[0001] Die Erfindung betrifft eine hydraulische Steuervorrichtung der im Gattungsbegriff
des Patentanspruchs 1 angegebenen Art.
[0002] In der Praxis sind Regelventile bekannt, die besonders geeignet sind für Geschwindigkeits-
und Lageregelungen von Bewegungen in einer Richtung gegen Last. Dabei ist eine hydraulische
Steuervorrichtung vorgesehen, in deren Steuerkreis die Blende und das Dreiwege-Vorsteuerventil
sowie das externe Stellglied enthalten sind. Das Dreiwege-Vorsteuerventil erzeugt
in Abhängigkeit von der Stellkraft des Stellgliedes an seinem Steueranschluß einen
Druck, der das Blendenelement gegen die Kraft der Feder und den Druck in der Ablaufleitung
beaufschlagt, um eine bestimmte vorgewählte Blendenöffnungsgröße aufrechtzuerhalten.
Der zweite Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerventils ist mit dem Tank verbunden, um zum
Senken des Drucks am Steueranschluß Druckmittel ablassen zu können. Damit die Steuervorrichtung
auf sich ändernde Drücke in der Zulauf- und/oder in der Ablaufleitung reagieren kann,
ist eine Wegaufnahmevorrichtung zur Lageregelung des Blendenelementes erforderlich,
mit der die jeweilige Lage des Blendenelementes abgetastet und dem Stellglied mitgeteilt
wird, das rückwirkend die Stellkraft verändert, um über das Vorsteuerventil die vorher
gewählte Blendenöffnungsgröße hydraulisch zu halten. Die Wegaufnahmeeinrichtung ist
baulich aufwendig und teuer. Ferner ist das Dreiwege-Vorsteuerventil aufwendig und
teuer in der Herstellung, weil es im wesentlichen den vollen Arbeitsdruck gegenüber
dem Ablaufdruck zum Tank verarbeiten muß. Ferner ist ein aufwendiger elektrischer
Steuerkreis notwendig.
[0003] Aus der Zeitschrift Ölhydraulik + Pneumatik, 25 (1981) Nr. 8, Seiten 617 bis 624,
sind elektrisch geregelte Zweiwege-Einbauventile bekannt, die einem neuen Konzept
entsprechend entwickelt wurden. Auf Seite 618, oben, sind unterschiedliche Möglichkeiten
für die Wegrückführung gezeigt, unter anderem auch mit sogenannten Folge-Kolbensystemen.
Das letztgenannte Prinzip ist jedoch für eingangs genannte Steuervorrichtungen nur
bedingt brauchbar, da es für verschiedene Anwendungszwecke unzulässige Leckverluste
in der Nullstellung sowie ein Arbeitsverhalten bedingt, dessen Regelkennung erst bei
einem bestimmten Druck mit einem stufenförmigen Übergang beginnt.
[0004] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Steuervorrichtung der eingangs genannten
Art zu schaffen, mit der eine gewählte Blendenöffnungsgröße auf baulich einfache Weise
und mit einem einfachen und preiswerten Vorsteuerventil bei Druckänderungen in der
Zulauf- und/oder in der Ablaufleitung beibehalten wird.
[0005] Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des
Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.
