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Hilfsgesteuertes Sicherheitsventil Die Erfindung betrifft ein hilfsgesteuertes
Sicherheitsventil mit einem als Kolbenschieber ausgebildeten, federbelasteten Verschlußstück,
dessen der Hochdruckseite abgewandte Stirnfläche über eine in der hochdruckseitigen
Stirnfläche vorgesehene Drosselbohrung vom Druckmedium in Schließrichtung beaufschlagt
ist und bei dem das Steuerventil innerhalb des Verschlußstücks angeordnet ist. Solche
Sicherheitsventile werden in hydraulischen Anlagen eingebaut, um diese bei überlastung
gegen Beschädigungen zu schützen.
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Bei bekannten hilfsgesteuerten Sicherheitsventilen der eingangs genannten
Art ist es nicht möglich, stoßartig auftretende Druckstöße in der Hydraulikanlage
ohne Öffnung des Hauptverschlußstücks abzubauen, da sich bei den bekannten Ventilen
bei jedem auch noch so kurzem überschreiten des eingestellten Druckes neben dem
Steuerventil auch das Hauptventil öffnet. Die vorbekannten Sicherheitsventile schalten
also bei kurzzeitigen Druckspitzen ab. Dabei muß nach dem Abschalten der Sicherheitsventile
die Flüssigkeitspumpe dauernd gegen den maximalen Arbeitsdruck arbeiten. Das hat
den erheblichen Nachteil, daß das öl im Ventil entspannt und dabei die gesamte Energie
in Wärme umgesetzt wird. Dies bedingt nicht nur einen erheblichen Leistungsverlust,
sondern es besteht auch die Gefahr, daß die Hydraulikanlage durch Erhitzung beschädigt
wird.
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Man kennt auch bereits Sicherheitsventile, die als Kolbenventile mit
Differenzflächen ausgebildet sind. Hierbei ist im normalen Zustand die kleinere
Differenzfläche druckbeaufschlagt, die so ausgelegt ist, daß ihre Fläche im Verhältnis
zum Federdruck dem maximalen Arbeitsdruck entspricht. Beim öffnen des Ventils wird
die größere Differenzfläche beaufschlagt, so daß ein niedriger Druck genügt, um
Flüssigkeit abströmen zu lassen. Erst wenn der Druck in der Hauptleitung wieder
unter diesen niedrigen Druck absinkt, kann das Ventil wieder schließen und der normale
Arbeitsdruck aufgebaut werden. Der Nachteil derart beschaffener Kolbenventile besteht
darin, daß praktisch das Flächenverhältnis nicht größer als etwa 1 : 3 gewählt werden
kann, so daß der nach dem Abschalten des Ventils bestehende Umlaufdruck immer noch
etwa ein Drittel des maximalen Arbeitsdruckes beträgt. Auch weisen die bekannten
Kolbenventile noch die Eigenschaft auf, daß sie bei überschreiten des Arbeitsdruckes
infolge einer Druckspitze sofort öffnen. Da jedoch Spitzen bei der Beschleunigung
großer Massen häufig auftreten, bedingt dies jedesmal ein ungewolltes Abschalten
des Ventils. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein hilfsgesteuertes Sicherheitsventil
der eingangs genannten Art zu schaffen, das ohne Ansprechen des Ventils durch Beschleunigungsspitzen
bedingte Druckspitzen abzubauen und nach seinem Abschalten einen sehr niedrigen
Umlaufdruck aufrechtzuerhalten erlaubt. Das wird erfindungsgemäß dadurch erreicht,
daß zwischen der hochdruckseitigen Drosselbohrung und dem Steuerventil ein überströmkanal
vorgesehen ist, der über einen Drosselkanal mit einem von der der Hochdruckseite
abgewandten Stirnfläche des Verschlußstücks begrenzten Raum verbunden ist. Auf diese
Weise kommt man mit einfachen Mitteln zu einem hilfsgesteuerten Sicherheitsventil,
bei dem durch den zwischen der hochdruckseitigen Drosselbohrung und dem Steuerventil
vorgesehenen überströmkanal das Ventil nicht nur mit einem niedrigen Umlaufdruck
offengehalten, sondern auch jede kurzzeitige Druckspitze abgebaut werden kann, bevor
das Ventil abschaltet. Das ist hier deshalb möglich, weil das Verschlußstück erst
einen gewissen Weg zurücklegen muß, ehe der von der der Hochdruckseite abgewandten
Stirnfläche des Verschlußstücks begrenzte Raum über den überströmkanal mit dem Rücklauf
verbunden wird, d. h. das Ventil abschaltet. Die großen Querschnitte des das Steuerventil
aufnehmenden Verschlußstückes ermöglichen die Verwendung eines vergleichsweise kleinen
Sicherheitsventils auch in Anlagen mit sehr großen Fördermengen. Der Drosselkanal
bewirkt eine ausreichende Dämpfung, die es gestattet, auch über einen etwas längeren
Zeitraum sich erstreckende Druckspitzen wirksam abzubauen, bevor das Sicherheitsventil
anspricht. Durch entsprechende Bemessung des Drosselkanals hat man es in der Hand,
den Zeitpunkt zu bestimmen, bei dem das Sicherheitsventil anspricht.
