DE2604108A1

DE2604108A1 - Drosselschlitz fuer einen ventilkolben

Info

Publication number: DE2604108A1
Application number: DE2604108A
Authority: DE
Inventors: Lawrence Francis Schexnayder
Original assignee: Caterpillar Tractor Co
Current assignee: Caterpillar Inc
Priority date: 1975-02-04
Filing date: 1976-02-03
Publication date: 1976-08-05
Also published as: DE2604108C2; DE2656855A1

Description

CATERPILLAR TRACTOR CO., Peoria, 111. 61629, U.S.A.

Drosselschlitz für einen Ventilkolben

Die Erfindung bezieht sich auf einen Drosselschlitz für einen Ventilkolben bzw. auf ein Steuerventil mit einem derart ausgebildeten Ventilkolben.

Bei vielen Ventilkolben von hydraulischen Steuerventilen ist eine Vielzahl von Zumeßschlitzen oder Einkerbungen ausgebildet, welche eine Nut und einen benachbarten Steg verbinden. Da der öffnungs- und Schließ-Vorgang eines Steuerkanals mit einer einfachen Kolbenschulter verhältnismäßig abrupt verläuft, sehen die Schlitze eine langsame Zumeßwirkung vor, so daß sich ein gewünschtes allmähliches und glattes Arbeiten des Strömungsmittelmotors

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oder des Hydraulikzylinders ergibt, der durch das Ventil gesteuert wird. Zwei derartige Schlitzausbildungen sind den U.S. Patenten 2 971 536 und 3 198 212 der Anmelderin zu entnehmen. Die Konstruktion des erstgenannten Patents ist besonders für das "Aus-Zumessen" geeignet, während die Konstruktion des zuletztgenannten Patents am besten für das "Ein-Zumessen" geeignet ist. Der Ausdruck "Ein-Zumessen" wird zur Beschreibung eines Ventils verwendet,.wo das Zumessen durch eine Strömungsmittelströmung durch die Schlitze in einer Richtung im allgemeinen nach innen bezüglich des Ventilkolbens erfolgt; der Ausdruck "Aus-Zumessen" beschreibt den Zustand, wo das Zumessen durch eine radial nach aussen gegenüber dem Ventilkolben durch die Zumeßschlitze strömenden Strömung erreicht wird.

Eine der Schwierigkeiten bei der Konstruktion gemäß dem U.S. Patent 2 971 536 besteht in der Größenausbildung der Drosseleinkerbungen zur Aufrechterhaltung einer ausreichenden Querschnittsfläche für eine angemessene Festigkeit im Gebiet der Einkerbungen, wobei gleichzeitig angemessene Strömungsmittelströmungsraten vorgesehen sein sollen, ohne daß ein übermäßiger Druckabfall oder eine Reaktionskraft (Rückstoß) durch die Strahlungsströmung des Strömungsmittels entsteht. In vielen Fällen werden insbesondere bei Kolben mit relativ kleinem Durchmesser zur Erhaltung der gewünschten Strömungsmittelströmungseigenschaften durch die Drosseleinkerbungen dieseEinkerbungen verhältnismäßig tief im Kolben ausgebildet, was eine Abschwächungszone ergibt, die möglicherweise brechen kann.

Wenn man andererseits die Größe der Drosseleinkerbungen vermindert, um eine angemessene Festigkeit zu erzielen, so wird die Querschnitts fläche der Strömungsmittel flußbahn in der Stirnfläche des Steges vermindert, so daß die Öffnung in der Stirnfläche als eine Zumeßöffnung wirkt und den hindurchgehenden Strömungsmittelfluß einschränkt, wo-

