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Die Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungsventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Bei bekannten Druckbegrenzungsventilen, bei denen ein Federraum mit einem Druckmittel beaufschlagbar ist, über das eine Druckkraft auf einen Ventilkolben in Richtung eines Ventilsitzes aufbringbar ist, insbesondere bei vorgesteuerten Druckbegrenzungsventilen, kann es, beispielsweise bedingt durch Strömungskräfte, zu einer hochfrequenten Druckpulsation des Ventileingangsdrucks im Druckmittelzulaufkanal kommen. Dadurch wirkt eine hochfrequent Störkraft am Kolbenboden des Ventilkolbens, was zu einem hochfrequenten Schwingen des Ventilkolbens führen kann.
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Nachteilig daran ist, dass sich dieses hochfrequente Schwingen in einem unangenehmen Pfeifgeräusch, dem sogenannten Ventilpfeifen, äußern kann.
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Die
DE 43 04 769 A1 zeigt ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil mit einem Hauptkolben, der außer durch ein Federelement durch einen in einem rückwärtigen Steuerraum herrschenden und durch ein Vorsteuerventil beeinflussbaren Druck in Schließrichtung beaufschlagbar ist. Dabei ist der Steuerraum mit dem Vorsteuerventil und über eine in einer Steuerleitung angeordnete erste Düse mit einem Systemanschluss verbunden. Um Kavitationserosion und einen damit zusammenhängenden Verschleiß am Hauptkolben und am damit zusammenwirkenden Ventilsitz zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Steuerleitung in mehreren in Reihe zur ersten Düse und parallel zueinander geschalteten zweiten Düsen in den Systemanschluss mündet. Maßnahmen zur Verhinderung eines hochfrequenten Schwingens des Hauptkolbens sind nicht offenbart.
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Dem gegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu Grunde, ein Druckbegrenzungsventil zu schaffen, bei dem ein hochfrequentes Schwingen des Ventilkolbens verhindert wird.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Druckbegrenzungsventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
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Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils sind in den weiteren Unteransprüchen beschrieben.
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Ein Druckbegrenzungsventil gemäß der vorliegenden Erfindung enthält einen Ventilkolben, der einen Federraum begrenzt, in dem eine Ventilfeder angeordnet ist. Der Ventilkolben ist über die Ventilfeder an einen Ventilsitz des Druckbegrenzungsventils drückbar, und er ist von dem Ventilsitz abhebbar. Der Federraum ist mit einem eingangsseitigen Druckmittel beaufschlagbar, über das eine weitere Schließkraft auf den Ventilkolben in Richtung des Ventilsitzes aufbringbar ist. Erfindungsgemäß ist eine Schwingungsverhinderungseinrichtung zum Verhindern einer hochfrequenten Schwingung des Ventilkolbens an einem Kolbenboden des Ventilkolbens vorgesehen.
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Mit der Schwingungsverhinderungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung an dem Ventilkolben ist ein hochfrequentes Schwingen des Ventilkolbens verhinderbar und somit eine Ursache für das Ventilpfeifen beseitigt.
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Durch die dauerhafte, insbesondere ungedrosselte, Verbindung des eingangsseitigen Druckmittels, insbesondere eines Zulaufkanals, mit dem Federraum kann das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil auch als Stromregelventil wirken.
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Vorteilhafterweise ist an der Schwingungsverhinderungseinrichtung eine Druckfläche vorgesehen, die mit einem elastischen Element in Wirkverbindung steht.
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Die Schwingungsverhinderungseinrichtung kann konzentrisch an dem Kolbenboden angeordnet sein. Eine konzentrische Anordnung hat den Vorteil, dass die Schwingungsverhinderungseinrichtung keine asymmetrischen Einflüsse auf den Ventilkolben ausübt. Wenn konstruktiv erforderlich, kann alternativ dazu die Schwingungsverhinderungseinrichtung außermittig am Kolbenboden angeordnet sein. Gegebenenfalls können dabei geeignete Maßnahmen gegen asymmetrische Einflüsse auf den Ventilkolben ergriffen werden.
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Die hochfrequente Schwingung des Ventilkolbens kann aufgrund einer Druckwelle in einem Zulaufkanal zu dem Druckbegrenzungsventil verursacht sein.
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Vorteilhafterweise ist die Druckwelle in dem Zulaufkanal, die insbesondere eine hochfrequente Störkraft bewirkt, über die Schwingungsverhinderungseinrichtung zumindest teilweise in den Federraum leitbar oder übertragbar. Somit ist eine Schwingungsanregung des Ventilkolbens verhindert. Der Ventilkolben verharrt idealerweise in seiner stationären Lage, zum Beispiel gegen den Ventilsitz gedrückt, solange die auf den Kolbenboden wirkende Druckkraft aus der Druckmittelbeaufschlagung über den Zulaufkanal nicht größer ist als die der Druckkraft entgegengerichtete auf den Ventilkolben wirkende Schließkraft.
