DE3603016A1 - Spuelventil - Google Patents

Description

Ein hydraulisches System mit einem oder mehreren Antrieben und Verbrauchern kann sowohl im offenen als auch im geschlossenen Kreislauf betrieben werden. Die Verluste des Systems bestehen außer in den Dichtigkeitsverlusten in der Reibung, die in den einzelnen Aggregaten und den Leitungen auftritt. Diese Reibungsverluste fallen in Form von Wärmeenergie an, die das Arbeitsmedium aufheizen und abgeführt werden müssen, wenn ein zu starkes Erhitzen des Hydraulikmediums vermieden werden soll.

Besonders bei geschlossenen Hydraulikkreisen tritt dabei das Problem auf, daß zum Abführen der Wärme nur der relativ geringe Leckstrom zur Verfügung steht, der über die Speisepumpe aus dem Reservoir wieder in den Kreis ergänzt wird. Da dieser Massenstrom jedoch in vielen Fällen zu gering ist, die anfallende Wärmemenge aus dem Kreis zu entnehmen, ist es üblich, den Kreis zu "spülen", d. h. der Massenstrom der Speisepumpe wird wesentlich höher gewählt als es der Leckstrom des System erfordern würde. Auf diese Weise kann der Massenstrom an Hydraulikmedium, der laufend aus dem Kreislauf entnommen und an anderer Stelle durch die Speisepumpe wieder zugeführt wird, so weit erhöht werden, bis innerhalb des Hydraulikkreises eine annehmbare Temperatur des Mediums gehalten wird.

Damit dieses Spülen auch bei wechselnder Förderrichtung möglich ist, muß ein sog. "Spülventil" dafür sorgen, daß jeweils die Niederdruckseite des Kreislaufs über ein Speisedruckhalteventil mit dem Reservoir des Hydraulikkreises verbunden ist. Dieses Speisedruckhalteventil dient dabei der Aufrechterhaltung eines gewissen Mindestdruckes auf der Niederdruckseite des Hydraulikkreises und verhindert damit sozusagen die vollständige Öffnung des Hydraulikkreises.

Da das Spülventil die Verbindung zwischen der jeweiligen Niederdruckseite und dem Reservoir des Hydraulikkreises herstellen soll und der Einfachheit halber von der Hochdruckseite angesteuert wird, handelt es sich üblicherweise um ein 3/3-Wegeventil, das bei Druckgleichheit auf beiden Seiten des Hydraulikkreises, also einer Nullstellung der Pumpe, eine geschlossene Mittelstellung einnimmt.

Zum Bewegen des Spülventils aus der Nullstellung ist daher, abhängig von der Bauform und Dimensionierung des Spülventils, eine mehr oder weniger hohe Druckdifferenz zwischen den beiden Seiten des Hydraulikkreises erforderlich. Diese Druckdifferenz ergibt sich aus dem Verhältnis der druckbeaufschlagten Flächen und der evtl. Federvorspannung des Spülventils. Unterhalb dieser Druckdifferenz wird also der Hydraulikkreis nicht gespült, d. h. die entstehenden Wärmemengen werden nicht abgeführt, so daß sich die Temperatur des Hydraulikmediums stark erhöht.

Besonders ungünstig ist die Situation bei Sitzventilen, bei denen von den drei in einer Reihe angeordneten Kammern des Ventils jeweils die äußeren über einen Ventilkörper gegen die mittlere abgedichtet werden können, und die beiden Ventilkörper von einem gemeinsamen Stößel durchdrungen werden, der bei Druckbeaufschlagung auf der einen Stirnseite über entsprechende Schultern den Ventilkörper auf der anderen Seite von seinem Sitz abhebt und damit die Verbindung zwischen dieser Außenkammer mit der mittleren Kammer, die über das Speisedruckhalteventil mit dem Reservoir des Hydraulikmediums verbunden ist, freigibt. Bei einer solchen Ventilförm hängt nämlich der Schaltdruck im wesentlichen nur von der Druckdifferenz zwischen Hoch- und Niederdruckseite des Hydraulikkreises sowie der Federvorspannung ab, sowie dem Flächenverhältnis A 1/A 2, da ja am Ventilkörper das Kräftegleichgewicht P _H · A ₁ = P _N · A-₂ + K _F (P _H = Hochdruck, P _N = Niederdruck). Damit liegt der Schaltdruck, also der Hochdruckwert, ab dem eine Spülung des Hydraulikkreises erfolgt, um so höher, je höher der Speisedruck und die Federkraft gewählt werden, mit denen die Ventilkörper an ihren Sitz gedrückt werden, die ja zusätzlich vom Hochdruck beaufschlagten Stößel überwunden werden muß.

