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Kolbengesteuertes Druckminderventil Die Erfindung bezieht sich auf
ein kolbengesteuertes Druckminderventil mit einem Steuerkolben, dessen eine Fläche
vom reduzierten Druck und dessen andere Fläche von einem von einem Medium ausgeübten
Steuerdruck beaufschlagbar ist. Zweck dieser Druckminderventile ist es, den reduzierten
Druck in einem steuerbaren Verhältnis zum Steuerdruck zu verändern. Dabei erfolgt
die Steuerung entweder willkürlich, z. B. von Hand, oder auch selbsttätig in Abhängigkeit
von einer beliebigen und im betreffenden Einzelfall zweckmäßigen Steuergröße.
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DiebekanntenDruckminderventiledervorgenannten Art weisen an Stelle
eines Steuerkolbens zwei Kolben auf, die über einen Hebel miteinander in Verbindung
stehen, dessen wirksame Hebelarmlänge steuerbar veränderlich ist. Diese bekannten
Anordnungen haben wegen der Veränderlichkeit des Hebelarms eine große und sperrige
Bauweise, die die Unterbringung solcher Druckminderventile bei beengten Raumverhältnissen
sehr erschwert. Außerdem erfordert bei den bekannten Anordnungen die Verstellung
des Druckminderventils im beaufschlagten Zustand nennenswerte Kräfte. Dadurch ist
in vielen Fällen eine Automatisierung der Steuerung ausgeschlossen oder bedingt
hierfür aufwendige und störanfällige Zusatzeinrichtungen. Es ist zwar bei derartigen
Druckminderventilen bekannt, die erforderliche Betätigungskraft dadurch zu vermindern,
daß die beiden Kolben gegenläufig an derselben Hebelseite angeordnet werden. Dies
muß aber entweder mit einem sehr kleinen Regelbereich oder mit sehr großen Verstellwegen
des Hebeldrehpunkts erkauft werden, was bezüglich der Sperrigkeit der Bauweise und
für eine automatische Betätigung in gleicher Weise ungünstig ist.
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Andererseits sind Druckminderventile oder Druckübersetzer bekannt,
die mit einem Steuerkolben ausgerüstet sind, der zwei gegeneinanderwirkende mit
Druckmittel beaufschlagte Flächen aufweist. Die bekannten Einrichtungen dieser Art
weisen aber ein unveränderliches Verhältnis zwischen eingeleitetem Steuerdruck und
dem abgegebenen reduzierten Druck auf; dieses Druckverhältnis ist daher nicht steuerbar.
Es ist bei den Druckminderventilen dieser Art ferner bekannt, eine gewisse Steuerbarkeit
des Druckverhältnisses dadurch zu erreichen, daß der Steuerkolben außer durch den
reduzierten Druck zusätzlich durch einen einstellbaren Steuerdruck beaufschlagt
wird. Bei dieser Lösung verändert sich jedoch das Verhältnis zwischen eingeleitetem
Steuerdruck und reduziertem Druck bei unverändertem Zusatzdruck abhängig von der
Höhe des eingeleiteten Steuerdrucks.
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Mit der Erfindung wird nun ein Druckmind'erventil geschaffen, das
auf der bekannten Bauart aufbaut, bei der die eine Fläche eines Steuerkolbens vom
reduzierten Druck, dessen andere Fläche durch einen von einem Medium ausgeübten
Steuerdruck beaufschlagbar ist. Dabei liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde,
bei einem solchen Druckminderventil das Verhältnis zwischen eingeleitetem Steuerdruck
und abgegebenem reduziertem Druck derart steuerbar veränderlich zu gestalten, daß
bei jeder der möglichen Einstellungen das der jeweiligen Einstellung entsprechende
Druckverhältnis unabhängig von der Höhe des eingeleiteten Steuerdrucks gleichbleibt.
Ein zeitlich veränderlicher Steuerdruck erzeugt daher einen in gleicher Weise, nur
in einem anderen Maßstab zeitlich veränderlichen reduzierten Druck, wobei der Maßstab
seinerseits steuerbar veränderlich ist. Von den bekannten Anordnungen sind nur die
beschriebenen Druckminderventile mit zwei Kolben und veränderlichem Hebelarm in
der Lage, eine solche Wirkungsweise herbeizuführen, wobei jedoch die genannten aufwendigen
Bauweisen die Verwendung derartiger Druckminderventile in vielen Fällen ausschließen.
Dagegen wird die erstrebte Regelbarkeit durch die Erfindung völlig erreicht.
