanismus zugeordnet und spannt den Schließkörper über den Lagerteller und den Führungsstößel in Schließrichtung vor.
Der Öffnungshub des ersten Verstellmechanismus ist beispielsweise durch einen an einer Hülsenmantelfläche der Ventilhülse ausgebildeten Anschlagsring begrenzt, wobei der Anschlagsring an einem am Ventilgehäuse angeordneten Gehäuseanschlag anschlagbar ist.
Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist die erste Feder an dem Ventilgehäuse abgestützt und spannt über einer ersten Stirnfläche eines in etwa hohlzylindrischen und beidseitig verschlossenen Magnetankers diesen vor, wobei durch den Magnetanker der Führungsstößel in etwa axial hindurchgeführt ist und eine dritte Feder sich an einer zweiten Stirnfläche des Magnetankers abstützt und einen auf dem Führungsstößel axial verschiebbaren und an einem Gehäuseanschlag anschlagbaren Anschlagsring vorspannt, der über einen Mitnahmevorsprung an dem Führungsstößel bei einem Schließhub weg vom Gehäuseanschlag verschiebbar ist. Durch diese Lösung ist eine äußerst kompakte und einfach aufgebaute Ventilanordnung ermöglicht.
Vorteilhafter Weise stützt sich die zweite Feder im Magnetanker an einer in die gleiche Richtung wie die erste Stirnfläche weisenden ersten Innenfläche ab und spannt einen in dem Magnetanker angeordneten und fest mit dem Führungsstößel verbundenen Stützteller vor, wobei der Stützteller bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub des zweiten Verstellmechanismus sich an einer der ersten Innenfläche gegenüberliegenden zweiten Innenfläche des Magnetankers abstützt.
Bei einer einfachen Ausführungsform ist der Schließkörper axial auf einem aus einem Ventilgehäuse geführten Endabschnitt eines in dem Ventilgehäuse axial verschiebbar gelagerten Führungsstößels verschiebbar geführt. Der Endabschnitt des Führungsstößels kann dabei im Führungsbereich des Schließkörpers radial zurückgestuft sein, wodurch zwei Ringflächen gebildet sind. Zweckmäßig kann es sein, wenn der Schließkörper bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub des zweiten Verstellmechanismus an der dem Ventilgehäuse abweisenden ersten Ringfläche mit einer Anschlagsfläche anschlägt und über die zweite Feder vorgespannt ist, die sich an der zweiten Ringfläche abstützt und den Schließkörper über eine von der Anschlagsfläche abweisenden Stützfläche vorspannt.
In weiterer Ausgestaltung des Ausführungsbeispiels stützt sich die erste Feder an dem Ventilgehäuse ab und spannt einen mit dem Führungsstößel fest verbundenen Magnetanker vor in Öffnungsrichtung vor, wobei ein fest mit dem Führungsstößel verbundener Anschlagsring an einem Gehäuseanschlag anliegt.
Mit Vorteil hat eine ventilgesteuerte Hydromaschine eine Ventilanordnung, bei der die zweite Feder in einem von dem Schließköφer verschließbaren Förderraum der Hydromaschine angeordnet ist und sich an einer im Förderraum ausgebildeten Abstützeinrichtung abstützt und den Schließkörper vorspannt.
Vorzugsweise hat eine ventilgesteuerte Hydromaschine eine wie oben erläuterte Ventilanordnung.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand weiterer Unteransprüche.