[0006] Bei dieser Ausbildung überlagert sich der Druck in der Ablaufleitung im Vorsteuerventil
linear dem Druck am Steueranschluß des Vorsteuerventils, so daß die Druckdifferenz
zwischen dem Druck im Steueranschluß des Vorsteuerventils und dem Ablaufdruck stets
der Kraft des Stellgliedes proportional ist. Das Vorsteuerventil braucht nur die verhältnismäßig
kleine Druckdifferenz zwischen dem Druck in seinem Steueranschluß und dem Ablaufdruck
zu verkraften, was den Vorteil bringt, daß das Vorsteuerventil einfach und preiswert
ausgebildet sein kann und trotzdem eine außerordentlich wirksame Verstärkung für das
externe Verstellglied bildet. Daraus resuliert der besondere Vorteil der Steuervorrichtung,
weil nämlich ein Stellglied mit verhältnismäßig schwacher Stellkraft ausreicht, auch
hohe Drücke und große Fördermengen problemlos zu verarbeiten. Ist das Stellglied beispielsweise
ein Proportionalmagnet, so kann dieser schwach und damit klein und preiswert ausgelegt
sein. Die hohen Kräfte, die bei gegebenenfalls hohem Arbeitsdruck vorliegen, erzeugt
das Vorsteuerventil mit Hilfe des aus dem Druck in der Zulaufleitung aufgebauten Drucks
im Steueranschluß, der verhältnismäßig hoch sein kann, aber trotzdem durch den Druck
in der Ablaufleitung so weit kompensiert wird, daß das Stellglied trotz der hohen
verarbeiteten Drücke nur geringe Stellkräfte aufzubringen braucht und auch das Vorsteuerventil
nur die vorerwähnte relativ kleine Druckdifferenz zu verkraften hat. Einzige grundsätzliche
Voraussetzung für das ordnungsgemäße Arbeiten der hydraulischen Steuervorrichtung
ist, daß der in der Zulaufleitung herrschende Druck stets größer als der Druck in
der Ablaufleitung ist, damit der am Steueranschluß des Vorsteuerventils benötigte
Druck, der größer als der Druck in der Ablaufleitung sein muß, erzeugt werden kann,
und daß ferner der Druck in der Ablaufleitung das Blendenelement entgegen dem Druck
vom Steueranschluß des Vorsteuerventils belastet. Die mit der eingestellten Stellkraft
des Stellgliedes gewählte Blendenöffnungsgröße in der Blend wird somit ohne gesonderte
Wegaufnehmeeinrichtung bei Druckänderungen in der Zulauf- und/oder der Ablaufleitung
selbsttätig gehalten. Da das Vorsteuerventil nur die geringe Druckdifferenz zu verarbeiten
hat, kann es praktisch mit Null-Überdeckung arbeiten und die Druckschwankungen sehr
feinfühlig ausregeln und trotzdem beim Ein- und Ausschalten der Steuervorrichtung
rasch ansprechen. Die grundlegendsten Vorteile dieser Ausbildung sind die Möglichkeit,
auch bei hohen Drücken und großen Fördermengen ein verhältnismäßig schwaches Stellglied
zu benutzen, und die Möglichkeit, ohne eine teure Wegaufnehmeeinrichtung ein einfaches
und deshalb preiswertes Vorsteuerventil einzusetzen.
[0007] Eine zweckmäßige Ausführungsform geht weiterhin aus Anspruch 2 hervor. Ein handelsübliches
Druckminderventil läßt sich besonders nutzbringend und kostensparend einsetzen, es
braucht nur sein Tankanschluß mit der Ablaufleitung verbunden zu werden.
[0008] Zweckmäßig ist ferner die Ausführungsform von Anspruch 3, weil mit der Nullstellungsfeder
erreicht wird, daß das Vorsteuerventil beim Ausschalten der Vorrichtung selbsttätig
seine Nullstellung einnimmt und sein Ventilelement nicht in einer Zwischenstellung
hängenbleibt.
[0009] Ein weiterer, wichtiger Gedanke geht aus Anspruch 4 hervor. Da die Druckdifferenz
stets der Stellkraft des Proportionalmagneten proportional bleibt, wird neben dem
Vorteil, daß die mit einer bestimmten Stellkraft gewählte Blendenöffnungsgröße bei
Druckschwankungen selbsttätig gehalten wird, eine exakt proportionale Veränderung
der Blendenöffnungsgröße in Abhängigkeit von der Strombeaufschlagung des Proportionalmagneten
erreicht. Der Proportionalmagnet kann verhältnismäßig schwach ausgelegt sein, so daß
er kostengünstig ist und kompakte Abmessungen erreicht werden.
[0010] Eine weitere, vorteilhafte Ausführungsform geht aus Anspruch 5 hervor. In der Nullstellung
des Vorsteuerventils nimmt die Blende selbsttätig ihre Schließstellung ein, wie es
für bestimmte Anwendungsfälle erforderlich ist. Die das Blendenelement beaufschlagende
Feder bestimmt im übrigen die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steueranschluß
des Vorsteuerventils und dem Druck in der Ablaufleitung.
[0011] Bei einer anderen, für andere Anwendungszwecke geeigneten Ausführungsform sind die
Merkmale von Anspruch 6 wichtig, da dann die Blende in der Nullstellung des Vorsteuerventils
selbsttätig ihre volle Öffnungsstellung einnimmt.
