DE102007015077A1

DE102007015077A1 - Schieberventil für Hydrauliksysteme

Info

Publication number: DE102007015077A1
Application number: DE200710015077
Authority: DE
Inventors: Philipp Hilzendegen; Peter Bruck
Original assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Current assignee: Hydac Fluidtechnik GmbH
Priority date: 2007-03-29
Filing date: 2007-03-29
Publication date: 2008-10-09
Also published as: WO2008119374A1

Abstract

Ein Schieberventil für Hydrauliksysteme, wie Proportional-Druckbegrenzungsventile oder Druckwaagen, mit einem vorzugsweise in Form einer Einschraubpatrone ausgebildeten Ventilgehäuse (1), in dem ein Ventilschieber (15) axial bewegbar ist und das eine Zuströmöffnung (3) aufweist, über die Fluid in das Ventilgehäuse (1) einströmbar ist, und mit zumindest einer in der Wand des Ventilgehäuses (1) ausgebildeten Abströmöffnung (23), die in Abhängigkeit von der Axialstellung des Ventilschiebers (15) durch diesen verschließbar oder für das Abströmen von Fluid aus dem Ventilgehäuse (1) freigebbar ist, ist dadurch gekennzeichnet, dass eine in die Innenwand des Ventilgehäuses (1) eingearbeitete Ringnut (27) vorhanden ist, die bezüglich ihrer Axialposition auf Höhe der zumindest einen Abströmöffnung (23) derart positioniert ist, dass eine Steuerkante (21) des Ventilschiebers (15) bei dessen Bewegung aus der die Abströmöffnung (23) verschließenden Stellung in die freigebende Stellung die Ringnut (27) überläuft.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schieberventile für Hydrauliksysteme, wie Proportional-Druckbegrenzungsventile oder Druckwaagen, mit einem vorzugsweise in Form einer Einschraubpatrone ausgebildeten Ventilgehäuse, in dem ein Ventilschieber axial bewegbar ist und das eine Zuströmöffnung aufweist, über die Fluid in das Ventilgehäuse einströmbar ist, und mit zumindest einer in der Wand des Ventilgehäuses ausgebildeten Abströmöffnung, die in Abhängigkeit von der Axialstellung des Ventilschiebers durch diesen verschließbar oder für das Abströmen von Fluid aus dem Ventilgehäuse freigebbar ist.
Ventile dieser Art weisen mehrere vorteilhafte Eigenschaften auf, beispielsweise gutes und stabiles Schaltverhalten auch bei hohem Druckniveau und kompakte Bauweise, die es bei Ausbildung des Ventilgehäuses als Einschraubpatrone ermöglicht, eines oder mehrere Ventile raumsparend durch Einschrauben in einen Anschlußblock in eine gesamthydraulische Anlage zu integrieren. Solche Ventile kommen daher weit verbreitet bei Hydrauliksystemen verschiedener Art zum Einsatz, beispielsweise bei hydraulischen Antriebssystemen wie Fahrantriebe, Linearantriebe und dergleichen.
Beim Betrieb können sich, insbesondere bei hohen Druckdifferenzen, im Bereich zwischen Steuerkante des Ventilschiebers und dem Rand betreffender Abströmöffnungen derart hohe Strömungsgeschwindigkeiten ergeben, dass der Dampfdruck des betreffenden Hydrauliköles lokal unterschritten wird. Dadurch werden im Hydrauliköl gelöste Flüssigkeiten und Gase ausgedampft und sammeln sich in Kavitationsbläschen. Diese Kavitationsbläschen sind trotz enormen Unterdruckes, der in ihnen herrscht, stabil, so dass sie, auch wenn der Dampfdruck wieder erreicht ist, nicht zerplatzen, sondern mit der Strömung wandern, bis sie im Hydrauliksystem durch äußere Einflüsse zum Implodieren gebracht werden. Dies kann in Gebieten geschehen, in denen ein höherer Druck herrscht oder wo die Kavitationsbläschen auf Wände treffen. Beim Zerplatzen an Wänden bildet sich aufgrund des Unterdruckes in den Bläschen ein Flüssigkeitsstrahl (Mikro-Jet), der beim Auftreffen die Festigkeitsgrenzen von Metallen, wie Aluminium oder Stahl, überschreitet. Es erfolgt eine Kavitationserosion durch Abtragen von Material. Als Folgen der Kavitationserosion ergeben sich nicht nur eine Ölverschmutzung, sondern Störungen, gefolgt von Systemausfällen bis hin zum Ölaustritt aus dem Anschluß- oder Steuerblock.
Im Hinblick auf diese Problematik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Schieberventil zur Verfügung zu stellen, dessen Bauweise zu einer Verringerung von Kavitationserscheinungen führt.
Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Schieberventil gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
Gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 besteht eine Besonderheit der Erfindung darin, dass auf Höhe der betreffenden Abströmöffnungen in die Innenwand des Ventilgehäuses eine Ringnut eingearbeitet ist. Öffnet das Ventil, dann strömt Hydrauliköl in die Ringnut ein sowie an den Abströmöffnungen aus dem Ventilgehäuse heraus. Durch das Zusammenfließen der beiden Seitenströmungen aus der Ringnut und der Strömung über die Steuerkante des Ventilschiebers an den Abströmöffnungen entsteht ein lokales Druckmaximum, durch das gegebenenfalls entstandene Kavitationsbläschen zerbersten, bevor sie in das System einwandern wo sie beim Implodieren Mikro-Jets erzeugen würden, die eine Erosion bewirken könnten.
