EP0825348B1 - Druckverstärker für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten - Google Patents

Druckverstärker für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten Download PDF

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EP0825348B1
EP0825348B1 EP97111400A EP97111400A EP0825348B1 EP 0825348 B1 EP0825348 B1 EP 0825348B1 EP 97111400 A EP97111400 A EP 97111400A EP 97111400 A EP97111400 A EP 97111400A EP 0825348 B1 EP0825348 B1 EP 0825348B1
Authority
EP
European Patent Office
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pressure
line
piston
cylinder
valve
Prior art date
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Expired - Lifetime
Application number
EP97111400A
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English (en)
French (fr)
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EP0825348A1 (de
Inventor
Jesper Will Iversen
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
miniBOOSTER Hydraulics AS
Original Assignee
Iversen Hydraulics ApS
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Filing date
Publication date
Family has litigation
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Application granted granted Critical
Publication of EP0825348B1 publication Critical patent/EP0825348B1/de
Anticipated expiration legal-status Critical
Expired - Lifetime legal-status Critical Current

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Classifications

    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B3/00—Intensifiers or fluid-pressure converters, e.g. pressure exchangers; Conveying pressure from one fluid system to another, without contact between the fluids

Definitions

  • the invention relates to a pressure booster for fluids, in particular for hydraulic fluids, with a piston-cylinder arrangement which has a low-pressure side with a low-pressure connection and a high-pressure side with a high-pressure connection and a supply connection, and an amplifier piston designed as a differential piston between the low-pressure and high-pressure sides, and with a control valve, which has a valve spool, which connects the low-pressure connection alternately to a pressure source and a pressure sink and is connected via a control line to the piston-cylinder arrangement, the pressure in the control line being on one side of the valve spool and on the other side of the Valve spool acts a constant pressure that the valve spool is designed as a differential piston and the valve spool is arranged to form an annular space in a valve housing into which a tank line and a pump line and in between e open into a cylinder line.
  • Such a pressure booster is known from O + P " ⁇ lyhydraulik und Pneumatik” 37 (1993) No. 5, pages 418 and 420.
  • Pressure boosters of this type serve to increase the pressure in a fluid beyond the pressure of a pressure source.
  • the following explanation will be made using the example of hydraulic fluids. In principle, however, the principle also applies to other fluids.
  • a similar pressure booster of the type mentioned is known from DE 40 26 005 A1.
  • the known pressure booster is provided with a differential piston which acts as a booster piston.
  • the booster piston has a low pressure piston which is arranged in a low pressure cylinder and a high pressure piston which is arranged in a high pressure cylinder. Both pistons are firmly connected to each other via a piston rod.
  • the low pressure piston has a much larger cross section than the high pressure piston. The pressure ratio between the low pressure side and the high pressure side then takes place in the ratio of the piston cross sections.
  • the terms "low pressure” and "high pressure” are used here and below only to distinguish the two sides. They do not represent absolute pressure values, only relative relationships.
  • Hydraulic fluid is often taken off on the high pressure side, which must be adjusted with the appropriate pressure.
  • the high pressure cylinder ie the pressure chamber acted upon by the high pressure piston, is filled with hydraulic fluid which is supplied by the pressure source.
  • the high-pressure piston and with it the low-pressure piston are pushed back.
  • the low-pressure piston then displaces the hydraulic fluid from its pressure chamber to the tank.
  • the high pressure piston has been pushed back by a certain stroke length, it opens the opening of the control line so that the pressure of the pressure source can act on the valve spool of the control valve.
  • the control valve is as Three-way valve designed.
  • connection between the low-pressure cylinder and the tank is interrupted and instead a connection is established between the pressure source and the low-pressure cylinder.
  • the low-pressure piston and thus the high-pressure piston are then moved again towards the high-pressure side, so that hydraulic fluid with the correspondingly high pressure can be dispensed through the high-pressure connection.
  • valve slide is accordingly acted upon on the one hand by the pressure in the control line and on the other hand by the force of a spring.
  • the more hydraulic fluid to be drawn off at the high-pressure connection the higher the frequency with which the booster piston on the one hand and the valve slide on the other hand have to be moved back and forth.
  • the piston-cylinder arrangement can only be enlarged to a limited extent. On the one hand, this increases the time it takes to fill the high-pressure side. On the other hand, the mass becomes larger, so that a rapid reciprocating movement of the booster piston is made more difficult. This means that the delivery quantity is limited.
  • the maximum delivery quantity on the high-pressure side was approximately 2.5 l / min, which corresponded to a maximum supply quantity of approximately 10 l / min and for which a frequency of 30 Hz was necessary.
  • EP 0 703 369 A2 shows a changeover valve with a slide which is acted upon by a constant pressure on one side, while the other side is exposed to a pressure which is controlled by a pilot valve is.
  • This Piltoventil is air-controlled and in turn is controlled by an electromagnetically controlled pilot valve.
  • the object of the invention is to overcome such limitations.
  • valve slide has a control disk which divides the annular space and which, depending on the position of the valve slide, is located either between the mouths of the pump line and the cylinder line or cylinder line and the tank line.
  • valve slide is designed as a differential piston which is acted upon on its other side by constant pressure.
