DE4128656C2 - Hydraulische Stelleinrichtung und deren Verwendung - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer hydraulischen Stelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2.

Aus der DE-OS 22 46 809 ist eine derartige hydraulische Stelleinrichtung bekannt, bei der die Drücke in den Druckräumen eines Differentialzylinders über zwei elektromagnetisch betätigbare Steuerventile veränderbar sind. Die Drücke in den Druckräumen werden dabei durch das Zu- oder Abströmen von Druckmittel eingestellt, wozu Leitungen in die Druckräume münden, die mittels der elektromagnetisch betätigbaren Steuerventile mit einer Druckquelle oder einem Entlastungsraum verbindbar sind. Dabei baut sich in den Druckräumen auch bei stationärer (fixierter) Stellung des Differentialkolbens der volle Verstelldruck auf, was einen hohen Energieaufwand der Stelleinrichtung während des gesamten Betriebszeitraumes, also auch im stationären Betrieb zur Folge hat. Zudem weist die bekannte Stelleinrichtung den Nachteil auf, daß zur Steuerung des Druckes in den einzelnen Druckräumen jedem Druckraum ein aktives Steuerventil zugeordnet werden muß, was einen hohen schaltungstechnischen Aufbau und einen relativ hohen steuerungstechnischen Aufwand zur Folge hat, der dabei zudem einen hohen Bauraum benötigt. Des weiteren lassen sich mit der bekannten Stelleinrichtung nur zwei Schaltstellungen einstellen, d. h. die Druckräume sind jeweils entweder entlastet oder mit dem Arbeitsdruck beaufschlagt. Dies hat jedoch den Nachteil, daß sich keine Teildrücke und damit keine beliebigen Zwischeneinstellpositionen mit der bekannten Stelleinrichtung vornehmen lassen.

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zugrunde, eine hydraulische Stelleinrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sie besonders kompakt ist, schaltungs- und steuerungstechnisch einfach aufgebaut ist und in allen Arbeitsphasen energetisch günstig arbeitet, sowie eine Verwendung für die hydraulische Stelleinrichtung anzugeben.

Diese Aufgabe wird mit der erfindungsgemäßen hydraulischen Stelleinrichtung mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 oder des Patentanspruchs 2 gelöst. Die erfindungsgemäße hydraulische Stelleinrichtung hat in jedem Fall dabei insbesondere den Vorteil, daß sie mit geringen Verlusten arbeitet, wenn keine Verstellbewegung des Differentialkolbens erfolgt, wobei sie zudem jeweils einfach aufgebaut ist und Zwischenstellungen des Differentialkolbens ermöglicht. Dies wird insbesondere durch die Verwendung nur eines aktiven Steuerventils erreicht, das in vorteilhafter Weise mit einer Drosselstelle oder einem passiven Druckbegrenzungsventil in der Leitungsverbindung zwischen der Pumpe und dem Druckraum an der großen Kolbenfläche zusammenwirkt, wobei sich bei stationärer Stellung des Differentialkolbens Haltedrücke einstellen lassen, die sehr viel geringer sind als die Verstelldrücke. Zudem lassen sich durch die entsprechende Ansteuerung des Steuerventils stetig oder unstetig in Abhängigkeit bestimmter Kriterien Teildrücke in den Druckräumen einstellen, die eine Fixierung des Differentialkolbens in einer beliebigen Lage ermöglichen.

Eine bevorzugte Verwendung der hydraulischen Stelleinrichtung ist im Patentanspruch 8 angegeben, wonach sich die beschriebene Stelleinrichtung insbesondere sehr gut für die Betätigung einer Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu deren Kurbelwelle eignet. Dabei sind zur Verstellung der Nockenwelle in Richtung frühe oder späte Drehlage sehr schnelle Verstellbewegungen notwendig, die hohe Arbeitsdrücke erfordern. Diese hohen Drücke auch in der stationären Stellung aufrechtzuerhalten, würde aber einen hohen Energieaufwand bedeuten, so daß demzufolge gerade das Absenken dieser Haltedrücke aus energetischen Gründen sinnvoll und sehr vorteilhaft ist. Ein weiterer Vorteil des Gegenstandes der Erfindung ist seine sehr kompakte Bauweise, wobei gerade der Einsatz einer derartigen hydraulischen Stelleinrichtung in einer zuvor beschriebenen Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle einen sehr kompakten Aufbau erfordert, da dort nur begrenzter Bauraum vorhanden ist.