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Eine weitere Ausgestaltung sieht vor, daß der durch die Stirnfläche
des Verschlußstücks begrenzte
Raum zusätzlich über ein Rückschlagventil
mit dem Rücklauf in Verbindüng7 steht. Hierdurch wird die Möglichkeit geschaffen,
daß sich der Raum schnell wieder mit Flüssigkeit füllen kann, sobald die Hydraulikanlage
wieder auf »Neutral« geschaltet wird. Besonders wichtig ist dies bei Regelanlagen,
die mit kurzen, schnell aufeinanderfolgenden Steuerimpulsen arbeiten, so wie das
bei für Ackerschlepper bestimmte hydraulische Kraftheberanlagen der Fall ist. Die
hierbei auftretenden, schnell aufeinanderfolgenden Druckspitzen durch die Massenbeschleunigungen
können nur dann aufgefangen werden, wenn das Sicherheitsventil schnell in seine
Ausgangsstellung zurückgelangen kann.
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Eine weitere Verbesserung der Funktion des Sicherheitsventils läßt
sich dadurch erzielen, daß dem Sicherheitsventil ein überdruckventil parallel geschaltet
ist, dessen eingestellter Druck etwas über dem eingestellten Druck des Sicherheitsventils
liegt. Hierdurch wird nämlich ein weiterer Abbau von kurzzeitigen Druckspitzen ermöglicht.
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In bevorzugter Anwendung wird das erfindungsgemäße hilfsgesteuerte
Sicherheitsventil bei Hydraulikanlagen für Ackerschlepper benutzt, die mit Arbeitswiderstands-
und Lagesteuerung arbeiten. Hierbei läßt sich nämlich in Verbindung mit einer mechanischen
Hubsperre auch bei einfach wirkenden Anlagen eine Arretierung der Hubvorrichtung
in jeder Hubhöhe sowohl in Hubrichtung als auch in Senkrichtung erreichen.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist im folgenden an Hand der
Zeichnung erläutert.
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Das Sicherheitsventil 1 ist in einem Gehäuse 1' angeordnet, das gleichzeitig
das Gehäuse des Hauptsteuergerätes der Hydraulikanlage sein kann. Das Gehäuse weist
eine Bohrung 2 auf, in der ein Verschlußstück 3 gleitbar geführt ist. Die vordere
Stirnfläche 4 des Verschlußstückes 3 steht mit der Pumpenleitung 5 und der zu einem
nicht gezeigten Steuergerät führenden Leitung 6 in Verbindung. Ein Ringkanal 7 in
der Bohrung 2 steht über die Rücklaufleitung 8 mit dem Flüssigkeits-Vorratsbehälter
in Verbindung. Die offene Seite der Bohrung 2 ist durch einen Stopfen 9 verschlossen,
der gleichzeitig als Widerlager für die Feder 10 dient, die das Verschlußstück 3
in Schließrichtung belastet. Die Leitung 6 ist so ausgebildet, daß ein Anschlag
11 gebildet wird, gegen den die Stirnfläche 4 des Verschlußstücks 3 zur Anlage kommt.
