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Die
Erfindung betrifft eine Ventilanordnung in einem Hydraulikkreis,
deren Verwendung und auch eine Anordnung zum Steuern eines hydraulischen Fahrzeugantriebs.
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Bei
hydraulischen Steuerungen besteht ein Bedarf nach einer Ventilanordnung,
die als Drosselventil wirkt, wenn der Druck der hindurchströmenden Hydraulikflüssigkeit
einen bestimmten Schwellenwert übersteigt.
Ein wichtiger Anwendungsfall hierfür sind Anordnungen zum Steuern
von hydraulischen Fahrzeugantrieben. Diese haben in der Regel einen
geschlossenen Hydrokreislauf, der eine durch einen Dieselmotor angetriebene
Verstellpumpe, einen die Antriebsräder des Fahrzeugs antreibenden
Hydromotor und zwei die Verstellpumpe und den Hydromotor verbindende
Leitungen für
die Hydraulikflüssigkeit aufweist,
wobei jede der Leitungen je nach Fahrtrichtung des Fahrzeugs Hin-
oder Rückleitung
für den Hydromotor
sein kann (
DE 199
30 997 A1 ). In derartigen Hydrokreisläufen kann der Hydromotor als Pumpe
wirken, wenn das Fahrzeugs aus dem normalen Antriebszustand in den
Schlepp- oder Schiebebetrieb übergeht.
Das Fahrzeug sucht dann die Verstellpumpe und damit auch den Dieselmotor
zu beschleunigen, was zu Schäden
am Dieselmotor führen
kann.
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Aus
diesem Grund ist gemäß der
DE 199 30 997 A1 schon
vorgeschlagen worden, in die Rückleitung
des Hydrokreislaufs ein als Drossel wirkendes Druckregelventil anzuordnen,
das bei erhöhtem Druck
der von dem Hydromotor zu der Verstellpumpe strömenden Hydraulikflüssigkeit
wirksam wird. In dem als Drossel wirkenden Druckregelventil wird dann
die Energie der von dem Hydromotor zu der Verstellpumpe strömenden Hydraulikflüssigkeit
teilweise in Wärme
umgewandelt, wodurch ein weiteres unerwünschtes Hochdrehen des Dieselmotors
unterbleibt. Wenn im normalen Fahrbetrieb in der Rückleitung
die üblichen
niedrigeren Drücke
vorliegen, bleibt die Drosselwirkung außer Funktion. Wird jedoch die Fahrtrichtung
des Fahrzeugs umgekehrt, so muss die Rückleitung nunmehr als Hinleitung
dienen, die unter erhöhtem
Druck steht und in der eine Drosselwirkung unerwünscht wäre. Aus diesem Grunde wird bei
dem bekannten Fahrzeugantrieb gemäß der
DE 199 30 997 A1 parallel
zu der Ventilanordnung eine Leitung mit einem Rückschlagventil vorgesehen,
so dass das Druckregelventil bei umgekehrter Strömungsrichtung außer Wirkung
bleibt. Will man das Fahrzeug in beiden Fahrtrichtungen gegen ein Überdrehen
des Dieselmotors absichern, so ist die beschriebene Anordnung des
Druckregelventils mit dem parallel geschalteten Rückschlagventil
in doppelter Anordnung erforderlich. Diese Parallelschaltung beider
Funktionen durch getrennt und unabhängig voneinander ausgeführte Ventile
benötigt
viel Bauraum oder führt
zu einer Einschränkung
der Strömungsquerschnitte,
verbunden mit entsprechenden hydraulisch-mechanischen Verlustleistungen.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine nur in einer Strömungsrichtung
als Drossel wirkende Ventilanordnung zu schaffen, mit der Bauraum
eingespart und zugleich der Montageaufwand gesenkt wird, wobei zudem
möglichst große Strömungsquerschnitte
in einem kleinen verfügbaren
Bauraum möglich
werden.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe gelingt erfindungsgemäß nach dem Anspruch 1 mit einer
Ventilanordnung in einem Hydraulikkreis, mit L-förmiger Kanalführung, in
der ein in seiner Länge
einstellbarer Drosselkörper
nach Maßgabe
der Stellung eines Vorsteuerventils in Richtung des einen Armes
der L-förmigen
Kanalführung
verschiebbar ist, wobei die Längeneinstellung
des Drosselkörpers
unter dem Einfluss des Druckes der in sein Inneres eintretenden Hydraulikflüssigkeit
erfolgt und die Ausbildung derart getroffen ist, dass der Drosselkörper unabhängig von der
Strömungsrichtung
der Hydraulikflüssigkeit
beim Überschreiten
eines bestimmten Schwellendruckes der Hydraulikflüssigkeit
in die Kanalführung
eingeschoben ist, aber in seiner Länge verkürzt ist, wenn die Anströmung mit
einem höheren
als dem Schwellendruck an seine Stirnseite erfolgt.
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Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung zeichnet
sich dadurch aus, dass sie in beiden Strömungsrichtungen von Hydraulikflüssigkeit
unter erhöhtem
Druck durchströmt
werden kann, wobei jedoch nur in der einen Strömungsrichtung eine Drosselwirkung
eintritt. Die Drosselwirkung tritt nicht ein, wenn der in seiner
Länge einstellbare
Drosselkörper von
seiner Stirnseite her angeströmt
wird. In diesem Fall stellt sich der Drosselkörper selbsttätig auf
eine kürzere
Länge ein.
