DE3105408C2 - Bremsventil fuer hydraulische antriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Bremsventil für hydraulische An­ triebe, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer vorderen Kammer, welche an ein hydraulisches Antriebsorgan anschließ­ bar ist, einer mittleren Kammer, welche an eine Ver­ sorgungsleitung des hydraulischen Antriebsorgans anschließbar ist und über einen durch einen steuerbaren Ventilkörper ab­ sperrbaren Ventilsitz mit der vorderen Kammer kommuniziert, und einer hinteren Kammer, welche an eine Steuerleitung an­ schließbar und durch einen Steuerkolben begrenzt ist, auf den nach hinten der Druck der mittleren Kammer und nach vorn eine Feder wirken, welche über den Steuerkolben den Ventilkörper in Schließrichtung belastet.

Es ist allgemein bekannt, Bremsventile in die Versorgungslei­ tungen von Hydraulikaggregaten einzubauen, die schwere Lasten zu heben und zu halten haben. Die Bremsventile sollen ein plötzliches und meistens gefährliches Herabfallen der schwe­ ren Last verhindern, wenn im Hydrauliksystem ein Fehler auf­ tritt, z. B. ein Schlauch bricht.

In Verbindung z. B. mit einem doppelt wirkenden hydraulischen Kraftzylinder wird ein derartiges Bremsventil in die Versor­ gungsleitung der Hauptkammer des Hydraulikzylinders gelegt, d. h. derjenigen Kammer, welche zum Anheben der Last mit Druck beaufschlagt wird. Normalerweise wird dann das Brems­ ventil durch den Druck gesteuert, welcher in der anderen Kam­ mer, d. h. meistens der Ringkammer, des Hydraulikzylinders herrscht, wobei die Anordnung so getroffen wird, daß sich das Bremsventil nur in dem Maße öffnen kann, wie die Ringkammer des Kraftzylinders unter Druck gesetzt wird. parallel zu je­ dem Bremsventil wird gewöhnlich ein Rückschlagventil angeord­ net, welches Hydraulikflüssigkeit nur in Richtung zur Haupt­ kammer des Kraftzylinders strömen läßt, während das Bremsven­ til selbst bei voller Öffnung nur einen stark reduzierten Durchflußquerschnitt bietet.

Die bekannten Bremsventile können nicht angewendet werden bei Hydrauliksystemen mit einer Druckfluidversorgung in Serie, d.h. bei Hydrauliksystemen mit mehreren hydraulischen Steuer­ ventilen, die als eine einzige Einheit gruppiert sind, wobei der Rücklauf jedes Steuerventils mit dem Zulauf des jeweils folgenden Steuerventils verbunden ist. Diese Druckfluidver­ teilung in Serie bietet jedoch mehrere Vorteile. Man erhält dadurch eine bestimmte gegenseitige Abhängigkeit der ver­ schiedenen Bewegungen einer hydraulisch angetriebenen Vor­ richtung. Dies ist vor allem bei Erdbewegungsfahrzeugen wie beispielsweise Löffelbaggern mit Gelenkarm interessant, mit denen gelegentlich mittels der am freien Gelenkarmende ange­ brachten Schaufel eine Fläche abgetragen werden soll, wobei die Schwenkbewegungen jedes Teils des Arms durch einen beson­ deren Kraftzylinder gesteuert werden.

Weiterhin gestattet eine Druckfluidversorgung in Serie die Verwendung eines Kraftzylinders als Durchflußmengenverstärker oder Druckverstärker mit Bezug auf einen nachgeschalteten Kraftzylinder mit Auswirkung auf die dem jeweiligen Kraftzy­ linder zugeordneten Teile.

Im übrigen bringt es die Druckfluidversorgung in Serie mit sich, daß während des gleichzeitigen Betriebs mehrerer Steuerventile Druckschwankungen in den Rückleitungen auftre­ ten. Diese Druckschwankungen stören die gewünschte Funktion der Bremsventile.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrund, ein Brems­ ventil zu schaffen, welches für Hydrauliksysteme mit Druck­ fluidversorgung in Serie geeignet ist, ohne daß dabei Nach­ teile in Kauf genommen werden müssen, und welches ein ge­ steuertes Absenken der Last im Falle eines Leitungsbruches gestattet.

Daneben sollte das neue Bremsventil eine Montage unmittelbar an Kraftzylindern zulassen, so daß keine Zwischenleitung er­ forderlich ist, welche wiederum bruchgefährdet sein könnte.