Da auf diese Weise Schaltdrücke von bis zu einem Fünftel des Maximaldruckes im Hydraulikkreis notwendig werden können, bevor eine Spülung des Kreises eintritt, ist bei darunterliegenden Förderdrücken sehr leicht eine Überhitzung des Hydraulikmediums und damit der gesamten Hydraulikanlage möglich.

Es ist daher die Aufgabe der Erfindung, ein Spülventil für Hydraulikkreise zu schaffen, das auch unterhalb des Schaltdruckes einen gewissen Durchsatz an Hydraulikmedium und damit eine Spülung und Kühlung des Hydraulikkreislaufs ermöglicht.

Die Lösung dieser Aufgabe ist in den Merkmalen des Anspruchs 1 gekennzeichnet. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung wird nun im folgenden anhand der Zeichnungen beispielhaft erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine Prinzipskizze eines geschlossenen Hydraulikkreises ohne Spülung,

Fig. 2 eine Prinzipskizze eines geschlossenen Hydraulikkreises mit Spülung,

Fig. 3 den Schaltplan eines Hydraulikkreises mit Spülung,

Fig. 4 ein Funktionsbild des Hydraulikkreises der Fig. 3,

Fig. 5 das Spülventil gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt einen geschlossenen Hydraulikkreis mit einer Pumpe 1 und einem Motor 9, bei dem die als Reibungswärme anfallende Verlustleistung des Hydraulikkreises ausschließlich in Form des anfallenden Leckstromes L ^• dem Kreislauf entzogen werden kann. Durch die Speisepumpe 2, die über ein Druckbegrenzungsventil 4 abgesichert ist, wird dem Hydraulikkreis der Speisestrom Sp ^• = L ^• zugeführt. Entsprechend dem geringen Massenstrom von Sp ^• bzw. L ^• besteht ein relativ hohes Temperaturgefälle Δ T zwischen den beiden Strömen L ^• und Sp ^•, d. h. innerhalb des Hydraulikkreislaufes stellt sich ein hohes Temperaturniveau ein.

Dieses Temperaturniveau läßt sich dadurch absenken, daß entsprechend der Fig. 2 eine Spülung des Hydraulikkreises erfolgt. Zu diesem Zweck wird über die Speisepumpe 2 dem Hydraulikkreis ein Speisestrom Sp ^• zugeführt, der wesentlich umfangreicher ist als die Leckverluste L ^•. Die Differenzmenge (Sp ^• - L ^•) muß zur Aufrechterhaltung des Gleichgewichts im Hydraulikkreis also zusätzlich entzogen werden, und zwar zur Aufrechterhaltung eines notwendigen Mindestdruckes über das Druckhalteventil 8. Auf diese Weise wird dem Hydraulikkreislauf ein wesentlich größerer Massenstrom permanent entzogen und wieder zugeführt, wodurch sich bei gleicher anfallender Wärmemenge im Hydraulikkreis ein geringeres Temperaturniveau einstellt.
Einen entsprechenden Schaltplan eines Hydraulikkreises für Motor- und Pumpenbetrieb und zwar in je beiden Förderrichtungen mit Axialkolbenpumpe zeigt Fig. 3. Die Axialkolbenpumpe 1 ist über die Arbeitsleitungen A und B mit dem Motor 9 verbunden und wird von der Speisepumpe 2 versorgt. Die Meßanschlüsse M _A und M _B dienen als Meßanschlüsse für die Arbeitsleitungen, ebenso wie M _S für die Speisedruckleitung. Für die beiden Förderrichtungen sind parallel angeordnete Druckbegrenzungsventile mit den Arbeitsleitungen verbunden, sowie ein als 3/3-Wegeventil ausgebildetes Spülventil 7. Das über das Druckhalteventil 8 mit der Spülleitung L ₁ und damit dem Reservoir für das Hydraulikmedium verbunden ist. Die Speisepumpe 2 wiederum fördert aus diesem hier nicht dargestellten Reservoir und versorgt über den Filter 3 über Rückschlagventile 5 die jeweilige, unter Niederdruck stehende Arbeitsleitung A bzw. B sowie über das Druckbegrenzungsventil 4 erforderlichenfalls die Spülleitung L ₁.