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Die Schwingungsverhinderungseinrichtung ist vorteilhafterweise als ein Masse-Feder-System ausgebildet. Dadurch kann die hochfrequente Druckpulsation im Zulaufkanal auf das Masse-Feder-System übertragen werden, das bevorzugt anstelle des Ventilkolbens zur Schwingung angeregt wird.
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Die Schwingungsverhinderungseinrichtung kann als ein Ausgleichskolben mit einer Ausgleichsfeder oder als eine Membran ausgebildet sein. Vorteilhafterweise ist der Ausgleichskolben auf beiden Seiten des Kolbenbodens mit jeweils einer Ausgleichsfeder abgestützt und ragt zumindest abschnittsweise in den Zulaufkanal und in den Federraum hinein. Eine in dem Kolbenboden angeordnete Membran, insbesondere mit einer in ihrem Zentrum konzentrierten Masse, ist wegen ihrer Elastizität zum Schwingen anregbar und deswegen für sich genommen ein Masse-Feder-System. An ihrem Umfang gelagert, ist die Membran bevorzugt derart an dem Kolbenboden angeordnet, dass ihre Schwingungsbewegungen einerseits in Richtung Federraum und andererseits in Richtung Zulaufkanal gerichtet sind.
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Bevorzugt ist ein Hub des Ausgleichskolbens kleiner als ein Hub des Ventilkolbens. Bei einer derartigen Auslegung der Hubverhältnisse hat der Ausgleichskolben keine Auswirkung auf die Öffnungs- und Schließbewegung des Ventilkolbens, wenn keine Störkraft wirkt.
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Alternativ dazu kann die Schwingungsverhinderungseinrichtung als ein schwingungsabsorbierend gestalteter Kolbenboden ausgebildet sein, von dem vorteilhafterweise eine hochfrequente Druckpulsation in dem Zulaufkanal aufgenommen ist, ohne dass der Ventilkolben zu Schwingungen angeregt ist.
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Der Kolbenboden kann über eine, insbesondere elastische, schwingungsabsorbierende Schicht vom Ventilkolben entkoppelt sein. Bei dieser Ausgestaltung kann sich ein doppelter Kolbenboden ergeben. Die schwingungsabsorbierende Entkoppelung des Kolbenbodens bewirkt vorteilhafterweise eine Isolation des Ventilkolbens gegen Körperschall, wenn die Eigenfrequenz des Teilsystems aus Kolbenboden und elastischer schwingungsabsorbierender Schicht deutlich unter der Frequenz des Ventilpfeifens von etwa 5 kHz liegt.
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Vorteilhafterweise ist die Schwingungsverhinderungseinrichtung derart ausgelegt, dass Druckschwankungen zwischen Federraum und Zulaufkanal von ca. 10 bis 18% über die Schwingungsverhinderungseinrichtung ausgleichbar sind. Ventilpfeifen wird insbesondere durch Druckschwankungen in dieser Größenordnung zwischen Federraum und Zulaufkanal ausgelöst.
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Vorteilhafterweise ist die Schließkraft auf den Ventilkolben zumindest teilweise einstellbar. Dies kann über eine einstellbare Vorspannung der Ventilfeder oder über einen Vorsteuerdruck erfolgen.
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Der Zulaufkanal ist vorteilhafterweise über eine, insbesondere einstellbare, Düse mit dem Federraum verbunden, wobei die Düse an dem Kolbenboden oder an einem Gehäuse des Druckbegrenzungsventils angeordnet sein kann. Die Düse wirkt zeitverzögernd für die weitere Schließkraft. Damit kann das Druckbegrenzungsventil kurzfristig oder übergangsweise als reines Druckbegrenzungsventil wirken.
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Vorteilhafterweise ist das Druckbegrenzungsventil ein vorgesteuertes Druckbegrenzungsventil, bei dem der Federraum nicht nur eine, insbesondere einstellbare, Verbindung mit dem Zulaufkanal aufweist, sondern auch eine dem Federraum nachgeschaltete, insbesondere einstellbare und/oder steuer- oder regelbare, Verbindung mit einem Druckmittelreservoir hat.
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Zwei Ausführungsbeispiele eines erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventils sind in den Zeichnungen dargestellt. Anhand dieser Ausführungsbeispiele wird die Erfindung nun näher erläutert.