Weitere Vorteile der Erfindung und vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in den Fig. 1 und 2 jeweils ein Ausführungsbeispiel einer hydraulischen Stelleinrichtung in vereinfachter Darstellung.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

In Fig. 1 ist mit 10 eine hydraulische Stelleinrichtung bezeichnet, die einen Differentialzylinder 11 mit Differentialkolben 12, 13 auf­ weist. Der Druckraum 14 an der Ringfläche des Differentialzylinders ist über eine Druckleitung 15 stets von einer Pumpe 16 beaufschlagt, die von einer Antriebswelle 17, beispielsweise der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, angetrieben wird.

Der Druckraum 18 an der größeren wirksamen Kolbenfläche des Dif­ ferentialzylinders ist über eine Leitung 19 mit dem Eingang 20 eines Druckbegrenzungsventils 21 verbunden. Dieses hat einen in einem nur angedeuteten Ventilgehäuse 22 ausgebildeten Druckraum 23, in dem ein Ventilglied 24 angeordnet ist, das mit einem Ventilsitz 25 am Ein­ gang 20 zusammenwirkt. Der Druckraum 23 des Druckbegrenzungsventils 21 ist über eine Rücklaufleitung 26 mit einem Behälter 27 verbunden.

Der Druckraum 23 geht auf der dem Ventilsitz 25 gegenüber liegenden Seite in eine Längsbohrung 29 über, die durch das Gehäuse 30 eines Proportionalmagneten 31 verschlossen ist. Um die Längsbohrung 29 verlaufen mit Abstand zueinander zwei ringförmige Steuernuten 32, 33. Im Inneren der Längsbohrung 29 ist ein Steuerschieber 34 ange­ ordnet, der eine in dessen mittlerem Bereich verlaufende umlaufende Ringnut 35 hat, die auf noch zu erläuternde Weise mit den Steuernu­ ten 32, 33 zusammenwirkt. An der unteren Stirnseite 36 des Steuer­ schiebers 34 liegt der Betätigungsstößel 37 des Proportionalmagneten 31 an. An der oberen Stirnseite 38 liegt das eine Ende einer Druck­ feder 39 an, deren entgegengesetztes Ende sich am Ventilglied 24 ab­ stützt.

Von der Druckleitung 19 zweigt eine Verbindungsleitung 41 ab, die über eine zwischengeschaltete Drossel 42 mit der Druckleitung 15 verbunden ist. Eine erste Bypass-Leitung 43 führt von der Drucklei­ tung 19 zur unteren Steuernut 33 im Ventilgehäuse 22. Von der oberen Steuernut 32 geht eine zweite Bypass-Leitung 44 aus, die zwischen Drossel 42 und Druckleitung 15 in die Verbindungsleitung 41 mündet.

Die hydraulische Stelleinrichtung 10 ist beispielsweise in einer Einrichtung zur stetigen Verstellung der Nockenwelle einer Brenn­ kraftmaschine relativ zu deren Kurbelwelle eingesetzt, wodurch eine Phasenverschiebung zwischen diesen beiden Wellen erzeugt wird.

Als aktives Steuerelement der hydraulischen Stelleinrichtung dient das durch den Proportionalmagneten 31 betätigte Druckbegrenzungsven­ til 21. Der Proportionalmagnet 31 ist in der dargestellten Stellung nicht erregt, d. h. der Betätigungsstößel 37 und der Steuerschieber 34 befinden sich in ihrer unteren Neutralposition. Dadurch wird nur aufgrund der Vorspannung der Druckfeder 39 eine Kraft auf das Ven­ tilglied 24 ausgeübt, die dieses gegen den Ventilsitz 25 drückt. Diese (Rest-)Vorspannung ist relativ gering, d. h. die Druckfeder 39 ist nahezu vollständig entspannt.

In dieser unteren Neutralposition befindet sich die Ringnut 35 des Steuerschiebers 34 im Bereich der unteren Steuernut 33 in der Längs­ bohrung 29 des Ventilgehäuses 22. Die obere Steuernut 32 ist durch den Steuerschieber 34 gegen die untere Steuernut 33 abgeschlossen.