Im Folgenden werden bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Figur 1 eine stark schematisierte Darstellung zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer ventilgesteuerte Hydromaschine mit veränderbarem Schluck-/ Fördervolumen;
Figur 2a ein erstes Ausführungsbeispiel eines elektrisch betätigbaren Rückschlagventils einer Hydromaschine gemäß Figur 1 in Öffnungsstellung; Figur 2b das Rückschlagventil aus Figur 2a in Öffnungsstellung mit einem Zusatzhub;
Figur 2c das Rückschlagventil aus Figur 2a und 2b in Schließstellung;
Figur 3a ein zweites Ausführungsbeispiel eines elektrisch betätigbaren Rückschlagventils einer Hydromaschine gemäß Figur 1 in Öffnungsstellung;
Figur 3b das Rückschlagventil aus Figur 3a in Öffnungsstellung mit einem Zusatzhub;
Figur 3c das Rückschlagventil aus Figur 3a und 3b in Schließstellung;
Figur 4 ein drittes Ausführungsbeispiel eines Rückschlagventils in Schließstellung; und
Figur 5 ein viertes Ausführungsbeispiel eines Rückschlagventils in Schließstellung.
Im Folgenden wird zunächst anhand Figur 1 das Funktionsprinzip einer ventilgesteuerten Hydromaschine 1 erläutert, deren Förder-/Schluckvolumen digital verstellbar ist (DDP). Die beschriebene Hydromaschine 1 ist als Axialkolbenmaschine in Taumelscheibenbauweise ausgeführt, wobei Figur 1 eine sehr stark vereinfachte Abwicklung einer derartigen Hydromaschine 1 in Axialkolbenbauweise zeigt. Im Folgenden werden dabei nur die zum Verständnis der Erfindung wesentlichen Bauelemente erläutert. Hinsichtlich detaillierterer Ausführungen wird auf den eingangs genannten Stand der Technik verwiesen. Bei der folgenden Beschreibung ist die erfindungsgemäße Hydromaschine 1 als Hydromotor ausgeführt, prinzipiell gelten die Ausführungen zum Hydromotor jedoch auch entsprechend für eine Pumpe mit verstellbarem Fördervolumen.
Gemäß der schematischen Darstellung in Figur 1 hat die Hydromaschine 1 einen Zylinder 2, in dem eine Vielzahl von Zylinderbohrungen 4 ausgebildet sind, in denen jeweils ein Kolben 6 axial verschiebbar geführt ist. Jeder der Kolben 6 begrenzt mit der Zylinderbohrung 4 einen Arbeitsraum 8, dessen Volumen vom Hub der Kolben 6 abhängig ist. Die Kolben 6 sind über jeweils einen Kolbenschuh 10 an einer schräg gestellten Taumelscheibe abgestützt, die mit einer Abtriebswelle 12 verbunden ist. In der Darstellung gemäß Figur 1 ist die aufgrund der Rotation der Taumelscheibe gebildete Steuerkurve 14 dargestellt, die die Drehwinkelabhängigkeit des Kolbenhubs und damit des Volumens des jeweiligen Arbeitsraums wiedergibt. Wie in Figur 1 rechts dargestellt, ist jeder Arbeitsraum 8 über ein Zulaufventil 16 mit einer allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Zulaufleitung 18 verbunden, die mit einem Systemoder Hochdruck beaufschlagt ist. Dieser Hochdruck kann beispielsweise über eine Pumpe 20 erzeugt werden.
Jeder Arbeitsraum 8 ist des Weiteren über ein Ablaufventil 22 mit einer ebenfalls allen Arbeitsräumen 8 gemeinsamen Ablaufleitung 24 verbunden, die in einen Tank 26 einmündet.
Wie bereits eingangs erläutert, sind die AblaufVentile 22 und die ZuJaufventile 16 jeweils als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt. Das Zulaufventil 16 ist über eine nicht dargestellte Feder in seiner dargestellten Grundposition in eine Schließposition vorgespannt und lässt sich durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 28 in eine Öffnungsstellung bringen, so dass das
Druckmittel aus der Zulaufleitung 18 in den jeweiligen Arbeitsraum 8 einströmen kann. Das Ablaufventil 22 ist in seiner dargestellten Grundposition über eine Feder in eine Öffnungsstellung vorgespannt. Durch Bestromen eines Betätigungsmagneten 30 lässt sich dieses Ablaufventil 22 in eine Sperrposition bringen, in der das Druckmittel nicht aus dem Arbeitsraum 8 abströmen kann.
