DE19752291C1 - Überströmventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Überströmventil, insbesondere für hydraulische Medien und insbesondere zur Druckeinstellung auf einer Eingangsseite eines hydraulischen Verbrauchers, z. B. Hochdruck-Spritzgerät, mit einer steuerbaren Drossel­ strecke, die als veränderlicher Ringspalt zwischen einem Au­ ßenkonus und einem dazu gleichachsigen, gleiche Konizität aufweisenden Innenkonus ausgebildet ist.

Hochdruckspritzgeräte werden für unterschiedliche Einsatz­ zwecke mit unterschiedlichen Spritzdüsen bestückt. Dies ist regelmäßig gleichbedeutend damit, daß auf der Eingangsseite der Spritzgeräte in Abhängigkeit von der jeweiligen Bestückung mit Spritzdüsen unterschiedliche Druckverhältnisse vor­ liegen müssen. Zwar ist es grundsätzlich möglich, dazu steu­ erbare Pumpen bzw. Pumpen mit steuerbaren Pumpenantrieben einzusetzen. In der Praxis werden jedoch regelmäßig Pumpen eingesetzt, deren Förderstrom den Bedarf des jeweiligen Ver­ brauchers bzw. der jeweiligen Verbraucher mehr oder weniger stark übersteigt, wobei dann durch ein entsprechend einzu­ stellendes Überströmventil das überschüssige geförderte Me­ dium abgeführt und der jeweils gewünschte Eingangsdruck des Verbrauchers bzw. der Verbraucher eingestellt wird. Außerdem kann durch entsprechende Justage des Überströmventiles Ver­ schleiß an den Spritzdüsen od. dgl. kompensiert werden.

Im übrigen ist des öfteren vorgesehen, mit einer Pumpe meh­ rere separat ein- bzw. ausschaltbare Verbraucher bzw. Spritzgeräte oder Spritzdüsen zu versorgen. Beim Ausschalten eines solchen Verbrauchers bzw. Spritzgerätes oder einer Spritzdüse wird simultan ein Überströmventil eingeschaltet, welches einen zumindest annähernd gleichen Drosselwiderstand wie der vorgenannte Verbraucher aufweist, so daß über das Überströmventil eine dem Bedarf des zuvor ausgeschalteten Verbrauchers entsprechende Menge des hydraulischen Mediums abzuströmen vermag. Wenn der vorgenannte Verbraucher wieder eingeschaltet wird, wird der über das Überströmventil füh­ rende Strömungsweg abgesperrt. Auf diese Weise wird er­ reicht, daß sich die Druckverhältnisse auf der Eingangsseite der Verbraucher beim Ein- bzw. Ausschalten eines Verbrau­ chers praktisch nicht ändern können.

Ein Überströmventil der eingangs angegebenen Art ist aus der US 5 065 789 bekannt. Bei diesem bekannten Ventil ist ein kegelstiftförmiges Ventilorgan vorgesehen, welches sich in einen Kolben fortsetzt. Dieser ist in einem Zylinderteil axial verschiebbar geführt, so daß sich das Ventilorgan re­ lativ zum zugeordneten Innenkonus axial verstellen läßt.

Aus der DE 43 25 097 C2 ist ein Überströmventil bekannt, bei dem die Drosselstrecke durch einen zylinderförmigen Ring­ spalt gebildet wird. Zur Steuerung des Drosselwiderstandes dieser Drosselstrecke läßt sich die Länge des Ringspaltes verändern. Zu diesem Zweck ist vorgesehen, daß der vorge­ nannte Ringspalt zwischen der Innenumfangsfläche einer Zy­ linderbohrung und der zylindrischen Außenumfangsfläche eines Verdrängerkörpers ausgebildet ist, welcher sich mit steuer­ barem Hub unter entsprechender Veränderung der wirksamen Länge des Ringspaltes in die Bohrung einschieben läßt.

Aufgabe der Erfindung ist es nun, ein Überströmventil mit einfacher Bauart zu schaffen, wobei hohe Betriebssicherheit gegenüber Verschmutzungen gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein als Außenkonus vorgesehener Kegelstift lose, mit axialer und radialer Beweglichkeit, im Innenkonus angeordnet ist, daß der Innenkonus an einer Axialbohrung einer Hülse ausgebildet ist, welche an einem Gehäuse schraubverstellbar, in Richtung der Achse der Axialbohrung, angeordnet ist, und daß der Ke­ gelstift mit einem Stirnende gegen einwirkende eingangsseit­ ge Hydraulikkräfte auf einem gehäusefesten Anschlag abge­ stützt bzw. abstützbar ist.

