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Die
Erfindung betrifft einen Ventilkörper
gemäß der Gattung
der Patentansprüche
für Stellventile
die in hydraulischen und/oder pneumatischen Systemen verwendet werden.
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Bekanntlich
werden in einem Ventilblock ein Ventil oder mehrere Ventile gehaltert,
die mit einem oder mehreren Speichern verbunden sein können. Die
Ventile sind als Stellventile ausgebildet, wie sie bspw. in der
DE 2255272 B2 beschrieben
sind und die Speicher können
als sogen. Hydrospeicher gestaltet sein, wie etwa in W. Backe, Grundlagen
der Ölhydraulik,
10. Auflage 1994, Seite 291 ff. beschrieben sind. Derartige Membran-,
Blasen- oder Kolbenspeicher dienen als Dämpfer oder Federelemente, die
in der Lage sind, ein bestimmtes Flüssigkeits- oder Gasvolumen unter Druck aufzunehmen
und mit sehr geringen Verlusten wieder abzugeben. Von den genannten
Speichern sind hier besonders die Kolbenspeicher von Interesse,
weil sie zahlreiche Vorteile besitzen. Bspw. ermöglichen sie hohe Volumenströme und Betriebstemperaturen,
flexible Bauformen und gute Überwachungsmöglichkeiten,
weil die Kolbenpositionen leicht zu erfassen und anzuzeigen ist.
Wegen der Diskrepanz zwischen der zu gewährleistenden und der zu erreichenden
Dichtheit derartiger Kolbenspeicher bestehen Vorbehalte zu ihrem Einsatz
besonders da, wo ein stark beanspruchtes hydraulisches System über lange
Zeit wartungsfrei funktionsfähig
sein soll.
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Im
Allgemeinen sind die Speicher mit den Stellventilen über aufwändige Verrohrungen
verbunden, wodurch die Gefahr von Leckagen sehr hoch ist. Zur Verringerung
der Leckagegefahr ist in der
EP 1334280 B1 das Speichergehäuse unmittelbar
am Ventilblock mit seinen Schaltventilen und seiner Steuereinheit
befestigt. Erfahrungsgemäß beseitigt die
derartige Gestaltung eines Hydrospeichers aus zwei getrennten Baueinheiten
noch keinesfalls die Leckagegefahr. Außerdem besteht die Gefahr,
dass aus dem Fluidraum unwiederbringlich Fluid in den rückwärtigen Kolbenraum
entweicht und dort eingeschlossen wird. Dieser Vorgang kann nach Änderung der
Funktionscharakteristik bis zum kompletten Funktionsausfall des
Speichers führen.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung die aufgezeigten Mängel des
Standes der Technik durch eine einfache aber wirkungsvolle Gestaltung
des Ventilkörpers
zu umgehen, welche die Leckageverluste praktisch vermeidet.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten und/oder
dritten Patentanspruchs gelöst
und durch die Merkmale der Unteransprüche vorteilhaft ausgestaltet.
Die einstückige
Gestaltung des Ventilkörpers vermeidet
eine Schnittstelle zwischen Ventilraum und Speicherraum und die
damit verbundenen, sich früher
oder später
einstellenden Undichtheiten. Zur exakten Trennung der Teilräume ist
der Dichtungsring an der Mantelfläche des Kolbens erforderlich.
Diese Ringdichtung kann radial zweiteilig so gestaltet sein, dass
auf dem Kolben ein weicherer Teilring aufliegt, an den sich in Richtung
der Speicherinnenwand ein härterer
Teilring anschließt,
so dass die Abnutzung der Dichtung verringert wird.
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Die
Verbindungsleitung vom zweiten Teilraum zum Ventiltank kann mit
einer Verengung (Düse)
versehen sein, infolge deren die Dämpfungswirkung des Speichers
erhöht
wird. Ebenso ist es möglich,
die Dämpfungswirkung
des Speichers durch die Einführung
der Verbindungsleitung in den zweiten Teilraum an geeigneter Stelle
in der Nähe
einer Endlage des Kolbens zu erhöhen.