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Es zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt und
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2 ein zweites Ausführungsbeispiel in einem Längsschnitt.
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Das Druckbegrenzungsventil 1 gemäß 1 enthält einen Federraum 2, der in radialer Richtung von einer Kolbenbuchse 4 umschlossen ist. In der Kolbenbuchse 4 ist ein Ventilkolben 6 axial verschiebbar geführt und von einer Ventilfeder 8 mit einer Schließkraft in Richtung eines Ventilsitzes 10 des Druckbegrenzungsventils 1 beaufschlagt.
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Von einem Zulaufkanal 12 her ist der Ventilkolben 6 mit einem eingangsseitigen Druckmittel beaufschlagbar, und sobald dessen auf einen Kolbenboden 14 wirkende Druckkraft größer ist als die der Druckkraft entgegenwirkenden Schließkraft der Ventilfeder 8 hebt der Ventilkolben 6 von dem Ventilsitz 10 ab. Das Druckmittel kann dann von dem Zulaufkanal 12 in einen nicht dargestellten Tank ablaufen. Auf diese Weise ist ein Systemdruck begrenzbar.
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Über eine nicht dargestellte Düse ist der Federraum 2 mit dem eingangsseitigen Druckmittel aus dem Zulaufkanal 12 beaufschlagbar, über das eine weitere Schließkraft auf den Ventilkolben 6 in Richtung des Ventilsitzes 10 aufbringbar ist. Die Düse kann außermittig am Kolbenboden 6 vorgesehen sein oder an einem geeigneten Abschnitt, insbesondere in einem Kanal, eines Gehäuses des Druckbegrenzungsventils 1. Durch diese weitere Schließkraft ist das Ansprechverhalten des Druckbegrenzungsventils 1 in einer gewünschten Art beeinflusst, wobei vorteilhafterweise die Düse und damit die Verzögerung der weiteren Schließkraft als Komponente einer Gesamtschließkraft einstellbar ist.
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Wie oben schon erwähnt, kann es bei Druckbegrenzungsventilen 1 zu einer hochfrequenten Druckpulsation des Ventileingangsdrucks im Zulaufkanal 12 kommen, beispielsweise bedingt durch Strömungskräfte. Dadurch wirken hochfrequente Störkräfte am Kolbenboden 14 des Ventilkolbens 6, was zu einem hochfrequenten Schwingen des Ventilkolbens 6 führen kann. Dadurch kann ein unangenehmes Pfeifgeräusch, das sogenannte Ventilpfeifen, verursacht werden. Das Ventilpfeifen ist eine hochfrequente Schwingung des Ventilkolbens im Bereich von etwa 5 kHz.
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Zur Vermeidung des Ventilpfeifens wird eine Schwingungsverhinderungseinrichtung 16 in Form eines Masse-Feder-Systems an dem Kolbenboden 14 angeordnet. Dieses Masse-Feder-System enthält einen Ausgleichskolben 18, der zentral in dem Kolbenboden 14 des Ventilkolbens 6 angebracht ist und auf der jeweiligen Seite des Kolbenbodens 14 mit einer Ausgleichsfeder 20 gegen den Kolbenboden 14 abgestützt ist. Damit ist der Ausgleichskolben 18 in seiner in 1 dargestellten mittleren Stellung vorgespannt. Der Ausgleichskolben 18 ragt sowohl in den Federraum 2 als auch in den Zulaufkanal 12 hinein. An dem Ausgleichskolben 18 ist eine Druckfläche 22 vorgesehen ist, die mit einem elastischen Element, hier als Ausgleichsfedern 20 ausgebildet, in Wirkverbindung steht.
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Bevorzugt weist der Ausgleichskolben 18 eine vergleichsweise geringe Masse auf, was wegen der dadurch reduzierten Massenträgheit zu einem schnellen Ansprechverhalten der Schwingungsverhinderungseinrichtung 16 führt. Damit das Masse-Feder-System eine höhere Dynamik hat als die auftretende Störkraft, wird die Ausgleichsfeder 20 mit einer relativ hohen Federrate ausgelegt. Der Ausgleichskolben 18 hat einen wesentlich kleineren Hub als der Ventilkolben 6, um Einflüsse des Masse-Feder-Systems auf den Ventilkolben 6 zu minimieren.
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Die konkrete Auslegung des Masse-Feder-Systems in Bezug auf Federrate der Ausgleichsfeder 20 und Masse und Hub des Ausgleichskolbens 18 ist bevorzugt teilweise aus Berechnungen mittels Kennzahlen des Druckbegrenzungsventils 1 und beteiligten Komponenten und teilweise aus über Versuchsaufbauten gewonnenen Erkenntnissen zu ermitteln.