Durch die erfindungsgemäß vorgesehene Beweglichkeit des als Ventilorgan dienenden Kegelstiftes in axialer und radialer Richtung wird mit höchster Wahrscheinlichkeit vermieden, daß sich Verschmutzungen im Ringspalt zwischen Innen- und Außen­ konus festsetzen können. Gegebenenfalls kann der axiale Freiraum des Kegelstiftes und damit auch das radiale Spiel des Kegelstiftes durch entsprechende Schraubverstellung der Hülse vergrößert werden, um den Ringspalt von Verschmutzun­ gen freizuspülen.

Überraschenderweise verändert sich die die Drosselstrecke durchsetzende Strömung weitestgehend linear mit der Hubver­ stellung von Außen- und Innenkonus relativ zueinander, so­ lange die Druckdifferenz zwischen Eingangs- und Ausgangssei­ te der Drosselstrecke annähernd konstant gehalten wird.

Eine besonders gute Linearität zwischen Durchsatzströmung und Hubverstellung von Außen- und Innenkonus wird erreicht, wenn gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung der Außenkonus eine größere axiale Länge als der Innenkonus aufweist und den Innenkonus in allen Hubstellun­ gen axial vollständig durchsetzt, d. h. wenn die axiale Länge des Ringspaltes unabhängig von den Hubstellungen von Außen- und Innenkonus relativ zueinander gleich bleibt.

Außerdem ist in diesem Zusammenhang vorteilhaft, wenn das Fluid den Ringspalt in Richtung des zunehmenden Konusdurch­ messers durchsetzt.

Die Linearität zwischen Durchsatzströmung und Hubverstellung von Außen- und Innenkonus relativ zueinander dürfte darauf beruhen, daß sich im Ringspalt zumindest bereichsweise eine turbulente Strömung einstellt.

Im übrigen wird hinsichtlich bevorzugter Merkmale der Erfin­ dung auf die Ansprüche sowie die nachfolgende Erläuterung der Zeichnung verwiesen, anhand der eine besonders bevorzug­ te Ausführungsform der Erfindung beschrieben wird.

Dabei zeigt

Fig. 1 einen Längsschnitt des erfindungsgemäßen Überström­ ventils, wobei ein maximaler Drosselwiderstand ein­ gestellt ist,

Fig. 2 einen der Fig. 1 entsprechenden Längsschnitt bei Einstellung des Überströmventiles auf seinen minima­ len Drosselwiderstand,

Fig. 3 eine Stirnansicht entsprechend dem Pfeil III in Fig. 1 und

Fig. 4 ein Diagramm, welches beispielhaft den Strömungs­ durchsatz in Abhängigkeit vom relativen Stellhub zwischen Außen- und Innenkonus darstellt, wobei der Strömungsdurchsatz in l/min und der Stellhub in mm angegeben sind und die Druckdifferenz zwischen Ein­ gangs- und Ausgangsseite der Drosselstrecke bei 1200 bar liegt.

Gemäß den Fig. 1 bis 3 besitzt das dargestellte Überström­ ventil ein Gehäuse 1 mit einem vergleichsweise langen Ab­ schnitt 1' mit größerem Außendurchmesser und einem Abschnitt 1'' mit geringerem Außendurchmesser, wobei zwischen den Ab­ schnitten 1' und 1'' eine Ringstufe ausgebildet ist. Der Ab­ schnitt 1' besitzt darüber hinaus vorzugsweise einen unrun­ den Querschnitt, so daß er sich mittels eines dem Quer­ schnitt angepaßten Werkzeuges (nicht dargestellt) od. dgl. bezüglich seiner Längsachse drehfest festhalten läßt.

Innerhalb des Gehäuses 1 ist eine zu dessen Längsachse kon­ zentrische Sackbohrung 2 ausgebildet, welche sich in den Fig. 1 und 2 von links nach rechts stufenförmig verengt und in ihrem linken Abschnitt mit einem Innengewinde versehen ist.

Am gehäuseinneren Ende wird die Sackbohrung 2 von einer Querbohrung 3 durchsetzt, die an ihren beiden Enden in einen im Außenumfang des Abschnittes 1'' des Gehäuses nach Art ei­ ner Umfangsnut ausgebildeten Kanal 4 mündet.