Vor allen Dingen wenn keine Verbindungsleitung vom zweiten Teilraum
des Speichers zum Ventiltank besteht, ist es notwendig, an der Mantelfläche des
Kolbens eine Dichtung anzubringen, welche die Teilräume besser
voneinander trennt.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung von
sechs in Axialschnitten dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen:
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1 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper mit
einer Feder als Druckmittel,
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2 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper mit
einem Fluid als Druckmittel,
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3 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper, bei
dem der zweite Teilraum mit dem Ventiltank durch einen Kanal mit
einer Verengung verbunden ist,
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4 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper, bei
dem die Verbindung von zweitem Teilraum und Ventiltank in der ventilabseitigen
Endlage des Speicherkolbens unterbrochen ist,
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5 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper mit
einer Tellerfeder als Druckmittel und
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6 einen
erfindungsgemäßen Ventilkörper, der
aus zwei hermetisch miteinander verbundenen Teilen besteht.
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In 1 ist
ein einstückiger
Ventilkörper 10 einerseits
mit Ausnehmungen 11, 12, 13 versehen, die
der Aufnahme mindestens eines Stellventils 14 bzw. als
Anschlüsse
zum Tank T und vom Druckgeber P dienen. Das Stellventil 14 hat
Durchströmungsöffnungen 141 und
Dichtungsringe 142, die entsprechend der Ventilstellung
bei seinem Betrieb wirksam sind. Die Ausnehmungen 11, 12, 13 sind
untereinander je nach der Ventilstellung verbunden. Andererseits
besitzt der aus einem Stück
bestehende Ventilkörper 10 einen
vorzugsweise zylindrischen als Speicherraum 15 mit einer
Achse X-X, wobei der Speicherraum 15 ventilseitig eine
verbindende Öffnung 16 zu
der Ausnehmung 11 und ventilabseitig eine durch einen Deckel 17 verschlossene Öffnung 101 aufweist.
Der Deckel 17 ist in die Öffnung 101 eingeschraubt
und kann mit einem Loch 172 versehen sein. Im Speicherraum 15 ist
ein mit einem Dichtungsring 183 versehener Kolben 18 in
Richtung eines Doppelpfeils 182 zwischen zwei Endlagen
entgegen der Wirkung einer, Schraubenfeder 19 bewegbar.
Der Kolben 18 teilt den Speicherraum 15 in zwei Teilräume 151 und 152 mit
veränderbaren
Größen, von
denen der erste Teilraum 151 sich auf der der Öffnung 16 zugewandten
Seite des Kolbens 18 und der zweite Teilraum 152 sich
auf der dem Deckel 17 zugewandten Seite des Kolbens 18 befindet.
Im Teilraum 151 befindet sich dasselbe Medium (Fluid) wie im
Ventil 14 bzw. wie in den Ausnehmungen 11, 12, 13.
Im Teilraum 152 befindet sich Luft, die mit der Umgebungsluft über das
Loch 172 in Verbindung steht. Deckel 17 und Kolben 18 sind
an ihren einander zugewandten Seiten mit Hohlräumen 171 und 181 versehen,
in denen sich die drückende
Schraubenfeder 19 befindet und gegen beide abstützt. Die Endlagen
der Kolbenbewegung sind durch die ventilseitige Begrenzungsfläche 153 des
Speicherraums 15 bzw. die Ringfläche 173 des Deckels 17 gegeben. Treten
beim Gebrauch des mindestens einen Ventils 14 stoßartige
Belastungen auf, so wirken diese in gleicher Weise auf den Kolben 18,
der in 1 so lange nach rechts verschoben wird, bis der
Druck der Feder 19 gleich dem Druck des Mediums im Ventil 14 bzw.
der verbindenden Öffnung 16 ist.
Dabei strömt Medium
durch die Öffnung 16 in
den ersten Teilraum 151 und vergrößert diesen, während die
Feder 19 zusammengedrückt
und der zweite Teilraum 152 verkleinert wird und dabei
Luft aus dem zweiten Teilraum 152 durch das Loch 172 im
Deckel 17 entweicht. Der in radialer Richtung aus zwei
Teilringen 1831 und 1832 bestehende Dichtungsring 183 verhindert
dabei, dass Medium in den Teilraum 152 und Luft in den Teilraum 151 gelangt.