Der Druckraum 14 des Differentialzylinders 11 wird über die Druck­ leitung 15 direkt von der Pumpe 16 mit Druck beaufschlagt. Die Pumpe 16 ist zur Förderstrombegrenzung vorteilhafterweise mit einer Saug­ drosselung versehen. Gleichzeitig ist der Druckraum 18 an der großen Kolbenfläche des Differentialkolbens 12 über die Druckleitung 19 mit dem Eingang 20 des Druckbegrenzungsventils 21 verbunden. Diese Druckleitung 19 ist zusätzlich über die Verbindungsleitung 41 mit zwischengeschalteter Drossel 42 mit der Druckleitung 15 verbunden. In der beschriebenen Schaltstellung sind währenddessen die beiden Bypass-Leitungen 43, 44 durch den Steuerschieber 34 jeweils einseitig verschlossen.

Im Druckraum 14 baut sich über die Druckleitung 15 ein Druck auf, der dem Staudruck vor der Drossel 42 in der Leitung 41 entspricht. Gleichzeitig kann sich im Druckraum 18 aufgrund dessen Verbindung mit dem Druckbegrenzungsventil 21 und der geringen Vorspannung der Druckfeder 39 nur ein geringer Gegendruck aufbauen. Bei Überschrei­ ten eines vorgegebenen Gegendruckes öffnet das Druckbegrenzungsven­ til 21, d. h. das Ventilglied 24 hebt vom Ventilsitz 25 ab, so daß eine Verbindung über den Druckraum 23 und die Rücklaufleitung 26 zum Behälter 27 entsteht. Der Differentialkolben wird durch den im Druckraum 14 wirkenden Druck nach links verschoben.

In der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kur­ belwelle bedeutet diese Bewegung des Differentialkolbens eine Ver­ stellung der Nockenwelle nach "spät", d. h. zu einer späten Drehlage bzw. später Ventilbetätigung.

Zur Verstellung nach "früh" bzw. früher Drehlage muß der Differen­ tialkolben 12, 13 nach rechts bewegt werden. Dazu wird der Propor­ tionalmagnet 31 erregt, so daß sich der Betätigungstößel 37 und damit der Steuerschieber 34 nach oben bewegen. Somit wird die Vor­ spannung der Druckfeder 39 und damit der Öffnungsdruck des Druckbe­ grenzungsventils 21 erhöht, so daß sich im Druckraum 18 ein höherer Druck aufbauen kann. Gleichzeitig werden aufgrund der Verschiebung des Steuerschiebers 34 die Steuernut 32 und 33 in der Längsbohrung 29 über die Ringnut 35 des Steuerschiebers verbunden. Damit entsteht über die Bypass-Leitungen 44 und 43 ein Bypass zur Drossel 42, so daß der Druckraum 18 an der größeren Kolbenfläche des Differential­ zylinders über die Leitungen 43 und 44 sowie die Verbindungsleitung 41 unter Umgehung der Drossel 42 mit der Druckleitung 15 verbunden ist. Aufgrund der größeren wirksamen Kolbenfläche wird der Differen­ tialkolben 12, 13 nach rechts bewegt. Durch die Umgehung der Drossel 42 über die Bypass-Leitung 42, 43 werden Energieverluste vermieden. Zur Einhaltung einer stationären Zwischenstellung des Differentialkol­ bens wird der Druck am Druckbegrenzungsventil 21 über entsprechende Erregung (geringere Bestromung) des Proportionalmagneten 31 gerade so eingestellt, daß die resultierende Kraft am Differentialkolben aufgrund der Drücke in den beiden Druckräumen gerade der Rückstell­ kraft aus der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle ent­ spricht. Über entsprechende Ansteuerung der Proportionalmagneten wird ebenfalls gewährleistet, daß diese Haltedrücke auch bei sich ändernden Drehzahlen der Nockenwelle auf einem Niveau gehalten wer­ den, das gerade ausreicht, die Rückstellkräfte aus der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle aufzunehmen.