Eine Drosselwirkung unterbleibt, auch wenn nach Maßgabe des
erhöhten
Druckes der Hydraulikflüssigkeit
der Drosselkörper
insgesamt seine ausgefahrene Stellung einnimmt. Auf diese Weise kann
eine parallel geführte
Leitung mit einem Rückschlagventil
eingespart werden.
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Mit
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung wird
somit dieselbe Wirkung erzielt wie mit dem in einer Bypassleitung
befindlichen Rückschlagventil
bei einer Anordnung nach dem Stand der Technik. Aber der bauliche
Aufwand ist geringer; es wird Platz gespart, und es lassen sich
größere Strömungsquerschnitte
verwirklichen.
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Dem
steht nicht entgegen, dass bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung ein Vorsteuerventil vorgesehen
ist, weil dieses zum Erfassen eines bestimmten Schwellendruckes
der Hydraulikflüssigkeit in
jedem Fall zweckdienlich ist.
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Vorteilhafte
Ausgestaltungen und bauliche Einzelheiten der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
sind in den rückbezogenen
Ansprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung umfasst auch die Verwendung einer Ventilanordnung nach
den Ansprüchen
1 bis 19 in einem geschlossenen Kreislauf eines hydraulischen Antriebs.
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Hierbei
kann es sich beispielsweise um den Antrieb einer Werkzeugmaschine
handeln, die mit einem hydraulischen Getriebe ausgestattet ist.
Ein besonders bevorzugtes Anwendungsgebiet der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
sind jedoch die Fahrzeugantriebe. Deshalb erstreckt sich die Erfindung
auch auf die Anordnung zum Steuern eines hydraulischen Fahrzeugantriebs.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
zum Steuern eines hydraulischen Fahrzeugantriebs ist im Anspruch
21 angegeben und besteht in einem geschlossenen Hydrokreislauf,
der eine durch einen Dieselmotor angetriebene Verstellpumpe, einen
die Antriebsräder
des Fahrzeugs antreibenden Hydromotor und die Verstellpumpe und
den Hydromotor verbindende Leitungen für die Hydraulikflüssigkeit aufweist,
wobei jede der Leitungen je nach Fahrtrichtung des Fahrzeuges Hin-
oder Rückleitung
für den Hydromotor
sein kann, wobei in zumindest einer der Leitungen eine Ventilanordnung
nach einem der Ansprüche
1 bis 19 vorgesehen ist.
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Wenn
das Fahrzeug in beiden Fahrtrichtungen gegen unzulässig hohe
Drehzahlen des Dieselmotors im Schiebebetrieb abgesichert sein soll,
so muss in jede der Leitungen eine Ventilanordnung gemäß der Erfindung
eingebaut werden.
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Die
Erfindung wird anschließend
anhand von in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispielen noch näher erläutert. In
den Figuren ist das Folgende dargestellt:
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1 zeigt
die erfindungsgemäße Ventilanordnung
in einem Längsschnitt,
wobei sich die Anordnung in ihrer Ausgangsposition befindet.
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2 ist
ein Ausschnitt aus 1 in vergrößertem Maßstab.
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3 stellt
einen der 1 entsprechenden Längsschnitt
dar, wobei sich aber die Ventilanordnung im geregelten Drosselzustand
befindet.
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4 gibt
den „geschalteten
Drosselzustand" der
erfindungsgemäßen Ventilanordnung
in der Darstellung desselben Längsschnittes
wie vorher wieder.
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In 1 ist
mit der Ziffer 1 ein stationäres Teil bezeichnet, das in
der hier gewählten
Darstellung zum Beispiel ein gesondertes Gehäuse sein kann. Das stationäre Teil
kann jedoch durch ein Maschinengehäuse selbst gebildet sein, beispielsweise
das Gehäuse
einer Axialkolbenmaschine, wobei dann die übrigen Teile direkt in das
Gehäuse
der Maschine eingebaut werden. In dem stationären Teil 1 ist mit der
Längsachse 1a eine
für die
Beschreibung der Ventilanordnung wichtige Achsrichtung festgelegt. Quer
zu der Längsachse 1a verläuft in dem
stationären
Teil 1 ein Querkanal 2, und in Richtung der Längsachse 1a ist
der damit in Verbindung stehende Längskanal 3 angeordnet.
Der Querkanal 2 und der Längskanal 3 verlaufen
senkrecht zueinander nach Art eines L. Ein bevorzugtes Anwendungsgebiet
dieser Ventilanordnung ist der Hydrokreislauf zum Antrieb eines
Fahrzeuges, wie später
noch näher
erläutert
werden wird. Bei diesem Anwendungsfall steht der Längskanal 3,
mit einer hydraulischen Verstellpumpe in Verbindung, während der
Querkanal 2 mit dem Hydromotor eines Fahrzeugs verbunden
ist.
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Gleichachsig
mit dem Längskanal 3,
also ebenfalls in Richtung der Längsachse 1a,
ist eine Aufnahme- und Führungsbohrung 4 vorgesehen,
die zum Einbau der Ventilanordnung dient. Die Aufnahme- und Führungsbohrung 4 ist
nach außen
durch eine Verschlussschraube 5 druckdicht verschlossen.