Da der dem Kolben unmittelbar benachbarte Teilring 1831 aus
einem weichelastischen Material (Elastomer) und der an der Innenwand
des Speicherraums 15 gleitende Teilring 1832 aus
einem hartelastischen Material (z. B. PTFE oder Polyuretan) besteht,
ist gewährleistet,
dass die Dichtung straff an die Innenwand angedrückt wird, ohne schnell abgerieben
zu werden. Ist der Belastungsstoß vorüber, so finden die Medienströme und damit die
Bewegung des Kolbens 18 in umgekehrten Richtungen statt.
In jedem Fall findet schnell angepasst eine Dämpfung der Lastspitzen des
Ventils 14 statt.
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In 2 ist
in einem einstückigen
Ventilkörper 10 wieder
ein Speicherraum 15 vorgesehen, der einerseits über eine
Verbindungsöffnung 16 mit
Ausnehmungen 11 für
die Ventile 14 bzw. mit Ausnehmungen 12, 13 für die Druckanschlüsse P und
Tankanschlüsse
T verbunden ist. Andererseits ist der Speicherraum 15 mit
einem hohlen Deckel 17 verschlossen, in dessen Umfangsfläche 174 ein
Dichtungsring 175 eingelassen ist. Im Speicherraum 15 ist
ein hohler Kolben 18 verstellbar vorgesehen, in dessen
Umfangsfläche
ein bei allen Kolbenbewegungen wirkender Dichtungsring 183 zumindest teilweise eingelassen
ist. Der hohle Kolben 18 teilt den Speicherraum 15 in
zwei gegeneinander abgedichtete Teilräume 151, 152 von
wechselnder Größe. Der
erste der Teilräume 151 ist
mit dem Medium gefüllt,
das auch das Ventil 14 und die Ausnehmungen 11, 12, 13 durchströmt. Der
zweite Teilraum 152, der auch die Höhlungen 181 und 171 von
Kolben 18 und Deckel 17 umfasst, ist mit einer
Gasfüllung 20 versehen,
die durch die Dichtungsringe 175 und 183 den Teilraum 152 nicht
verlassen kann. Die kompressible Gasfüllung 20, bspw. Stickstoff,
hat die gleiche Wirkung wie die Feder 19 in 1,
nur dass ihr Kompressionsbereich nicht so groß ist wie der der Feder. Im übrigen gilt
das zu 1 Gesagte zumindest sinngemäß.
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In 3 ist
der Ventilkörper
mit den Ausnehmungen 11, 12, 13 für das Stellventil 14 sowie
die Anschlüsse
zum Ventiltank T bzw. vom Druckgeber P dargestellt. Der Anschluss
zum Verbraucher A ist verdeckt und nicht erkennbar. Der Speicherraum 15 wird durch
den federbelasteten Kolben 18 in zwei mit der Arbeitsdruckbelastung
sich ändernde
Teilräume 151, 152 geteilt.
Der zweite Teilraum 152 ist durch einen im Ventilkörper 10 gebohrten
Kanal 21 mit dem Ventiltankanschluss T verbunden. Insbesondere
wenn der Kolben 18 nicht mit einem Dichtungsring versehen
ist, gelangt das Medium aus dem ersten Teilraum 151 durch
einen Spalt 22 zwischen den Gleitflächen von Kolben 18 und
Speicherraum 15 hindurch in den zweiten Teilraum 152 und
von dort durch den mit einer düsenartigen
Verengung 211 versehenen Kanal 21 zum Tank T,
so dass kein Leckageverlust eintritt. Das Lecköl wird direkt ins System zurückgeführt. Bei dieser
Anordnung kann sich der Kolben 18 aufgrund der fehlenden
Dichtungsreibung quasi reibungslos und somit hysteresefrei bewegen.