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bei ein Druckabfall zwischen dem Hochdruckströmungsmittel in der Ringnut und dem Strömungsmittel in den Drosseleinkerbungen erzeugt wird. Dies erzeugt einen Strömungsmittelstrahlfluß durch die Öffnung in der Stirnfläche des Stegs derart, daß das eine hohe Geschwindigkeit aufweisende Druckmittel auf die Rückseite des Schlitzes auftrifft und am Kolben eine Reaktionskraft erzeugt. Dies macht entweder einen größeren Federdruck oder einen größeren Kraftaufwand durch den Benutzer erforderlich/ um den Kolben in eine normale oder neutrale Stellung zurückzubringen. Der Strömungsmittelstrahlfluß durch die Öffnung in der Stirnfläche verhindert auch das Austreten des Strömungsmittelflusses aus den Drosseleinkerbungen in die gewünschte Radialrichtung. Ferner wirkt die Austrittsöffnung der Drosseleinkerbungen im Umfang des Steges als eine zweite Zumeßöffnung in Serie mit der öffnung in der Stirnfläche des Steges, was einen zusätzlichen Druckabfall und weitere Störungen des Strömungsmittelflusses durch die Drosseleinkerbungen zur Folge hat.

Die Erfindung bezweckt für einen Ventilkolben eine verbesserte Drosselschlitzausbildung vorzusehen, welche axial gegen den Ventilkolben wirkende dynamische Reaktionskräfte minimiert, gleichzeitig aber eine angemessene Querschnittsfläche im Kolben aufrechterhält, um die Bruchgefahr des Kolbens zu minimieren. Die Erfindung sieht ferner eine Drosselschlitzausbildung mit einer solchen Querschnittsflächengröße vor, daß die Austrittsöffnung des Drosselschlitzes die einzige Einschränkung des Strömungsmittelflusses durch die Einkerbungen ist, wobei sich eine genaue Steuerung des hindurchgehenden Strömungsmittelflusses ergibt.

Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich insbesondere aus den Ansprüchen sowie der Beschreibung von Ausführungsbeispielen an Hand der Zeichnung; in der Zeichnung

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zeigt:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Steuerventils mit einem erfindungsgemäßen Drosselschlitz;

Fig. 2 eine vergrößerte Ansicht eines Teils des Ventilkolbens des Steuerventils gemäß Fig. 1, wobei die die Drosselschlitzausbildung zeigenden Teile im Schnitt dargestellt sind;

Fig. 3 eine Draufsicht auf den Teil des Ventilkolbens der Fig. 2;

Fig. 4 einen Querschnitt durch den Ventilkolben längs der Linie IV-IV in Fig. 3;

In der Zeichnung ist im ganzen mit 1.0 ein Steuerventil gezeigt, welches einen Ventilkolben 11 aufweist, der hin- und herbewegbar in einer Bohrung 12 eines Ventilskörpers 13 angeordnet ist. Der Ventilkolben besitzt eine Vielzahl von Stegen 14, 15, 16, 17 und 18, die axial durch einen verminderten Durchmesser aufweisende Teile 19, 20, 21 und 22 getrennt sind, welche Ringeinkerbungen 19a, 20a, 21a und 22a bilden. Der Ventilkolben steuert den Strömungsmittelfluß durch einen Einlaßkanal 23, welcher Druck- oder Strömungsmittel von einer Pumpe 24 aufnimmt; der Ventilkolben 11 ist wahlweise betätigbar, um das Druckmittel dem einen oder anderen Kanal eines Paars von Motorsteuerkanälen 26 bzw. 27 zuzuführen, wobei gleichzeitig der andere Motorkanal mit dem Ablaßkanal 28 verbunden wird, der im Ventilkörper ausgebildet und mit einem Tank 29 verbunden ist. Ein Paar von Leitungen 31 und 32 verbindet die Motorsteuerkanäle 26 bzw. 27 mit dem Stangenende bzw. Kopfende eines Hydraulikzylinders 33. Die Axialbewegung des Ventilkolbens nach links (Fig. 1) hat somit zur Folge, daß das Druckmittel über den Steuerkanal 27 und Leitung

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den Hydraulikzylinder ausfährt und die von_ ihm getragene Last 34 anhebt, während eine Bewegung des Kolbens nach rechts das Zurückziehen des Hydraulikzylinders und das Absenken der Last zur Folge hat.

