DE3222116C1 - Direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil mit einer federbelasteten Kugel als Schließglied in einem Ventilgehäuse und einem Federführungsbolzen, der die Kugel auf den Ventilsitz preßt, wobei zwischen dem Federführungsbolzen und der Kugel mindestens drei Dämpfungskugeln gleichen Durchmessers angeordnet sind, die mit geringem Spiel den Innenraum des Ventilgehäuses ausfüllen.

Druckbegrenzungsventile werden in Hydraulik- oder Pneumatik-Systemen verwendet Durch sie soll verhindert werden, daß ein bestimmter vorgewählter Druck überschritten wird. Die federbelastete Kugel als Schließglied hebt von der Bohrung bei Überschreiten eines vorgewählten Druckes ab, so daß das Druckmittel in einen hinter der Kugel angeordneten Raum entweichen kann. Bei Druckbegrenzungsventilen besteht jedoch die Gefahr, daß sie in Schwingungen geraten können und unter starker Geräuschentwicklung über der freigebenden öffnung »tanzen«. Darüber hinaus können diese Schwingungen zur Beschädigung der Bohrungskanten und damit zur Zerstörung des Druckbegrenzungsventiles führen.

Aus diesem Grunde ist in der DE-AS 28 26 643 bereits ein Ventil vorgeschlagen worden, bei dem in dem Ventilgehäuse zwischen dem Federführungsbolzen und der Kugel mindestens drei Dämpfungskugeln gleichen Durchmessers angeordnet sind. Diese Dämpfungskugeln sind mit geringem Spiel im Innenraum des Ventilgehäusess angeordnet und verhindern auf einfache Weise ein axiales Überschwingen und ein radiales Auspendeln der Schließkugel. Dies wird zum einen durch einen Zentriereffekt für die Schließkugel und zum anderen aufgrund der Wandreibung der Dämpfungskugeln an der Innenwand des Ventilgehäuses erreicht. Es tritt nämlich eine Radialkomponente der Druckkraft in den drei Dämpfungskugeln auf, die sich jeweils am Ventilgehäuse abstützt. Die dabei auftretende Reibung führt zu einer entsprechenden Dämpfung der Schließkugel.

Es wurde nun jedoch festgestellt, daß dieses Druckbegrenzungsventil eine relativ hohe Hysterese aufweist, welche mit steigendem Druck immer größer wird. Außerdem folgt die Druckeinstellung nicht streng linear der Federvorspannung. Die Ursache für diese Nachteile liegt in der auftretenden Wandreibung der Dämpfungskugeln. Nach einem öffnen des Druckbegrenzungsventiles muß daher der Druck relativ weit wieder reduziert werden, bis die Schließkugel durch die Kraft der Feder die Bohrung wieder verschließt Dadurch fällt der Druck in dem zu überwachenden System mitunter zu stark ab.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Druckbegrenzungsventil der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß die auftretende Wandreibung an die vorhandenen Druckverhältnisse angepaßt werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 genannten Merkmale gelöst.

Bei dem bekannten Druckbegrenzungsventil war die Auflagefläche an dem Federführungsbolzen für die Dämpfungskugeln eben und verlief senkrecht zur Längsachse des Ventilgehäuses. Durch diese Abstützungsverhältnisse traten an den drei Dämpfungskugeln relativ hohe Spreizkräfte auf, die sich an der Gehäusewand abstützten. Dadurch daß die Auflagefläche bildende Stirnfläche des Federführungsbolzens erfindungsgemäß nunmehr so ausgestaltet ist, daß der Außenumfang weiter vorn liegt als der innere Bereich der Stirnfläche, werden die radial wirkenden Spreizkräfte geringer und können darüber hinaus entsprechend der Abweichung der Stirnfläche von einer ebenen Fläche auch variiert werden. Die geringeren Spreizkräfte bewirken damit eine geringere Reibung, weshalb eine Hysterese weitgehend vermieden wird und die Druckeinstellung streng linear der Federvorspannung folgen kann.

In Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, daß die Stirnfläche wenigstens annähernd eine kugelförmige Wölbung aufweist, welche eine Kugelkalotte sein kann.

Eine weitere erfindungsgemäße Lösung besteht darin, daß die Stirnfläche wenigstens annähernd eine Hüllkegelform aufweist. Dieser Hüllkegel wird durch Rotation der betreffenden Tangente an die Dämpfungskugeln im Berührungspunkt um die Ventillängsachse gebildet Bei

so reinen Hubbewegungen in Achsrichtung ist diese Lösung mit der Kugelkalotte identisch. Lediglich bei einem schrägen Öffnen der Schließkugel ändern sich die Spreizkräfte beim Kegel in etwas stärkerem Maß, weil die Kegelsteigung stets gleich ist, während sich bei einer

Hüllkugel die Steigung anpaßt Bei sehr kleinen Öffnungswegen, wie sie z. B. bei der Verwendung des erfindungsgemäßen Ventiles als Vorsteuerventil auftreten würden, kann ein Hüllkegel jedoch ebenfalls ohne jede Schwierigkeiten angewendet werden.