Die Ansteuerung der Betätigungsmagneten 28, 30 erfolgt über eine Steuereinheit 34, über die die eingangs beschriebenen Modi (füll mode, partial mode und idle mode) einstellbar sind, so dass das Schluckvolumen der Hydromaschine 1 stufenlos verstellbar ist, wobei durch geeignete Ansteuerung der Ventile 16, 22 auch die Pulsation auf ein Minimum absenkbar ist. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispie ) erfolgt die Ansteuerung der Ventile 16, 22 in Abhängigkeit von der Drehzahl der Abtriebswelle 12, die über einen Drehzahlaufnehmer 36 erfasst und über eine Signalleitung an die Steuereinheit 34 gemeldet wird. Prinzipiell können selbstverständlich auch andere Kenndaten, wie beispielsweise das auf die Abtriebswelle 12 wirkende Drehmoment oder das Schluckvolumen der Hydromaschine 1 bei der Ansteuerung der Ventile 16, 22 berücksichtigt werden.
Figur 2a zeigt den Grundaufbau eines Rückschlagventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, das beim Hydromotor gemäß Figur 1 dem Ablaufventil entspricht. Bei einer Hydropumpe ist das Ventil 22 das Zulauf- oder Saugventil 22, wovon in den folgenden Figurenbeschreibungen ausgegangen wird.
Das Saugventil 22 hat ein durch eine erste Feder 38 in eine Öffnungsstellung vorgespanntes Ventilelement 40, das sich mittels eines Betätigungsmagneten 30 in Schließstellung gegen einen Ventilsitz 42 bewegen lässt, so dass ein ringförmige Druckmitteldurchgangsöffnung bzw. ein Durchflussquerschnitt 43 abgesperrt ist (siehe Figur 2c). Die Feder 38 ist an einer Gehäuseinnenfläche 44 eines Ventilgehäuses 46 abgestützt.
Das Saugventil 22 ist als sogenanntes „Tellerventil" ausgeführt, wobei das Ventilelement 40 einen den Ventilsitz 42 durchsetzenden axialen Führungsstößel 48 und einen daran befestigten Schließkörper 50 hat. Dieser Schließkörper 50 ist als
Kegelstumpf ausgeführt, wobei an den seitlichen Kegelflächen eine umlaufende, schräg angestellte Dichtfläche 52 ausgebildet ist. Der Ventilsitz 42 ist entsprechend ausgeformt, so dass eine dichte Anlage im Schließzustand (Figur 2c) gewährleistet ist. Der Fühmngsstößel 48 ist femer in einer in etwa hohlzylindrischen Ventilhülse 54 axial gleitend aufgenommen. Diese wird dabei in dem Ventilgehäuse 46 ebenfalls axial gleitend gelagert und liegt mit einer ersten dem Schließkörper 50 zugewandten Stirnfläche 56 an dem Schließkörper 50 in etwa an. An einer von dem Schließkörper 50 abgewandten zweiten Stirnfläche 58 der Ventilhülse 54 ist eine zweite Feder 60 abgestützt, wobei die zweite Feder 60 einen Stützteller 62 mit Federkraft beaufschlagt, der am dem Schließkörper 50 abgewandten Endbereich des Führungsstößels 48 ausgebildet ist, wodurch der Schließkörper 50 über den Führungsstößel 48 und den Stützteller 62 gegen die zweite Stirnfläche 56 der Ventilhülse 54 vorgespannt ist. Die Ventilhülse 54 ist beim dargestellten Ausführungsbeispiel von einem hohlzylindrischen Magnetanker 64 fest umgriffen, der mit der Federkraft der zweiten Feder 38 in Richtung der in der Figur 2a dargestellten Öffnungsposition beaufschlagt ist. Der Magnetanker 64 umschließt dabei mit einem ersten Längsabschnitt die Ventilhülse 54 und nimmt mit einem zweiten Längsabschnitt die zweite Feder 60 und den Stützteller 62 des Führungsstößels 48 auf. Der Magnetanker 64 ist abschnittsweise von einer
Magnetspule 66 eines Betätigungsmagneten bzw. Hubmagneten umgriffen, die in das Ventilgehäuse 46 aufgenommen ist.