Wie man deutlich in den Fig. 2 und 3 erkennt, sind zwei Paare von Drossel- oder Absperr-Schlitzen 41 und 42 im Ventilkolben 11 ausgebildet und umfangsmäßig mit gleichem Abstand angeordnet. Die Drosselschlitze verbinden den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil 22 mit der Umfangsoberflache des Stegs 18. Jeder der Drosselschlitze 41 wird dadurch ausgebildet, daß man einen flachen Boden eines Stirnfräswerkzeugs - durch die gestrichelte Linie bei 43 dargestellt - in den Steg längs der Werkzeugachse A hineinbewegt, wobei diese Achse A unter einem Winkel B bezüglich der Achse des Ventilkolbens angeordnet ist, und wobei eine zylindrische Tasche im Ventilkörper mit der gewünschten Tiefe herausgearbeitet wird. Der Winkel B liegt im Bereich von 40° bis 60° und ist im vorliegenden Fall 45°. Die Lage des Fräswerkzeugs wird unter einem Winkel B gehalten und es wird entweder der Ventilkolben längs seiner Achse bewegt oder das Fräswerkzeug wird in einer Bahn parallel zum Ventilkolben bewegt, wobei eine sich längs erstreckende Nut herausgearbeitet wird, welche die zylindrische Tasche mit dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil verbindet.

In der fertigen in den Zeichnungen dargestellten Form besitzt jeder der Drosselschlitze 41 eine halbzylindrische Tasche 44, die im Steg 18 benachbart zur Nut 22a ausgebildet ist, und die durch eine halbzylindrische Seitenwand 46 definiert ist, welche unter einem dem Winkel B entsprechenden Winkel in eine Richtung entgegengesetzt zu der Richtung geneigt ist, in welche der Ventilkolben zum Absenken des Hydraulikzylinders bewegt wird. Eine sich in Längsrichtung erstreckende Einkerbung 47 ist

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anstossend mit der halbzylindrischen Tasche 44 verbunden und endet in einer halbzylindrischen Endoberfläche 48, welche sich mit dem einen verminderten Durchmesser ausweisenden Teil 22 schneidet. Die halbkreisförmige Endoberfläche verläuft im wesentlichen parallel zur Seitenwand 46. Wie man im einzelnen in Fig. 4 erkennt, hat die sich in Längsrichtung erstreckende Einkerbung 47 einen bogenförmigen Querschnitt.

Die Form der Drosselschlitze 42 ist im wesentlichen identisch mit der Form der Drosselschlitze 41, wobei jeder der Drosselschlitze 42 eine zusätzliche in der Seitenwand 46 ausgebildete halbzylindrische Ausnehmung oder Tasche 49 bildet, die sich in die Tasche 44 und Steg 18 hinein öffnet und eine Erweiterung des Drosselschlitzes bildet. Eine Seitenwand 50 der Tasche 49 verläuft im wesentlichen parallel zur Seitenwand 46. Die Querschnittsfläche der Tasche 49 ist kleiner als die Querschnittsfläche der Tasche 44. Zusätzlich ist ein Paar von sich in Längsrichtung erstreckenden Zumeßschlitzen 51 im einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil 22 und Steg 17 ausgebildet, und zwar in Axialausrichtung mit den Drosselschlitzen 42 und diese schneidend, um so den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil mit dem Steg 17 zu verbin- den. Die Zumeßschlitze 51 werden beispielsweise durch einen zylindrischen Schneidfräser ausgebildet, der radial nach innen auf die gewünschte Tiefe bewegt wird. Die halbzylindrischen Taschen 44 können in Verbindung mit den Drosselschlitzen unabhängig von den Zumeßschlitzen 51 verwendet werden.