Durch die beschriebene Ausbildung der hydraulischen Stelleinrichtung und des Druckbegrenzungsventils ist ein Motornotlauf auch bei Aus­ fall des Proportionalmagneten bzw. der Hydraulikversorgung gewähr­ leistet. Bei Ausfall des Proportionalmagneten 31 geht der Steuer­ schieber 34 in seine Neutralposition zurück. Gleichzeitig ist die Druckfeder 39 nahezu entspannt, so daß - wie zuvor beschrieben - der Differentialkolben nach links ("spät") verstellt wird. Bei Ausfall der Hydraulikversorgung wird der Differentialkolben 12, 13 aufgrund der mechanischen Rückstellkraft aus der Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle nach links bewegt. In beiden Fällen ist aufgrund dieser Rückstellung zur "späten" Drehlage der Nockenwelle ein Motor­ notlauf gesichert.

Durch die Nutzung des Druckbegrenzungsventils 21 als aktives Steuer­ element werden lange Dichtspalte und enge Passungen zur Hochdruck­ abdichtung vermieden. Damit ist die Verschmutzungsempfindlichkeit gering, so daß die hydraulische Stelleinrichtung besonders gut für den Einsatz in Brennkraftmaschinen mit betriebsbedingt verschmutztem Motoröl geeignet ist.

In Fig. 2 ist eine Abwandlung des obigen Ausführungsbeispiels be­ schrieben, bei der die Drossel in der Verbindung zwischen den beiden Druckleitungen durch ein passives Druckbegrenzungsventil ersetzt ist.

Die beiden Druckleitungen 15 und 19 werden in diesem Ausführungs­ beispiel durch zwei Verbindungsleitungsabschnitte 41a, 41b ver­ bunden. Der Leitungsabschnitt 41a führt von der Druckleitung 15 zum Eingang 46 des passiven Druckbegrenzungsventils 47. Von dessen Aus­ gang 48 führt die Verbindungsleitung 41b zur Druckleitung 19. Das passive Druckbegrenzungsventil 47 hat einen zylinderförmigen Ventil­ raum 50, der in einen kegelförmigen Druckraum 51 mündet. Im Ventil­ raum 50 ist ein zylindrisches Ventilglied 52 geführt, dessen obere Stirnseite 53 mit der Kegelfläche 54 des Druckraumes zusammenwirkt. An der gegenüberliegenden Stirnseite 55 liegt eine Druckfeder 56 an, deren entgegengesetztes Ende am Boden 57 des Ventilraumes anliegt. Der die Druckfeder aufnehmende Teil des Ventilraumes ist über eine Leckölleitung 58 mit einem Behälter 59 verbunden.

Der Eingang 46 des Druckbegrenzungsventils ist so am Druckraum an­ geordnet, daß er mit der Stirnfläche des Ventilglieds zusammenwirkt, der Ausgang ist unterhalb davon im Bereich der Mantelfläche des Ven­ tilglieds angeordnet.

Das Druckbegrenzungsventil 21a wird in diesem Ausführungsbeispiel über die Druckfeder 39a direkt vom Proportionalmagneten 31 geregelt, ein Steuerschieber - wie in Fig. 1 - ist nicht zwischengeschaltet.

Bei stromlosem Proportionalmagneten baut sich der zur Verstellung des Differentialzylinders nach links ("spät") notwendige Druck von etwa 30 bar in der der Ringfläche des Differentialzylinders zuge­ ordneten Druckkammer 14 auf. Die Vorspannung des passiven Druckbe­ grenzungsventils 47 ist entsprechend eingestellt, so daß der Druck­ raum 18 praktisch drucklos ist.

Zur Verstellung des Differentialkolbens nach rechts ("früh") wird durch entsprechende Ansteuerung des Proportionalmagneten die Vor­ spannung der Druckfeder 39a erhöht, so daß der Druck in der Druck­ leitung 15 und den Verbindungsleitungen 41a, 41b ansteigt. Das passive Druckbegrenzungsventil 47 öffnet dabei vollständig. Der freigegebene Querschnitt ist dabei so bemessen, daß kein nennenswer­ ter Drosselverlust auftritt.

