DE2043337A1

DE2043337A1 - Hydraulisches Servoventil

Info

Publication number: DE2043337A1
Application number: DE19702043337
Authority: DE
Inventors: Namio Yokohama City Ine (Japan)
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1969-09-05
Filing date: 1970-09-01
Publication date: 1971-03-11
Also published as: FR2060992A5; DE2043337B2; GB1306866A; US3696839A

Description

DieErfindung Jbezieht sich„auf ein hydraulisches Servoventil für die Steuerung der Fließrichtung eines unter Druck stehenden Strömungsmittels.

Unter den bekannten hydraulischen Servoventilen befindet sich ein Vorsteuernadelventil, das ein Vorsteuorventil oder Pilotventil verwendet, um elektrische Signale in mechanische Signale umzuwandeln und dadurch ein Hauptventil zu bewegen» das eine große Kapazität für Betätigungseinrichtungen, zum Beispiel eine Solenoidvorrichtung und ein Schaltmotor benötigt. Dae Pilotventil hat komplizierten Aufbau und erhöht

dadurch die Herstellungskosten des Servoventils. Die Verwendung des Pilotventils führt darüber hinaus zu verzögertem Ansprechen des Hauptventils auf die zugeführten Betriebs- oder Einsatzsignale.

Ferner ist es üblich, ein kombiniertes Drossel- und Düsenventil der Klappenbauart zu benutzen, bei dem eine Extra" menge an Betriebsströmungsmittel notwendig ist, um Verluste zu kompensieren, die sich aus dem Ablassen eines Signaldrucks ergeben, wenn die Düse geöffnet ist, so daß die Gefahr besteht, daß die hydraulische Pumpe überlastet wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein hydraulisches Servoventil für die Steuerung der Fließrichtung eines unter Druck stehenden.Strömungsmittels zu schaffen, das die vorgenannten Nachteile vermeidet.

Diese Aufgabe ist gelöst durch eine Ventileinheit, die in einen hydraulischen Strömungsmittelkreis eingeschaltet ist, sowie durch ein Betätigungsglied} das an eine Energiequelle angeschlossen ist, um den Einsatz der Ventileinheit zu steuern, die einen Ventilschieber besitzt, der in Abhängigkeit von einem durch den Strömungsmittelkreis angelegten Strömungsmitteldruck bewegt wird, wobei in dem Strömungsmittelkreis eine zur Außenseite der Ventileinheit offene Düse für das Abführen eines Strömungsmittelüberschusses aus dem StrömungsmittelXreis vorgesehen ist, die durch Be tätigen dos Betätigung ι j i@ds «aachlos- .

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BAD ORIGINAL

sen wird, sowie ferner eine Drossel, die in dem Strömungsmittelkreis angeordnet ist, um einen Strömungsmitteldruck an den Ventilschieber anzulegen, damit sich dieser gegen die Kraft
einer Feder bewegt und die Fließrichtung des Strömungsmittels ändert, wobei der Wirkungsquerschnitt der Drossel kleiner als der der-Düse ist, sowie gekennzeichnet durch einen variablen
Druckregulierabschnitt, der .zwischen der Drossel und der Düse in dem Strömungsmittelkreis liegt, um den an den Ventilschieber angelegten Strömungsmitteldruck zu regulieren und damit
den Verbindungsgrad zwischen der Drossel und der Düse zu
steuern, wenn die Düse offengehalten wird.

Die den Vorrichtungen nach dem Stand der Technik anhaftenden Nachteile und die mit dem erfindungsgemäßen hydraulischen Servoventil verbundenen Vorteile ergeben sich deutlicher aus der nachfolgenden Beschreibung anhand von schematischen Zeichnungen.

Fig. 1 und 2 zeigen schematisch Beispiele für bekannte hydraulische Servoventile;

Fig. 3 zeigt ein erfindungsgemäßes hydraulisches
Servoventil;

Fig. 4 ist eine der Fig. 3 entsprechende Darstellung und zeigt eine abgewandelte Ausführun.gs· form eines erfindungsgemäßen hydraulischen Servoventil; 109811/1501

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Fig. 5 ist eine graphische Darstellung, die die

Vcrlurjtmonge an lictricbsütrürriurigornittcl in Abhängigkeit vom angelegten Hydraulikdruck wiedergibt.