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In
die Verschlussschraube 5 ist mittels eines Schraubengewindes 8 ein
Zuganker 6 eingeschraubt. Dieser ragt bis in den Bereich
des Querkanals 2 hinein und ist an seinem schon in dem
Querkanal 2 befindlichen Ende als Federteller 7 ausgebildet.
In dem Federteller 7 ist eine Öffnung in Form eines Mehrkantprofils 9 vorgesehen,
die beim Einschrauben des Zugankers 6 in die Verschlussschraube 5 benutzt
wird.
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In
der Aufnahme- und Führungsbohrung 4 ist ein
Drosselschieber 10 längsverschieblich
angeordnet. Der Drosselschieber 10 hat etwa die Form eines zylindrischen
Rohres, ist also mit einer Innenbohrung 11 versehen. Die
Innenbohrung 11 ist bei 12 mit einer Abstufung
versehen, deren Bedeutung noch später erläutert wird.
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In
dem der Verschlussschraube 5 zugewandten Bereich des Drosselschiebers 10 ist
an diesem außen
ein Steuerflansch 13 angeordnet. Der Steuerflansch 13 hat
zwei Steuerflächen 13a und 13b (2).
Hiervon ist die Steuerfläche 13a der Verschlussschraube 5 zugewandt,
während
sich die Steuerfläche 13b gegenüberliegend
befindet und somit dem Querkanal 2 zugewandt ist. Die Innenbohrung 11 des
Drosselschiebers 10 ist an ihrem der Verschlussschraube 5 zugewandten
Ende mit einer Nut versehen, in die ein Sicherungsring 14 eingesetzt
ist. Der Sicherungsring 14 dient als Anschlag für einen Mehrfach-Federteller 15.
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Die
Aufnahme- und Führungsbohrung 4 hat über ihre
gesamte Länge
keinen gleichbleibenden Durchmesser. Vielmehr ist der Durchmesser
in dem der Verschlussschraube 5 zugewandten Bereich deutlich
vergrößert, wodurch
ein ringförmiger
Anschlag 16 gebildet wird. Bei eingesetztem Drosselschieber 10 wird
zwischen diesem und dem im Durchmesser vergrößerten Bereich der Aufnahme- und
Führungsbohrung 4 ein
Ringraum 17 gebildet. Der Verschiebeweg des Drosselschiebers 10 nach außen, in
Richtung auf den Längskanal 3 hin,
wird durch den Steuerflansch 13 begrenzt. In dieser Richtung
kommt nämlich
die Steuerfläche 13b mit
dem ringförmigen
Anschlag 16 in Berührung.
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Der
Steuerflansch 13 des Drosselschiebers 10 unterteilt
den Ringraum 17 in zwei anteilige Ringräume 17a und 17b.
Hiervon ist der anteilige Ringraum 17a auf der Seite der
Verschlussschraube 5 angeordnet, während sich der anteilige Ringraum 17b auf
der gegenüberliegenden
Seite des Steuerflansches 13 befindet, also zu der Seite
des Ventilkolbens 21 hin gerichtet ist. Der anteilige Ringraum 17b steht über einen
Steuerkanal 19 mit einem Druckbegrenzungsventil in Verbindung,
das als Vorsteuerventil dient. Der Steuerkanal 19 mündet im
Bereich des ringförmigen
Anschlags 16 in den anteiligen Ringraum 17b ein.
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Den
Zuganker 6 konzentrisch umgebend ist die Schieberfeder 20 angeordnet,
die als Schraubenfeder ausgebildet ist. Die Schieberfeder 20 schlägt mit ihrem
einen Ende an dem Mehrfach-Federteller 15 und mit ihrem
anderen Ende an dem Federteller 7 des Zugankers 6 an.
Durch Verschrauben des Zugankers 6 in der Verschlussschraube 5 kann
die Vorspannung der Schieberfeder 20 unterschiedlich eingestellt
werden. Durch die Vorspannung der Schieberfeder 20 hat
der Drosselschieber 10 das Bestreben, in der Aufnahme-
und Führungsbohrung 4 bis
zum Anschlag an der Verschlussschraube 5 zurückzuweichen.
Damit dies möglich
ist, befindet sich in der Verschlussschraube 5 eine kreiszylindrische Ausnehmung 35 (3).
Der über
den Steuerflansch 13 hinausragende Teil des Drosselschiebers 10 kann in
diese kreiszylindrische Ausnehmung einfahren.
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Durch
die kreiszylindrische Ausnehmung 35 werden in der Verschlussschraube 5 eine
ringförmige Stirnfläche 18 und
eine Innenfläche 37 ausgebildet. Wenn
der Drosselschieber 10 in die kreiszylindrische Ausnehmung 35 der
Verschlussschraube 5 einfährt, kommt die ringförmige Stirnfläche 36 des
Drosselschiebers 10 an der Innenfläche 37 der Verschlussschraube 5 zum
Anschlag. Die Ausbildung kann aber auch so getroffen werden, dass
der Anschlag durch die Steuerfläche 13a des
Steuerflansches 13 an der ringförmigen Stirnfläche 18 der
Verschlussschraube 5 erfolgt.