  • the differential piston is therefore pressurized from the control line on one side and with a constant pressure on the other side.
  • the constant pressure acts on a somewhat smaller area than the pressure from the control line.
  • the valve slide Since the pressure in the control line drops from time to time, depending on the position of the booster piston, the valve slide is acted upon alternately by a force difference in one direction and by a force difference in the opposite direction. These force differences are independent of path, ie they act practically over the entire adjustment range of the valve slide bers.
  • the generation of a force with the aid of a pressure can be realized simply by letting the fluid act on the end face of the valve spool with the appropriate pressure. Since the force difference is kept practically constant over the entire adjustment range, relatively high accelerations can be achieved. This can shorten the movement times.
  • the frequencies with which the pressure booster works can be selected higher. This also enables a larger delivery amount of the high pressure fluid.
  • the control disk divides the annular space axially, ie in the direction of movement of the valve spool. It can be kept relatively thin. The only requirement is that it provides a sufficient seal between the two axial regions of the annular space, so that either a connection from the cylinder line to the tank line or a connection from the cylinder line to the pump line is established, the tank or pump line not being connected to the cylinder line should no longer have any influence on the fluid flow into or out of the cylinder line.
  • the cylinder line is connected to the low pressure area of the booster piston.
  • the tank line is connected to the pressure sink.
  • the pump line is connected to the pressure source.
  • the pressure of the pressure source is preferably applied to the other side of the valve slide. This pressure is available anyway. It is in sufficient Dimensions constant. Additional measures are then not necessary.
  • the control line advantageously opens in the stroke region of the booster piston in the high-pressure side of the piston-cylinder arrangement, the booster piston closing the control line at the start of its movement in the direction of the high-pressure connection.
  • This essentially limits the pressure in the control line to the pressure of the pressure source.
  • control disk completely releases the cylinder line, at least in the position in which there is a connection between the cylinder line and the tank line.
  • This is the switching position of the control valve in which the fluid must be conveyed from the low pressure side of the adjusting piston to the pressure sink.
  • This promotion takes place under the pressure of the pressure source, which acts on the high pressure side of the adjusting piston.
  • there is a correspondingly smaller cross-sectional area of the piston, so that the emptying of the low-pressure cylinder, which is necessary for the return of the booster piston to its starting position, should not be hindered as far as possible. If the flow cross-section for the final fluid is made as large as possible or free of throttling points, this removal of the fluid can take place without problems.
  • valve slide which keeps the connection of its end face free for connection of the pressure source.
  • the pressure source it is in some cases not possible to connect the pressure source to the front of the valve spool in such a way that the mouth of this connection and the front actually face each other. Rather, the connection can also open laterally, ie radially into the corresponding pressure chamber. In this case, if you ensure that this mouth is always free, the pressure acting on the face of the valve spool is never throttled.
  • a pressure booster 1, shown schematically in FIG. 1, has an booster piston 2 designed as a differential piston.
  • the booster piston 2 is formed by a low-pressure piston 3 and a high-pressure piston 4, which are connected to one another via a piston rod 5.
  • the low-pressure piston 3 is arranged in a low-pressure cylinder 6 and forms the low-pressure side together with it.
  • the high-pressure piston 4 is arranged in a high-pressure cylinder 7 and together with this forms the high-pressure side.
  • the cross section of the high pressure cylinder 7, ie the effective area on which pressure can act on the high pressure piston 4, is smaller than the cross sectional area of the Low pressure cylinder 6.
  • the low pressure cylinder 6 is provided with a low pressure connection 8.
  • the high pressure cylinder 7 is provided with a high pressure connection 9.
  • the low-pressure piston 3 moves upwards under the pressure of this fluid.
  • the high-pressure cylinder 7 is placed under a pressure which is higher than the pressure in the low-pressure cylinder 6 by the ratio between the cross-sectional area of the low-pressure piston 3 and the high-pressure piston 4.
  • the high-pressure connection 9 is connected to a high-pressure outlet 11 via a check valve 10.
  • the high-pressure cylinder 7 also has a supply connection 12 which is connected to a pressure source P via a check valve 13.
  • the pressure source P can be formed, for example, by a pump.
  • a control valve 14 is provided to control the movement of the booster piston 2.
  • the control valve 14 is designed as a three-way valve, which connects the low-pressure connection 8 via a cylinder line 24 either to the pressure source P or to a pressure sink T, for example a tank.
  • the control valve 14 is connected on the one hand to a pump line 15, which can be designed as a branch line to the line between the pressure source P and the check valve 13, and to a tank line 16, which leads to the pressure sink T.
  • the cylinder line 24 is also connected to the control valve here.
  • the control valve 14 has a valve spool 17 which is arranged axially displaceably in a valve housing 18.
  • the valve spool 17 is also designed as a differential piston.
  • the structure of the control valve 14 will be explained in more detail below with reference to FIG. 2. First of all, however, it should be noted that the pressure from a control line 19 can be applied to one end face of the valve slide 17.
  • the control line 19 opens into the high-pressure cylinder 7, specifically at a point which is covered by the high-pressure piston 4, shortly after the high-pressure piston 4 has moved from its one end position in the direction of the high-pressure connection 9.