In der Stirnfläche 4 ist eine Drossel-Bohrung 12 vorgesehen, die den Raum vor der
Stirnfläche 4 mit einem im vorderen Teil des Verschluß-Stücks 3 angeordneten überströmkanal
13 verbindet. Der überströmkanal 13 steht über eine Bohrung 14 und einen Drosselkanal
15 mit dem Raum 16 hinter dem Verschlußstück 3 in Verbindung. Der Drosselkanal ;
15 kann als kurze, enge Axiälbohrung oder aber auch als vergleichsweise langer Kanal
mit größerem Durchmesser ausgebildet sein. Ferner weist das Verschlußstück 3 eine
exzentrisch angeordnete Bohrung 17 auf, die die Federkammer für ein Steuerventil
bildet. Dieses besteht aus einer Kugel 18, die von einer Feder 30 auf den Sitz 19
gepreßt wird, der von einer mit dem überströmkanal 13 in Verbindung stehenden Bohrung
21 gebildet wird. Die Federkammer 17 ist durch einen Stopfen 22 verschlossen, der
das einstellbare Widerlager für die Feder 20 bildet und damit die Einstellung des
Abschaltdruckes bestimmt. Im Stopfen 22 ist ein Rückschlagventil 23 angeordnet,
das ein freies überströmen von Flüssigkeit, beispielsweise Öl, aus der Kammer 17
in den Raum 16 ermöglicht. Wie die praktische Erfahrung gezeigt hat, genügt eine
einfache Kugel 23 ohne Federbelastung, die die Bohrung 24 verschließt. Eine Formscheibe
30 sichert die Kugel 23 und bildet gleichzeitig das Widerlager für die Feder 10.
Sie stellt ebenfalls sicher, daß der Drosselkanal 15 von der Feder 10 nicht
verdeckt wird.
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Die Kammer 17 weist zwei Auslaßbohrungen 25 und 26 auf, von denen
bei jeder Stellung des Verschlußstückes mindestens eine mit dem Ringkanal in Verbindung
steht und somit den freien Rücklauf der Flüssigkeit aus der Kammer 17 zur Rücklaufleitung
8 und zum Vorratsbehälter gewährleistet.
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Parallel zum Sicherheitsventil ist zwischen der Pumpenleitung 5 und
der Rücklaufleitung 8 in einer Leitung 27 ein überdruckventil angeordnet, das schematisch
als Kugelventil 28 dargestellt ist und durch eine Feder 29 belastet ist. Dieses
Ventil wird so eingestellt, daß sein Öffnungsdruck etwas über dem öffnungsdruck
des Steuerventils 18 liegt.
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Die Wirkungsweise des erfindungsgemäß ausgebildeten Sicherheitsventils
ist folgende: In der normalen Stellung ist der Druck in der Pumpenleitung 5, dem
überströmkanal 13 und dem Raum 16 gleich, da diese über die Drosselbohrung 12 und
den Drosselkanal 15 miteinander in Verbindung stehen. Steigt der Druck über den
eingestellten Druck des Steuerventils 18, so öffnet dieses und läßt Flüssigkeit
aus dem überströmkana113 über die Kammer 17, die Bohrung 25 und den Ringkanal 7
zum Vorratsbehälter abfließen. Durch die Drosselbohrung 12 entsteht hierbei ein
Druckgefälle zwischen der Pumpenleitung 5 und dem überströmkanal 13. Das gleiche
Druckgefälle besteht auch zwischen dem Raum 16 und der Leitung 5. Es strömt daher
nicht nur öl aus der Leitung 5 über die Drosselbohrung 12 und das Steuerventil 18
ab, sondern ebenfalls Öl aus dem Raum 16 über den Drosselkanal 15. Das Druckgefälle
ist durch die Kraft der Feder 10 und die Querschnittsfläche des Verschlußstücks
3 bestimmt. Die Größe des Drosselkanals 15 regelt die Geschwindigkeit, mit der Öl
aus dem Raum 16 entweicht und sich das Verschlußstück 3 entgegen der Kraft der Feder
10 in Abschaltrichtung verschiebt. Bei dieser Verschiebung bleibt die Federkammer
17 über die Bohrungen 25 und 26 stets frei mit der Rücklaufleitung 8 verbunden.
Der Druck in der Pumpenleitung 5 ist dabei gleich dem eingestellten Arbeitsdruck
des Steuerventils 18 zuzüglich des durch die Drosselbohrung 12 erzeugten
Druckgefälles.
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Wird jedoch der eingestellte Arbeitsdruck über einen längeren Zeitraum
überschritten, so daß sich das Verschlußstück 3 so weit verschiebt, daß auch der
überströmkanal 13 mit dem Ringkanal 7 in freie Verbindung gelangt, so fällt der
Druck im überströmkanal 13 und im Raum 16 auf Null, so daß das Steuerventil 18 schließt.