Nachfolgend ist anhand der Zeichnung ein Ausführungsbeispiel der Erfindung prinzipmäßig beschrieben. Es zeigt .

F i g. 1 einen Längsschnitt durch das erfindungsgemäße Druckbegrenzungsventil (ausschnittsweise) nach der Linie I-I der F i g. 2;

Fig.2 einen Querschniit durch das Druckbegrenzungsventil nach der F i g. 1 (über den Dämpfungskugeln).

Das Druckbegrenzungsventil, das in ein Gehäuseteil des zu überwachenden Systems eingebaut wird, besteht aus einem Ventilgehäuse 1 (nur teilweise dargestellt), das auf der einen Seite eine Ventilöffnung 2 besitzt, an der der zu überwachende Druck ansteht. Auf der gegenüberliegenden Seite des Ventilgehäuses 1 befindet sich eine nicht dargestellte öffnung zur Ableitung des freigegebenen Druckmediums. In einfacher Weise wird die Verbindung zu dieser Auslaßöffnung über eine zentrale Innenbohrung 3 in einem Federführungsbolzen 4 hergestellt. Der Federführungsbolzen 4 weist eine Durchmesservergrößerung 5 mit einer Stirnfläche 10 als Auflagefläche für drei oder mehr Dämpfungskugeln 6 auf.

Die zu dem Druckraum gerichtete Ventilöffnung 2 ist durch eine Schließkugel 7 als Schließglied im Normalfall geschlossen. Für eine entsprechende Vorspannung sorgt eine Feder 8, welche sich auf einer Seite auf der Rückseite der Durchmesservergrößerung 5 und auf der anderen Seite an der Rückwand des Ventilgehäuses 1 abstützt.

Die drei Dämpfungskugeln 6 sind in einer senkrecht zu der Öffnungsrichtung liegenden Ebene angeordnet. Sie sind von gleichem Durchmesser und liegen auf der gleichen Ebene mit geringem Spiel im Innenraum des Ventilgehäuses 1. Im unteren Bereich liegen die Dämpfungskugeln 6 auf der Oberfläche der Schließkugel 7 auf.

Das Druckbegrenzungsventil arbeitet nun auf folgende Weise: So lange in dem zu überwachenden System ein vorgegebener Druck nicht überschritten wird, d.h. so lange in der Ventilöffnung 2 eine bestimmte Druckkraft nicht überschritten wird, bleibt die Schließkugel 7 als Schließglied durch die Kraft der Feder 8 auf die Ventilöffnung 2 gepreßt. Wird der vorgewählte Druck überschritten, so wird die Druckkraft auf die SchließkugeL 7 größer als die Federkraft und die Schließkugel 7 hebt von dem Ventilsitz ab. Damit kann das Druckmedium über die zentrale Bohrung 3 in dem Federführungsbolzen 4 zu der Auslaßöffnung des Ventilgehäuses entweichen. Die drei Dämpfungskugeln 6 wirken dabei sowohl dämpfend als auch zentrierend auf die Schließkugel 7. Sie halten nämlich die Schließkugel 7 in der Symmetrieachse und dämpfen die Öffnungsbewegung durch die auftretende Wandreibung zwischen den Dämpfungskugeln und der Innenwand des Ventilgehäuses 1.

Bei dem bekannten Druckbegrenzungsventil verlief die Stirnfläche des Federführungsbolzen 4, d. h. die Auflagefläche für die Dämpfungskugeln 6 eben und zwar senkrecht zur Längsachse. In der F i g. 1 ist dieser Verlauf durch die gestrichelte Linie 9 dargestellt. Nunmehr ist im Unterschied zu dem bekannten Druckventil die der druckseitigen Ventilöffnung 2 zugewandte Stirnfläche 10 so ausgebildet, daß deren Außenumfang 11 bezogen auf die Ventilöffnung 2 in dem Ventilgehäuse 1 weiter vorne liegt, als der innere Bereich der Stirnfläche 10. Dies kann dabei dadurch erreicht werden, daß die Stirnfläche 10, wie aus der F i g. 1 ersichtlich, eine Kugelkalotte als Hüllkugel bildet. Diese Kugelform bewirkt nun je nach Kugelradius die Reduzierung der horizontalen Spreizkräfte der Dämpfungskugeln 6. Dies wird nachfolgend anhand der in die F i g. 1 eingezeichneten Kraftverläufe erläutert.

