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Die Erfindung betrifft ein Ventil, mit einem eine Ausnehmung aufweisenden Ventilgehäuse, in der ein von einer Druckfeder belasteter Ventilkörper verschiebbar angeordnet ist, der bei Beaufschlagung durch ein durch einen Einlass zugeführtes Druckmedium bei einem festgelegten Druck gegen die Druckfeder verschoben wird und das Ventil öffnet.
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Ventile dieser Art werden als Sicherheitsventil bei Maschinen eingesetzt, um zu verhindern, dass sich ein unzulässig hoher Druck aufbaut. Bei Überschreitung eines festgelegten höchstzulässigen Drucks wird die Druckfeder verschoben, sodass das unter Druck stehende Medium über eine Öffnung entweichen kann. Hohe Öffnungsdrücke erfordern allerdings vergleichsweise massiv ausgebildete Druckfedern. Erschwerend kommt hinzu, dass für manche Anwendungen ein Ventil benötigt wird, das bei einem bestimmten Druck öffnet und zum Beispiel bei einem um 10% erhöhten Druck vollständig geöffnet sein soll. Für derartige Anwendungen werden Druckfedern mit geringen Toleranzen benötigt, wodurch die Herstellung verteuert wird. Diese hohen Anforderungen erfüllen bisher nur komplizierte, anfällige und somit auch teure Ventile.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil anzugeben, bei dem der Öffnungsvorgang bei einem bestimmten Druck einsetzt und das bei einem bestimmten erhöhten Druck geöffnet ist.
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Zur Lösung dieser Aufgabe ist bei einem Ventil der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass zwischen dem Ventilkörper und der Ausnehmung ein Freiraum vorgesehen ist, der eine Fluidverbindung zur Stirnfläche des Ventilkörpers an der der Druckfeder entgegengesetzten Seite bildet.
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Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, dass der Öffnungsvorgang des Ventils durch eine vergleichsweise kleine Stirnfläche des Ventilkörpers ausgelöst werden kann, auf die das Druckmedium einwirkt. Das Druckmedium gelangt dabei über den Freiraum zwischen dem Ventilkörper und der Innenseite der Ausnehmung zu der Stirnfläche bzw. der Druck pflanzt sich bis zur Stirnfläche fort und übt auf die Stirnfläche eine axiale Kraft aus, die den Ventilkörper im Ventilgehäuse verschiebt, sodass das Druckmedium abfließen kann, wodurch der erhöhte Druck abgebaut wird.
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Eine besonders fertigungsgünstige Variante ergibt sich, wenn der Freiraum zwischen dem Ventilkörper und der Innenseite der Ausnehmung bei dem erfindungsgemäßen Ventil im Wesentlichen zylinderförmig ist. Das Druckmedium kann dann über den vorhandenen Ringraum auf die Stirnfläche des Ventilkörpers Druck ausüben, wodurch die Öffnungsbewegung ausgelöst wird.
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Gemäß einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils kann es vorgesehen sein, dass der Ventilkörper an seiner Stirnfläche eine zweite Ausnehmung aufweist, die einen Druckraum umgibt. Diese zweite Ausnehmung wird erst dann von dem Druckmedium beaufschlagt, wenn der Ventilkörper bereits aus der geschlossenen Stellung verschoben worden ist. Das Druckmedium gelangt anschließend über den Freiraum zwischen Ventilkörper und der Innenseite der Ausnehmung und die Stirnfläche in die zweite Ausnehmung und übt in axialer Richtung Druck auf den Ventilkörper aus. Die durch den Druck hervorgerufene axiale Kraft verschiebt den Ventilkörper noch stärker aus der geschlossenen Position gegen die Druckfeder, sodass das Ventil geöffnet wird. Von dem Beginn der Öffnungsbewegung bis zur vollständigen Öffnung des Ventils ist nur ein geringer Druckanstieg erforderlich.