Voraussetzung hierfür
ist allerdings, dass das Medium nicht durch die Schraubverbindung
zwischen Deckel 17 und Ventilkörper 10 hindurchtreten
kann, weshalb an der Umfangsfläche 174 des
Deckels 17 in der Nähe
der Ringfläche 173 ein
Dichtungsring 175 vorgesehen ist. Die Verengung 211 bewirkt
eine weitere Dämpfung
einer stoßartigen
Druckveränderung,
die von einem Verbraucher hervorgerufen werden kann. Auch zu diesem
Ausführungsbeispiel
gilt das zu 1 Gesagte sinngemäß.
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In 4 ist
bei sonst gleicher Gestaltung des Ventilkörpers 10 wie in 3 der
Einlauf 212 des Kanals 21 im Teilraum 152 so
in Richtung Stellventil 14 verschoben angeordnet, dass
dieser Einlauf 212 durch den Kolben 18 schon verschlossen
ist, bevor der Kolben 18 seine Endlage am Deckel 17 erreicht hat.
Es wird also die gewünschte
Dämpfung
in der Nähe
der Endlage über
den verbleibenden Spalt 22 zwischen dem Kolben 18 (ggf.
ohne Dichtungsring) und Speicherrauminnenfläche 102 realisiert.
Der Kanal 21 weist in diesem Fall keine Verengung wie in 3 auf.
Die Verstärkung
der Dämpfung
im gewünschten
Umfang wird durch das Verschließen
des Einlaufs 212 vor dem Erreichen der Endlage des Kolbens 18 am
Deckel 17 ermöglicht.
Damit an der Verbindung des Deckels 17 zum Ventilkörper 10 jede Undichtheit
ausgeschlossen ist, ist am Deckel ein Dichtungsring 175 vorgesehen.
Auch in diesem Fall gilt das zu den 1 und 3 Ausgeführte entsprechend.
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Selbstverständlich kann
die Anordnung auch so getroffen sein, dass der Einlauf 212 beim
Erreichen der Kolbenendlage am Deckel 17 noch nicht oder
gerade vollständig
verschlossen ist. Ebenso ist es möglich, die gemäß 4 veränderte Anordnung des
Einlaufs 212 mit der Kanalverengung gemäß 3 zu kombinieren.
Uberhaupt können
die Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele
in sinnvoller Weise im Rahmen der Erfindung miteinander kombiniert
werden.
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In 5 ist
der Ventilkörper 10 wieder
mit entsprechenden Ausnehmungen 11, 12, 13 für ein Ventil 14 und
Anschlüsse
zum Ventiltank T und Druckgeber P versehen. Außerdem enthält er einen Speicher mit dem
Speicherraum 15, in dem ein Kolben 18 parallel
zur Achse X-X in durch einen Doppelpfeil 182 angezeigten
Richtungen verstellbar ist, der den Speicherraum 15 in
zwei Teilräume 151 und 152 trennt,
zwischen denen im Rahmen der Passgenauigkeit zwischen dem Kolben 18 und
der zylindrischen Begrenzungsfläche 102 des
Speicherraums 15 ein Ringspalt 23 besteht. Der
Teilraum 151 ist mit der Ausnehmung 11 über eine Öffnung 16 verbunden. Der
Teilraum 152 ist durch einen Deckel 17 verschlossen,
welcher mit dem Ventilkörper 10 verschraubt
und bei dem ein Dichtungsring 175 für einen hermetischen Verschluss
sorgt. Vom Teilraum 152 führt ein winkelförmiger, über seine
gesamte Länge einen
im wesentlichen gleichen Querschnitt aufweisender Kanal 21 durch
den Ventilkörper 10 zur
Ausnehmung 12 und damit zu einem Tank T. Eine Tellerfeder 24 ist
im Teilraum 152 vorgesehen und stützt sich einerseits gegen den
Kolben 18 und andererseits gegen den Deckel 17 ab.
Die Tellerfeder 24 ist bestrebt, den Kolben 18 entgegen
dem von einem Druckgeber P erzeugten Druck gegen die Begrenzungsfläche 153 zu
drücken.