In der Sackbohrung 2 ist eine Hülse 5 angeordnet. Deren rechter Endabschnitt besitzt einen zylindrischen Außenumfang 5', dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser des in den Fig. 1 und 2 mittleren Abschnittes der Sackbohrung 2 ent­ spricht, derart, daß sich der genannte Außenumfangsabschnitt 5' der Hülse 5 innerhalb des genannten Abschnittes der Sack­ bohrung 2 axial verschieben läßt. Zur Abdichtung des Rings­ paltes zwischen dem Außenumfangsabschnitt 5' und dem Innen­ umfang der Sackbohrung 2 ist ein Dichtring 6 in eine Ringnut am Außenumfang des Abschnittes 5' eingesetzt.

An den Außenumfangsabschnitt 5' der Hülse 5 schließt sich in den Fig. 1 und 2 nach links ein Außengewindeabschnitt an, mit dem die Hülse 5 im Innengewindebereich der Sackbohrung 2 schraubverstellbar aufgenommen ist. Diese Schraubverstellung kann dadurch erleichtert werden, daß die Hülse 5 außerhalb des Gehäuses 1 einen Außenumfangsabschnitt 5'' mit unrundem Querschnitt aufweist, so daß sich die Hülse 5 mit einem ent­ sprechend angepaßten Werkzeug unter Formschluß erfassen und relativ zum Gehäuse 1 drehen läßt.

Links des Außengewindeabschnittes besitzt die Hülse 5 einen Abschnitt mit gegenüber dem Innengewindeabschnitt der Boh­ rung 2 vermindertem Außendurchmesser, so daß am linken Ende des Außengewindeabschnittes eine Ringstufe 50 gebildet wird, die mit in das Gehäuse 1 eingesetzten und durch Verplombung gesicherten Anschlagelementen 51 zur Begrenzung der Schraub­ verstellbarkeit der Hülse 5 relativ zum Gehäuse 1 nach links zusammenwirkt.

Die Hülse 5 wird von einer zentrischen Axialbohrung 7 durch­ setzt, welche einen im wesentlichen zylindrischen, in den Fig. 1 und 2 linken Abschnitt 7' aufweist, an den nach rechts ein sich konisch nach rechts erweiternder Abschnitt 7'' anschließt, wobei das den kleineren Durchmesser aufwei­ sende Ende des Abschnittes 7'' einen geringeren Durchmesser als der zylindrische Abschnitt 7' aufweist und zwischen den Abschnitten 7' und 7'' eine Ringstufe ausgebildet wird.

Innerhalb des als Innenkonus ausgebildeten Abschnittes 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 ist ein Kegelstift 8 angeord­ net, dessen Konizität der Konizität des Abschnittes 7'' der Axialbohrung 7 entspricht, d. h. der Abschnitt 7'' und der Ke­ gelstift 8 bilden einerseits einen Innenkonus und anderer­ seits einen Außenkonus mit gleichen Konuswinkeln.

Die Länge L des Kegelstiftes 8 bzw. seines Außenkonusberei­ ches ist größer als die Länge l des Abschnittes 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5, und die mittleren Durchmesser von Kegelstift 8 und Abschnitt 7'' sind derart bemessen, daß der Kegelstift 8 den Abschnitt 7' jeweils auf dessen gesam­ ter axialer Länge durchsetzen kann, wenn die Hülse 5 relativ zum Gehäuse 1 bzw. Kegelstift 8 aus der Lage der Fig. 1 um einen Hub H in die Lage der Fig. 2 verstellt wird.

Mit seiner in den Fig. 1 und 2 rechten, vorzugsweise balli­ gen Stirnseite stützt sich der Kegelstift 8 auf einem An­ schlagteil 9 ab, das innerhalb der Sackbohrung 2 des Gehäu­ ses 1 im mittleren Abschnitt der Bohrung 2 fest angeordnet ist. Dieses z. B. riegelartige Anschlagteil 9 läßt innerhalb der Bohrung 2 Bereiche 10 frei, so daß der Abschnitt 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 mit dem in den Fig. 1 und 2 rech­ ten Ende der Sackbohrung 2 im wesentlichen drosselfrei zu kommunizieren vermag.

Das Anschlagteil 9 wirkt auch mit dem zugewandten Stirnende der Hülse 5 anschlagartig zusammen, wenn die Hülse 5 in die Position der Fig. 1 gebracht wird. Dabei sind die aufeinan­ der anschlagartig aufsitzenden Bereiche von Hülse 5 und An­ schlagteil 9 vorzugsweise so angeordnet, daß sich der Kegel­ stift 8 auch dann im Konusabschnitt 7'' der Axialbohrung 7 nicht verkeilen läßt, wenn die Hülse 5 gegen das Anschlag­ teil 9 verlagert wird. Im Beispiel der Fig. 1 und 2 ist zu diesem Zweck an der dem Anschlagteil 9 zugewandten Stirnsei­ te der Hülse 5 ein Ringsteg ausgebildet, an den nach radial einwärts eine ringstufenartige Vertiefung als Übergang zur benachbarten Mündung der Axialbohrung 7 anschließt.