Benachbart zum Magnetanker 64 ist an der Ventilhülse 54 ein Anschlagsring bzw. ein Polring 68 aus magnetisierbarem Material befestigt. Dieser sitzt in der federvorgespannten Grundposition auf einem Gehäuseanschlag bzw. Permanentmagneten 70 auf, so dass die Ventilhülse 54 und mit dieser das Ventilelement 40 durch die Kraft des Permanentmagneten 70 und die Vorspannung der ersten Feder 38 in der Öffnungsstellung gehalten wird. Druckmittel kann somit über den ringförmigen Durchströmungsquerschnitt 43 in den Arbeitsraum 8 aus Figur 1 einströmen.
Figur 2b zeigt das Saugventil 22 in einer Stellung, bei der der Schließkörper 50 einen Zusatzhub ausführt, was im Folgenden näher erläutert ist. Infolge eines Saugvorgangs der Hydropumpe strömt Druckmittel durch den
Durchströmungsquerschnitt 43, wobei Strömungskräfte auf den Schließkörper 50 in Öffnungsrichtung wirken. Überschreiten die auf den Schließkörper 50 wirkenden Strömungskräfte die Federkraft der zweiten Feder 60, so wird diese über den Stützteller 62, den Führungsstößel 48 und den Schließkörper 50 gespannt und der Schließkörper 50 führt einen Zusatzhub h aus. Durch diesen Zusatzhub h ist der
Durchströmungsquerschnitt 43 vergrößert, wobei der Strömungswiderstand sinkt und der Arbeits- bzw. Förderraum 8 aus Figur 1 während der Saugphase der Hydropumpe bestmöglich befüllt wird. Werden die auf den Schließkörper 50 wirkenden Strömungskräfte geringer als die Federkraft der zweiten Feder 60, so wird der Schließkörper 50 über den Führungsstößel 48 und den Stützteller 62 von der zweiten Feder 60 in Schließrichtung verschoben, bis der Schließkörper 50 an der ersten Stirnfläche 56 der Ventilhülse 54 anliegt. Gemäß der Darstellung in Figur 2c wird zum Verschließen des
Durchströmungsquerschnitts 43 die Magnetspule 66 bestromt und der Magnetanker 64 nach oben in Figur 2c bewegt, wobei der magnetische Fluss von der Magnetspule 66 über die angrenzenden Gehäusewandungen, durch den Polring 68 hindurch über die Ventilhülse 54 und den Magnetanker 64 und dann wieder über die benachbarten Gehäusewandungen zurück zur Magnetspule 66 erfolgt. Dabei wird der Magnetanker 64 gegen die Federkraft der ersten Feder 38 und gegen die Kraft des Permanentmagneten 70 verschoben, bis die schräg angestellte Dichtfläche 52 des Schließkörpers 50 in dichtender Anlage an den Ventilsitz 42 gelangt ist, so dass der ringförmige Durchströmungsquerschnitt 43 abgesperrt ist.
Die Federkraft der zweiten Feder 60 aus den Figuren 2a - c wird primär durch zwei gegenläufige Zielvorgaben bestimmt. Einerseits sollte die Federkraft möglichst gering sein und beispielsweise kleiner als ein durch die Druckmittelströmung auf den Schließkörper 50 wirkender Öffnungsdruck von 0,3 bar sein, damit während der Saugphase der Durchströmungsquerschnitt 43 durch den Zusatzhub h bei geringen Strömungskräften weiter geöffnet wird, damit der Förderraum 8 der Hydropumpe 1 aus Figur 1 während der Saugphase bestmöglich und schnell befüllt wird. Andererseits sollte die Federkraft der zweiten Feder 60 möglichst groß sein, damit der Schließkörper 50 im Bereich des unteren Totpunkts des Kolbens 6 aus Figur 1 schnell schließt, um Rückströmverluste zu minimieren. Typische Federkräfte der zweiten Feder 60 bzw. Öffnungsdrücke entsprechen je nach Größe und Drehzahl der Hydropumpe 1 aus Figur 1 einem Öffnungsdruck zwischen 0,3 und 1 bar.
