DE10156500C1 - Druckminderungsventil - Google Patents

Abstract

Es wird ein Druckminderungsventil (1) angegeben mit einem Gehäuse (2a, 2b), einem im Gehäuse verlagerbaren Ventilelement (6), auf das in eine Richtung ein Druck in einer mit einem Ausgang (11) verbundenen Niederdruckkammer (5) und in eine entgegengesetzte Richtung die Kraft einer Feder (16) wirkt, die in einer Federkammer (17) im Gehäuse (2a) angeordnet ist. DOLLAR A Man möchte das dynamische Verhalten des Druckminderungsventils verbessern. DOLLAR A Hierzu sind die Niederdruckkammer (5) und die Federkammer (17) durch einen Pilot-Strömungspfad (7, 23, 21) miteinander verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft ein Druckminderungsventil mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse verlagerbaren Ventil­ element, auf das in eine Richtung ein Druck in einer mit einem Ausgang verbundenen Niederdruckkammer und in eine entgegengesetzte Richtung die Kraft einer Feder wirkt, die in einer Federkammer im Gehäuse angeordnet ist.

Ein derartiges Druckminderungsventil ist allgemein be­ kannt, beispielsweise durch die Druckminderungsventile CP230-1 oder CP230-2 der Compact Controls, Inc., Hills­ boro, Oregon, USA. Das Ventilelement ist als Schieber ausgebildet, der sich in einer Bohrung im Gehäuse gegen die Kraft einer Feder verschieben kann. Der Schieber weist eine Blind-Längsbohrung auf, in deren Umfangswand Steueröffnungen angeordnet sind, die je nach Stellung des Schiebers mehr oder weniger in Überdeckung stehen mit einer Druckzuführöffnung in der Wand des Gehäuses. Die Blind-Längsbohrung bildet einen Teil der Nieder­ druckkammer. Wenn die vom Druck in der Niederdruckkam­ mer hervorgerufene Kraft auf den Schieber die. Kraft der Feder übersteigt, dann wird der Schieber verschoben und verschließt dadurch die Druckzuführöffnung stärker, so daß zufließende Flüssigkeit stärker gedrosselt wird. Sinkt hingegen der Druck in der Niederdruckkammer ab, wird der Schieber durch die Kraft der Feder in die ent­ gegengesetzte Richtung verschoben, so daß der Zustrom der Flüssigkeit weniger stark gedrosselt wird und dem­ entsprechend ein geringerer Druckabfall auftritt.

Auch DE 31 44 362 A1 zeigt ein derartiges Druckminde­ rungsventil.

Derartige Druckminderungsventile haben sich grundsätz­ lich bewährt. In manchen Anwendungsfällen läßt sich je­ doch beobachten, daß das dynamische Verhalten nicht ganz befriedigt. Insbesondere dann, wenn plötzlich grö­ ßere Flüssigkeitsmengen benötigt werden, gibt der Schieber die Druckzuführöffnung zu langsam frei.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das dynami­ sche Verhalten des Druckminderungsventils zu verbes­ sern.

Diese Aufgabe wird bei einem Druckminderungsventil der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Nieder­ druckkammer und die Federkammer durch einen Pilot- Strömungspfad miteinander verbunden sind.

Durch diesen Pilot-Strömungspfad wird die Federkammer laufend mit Flüssigkeit versorgt, so daß die Federkam­ mer auch in allen Betriebszuständen mit Flüssigkeit ge­ füllt ist. Bei einer Verlagerung des Ventilelements spielt daher das Verdrängen oder das Nachführen der Flüssigkeit, um die Federkammer wieder zu füllen, nur noch eine untergeordnete Rolle. Das Bewegungsver­ halten des Ventilelements wird durch die Flüssigkeit in der Federkammer nicht mehr so stark beeinflußt, wie bisher. Der Druck, der sich in der Federkammer aufbaut, wirkt natürlich auch auf das Ventilelement. Dies ist bei der Dimensionierung der Feder zu beachten.