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Eine besonders gute Funktion ergibt sich bei dem erfindungsgemäßen Ventil, wenn der Ventilkörper eine Dichtfläche aufweist, die bei geschlossenem Ventil einen Ventilsitz des Ventilgehäuses abdichtet. Durch den erfindungsgemäß vorgesehenen Ventilsitz wird sichergestellt, dass der Ventilkörper im geschlossenen Zustand den von dem Druckmedium gefüllten Raum zuverlässig abdichtet.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann es auch vorgesehen sein, dass das Ventilgehäuse einen die Druckfeder aufnehmenden Ventilraum aufweist, der einen Auslass für das Druckmedium aufweist. Über diesen Auslass kann das Druckmedium bei geöffnetem Ventil das Ventilgehäuse verlassen, wodurch der erhöhte Druck abgebaut wird.
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Eine weitere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils sieht vor, dass der Ventilkörper eine Durchgangsöffnung aufweist, die einen Kanal für das Druckmedium bildet. Das den erhöhten Druck aufweisende Druckmedium kann bei dieser Ausführung die Durchgangsöffnung des Ventilkörpers passieren und an dessen anderer Seite, die der Stirnfläche gegenüber liegt, austreten.
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Eine noch bessere Beeinflussung des Verhaltens des Ventils ist möglich, wenn im Ventilgehäuse ein axial verschiebbarer, als Drossel wirkender Zapfen angeordnet ist, mit dem die Durchgangsöffnung in dem Ventilkörper teilweise oder ganz verschließbar ist. Mit dem verstellbaren Zapfen kann die Größe der Durchgangsöffnung in dem Ventilkörper eingestellt werden, sodass der Zapfen wie eine Drossel wirkt, mit dem die Öffnungs- bzw. Schließgeschwindigkeit des erfindungsgemäßen Ventils eingestellt werden kann.
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In diesem Zusammenhang kann es auch vorgesehen sein, dass der Zapfen so weit in das Ventilgehäuse geschoben ist, dass er den Ventilkörper von dem Ventilsitz abhebt. In diesem Zustand wirkt das Ventil als Mengenregelventil, da das Druckmedium durch den eingestellten, konstanten Spalt zwischen dem Ventilkörper und dem Ventilsitz abfließen kann.
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Bei dem erfindungsgemäßen Ventil kann es auch vorgesehen sein, dass die Druckfeder sich an einem axial verstellbaren Federteller abstützt. Dadurch ergibt sich der Vorteil, dass der Druckfeder eine Vorspannkraft aufgeprägt werden kann, zudem kann der Öffnungsdruck des Ventils exakt eingestellt werden.
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Eine besonders vorteilhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Ventils ergibt sich, wenn der Einlass mit der Druckseite und der Auslass mit der Saugseite einer Pumpe verbunden ist. Das Ventil kann gegebenenfalls auch direkt am Gehäuse einer Pumpe angebracht sein. Falls es in dem Druckraum der Pumpe zu einer unerwünschten Druckerhöhung kommt, öffnet das Ventil bei einem eingestellten Überdruck, bei einem weiteren Anstieg des Drucks wird das Ventil vollständig geöffnet, sodass das Druckmedium über den Auslass des Ventils wieder zur Saugseite der Pumpe zurückfließen kann. Nachdem sich der Druck des Druckmediums entspannt hat, bewegt sich die Druckfeder selbsttätig in die Ausgangslage zurück, wodurch das Ventil geschlossen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert. Die Zeichnungen sind schematische Darstellungen und zeigen:
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1 ein erfindungsgemäßes Ventil in einer geschnittenen Ansicht;
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2 das in 1 gezeigte Ventil in geöffneter Stellung;
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3 das in 1 gezeigte Ventil, wenn es als Mengenregelventil verwendet wird;
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4 eine vergrößerte Ansicht eines Ausschnitts des erfindungsgemäßen Ventils im Bereich der Stirnfläche des Ventilkörpers;
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5 eine ähnliche Ansicht wie in 4 mit einer festen Drossel; und
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6 ein Ausführungsbeispiel mit einer einstellbaren Drossel.
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Das in 1 gezeigte Ventil 1 besteht im Wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 2, das an beiden Seiten durch Deckel 3, 4 verschlossen ist. Das Ventilgehäuse 2 weist einen Einlass 5 und einen Auslass 6 auf. Im Inneren des Ventilgehäuses 2 ist ein Ventilkörper 7 verschiebbar angeordnet. Der Ventilkörper 7 wird an einer Seite durch eine Druckfeder 8 beaufschlagt, die in einem Ventilraum 14 angeordnet ist und sich einerseits an der in 1 linken Stirnfläche des Ventilkörpers 7 und andererseits an einem Federteller 9 abstützt, der in dem Deckel 3 verstellbar angebracht ist. Durch eine Verstellung eines Schraubbolzens 10, der den Federteller 9 trägt, kann die axiale Position des Federtellers 9 eingestellt werden, wodurch der Druckfeder 8 eine bestimmte Vorspannung verliehen wird.