Ein hydraulisches Servoventil bekannten Aufbaus, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist, besteht im wesentlichen aus einem Betätigungsglied 10, das als Steuerventil zur Steuerung des Betriebs oder Einsatzes des hydraulischen Servoventils dient, einem Pilotventil 11, das durch das Pilotventil 10 betätigt wird und einem Hauptventil 12, das in einen Kydraulikkreis eingeschaltet und durch das Pilotventil 11 gesteuert ist. Das Hauptventil 12 befindet sich in der Darstellung in seiner Neutralstellung.

Das Betätigungsglied 10, das eine Solenoidvorrichtung oder ein Schaltmotor bekannten Aufbaus sein kann, hat einen Stößel 13> der in Abhängigkeit von einem Betriebssignal oder Einsatzsignal für das Betätigen des Pilotventils 11 bewegt wird.

Das Pilotventil 11 besitzt einen Ventilschieber lh mit im Abstand stehenden Schultern 15 und 16. Zwischen der Schulter 16 und einem ortsfesten Teil l8a eines Gehäuseabschnitts 18 befindet sich eine Feder 17, durch die der Ventilschieber 14 normalerweise von dem stationären Teil l8a weggedrückt wird. Der Gehäuseabschnitt 18 ist mit einem zylindrischen Hohlraum

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19 versehen, in dem der Ventilschieber 14 verschiebbar sitzt. Der zylindrische Hohlraum 19 hat mehrere öffnungen 20, 21, 22 und 23. Die Öffnungen 20 und 21 sind Abflußöffnungen. Die Öffnung 22 ist an eine Quelle für Strömungsmitteldruck (nicht ge-, zeigt) angeschlossen. Die Öffnung 23 ist an eine Leitung 2k angeschlossen, die wiederum mit einer Öffnung 25 verbunden ist. Die Verbindung zwischen den Öffnungen 22 und 23 wird durch Betätigen des Pilotventils 11 hergestellt, wodurch ein unter Druck stehendes Strömungsmittel in die Leitung 2H gelangen kann, aus der es zur Steuerung des Hauptventils 12 an dieses angelegt wird.

Das Hauptventil 12 besitzt einen Ventilschieber 26 mit mehreren im Abstand stehenden Schultern 27, 28, 29, 30 und 31. Zwischen der Schulter 31 und einem ortsfesten Teil 33a eines Hauptventilkörpers 33 befindet sich eine Feder 32, so daß der Hauptventilschieber 26 normalerweise von dem stationären Teil 33a weggedrückt wird. Der Hauptventilkörper 33 ist mit einem zylindrischen Hohlraum ^k versehen, in dem der Ventilschieber 26 verschiebbar sitzt.

Der zylindrische Hohlraum 3^ besitzt mehrere Öffnungen 35» 3"> 37, 38, 39, kO, Hl und H2. Die Öffnungen 35, 36 und 37 sind an eine Quelle für Strömungsmitteldruck angeachloßaon' (nicht, geneigt). Die öffnungen yj, Hü und 'H iiind an oino geeignete Vorrichtung, zum Beispiel eine Servoeinrichtung einer

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selbstschaltenden Übertragungsanlage angeschlossen.■ Die öffnungen 38 und 42 sind Abflußöffnungen.

Wird beim Einsatz das Betätigungsglied 10 energiert, stößt der Stößel 13 gegen die Kraft der Feder 17 vor, so daß der Ventilschieber 14 in Richtung auf den stationären Teil 18a bewegt wird und die öffnung 22 mit der öffnung 23 in Verbindung kommt, wodurch Druckströmungsmittel in die öffnung 25 gelangt. Dadurch wirkt Druckströmungsmittel auf die Schulter 27» wodurch der Ventilschieber 26 in Richtung des ausgezogenen Pfeils bewegt wird. Dadurch gelangen die Betriebsströmungsmittel der öffnungen 36 und 37 in die öffnungen 39 bzw. 40, wie es durch die gestrichelten Pfeile angedeutet ist, während das Betriebsströmungsmittel in der öffnung 35 über die Abflußöffnung 38 abgeführt wird.