[0012] Wichtig ist schließlich auch das Merkmal von Anspruch 7, weil die Steuervorrichtung
mit der Druckwaage eine lastkompensierte Stromregelventileinrichtung schafft, die
sich durch kompakte Außenabmessungen und nur wenige Einzelteile auszeichnet. Die Blende
mit der Steuervorrichtung bildet bei dieser Ausbildung die Regelblende der Druckwaage.
Die Druckwaage sorgt im übrigen für den stets höheren Druck in der Zulaufleitung.
[0013] Anhand der Zeichnung werden nachstehend Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes
erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Blende mit einer schematisch angedeuteten hydraulischen Steuervorrichtung,
Fig. 2 als Blockschaltbild eine lastkompensierte Stromregeleinrichtung, und
Fig. 3 + 4 zwei Ausführungsvarianten der Blende.
[0014] In Fig. 1 ist eine Blende 1 schematisch dargestellt, die in einem nicht näher gezeigten
Gehäuse untergebracht ist. Im Gehäuse ist ein Ringkanal 2 als Teil einer Blendenkammer
6 vorgesehen, aus der nach unten ein Ablaufkanal 3 herausgeführt ist. Zum Ringkanal
2 führt eine Zulaufleitung 4. Vom Ablaufkanal 3 Führt eine Ablaufleitung 5 weg. In
der Blendenkammer 6 ist ein Blendenelement 7 in Form eines Blendenkolbens verschiebbar
geführt, das radial verteilte Durchgänge 8 aufweist. Das Blendenelement 7 wird durch
eine Feder 9 in Fig. 1 nach oben beaufschlagt. Das Blendenelement 7 teilt die Blendenkammer
6 in eine obere Kammer 10 und eine untere Kammer 11. Die Durchgänge 8 definieren mit
ihren Rändern zusammen mit Begrenzungskanten 13 des Ringkanals 2 eine Blendenöffnung
14, deren Größe in Abhängigkeit von der Hubstellung des Blendenelementes 7 veränderbar
ist. In die Kammer 10 mündet ein Kanal 15. An die Zulaufleitung 4 ist eine Steuerleitung
16 angeschlossen, die in eine strichliert angedeutete hydraulische Steuervorrichtung
17 führt, die über eine Leitung 18 mit dem Kanal 15 und über eine Leitung 19 mit der
Ablaufleitung 5 verbunden ist. Anstelle der von der Zulaufleitung 4 abzweigenden Steuerleitung
16 könnte auch eine getrennte und extern versorgte Steuerleitung vorgesehen sein.
[0015] Wird das Blendenelement 7 in Fig. 1 nach unten bewegt, so wird die Größe der Blendenöffnung
14 verkleinert. In der unteren Endstellung des Blendenelementes 7 ist die Blendenöffnung
14 verschlossen. In der oberen Endstellung des Blendenelementes 7 ist hingegen die
Blendenöffnung mit voller Größe geöffnet.
[0016] Aus Fig. 2 ist erkennbar, daß die hydraulische Steuervorrichtung 17 ein Dreiwege-Vorsteuerventil
20 enthält, das ein übliches Druckminderventil einfacher Bauart sein kann. Ein mit
23 bezeichnetes Ventilelement des Dreiwege-Vorsteuerventils 20 wird durch eine schwache
Nullstellungsfeder 21 und durch mittels einer Vorsteuerleitung 22 von der Leitung
18 abgeleiteten Druck in Richtung nach oben beaufschlagt. Dieser Beaufschlagung wirkt
der über eine Stuerleitung 25 von der Leitung 19 abgeleitete Druck am oberen Ende
des Ventilelementes 23 entgegen. Ferner greift am Ventilelement 23 ein Stellglied
24 an, das zur Verstellung seiner beispielweise nach unten gerichteten Stellkraft
extern betätigbar ist. Zweckmäßigerweise ist das Stellglied 24 ein Proportionalmagnet,
dessen Magnetkraft sich proportional zur Strombeaufschlagung verändert.
[0017] Ferner ist in Fig. 2 angedeutet, daß die Zulaufleitung 4 und die Ablaufleitung 5
durch eine Druckwaage 26 geführt sind, die dafür sorgt, daß der Druck in der Zulaufleitung
4 stets höher ist, als in der Ablaufleitung 5. Auf diese Weise wird insgesamt eine
lastkompensierte Stromregelventileinrichtung geschaffen.