Bei Ausführungsbeispielen, die für größere Volumenströme vorgesehen sind, können um den Umfang des Ventilgehäuses in regelmäßigen Abständen verteilt mehrere, auf gleicher Höhe gelegene, durch Querbohrungen in der Wand des Ventilgehäuses gebildete Abströmöffnungen vorhanden sein.
Auch kann die Anordnung so getroffen sein, dass das Ventilgehäuse an dem der Steuerkante des Ventilschiebers benachbarten Ende offen ist und mit dem offenen Ende die Zuströmöffnung bildet, über die Fluid in Axialrichtung einströmbar ist. Eine solche Gestaltung ist besonders vorteilhaft, wenn das Ventilgehäuse eine Einschraubpatrone bildet, mit deren offenem Ende beim Einschrauben in einen Anschlußblock unmittelbar die Anschlußverbindung der Zuströmöffnung mit dem Zuströmkanal hergestellt wird.
Als besonders wirksam für die Kavitationsreduzierung hat sich die Ausbildung der Ringnut in Form einer Profilnut mit einem ebenen Nutgrund erwiesen, der eine Ringfläche mit über ihre axiale Erstreckung gleich bleibendem Radius bildet.
Bei derartigen Ausführungsbeispielen lassen sich besonders gute Ergebnisse erzielen, wenn die sich an den Nutgrund anschließenden Seitenflächen der Ringnut schräge Ringflächen sind, die die Gesamtbreite der Ringnut gegenüber der Breite des Nutgrundes vergrößern. Eine solche Gestaltung führt zu einer besonders effektiven Seitenströmung entlang der Ringnut, so dass an der Steuerkante der Abströmöffnungen lokale Druckmaxima das Zerbersten möglicherweise gebildeter Kavitationsbläschen begünstigen. Zur Strömungsoptimierung können hierbei die schrägen Flächen unterschiedliche Winkel mit der Längsachse des Ventilgehäuses einschließen.
Bei Ausführungsbeispielen, die sich durch eine besonders hohe Effizienz auszeichnen, befindet sich der Nutgrund der Ringnut bezüglich seiner Axialposition geringfügig jenseits desjenigen Randes der Abströmöffnungen, welcher beim Öffnen des Ventils von der Steuerkante des Ventilschiebers zuerst freigegeben wird, wobei die Axialposition in besonders vorteilhafter Weise so gewählt sein kann, dass die axialen Endränder der Ringnut beidseits dieses Randes der Abströmöffnungen gelegen sind.
Nachstehend ist die Erfindung anhand der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
1 einen abgebrochen, in übertrieben großem Maßstab und stark schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt des endseitigen Abschnittes eines erfindungsgemäßen Ventils mit als Einschraubpatrone gestaltetem Ventilgehäuse, wobei, um das Verständnis der Erfindung zu erleichtern, nicht erfindungswesentliche Bauteile weggelassen sind;
2 einen gegenüber 1 in kleinerem Maßstab dargestellten Längsschnitt eines Ausführungsbeispieles des erfindungsgemäßen Schieberventiles und
3 einen gegenüber 2 in etwa 3 ½-fach größerem Maßstab gezeichnete Teildarstellung des in 2 mit III bezeichneten Bereiches.
Anhand der Zeichnung ist die Erfindung am Beispiel eines Proportional-Ventiles erläutert, das in 2 in Längsschnitt dargestellt ist, und, wie dort gezeigt, ein als Einschraubpatrone gestaltetes Ventilgehäuse 1 aufweist. Dieses ist am in der Zeichnung unteren, d. h. beim Einschrauben in einen zugeordneten Anschlußblock einer gesamthydraulischen Anlage innenliegenden Ende offen und bildet hier eine Fluidzuströmöffnung 3. Bei der Darstellung von 2 ist eine elektromagnetische Ventil-Steuereinrichtung weggelassen, die an dem der Zuströmöffnung 3 entgegengesetzten Ende 5 des Ventilgehäuses 1 angebracht ist. Die nähere Beschreibung erübrigt sich, weil die Steuereinrichtung von der in der einschlägigen Technik an sich bekannten Bauart sein kann, beispielsweise so aufgebaut sein kann, wie dies in DE 10 2005 006 321 A1 aufgezeigt ist. Entsprechend dieser Bauweise kann das Ende eines Polrohres in das Ende 5 des Ventilgehäuses 1 eingeschraubt sein, wobei eine durch einen im Polrohr bewegbaren Magnetanker gesteuerte Betätigungsstange über ein Druckstück 7 auf eine Kraftspeicherfeder 9 einwirkt, die wiederum auf einen eine Vorsteuerstufe bildenden Körper 11 einwirkt, der wiederum über eine einen weiteren Energiespeicher bildende Feder 13 mit dem den Haupt-Steuerkolben bildenden Ventilschieber 15 gekoppelt ist. Der Vorsteuerkörper 11 bildet in der an sich bekannten Weise einen Fluidraum 17, aus dem ein nicht gezeigter Fluidkanal zur Außenseite des Ventilgehäuses 1 führt, und der Körper 11 und der Ventilschieber 15 bilden einen inneren, axialen Fluiddurchgang mit Drosselstellen 19. Die sich bei dieser Bauweise ergebende Steuerfunktion zur Erzeugung der Axialbewegungen des Ventilschiebers 15 ist allgemein bekannt, vgl. DE 10 2005 006 321 A1 , daher wird hierauf nicht näher eingegangen.