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Die Erfindungsaufgabe wird dadurch gelöst, daß die eine beaufschlagbare
Fläche des Steuerkolbens in mehrere Einzelflächen unterteilt ist, die unabhängig
voneinander und einzeln für sich beaufschlagbar sind.
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Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung besteht darin, daß die
Flächenschwerpunkte jeder Einzelfläche auf der Längsmittelachse des Steuerkolbens
liegen. Hierdurch wird die Kolbenreibung auf ein Minimum beschränkt und eine feinfühlige
Stufbarkeit erzielt. Hierzu sieht die Erfindung zwei besonders
geeignete
Lösungen vor. Die erste Lösung zeichnet sich aus durch mindestens eine getrennt
von einer mittig zur Längsmittelachse des Steuerkolbens liegenden Kreisfläche konzentrisch
angeordnete Kreisringfläche. Bei der zweiten Lösung ist vorgesehen, daß Einzelflächen
aus mehreren gleichzeitig beaufschlagbaren Flächen, vorzugsweise aus Paaren von
Flächen, bestehen, deren gemeinsamer Flächenschwerpunkt auf der Längsmittelachse
des Steuerkolbens liegt. Dabei hat die erste Lösung den Vorteil eines besonders
geringen Raumbedarfs. Die zweite Lösung weist dagegen fertigungstechnische Vorteile
auf.
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Ferner wird mit der Erfindung die Möglichkeit vorgesehen, daß der
Steuerkolben derart mehrteilig ausgeführt ist, daß die Einzelflächen als frei fliegende
Kolben ausgebildet sind, denen eine gemeinsame Stützfläche zugeordnet ist. Hierdurch
wird erreicht, daß die Dichtmanschettenreibung der nicht beaufschlagten, entlüfteten
Einzelflächen die Arbeitsweise der mit Druck beaufschlagten Einzelflächen nicht
stört, was für eine feinfühlige, abstufbare Funktion des Druckminderventils ebenfalls
erhebliche Vorteile bietet.
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Die Erfindung gibt die Möglichkeit, die Stufenfolge der steuerbar
veränderlichen Fläche nach bestimmten Gesetzen vorzunehmen. Der Fall, daß die aus
mehreren Einzelflächen gebildete Fläche des Steuerkolbens in Stufen einer arithmetischen
Reihe schaltbar ist, hat den wesentlichen Vorteil, daß damit eine besonders einfache,
lineare Betätigung des Steuerorgans möglich wird, die die Flächenschaltung bewirkt.
Der andere Fall, daß die aus mehreren Einzelflächen gebildete Fläche des Steuerkolbens
in Stufen einer geometrischen Reihe schaltbar ist, hat deshalb besondere Bedeutung,
weil das Druckverhältnis zwischen oberer und unterer Schaltgrenze jeder Stufe für
alle Stufen gleich ist, was bei einer gegebenen Stufenzahl und gegebenen größtzulässigen
Druckunterschieden zum größtmöglichen Regelbereich des Druckminderventils führt.
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Die Erfindung sieht weiterhin vor, daß jeder Einzelfläche ein Ventil
zugeordnet ist, wobei alle Ventile in vorbestimmter Folge durch ein gemeinsames
Steuerteil schaltbar sind. Durch diesen Gedanken wird die Bedienung des Druckminderventils
wesentlich erleichtert und die Voraussetzung für den Anschluß an eine selbsttätige
Steuerung geschaffen.
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Der weitere Erfindungsgedanke, daß zwei benachbarte Stufen der aus
mehreren Einzelflächen gebildeten Fläche des Steuerkolbens durch nur ein Ventil
schaltbar sind, ergibt die vorteilhafte Wirkung, daß bei Flächenänderung während
der Beaufschlagung kleinstmögliche Druckmittelverluste durch Entlüftung entstehen
und daß auch unter Last ein stetiger übergang von Stufe zu Stufe möglich ist.
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In Weiterbildung des Haupterfindungsgedankens wird zur Erzielung besonders
großer Regelbereiche oder zur Erzielung einer großen Feinstufigkeit oder Vielstufigkeit
eine Anordnung von nach der Erfindung ausgebildeten, hintereinandergeschalteten
Druckminderventilen vorgesehen, die dadurch gebildet wird, daß mindestens zwei je
für sich an die Druckmittelvorratsleitung angeschlossene Druckminderventile derart
zusammengeschaltet sind, daß der Anschluß für den vom vorgeschalteten Druckminderventil
abgegebenen reduzierten Druck mit dem Anschluß für den Steuerdruck des nachgeschalteten
Druckminderventils durch eine Leitung verbunden ist. Eine bevorzugte Ausführungsform
hierzu zeichnet sich aus durch ein allen zu einer Anordnung zusammengefaßten Druckminderventilen
gemeinsames Steuerteil. Dies hat den Vorteil, daß auch eine Anordnung von Druckminderventilen
genauso einfach bedient werden kann wie ein einzelnes Druckminderventil.