  • the other end face of the valve spool 17 is acted upon by the pressure of the pressure source P.
  • a further branch line 20 is provided, which opens into a pressure chamber 21 in the valve housing 18.
  • the pressure chamber 21 has a smaller cross section than the bore 22, in which the end of the valve spool 17 moves, which is adjacent to the control line 19, and into which the control line 19 opens.
  • a line 23 can also be provided, which connects the space between the low-pressure piston 3 and the high-pressure piston 4 to the pressure sink P.
  • P corresponds to the pressure of the pressure source P
  • T to the pressure of the pressure sink T
  • HP to the pressure in the control line 19
  • C to the pressure in the cylinder line 24, which is connected to the low pressure connection 8.
  • Fig. 2 shows first of all the internal structure of the control valve 14 with further details.
  • the valve spool 17 is axially displaceably mounted in the valve housing 18. Here he leaves an annular space 25 between himself and the valve housing 18 over part of its length.
  • the annular space is divided by a control disk 26, which bears sealingly against the valve housing 18, into two axial areas which are sealed off from one another.
  • an area of the annular space can therefore connect the mouth of the pump line 15 (P) to the cylinder line 24 (C) (FIG. 2a) or (FIG. 2d) the cylinder line 24 (C) to the tank line 16 ( T). All that is required is a movement of the valve slide 17, which corresponds to the sum of the thickness of the control disk 26 and the axial extent of the mouth of the cylinder line 24 (C). This distance can be relatively short.
  • the valve slide 17 has a larger cross-sectional area (27) at the end facing the mouth of the control line 19 (HP) than at its opposite end face 29, which is connected to the pressure chamber 21 .
  • the valve spool 17 is graded accordingly.
  • the pressure chamber 21 also has a smaller cross section than the end face 27 of the valve slide, on which the pressure HP from the control line 19 acts.
  • valve slide 17 also has a movement stop 28, which ensures that the pressure chamber 21 is always of a predetermined minimum size. This size is dimensioned so that the schematically illustrated mouth of the stub 20 is kept clear in any case. For design reasons, this branch line 20 cannot be guided into the end face of the housing 18 here. In this way, however, it is ensured that there is no throttling and thus a pressure reduction takes place. A constant force always acts on the valve slide 17 regardless of position.
  • control valve 14 The function of the control valve 14 will now be explained with reference to FIG. 2 in conjunction with FIG. 1.
  • Hydraulic fluid thus flows from the pressure source P via the pump line 15, the control valve 14 and the cylinder line 24 to the low-pressure connection 8.
  • the low-pressure cylinder 3 is accordingly acted upon by the pressure of the pump source P and moves the high-pressure piston 4 upwards in the direction of the high-pressure connection 9.
  • the control line 19 now comes into connection with the tank line 23, so that there is only tank pressure at the end face 27. Because the opposite Face 29 but is still subjected to the pressure of the pressure source P, the valve spool 17 is now moved upwards. It first interrupts the connection between the pump connection P and the cylinder connection C (FIG. 2b) and then provides a connection via the annular space 25, but this time the other section, between the cylinder connection C and the tank connection T. The valve slide 17 moves in this way long until it comes to a stop on the housing 18. All the directions given here refer to the illustration in FIG. 2. In this position (FIG. 2d), the cylinder connection C is no longer covered by the control disk.
  • annular space 25 between the cylinder port C and the tank port T is enlarged, because here the thinner portion of the valve spool 17 comes into play. This results in a relatively large cross section for the flow path of the hydraulic fluid from the cylinder connection C to the tank connection T.
  • valve slide Since the valve slide is acted upon by a constant pressure on its end face 29, very high frequencies can thereby be achieved, which lead to a correspondingly faster refilling of the high-pressure cylinder 7 and the low-pressure cylinder 6. This allows the delivery amount of the fluid booster to be increased.

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Description

  • Die Erfindung betrifft einen Druckverstärker für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten, mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung, die eine Niederdruckseite mit einem Niederdruckanschluß und eine Hochdruckseite mit einem Hochdruckanschluß und einem Versorgungsanschluß sowie einen als Differentialkolben ausgebildeten Verstärkerkolben zwischen Niederdruck- und Hochdruckseite aufweist, und mit einem Steuerventil, das einen Ventilschieber aufweist, der den Niederdruckanschluß abwechselnd mit einer Druckquelle und einer Drucksenke verbindet und über eine Steuerleitung mit der Kolben-Zylinder-Anordnung verbunden ist, wobei der Druck in der Steuerleitung auf eine Seite des Ventilschiebers und auf die andere Seite des Ventilschiebers ein konstanter Druck wirkt, daß der Ventilschieber als Differentialkolben ausgebildet ist und der Ventilschieber unter Ausbildung eines Ringraums in einem Ventilgehäuse angeordnet ist, in den eine Tankleitung und eine Pumpenleitung und dazwischen eine Zylinderleitung münden.