Vorzugsweise ist eine Drosselanordnung im Pilot-Strö­ mungspfad angeordnet. Diese Drosselanordnung hat zwei Vorteile. Zum einen drosselt sie den Flüssigkeitsstrom von der Niederdruckkammer in die Federkammer, so daß weniger Flüssigkeitsverlust auftritt, wenn die Flüssig­ keit aus der Federkammer abfließt. Zum anderen verbes­ sert die Drosselanordnung die Kraftbeaufschlagung des Ventilelements durch den Druck, der in der Niederdruck­ kammer herrscht. Auf das Ventilelement wirken dann die Kräfte, die durch die Druckdifferenz über die Drossel­ anordnung oder einen Teil davon hervorgerufen werden.

Bevorzugterweise weist der Pilot-Strömungspfad einen Abzweig auf, der mit einer Drucksenke verbunden ist. Damit ist sichergestellt, daß laufend ein Flüssig­ keitsstrom von der Niederdruckkammer in die Federkammer fließen kann. Flüssigkeit, die in der Niederdruckkammer nicht benötigt wird, weil die Niederdruckkammer voll­ ständig gefüllt ist, wird dann über den Abzweig abflie­ ßen. Damit geht zwar laufend eine gewisse Flüssigkeits­ menge verloren. Diesen Flüssigkeitsverlust kann man aber in Kauf nehmen, weil das dynamische Verhalten des Druckminderungsventils erheblich verbessert wird. Dar­ über hinaus kann man mit geeigneten Maßnahmen diesen Flüssigkeitsverlust relativ klein halten.

Vorzugsweise bildet die Drosselanordnung einen Druck­ teiler, dessen Mittelabgriff mit der Federkammer in Verbindung steht. Der Druck in der Federkammer liegt also dann auf einem Wert zwischen dem Druck in der Nie­ derdruckkammer und einem Druck an der Drucksenke. Dies erleichtert es, in der Niederdruckkammer ausreichende Kräfte aufzubringen, um das Ventilelement zu verlagern. Gleichzeitig ist sichergestellt, daß in der Federkammer eine ausreichende Menge an Flüssigkeit unter einem ge­ wissen Druck vorhanden ist, so daß bei einer Verlage­ rung des Ventilelements, die zu einer Vergrößerung oder Verkleinerung der Federkammer führt, keine Probleme mit dem Verdrängen oder dem Nachsaugen von Flüssigkeiten bestehen. Insbesondere bei einer Vergrößerung der Fe­ derkammer wird auch das Problem der Kavitation in der Federkammer erheblich vermindert.

Vorzugsweise läuft der Pilot-Strömungspfad durch das Ventilelement hindurch. Dies vereinfacht die bauliche Ausgestaltung. Im Grunde genommen kann man dann sogar Gehäuse verwenden, wie sie für die herkömmlichen Druck­ minderungsventile auch verwendet worden sind. Eine Mo­ difikation ist allenfalls am Ventilelement erforder­ lich. Darüber hinaus ist es bei dieser Ausgestaltung einfacher, den Pilot-Strömungspfad in allen Stellungen des Ventilelementes mit im wesentlichen den gleichen Strömungscharakteristiken zu versehen.

Bevorzugterweise ist das Ventilelement als Schieber mit einer Axialbohrung ausgebildet. Die Axialbohrung durch­ setzt den Schieber so, daß die Flüssigkeit problemlos von einem Ende des Schiebers, an dem die Niederdruck­ kammer angeordnet ist, zum anderen Ende des Schiebers gelangen und dort austreten kann, an dem die Federkam­ mer angeordnet ist. Die Erzeugung einer Axialbohrung ist relativ einfach. Dementsprechend ist die Herstel­ lung des Ventilelements kostengünstig möglich.

Vorzugsweise weist die Drosselanordnung eine Dros­ selöffnung auf, die in einer Begrenzungswand der Axial­ bohrung ausgebildet ist. Die Drosselöffnung bildet ei­ nen Teil des Druckteilers. Das Gehäuse weist im Bereich dieser Drosselöffnung eine Ringnut auf, so daß Flüssig­ keit, die durch die Drosselöffnung austritt, auch ab­ fließen kann.

Hierbei ist besonders bevorzugt, daß die Drosselöffnung als Stufenbohrung ausgebildet ist. Durch die Wahl der Länge und der Durchmesser der einzelnen Stufen läßt sich die Drosselwirkung der Drosselbohrung relativ ge­ nau einstellen. Durch eine Stufenbohrung erhält man darüber hinaus die Möglichkeit, die Wandstärke, die den Bereich höheren Drucks von einem Bereich niedrigeren Drucks trennt, klein zu machen. Durch den geringen phy­ sikalischen Abstand zwischen diesen beiden Gebieten wird die Temperaturabhängigkeit vermindert.