Wird das Betätigungsglied 10 entregt, zieht sich der Stößel 13 zurück, so daß der Ventilschieber 14 unter der Kraft der Feder 17 von dem stationären Teil 18a wegbewegt wird, wodurch die Verbindung zwischen den öffnungen 22 und 23 gesperrt wird. In diesem Fall wird das Druckströmungsmittel der Leitung 24 durch die Abflußöffnung 21 abgeführt, so daß der Strömungsmitteldruck in der öffnung 25 bleibt, um der Kraft der Feder 32 nachzugeben. Dadurch bewegt sich der Ventilschieber 26 unter der Kraft der Feder 32 von dem stationären Teil 33a weg. Dadurch können die Betriebsströmungsmittel der öffnungen 35,

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36 und 37 in die öffnungen 39» 40 und 41 gelangen.·

Wie sich aus der Vorbeschreibung ergibt, ergeben sich bei diesem bekannten Servoventil Schwierigkeiten darin, das Hauptventil unter schnellem Ansprechen auf die Einsatzsignale zu bewegen und die für das Betätigungsglied erforderliche Kapazität zu verringern.

Die Fig.'2 zeigt ein anderes bekanntes hydraulisches Servoventil, das diese Nachteile vermeidet, wobei der Unterschied gegenüber dem Servoventil nach Fig. 1 darin besteht, daß zur Steuerung des Hauptventils eine Drossel und eine Düse benutzt wird. ·

Die Leitung 24 ist an eine Strömungsmitteleinlaßleitung 24a angeschlossen, die mit einer Quelle für unter Druck stehendes Strömungsmittel oder Druckströmungsmittel (nicht gezeigt) verbunden ist. Zwischen den Leitungen 24 und 24a ist eine Drossel 43 vorgesehen. Die Leitung 24 ist ferner an eine Zweigleitung 24b angeschlossen, die über eine Verengung oder Düse 44 zur Außenseite- geöffnet ist, wobei das Betriebsströmungsmittel über die Düse 44 abgeführt wird. Mit 13a ist ein Ventilkopf bezeichnet, der der Düse 44 frontal gegenüberliegt.

Der Wirkungsquerschnitt der Düse 44 ist größer als der der Drossel 43, wofür im folgenden noch eine Erläuterung ge-' geben wird. _109β11/._1Β01

Wird beim Einsatz das Betätigungsglied 10 'erregt, bewegt sich der Stößel 13 in Richtung auf die Düse 44 und schließt diese. In diesem Augenblick steigt der Strömungsmitteldruck in der Leitung 24 auf eine Höhe an, die der Druckhöhe in der Strömungsmitteleinlaßleitung 24a entspricht. Dadurch überwindet der auf die Schulter 27 einwirkende Strömungsmitteldruck die Kraft der Feder 32, so daß der Ventilschieber 26 in Richtung des ausgezogenen Pfeils bewegt wird. Auf diese Weise wird der Weg oder Durchgang des Betriebsströmungsmittels geändert, wodurch das Betriebsströmungsmittel in Richtung der unterbrochenen Pfeile fließt.

Wird das Betätigungsglied 10 entregt, wird der Stößel 13 zurückgezogen, so daß der Ventilkopf 13a die Düse 44 verläßt und diese dadurch geöffnet wird. Das Betriebsströmungsmittel in der Leitung 24 wird dann durch die Düse 44 abgeführt. In diesem Fall läßt sich der Strömungsmitteldruck P in der Leitung 24 wie folgt ausdrücken:

^Ps

1 +

worin P₈ den Strömungsmitteldruck in d^r Strömungsmitteleinlaßleitung 24a, Aq den Wirkquerschnitt oder die Wirkfläche der Drossel 43 und A. den Wirkquerschnitt der Düse 44 angibt.