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Konzentrisch
in der Innenbohrung 11 des Drosselschiebers 10 gleitet
der Ventilkolben 21. Drosselschieber 10 und Ventilkolben 21 sind
die Hauptteile des Drosselkörpers
und bilden gewissermaßen
ein Teleskoprohr. Der Ventilkolben 21 besteht aus einem
Rohrschaft 22, der im Wesentlichen die Form eines zylindrischen
Rohrstückes
hat. In den Rohrschaft 22 ist ein Kolbenboden 23 eingeschraubt, wodurch
der Ventilkolben 21 insgesamt etwa die Form eines Bechers
erhält.
Der Kolbenboden 23 ist an seinem äußeren Ende als Verschlussplatte 24 ausgebildet.
Die Verschlussplatte 24 ist in ihrer Kontur an den Querschnitt
des Abzweigkanals 3 angepasst. Die Abmessungen sind derart
gewählt,
dass die Verschlussplatte 24 in die Öffnung des Abzweigkanals 3 eintreten
und diese weitgehend verschließen
kann. Allerdings ist der Kolbenboden 23 mit einer Durchgangsbohrung 25 versehen,
so dass eine Verbindung zwischen dem Raum vor der Verschlussplatte 24 und
dem Innenraum 34 des Ventilkolbens besteht. Ein Teil der
Durchgangsbohrung 25 ist auch hier mit einem profilierten
Querschnitt 26 versehen, in die ein Werkzeug zum Einschrauben
des Kolbenbodens 25 in den Rohrschaft 22 eingesetzt
werden kann.
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An
seinem inneren, der Verschlussschraube 5 zugewandten Ende
ist der Rohrschaft 22 des Ventilkolbens 21 mit
einem Anschlagbund 27 versehen. Dieser Anschlagbund kommt
an der schon erwähnten
Abstufung 12 der Innenbohrung 11 zur Anlage, wodurch
die Längsbewegung
des Ventilkolbens 21 begrenzt ist.
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Der
Ventilkolben 21 steht unter der Wirkung der Ventilkolbenfeder 29,
die auf die innere Stirnfläche 28 des
Ventilkolbens 21 einwirkt. An ihrem entgegengesetzten Ende
ist die Ventilkolbenfeder 29 an dem Mehrfach-Ventilteller 15 abgestützt. Auch
die Ventilkolbenfeder 29 ist als Schraubenfeder ausgebildet.
Von innen nach außen
gerechnet, sind somit der Zuganker 6, die Schieberfeder 20,
die Ventilkolbenfeder 29 bzw. der Rohrschaft 22 und
der Drosselschieber 10 konzentrisch und in Längsrichtung
gegeneinander beweglich angeordnet.
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Für die Steuerung
der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
ist eine Reihe von Durchgangsöffnungen
oder Bohrungen von Bedeutung, die nunmehr im Einzelnen beschrieben
werden und besonders deutlich aus der vergrößerten Darstellung gemäß 2 hervorgehen.
Grundsätzlich
besteht auch bei in den Längskanal 3 eingefahrener
Ventilplatte 24, wie das in 3 gezeigt
ist, eine durchgehende hydraulische Verbindung von dem Längskanal 3 bis zu
den anteiligen Ringräumen 17a und 17b sowie
zu dem Steuerkanal 19. Diese Verbindung beginnt mit der
schon erwähnten
Durchgangsbohrung 25, die bereichsweise mit einem profilierten
Querschnitt 26 versehen ist. Die Durchgangsbohrung 25 schafft
zunächst
eine Verbindung zwischen dem Längskanal 3 und
dem Innenraum 34 des Ventilkolbens 21.
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Das
schon erwähnte
Mehrkantprofil 9 in dem Ventilteller 7 des Zugankers 6 bildet
den Teil einer Längsbohrung 30,
die mit einer Querbohrung 31 verbunden ist. Auf diese Weise
steht der Innenraum 34 des Ventilkolbens 21 mit
dem Innenraum 33 des Drosselschiebers 10 in Verbindung.
Querbohrungen 32 in der Wand des Drosselschiebers 10 verbinden sodann
den Innenraum 33 des Drosselschiebers 10 zumindest
mit dem in 2 oberen anteiligen Ringraum 17a.
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Eine
Verbindung auch zu dem in 2 unteren
anteiligen Ringraum 17b kann beispielsweise durch radiale Öffnungen 38 in
der Wand des Drosselschiebers 10 hergestellt werden. Auf
diese Weise ist eine direkte Verbindung zwischen dem anteiligen Ringraum 17b und
dem Innenraum 33 des Drosselschiebers hergestellt. Die
Verbindung zu dem anteiligen Ringraum 17b kann aber auch
indirekt über
den anteiligen Ringraum 17a erfolgen, indem das Radialspiel
zwischen dem Steuerflansch 13 des Drosselschiebers 10 und
dem Innendurchmesser des Ringraums 17, der an dieser Stelle
die Aufnahme- und Führungsbohrung 4 bildet,
gezielt eingestellt wird. Diese Maßnahme kann durch axiale Öffnungen 39 in dem
Steuerflansch 13 verstärkt
werden. Jede der Möglichkeiten,
den anteiligen Ringraum 17b hydraulisch mit dem Längskanal 3 zu
verbinden, ist für
sich, oder in Verbindung mit den anderen möglich. Die radialen Öffnungen 38,
die axialen Öffnungen 39 und sowie
das Radialspiel zwischen dem Steuerflansch 13 und dem Innendurchmesser
des Ringraums 17 können
somit jeweils für
sich allein oder gemeinsam mit den übrigen Verbindungsmöglichkeiten
vorgesehen werden. An den anteiligen Ringraum 17b ist sodann
der Steuerkanal 19 angeschlossen.