  • Ein derartiger Druckverstärker ist aus O+P "Ölyhydraulik und Pneumatik" 37 (1993) Nr. 5, Seiten 418 und 420 bekannt. Derartige Druckverstärker dienen dazu, den Druck in einem Fluid über den Druck einer Druckquelle hinaus zu erhöhen. Die folgende Erläuterung wird am Beispiel von Hydraulikflüssigkeiten vorgenommen werden. Grundsätzlich gilt das Prinzip aber auch für andere Fluide.
  • Ein ähnlicher Druckverstärker der eingangs genannten Art ist aus DE 40 26 005 A1 bekannt. Wie bei der vorliegenden Erfindung auch, ist der bekannte Druckverstärker mit einem Differentialkolben versehen, der als Verstärkerkolben wirkt. Der Verstärkerkolben weist einen Niederdruckkolben auf, der in einem Niederdruckzylinder angeordnet ist, und einen Hochdruckkolben, der in einem Hochdruckzylinder angeordnet ist. Beide Kolben sind über eine Kolbenstange fest miteinander verbunden. Der Niederdruckkolben hat einen wesentlich größeren Querschnitt als der Hockdruckkolben. Die Druckübersetzung zwischen der Niederdruckseite und der Hochdruckseite erfolgt dann im Verhältnis der Kolbenquerschnitte. Die Begriffe "Niederdruck" und "Hochdruck" dienen hier und im folgenden lediglich zur Unterscheidung der beiden Seiten. Sie geben keine absoluten Druckwerte wieder, sondern nur relative Beziehungen.
  • Auf der Hochdruckseite wird vielfach Hydraulikflüssigkeit abgenommen, die mit entsprechendem Druck nachgeführt werden muß. Hierzu wird der Hochdruckzylinder, d.h. der vom Hochdruckkolben beaufschlagte Druckraum, mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, die von der Druckquelle zugeführt wird. Dabei wird der Hochdruckkolben und mit ihm der Niederdruckkolben zurückgeschoben. Der Niederdruckkolben verdrängt dann die Hydraulikflüssigkeit aus seinem Druckraum zum Tank. Wenn der Hochdruckkolben um eine bestimmte Hublänge zurückgeschoben worden ist, gibt er die Öffnung der Steuerleitung frei, so daß der Druck der Druckquelle auf den Ventilschieber des Steuerventils wirken kann. Das Steuerventil ist als Drei-Wege-Ventil ausgebildet. Bei der entsprechenden Druckbeaufschlagung wird die Verbindung zwischen dem Niederdruckzylinder und dem Tank unterbrochen und stattdessen eine Verbindung zwischen der Druckquelle und dem Niederdruckzylinder hergestellt. Der Niederdruckkolben und damit der Hochdruckkolben werden dann wieder in Richtung auf die Hochdruckseite verschoben, so daß Hydraulikflüssigkeit mit dem entsprechend hohem Druck durch den Hochdruckanschluß abgegeben werden kann.
  • Im bekannten Fall wird der Ventilschieber dementsprechend einerseits von dem Druck in der Steuerleitung beaufschlagt und andererseits von der Kraft einer Feder.
  • Je mehr Hydraulikflüssigkeit am Hochdruckanschluß abgenommen werden soll, desto höher wird die Frequenz, mit der einerseits der Verstärkerkolben und andererseits auch der Ventilschieber hin- und herbewegt werden müssen. Eine Vergrößerung der Kolben-Zylinder-Anordnung ist nur begrenzt möglich. Zum einen wird hierdurch die Zeit zum Befüllen der Hochdruckseite länger. Zum anderen wird die Masse größer, so daß eine schnelle Hin- und Herbewegung des Verstärkerkolbens erschwert wird. Damit ist die Abgabemenge begrenzt. Bei einer Ausführung des aus DE 40 26 005 A1 bekannten Druckverstärkers lag die maximale Abgabemenge auf der Hochdruckseite bei etwa 2,5 l/min, was einer maximalen Zuführungsmenge von etwa 10 l/min entsprach und wozu eine Frequenz von 30 Hz notwendig war.
  • EP 0 703 369 A2 zeigt ein Umschaltventil mit einem Schieber, der auf einer Seite von einem konstanten Druck beaufschlagt ist, während die andere Seite einem Druck ausgesetzt ist, der durch ein Pilotventil gesteuert ist. Dieses Piltoventil ist luftgesteuert und wird seinerseits von einem elektromagnetisch gesteuerten Pilotventil gesteuert.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, derartige Begrenzungen zu überwinden.
  • Diese Aufgabe wird bei einem Druckverstärker der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß der Ventilschieber eine den Ringraum unterteilende Steuerscheibe aufweist, die sich in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilschiebers entweder zwischen den Mündungen der Pumpenleitung und der Zylinderleitung oder Zylinderleitung und der Tankleitung befindet.