Der Druckgeber P kann den Kolben 18 maximal in eine Endlage
drücken,
in der dessen Stirnfläche 185 zum
Kontakt mit der Ringfläche 173 kommt
Die Flächen 153 und 173 legen also
die Endlagen der Kolbenbewegung fest. Dabei kann die Anordnung so
getroffen sein, dass der Kolben 18 den Einlauf zum Kanal 21 zunehmend
verschließt,
je näher
er seiner Endlage 173 kommt.
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Tritt
im Gebrauch des Stellventils 14 eine Druckänderung
auf, so wird diese dadurch gedämpft, dass
der Kolben 18 in Richtung seiner Endlage 173 verstellt
und dabei das in der Ausnehmung 11 und in dem Teilraum 151 befindliche
Druckmedium zu einem Teil durch den Ringspalt 23 in den
Teilraum 152 gepresst wird. Das durch den Ringspalt 23 gepresste Medium
kann durch den Kanal 21 und die Ausnehmung 12 im
Wesentlichen drucklos zum Tank T zurückfließen. Ein Verlust an Medium
tritt somit nicht ein.
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In 6 besteht
ein Ventilkörper 10 aus
zwei Teilen 103, 104, die mit Hilfe von Schrauben 26 und Dichtungsringen 25 fest
miteinander verbunden sind. Das Ventilkörperteil 103 beinhaltet
die mindestens eine Ausnehmung 11 für mindestens ein Stellventil 14 sowie
Ausnehmungen 12, 13 zum Anschluss für den Tank
T und das Druckmedium P. Außerdem
ist in das Teil 103 die Verbindungsleitung 16 und
ein Teil des Kanals 21 eingearbeitet. Die Ausnehmung 13, die
Verbindungsleitung 16 und der im Teil 104 befindliche
Speicherraum 15 haben eine gemeinsame geometrische Achse
X-X. Im Speicherraum 15 ist der Kolben 18 zwischen
zwei Endlagen 153 und 173 am Teil 103 bzw.
an einem mit dem Teil 104 verbundenen Deckel 17 in
Richtung eines Doppelpfeils 182 beweglich. Der durch den
Kolben 18 unterteilte Speicherraum 15 enthält im Teilraum 152 eine
Schraubenfeder 19, die sich einerseits gegen den hohlen
Kolben 18 und andererseits gegen den hohlen Deckel 17 abstützt. Zur
Abdichtung der Verbindung zwischen dem Speicherraumteil 104 und
dem Deckel 17 ist ein Dichtungsring 175 vorgesehen.
Im Übrigen
gilt das zu den bisherigen Figuren Gesagte sinngemäß.
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Wie
bereits zum Stand der Technik (
EP 1334280 B1 ) bekannt, besteht die Möglichkeit,
den Druck im Teilraum
152 über ein Steuerventil variabel zu
gestalten.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 10
- Ventilkörper
- 11,
12, 13, 15
- Ausnehmung
- 14
- Stellventil
- 15
- Speicherraum
- 16,
101
- Öffnung
- 17
- Deckel
- 18
- Kolben
- 19
- Schraubenfeder
- 20
- Gasfüllung
- 21
- Kanal
- 22
- Spalt
- 23
- Ringspalt
- 24
- Tellerfeder
- 25
- Dichtungsringe
- 26
- Schrauben
- 102
- zylindrische
Begrenzungsfläche
- 103,
104
- (Ventilkörper-)Teile
- 141
- Durchströmöffnungen
- 142
- Dichtungsringe
- 151,
152
- Teilraum
- 171,
181
- Hohlraum
- 172
- Loch
- 173
- Ringfläche
- 174
- Umfangsfläche
- 175,
183
- Dichtungsring
- 182
- Doppelpfeil
- 184
- Mantelfläche
- 185
- Stirnfläche
- 211
- Verengung
- 212
- Einlauf
- 1831,
1832
- Teilring
- P
- Druckgeber
- T
- Ventiltank,
Tank
- X-X
- Achse
des Ventilkörpers