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Eine hochfrequente Druckpulsation im Zulaufkanal 12 trifft zunächst auf die Druckfläche 22 des Ausgleichskolbens 18. Auf die Druckfläche 22 wirkt nun die daraus resultierende Störkraft und es wird nicht der Ventilkolben 6 sondern der Ausgleichskolben 18 zum Schwingen angeregt. Der Ausgleichskolben 18 überträgt die Störkraft in den mit Druckmittel beaufschlagten Federraum 2 auf die Rückseite des Kolbenbodens 14, wo sie keine schwingungsanregende Auswirkung auf den Ventilkolben 6 hat. Der Ventilkolben 6 verharrt idealerweise trotz der auftretenden Störkraft in einem geöffneten oder geschlossenen stationären Zustand, wodurch das Ventilpfeifen verhindert ist.
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Sobald die Druckkraft größer ist als die Gesamtschließkraft hebt der Ventilkolben 6 bestimmungsgemäß von dem Ventilsitz 10 ab und der Systemdruck ist auf einen vorbestimmten Wert begrenzt.
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Ein weiteres – hier nicht dargestelltes – Masse-Feder-System kann eine Membran sein, die im Kolbenboden 14 des Ventilkolbens 6 angeordnet ist und eine Störkraft analog zu der oben beschriebenen Weise in den mit Druckmittel beaufschlagten Federraum 2 auf die Rückseite des Kolbenbodens 14 überträgt. Die Auslegung der Membran in Bezug auf Elastizität und Masse erfolgt bevorzugt, wie oben zum Ausgleichskolben 18 mit Ausgleichsfeder 20 beschrieben, teilweise durch Berechnung und teilweise durch Auswerten von Versuchsanordnungen.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel unterscheidet sich von dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel dadurch, dass die Schwingungsverhinderungseinrichtung 16 in Form eines schwingungsabsorbierend und/oder reflektionsarm gestalteten Kolbenbodens 14 ausgebildet ist. Der Kolbenboden 14 ist dabei über eine elastische schwingungsabsorbierende Schicht 24 von dem Ventilkolben 6 entkoppelt.
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Eine hochfrequente Druckpulsation im Zulaufkanal 12 trifft zunächst auf die Druckfläche 22 am Kolbenboden 14 des Ventilkolbens 6. Auf die Druckfläche 22 wirkt nun die daraus resultierende Störkraft und die Reflexion der Druckwelle wird am Kolbenboden 14 durch das mit der Druckfläche 22 in Wirkverbindung stehende elastische Element, das hier als elastische schwingungsabsorbierende Schicht 24 ausgebildet ist, verringert. Die schwingungsabsorbierende Entkoppelung des Kolbenbodens 14 bewirkt eine Isolation des Ventilkolbens 6 gegen Körperschall, wenn die Eigenfrequenz des Teilsystems aus Kolbenboden 14 und elastischer schwingungsabsorbierender Schicht 24 deutlich unter der Frequenz des Ventilpfeifens von etwa 5 kHz liegt. Die schwingungsabsorbierende Schicht 24 kann aus Gummi oder anderem schalldämmenden Material hergestellt sein.
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Offenbart ist ein Druckbegrenzungsventil mit einem Federraum, in dem ein Ventilkolben axial verschiebbar geführt ist. Durch eine in dem Federraum angeordnete Ventilfeder ist der Kolben an einen Ventilsitz des Druckbegrenzungsventils drückbar. Durch eine Verbindung eines Zulaufkanals mit dem Federraum ist der Federraum mit einem eingangsseitigen Druckmittel beaufschlagbar, über das eine Schließkraft auf den Ventilkolben in Richtung des Ventilsitzes aufbringbar ist. Je nach Öffnungsquerschnitt der Verbindung hat das Druckbegrenzungsventil auch die Funktion eines Stromregelventils. Zur Vermeidung von Ventilpfeifen bedingt durch eine Anregung des Ventilkolbens zu einer hochfrequenten Schwingung ist eine Schwingungsverhinderungseinrichtung am Kolbenboden vorgesehen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Druckbegrenzungsventil
- 2
- Federraum
- 4
- Kolbenbuchse
- 6
- Ventilkolben
- 8
- Ventilfeder
- 10
- Ventilsitz
- 12
- Zulaufkanal
- 14
- Kolbenboden
- 16
- Schwingungsverhinderungseinrichtung
- 18
- Ausgleichskolben
- 20
- Ausgleichsfeder
- 22
- Druckfläche
- 24
- schwingungsabsorbierende Schicht
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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