  • Damit ist die Schwingungsneigung des Ventilschiebers herabgesetzt. Die Gefahr, daß hier eine Resonanz auftritt, die eine weitere Erhöhung der Schwingungsfrequenz erschwert, wird verringert. Damit läßt sich beispielsweise die Abgabemenge von Hydraulikflüssigkeit an der Hochdruckseite vergrößern. Erstaunlicherweise kann man auch den konstruktiven Aufbau des Druckverstärkers vereinfachen. Der Druckverstärker kann trotz besserer Leistung konstengünstiger gefertigt werden. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn der Ventilschieber als Differentialkolben ausgebildet ist, der auf seiner anderen Seite mit konstantem Druck beaufschlagt ist. Der Differentialkolben wird also auf einer Seite vom Druck aus der Steuerleitung beaufschlagt und auf der anderen Seite mit einem konstanten Druck. Der konstante Druck wirkt hierbei auf eine etwas kleinere Fläche als der Druck aus der Steuerleitung. Da der Druck in der Steuerleitung von Zeit zu Zeit wegfällt, und zwar in Abhängigkeit von der Stellung des Verstärkerkolbens, wird der Ventilschieber abwechselnd von einer Kraftdifferenz in die eine Richtung und von einer Kraftdifferenz in die entgegensetzte Richtung beaufschlagt. Diese Kraftdifferenzen sind wegunabhängig, d.h. sie wirken praktisch über den gesamten Verstellweg des Ventilschie bers. Die Erzeugung einer Kraft mit Hilfe eines Drucks läßt sich einfach dadurch realisieren, daß man das Fluid mit dem entsprechenden Druck auf die Stirnseite des Ventilschiebers wirken läßt. Da die Kraftdifferenz über den gesamten Verstellweg praktisch konstant gehalten wird, lassen sich relativ hohe Beschleunigungen erzielen. Dadurch lassen sich die Bewegungszeiten verkürzen. Die Frequenzen, mit denen der Druckverstärker arbeitet, können höher gewählt werden. Damit läßt sich auch eine größere Abgabemenge des Hochdruckfluids ermöglichen. Die Steuerscheibe unterteilt den Ringraum also axial, d.h. in Bewegungsrichtung des Ventilschiebers. Sie kann relativ dünn gehalten werden. Erforderlich ist lediglich, daß sie eine ausreichende Dichtung zwischen den beiden axialen Bereichen des Ringraums bewirkt, so daß entweder eine Verbindung von der Zylinderleitung zur Tankleitung oder eine Verbindung von der Zylinderleitung zur Pumpenleitung hergestellt ist, wobei die nicht mit der Zylinderleitung verbundene Tank- oder Pumpenleitung möglichst keinen Einfluß mehr auf die Fluidströmung in die oder aus der Zylinderleitung haben sollte. Die Zylinderleitung ist hierbei mit dem Niederdruckbereich des Verstärkerkolbens verbunden. Die Tankleitung ist mit der Drucksenke verbunden. Die Pumpenleitung ist mit der Druckquelle verbunden. Durch die Ausbildung eines Ringraums zwischen dem Ventilschieber und dem Ventilgehäuse steht ein relativ großer Strömungsquerschnitt zur Verfügung, so daß die Befüllung bzw. die Entleerung des Niederdruckzylinders über den Niederdruckanschluß ohne größere Drosselwiderstände erfolgen kann. Auch damit läßt sich eine weitere Geschwindigkeitssteigerung erzielen.
  • Vorzugsweise ist die andere Seite des Ventilschiebers mit dem Druck der Druckquelle beaufschlagt. Dieser Druck steht ohnehin zur Verfügung. Er ist in ausreichendem Maße konstant. Zusätzliche Maßnahmen sind dann nicht erforderlich.
  • Mit Vorteil mündet die Steuerleitung im Hubbereich des Verstärkerkolbens in der Hochdruckseite der Kolben-Zylinder-Anordnung, wobei der Verstärkerkolben die Steuerleitung am Beginn seiner Bewegung in Richtung auf den Hochdruckanschluß verschließt. Damit wird der Druck in der Steuerleitung im wesentlichen auf den Druck der Druckquelle beschränkt. Bei entsprechender Austarierung der beiden Stirnflächen des Ventilschiebers läßt sich dann die Kraftdifferenz über den Ventilschieber, die zu dessen Bewegung notwendig ist, auf die gewünschten Werte einstellen. Man kann dann das gewünschte Bewegungsverhalten erzielen.
  • Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Steuerscheibe die Zylinderleitung zumindest in der Stellung völlig freigibt, in der eine Verbindung zwischen Zylinderleitung und Tankleitung besteht. Dies ist die Schaltstellung des Steuerventils, in der das Fluid von der Niederdruckseite des Verstellkolbens zur Drucksenke hin gefördert werden muß. Diese Förderung erfolgt unter dem Druck der Druckquelle, der auf die Hochdruckseite des Verstellkolbens wirkt. Dort ist aber eine entsprechend kleinere Querschnittsfläche des Kolbens vorhanden, so daß die Entleerung des Niederdruckzylinders, die für die Rückführung des Verstärkungskolbens in seine Ausgangsstellung notwendig ist, möglichst nicht behindert werden sollte. Wenn der Strömungsquerschnitt für das abschließende Fluid möglichst groß bzw. drosselstellenfrei gemacht wird, dann kann diese Abfuhr des Fluids problemlos erfolgen. Auch ist bevorzugt, daß eine Bewegungsbegrenzung für den Ventilschieber vorgesehen ist, die die Verbindung seiner Stirnseite zum Anschluß der Druckquelle freihält. Aus baulichen Gründen ist es in manchen Fällen nicht möglich, einen Anschluß der Druckquelle so zur Stirnseite des Ventilschiebers zu führen, daß sich die Mündung dieses Anschlusses und die Stirnseite tatsächlich gegenüberstehen. Vielmehr kann der Anschluß auch seitlich, d.h. radial in den entsprechenden Druckraum münden. Wenn man in diesem Fall dafür sorgt, daß diese Mündung immer frei bleibt, dann wird der Druck, der auf die Stirnseite des Ventilschiebers wirkt, in keinem Fall gedrosselt.
  • Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen:
    • Fig. 1
    eine schematische Darstellung eines Druckverstärkers und
    Fig. 2
    verschiedene Stellungen des Ventilschiebers im Steuerventil.
  • Ein in Fig. 1 schematisch dargestellter Druckverstärker 1 weist einen als Differentialkolben ausgebildeten Verstärkerkolben 2 aus. Der Verstärkerkolben 2 ist gebildet durch einen Niederdruckkolben 3 und einen Hochdruckkolben 4, die über eine Kolbenstange 5 miteinander verbunden sind. Der Niederdruckkolben 3 ist hierbei in einem Niederdruckzylinder 6 angeordnet und bildet mit diesem zusammen die Niederdruckseite. Der Hochdruckkolben 4 ist in einem Hochdruckzylinder 7 angeordnet und bildet mit diesem zusammen die Hochdruckseite. Der Querschnitt des Hochdruckzylinders 7, d.h. die wirksame Fläche, auf die ein Druck auf den Hochdruckkolben 4 wirken kann, ist kleiner als die Querschnittsfläche des Niederdruckzylinders 6. Der Niederdruckzylinder 6 ist mit einem Niederdruckanschluß 8 versehen. Der Hochdruckzylinder 7 ist mit einem Hochdruckanschluß 9 versehen.
  • Wenn nun dem Niederdruckzylinder 6 über den Niederdruckanschluß 8 Fluid mit einem vorbestimmten Druck zugeführt wird, bewegt sich der Niederdruckkolben 3 unter dem Druck dieses Fluids nach oben. Dadurch wird der Hochdruckzylinder 7 unter einen Druck gesetzt, der um das Verhältnis zwischen der Querschnittsfläche des Niederdruckkolbens 3 zum Hochdruckkolben 4 höher ist als der Druck im Niederdruckzylinder 6.
  • Der Hochdruckanschluß 9 ist über ein Rückschlagventil 10 mit einem Hochdruckausgang 11 verbunden.
  • Der Hochdruckzylinder 7 weist ferner einen Versorgungsanschluß 12 auf, der über ein Rückschlagventil 13 mit einer Druckquelle P verbunden ist. Die Druckquelle P kann beispielsweise durch eine Pumpe gebildet sein.
  • Zur Steuerung der Bewegung des Verstärkerkolbens 2 ist ein Steuerventil 14 vorgesehen. Das Steuerventil 14 ist als Drei-Wege-Ventil ausgebildet, das den Niederdruckanschluß 8 über eine Zylinderleitung 24 entweder mit der Druckquelle P oder mit einer Drucksenke T, beispielsweise einem Tank, verbindet. Hierzu ist das Steuerventil 14 mit einer Pumpenleitung 15 einerseits verbunden, die als Stichleitung zu der Leitung zwischen der Druckquelle P und dem Rückschlagventil 13 ausgebildet sein kann, und mit einer Tankleitung 16, die zu der Drucksenke T führt. Schließlich ist hier auch noch die Zylinderleitung 24 am Steuerventil angeschlossen.
  • Das Steuerventil 14 weist einen Ventilschieber 17 auf, der in einem Ventilgehäuse 18 axial verschiebbar angeordnet ist. Der Ventilschieber 17 ist hierbei ebenfalls als Differentialkolben ausgebildet. Der Aufbau des Steuerventils 14 soll anhand von Fig. 2 weiter unten näher erläutert werden. Zunächst ist aber noch festzuhalten, daß eine Stirnseite des Ventilschiebers 17 mit dem Druck aus einer Steuerleitung 19 beaufschlagbar ist. Die Steuerleitung 19 mündet in den Hochdruckzylinder 7, und zwar an einer Stelle, die vom Hochdruckkolben 4 abgedeckt wird, kurz nachdem sich der Hochdruckkolben 4 aus seiner einen Endstellung in Richtung auf den Hochdruckanschluß 9 bewegt hat. Die andere Stirnseite des Ventilschiebers 17 wird vom Druck der Druckquelle P beaufschlagt. Hierzu ist eine weitere Stichleitung 20 vorgesehen, die in einen Druckraum 21 im Ventilgehäuse 18 mündet. Der Druckraum 21 hat einen kleineren Querschnitt als die Bohrung 22, in der sich das Ende des Ventilschiebers 17 bewegt, das der Steuerleitung 19 benachbart ist, und in die die Steuerleitung 19 mündet.
  • Schließlich kann noch eine Leitung 23 vorgesehen sein, die den Raum zwischen dem Niederdruckkolben 3 und dem Hochdruckkolben 4 mit der Drucksenke P verbindet.