In der beschriebenen Ausführung des passiven Druckbegrenzungsventils 47 sind relativ enge Passungen für die Führung des Ventilgliedes 52 im Ventilraum 50 nötig, um den Druck im Druckraum 51 gegen die Leck­ ölleitung 58 abzudichten. Um diesen Nachteil zu umgehen, kann das Druckbegrenzungsventil auch als Sitzventil mit freigeführtem Ventil­ glied ausgeführt werden. Dabei wirkt dann der am Steuerventil 21a eingestellte Druck auf die Rückseite (Ausgangsseite) des Ventil­ gliedes. Nachteilig bei diesem zweiten Ausführungsbeispiel ist je­ doch, daß zur Verstellung des Differentialkolbens nach rechts ("früh") der Öffnungsdruck des passiven Druckbegrenzungsventils ständig überwunden werden muß.

In der in Fig. 2 beschriebenen Ausführungsform der hydraulischen Stelleinrichtung kann als aktives Steuerelement anstelle des Druck­ begrenzungsventils 21a auch ein 2/2-Wegeventil eingesetzt werden, das in getakteter Form von einem Elektromagneten angesteuert wird. Die Druckregelung erfolgt dann über Steuerung bzw. Regelung des Volumenstroms.

Claims (8)

1. Hydraulische Stelleinrichtung (10) mit einem Differentialkolben (12, 13), dessen Ringfläche stets von einer Pumpe (16) mit Druckmittel beaufschlagt ist, während der Druck im Druckraum (18) an der großen Kolbenfläche durch ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil (21) veränderbar ist, das in einem Abzweig (19) von einer zwischen der Pumpe (16) und dem Druckraum (18) an der großen Kolbenfläche verlaufenden Leitungsverbindung (15, 41, 19) angeordnet ist, wobei sich in den Druckräumen (14, 18) durch teilweises Abströmen von Druckmittel über das Steuerventil jeweils ein Teildruck einstellt, der durch entsprechende Ansteuerung des Steuerventils stetig oder unstetig in Abhängigkeit bestimmter Kriterien annähernd konstant gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Leitungsverbindung (15, 41, 19) eine Drosselstelle (42) angeordnet ist, die sich stromaufwärts vom Abzweig (19) befindet und daß bei stationärer Stellung des Differentialkolbens Haltedrücke eingestellt sind, die sehr viel geringer sind als die Verstelldrücke.

2. Hydraulische Stelleinrichtung (10) mit einem Differentialkolben (12, 13), dessen Ringfläche stets von einer Pumpe (16) mit Druckmittel beaufschlagt ist, während der Druck im Druckraum (18) an der großen Kolbenfläche durch ein elektromagnetisch betätigbares Steuerventil (21a) veränderbar ist, das in einem Abzweig (19) von einer zwischen der Pumpe (16) und dem Druckraum (18) an der großen Kolbenfläche verlaufenden Leitungsverbindung (15, 41a, 41b, 19) angeordnet ist, wobei sich in den Druckräumen (14, 18) durch teilweises Abströmen von Druckmittel über das Steuerventil jeweils ein Teildruck einstellt, der durch entsprechende Ansteuerung des Steuerventils stetig oder unstetig in Abhängigkeit bestimmter Kriterien annähernd konstant gehalten ist, dadurch gekennzeichnet, daß in die Leitungsverbindung (15, 41a, 41b, 19) stromaufwärts vom Abzweig (19) ein Druckbegrenzungsventil (47) eingesetzt ist und daß bei stationärer Stellung des Differentialkolbens Haltedrücke eingestellt sind, die sehr viel geringer sind als die Verstelldrücke.

3. Hydraulische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (21; 21a) ein Druckbegrenzungsventil ist, das von einem Proportionalmagneten (31) betätigbar ist.

4. Hydraulische Stelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (21; 21a) ein elektromagnetisch angesteuertes 2/2-Wegeventil ist.

5. Hydraulische Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselstelle (42) über einen vom Proportionalmagneten (31) zuschaltbaren Bypass (43, 33, 35, 32, 44) überbrückbar ist.

6. Hydraulische Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (47) ein Ventilglied (52) aufweist, das auf seiner Rückseite mit Umgebungsdruck beaufschlagt ist.

7. Hydraulische Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Druckbegrenzungsventil (47) ein Ventilglied (52) aufweist, das frei geführt ist, wobei der am Steuerventil (21a) eingestellte Druck auf die Rückseite des Ventilgliedes (52) einwirkt.

8. Verwendung der hydraulischen Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7 zur Betätigung einer Einrichtung zur Verstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine relativ zu deren Kurbelwelle.