Vorstehende Aufgabe wird bei einem gattungsgemäßen Bremsventil erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Steuerkolben und der Ventilkörper koaxial angeordnet sind, daß der Steuerkolben als Stufenkolben ausgebildet ist, dessen kleinere Stirnfläche dem Druck der mittleren Kammer und dessen die Stufe bildende Ringfläche dem Druck der hinte­ ren, als Ringkammer ausgebildeten Kammer ausgesetzt ist, und daß die dem Druck der mittleren Kammer ausgesetzten wirksamen Flächen des Steuerkolbens und des Ventilkörpers gleich groß sind.

Durch die vorgeschlagene Maßnahme wird erreicht, daß die Öff­ nungsstellung des Bremsventils unabhängig ist vom Druck in der mittleren Kammer und folglich nur abhängt von der Kraft der Federvorspannung sowie den Drücken einerseits in der vor­ deren und andererseits in der hinteren Kammer.

In einer ersten bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist der Ventilkörper im Bereich des Ventilsitzes kegelig ausge­ bildet, wodurch sich die Durchflußmenge besonders genau do­ sieren läßt.

In einer anderen bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist das Gehäuse des Bremsventils unmittelbar oder nur über starre Verbindungsteile, also unter Vermeidung von elastischen Zwi­ schenschläuchen, mit einem Kraftzylinder verbindbar.

In weiterer bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung kann das vordere, zylindrische Ende des Ventilkörpers mit einer mit der vorderen Kammer in Verbindung stehenden Sackbohrung eine Einrichtung zur Dämpfung der Bewegungen des Ventilkörpers bilden.

Schließlich ist in bevorzugter Ausführung der Erfindung vor­ gesehen, daß das Gehäuse des Bremsventils ein Rückschlagven­ til enthält, welches in Strömungsrichtung von der mittleren zur vorderen Kammer öffnet, d. h. also in der umgekehrten Strömungsrichtung vom hydraulischen Antriebsorgan zur mitt­ leren Kammer sperrt.

Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zei­ gen:

Fig. 1 einen hydraulischen Schaltplan mit einem erfindungsgemäßen Bremsventil,

Fig. 2 einen Axialschnitt durch einen doppelt wirkenden hydraulischen Kraftzylinder mit einem angebauten Bremsventil gemäß der Erfindung,

Fig. 3 eine Seitenansicht des Bremsventils gemäß Fig. 2 mit Blickrichtung von links,

Fig. 4 und 5 Querschnitte durch das Bremsventil nach Fig. 2 und 3 gemäß Schnittlinie IV-IV in Fig. 3,

Fig. 6 ein Beispiel einer Arbeitsmaschine, wel­ che mit Kraftzylindern und zugehörigen erfindungsgemäßen Bremsventilen ausgerü­ stet ist.

Fig. 1 zeigt einen hydraulischen Schaltplan, in welchem das Bezugszeichen 1 das erfindungsgemäße Bremsventil bezeichnet. Im übrigen handelt es sich um ein herkömmliches Schaltschema. Die Erfindung beschränkt sich auf den Aufbau des weiter unten im einzelnen beschriebenen Bremsventils.

Wie weiterhin aus Fig. 1 ersichtlich ist, liegt parallel zur steuerbaren Durchflußöffnung des Bremsventils ein Rückschlag­ ventil 2, welches in das Gehäuse des Bremsventils integriert ist.

Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist das hydrauli­ sche Antriebsaggregat ein doppelt wirkender Zylinder 3, der mit Hilfe eines Steuerventils 4 gesteuert wird. Das Bremsven­ til liegt in der Druckfluidversorgungsleitung 5 zur Hauptkam­ mer 6 des Kraftzylinders 3 und wird über eine Steuerleitung 7 gesteuert, die mit der Ringkammer 8 des Kraftzylinders ver­ bunden ist. Mittels geeigneter Anschlüsse können zwei Manome­ ter 9 und 10 zu beiden Seiten des Bremsventils angeschlossen werden.

Wie aus Fig. 4 hervorgeht, enthält das Gehäuse 11 des Brems­ ventils im wesentlichen drei Kammern, nämlich eine vordere Kammer 12, eine mittlere Kammer 13 und eine hintere Kammer 17. Die vordere Kammer 12 ist mit der Einlaßöffnung der Hauptkammer 6 des Kraftzylinders 3 verbunden. Die mittlere Kammer 13 steht mit dem Ausgang 14 des Steuerventils 4 in Verbindung und kann über einen Ventilsitz 15, der durch einen Ventilkörper 16 verschließbar ist, mit der vorderen Kammer 12 verbunden werden. Die hintere Kammer 17 hat Ringform und wird durch einen Steuerkolben 18 begrenzt. Sie ist mit der Steuer­ leitung 7 verbunden, die an den Ausgang 19 des Steuerventils 4 angeschlossen ist und zur ringförmigen Zylinderkammer 8 des Kraftzylinders 3 führt.