Durch das Saugventil 22 aus den Figuren 2a - c ist der erforderliche Hub des
Magnetankers 64 zum Schließen des Durchströmungsquerschnitts 43 über den Schließkörper 50 deutlich verkleinert, da der Zusatzhub über die Federkraft der zweiten Feder 60 geleistet ist. Hierdurch sind somit kleinere Magnetströme und eine geringere Magnetkraft zum Schließen des Saugventils 22 notwendig.
Die erste Feder 38 und der Magnetanker 64 bilden dabei einen ersten Verstellmechanismus und die zweite Feder 60 und die Strömungskräfte in Figur 2b des Druckmittels einen zweiten Verstellmechanismus. Durch den Zusatzhub h in Figur 2b ist beispielsweise ein Bypassventil zur Vergrößerung eines Durchströmungsquerschnitts nicht mehr notwendig.
Figur 3a zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Saugventils 22, das als wesentlichen Unterschied zur Figur 2a keine Ventilhülse 54 aufweist. Der Magnetanker 64 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch und geschlossen ausgeführt, wobei der Führungsstößel 48 durch diesen axial verschiebbar hindurchgeführt ist. Der Magnetanker 64 wird dabei über die erste Feder 38, die an seiner ersten, dem Schließkörper 50 abgewandten Stirnfläche 72 angreift und über eine dritte Feder 74, die an seiner zweiten Stirnfläche 76 angreift, in einer Öffnungsstellung des Saugventils 22 gehalten, wobei sich die erste Feder 38 am Ventilgehäuse 46 und die dritte Feder 74 an dem auf dem Führungsstößel 48 axial verschiebbar gelagerten Polring 68 abstützt. Der Magnetanker 64 weist weiter zwei Innenflächen 78, 80 auf, wobei an der ersten dem Schließkörper 50 zugewandten Innenfläche 78 der mit dem Führungsstößel 48 verbundene Stützteller 62 bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub h (vergleiche mit Figur 3b) anliegt, der in dieser Position durch die zweite Feder 60, die zwischen diesem und der zweiten, dem Schließkörper 50 abgewandten Innenfläche 80 des Magnetankers 64 gespannt ist, gehaltert wird.
Figur 3b zeigt das Saugventil 22 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel, in einer geöffneten Stellung mit dem Zusatzhub h. Durch die auf den Schließkörper 50 wirkenden Strömungskräfte wird, wenn die in Öffnungsrichtung wirkende Strömungsresultierende der Strömungskräfte die Federkraft der zweiten Feder 60 übersteigen, über den Schließkörper 50, dem Führungsstößel 48 und dem Stützteller 62 die zweite Feder 60 gespannt, wodurch ein Zusatzhub h erfolgt und der Durchströmungsquerschnitt 43 weiter geöffnet ist. Der Magnetanker 64 wird über die dritte Feder 74 in einer in etwa gleichbleibenden Position gehalten.
Sobald die auf den Schließkörper 50 in Öffnungsrichtung wirkenden
Strömungskräfte sinken und die Federkraft der zweiten Feder 60 größer als die Strömungskräfte ist, wird der Stützteller 62, der Führungsstößel 48 und der Schließkörper 50 in Schließrichtung bewegt, bis der Stützteller 62 an der ersten Innenfläche 78 des Magnetankers 64 in etwa anliegt (siehe Figur 3a).