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Ferner
sind einige Durchmessergrößen von besonderer
Bedeutung für
die Funktion der erfindungsgemäßen Ventilanordnung.
Hierzu gehören der
Innendurchmesser D4 der Aufnahme- und Führungsbohrung 4 sowie
der damit gleiche Außendurchmesser
D10 des Drosselschiebers 10 im
Bereich des Querkanals 2 (2), weiter
der Innendurchmesser D11 des Drosselschiebers 10,
der Außendurchmesser
D13 des Steuerflansches 13 und
der Durchmesser D24 der Verschlussplatte 24.
Die Durchmesser D24 und D10 werden
im Allgemeinen gleich groß ausgebildet.
Dann werden bei einem bestimmten Druck in dem Querkanal 2 die
beiden Teile 10 und 21 des Teleskoprohres maximal
gestreckt, so dass die Abstufung 12 des Drosselschiebers 10 gegen
den Anschlagbund 27 des Ventilkolbens 21 gezogen wird.
Dadurch heben sich die Kräfte
aus dem Druck im Querkanal 2, die auf den Drosselschieber 10 und auf
den Ventilkolben 21 wirken, an diesem Anschlagbund 27 gegeneinander
auf. Eine Änderung
dieser Stellung ist infolgedessen nur durch die im Inneren des Teleskoprohres
herrschenden Drücke
zu erwarten.
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Grundsätzlich lässt sich
sagen, dass die Stellung des Drosselschiebers 10 in seiner
Aufnahme- und Führungsbohrung 4 vor
allem dadurch bestimmt wird, ob das an den Steuerkanal 19 angeschlossene
Druckbegrenzungsventil geöffnet
hat oder nicht. Die Stellung des Ventilkolbens gegenüber dem
Drosselschieber 10 ergibt sich dagegen durch den Druckunterschied
der Hydraulikflüssigkeit
im Bereich des Längskanals 3 und
dem Querkanal 2.
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Im
Einzelnen arbeitet die beschriebene Ventilanordnung wie folgt:
In 1 ist
der Ausgangszustand der Ventilanordnung dargestellt. Der Drosselschieber 10 ist
unter dem Einfluss der Schieberfeder 20 maximal nach innen
in die Verschlussschraube 5 eingefahren. Der Ventilkolben 21 hingegen
wird durch die Ventilkolbenfeder 29 maximal aus dem Drosselschieber 10 ausgefahren.
Das an den Steuerkanal 19 angeschlossene Druckbegrenzungsventil
ist zunächst
geschlossen. Diese Ausgangsstellung bleibt erhalten, so lange die
Drücke
im Querkanal 2 und damit im Längskanal 3 etwa gleich
hoch sind und einen bestimmten Schwellenwert nicht überschreiten.
Die Ausgangsstellung ist dabei auch unabhängig von der Richtung, in der
die Ventilanordnung durchströmt wird.
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Es
sei nunmehr der Fall betrachtet, dass unter erhöhtem Druck stehende Hydraulikflüssigkeit durch
den Querkanal 2 zu dem Längskanal 3 strömt. Der
erhöhte
Druck der Hydraulikflüssigkeit
wird sich in der geschilderten Weise von der Durchgangsbohrung 25, 26 des
Kolbenbodens 23 bis zu den anteiligen Ringräumen 17a und 17b und
dem Steuerkanal auswirken. Schließlich ist der Ansprechdruck
des Druckbegrenzungsventils erreicht, und dieses öffnet. Es
entsteht ein Strom von Hydraulikflüssigkeit durch den Steuerkanal 19,
so dass in diesem und in dem anteiligen Ringraum 17b ein
geringerer Druck als im übrigen
Inneren der Ventilanordnung vorhanden ist. Der Grund dafür besteht
darin, dass zum Beispiel beim Durchströmen des Radialspaltes zwischen
dem Steuerflansch 13 des Drosselschiebers 10 und
dem Innendurchmessers des Ringraums 17 ein Druckverlust
entsteht, der abhängig
von der Spaltbreite und Spaltlänge
ist. Auch die schon erwähnten
radialen Öffnungen 38 oder
die axialen Öffnungen 39 können als
entsprechend klein ausgeführte
Blendenbohrungen diese Wirkung unterstützen oder für sich ausüben. Der Druckverlust stört das Kräftegleichgewicht und
bewirkt, wenn er groß genug
ist, dass die aus dem Drosselschieber 10 und dem Ventilkolben 21 bestehende
Einheit des Teleskoprohres, das den Drosselkörper bildet, gegen die Wirkung
der Schieberfeder 20 in Richtung auf den Längskanal 3 verschoben wird.
Der Zufluss durch den Querkanal 2 zu dem Längskanal 3 wird
dadurch in der beabsichtigten Weise gedrosselt.