Der Ventilkörper 16 gliedert sich von hinten nach vorn in folgende Abschnitte: Einen hinteren zylindrischen Endteil 20, welcher in einer mit 21 bezeichneten Haube sitzt, einen kege­ ligen Abschnitt 22, der sich nach vorn verjüngt und so bemes­ sen ist, daß er in der vorderen Endstellung des Ventilkörpers 16 den Ventilsitz 15 vollständig absperrt, weiterhin ein stangenförmiges Verbindungsteil 23 und schließlich ein vor­ deres zylindrisches Endteil 24, welches mit einem so bemesse­ nen Spiel in einer zur vorderen Kammer 12 offenen Sackbohrung 25 geführt ist, daß an deren Grund eine Dämpfungskammer ge­ bildet ist, die für die Dämpfung der Bewegungen des Ventil­ körpers sorgt. Zur Vereinfachung der Herstellung sind die Sackbohrung 25 und der Ventilsitz 15 an einem gemeinsamen kartuschenförmigen Teil 26 ausgebildet.

Der Steuerkolben 18, der koaxial zum Ventilsitz 15 angeordnet und als Stufenkolben ausgebildet ist, hat einerseits ein vor­ deres zylindrisches Endteil 27, welches in einer Bohrung 28 im Ventilgehäuse verschieblich geführt ist, und andererseits ein hinteres zylindrisches Endteil 29 größeren Durchmessers, das in einer entsprechenden Bohrung 30 des Ventilgehäuses verschieblich geführt ist. Die Bohrung 28 mündet in die mitt­ lere Kammer 13, wobei das vordere Ende des Steuerkolbens 18 über eine dort gehaltene Kugel 31 gegen die Rückseite der Haube 21 drückt. Die hintere Kammer 17 wird begrenzt durch eine nach vorn weisende Ringfläche, welche die Stufenfläche 12 des Steuerkolbens 18 am Übergang zwischen dem vorderen Endteil 27 und dem hinteren Endteil 29 bildet.

Eine Besonderheit des beschriebenen Bremsventils besteht darin, daß der mit 28 a bezeichnete Durchmesser der Bohrung 28 genau gleich ist dem mit 22 a bezeichneten Durchmesser der kreisförmigen Berührungslinie zwischen dem kegelförmigen Teil 22 des Ventilkörpers 16 und dem Ventilsitz 15.

Eine Feder 33 drückt gegen die Rückseite des Steuerkolbens 18 und wirkt dadurch ständig in Schließrichtung des Ventils 15, 16. Eine Stellschraube 34 gestattet die Einstellung einer be­ stimmten Vorspannung der Feder 33.

Das in das Gehäuse 11 des Bremsventils eingebaute Rückschlag­ ventil 2 ist im Prinzip von herkömmlicher Art und so angeord­ net, daß es lediglich einen Durchfluß von der mittleren Kam­ mer 13 zur vorderen Kammer 12 zuläßt.

Das Ventilgehäuse 11 kann entweder unmittelbar mit dem mit 35 bezeichneten Gehäuse des Kraftzylinders 3 verschraubt werden oder auch mit einer Zwischenplatte 36, die ihrerseits dann mit dem Gehäuse 35 verschraubt ist. In beiden Fällen bedarf es keiner flexiblen Schlauchverbindung zwischen der vorderen Kammer 12 des Bremsventils und der Hauptkammer 6 des Kraftzy­ linders 3.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Bremsventils ist folgende:

Um den Kraftzylinder 3 auszufahren, wird das Steuerventil 4 in diejenige Stellung gebracht, in der sein Ausgang 14 und damit auch die mittlere Kammer 13 des Bremsventils 1 Druck­ fluid erhalten. Der Druck bewirkt das Öffnen des Rückschlag­ ventils 2 zur vorderen Kammer 12 (vgl. Pfeil 37 in Fig. 4), und das Druckfluid strömt von dieser in Richtung zur Haupt­ kammer 6 des Kraftzylinders 3.