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Gemäß Vorbeschreibung ist der Wirkquerschnitt A₁ der Düse A4 größer als der Wirkquerschnitt A_Q der Drossel 44, so daß der Strömungsmitteldruck P in der Leitung 24 erheblich niedriger als der Strömungsmitteldruck P₁₃ in der Strömungsmit-

teleinlaßleitung 24a ist. Dementsprechend verbleibt der auf die Schulter 27 wirkende Strömungsmitteldruck P und gibt der Kraft der Feder 32 nach, wodurch der Ventilschieber 26 unter der Wirkung der Feder 32 nach links gedrückt wird.

Wie sich aus der Vorbeschreibung ergibt, hat das bekannte hydraulische Servoventil nach Fig. 2 den Vorteil, daß es die Notwendigkeit für die Anordnung des Pilotventils beseitigt und daß die Kapazität des Betätigungsglieds dermaßen verringert werden kann, daß das Ausspritzen des Betriebsströmungsmittels aus der Düse 44 ausgeschlossen wird. Dieses Servoventil hat jedoch dadurch einen Nachteil, daß eine Extramenge an betriebsströmungsmittel erforderlich ist, da sich Verluste infolge Abströmens von Strömungsmittel aus der offenen Düse ergeben.

Alle die vorgenannten Nachteile können durch das hydraulische Servoventil nach der Erfindung beseitigt werden, für das in der Fig. 3 ein bevorzugtes Beispiel angegeben ist.

Gemäß Fig. 3 besitzt das erfindungsgemäße hydraulische Servoventil eine Ventileinheit 50, die sich in einem hydraulischen Jtrumuh£smitte-lkrcis befindet, sowie ein Bctätigungsglied

109811 /1 bor

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10 zur Steuerung der Ventileinheit .50.

Die Ventileinheit 50 besitzt einen Ventilschieber 51 mit im Abstand stehenden Schultern 52, 53, 5¹J und 55· Die Schulter 52 ist in ihrer Wirkfläche kleiner als die Schulter 53· Die Schulter 55 ist mit einem Vorsprung 56 versehen, um eine Druckfeder 57 zu stützen. Die Feder 57 befindet sich zwischen der Schulter 55 und einem stationären Teil 58a eines Gehäuseabschnitts 58, wodurch der Ventilschieber 51 von dem stationären Teil 58a weggedrückt wird. Der Gehäuseabschnitt 58 ist mit einem zylindrischen Hohlraum 59 versehen, in dem der Ventilschieber 51 verschiebbar sitzt. Der zylindrische Hohlraum 59 hat mehrere öffnungen 60, 6l, 62, 63 und 64. Die öffnungen 60 und 6l sind mit einer geeigneten Druckströmungsmittelquelle verbunden, während die öffnungen 62 und 63 an eine durch das Druckströmungsmittel' betriebene Vorrichtung angeschlossen sind. Die öffnung 5^ ist an eine Strömungsmitteldruckzufuhrleitung 65 angeschlossen, in der sich eine Drossel 66 mit noch zu beschreibender Bedeutung befindet.

Der zylindrische Hohlraum 59 ist ferner mit einem Nebenkanal 67 versehen. Der Nebenkanal 67 hat eine Einlaßöffnung 67a, die selektiv mit der öffnung 64 verbunden ist. Zwischen der Schulter 53 und der Einlaßöffnung 67a wird ein Druckregulierabachnitt 68 gebildet, und zwar unter der Wirkung der Kraft der Feder 57 und unter der Wirkung des auf die Schulter 53 wirkenden Strömungsmitteldrucks, wie es später noch erläutert

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wird.

Die Auslaßöffnung 67b steht mit einer Strömungsmittel- ·

ic

kammer 69 in Verbindung, die durch die Schulter 52 und denr zylindrischen Hohlraum 59 begrenzt oder gebildet wird. Die Strömungsmittelkammer 69 ist über eine Verengung oder Düse 70 zur Außenseite geöffnet. Die Wirkquerschnittsflache der Düse 70 ist größer als diejenige der Drossel 66. Der Düse 70 liegt frontal gegenüber ein Ventilkopf 13a eines "Stößels 13.