Eine vertikale Öffnungskraft F_n welche mit dem Pfeil 12 dargestellt ist, teilt sich unter Bildung eines Kraftdreiecks in drei gleich große Kräfte Fk auf. Fk sind die Kräfte, die vom Mittelpunkt der Schließkugel 7 jeweils über den Mittelpunkt einer Dämpfungskugel 6 übertragen werden. Die Kräfte Fk sind durch die Linie 13 und 14' dargestellt, wobei 14' zur Schließung des Kraftdreiecks in üblicher Weise durch eine Parallelverschiebung der Linie 14 gebildet ist. Die Kraft F* wird nun über die

ίο Stirnfläche 10 des Federführungsbolzen und über die Reibkraft weiter geleitet. Zur Bildung einns Kräftedreiecks wird hierzu die Lini 13 als 13' in den Kugelmittelpunkt Mi einer Dämpfungskugel 6 projiziert.
Zum Vergleich wird nachfolgend zuerst die Kräfteaufteilung bei dem Druckbegrenzungsventil nach dem Stand der Technik dargestellt. Der Berührungspunkt der Dämpfungskugel 6 mit der ebenen Stirnfläche 9 beim Stand der Technik erfolgt bei B₀. Dadurch teilt sich die Kraft Fk in die horizontale Kraft Fh, welche durch die gestrichelte Linie 15 angegeben ist. Der vertikale Anteil der Kraft Fk wird in vertikaler Richtung durch den Punkt Bo übertragen und dessen Größe ist durch die gestrichelte Linie 16 dargestellt. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel beträgt die Horizontalkomponente Fh

36% der Öffnungskraft F_v.

Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel mit der Stirnfläche 10 als Kugelkalotte besitzt die Kugel den durch die Linie 17 dargestellten Radius. Der Berührungspunkt der Dämpfungskugel 6 mit der Stirnfläche 10 liegt in dem Punkt B\. Durch die übliche Parallelverschiebung der Linie 17 durch die Spitze des Kraftpfeiles Fk (Linie 13') ergibt sich die Linie 17'. Die sich aus diesem Kräftedreieck ergebende Horizontalekomponente Fh beträgt nur 22% der Kraft F_r und ist mit der Linie 18 dargestellt.

Bei der Betrachtung der Kräftedreiecke wird auch der kleinste Grenzradius für die Stirnfläche 10 ersichtlich. Der kleinste Grenzradius entspricht dem Radius der Schließkugel 7 zusammen mit dem Durchmesser der Dämpfungskugel 6. In diesem Falle verläuft der Radius der Kugelkalotte durch den Mittelpunkt M₀ der Schließkugel 7 und der Berührungspunkt mit der Stirnfläche 10 des Federführungsbolzen 4 würde bei Bz liegen. Wie ersichtlich würde damit die Kraft Fk ohne die Entstehung einer Horizontalkomponente direkt auf den Federführungsbolzen 4 übertragen werden. Würde man theoretisch den Radius der Kugelkalotte noch kleiner machen, so würden die Dämpfungskugeln 6 sich nach innen bewegen.

so Entsprechend dem gewählten Radius der Kugelkalotte läßt sich damit auch der Prozentsatz der Spreizkraft bzw. der Horizontalkomponente Fh wählen und kann deshalb jeweils dem speziellen Einsatzfall angepaßt werden. Insbesondere hängt die erforderliche Spreizkraft vom Durchflußstrom ab, der bewältigt werden muß. Durch Versuche wurde festgestellt, daß z. B. bei einem Durchflußstrom von 13 l/min bis ca. 200 bar eine Spreizkraft von 3% ausreichend sein kann.
Maßgebend für die Höhe der Reibungskraft ist selbstverständlich auch die Oberflächenrauhigkeit der Innenwand des Ventilgehäuses 1, aber dies kann entsprechend berücksichtigt werden.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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Claims (4)

Patentansprüche:

1. Direkt gesteuertes Druckbegrenzungsventil mit einer federbelasteten Kugel als Schließglied in einem Ventilgehäuse und einem Federführungsbolzen, der die Kugel auf den Ventilsitz preßt, wobei zwischen dem Federführungsbolzen und der Kugel mindestens drei Dämpfungskugeln gleichen Durchmessers angeordnet sind, die mit geringem Spiel den Innenraum des Ventilgehäuses ausfüllen, dadurch gekennzeichnet, daß der Außenumfang (11) der Stirnfläche (10) des Federführungsbolzens (4) an der die Dämpfungskugeln (6) anliegen, bezogen auf die druckseitige Ventilöffnung (2) in dem Ventilgehäuse (1) weiter vorne liegt, als der innere Bereich der Stirnfläche (10).

2. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (10) wenigstens annähernd eine kugelförmige Wölbung aufweist

3. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (10) eine Kugelkalotte bildet

4. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stirnfläche (10) wenigstens annähernd eine Hüllkegelform aufweist