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Bei
diesem Vorgang bleibt die relative Stellung des Ventilkolbens 21 zu
dem Drosselschieber 10 unverändert; denn es wirkt im Inneren
der Ventilanordnung weiterhin der Druck, der im Längskanal 3 vorhanden
und kleiner ist als der Druck im Querkanal 2. Die dem Längskanal 3 zugewandte
Stirnfläche
der Verschlussplatte 24 liegt zunehmend im Bereich der gedrosselten
Strömung,
so dass der Druck vor der Verschlussplatte stets kleiner sein wird
als der außen im
Bereich des Querkanals herrschende Druck. Die unter höherem Druck
stehende Hydraulikflüssigkeit im
Bereich des Querkanals 2, die auf das Teleskoprohr im Sinne
eines Auseinanderziehens einwirkt, gibt daher den Ausschlag. Im
Extremfall kann die Verschlussplatte bis an die Öffnung des Längskanals 3 kommen
oder in diese eintreten. Es sind aber auch Zwischenstellungen zwischen
den in den 1 und 3 gezeigten
Zuständen
möglich.
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Wenn
das aus dem Drosselschieber 10 und dem Ventilkolben 21 bestehende
Teleskoprohr die in 3 dargestellte Stellung erreicht
hat, sinkt infolge der dadurch erreichten Drosselung der Druck der
Hydraulikflüssigkeit
vor der Verschlussplate 24 noch weiter ab. Daher wird das
Druckbegrenzungsventil schließlich
wieder geschlossen, und es baut sich in dem gesamten Inneren der
Ventilanordnung wieder ein einheitlicher Druck auf. Die Kraft der
Schieberfeder 20 reicht dann aus, das Ventil zu öffnen und
die Verbindung zwischen dem Querkanal 2 und dem Längskanal 3 soweit
herzustellen, dass der Druck im Längskanal 3 wieder
ansteigt. Der Druck im Längskanal 3 wird
auf diese Weise geregelt. Die Ventilanordnung erfüllt damit
ihren Zweck, den in den Querkanal 3 eintretenden Strom
der Hydraulikflüssigkeit
zu drosseln und seine Strömungsenergie
teilweise in Wärme
umzusetzen.
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Wenn
die Strömung
bei erhöhtem
Druck mit umgekehrter Strömungsrichtung
erfolgt, also vom Längskanal 3 zum
Querkanal 2, ist eine Drosselwirkung nicht erwünscht. Hierbei
wird ausgehend von der Ausgangsposition gemäß 1 zwar zunächst die
aus dem Drosselschieber 10 und dem ausgefahrenen Ventilkolben 21 bestehende
Einheit des Teleskoprohres in Richtung auf den Längskanal 3 ausfahren,
die Strömung
also drosseln, weil unter dem erhöhten Druck im Inneren der Ventilanordnung
auch diesmal wieder das Druckbegrenzungsventil öffnet. Die unerwünschte Drosselwirkung
wird aber alsbald beendet, weil nunmehr der Ventilkolben 21 in
den Drosselschieber 10 einfährt. Die Verschlussplatte 24 hat
dann nämlich
den Längskanal 3 weitgehend
geschlossen. Der Druck im Längskanal 3 wirkt
somit auf die gesamte Stirnfläche
der Verschlussplatte 24 ein. Von der anderen Seite wirkt
dieser Druck aber nur auf eine Fläche, die durch den Innendurchmesser
D11 des Drosselschiebers 10 bestimmt
ist. Die Kräfte,
die als Folge aus dem Druck im Längskanal 3 am
Ventilkolben 21 wirken, heben sich dadurch zum Teil auf. Eine
erste verbleibende Kraft ist die resultierende Kraft als Folge aus
dem Druck im Längskanal 3 am Ventilkolben 21;
sie ergibt sich durch die Wirkung des Drucks auf eine Ringfläche am Ventilkolben 21,
die mit dem Außendurchmesser
D24 der Verschlussplatte 24 und
dem Innendurchmesser D11 des Drosselschiebers 10,
welcher gleich dem Außendurchmesser
des Rohrschafts des Ventilkolbens 21 ist, beschrieben werden
kann. Diese Kraft wirkt gegen den Ventilkolben 21 und die
ihn haltende Kraft der Ventilkolbenfeder 29 in Richtung
zur Verschlussschraube 5.
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Eine
zweite Kraft generiert sich als Folge aus dem Druck im Querkanal 2 am
Ventilkolben 21; sie ergibt sich durch die Wirkung dieses
Drucks auf eine Ringfläche,
die ebenfalls mit dem Außendurchmesser
D24 der Verschlussplatte 24 und
dem Innendurchmesser D11 des Drosselschiebers 10 beschreibbar ist.
Diese zweite Kraft wirkt in Richtung weg von der Verschlussschraube 5 hin
zum Längskanal 3.
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Wenn
der Druck im Längskanal 3 ausreichend
größer als
der Druck im Kanal 2 ist, überwiegt somit die aus dem
Druck im Längskanal 3 resultierende
erste Kraft am Ventilkolben 21 sowohl die zweite Kraft
aus dem Druck im Querkanal 2 als auch die Kraft der Schieberfeder 20,
so dass der Ventilkolben 21 teleskopisch in den Drosselschieber 10 hinein
verschoben wird.
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Der
Drosselschieber 10 bleibt dagegen aufgrund des unter bestimmten
Bedingungen an ihm wirkenden Kräftegleichgewichts
in Richtung auf den Längskanal 3 ausgefahren.
Dabei wirken drei hydraulische Kräfte auf den Drosselschieber 10 ein.