Wird beim Einsatz das Betätigungsglied 10 erregt, stößt der Stößel 13 vor, so daß der Ventilkopf 13a in Schließberührung mit der Düse 70 gebracht wird. Bei geschlossener Düse steigt der Strömungsmitteldruck in der Strömungsmittelkammer 69 an, die mit dem Nebenkanal 67 verbunden ist. Hierdurch wird der Ventilschieber 51 gegen die Wirkung der Feder 57 in Richtung auf den stationären Teil 58a bewegt. Bei dieser Bewegung vergrößert sich die Öffnungsfläche des Druckregulierabschnitts 68, so daß das Betriebsströmungsmxttel der öffnung 64 in den Nebenkanal 67 eindringen kann. Da sich in diesem Augenblick die Düse 70-in geschlossener Stellung befindet, steigt der Strömungsmitteldruck in dem Nebenkanal 67 allmählich an, wodurch der Ventilschieber 51 stärker in Richtung auf den stationären Teil 58a des Gehäuseabschnitts 58 beansprucht wird. Auf diese Weise wird der Fließweg des Betriebsströmungsmittels geändert.

Wird das Betätigungsglied 10 entregt, wird der Stößel 13 zurückgezogen, so daß der Ventilkopf 13a die Düse 70 verläßt, die dadurch geöffnet wird. Das sich in der Strömungsmit-

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telkammer 69 befindende Strömungsmittel wird durch"die Düse 70 für Rückgewinnung abgeführt. In diesem Augenblick geht das der Leitung 65 zugeführte Betriebsströmungsmittel über die Drossel 66 in die öffnung 64. Der Strömungsmitteldruck in der öffnung 64 ist mit P₁ bezeichnet.

Es sei angenommen, daß der Strömungsmitteldruck in dem Nebenkanal 67 den Wert P~ hat; dieser Strömungsmitteldruck ?~ wirkt auf die Schulter 52, während der Strömungsmitteldruck P₁ auf die Differenzfläche zwischen den Schultern 52 und 53 wirkt. Somit wirken auf die Feder 57 die kombinierten entgegengesetzten Kräfte. Wenn in diesem Fall die Öffnungsfläche des Druckregulierabschnitts 68 größer als die der Drossel 66 ist, kann man den Strömungsmitteldruck Pp in dem Nebenkanal 67 im Vergleich zu dem Strömungsmitteldruck P₀ als im Viert Null bezeichnen. Nimmt man an, daß der durch die Feder 57 ausgeübte Druck Pq ist, so ist der Druck P^ gleich dem Druck P_Q, wie sich aus der folgenden· Gleichung ergibt

P₀ = P₁

³B - ³A

worin F₀- die Kraft der Feder, S. die Wirkfläche der Schulter 52 und S_ß die Wirkfläche der Schulter 53 angibt.

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Ist der Druck P^ höher als der Druck P_Q, bewegt sich der Vcntilschieber in Richtung auf den stationären Teil 58a, wodurch das Betriebsströmungsmittel in den Nebenkanal 67 gelangt. Dadurch fällt der Druck P. ab. Ist hingegen der Druck P₁ kleiner als der Druck P_Q, wird der Druckregulierabschnitt 68 durch die Schulter 53 vollständig geschlossen. Somit wird der Strömungsmitteldruck in der öffnung 64 zu jeder Zeit auf die Hohe des Druck P_Q unter dem Einfluß des Druckregulierabschnitts 68 reguliert, wodurch die Verluste an Betriebsströmungsmittel auf ein Minimum reduziert werden. Diese Menge Q an Leckverlusten erhält man aus der folgenden Gleichung

β = CA₀ ²

worin C eine Koristante ist, die durch die Abmessungen der Drossel 66 und den Druck des verwendeten Betriebsströmungsmittels bestimmt ist, A_Q der Wirkquerschnitt der Drossel 66 und / ein Viskositätskoeffizient des Betriebsströmungsmittels ist.