Der in der Fig. 3 als Schaltplan dargestellte Hydraulikkreis ist in der Fig. 4 als Funktionsschema dargestellt, aus dem zum Teil auch die konstruktive Ausgestaltung der einzelnen Elemente, unter anderem des in Rede stehenden Spülventils, dargestellt ist. Wie in Fig. 4 zu erkennen ist, dichten bei Druckgleichheit der beiden Arbeitsleitungen A und B die beiden Ventilkörper 10 die Arbeitsleitungen gegen die Spülleitung L ₁ vollständig ab. Damit nun bei einer Druckerhöhung, beispielsweise der Arbeitsleitung B gegenüber der Arbeitsleitung A, das Ventil geöffnet wird, muß der Druck in der Arbeitsleitung B so groß sein, daß er durch Beaufschlagen der entsprechenden Stirnseite des Stößels 11 die Kraft überwindet, die durch Beaufschlagen der auf der Seite der Arbeitsleitung A liegenden Sitzfläche des Ventilkörpers 10 mit der Druckdifferenz zwischen dem Druck in der Arbeitsleitung A und dem vor dem Druckhalteventil 8 herrschenden Speisedruck sowie die Kraft der Feder 12 überwindet. Erst dann vermag der Stößel 11 mittels eines der Absätze 13 den Ventilkörper 10 von seiner Sitzfläche abzuheben und die Verbindung zwischen der Arbeitsleitung A und der Spülleitung L ₁ freizugeben. Der Schaltdruck, also der Druckwert in der druckseitigen Arbeitsleitung, ab dem eine Spülung des Hydraulikkreises erfolgt, hängt also im wesentlichen nur vom Verhältnis der Stößelstirnfläche zur Sitzfläche des Ventilkörpers ab.

Damit wird der Hydraulikkreislauf also nicht nur im Leerlauf, also bei Nullstellung der Axialkolbenpumpe, sondern auch bei einem Betrieb des Kreislaufs mit einem Hochdruckwert unterhalb des Schaltdruckes nicht gespült, so daß es sehr leicht zu einer Überhitzung des gesamten Kreislaufes kommen kann.

Bei dem in Fig. 5 dargestellten Spülventil gemäß der Erfindung dagegen erfolgt auch unterhalb des Schaltdruckes und auch bei Druckgleichheit in den beiden Arbeitsleitungen eine Spülung des Hydraulikkreislaufs. Wegen der Anordnung der äußeren und inneren Querbohrungen 14 und 15 sowie der Längsbohrungen 16 im Stößel 11 besteht in der in Fig. 5 dargestellten Ruhelage des Ventils 7, also bei Druckgleichheit der beiden Arbeitsleitungen A und B, jeweils eine Verbindung von den äußeren Kammern 17 zur inneren Kammer 18 des Spülventils 7. Damit ist auch im Leerlauf eine Spülung des Hydraulikkreises gegeben, da, wie in Fig. 5 dargestellt, die Mündungen der äußeren Querbohrungen 14 in die äußeren Kammern 17 nur teilweise von den Ventilkörpern 10 bedeckt sind. Sobald nun in einer der beiden Arbeitsleitungen, beispielsweise in der Arbeitsleitung B, eine Druckerhöhung gegenüber der anderen Arbeitsleitung eintritt, wird zunächst einmal durch Beaufschlagen der Stirnseite des Stößels 11 durch den erhöhten Druck in der Leitung B der Stößel 11 so weit nach links verschoben, bis der auf der Seite der Arbeitsleitung A liegende Absatz 13 am entsprechenden Ventilkörper 10 anliegt. Dazu muß vom Druck der Arbeitsleitung B lediglich der Reibungswiderstand des Stößels 11 in den Ventilkörpern 10 und den Führungen 19 überwunden werden, der jedoch durch ingenieurmäßige Maßnahmen unerheblich klein gehalten werden kann. Durch die beschriebene Verschiebung des Stößels 11 wurden zwar die Mündungen der äußeren Querbohrungen 14 in die an die Arbeitsleitung B angeschlossene äußere Kammer 17 durch den Ventilkörper 10 allmählich verschlossen, jedoch wurden im gleichen Maß durch die Verschiebung auf der anderen Seite, der an die Arbeitsleitung A angeschlossenen Kammer 17 die Mündung der äußeren Querbohrung 14 vollständig geöffnet, so daß der insgesamt zur inneren Kammer 18 zur Verfügung stehende freie Querschnitt der gleiche blieb. Die Absätze 13 am Stößel 11 müssen dazu natürlich so angeordnet sein, daß ihr Spiel bezüglich der an ihren Dichtflächen anliegenden Ventilkörper 10 groß genug ist, damit bei einseitigem Anliegen eines Absatzes 13 an einem Ventilkörper 10 in der gegenüberliegenden äußeren Kammer 17 die Mündungen der äußeren Querbohrung 14 bereits vollständig verschlossen sind. Außerdem ist zu beachten, daß der Querschnitt der Bohrungen 14/15/16 immer noch so klein gewählt wird, daß er gegen dem aus den Arbeitsleitungen A und B zufließenden Massenstrom als Drossel wirkt, damit bei Druckerhöhung in einer der Arbeitsleitungen der Druckausgleich zwischen der entsprechenden äußeren Kammer 17 und der inneren Kammer 18 genügend verzögert wird, um ein Beaufschlagen der Stirnseite des Stößels 11 mit dem erhöhten Druck der Arbeitsleitung und damit ein Verschieben des Stößels zu bewirken.