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Beim Betrieb des Ventils 1 ist der an den Einlass 5 angrenzende Druckraum 11 mit einem Druckmedium gefüllt, als Druckmedium kommen vorzugsweise Flüssigkeiten in Frage, die durch eine an den Einlass 5 angeschlossene Pumpe gefördert werden können. Der Ventilkörper 7 weist im Bereich des Druckraums 11 einen mittleren Abschnitt mit verringertem Durchmesser auf, sodass er an dieser Stelle über seinen gesamten Umfang von dem Druckmedium umgeben ist. An der in 1 linken Seite weist der Ventilkörper 7 eine umlaufende Dichtfläche 12 auf, die auf einem Ventilsitz 13 des Ventilgehäuses 2 aufliegt. Unter der Wirkung der von der Druckfeder 8 ausgeübten Vorspannkraft liegt die Dichtfläche 12 des Ventilkörpers 7 auf dem Ventilsitz 13 auf, wodurch der Druckraum 11 gegenüber dem Ventilraum 14, der mit dem Auslass 6 verbunden ist, abgedichtet wird. An seiner in 1 rechten Seite weist der Ventilkörper 7 einen gegenüber der Ausnehmung 15 verringerten Außendurchmesser auf, sodass zwischen der Innenseite der Ausnehmung 15 und dem Ventilkörper 7 ein im Wesentlichen ring- bzw. rohrförmiger Freiraum 16 gebildet ist, der sich bis zur Stirnfläche 17 des Ventilkörpers 7 erstreckt. An dieser Stelle befindet sich ein Zapfenkörper 18, der in dem Deckel 4 axial verstellbar angebracht ist und gemeinsam mit der Stirnfläche 17 des Ventilkörpers 7 und der Innenseite der Ausnehmung 15 des Ventilgehäuses 2 einen Druckraum begrenzt.
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Wenn der Druck des in dem Druckraum 11 enthaltenen Druckmediums steigt, pflanzt sich der Druck von dem Druckraum 11 über den Freiraum 16 bis zur Stirnfläche 17 des Ventilkörpers 7 fort. Der auf die Stirnfläche 17 einwirkende Druck ruft eine auf den Ventilkörper 7 einwirkende axiale Druckkraft hervor, sodass der Ventilkörper 7 gegen die Druckfeder 8 gedrückt wird. Erst wenn der auf die Stirnfläche 17 einwirkende Druck größer ist als die von der Druckfeder 8 ausgeübte entgegengesetzt gerichtete Druckkraft, bewegt sich der Ventilkörper 7 in der in 1 gezeigten Ansicht nach links. Die Druckkraft der Druckfeder 8 ist mittels der Schraube 10 auf einen festgelegten Wert eingestellt, bei der der Öffnungsvorgang des Ventils ausgelöst wird. Dieser Druckwert kann bei Bedarf auch zu einem späteren Zeitpunkt geändert oder eingestellt werden, ebenso kann das Ventil auf diese Weise kalibriert werden.
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Wenn der Ventilkörper 7 verschoben wird, wird die Dichtfläche 12 des Ventilkörpers 7 von dem Ventilsitz 13 weg bewegt, sodass das Medium von dem Druckraum 11 in den Ventilraum 14 strömen kann, wodurch sich das Druckmedium entspannt. Gleichzeitig entfernt sich die Stirnfläche 17 auf der rechten Seite des Ventilkörpers 7 von dem Zapfenkörper 18, an dem sie zuvor anlag. Dadurch strömt das Druckmedium auch in einen Druckraum 19, der in einer Ausnehmung 20 an der Stirnseite des Ventilkörpers 7 gebildet ist. Dementsprechend wirkt der Druck auch auf die parallel zur Stirnfläche 17 angeordnete Stirnfläche der Ausnehmung 20 ein, sodass der Ventilkörper 7 noch stärker gegen die Druckfeder 8 gedrückt wird. Dieses nicht proportionale Verhalten bewirkt, dass einerseits der Öffnungsdruck präzise durch die Vorspannung der Druckfeder 8 eingestellt werden kann, andererseits führt der auf die Stirnfläche in der Ausnehmung 20 einwirkende Druck dazu, dass das Ventil 1 schnell geöffnet wird, sodass der erhöhte Druck durch das Abströmen des Druckmittels schnell abgebaut werden kann.