  • Um die Erläuterung zu erleichtern, sind in Fig. 1 die jeweils herrschenden Drücke am Steuerventil mit großen Buchstaben gekennzeichnet. Hierbei entspricht P dem Druck der Druckquelle P, T dem Druck der Drucksenke T, HP dem Druck in der Steuerleitung 19 und C dem Druck in der Zylinderleitung 24, die mit dem Niederdruckanschluß 8 verbunden ist.
  • Fig. 2 zeigt nun zunächst einmal den inneren Aufbau des Steuerventils 14 mit weiteren Einzelheiten.
  • Der Ventilschieber 17 ist in dem Ventilgehäuse 18 axial verschiebbar gelagert. Hierbei läßt er auf einem Teil seiner Länge einen Ringraum 25 zwischen sich und dem Ventilgehäuse 18 frei. Der Ringraum ist durch eine Steuerscheibe 26, die am Ventilgehäuse 18 dichtend anliegt, in zwei axiale Bereiche unterteilt, die gegeneinander abgedichtet sind. Je nach Stellung des Ventilschiebers 17 kann daher ein Bereich des Ringraums die Mündung der Pumpenleitung 15 (P) mit der Zylinderleitung 24 (C) verbinden (Fig. 2a) oder (Fig. 2d) die Zylinderleitung 24 (C) mit der Tankleitung 16 (T). Hierbei ist lediglich eine Bewegung des Ventilschiebers 17 notwendig, die der Summe aus der Dicke der Steuerscheibe 26 und der axialen Erstreckung der Mündung der Zylinderleitung 24 (C) entspricht. Diese Strecke kann relativ klein sein.
  • Wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, weist der Ventilschieber 17 an dem Ende, das der Mündung der Steuerleitung 19 (HP) zugewandt ist, eine größere Querschnittsfläche (27) auf als an seiner gegenüberliegenden Stirnfläche 29, die mit dem Druckraum 21 in Verbindung steht. Der Ventilschieber 17 ist entsprechend abgestuft. Der Druckraum 21 weist dementsprechend auch einen kleineren Querschnitt auf als die Stirnseite 27 des Ventilschiebers, auf die der Druck HP aus der Steuerleitung 19 wirkt.
  • Schließlich weist der Ventilschieber 17 noch einen Bewegungsanschlag 28 auf, der sicherstellt, daß der Druckraum 21 immer eine vorbestimmte Mindestgröße hat. Diese Größe ist so bemessen, daß die schematisch dargestellte Mündung der Stichleitung 20 auf jeden Fall freigehalten wird. Diese Stichleitung 20 kann aus konstruktiven Gründen hier nicht in die Stirnseite des Gehäuses 18 geführt werden. Auf diese Weise wird aber sichergestellt, daß hier keine Drosselung und damit eine Druckverminderung stattfindet. Auf den Ventilschieber 17 wirkt also stellungsunabhängig immer eine konstante Kraft.
  • Die Funktion des Steuerventils 14 soll nun anhand von Fig. 2 in Verbindung mit Fig. 1 erläutert werden.
  • Wir nehmen an, daß sich der Verstärkerkolben 2 in der in Fig. 1 dargestellten Position befindet. Der Hochdruckkolben 4 gibt die Mündung der Steuerleitung 19 frei. Hydraulikflüssigkeit, die von der Druckquelle P über das Rückschlagventil 13 und den Versorgungsanschluß 12 in den Hochdruckzylinder 7 fließt und diesen füllt, erzeugt auf der Stirnseite 27 des Ventilschiebers 17 den entsprechenden Druck, d.h. den Druck der Druckquelle P. Der gleiche Druck wirkt über die Stichleitung 20 auch auf die entgegengesetzte Stirnseite 29 des Ventilschiebers 17. Da diese Stirnseite 29 aber kleiner ist als die Stirnseite 27, wird der Ventilschieber 17 von einer Kraftdifferenz beaufschlagt, die in Fig. 2 von oben nach unten wirkt. Der Ventilschieber 17 wird also so verschoben, daß über den Ringraum 25 eine Verbindung zwischen der Pumpenleitung P und der Zylinderleitung C hergestellt ist.
  • Damit fließt Hydraulikflüssigkeit von der Druckquelle P über die Pumpenleitung 15, das Steuerventil 14 und die Zylinderleitung 24 zum Niederdruckanschluß 8. Der Niederdruckzylinder 3 wird dementsprechend mit dem Druck der Pumpenquelle P beaufschlagt und bewegt den Hochdruckkolben 4 nach oben in Richtung auf den Hochdruckanschluß 9 zu.