Bevorzugterweise weist die Drosselanordnung einen Dros­ seleinsatz auf, der im Pilot-Strömungspfad angeordnet ist. Der Drosseleinsatz läßt sich leicht außerhalb des Ventilelements fertigen und kontrollieren, so daß auch hier die Drosseleigenschaften des Drosseleinsatzes und der dadurch gebildeten Drossel sehr genau einstellbar sind.

Vorzugsweise weist die Drosselanordnung Drosseln auf, die die gleiche Temperaturabhängigkeit aufweisen. Dem­ entsprechend ist die Druckminderungswirkung des Druck­ minderungsventils nur in geringem Maße abhängig von der Temperatur.

Vorzugsweise weist die Drosselanordnung eine geringe Temperaturabhängigkeit auf. Dies läßt sich beispiels­ weise dadurch erreichen, daß die Drosseln durch scharf­ kantige Blenden gebildet sind. Alternativ dazu können beispielsweise Spaltenblenden verwendet werden. Die ge­ ringe Temperaturabhängigkeit der Drosseln selbst führt ebenfalls zu einer geringen Temperaturabhängigkeit des mit dem Druckminderungsventil eingestellten Drucks.

Vorzugsweise weist der Pilot-Strömungspfad eine Mündung in die Federkammer auf, die in jeder Stellung des Ven­ tilelements vollständig geöffnet ist. Der Übergang von Flüssigkeit in die Federkammer wird also durch die Stellung des Ventilelements nicht verändert.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines bevorzug­ ten Ausführungsbeispiels in Verbindung mit der Zeich­ nung näher beschrieben. Darin zeigen:

Fig. 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein Druckminderungsventil,

Fig. 2 einen schematischen Schaltplan des Druckmin­ derungsventils und

Fig. 3 eine schematische Darstellung der Abhängig­ keit von Druck und Strömungsmenge.

Fig. 1 zeigt ein Druckminderungsventil 1 mit einem aus zwei Teilen 2a, 2b bestehenden Gehäuse, wobei die bei­ den Teile 2a, 2b über ein Schraubgewinde 3 miteinander verbunden sind. Das Gehäuseteil 2a weist ein Außenge­ winde 4 auf, mit dem das Druckminderungsventil 1 in ei­ ner nicht näher dargestellten hydraulischen Vorrichtung befestigt werden kann.

Im Gehäuseteil 2b ist eine Niederdruckkammer 5 vorgese­ hen, die durch eine gestufte Axialbohrung gebildet ist. In der Niederdruckkammer 5 ist ein Schieber 6 in Axial­ richtung verlagerbar. Der Schieber 6 weist eine Axial­ bohrung 7 auf, die zur Niederdruckkammer 5 hin offen ist. In der Wand des Schiebers 6 sind erste Öffnungen 8 vorgesehen, die im wesentlichen radial verlaufen und in der dargestellten Stellung mit Druckzuführöffnungen 9 im Gehäuseteil 2b in Überdeckung stehen, an die ein hö­ herer Druck Pp angelegt werden kann. Die Druckzuführ­ öffnungen 9 können über eine Ringnut 10 miteinander in Verbindung stehen.

Die Niederdruckkammer 5 weist einen Ausgang 11 auf, an dem ein Rückschlagventil 12 angeordnet ist. Das Rück­ schlagventil 12 weist eine Feder 13 auf, die eine Ven­ tilkugel 14 gegen einen Ventilsitz 15 drückt, wobei die Ventilkugel 14 durch aus der Niederdruckkammer 5 her­ ausströmende Flüssigkeit gegen die Kraft der Feder 13 vom Ventilsitz 15 abgehoben werden kann.

Im Gehäuseteil 2a ist eine Feder 16 in einer Federkam­ mer 17 angeordnet, die über eine Druckplatte 18 auf den Schieber 6 wirkt und zwar auf das Ende des Schiebers 6, daß der Niederdruckkammer 5 gegenüberliegt. Die Feder 16 stützt sich am anderen Ende an einer Stützplatte 19 ab, deren Position im Gehäuseteil 2a mit Hilfe einer Schraubspindel 20 verändert werden kann. Durch Ein- oder Ausschrauben der Schraubspindel 20 läßt sich also die Vorspannung der Feder 16 verändern und damit der Druck Pbr, auf den der Druck in der Niederdruckkammer 5 eingestellt werden soll.