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FürDruckminderventile, deren veränderliche Fläche nach einer geometrischen
Reihe verändert werden kann, ist dabei der zusätzliche Gedanke wesentlich, daß der
Stufungsfaktor eines Druckminderventils eine Potenz des Stufungsfaktors des nachgeordneten
Druckminderventils darstellt, deren Exponent gleich der Stufenzahl des nachgeordneten
Druckminderventils ist. Dadurch wird die vorteilhafte Wirkung erzielt, daß die Anordnung
von Druckminderventilen Stufen in ununterbrochener geometrischer Reihe bildet.
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Die Erfindung ist in den Fig. 1 bis 4 schematisch und nicht maßstäblich
durch Ausführungsbeispiele erläutert.
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Fig. 1 stellt ein nach der Erfindung ausgebildetes Druckminderventil
im Schnitt dar; Fig. 2 a bis 2 d zeigen verschiedene Ausführungsmöglichkeiten zum
Schnitt I-I der Fig. 1; Fig. 3 zeigt einen mehrteilig ausgeführten Steuerkolben;
Fig. 4 stellt eine Anordnung von zwei hintereinandergeschalteten Druckminderventilen
dar.
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In der Fig. 1 nimmt das Gehäuse 1 den Ventilteller 2, den Steuerkolben
3, die Ventile 4 und das Steuerteil 5 auf. Das Gehäuse 1 ist nur zur Vereinfachung
der Darstellung einteilig gezeichnet, in Wirklichkeit wird es zwei- oder mehrteilig
ausgeführt. Am Gehäuse 1 befinden sich der Anschluß V für die Leitung zum Druckmittelvorratsbehälter
oder zum DruckmitteIerzeuger, der Anschluß A für die Leitung des reduzierten Drucks
zum Arbeitsorgan, z. B. einem Arbeits- oder Bremszylinder, der Anschluß K für die
den Steuerdruck führende Leitung, wobei der Steuerdruck durch ein nicht gezeichnetes
Steuerventil geregelt werden kann, und der Anschluß E zum Entlüften. Der Steuerkolben
3 weist die Flächen 6 und 7 auf, die sich bei Druckbeaufschlagung gegeneinander
zusammen mit der Feder 8 auswiegen. Die Fläche 7 besteht aus Einzelflächen 7a,
7 b und 7c. Je nach Stellung des Steuerteils 5, das z. B. über Nocken 9 und
Führungsstücke 10 die Ventile 4 steuert, wird entweder eine Einzelfläche oder mehrere
Einzelflächen oder alle Einzelflächen mit dem Steuerdruck beaufschlagt oder entlüftet.
Gezeichnet ist die außerdem mögliche Aus-Stellung, bei der trotz ankommendem Steuerdruck
der Anschluß A über den offenen Ventilsitz 11 entlüftet bleibt. Der Druckverlauf
am Anschluß A ist dem Druckverlauf am Anschluß K verhältnisgleich, nur ist das Verhältnis
dieser Drücke so, wie es sich aus dem jeweils eingestellten Verhältnis der Flächen
6 und 7 ergibt, wobei für die Fläche 7 natürlich nur die vom Steuerdruck beaufschlagte
Fläche zählt. Das Steuerteil 5 wird im Beispiel der Fig. 1 durch eine Handhabe 12
verstellt; es kann aber auch durch eine geeignete Steuergröße selbsttätig verstellbar
ausgebildet sein.
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Die Anzahl der Einzelflächen, aus denen die Fläche 7 besteht, ihre
Anordnung und ihre Größenverhältnisse absolut und untereinander sowie zur Fläche
6 können völlig beliebig gewählt werden, wie es der jeweilige spezielle Zweck erfordert.
Fig. 2 a bis 2 d zeigen einige Beispiele verschiedener Anordnungen
von
Einzelflächen. In der Fig. 2 a sind zwei konzentrische Flächen 7 a, 7 b vorgesehen.