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Damit ist die Abschaltstellung des Sicherheitsventils erreicht. Es
verschiebt sich nun so weit, daß auch die Steuerkante 31 den Ringkanal 7 überschneidet.
Beim Übergang des Hauptölstromes von der Pumpenleitung 5 über die Steuerkante 31
zum Ringkanal ? stellt sich jedoch eine Drosselstellung ein, die in der Pumpenleitung
5 einen geringen Druck aufrechterhält. Dieser Umlaufdruck ist sehr
gering
und beträgt nur einen Bruchteil des normalen Arbeitsdruckes. Er wird bestimmt durch
die Kraft der Feder 10 und die Querschnittsfläche des Verschlußstückes 3. Hierbei
strömt dauernd ein Teilstrom über die Drosselbohrung 1.2 zum überströmkanal 13 und
frei zum Rücklauf B.
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Solange das Hauptsteuergerät der Hydraulikanlage in Hubstellung verbleibt
und die Pumpe der Anlage fördert, bleibt das Sicherheitsventil in dieser Stellung
und gewährleistet einen niedrigen Umlaufdruck. Dieser bleibt so lange aufrechterhalten,
bis das Hauptsteuergerät wieder in die Neutralstellung gebracht wird. Hierbei fällt
der Druck in den Leitungen 5 und 6 unter den Wert, der erforderlich ist, um das
Sicherheitsventil gegen die Kraft der Feder 10 offen zu halten. Die Feder 10 schiebt
das Verschlußstück 3 wieder in die Ausgangsstellung. Wird das Hauptsteuergerät wieder
auf Heben geschaltet, so kann sich nun der volle Arbeitsdruck wieder aufbauen.
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Bei der Verschiebung des Verschlußstücks 3 aus der Abschaltstellung
in die Ausgangsstellung muß sich der Raum 16 wieder mit Öl füllen. Dieser steht
jedoch nur über den Drosselkanal 15 mit dem Rücklauf in Verbindung, so daß eine
gewisse Verzögerung eintritt, die bei schnell aufeinanderfolgenden Schaltungen zu
einem schnelleren Abschalten des Sicherheitsventils führen kann. Zur Vermeidung
dieses Nachteils dient das Rückschlagventil 23, das ein überströmen von Öl aus der
Kammer 17 über die Bohrung 24 in den Raum 16 zuläßt, so daß das Verschlußstück 3
ohne jede Verzögerung wieder in seine Ausgangsstellung zurückkehren kann.
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Wenn eine Pumpe mit sehr großer Fördermenge verwendet wird, so kann
es vorkommen, daß durch die Verzögerung des Abschaltvorganges Druckspitzen auftreten,
die in ihrer Höhe nicht voll abgebaut werden können, weil das über das Steuerventil
18
abströmende öl auch über die Drosselbohrung 12 fließen muß. Dies kann unter
Umständen zu einer unzulässigen Drucksteigerung führen. In solchen Fällen ist es
zweckmäßig, ein überdruckventil28 parallel zu schalten, das etwas höher eingestellt
ist als das Steuerventil 18. Hierdurch wird die über die Drosseistelle 12 abfließende
ölmenge reduziert, ohne daß die Funktion des Sicherheitsventils beeinträchtigt wird.
Auch bei hoher Fördermenge der Hydraulikpumpe werden damit die Druckspitzen, die
über den eingestellten Arbeitsdruck hinausgehen, wirksam abgebaut.
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Das erfindungsgemäß ausgebildete Sicherheitsventil bildet somit eine
Sicherung der Anlage gegen Überlastung und schaltet auf einen sehr niedrigen Umlaufdruck,
auch wenn das Hauptsteuergerät in der Schaltstellung für Heben verbleibt. Durch
die vorgesehene Verzögerung werden Druckspitzen, die durch Massenbeschleunigungen
beim Schalten entstehen, abgebaut, wobei das Ventil erst dann abschaltet, wenn der
eingestellte Arbeitsdruck über einen längeren Zeitraum überschritten wird. Das Sicherheitsventil
erlaubt erst dann wieder den Aufbau des Arbeitsdruckes, wenn das Hauptsteuergerät
wieder auf »Neutral« geschaltet worden ist. Besonders günstig wird das erfindungsgemäße
Sicherheitsventil bei Regelanlagen mit Folgesteuerung eingesetzt, da es die mechanische
Begrenzung der Hubwege in beliebigen Stellungen ermöglicht, ohne daß eine unzulässige
Erwärmung in Verbindung mit Energieverlusten auftritt.