[0018] Die hydraulische Steuervorrichtung arbeitet wie folgt:
[0019] Vor Betriebsaufnahme hat die Feder 9 das Blendenelement 7 in die obere Endstellung
verschoben; die Blendenöffnung 14 hat ihr volle Größe. Das Stellglied 24 bringt keine
Stellkraft auf. Die Nullstellungsfeder 21 hat das Ventilelement 23 in seine obere
Endstellung verschoben (entsprechend der symbolischen Darstellung in Fig. 2); die
Verbindung von der Leitung 18 zur Leitung 19 ist offen.
[0020] Wird nun Druck eingespeist, so wird auch mit dem Stellglied 24 eine vorbestimmte
Stellkraft eingestellt, die einer bestimmten Größe der Blendenöffnung 14 entspricht.
Das Ventilelement 23 des Vorsteuerventils 20 hat sich nach unten bewegt, so daß aus
der Leitung 16 mit ihrem Druck P
A im Steueranschluß des Vorsteuerventils 20 ein Druck P
X aufgebaut wird, der über die Leitung 18 das Blendenelement 7 oben belastet und nach
unten verschiebt, so daß die Blendenöffnung 14 allmählich geschlossen wird. Der sich
bis dahin in der Ablaufleitung 5 aufbauende Druck B erzeugt in der Leitung 19 den
Druck P
B, der über die Steuerleitung 25 zusammen mit der Stellkraft des Stellgliedes 24 das
Ventilelement 23 nach unten belastet, so daß sich zwischen dem Druck P
X und dem Druck P
B eine Druckdifferenz einstellt, die exakt der Stellkraft des Stellgliedes 24 proportional
ist. Unter der Kraft der Feder 9 und mit dem Druck B in der Leitung L wird das Blendenelement
7 in einer vorbestimmten Hubstellung gehalten, in der die vorbestimmte Blendenöffnungsgröße
eingestellt ist. Es ergibt sich ein Gleichgewichtszustand.
[0021] Steigt bei einer Anwendung der Blende 1 in Verbindung mit einer Druckwaage 26 (wie
in Fig. 1 angedeutet) der Druck A in der Zulaufleitung 4, so steigt auch der Druck
P
B in der Leitung 19 und der Steuerleitung 25, die das Ventilelement 23 geringfügig
nach unten verlagert, so daß auch der Druck P
X in der Leitung 18 und in der Steuerleitung 22 steigt, der wegen des ebenfalls steigenden
Druckes P
B der Tendenz des Blendenelementes 7, sich nach oben zu bewegen, entgegenwirkt und
das Blendenelement in der Hubstellung festhält, die der vorgewählten Größe der Blendenöffnung
14 entspricht.
[0022] Sinkt oder steigt hingegen bei einer Anwendung der Blende 1 ohne eine Druckwaage
der Druck A, so ändert sich die Stellung des Blendenelementes 7 nicht, da der Druck
A sowohl beim Blendenelement 7 als auch im Vorsteuerventil 20 radial eingespeist wird,
darart, daß er keine Kraft in axialer Richtung erzeugen kann.
[0023] Steigt hingegen der Druck B in der Ablaufleitung 5, was über die Steuerleitung 11
ein Anheben des Blendenelementes 7 bewirken möchte, so wird auch das Ventilelement
23 über die Steuerleitung 25 geringfügig nach unten bewegt, damit aus dem Druck P
A der Druck P
X in der Leitung 18 entsprechend erhöht wird, bis wieder die eingestellte Größe der
Blendenöffnung 14 gehalten ist.
[0024] Sinkt der Druck B in der Ablaufleitung 5, möchte der Druck P
X in der Leitung 18 das Blendenelement 7 nach unten bewegen. Da gleichzeitig der Druck
P
B in der Leitung 19 und in der Steuerleitung 25 sinkt, ist das Ventilelement 23 unter
dem noch hohen Druck in der Steuerleitung 22 geringfügig nach oben verlagert, so daß
der Druck P
X in der Leitung 18 über die Leitung 19 entsprechend abgesenkt wird, damit die Größe
der Blendenöffnung 14 gehalten wird.
[0025] Auf diese Weise wird die durch das Stellglied 24 vorgegebene Größe der Blendenöffnung
14 bei Druckschwankungen selbsttätig eingehalten.