Die 2 zeigt den Zustand, bei dem sich der Ventilschieber 15 in einer, bezogen auf die Blickrichtung der 2, in einer angehobenen Axialposition befindet, bei der das Ventil geöffnet ist. Wie dargestellt, befindet sich die Steuerkante 21 des Ventilschiebers 15 in einer Axialposition, bei der eine Fluidverbindung zwischen Zuströmöffnung 3 und Abströmöffnungen 23 gebildet ist, die durch Querbohrungen gebildet sind, die um den Umfang des Ventilgehäuses 1 regelmäßig verteilt angeordnet sind.
1 zeigt in Form einer stark schematisch vereinfachten Prinzipdarstellung den Zustand, bei dem, anders als bei 2, das Ventil nicht weit geöffnet ist, sondern der Ventilschieber 15 in Axialposition bewegt ist, bei der seine Steuerkante 21 lediglich geringfügig über den unteren Rand 25 der Abströmöffnungen 23 nach oben angehoben ist, so dass jeweils nur ein schmaler Öffnungsspalt gebildet ist. Insbesondere bei einem Betrieb mit hohen Druckdifferenzen ergeben sich im Spaltbereich zwischen Steuerkante 21 und dem Rand 25 der Abströmöffnungen 23 so hohe Strömungsgeschwindigkeiten, dass der Dampfdruck des Hydraulikfluides lokal unterschritten wird und sich gegebenenfalls Kavitationsbläschen bilden. Als eine wirksame Maßnahme, um eine Abwanderung von Kavitationsbläschen zu verhindern, ist, wie insbesondere aus 1 und 3 zu ersehen ist, eine Ringnut 27 in die Innenwand des Ventilgehäuses 1 eingearbeitet, und zwar in einer Axialposition, die auf den Bereich des unteren Randes 25 der Abströmöffnungen 23 ausgerichtet ist. Wird nun im Zuge des Öffnens des Ventils ein Spalt zwischen Steuerkante 21 und dem Rand 25 der Abströmöffnungen gebildet, so strömt das Fluid sowohl in die Ringnut 27, und in dieser in Richtung der Strömungspfeile 29, als auch an den Abströmöffnungen 23 aus dem Ventilgehäuse 1. Durch das Zusammentreffen der Seitenströmungen aus der Ringnut 27 und der Strömung über die Steuerkante 21 am Rand 25 der Abströmöffnungen 23 entsteht ein lokales Druckmaximum, das gegebenenfalls entstandene Kavitationsbläschen zum Bersten bringt. Somit werden eine Abwanderung von Kavitationsbläschen und eine dadurch bedingte Kavitationserosion weitestgehend vermieden.
Wie der vergrößerten Teildarstellung von 3 entnehmbar ist, ist die Ringnut 27 als Profilnut gestaltet, mit einem ebenen Nutgrund 31, der eine Ringfläche mit über ihre axiale Erstreckung gleichbleibendem Radius bildet. Die Seitenwände der Ringnut 27 sind Schrägflächen 33 und 35, die vom Nutgrund 31 ausgehend divergieren, so dass die axiale Gesamtbreite der Ringnut 27 größer ist als die Breite des Nutgrundes 31. Wie sich gezeigt hat, ergibt sich eine besonders gute Effizienz, wenn die Schrägflächen 33 und 35 unterschiedliche Winkel mit der Längsachse einschließen, genauer gesagt, wenn die der Zuströmöffnung 3 nächstgelegene Schrägfläche 35 mit der Längsachse einen spitzeren Winkel einschließt als die weiter innenliegende Schrägfläche 33. Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausfüh rungsbeispiel sind die Winkelbeträge in 3 mit 30° bzw. 45° angegeben.
Wie ebenfalls 3 deutlich zeigt, ist die Axialposition der Ringnut 27 so ausgerichtet, dass der Öffnungsrand 25 der Abströmöffnungen etwa auf Höhe des Überganges zwischen Nutgrund 31 und äußerer Schrägfläche 35 gelegen ist, d. h. dass die beiden axialen Endränder der Ringnut 27 oberhalb, nämlich an der Schrägfläche 33, bzw. unterhalb, nämlich an der Schrägfläche 35, des Randes 25 der Abströmöffnungen 23 gelegen sind.
Eine Besonderheit des erfindungsgemäßen Schieberventils ist auch darin zu sehen, dass durch die Ringnut 27 sich das Schließverhalten des Ventils verbessert, weil die sog. Schließhysterese geringer wird. Beim Schließen des Ventils, also beim Überfahren des Kolbens in Form des Ventilschiebers 15 über die Nut 27, wird der angesprochene Kolben in Längsrichtung des Ventils betrachtet zentriert. Würde der Ventilschieber 15 in Schieflage über die Nut 27 fahren, so würde dort, wo der entstehende Nutspalt dann enger wird, ein höheres Druckgefälle entstehen und die hieraus resultierenden Kräfte wirken dann zentrierend auf den Kolben ein. Der dahingehende Effekt stellt sich auch ein, wenn der Kolben nicht vollständig die Ringnut 27 überfahren sollte.
Sind mit dem erfindungsgemäßen Ventil hohe Fluiddurchflußmengen zu beherrschen, kann es Sinn machen, in Blickrichtung auf die Figuren gesehen die Ringnut 27 höher anzubringen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 102005006321 A1 [0016, 0016]