  • Nach einem vorbestimmten Hub, der der Länge des Hochdruckzylinders 4 entspricht, kommt die Steuerleitung 19 nun in Verbindung mit der Tankleitung 23, so daß an der Stirnseite 27 nur noch Tankdruck herrscht. Da die gegenüberliegende Stirnseite 29 aber nach wie vor mit dem Druck der Druckquelle P beaufschlagt ist, wird der Ventilschieber 17 nun nach oben bewegt. Er unterbricht zunächst die Verbindung zwischen dem Pumpenanschluß P und dem Zylinderanschluß C (Fig. 2b) und stellt danach eine Verbindung über den Ringraum 25, aber diesmal den anderen Abschnitt, zwischen dem Zylinderanschluß C und dem Tankanschluß T dar. Der Ventilschieber 17 bewegt sich so lange, bis er oben zum Anschlag an das Gehäuse 18 kommt. Alle Richtungsangaben beziehen sich hierbei auf die Darstellung der Fig. 2. In dieser Stellung (Fig. 2d) ist der Zylinderanschluß C von der Steuerscheibe nicht mehr abgedeckt. Zudem ist der Ringraum 25 zwischen dem Zylinderanschluß C und dem Tankanschluß T vergrößert, weil hier der dünnere Abschnitt des Ventilschiebers 17 zum Tragen kommt. Damit ergibt sich ein relativ großer Querschnitt für den Strömungspfad der Hydraulikflüssigkeit vom Zylinderanschluß C zum Tankanschluß T.
  • Da nunmehr eine Verbindung zwischen dem Niederdruckanschluß 8 und der Drucksenke T hergestellt ist, der Hochdruckkolben 4 aber über den Versorgungsanschluß 12 mit dem Druck der Druckquelle P beaufschlagt wird, bewegt sich der Verstärkerkolben 2 nunmehr wieder in Richtung auf den Niederdruckanschluß 8 zu. Da in diesem Fall die Kraft nur durch das Produkt zwischen dem Druck der Druckquelle P und dem Querschnitt des Hochdruckkolbens 4 erzeugt wird, ist wesentlich, daß der abfließenden Hydraulikflüssigkeit ein möglichst geringer Widerstand entgegengesetzt wird. Dieser geringe Widerstand ergibt sich aus der vollständigen Freigabe des Zylinderanschlusses C im Steuerventil 14 und dem größeren Ringraumabschnitt 25 in dieser Position.
  • Sobald der Verstärkerkolben 2 seine in Fig. 1 dargestellte untere Endposition erreicht hat, wird die Steuerleitung 19 wieder mit dem Druck der Druckquelle P beaufschlagt, und der Ventilschieber 17 wird in die Stellung von Fig. 2a zurückverschoben. Der Zyklus beginnt von Neuem.
  • Da der Ventilschieber von einem konstanten Druck auf seiner Stirnseite 29 beaufschlagt ist, lassen sich hierdurch recht hohe Frequenzen erzielen, die zu einem entsprechend schnelleren Nachfüllen des Hochdruckzylinders 7 und des Niederdruckzylinders 6 führen. Damit läßt sich die Abgabemenge des Fluidverstärkers vergrößern.

Claims (5)

  1. Druckverstärker für Fluide, insbesondere für Hydraulikflüssigkeiten, mit einer Kolben-Zylinder-Anordnung (2, 6, 7), die eine Niederdruckseite (3) mit einem Niederdruckanschluß und eine Hochdruckseite (4) mit einem Hochdruckanschluß (9) und einem Versorgungsanschluß (12) sowie einen als Differentialkolben ausgebildeten Verstärkerkolben (2) zwischen Niederdruck- und Hochdruckseite aufweist, und mit einem Steuerventil (14), das einen Ventilschieber (17) aufweist, der den Niederdruckanschluß (8) abwechselnd mit einer Druckquelle (P) und einer Drucksenke (T) verbindet und über eine Steuerleitung (19) mit der Kolben-Zylinder-Anordnung verbunden ist, wobei der Druck in der Steuerleitung (19) auf eine Seite (27) des Ventilschiebers (17) und auf die andere Seite (29) des Ventilschiebers (17) ein konstanter Druck (P) wirkt, der Ventilschieber (17) als Differentialkolben ausgebildet ist und der Ventilschieber (17) unter Ausbildung eines Ringraums (25) in einem Ventilgehäuse (18) angeordnet ist, in den eine Tankleitung (16, T) und eine Pumpenleitung (15, P) und dazwischen eine Zylinderleitung (24, C) münden, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilschieber (17) eine den Ringraum (25) unterteilende Steuerscheibe (26) aufweist, die sich in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilschiebers (17) entweder zwischen den Mündungen der Pumpenleitung (15, P) und der Zylinderleitung (24, C) oder der Zylinderleitung (24, C) und der Tankleitung (16, T) befindet.
  2. Druckverstärker nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die andere Seite (29) des Ventilschiebers (17) mit dem Druck der Druckquelle (P) beaufschlagt ist.
  3. Druckverstärker nach Anspruch loder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerleitung (19) im Hubbereich des Verstärkerkolbens (2) in der Hochdruckseite (7) der Kolben-Zylinder-Anordnung mündet, wobei der Verstärkerkolben (2) die Steuerleitung (19) am Beginn seiner Bewegung in Richtung auf den Hochdruckanschluß (9) verschließt.
  4. Druckverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuerscheibe (26) die Zylinderleitung (24, C) zumindest in der Stellung völlig freigibt, in der eine Verbindung zwischen Zylinderleitung (24, C) und Tankleitung (16, T) besteht.
  5. Druckverstärker nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Bewegungsbegrenzung (28) für den Ventilschieber (17) vorgesehen ist, die die Verbindung seiner Stirnseite (29) zum Anschluß (20) der Druckquelle (P) freihält.
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