In der Figur 3c wird zum Schließen des Durchströmungsquerschnitt 43 aus Figur 3b die Magnetspule 66 entsprechend dem ersten Ausführungsbeispiel in Figur 2c bestromt. Der Magnetanker 64 bewegt sich dabei in Schließrichtung und nimmt die sich an der zweiten Innenfläche 80 des Magnetankers 64 abstützende zweite Feder 60, den über diese vorgespannten Stützteller 62 und damit den Führungsstößel 48 und den Schließkörper 50 mit, bis der Schließkörper 50 mit der Dichtfläche 52 an dem Ventilsitz 42 in etwa anliegt. Bei der Bewegung des Führungsstößels 48 in Schließrichtung wird über einen an diesem ausgebildeten Mitnahmevorsprung 82 der Polring 68 mitgeführt. Der Mitnahmevorsprung 82 liegt dabei bei geöffnetem Saugventil 22 ohne Zusatzhub, siehe Figur 3a, in etwa an dem Polring 68 an.
Figur 4 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Saugventils 22 in Schließstellung, wobei der zweite Verstellmechanismus mit der zweiten Feder 60 außerhalb des Ventilgehäuses 46 angeordnet ist. Der Führungsstößel 48 ist in dem Ventilgehäuse 46 geführt und mit dem Magnetanker 64 fest verbunden, wobei der Magnetanker 64 wie in den vorhergehenden Ausführungsbeispielen mit einer Federkraft der ersten Feder 38 in Öffnungsrichtung beaufschlagt ist. Ferner ist mit dem Führungsstößel 48 der Polring 68 fest verbunden.
Ein Schließkörperführungsstößel 85, der einen verminderten Querschnitt im Vergleich zum Führungsstößel 48 aufweist, ist außerhalb des Ventilgehäuses 46 im Wesentlichen koaxial mit dem Führungsstößel 48 verbunden und weist an seinem in dem Arbeitsraum 8 aus Figur 1 angeordneten Endbereich einen Stützteller 86 auf.
An dem Schließkörperführungsstößel 85 ist der in etwa glockenförmig ausgebildete Schließkörper 50 entlang seiner Längsachse axial verschiebbar geführt. Der Schließkörper 50 ist dabei mit einer oberen Stirnfläche 88 bei einem nicht ausgeführten Zusatzhub des Saugventils 22 leicht von einer Ringfläche 90 des Ventilgehäuses 46 beabstandet, damit der Schließkörper 50 nicht überbestimmt ist und mit der Dichtfläche 52 auf dem Ventilsitz 42 im geschlossenen Zustand des Ablaufventils 22 anliegt. Der Schließkörper 50 ist hierbei über die zweite Feder 60, die zwischen dem Stützteller 86 des Schließkörperführungsstößels 85 und einer dem Stützteller 86 zuweisenden Innenfläche 91 einer becherförmigen Federaufnahme 92 des Schließkörpers 50 gespannt ist, in Schließrichtung vorgespannt.
Zum Öffnen des Saugventils 22 wird die Bestromung der Magnetspule 66 unterbrochen, wobei die erste Feder 38 den Führungsstößel 48 über den Magnetanker 64 in Öffnungsrichtung verschiebt, bis der Polring 68 an dem Permanentmagneten 70 in etwa anliegt. Übersteigen im geöffneten Zustand des Saugventils 22 die Strömungskräfte die Federkraft der zweiten Feder 60, so wird diese über die Innenfläche 91 des Schließkörpers 50 in Öffnungsrichtung gespannt und der Schließkörper 50 führt einen Zusatzhub aus.
Das Ausführungsbeispiel nach Figur 4 bietet einen besonderen Vorteil. Die Feder 60 kann so ausgelegt werden, dass der Schließkörper 50 einerseits und der
Führungsstößel 48 und der Anker 64 andererseits mechanisch entkoppelt sind und durch die Feder eine Dämpfwirkung erzielt wird. Dadurch kann die mechanische Belastung des Führungsstößels 48 und des Ankers 64 beim Schließen des Ventils gering gehalten werden.