Um den Kraftzylinder 3 wieder einzufahren, wird das Steuer­ ventil 4 in die andere Stellung gebracht, in der sein Ausgang 19, der mit der Ringkammer 8 des Kraftzylinders 3 über die Leitung 7 verbunden ist, Druckfluid erhält. In dieser Stel­ lung wird gleichzeitig auch die hintere Kammer 17 mit Druck beaufschlagt. Da der Ventilkörper 16 des Bremsventils nur so­ lange in dichter Anlage am Ventilsitz 15 bleiben kann, wie von hinten allein die Kraft der Feder 33 wirkt, führt die Druckbeaufschlagung der hinteren Kammer 17 dazu, daß der Ven­ tilkörper 16 entlastet und durch den Druck in der vorderen Kammer 12 nach hinten verschoben wird und dadurch das Ventil 15, 16 öffnet, so daß sich die Hauptkammer 6 des Kraftzylin­ ders 3 über die vordere Kammer 12, die mittlere Kammer 13, die Leitung 5 und den Anschluß 14 des Steuerventils 4 entlee­ ren kann.

Der wesentliche Vorteil des neuen Bremsventils besteht darin, daß bei gleichen Durchmessern 28 a und 22 a die jeweils auf den Ventilkörper 16 und den Steuerkolben 18 wirkenden Axialkräfte und folglich auch die Stellung dieser Teile vollkommen unab­ hängig sind vom Druck in der mittleren Kammer 13, so daß sich nur folgende Kräfte auf die Schließ- und Öffnungsstellung des Bremsventils auswirken:

erstens die Kraft der Feder 33,
zweitens der auf den Ventilkörper 16 wirkende Druck der vorderen Kammer 12 und
drittens der auf den Steuerkolben 18 wirkende Druck der hinteren Kammer 17.

Es ist in diesem Zusammenhang besonders zu bemerken, daß im Falle hydraulischer Systeme mit Druckfluidversorgung in Serie die Druckschwankungen am Ausgang eines nachgeschalteten Steuerventils nicht die Funktion eines vorgeschalteten Steuerventils und der zugehörigen hydraulischen Aggregate stören kann.

Im übrigen kann durch geeignete Einstellung der Vorspannung der Feder 33 das Bremsventil auch gleichzeitig als Überdruck­ ventil verwendet werden. Wenn in diesem Fall der Druck in der vorderen Kammer 12 zu groß wird, kann auch dann, wenn die hintere Kammer 17 nicht mit Druck beaufschlagt ist, der Ven­ tilkörper 16 durch den Druck in der vorderen Kammer 12 in Öffnungsrichtung verschoben werden.

Um die Wirksamkeit des neuen Bremsventils noch besser verste­ hen zu können, soll nachstehend seine Funktion im Fall eines plötzlichen Bruchs der Schlauch- oder Leitungsverbindung 5, welche das Steuerventil 14 mit der mittleren Kammer 13 ver­ bindet, untersucht werden.

Es sei zunächst angenommen, daß der Bruch in einer Arbeits­ phase eintritt, in welcher der Kraftzylinder 3 unter Last stillsteht. Der Kraftzylinder unterliegt also einer bestimm­ ten Gewichtsbelastung, welche die Tendenz hat, ihn zusammen­ zudrücken. In diesem Zustand steht die hintere Kammer 17 nicht unter Druck, und die Feder 33 hält den Ventilkörper 16 in Anlage gegen den Ventilsitz 15, d. h. das Ventil bleibt geschlossen. Man sieht also, daß trotz des Druckabfalls in der mittleren Kammer 13 bis auf den Umgebungsdruck der Kraft­ zylinder 3 seine Stellung beibehält. Eine Verschiebung des Ventilkörpers 16 in Öffnungsrichtung könnte nur dann statt­ finden, wenn der Druck in der vorderen Kammer 12 die Kraft der Feder 33 übersteigt. Von dieser hypothetischen Annahme kann jedoch abgesehen werden, da sonst die Last zuvor hätte überhaupt nicht angehoben werden können.

Weiterhin sei auch noch der Fall betrachtet, daß der Lei­ tungsbruch während der Einfahrbewegung des Kraftzylinders 3 erfolgt. Da in dieser Phase das Steuerventil 4 die Ringkammer 8 des Kraftzylinders mit Druck beaufschlagt, steht auch die hintere Kammer 17 des Bremsventils unter Druck, und der Ven­ tilkörper 16 befindet sich in Öffnungsstellung. In diesem Zu­ stand senkt sich die Last weiter ab, aber mit einer gesteuer­ ten Sinkgeschwindigkeit, welche vom gesteuerten Öffnungsquer­ schnitt des Bremsventils 15, 16 abhängt. Selbstverständlich geht bei diesem Vorgang das Hydrauliköl aus der Hauptkammer 6 des Kraftzylinders 3 verloren, weil es aus der Bruchstelle der Leitung ausströmt. Die Bedienungsperson hat jedoch jeder­ zeit die Möglichkeit, die Einfahrbewegung des Kraftzylinders 3 anzuhalten. Hierzu genügt es, die Druckölzufuhr zur Ring­ kammer 8 des Kraftzylinders zu stoppen. Durch den dann in der hinteren Kammer 17 eintretenden Druckabfall wird der Ventil­ körper 16 durch die Feder 33 wieder gegen den Ventilsitz 15 gedrückt.