Die Axialbohrung 7 im Schieber 6 endet an dem Ende des Schiebers 6, das in die Federkammer 17 hineinragt, in einer Querbohrung 21. Über die Axialbohrung 7 und die Querbohrung 21 ist also die Niederdruckkammer 5 ständig mit der Federkammer 17 verbunden.

In der Axialbohrung 7 ist in einem Drosseleinsatz 22, der beispielsweise in den Schieber 6 eingeschraubt sein kann, eine Drossel 23 angeordnet. Zwischen dem Drossel­ einsatz 22 und der Federkammer 17 ist in der Wand des Schiebers 6 eine Drosselbohrung 24 vorgesehen, die hier als Stufenbohrung ausgebildet ist. Die Drosselbohrung 24 steht in jeder Stellung des Schiebers 6 im Gehäuse­ teil 2b in Überdeckung mit einer Ringnut 25, die eine ausreichende axiale Erstreckung aufweist und mit einer Drucksenke Pt verbunden ist, beispielsweise dem Tank. Zwischen dem Drosseleinsatz 22 und der Niederdruckkam­ mer 5 ist eine weitere Anordnung von zweiten Öffnungen 26 vorgesehen, die bei einer entsprechend weiten Verla­ gerung des Schiebers 6 unter Vergrößerung der Nieder­ druckkammer 5 ebenfalls mit der Drucksenke Pt in Ver­ bindung gebracht werden kann. Diese Möglichkeit dient dazu, den Druck in der Niederdruckkammer 5 abzusenken, wenn die Druckerhöhung auf andere Einflüsse zurückzu­ führen ist, beispielsweise bei einem Druckminderungs­ ventil ohne Rückschlagventil 12 am Ausgang durch eine Druckerhöhung im angeschlossenen hydraulischen Verbrau­ cher.

Die Drosseln 23 und 24 sind als scharfkantige Blenden ausgebildet. In diesem Fall ist der Druckabfall an den Drosseln 23, 24 nicht besonders temperaturabhängig. Na­ türlich kann man auch andere Drosseltypen wählen, bei­ spielsweise Spaltenblenden. Die Drosseln 23, 24 sollten vom gleichen Typ sein, damit beispielsweise Temperatur­ schwankungen die gleiche Änderung in beiden Drosseln hervorrufen. Dementsprechend bleibt der Mittelabgriff des durch die Drosseln 23, 24 gebildeten Druckteilers immer auf dem gleichen Druckniveau bezogen auf das Ver­ hältnis zwischen dem Druck in der Niederdruckkammer 5 und an der Drucksenke Pt.

Die Querbohrung 21 ist so angeordnet, daß sie in jedem Fall vollständig geöffnet ist, also auch dann, wenn der Schieber 6, wie in Fig. 1 dargestellt, in seiner am stärksten in das Gehäuseteil 2b eingefahrenen Position ist.

Fig. 2 zeigt ein schematisches Schaltbild des Druckmin­ derungsventils 1, bei dem gleiche Teile wie in Fig. 1 mit den gleichen Bezugszeichen versehen sind. Es ist klar zu erkennen, daß die Seite des Schiebers 6, an der die Feder 16 angreift, mit dem Mittelabgriff des aus den Drosseln 23, 24 gebildeten Druckteilers in Verbin­ dung steht. Über die Drosseln 23, 24 kann laufend Flüs­ sigkeit von der Niederdruckkammer 5 zur Drucksenke Pt abfließen. Dieser Flüssigkeitsverlust kann aber ver­ kraftet werden, weil das Druckminderungsventil 1 eine hervorragende Dynamik zeigt.

Dies soll noch einmal durch die Darstellung in Fig. 3 erläutert werden. Aufgetragen nach rechts ist der Durchfluß Q. Nach oben ist der Druckabfall P über der Drossel 24 aufgetragen, d. h. ein Teil des Druckverlu­ stes über das Druckminderungsventil 1.