Figur 5 zeigt in einer schematischen Darstellung ein viertens Ausführungsbeispiel des Saugventils 22 in einer geschlossenen Stellung bei bestromter Magnetspule 66. Die zweite Feder 60 des zweiten Verstellmechanismus ist dabei in dem Förderraum 8 der Hydromaschine 1 aus Figur 1 angeordnet und spannt den Schließkörper 50 in Richtung des Führungsstößels 48 und somit in Schließrichtung des Saugventils 22 vor, wobei sich die zweite Feder 60 an einer im Förderraum 8 ausgebildeten Abstützeinrichtung 92 abstützt und über eine erste dem Führungsstößel 48 abweisenden Stirnfläche 94 den Schließkörper 50 vorspannt. Mit einer zweiten Stirnfläche 96 liegt der Schließkörper 50 in etwa an dem Führungsstößel 48 und dem Ventilsitz 42 an.
In der Darstellung in Figur 5 ist der Kolben 6 schematisch angedeutet und ein geöffnetes Ablaufventil 98 des Förderaums 8 dargestellt. Ein Schließkörper 100 des Ablaufventils 98 ist über eine sich beispielsweise an einem Hydromaschinengehäuse 104 abstützende Ventilfeder 102 in Schließrichtung vorgespannt.
Bei einer Schluckbewegung des Kolbens 6 in der Figur 5 schließt das Ablaufventil 98 mit dem Schließkörper 100 und die Bestromung der Magnetspule 66 des
Saugventils 22 wird unterbrochen. Die erste Feder 38 entspannt sich und bewegt den Führungsstößel 48, der wiederum den Schließkörper 50 über die Stirnkante 96 in Öffnungsrichtung verschiebt. Die zweite Feder 60 spannt dabei den Schließkörper 50 vor. Strömt Druckmittel durch einen Durchströmungsquerschnitt und übersteigen dabei die an den Schließkörper 50 angreifenden und in Öffnungsrichtung wirkenden Strömungskräfte die Federkraft der den Schließkörper 50 vorspannenden zweiten Feder 60, so öffnet dieser weiter um den Zusatzhub, wobei die zweite Feder 60 weiter gespannt wird.
Offenbart ist eine ventilgesteurte Hydromaschine und eine Ventilanordnung mit einem Schließkörper zum Verschließen einer Druckmitteldurchgangsöffnung, wobei der Schließkörper über einen ersten Verstellmechanismus verstellbar ist, so dass der Schließkörper einen Öffnungs- oder Schließhub durchführt. Über einen zweiten Verstellmechanismus wird der Schließkörper derart verstellt, dass dieser ein Zusatzhub ausführt, wobei ein Gesamthub des Schließkörpers größer oder kleiner als der alleine durch den ersten Verstellmechanismus bewirkte Hub ist.
Bezuqszeichenliste
1 Hydromaschine
2 Zylinder
4 Zylinderbohrung
6 Kolben
8 Arbeitsraum
10 Kolbenschuh
12 Abtriebswelle
14 Steuerkurve
16 Zulaufventil
18 Zulaufleitung
20 Pumpe
22 Ablaufventil
24 Ablaufleitung
26 Tank
28 Betätigungsmagneten
30 Betätigungsmagneten
34 Steuereinheit
36 Drehzahlaufnehmer
38 Feder
40 Ventilelement
42 Ventilsitz
43 Durchströmungsquerschnitt
44 Gehäuseinnenfläche
46 Ventilgehäuses
48 Führungsstößel
50 Schließkörper
52 Dichtfläche
54 Ventilhülse
56 Stirnfläche
58 Stirnfläche
60 Feder 62 Stützteller
64 Magnetanker
66 Magnetspule
68 Pol ring
70 Permanentmagnet
72 Stirnfläche
74 Feder
76 Stirnfläche
78 Innenfläche
80 Innenfläche
82 Mitnahmevorsprung
85 Schließkörperführungsstößel
86 Stützteller
88 Stirnfläche
90 Ringfläche
91 Innenfläche
92 Abstützeinrichtung
94 Stirnfläche
96 Stirnfläche
98 Ablaufventil
100 Schließkörper
102 Ventilfeder
104 Hydromaschinengehäuse h Zusatzhub