Bremsventile der vorstehend beschriebenen Art eignen sich be­ sonders zur Verwendung bei Erdbewegungsfahrzeugen wie z. B. dem in Fig. 6 gezeigten Löffelbagger. Letzterer hat einen Ge­ lenkarm 38, der durch Kraftzylinder 39 und 40 bewegt wird. Es sei angenommen, daß für die Steuerung dieser Kraftzylinder eine Druckfluidzufuhr in Serie gewählt ist, um eine bestimmte gegenseitige Abhängigkeit der verschiedenen Bewegungen des Arms zu erhalten. Dies ist z. B. zweckmäßig bei dem in Fig. 6 gezeigten Abarbeiten einer Arbeitsfläche 41 mit Hilfe eines am freien Ende des Gelenkarms angebrachten Löffels 42. Hier­ bei beeinflussen sich die Druckfluidströme der Kraftzylinder 39 und 40 gegenseitig.

Aus den vorstehenden Erläuterungen geht hervor, daß das neue Bremsventil insbesondere aus folgenden Gründen für Kraftan­ triebe bestens geeignet ist:

Das Ventil läßt sich unmittelbar an einem Kraftzylinder oder einer damit fest verbundenen Halterung anbringen, und es ist in der Lage, die Bewegung des Kraftzylinders im Falle eines Leitungsbruches selbst dann vollständig anzuhalten, wenn der Kraftzylinder unter Last steht. Es gibt keine flexible Schlauchverbindung zwischen dem Kraftzylinder und dem Brems­ ventil. Nach einem Leitungsbruch besteht die Wahlmöglichkeit, eine vorher angehobene Last durch gesteuerte Öffnung des Bremsventils langsam zum Boden hinabzulassen.

Claims (5)

1. Bremsventil für hydraulische Antriebe, bestehend aus einem Ventilgehäuse mit einer vorderen Kammer, welche an ein hydraulisches Antriebsorgan anschließbar ist, einer mittleren Kammer, welche an eine Versorgungslei­ tung des hydraulischen Antriebsorgans anschließbar ist und über einen durch einen steuerbaren Ventilkörper absperrbaren Ventilsitz mit der vorderen Kammer kommu­ niziert, und einer hinteren Kammer, welche an eine Steuerleitung anschließbar und durch einen Steuerkol­ ben begrenzt ist, auf den nach hinten der Druck der mittleren Kammer und nach vorn eine Feder wirken, welche über den Steuerkolben den Ventilkörper in Schließrich­ tung belastet, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Steuerkolben (18) und der Ventilkörper (16) koaxial angeordnet sind, daß der Steuerkolben als Stufenkolben ausgebildet ist, dessen kleinere Stirnfläche (bei 27) dem Druck der mittleren Kammer (13) und dessen die Stufe bildende Ringfläche (32) dem Druck der hinteren, als Ringkammer ausgebilde­ ten Kammer (17) ausgesetzt ist, und daß die dem Druck der mittleren Kammer (13) ausgesetzten wirksamen Flä­ chen des Steuerkolbens (18, 27) und des Ventilkörpers (16) gleich groß sind.

2. Bremsventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Ventilkörper (16) im Bereich (22) des Ventilsitzes (15) kegelig ausge­ bildet ist.

3. Bremsventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse (11) unmittelbar oder nur über starre Verbin­ dungsteile (36) mit einem Kraftzylinder (3, 35, 39, 40) verbindbar ist.

4. Bremsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, da­ durch gekennzeichnet, daß das vordere, zylindrische Ende (24) des Ventilkörpers (16) mit einer mit der vorderen Kammer (12) in Verbindung stehenden Sackbohrung (25) eine Einrichtung zur Dämp­ fung der Bewegungen des Ventilkörpers (16) bildet.

5. Bremsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß sein Gehäuse (11) ein Rückschlagventil (2) enthält, welches in Strömungsrichtung von der mittleren Kammer (13) zur vorderen Kammer (12) öffnet.