Des weiteren ist innerhalb der Sackbohrung 2 an der Ringstu­ fe zwischen dem Mittelabschnitt und dem rechten Endabschnitt der Bohrung 2 vorzugsweise ein Ring 11 angeordnet, welcher aus sehr hartem Material besteht. Dieser Ring 11 kann als Träger für das Anschlagteil 9 ausgebildet sein.

Auf dem Abschnitt 1'' des Gehäuses 1 ist ein Anschlußkörper 12 mit exzentrischer Axialbohrung drehbar angeordnet. Der Anschlußkörper 12 ist auf der seiner Axialbohrung diametral gegenüberliegenden Seite mit einer Querbohrung 13 versehen, die sich zum Außenumfang des Anschlußkörpers 12 hin stufen­ artig erweitert und im Bereich ihrer Mündung mit einem In­ nengewinde zum Einsetzen einer Schlauchleitung od. dgl. ver­ sehen ist. Die Querbohrung 13 kommuniziert mit dem Umfangs­ kanal 4 des Gehäuses 1, wenn der Anschlußkörper 12 auf dem Gehäuse 1 zwischen der zwischen den Gehäuseabschnitten 1' und 1'' ausgebildeten Ringstufe und einem Federring 14 axial festgehalten wird, der in eine entsprechende Umfangsnut am Gehäuse 1 einsetzbar ist. Der Ringspalt zwischen dem Innen­ umfang der Axialbohrung des Anschlußkörpers 12 und dem Au­ ßenumfang des Abschnittes 1'' des Gehäuses 1 wird durch Dicht­ ringe 15 abgedichtet, die beidseitig des Ringkanals 4 in entsprechenden Umfangsnuten des Gehäuses 1 angeordnet sind.

Die dargestellte Anordnung funktioniert wie folgt:
Beim Betrieb bildet die linke Mündung der Axialbohrung 7 der Hülse 5 die Eingangsseite E des Überströmventils, die Aus­ gangsseite A wird durch die Querbohrung 13 des Anschlußkör­ pers 12 gebildet. Das Überströmventil wird also in Richtung der Pfeile P von der Eingangsseite E zur Ausgangsseite A durchströmt.

An der Eingangsseite E ist ein nicht näher dargestelltes hy­ draulisches Drucksystem angeschlossen, z. B. die Druckseite einer Pumpe sowie die Eingangsseite von zumindest einer Spritzdüsenanordnung, die von der Pumpe mit Druckwasser ver­ sorgt wird. Dazu kann auf einem Außengewindeabschnitt am linken Ende der Hülse 5 unter Zwischenschaltung einer Dich­ tung 16 eine Verbindungsleitung bzw. ein Verbindungsschlauch zum vorgenannten Drucksystem angeschlossen werden.

Der Druck auf der Eingangsseite E drängt den Kegelstift 8 gegen die Anschlagscheibe 9. Gleichzeitig strömt eine mehr oder weniger große Menge des hydraulischen Druckmediums durch den zwischen dem Außenumfang des Kegelstiftes 8 und dem Innenumfang des Abschnittes 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 verbleibenden Ringspalt. Die Breite dieses Spaltes in Radialrichtung bezüglich der Längsachse der Bohrung 7 läßt sich dadurch verändern, daß die Hülse 5 relativ zum Ge­ häuse 1 axial verschoben wird, indem die Hülse 5 relativ zum Gehäuse um dessen Längsachse gedreht und dabei zwangsläufig durch Zusammenwirken des hülsenseitigen Außengewindes mit dem Innengewinde in der Sackbohrung 2 im Sinne eines Axial­ hubes verstellt wird.

Innerhalb eines Hubbereiches H (vgl. Fig. 2) bleibt die axiale Länge des vorgenannten Ringspaltes unverändert, weil der Kegelstift 8 den konischen Abschnitt 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 immer vollständig axial durchsetzt.

Das am rechten Stirnende der Hülse 5 aus dem Ringspalt aus­ tretende hydraulische Medium durchströmt die Freiräume 10 am Anschlagteil 9 und prallt auf den harten Ring 11, durch den Materialabtragungen an der Wand der Sackbohrung 2 verhindert werden. Das hydraulische Medium strömt dann weiter durch die Querbohrung 3 in den Kanal 4, von wo es über die Querbohrung 13 des Anschlußkörpers 12 zur Ausgangsseite A gelangt.