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2 zeigt das Ventil 1 in geöffnetem Zustand. Das Druckmittel gelangt über den Einlass 5 in den Druckraum 11, von dort über den Freiraum 16 in den Druckraum 19. Der Zapfenkörper 18 weist an seinem inneren Ende einen Zapfen 21 auf, der bei geschlossenem Ventil 1 in eine Durchgangsöffnung 22 des Ventilkörpers 7 eingreift. In dem in 2 gezeigten geöffneten Zustand gelangt das Druckmittel von dem Druckraum 19 über die Durchgangsöffnung 22 in den Ventilraum 14 und verlässt das Ventil 1 über den Auslass 6.
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Zusätzlich gelangt das Druckmittel von dem Druckraum 11 über eine Öffnung 23, die zwischen dem Druckraum 11 und dem Ventilraum 14 angeordnet ist, in den Ventilraum 14, wodurch das Druckmittel entspannt wird.
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Der Zapfenkörper 18 ist mittels einer Gewindeschraube 24 von außen axial einstellbar, sodass der Spalt zwischen dem Zapfen 21 und der Durchgangsöffnung 22 präzise eingestellt werden kann. Dieser Spalt wirkt als Drossel, mit dem die Geschwindigkeit der Öffnungs- und Schließbewegung reguliert werden kann. Eine Verkleinerung des Drosselspalts führt dabei zu einer Verlangsamung des Öffnungs- bzw. Schließvorgangs.
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Der Zapfen 21 und der Zapfenkörper 18 bilden ein Bauteil, wodurch der Durchmesser und die Zapfenlänge festgelegt sind. Durch die funktionsbedingte Zustellung des Zapfenkörpers 18 zu dem Ventilkörper 7 entsteht der notwendige Druckraum 19. Je nachdem wie die Länge des Zapfens 21 am Zapfenkörper 18 und dessen Durchmesser gewählt sind, entsteht eine beabsichtigte Drosselstelle zwischen der Durchgangsöffnung 22 am Ventilkörper 7 und dem Zapfen 21.
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3 zeigt das Ventil 1, wenn es als Mengenregelventil verwendet wird. Die Gewindeschraube 24 ist dabei soweit eingeschraubt, dass der Zapfenkörper 18 an der Stirnfläche 17 des Ventilkörpers anliegt und diesen – auch wenn kein Druckmittel vorhanden ist – permanent aus der Endlage verschiebt, sodass die Dichtfläche 12 nicht mehr auf dem Ventilsitz 13 aufliegt und die Öffnung 23 freigegeben ist. In diesem Zustand kann das Druckmittel kontinuierlich durch den Querschnitt zwischen der Dichtfläche 12 und dem Ventilsitz 13 fließen. Durch den konstanten Querschnitt ist auch die Menge des durchströmenden Druckmittels konstant.
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4 zeigt den Bereich des Druckraums 19 in einer vergrößerten Ansicht. In dem in 4 dargestellten geschlossenen Zustand des Ventils liegt der Ventilkörper 7 an dem Zapfenkörper 18 an, der eine umlaufende Dichtung 25 aufweist.
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5 zeigt ein anderes Ausführungsbeispiel, bei dem der Zapfenkörper 18 an seinem inneren Ende einen Zapfen 21 aufweist, der in die Durchgangsöffnung 22 eingesetzt ist.
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6 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, bei dem ein Zapfen 26 gegenüber einem Zapfenkörper 27 axial einstellbar angeordnet ist. Überein Gewinde 28 kann der Zapfen 26 mehr oder weniger weit in den Zapfenkörper 27 eingeschraubt werden, wodurch die Drosselwirkung beeinflusst und das Öffnungsverhalten des Ventils 1 in gewünschter Weise angepasst werden kann.