Claims

Schieberventil für Hydrauliksysteme, wie Proportional-Druckbegrenzungsventile oder Druckwaagen, mit einem vorzugsweise in Form einer Einschraubpatrone ausgebildeten Ventilgehäuse (1), in dem ein Ventilschieber (15) axial bewegbar ist und das eine Zuströmöffnung (3) aufweist, über die Fluid in das Ventilgehäuse (1) einströmbar ist, und mit zumindest einer in der Wand des Ventilgehäuses (1) ausgebildeten Abströmöffnung (23), die in Abhängigkeit von der Axialstellung des Ventilschiebers (15) durch diesen verschließbar oder für das Abströmen von Fluid aus dem Ventilgehäuse (1) freigebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine in die Innenwand des Ventilgehäuses (1) eingearbeitete Ringnut (27) vorhanden ist, die, bezüglich ihrer Axialposition, auf Höhe der zumindest einen Abströmöffnung (23) derart positioniert ist, dass eine Steuerkante (21) des Ventilschiebers (15) bei dessen Bewegung aus der die Abströmöffnung (23) verschließenden Stellung in die freigebende Stellung die Ringnut (27) überläuft.
Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass um den Umfang des Ventilgehäuses (1) in regelmäßigen Abständen verteilt mehrere, auf gleicher Höhe gelegene, durch Querbohrungen in der Wand des Ventilgehäuses (1) gebildete Abströmöffnungen (23) vorhanden sind.
Schieberventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) an dem der Steuerkante (21) des Ventilschiebers (15) benachbarten Ende offen ist und mit dem offenen Ende die Zuströmöffnung (3) bildet, über die Fluid in Axialrichtung einströmbar ist.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (27) in Form einer Profilnut mit einem ebe nen Nutgrund (31) ausgebildet ist, der eine Ringfläche mit über ihre axiale Erstreckung gleichbleibendem Radius bildet.
Schieberventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die sich an den Nutgrund (31) anschließenden Seitenflächen der Ringnut schräge Ringflächen (33, 35) sind, die die Gesamtbreite der Ringnut (27) gegenüber der Breite des Nutgrundes (31) vergrößern.
Schieberventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die schrägen Flächen (33, 35) unterschiedliche Winkel mit der Längsachse des Ventilgehäuses (1) einschließen.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Nutgrund (31), bezüglich seiner Axialposition, geringfügig jenseits desjenigen Randes (25) der Abströmöffnungen (23) befindet, welcher beim Öffnen des Ventils von der Steuerkante (21) des Ventilschiebers (15) zuerst freigegeben wird.
Schieberventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die axialen Endränder der Ringnut (27) beidseits dieses Randes (25) der Abströmöffnungen (23) gelegen sind.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (15) beim Öffnen oder Schließen des Ventils die Ringnut (27) zumindest teilweise überfährt.