[0026] Ob die Menge des über die Blendenöffnung 14 strömenden Druckmittels konstant gehalten
wird, oder das Druckgefälle, ist für die Steuervorrichtung 17 ohne Bedeutung. Dies
spielt auch für viele Anwendungsfälle keine Rolle, sondern entscheidend ist das Aufrechterhalten
einer bestimmten Größe der Blendenöffnung 14. Soll auch die Menge konstant gehalten
werden, so kann dazu die Druckwaage 26 in üblicher Weise benutzt werden.
[0027] Fig. 3 und 4 zeigt zwei Möglichkeiten zur Ausbildung der Blende. Fig. 3 zeigt die
in Fig. 1 gezeigte Blende in symbolhafter Darstellung, wobei die Feder 9 dafür sorgt,
daß in Nullstellung die Blende 1 ihre volle Öffnungsstellung einnimmt.
[0028] Bei der Ausführungsform der Blende 1ʹ gemäß Fig. 4 ist hingegen vorgesehen, daß die
Blende in Nullstellung ihre volle Schließstellung einnimmt,in der die Verbindung von
der Zulaufleitung zur Ablaufleitung unterbrochen ist. Grundvoraussetzung für das einwandfreie
Funktionieren der Steuervorrichtung ist es, daß der Druck P
A und somit der Druck in der Zulaufleitung 4 größer oder gleich ist der Summe aus dem
Druck P
B entsprechend dem Druck B in der Ablaufleitung 5 zuzüglich der maximalen Druckdifferenz,
die das Dreiwege-Vorsteuerventil 20 zu verarbeiten vermag. Der in der Leitung 18 herrschende
Druck P
X ergibt sich aus der Summe des Druckes P
B in der Leitung 19 (entsprechend dem Druck B in der Ablaufleitung 5) und der jeweiligen
Druckdifferenz des Dreiwege-Vorsteuerventils 20, d.h., der Druckdifferenz zwischen
dem Druck P
X und dem Druck P
B.
[0029] Wichtig ist auch, daß das Dreiwege-Vorsteuerventil in der Nullstellung praktisch
ohne Leckverluste arbeitet, so daß es z.B. bei Gabel- oder Hubstaplern problemlos
eingesetzt werden kann.
1. Hydraulische Steuervorrichtung mit einer Blende (1) mit einer hydraulisch verstellbaren
Blendenöffnung (14) zwischen einer Zulauf- und einer Ablaufleitung (4,5), mit einem
Dreiwege-Vorsteuerventil (20), dessen Ventilelement (23) mit einem externen Stellglied
(24) in Verbindung steht, und das mit seinem Eingang an eine Zulaufsteuerdruckleitung
(16) und mit seinem Steueranschluß an eine Kammer (10) der Blende (1) angeschlossen
ist, in der ein Blendenelement (7) entgegen dem Druck in der Ablaufleitung (5) und
der Kraft einer Feder (9) beaufschlagbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) mit der Ablaufleitung (5)
verbunden ist, daß das Ventilelement (23) des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) entgegen
der Stellkraft des externen Stellgliedes (24) vom Druck im Steueranschluß und in der
entgegengesetzten Richtung vom Druck im zweiten Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerventils
(20) beaufschlagt wird, und daß der Druck in der Zulaufleitung (4) um mindestens den
maximalen Wert der möglichen Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steueranschluß und
dem Druck im zweiten Ausgang größer ist als der Druck in der Ablaufleitung (5).
2. Hydraulische Steuervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dreiwege-Vorsteuerventil (20) ein Druckminderventil ist, dessen Tankausgang
mit der Ablaufleitung (5) verbunden ist.
3. Hydraulische Steuervorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß am Ventilelement (23) des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) parallel zum Druck im
Steueranschluß eine schwache Nullstellungsfeder (21) wirksam ist.
4. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das externe Stellglied (24) ein Proportionalmagnet mit zur Strombeaufschlagung
proportionaler Stellkraft ist, und daß die Druckdifferenz zwischen dem Druck im Steueranschluß
und dem Druck im zweiten Ausgang des Dreiwege-Vorsteuerventils (20) der jeweiligen
Stellkraft des Proportionalmagneten proportional ist.
5. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenelement (7) unter der Kraft der Feder (9) in eine Schließstellung
der Blendenöffnung (14) bewegbar ist.
6. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Blendenelement (7) unter der Kraft der Feder (9) in eine volle Öffnungsstellung
der Blendenöffnung (14) bewegbar ist.
7. Hydraulische Steuervorrichtung nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Blende (1) die Regelblende einer Druckwaage (26) ist.