Im Betrieb dienen die im Ventilkolben 11 ausgebildeten Drosselschlitze 41 und 42 zum Zumessen oder Einstellen des Strömungsmittelflusses vom Kopfende des Hydraulikzylinders 33 über Leitung 32, Motorsteuerkanal 27 und in Ablaßkanal 28, und zwar dann, wenn der Ventilkolben

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nach .rechts bewegt wird. Wenn der Hydraulikzylinder eine Last trägt, so wird das Strömungsmittel im Motorsteuerkanal und der Ringeinkerbung 22a unter Druck gesetzt, so daß, da die halbzylindrischen Taschen 44 und 49 sich in den Ablaßkanal 28 öffnen, eine Strömungsmittelflußbahn durch die Drosselschlitze und in den Ablaßkanal geschaffen wird, wo das Strömungsmittel zum Tank zurückkehren kann. Die Querschnittsfläche des Teils der Drosselschlitze, der in Verbindung mit dem unter Druck stehenden Strömungsmittel in der Ringauskerbung steht, ist wesentlich größer als die Querschnittsfläche des Teils der Drosselschlitze, der sich in den Ablaßkanal am Umfang des Steges öffnet, so daß die einzige Einschränkung für die Strömungsmittelströmung durch die Drosselschlitze das Ausmaß der öffnung der Drosselschlitze in den Ablaßkanal ist. Geeignete nicht gezeigte Anschläge sind vorgesehen, um die Bewegung des Kolbens nach rechts zubeschränken, so daß die hintere Kante des Steges 18 nicht in den Ablaßkanal eintritt, wodurch die maximale Größe der öffnung der Drosselschlitze in den Ablaßkanal gebildet wird.

Der Winkel der Seitenwand 46 ist derart gewählt, daß dann, wenn sich die Drosselschlitze in den Ablaßkanal 28 öffnen, das Strömungsmittel im wesentlichen radial nach aussen vom Kolben geleitet wird. Dies minimiert die dynamische Reaktionskraft, die axial auf den Kolben infolge des durch die Drosselschlitze laufenden Strömungsmittelflusses einwirkt. Für ein genaues mit geringer Geschwindigkeit erfolgendes Absenken des Hydraulikzylinders 33 wird der Ventilkolben nur so weit verschoben, bis die halbzylindrischen Taschen 49 sich zum Ablaßkanal hin öffnen.

Aus der oben stehenden Beschreibung erkennt man ohne weiteres, daß durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Drosselschlitzes für ein Steuerventil die Reaktionskräfte am Kolben infolge des hindurchgehenden Strömungsmittel-Strahlflusses vermindert werden, wobei aber

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eine angemessene Festigkeit des Kolbens erhalten bleibt, um so die Bruchgefahr zu minimieren. Gemäß der Erfindung ist die Querschnittsfläche des Teils der Drosselschlitze, die in Verbindung mit dem unter Druck stehenden Strömungsmittel steht, wesentlich größer als die Querschnittsfläche des Teils der Drosselschlitze, die in Verbindung mit dem Ablaßkanal stehen, so daß das Ausmaß der öffnung in den Ablaßkanal den Strömungsmittelfluß durch die Drosselschlitze steuert. Die sich in Längsrichtung erstreckende Auskerbung, welche die halbzylindrische Tasche mit dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil verbindet, liefert die erhöhte Querschnittsfläche des Drosselschlitzes, während der Winkel der halbzylindrischen Seitenwand das Strömungsmittel im wesentlichen radial nach aussen lenkt.

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Claims

ANSPRÜCHE

1. !Steuerventil mit einer Bohrung, in der ein Kolben

in- und herbewegbar angeordnet ist, wobei der Kolben einen einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil sowie einen axial benachbart angeordneten Steg besitzt, um den Strömungsmittelfluß von einer Hochdruckquelle zu einer Zone niedrigen Drucks bei Bewegung des Kolbens in eine Richtung zu steuern, gekennzeichnet durch einen im Kolben (11) ausgebildeten Drosselschlitz (41),der den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil (22) mit einer Umfangsoberfläche des Stegs (18) verbindet und eine im Steg ausgebildete Tasche (44) aufweist, und zwar mit einer Seitenwand (46), die unter einem Winkel (B) angeordnet ist, welcher geneigt gegenüber einer Richtung entgegengesetzt zur erwähnten einen Bewegungsrichtung des Kolbens verläuft, und wobei eine sich von der Tasche (44) in Längsrichtung aus erstreckende Einkerbung (47) vorgesehen ist, die in einem Ende (48) endet, welches den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil (22) derart schneidet, daß die Querschnittsfläche des Drosselschlitzes in Verbindung mit der Hochdruckquelle größer ist als die Querschnittsfläche des Drosselschlitzes in Verbindung mit der Niederdruckzone.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Tasche (44) halbzylindrisch ausgebildet ist und unmittelbar mit der sich in Längsrichtung erstrekkenden Auskerbung (47) verbunden ist.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die sich in Längsrichtung erstreckende Auskerbung einen bogenförmigen Querschnitt besitzt, und daß das Ende der sich in Längsrichtung erstreckenden Ausker"