Aufgrund des Pilot-Flusses, der durch den Pilot- Strömungskanal fließt, der durch die Axialbohrung 7, die Querbohrung 21, die Drosseln 23, 24 gebildet ist, wird der Arbeitspunkt des Druckminderungsventils 1 vom Nullpunkt weg verschoben auf einen Punkt Q1. Dort hat die P-Q-Kennlinie aber eine größere Steigung als im Nullpunkt, so daß die Größe dP/dQ wesentlich größer ist als im Nullpunkt. Das Druckminderungsventil 1 reagiert daher auf Strömungsänderungen mit einer wesentlich stärkeren Druckänderung als im bekannten Fall.

Bei der Bemessung der Feder 16 muß man natürlich in Be­ tracht ziehen, daß nun ein vorbestimmter Druck in der Federkammer 17 herrscht. Beispielsweise kann man einen Einstelldruck von 50 bar erreichen mit einem Federbei­ trag von 40 bar und einem Beitrag des Druckabfalls über die Drossel 23 von 10 bar. Damit wird sich in der Fe­ derkammer 17 ebenfalls ein Druck von 10 bar einstellen. Dieser statische Druck in der Federkammer 17 hat auch die Wirkung, daß eine Kavitation in der Federkammer 17 verhindert wird, wenn sich der Schieber 6 nach rechts bewegt. Die bislang zu beobachtenden Druckverminderun­ gen in der Federkammer 17 treten nun nicht mehr in dem Maße auf, weil durch die Drossel 23 schnell genug Flüs­ sigkeit nachfließen kann.

Darüber hinaus hat die dargestellte Lösung den Vorteil, daß der Schieber 6 relativ einfach ausgebildet sein kann. Bei Fällen, wo der Niederdruckbereich nur auf­ grund einer Leckage von der Hochdruckseite Pp in den Niederdruckbereich Pbr entlastet werden muß (beispiels­ weise in den Fällen, wo es das Rückschlagventil 12 gibt), kann man den Pilot-Durchfluß so dimensionieren, daß diese Leckage zum Tank oder zur Drucksenke Pt abge­ führt werden kann. In diesem Fall kann man gegebenen­ falls auch auf die zweite Öffnung 26 im Schieber ver­ zichten.

Die Drossel 23 bildet darüber hinaus eine Dämpfungsein­ richtung für die Bewegung des Schiebers 6 im Gehäuse 2a, 2b. Das Druckminderungsventil 1 neigt also weniger zu Schwingungen.

Claims (12)

1. Druckminderungsventil mit einem Gehäuse, einem im Gehäuse verlagerbaren Ventilelement, auf das in eine Richtung ein Druck in einer mit einem Ausgang verbundenen Niederdruckkammer und in eine entge­ gengesetzte Richtung die Kraft einer Feder wirkt, die in einer Federkammer im Gehäuse angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Niederdruck­ kammer (5) und die Federkammer (17) durch einen Pilot-Strömungspfad (7, 23, 21) miteinander ver­ bunden sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Drosselanordnung (23) im Pilot-Strömungs­ pfad (7, 23, 21) angeordnet ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Pilot-Strömungspfad (7, 23, 21) einen Abzweig aufweist, der mit einer Drucksenke (Pt) verbunden ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung (23, 24) einen Drucktei­ ler bildet, dessen Mittelabgriff mit der Federkam­ mer (17) in Verbindung steht.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilot-Strömungspfad (7, 23, 21) durch das Ventilelement (6) hindurch ver­ läuft.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (6) als Schieber mit einer Axialbohrung (7) ausgebildet ist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung (23, 24) eine Drosselöff­ nung (24) aufweist, die in einer Begrenzungswand der Axialbohrung (7) ausgebildet ist.

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselöffnung (24) als Stufenbohrung aus­ gebildet ist.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung (23, 24) einen Drosseleinsatz (22) aufweist, der im Pilot- Strömungspfad (7, 23, 21) angeordnet ist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung (23, 24) Drosseln aufweist, die die gleiche Temperaturab­ hängigkeit aufweisen.

11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Drosselanordnung (23, 24) eine geringe Temperaturabhängigkeit aufweist.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Pilot-Strömungspfad (7, 23, 21) eine Mündung in die Federkammer (17) auf­ weist, die in jeder Stellung des Ventilelements (6) vollständig geöffnet ist.