Aus der vorangehenden Beschreibung ergibt sich, daß erfinuungsgemäß die Menge an Leckverlusten im Vergleich zu bekannton Vorrichtungen beträchtlich vermindert werden kann. Dies ergibt sich deutlicher aus der Fig. 5, die graphisch die Beziehung zwischen der Leckverlustmenge Q und dem zu liefernden Strömungsmitteldruck P₀ verdeutlicht. Die Kurve A zeigt die Leckvorlustmenge, die durch die bekannten Vorrichtungen erhal-

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ten wird, während die Kurve B die Leckverlustmenge' verdeutlicht, die bei dem erfindungsgemäßen hydraulischen Servoventil auftritt. Man ersieht, daß die Leckverlustmenge Q selbst bei offener Düse im wesentlichen Null ist, sofern der Strömungsmitteldruck P_s gleich dem Druck P_Q ist. In der Praxis sollte der
Strömungsmitteldruck P_ vorzugsweise etwas höher als der Druck Pq sein, wie es durch Punkt a in der Darstellung gemäß Fig. 5 angedeutet ist.

Aus Fig. 5 ersieht man, daß die Leckverlustmenge ebenfalls beträchtlich vermindert ist, selbst wenn der Strömungsmitteldruck P₀ bei einem gegebenen Wert benutzt wird, der
s

durch den Punkt a in Fig. 5 angedeutet ist.

In Fig. 4 ist eine zweite Ausführungsform oder Abwandlung der Erfindung verdeutlicht, wobei die Teile, die denjenigen nach Fig. 3 entsprechen, die gleichen Bezugszeichen haben. Diese zwe.ite Ausfuhrungsform unterscheidet sich von der ersten lediglich darin, daß die Strömungsmittelkammer 69' konisch geformt ist und deren Umfangsfläche für Berührung mit dem Randumfang der Schulter 52 des Schiebers 51 vorgesehen ist, so daß sich ein Druckregulierabschnitt 68' ergibt. Bei dieser Anordnung braucht man keinen Nebenkanal 67, wie er bei der ersten
Ausführungsform vorgesehen ist. Auf diese Weise werden gleiche Ergebnisse erzielt, so daß eine nähere Beschreibung entfallen
kann.

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^: Selbstverständlich können an den beschrieben speziellen Ausführungsformen der Erfindung zahlreiche Abwandlungen und Modifikationen vorgenommen werden, ohne daß der Schutzumfang der beigefügten Ansprüche verlassen wird.

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Claims

- ιβ - Patentansprüche

1. Hydraulisches Servoventil für die Steuerung der Fließrichtung eines unter Druck stehenden Strömungsmittels, gekennzeichnet durch eine Ventileinheit (50), die in einen hydraulischen Strömungsmittelkreis eingeschaltet ist, und durch ein Betätigungsglied (10), das an eine Energiequelle angeschlossen ist, um den Einsatz der Ventilei-nheit zu steuern, wobei die Ventileinheit einen Ventilschieber (51) aufweist, der in Abhängigkeit von einem durch den Strömungsmittelkreis gelieferten Strömungsmitteldruck bewegbar ist, eine in dem Strömungsmittelkreis vorgesehene Düse (70), die zur Außenseite der Ventileinheit geöffnet ist, um aus dem Strömungsmittelkreis überschu£- strömungsmittel abzulassen und die bei Betätigung des Betätigungsglieds (10) geschlossen wird, ferner eine Drossel (66), die in dem Strömungsmittelkreis vorgesehen ist, um den Ventilschieber mit einem Strömungsmitteldruck zu beaufschlagen und ihn gegen Pederwirkung zu bewegen und dadurch die Pließrichtung des Strömungsmittels zu ändern, wobei die Drossel in ihrem Wirkquerschnitt kleiner als die Düse ist, und wobei ferner ein variabler Druckregulierabschnitt (68) vorgesehen ist, der zwischen der Drossel (66) und der Düse (70) in dem Strömungsmittel-

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kreis liegt, um den an den Ventilschieber angelegten Strömungsmitteldruck zu regulieren und dadurch den Verbindungsgrad zwischen der Drossel und der Düse bei geöffneter Düse zu steuern.

2. Hydraulisches Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregulierabschnitt (63) durch den Ventilschieber und einen Nebenkanal (67) gebildet wird, der zwischen der Drossel und der Düse angeordnet ist.

3. Hydraulisches Servoventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckregulierabschnitt (68^f) durch den Ventilschieber (51) und eine Strömungsmittelkammer (69^f) gebildet wird, die sich zwischen der Düse und der Drossel befindet.

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