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bung halbzylindrisch ist und im wesentlichen parallel zur erwähnten Seitenwand der Tasche verläuft.

4. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Seitenwand der Tasche einen Winkel im Bereich von annähernd 40° bis 60° mit einer Kolbenachse bildet.

5. Ventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine halbzylindrische Ausnehmung (49) in der erwähnten Seitenwand der Tasche, wobei die Ausnehmung im wesentlichen parallel zur Tasche verläuft und sich in diese und die ümfangsoberfläche des Stegs öffnet und eine kleinere Querschnittsfläche als die Tasche besitzt.

6. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der einen verminderten Durchmesser aufweisende Teil zwischen dem Steg (18) und einem zweiten am Kolben ausgebildeten Steg (17) angeordnet ist und einen in Längsrichtung ausgerichteten Zumeßschlitz (51) in dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil und dem zweiten Steg (17) aufweist, wobei der Zumeßschlitz

(51) den Drosselschlitζ schneidet, um den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil mit dem zweiten Steg zu verbinden.

7. Steuerventil, insbesondere nach einem oder mehreren der Ansprüche 1-6, mit einem Kolben, der in einer im Ventil ausgebildeten Bohrung hin- und herbewegbar angeordnet ist und einen einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil sowie axial benachbart einen Steg besitzt _r um einen Steuerkanal im Ventil bei Be-. wegung des Kolbens in einer Richtung zu schließen, gekennzeichnet durch einen Drosselschlitz (41) in dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil und dem Steg des Kolbens, wobei der Drosselschlitz durch eine erste sich in Längsrichtung erstreckende,

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im.wesentlichen parallel zur Spule verlaufende Oberfläche (47) sowie eine zweite Oberfläche (48) definiert ist, die unmittelbar mit einem Ende der sich in Längsrichtung erstreckenden Oberfläche erstreckt und dazwischen einen stumpfen Winkel bildet und den einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil schneidet, wobei eine dritte Oberfläche unmittelbar mit dem anderen Ende der Längsoberflache verbunden ist und dazwischen einen stumpfen Winkel bildet, und wobei schließlich eine vierte Oberfläche (46) im wesentlichen parallel zur zweiten Oberfläche verläuft und sich zwischen der dritten Oberfläche und dem Steg erstreckt.

8. Verfahren zur Ausbildung eines Drosselschlitzes im Kolben eines Steuerventils zur Verbindung eines einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teils und einer ümfangsoberflache eines Stegs des Kolbens, gekennzeichnet durch folgende Schritte: Bewegung eines mit flachem Boden ausgestatteten Endfräswerkζeugs längs seiner Achse in den Steg unter einem vorbestimmten Winkel relativ zum Kolben zur Ausbildung einer zylindrischen Tasche; Aufrechterhaltung des Werkzeugs unter dem vorbestimmten Winkel; Hervorrufen einer Relativbewegung zwischen dem Fräswerkzeug und dem Kolben; Herausarbeiten einer sich längs erstreckenden Auskerbung von der Tasche aus und endend in dem einen verminderten Durchmesser aufweisenden Teil.

9. Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Paare von Drosselschlitzen (41, 42) im Ventilkolben (11) ausgebildet und umfangsmäßig mit gleichen Abstand angeordnet sind, wobei die Form der Drosselschlitze (42) im wesentlichen identisch mit der Form der Drosselschlitze (41) ist, wobei aber die Drosselschlitze (42) eine zusätzliche halbzylindrische Tasche {49) in einer Seitenwand (46) ausgebildet aufweisen (Fig. 4).

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