Zunächst
wirkt als erste Kraft der Druck im Querkanal 2 am Drosselschieber 10 auf
eine Kreisringfläche,
deren Außendurchmesser
gleich dem Innendurchmesser D4 der Aufnahme-
und Führungsbohrung
bzw. gleich dem Außendurchmesser
des Drosselschiebers 10 in diesem Bereich ist und deren
Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser D11 des
Drosselschiebers ist. Die daraus resultierende Kraft wirkt gleichgerichtet
mit der Kraft der Schieberfeder 20 in Richtung der Verschlussschraube 5 auf
den Drosselschieber 10. Dieser Kraft ebenfalls gleichgerichtet wirkt
als zweite Kraft der Druck im anteiligen Ringraum 17b,
der durch das Druckbegrenzungsventil am Steuerkanal 19 beeinflusst
wird. Der Außendurchmesser
der dabei wirksamen Ringfläche
ist durch den Außendurchmesser
D13 des Steuerflanschs 13 am Drosselschieber 10 zu
beschreiben, welcher gleich ist dem Innendurchmesser der Aufnahme-
und Führungsbohrung
im Bereich des Ringraums 17. Der Innendurchmesser der Ringfläche ist gleich
dem Außendurchmesser
D10 des Drosselschiebers 10. Die
entscheidende dritte Kraft, die den Drosselschieber ausgefahren
hält, generiert
sich aus dem Druck im Längskanal 3,
der, wie schon zuvor beschrieben, bis in den anteiligen Ringraum 17a wirkt. Er
wirkt auf eine Ringfläche,
deren Außendurchmesser
gleich dem Außendurchmesser
D13 des Steuerflansches 13 am Drosselschieber 10 in
diesem Bereich ist und deren Innendurchmesser gleich dem Innendurchmesser
D11 des Drosselschiebers ist. Der Drosselschieber 10 bleibt
ausgefahren, wenn der Druck im Längskanal 3 dafür ausreichend
größer als der
Druck im Querkanal 2 ist. Dieser Zustand ist in 4 dargestellt.
Die Drosselwirkung des aus dem Drosselschieber 10 und dem
Ventilkolben 21 bestehenden Teleskoprohres ist damit fast vollständig wieder
aufgehoben, weil der Drosselkörper,
also das Teleskoprohr, verkürzt
ist, und es findet auch keine Regelung statt.
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Wird
schließlich
die Zufuhr von unter Druck stehender Hydraulikflüssigkeit zum Längskanal 2 eingestellt,
so nimmt die Ventilanordnung wieder die Ausgangsposition gemäß 1 ein.
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Die
beschriebene Ventilanordnung wirkt infolgedessen nur dann als Drosselventil,
wenn die Hydraulikflüssigkeit
durch den Querkanal 2 zu dem Längskanal 3 strömt und dabei
unter einem Druck steht, der oberhalb des Schwellenwertes liegt,
bei dem das Druckventil über
den Steuerkanal 19 anspricht. Bei entgegengesetzter Strömungsrichtung, also
vom Längskanal 3 zum
Querkanal 2 hingegen, kommt eine Drosselwirkung auch dann
nicht zustande, wenn die Hydraulikflüssigkeit unter einem Druck steht,
der höher
ist als der Schwellenwert für
das Druckbegrenzungsventil. Bei Drücken unterhalb des Schwellenwertes
nimmt der aus dem Drosselschieber 10 und dem Ventilkolben 21 bestehende
Drosselkörper
die Ausgangsposition gemäß 1 ein,
bei der der Drosselschieber 10 in die Verschlussschraube 5 eingefahren
ist und somit eine Drosselwirkung gleichfalls nicht zustande kommt,
und zwar unabhängig
von der Richtung, mit der die Hydraulikflüssigkeit gegebenenfalls die
Ventilanordnung durchströmt.
-
Aus
der vorangegangenen Beschreibung wird nunmehr auch deutlich, wie
die beschriebene Ventilanordnung in den geschlossenen Hydrokreislauf
eines hydraulischen Fahrzeugantriebs einzubauen ist. Es muss nämlich der
Längskanal 3 an
die Verstellpumpe und der Querkanal 2 an die zum Hydromotor
führende
Leitung angeschlossen sein. Wenn Hydraulikflüssigkeit unter hohem Druck
von der Verstellpumpe zu dem Hydromotor gefördert wird, so bleibt die Ventilanordnung
wirkungslos, weil der Drosselkörper
verkürzt
ist. Wenn jedoch bei entgegengesetzter Fahrtrichtung die mit der
erfindungsgemäßen Ventilanordnung
versehene Leitung die Rückleitung
ist, durch die die Hydraulikflüssigkeit
von dem Hydromotor zur Verstellpumpe zurückströmt, so bleibt die Ventilanordnung
nur so lange wirkungslos, wie der normale Fahrbetrieb herrscht und
die Hydraulikflüssigkeit
somit mit verringertem Druck von dem Hydromotor zur Verstellpumpe
zurückströmt. Sobald
das Fahrzeug jedoch in den Schlepp- oder Schiebebetrieb übergeht,
bewirkt der in dem Querkanal 2 sich aufbauende erhöhte Druck
der Hydraulikflüssigkeit,
dass das Druckbegrenzungsventil sich öffnet und daher der Drosselschieber 10 in
seine ausgefahrene Stellung in Richtung auf den Längskanal 3 hin übergeht.
Dann tritt die beabsichtigte Drosselwirkung ein, wobei ein erheblicher
Teil der Strömungsenergie
in Wärme
umgewandelt wird. Dieser Zustand regelt sich je nach Menge und Druck
der zurückströmenden Hydraulikflüssigkeit
von selbst und schützt den
Dieselmotor und die Verstellpumpe zuverlässig vor einem Überdrehen.