Auf diese Weise ist also bei einem Betrieb des Hydraulikkreises zwischen dem Leerlaufzustand und dem Erreichen des Schaltdruckes in der Hochdruckarbeitsleitung eine Spülung gegeben.

Bei Erreichen des Schaltdruckes läuft nun wieder der schon bei Fig. 4 beschriebene Vorgang des Öffnens eines Sitzventiles ab: Entsprechend der Formel P _B × A ₁ = P _A × A ₂ + K _F wird bei weiterer Erhöhung des Druckes in der Arbeitsleitung B der bei der Arbeitsleitung A sitzende Ventilkörper 10 dann vom Stößel 11 aus seinem Sitz gehoben, wenn das Beaufschlagen der Stirnfläche A ₁ des Stößels 11 mit dem in der Arbeitsleitung B anliegenden Druck eine Kraft ergibt, die größer ist als die resultierende Kraft aus der Beaufschlagung der Sitzfläche A ₂ des Ventilkörpers 10 mit dem Druck der Arbeitsleitung A zusammen mit der Kraft der Feder 12, die auf der Seite der Arbeitsleitung A auf den entsprechenden Ventilkörper 10 wirkt. Erst danach ist die Verbindung zwischen der Arbeitsleitung A, also in diesem Fall der Niederdruckseite des Hydraulikkreises, mit dem Druckhalteventil 8 und damit der Leckleitung L ₁ vollständig geöffnet und die Spülung des Hydraulikkreises kann mit einem noch wesentlich höheren Massenstrom erfolgen. Um die beschriebene Funktion des Spülventils 7 zu gewährleisten, ist es selbstverständlich notwendig, daß das Druckbegrenzungsventil 4 höher als das Druckhalteventil 8 eingestellt ist, da sonst, beispielsweise im Leerlauf, nicht unbedingt in mindestens einer der beiden Arbeitsleitungen A bzw. B ein Druck anliegen würde, der über dem für die Öffnung des Druckhalteventils 8, und damit für die Spülung, notwendigen Druck liegt.

Nicht zuletzt liegt ein besonderer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Steuerventils in der einfachen Herstellbarkeit, da beispielsweise als Steuerkante die Stirnfläche des als einfaches Drehteil ausgebildeten Ventilkörpers 10 zusammen mit dem ebenso einfachen Bohrungen 14/15/16 wirken, die in dem ebenfalls als einfaches Drehteil ausgebildeten Stößel 11 angebracht sind. Entsprechend einfach kann auch Formgebung und Herstellung der Führungen 19 und des für die Funktion des Ventils 7 notwendigen Gehäuses gestaltet werden.

Claims (4)

1. Spülventil für einen geschlossenen Hydraulikkreislauf, das Anschlüsse für die Hoch- und Niederdruckseite des Hydraulikkreises sowie die Spülleitung aufweist und wobei sich zwischen drei entsprechenden Kammern Ventilkörper befinden, die in der Ruhestellung des Ventils durch Federkraft gegen ihren Ventilsitz gepreßt werden,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - wenigstens ein Nebenkanal die Kammer, die den Spülleitungsanschluß aufweist, auch bei wesentlich unter der Öffnungsdruckdifferenz, die zum Abheben der Ventilkörper von ihren Sitzen notwendig ist, liegenden Druckwerten mit wenigstens einer der beiden anderen Kammern verbindet,
  - die Mündungen des Nebenkanals in den mit den beiden Seiten des Hydraulikkreises verbundenen Ventilkammern bei Druckgleichheit der beiden Seiten des Hydraulikkreises wenigstens teilweise geschlossen sind, und
  - bei Veränderung des Druckgleichgewichts zwischen den beiden Seiten des Hydraulikkreises noch vor dem Abheben eines der Ventilkörper von seinem Sitz von den Mündungen des Umgehungskanals in den den beiden Seiten des Hydraulikkreises zugeordneten Ventilkammern die der Hochdruckseite zugeordneten Mündungen des Umgehungskanals geschlossen und die der Niederdruckseite zugeordneten Mündungen vollständig geöffnet sind.

2. Spülventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Mündungen des Nebenkanals in den mit den beiden Seiten des Hydraulikkreises verbundenen Ventilkammern bei Druckgleichheit der beiden Seiten des Hydraulikkreises teilweise geöffnet sind.

3. Spülventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungskanäle in einem Stößel angeordnet sind das Ventil symmetrisch aufgebaut ist.

4. Spülventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Umgehungskanäle in einemStößel angeordnet sind, der die beiden Ventilkörper durchdringt und in ihnen verschiebbar ist.