In der Fig. 2 b bestehen die Flächen 7 b und 7 c aus Flächenpaaren, um auch bei,
nicht konzentrischer Anordnung der Einzelflächen zu erreichen, daß die Flächenschwerpunkte
jeder Einzelfläche auf der Längsmittelachse L des Steuerkolbens 3 liegen; dies kann
gemäß Fig. 2 c auch erreicht werden mit Paaren ungleicher Flächen. Die Flächen
7 a : 7 b in Fig. 2 a verhalten sich wie 1:1,62. Dadurch sind die Flächen
zu drei geometrischen Stufen schaltbar. In der Fig. 2b verhalten sich die Flächen
7 a : 7 b : 7 c wie 1: 2 : 4 und sind dadurch in sieben Stufen einer arithmetischen
Reihe schaltbar, wobei die Aus-Stellung nicht mitgerechnet ist. Bei der Anordnung
nach Fig. 2 d sind fünf z. B. arithmetische Stufen vorgesehen. Dabei ist vom übergang
von Stufe zu Stufe jeweils nur ein einziges Ventil 4 zu schalten, obwohl für jede
Stufe ein Ventil 4 vorhanden sein muß. Um möglichst kleine Exzentrizitäten der Kolbenkraft
zu bekommen, ist die Schaltreihenfolge: 7c-7b-7d-7e-7a, wobei 7 b und
7 d sowie 7 a und 7 e untereinander vertauscht sein können.
Der gleiche Effekt wird bei der Anordnung nach Fig. 2 b erzielt, wenn nicht in sieben
arithmetischen, sondern nur in drei Stufen: 7 a, 7 a + 7 b,
7 a -f-
7 b + 7 c, geschaltet wird.
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In der Fig. 3 besteht der Steuerkolben 3 aus einem Unterteil 13 und
den die Einzelflächen 7 a, 7 b, 7 c
tragenden Oberteilen 14 a, 14 b, 14 c,
die sich auf der Stützfläche 15 des Unterteils 13 abstützen. Die Oberteile 14 a,
14 b, 14 c sind als fliegende Kolben ausgeführt.
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In der Fig. 4 werden beide Druckminderventile I, 1I durch ein gemeinsames
Steuerteil 5 betätigt. Am linken, vorgeschalteten DruckminderventilI wird der Steuerdruck
bei K eingeleitet, am rechten, nachgeschalteten Druckminderventil II der reduzierte
Arbeitsdruck bei A abgenommen. Durch eine Verbindungsleitung 16 sind die Druckminderventile
I und II zwischen A' und K' untereinander verbunden. Hierdurch wird der vom Druckminderventil
I abgegebene reduzierte Druck zum Steuerdruck für das Druckminderventil 1I. Beide
Druckminderventile sind an dieselbe Druckmittelvorratsleitung 17 angeschlossen,
die den zu reduzierenden Druck führt. Es können auch mehr als zwei Druckminderventile
in dieser Art zusammengeschaltet sein. Auch für mehr als zwei Druckminderventile
kann ein gemeinsames Steuerteil 5 verwendet werden.
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Durch die Hintereinanderschaltung zweier oder gar mehrerer Druckminderventile
entsprechend Fig. 4 kann bei geometrischer Stufung dieser Druckminderventile ein
sehr großer Regelbereich der Gesamtanordnung erzielt werden, der fortlaufend geschaltet
werden kann. Hat z. B. der Stufungsfaktor des Druckminderventils 1I die Größe kIi
= 2, ergibt sich bei einer Stufenzahl hII = 3 das Stufungsverhältnis 1: 2 : 4. Nach
der Erfindung kann dann der Stufungsfaktor des.Druckminderventils I vorzugsweise
folgende Größe annehmen: k - knII
I 1I Dies ergibt im vorliegenden Beispiel
k, = 23 = B. Hat das Druckminderventil I ebenfalls drei Stufen, sind dessen Stufungsverhältnisse
1:8:64. In jeder Stufe des Druckminderventils I kann der Regelbereich mit allen
Stufen des Druckminderventils II einmal durchlaufen werden. Die Gesamtanordnung
erlaubt daher für das vorliegende Beispiel folgende Stufen und Stufungsverhältnisse:
| 1:2:4:8:16:32:64:128:256 |
| I=1 I=8 I=64 |
Für die praktische Anwendung der Hintereinanderschaltung kommen im wesentlichen
Stufungsfaktoren des nachgeordneten Druckminderventils II in Betracht, die kleiner
sind als 2.
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Bei nach der Erfindung gestalteten Druckminderventilen oder Anordnungen
solcher Ventile ist es ohne weiteres möglich, daß der Steuerdruck bei K niedriger
ist als der abgegebene reduzierte Druck bei A. Dies ist mit entsprechenden Flächenverhältnissen
am Steuerkolben 3 durch entsprechende Bemessung der Flächen 6 und 7 ohne weiteres
möglich, sofern ein entsprechend hoher zu reduzierender Druck in der Druckmittelvorratsleitung
17 mit dem Anschluß bzw. mit den Anschlüssen V zur Verfügung steht.