Gemäß Fig. 4 verändert sich der den Ringspalt durchsetzende Hydraulikstrom Q weitestgehend linear mit der Hubverstellung h des Kegelstiftes 8 relativ zum Abschnitt 7'' der Axialboh­ rung 7 der Hülse 5.

Dies ist ein überraschender Effekt. Denn an sich sollte ein mit zunehmenden Werten des Hubes h deutlich progressiv an­ wachsender Hydraulikstrom Q zu erwarten sein, weil die Spaltbreite und damit der Spaltquerschnitt mit zunehmendem Hub h vergrößert werden.

Die annähernde Linearität zwischen Q und h dürfte auf Turbu­ lenzen zurückzuführen sein, die sich innerhalb des Ringspal­ tes offenbar zwangsläufig ausbilden, zumindest wenn der Ringspalt in Richtung wachsender Konusdurchmesser durch­ strömt wird.

Das Verhältnis zwischen der Änderung ΔQ des hydraulischen Stromes Q und der Änderung Δh des Hubes h wird durch das Maß der Konizität bestimmt, wobei ΔQ/Δh einen um so geringeren Wert hat, je geringer die Konizität von Kegelstift 8 und Ab­ schnitt 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 ist.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 und 2 hat die Konizität einen Öffnungswinkel von 4°. Grundsätzlich sind jedoch auch größere oder - insbesondere - kleinere Öffnungswinkel mög­ lich. Bei einem Öffnungswinkel von beispielsweise 2° kann der Kegelstift 8 gegebenenfalls durch ein übliches Normteil gebildet werden.

Die Tatsache, daß sich die Breite des Ringspaltes zwischen dem Kegelstift und dem Abschnitt 7'' der Axialbohrung 7 der Hülse 5 bei deren Verstellung relativ zum Gehäuse 1 verän­ dert, bietet den zusätzlichen Vorteil, daß eventuelle Schmutzablagerungen im Ringspalt dadurch leicht weggespült werden können, daß die Hülse 5 relativ zum Gehäuse 1 in den Fig. 1 bzw. 2 nach links verstellt wird.

Claims (9)

1. Überströmventil, insbesondere für hydraulische Medien und insbesondere zur Druckeinstellung auf einer Eingangsseite eines hydraulischen Verbrauchers, z. B. Hochdruck- Spritzgerät, mit einer steuerbaren Drosselstrecke, die als veränderlicher Ringspalt zwischen einem Außenkonus (8) und einem dazu gleichachsigen, gleiche Konizität aufweisenden Innenkonus (7'') ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet,
daß ein als Außenkonus vorgesehener Kegelstift (8) lose, mit axialer und radialer Beweglichkeit, im Innenkonus (7'') ange­ ordnet ist,
daß der Innenkonus (7'') an einer Axialbohrung (7) einer Hül­ se (5) ausgebildet ist, welche an einem Gehäuse (1) schraub­ verstellbar, in Richtung der Achse der Axialbohrung (7), an­ geordnet ist, und
daß der Kegelstift (8) mit einem Stirnende gegen einwirkende eingangsseitige Hydraulikkräfte auf einem gehäusefesten An­ schlag (9) abgestützt bzw. abstützbar ist.

2. Überströmventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Drosselwiderstand durch axiale Verstellung der Hülse (5) relativ zum Gehäuse (1) steuerbar ist.

3. Überströmventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Innenkonus (7'') in allen für die Steuerung vorgese­ henen axialen Lagen vom Außenkonus (8) axial vollständig durchsetzt wird.

4. Überströmventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß durch Anschläge (9), welche den maximalen Einschub des Außenkonus (8) in den Innenkonus (7'') begrenzen, ein festes Aufsitzen des Außenkonusumfanges auf dem Innenkonusumfang verhindert wird.

5. Überströmventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Ringspalt in Richtung zunehmender Konusdurchmesser durchströmt wird.

6. Überströmventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialbohrung (7) der Hülse (5) durch eine gleichach­ sige Bohrung (2) im Gehäuse (1) fortgesetzt wird.

7. Überströmventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangsseite (E) an der Hülse (5) und die Ausgangs­ seite (A) des Überströmventils am Gehäuse (1) angeordnet sind.

8. Überströmventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Gehäuse (1) schraubverstellbare Hülse (5) durch gehäuseseitige Anschlagelemente (51) gegen Herausdrehen aus dem Gehäuse gesichert ist.

9. Überströmventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlagelemente (51) am Gehäuse (1) verplombt sind.