-
Im
Folgenden werden noch einige bauliche Abwandlungen besprochen, die
bei der erfindungsgemäßen Ventilanordnung
gleichfalls sinnvoll sein können.
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Der
Außendurchmesser
D24 muss nicht unbedingt genauso groß sein wie
der Außendurchmesser
D10 des Drosselschiebers an seinem äußeren Ende.
Sehr kleine Durchmesserunterschiede, die sich dann in unterschiedlichen
Durchmessern der Aufnahme- und Führungsbohrung 4 sowie
des Längskanals 3 äußern, können helfen,
die Ventilanordnung zu stabilisieren. Dabei kann es in erster Linie
sinnvoll sein, den Außendurchmesser
D24 der Verschlussplatte kleiner auszuführen als
den Außendurchmesser D10 des Drosselschiebers an seinem äußeren Ende. Im
Allgemeinen sind jedoch gute Ergebnisse zu erwarten, wenn die beiden
Durchmesser gleich groß ausgeführt werden.
-
Stabile
Strömungsverhältnisse
stellen sich am leichtesten dann ein, wenn die L-Form der Kanalführung streng
eingehalten wird, der Querkanal 2 somit genau senkrecht
zu dem Längskanal 3 verläuft. Ebenso
ist es wichtig, dass die Aufnahme- und Führungsbohrung 4 genau
in der Achsrichtung des Längskanals 3 verläuft.
-
Die
zu dem anteiligen Ringraum 17b führenden Öffnungen, also die radialen Öffnungen 38,
die axialen Öffnungen 39 sowie
das Radialspiel zwischen dem Steuerflansch 13 und dem Innendurchmesser
des Ringraums 17 sollen möglichst gering gehalten werden,
damit einerseits die angestrebte Drosselwirkung zum Steuern des
Drosselschiebers 10 zuverlässig zustande kommt, andererseits
aber auch die Verlustleistung nicht zu hoch wird. Eine zu hohe Verlustleistung
kann sich besonders dann störend
auswirken, wenn Hydraulikflüssigkeit
unter hohem Druck durch den Längskanal 3 zu
dem Querkanal 2 strömt.
Im Falle eines Fahrzeugantriebs kann sich das in unliebsamer Weise
in einer zu geringen Geschwindigkeit des Fahrzeuges äußern.
-
Die
erfindungsgemäße Ventilanordnung
bietet zunächst
zwei Funktionen: In der einen Strömungsrichtung gibt es freien
Durchfluss und in der entgegengesetzten Strömungsrichtung die einer Drosselung.
Eine dritte Funktion kann noch hinzukommen, wenn die Verschlussplatte 24 mit Öffnungen 40 an
ihrem Umfang versehen ist, die ein völlig dichtendes Trennen von
Querkanal 2 und Längskanal 3 nicht
zulassen. Diese Öffnungen 40 können beispielsweise
Ausnehmungen nach Art von Kerben oder durch Bohrungen sein. In diesem
Fall kommt auch eine Bypass-Wirkung zusätzlich zu der Drosselwirkung
hinzu, die in beiden Strömungsrichtungen wirksam
ist, sich aber besonders im Fall einer Strömung vom Querkanal 2 zum
Längskanal 3 positiv auswirkt.
-
- 1
- stationäres Teil
- 1a
- Längsachse
- 2
- Querkanal
- 3
- Längskanal
- 4
- Aufnahme-
und Führungsbohrung
- 5
- Verschlussschraube
- 6
- Zuganker
- 7
- Federteller
des Zugankers
- 8
- Schraubgewinde
des Zugankers
- 9
- Mehrkantprofil
- 10
- Drosselschieber
- 11
- Innenbohrung
des Drosselschiebers
- 12
- Abstufung
der Innenbohrung
- 13
- Steuerflansch
des Drosselschiebers
- 13a
- Steuerfläche
- 13b
- Steuerfläche
- 14
- Sicherungsring
- 15
- Mehrfach-Federteller
- 16
- ringförmiger Anschlag
- 17
- Ringraum
- 17a
- anteiliger
Ringraum
- 17b
- anteiliger
Ringraum
- 18
- ringförmige Stirnfläche der
Verschlussschraube
- 19
- Steuerkanal
- 20
- Schieberfeder
- 21
- Ventilkolben
- 22
- Rohrschaft
des Ventilkolbens
- 23
- Kolbenboden
- 24
- Verschlussplatte
- 25
- Durchgangsbohrung
des Kolbenbodens
- 26
- profilierter
Querschnitt
- 27
- Anschlagbund
des Rohrschafts
- 28
- innere
Stirnfläche
des Ventilkolbens
- 29
- Ventilkolbenfeder
- 30
- Längsbohrung
des Zugankers
- 31
- Querbohrung
des Zugankers
- 32
- Querbohrung
im Drosselschieber
- 33
- Innenraum
des Drosselschiebers
- 34
- Innenraum
des Ventilkolbens
- 35
- kreiszylindrische
Ausnehmung
- 36
- ringförmige Stirnfläche des
Drosselschieber
- 37
- Innenfläche der
Verschlussschraube
- 38
- radiale Öffnung
- 39
- axiale Öffnung
- 40
- Öffnung