DE3608100A1 - Abschaltventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Abschaltventil mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein bekanntes Abschaltventil dieser Art ist in der DE-OS 33 34 189 beschrieben. Als erstes Vorsteuer­ ventil wird ein Kolbenschieber-Ventil verwendet. Als Steuerdruck für beide Vorsteuerventile dient der Druck der Hydraulikanlage, welcher den Vor­ steuerventilen über zwei durch den Hauptkolben verlaufende Strömungswege zugeführt wird, von welchen Strömungswegen einer durch den Hauptkolben unterbrochen werden kann. Für die Bewertung eines Abschaltventils bieten sich verschiedene Kriterien an. Da Abschaltventile praktisch immer in Hydro­ speicherkreisläufen verwendet werden, muß eine möglichst geringe Leckrate innerhalb des Abschalt­ ventils zumindest für die Einsatzfälle gefordert werden, in denen ein Hydrospeicher über längere Zeit den Druck halten soll. Ein Beispiel wäre das hydraulische Spannen bei einer längeren Bearbeitung. Es ist klar, daß große Leckagen zu einem schnelleren Druckabfall im Hydrospeicher und damit in der Hydraulikanlage führen. Die Folge ist ein häufigeres Zu- und Abschalten, was in jedem Fall dann uner­ wünscht oder gar unzulässig ist, wenn an den Ablauf weitere Arbeitsgeräte angeschlossen sind oder wenn zu große Druckschwankungen zu Beeinträchtigungen des Arbeitsergebnisses führen. Ein weiteres wichtiges Kriterium ist die möglichst frei wählbare Einstellung der Abschaltdrücke.

Frei wählbar bedeutet, daß sich die Einstelldrücke nicht gegenseitig beeinflussen sollen und die Schalt­ differenz neben großen Werten auch kleine Werte bis möglichst nahe an Null erreichen sollte. Schließlich ist es wichtig, daß Betriebsparameter, wie Durchflußstrom, Ladegeschwindigkeit, Druck­ gradient, Viskosität, Temperatur usw. keinen wesentlichen Einfluß auf das Schaltverhalten des Abschaltventils haben.

Ausgehend von diesen Überlegungen liegt der Erfin­ dung die Aufgabe zugrunde, Abschaltventile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 so auszugestalten, daß die Leckage weiter verringert wird, die Schalt­ drücke sowohl weit auseinander als auch möglichst eng aneinander liegen können und das all­ gemeine Schaltverhalten verbessert wird, d.h. daß insbesondere eine weitgehende Konstanz der Schalt­ drücke unabhängig von Änderungen der Durchfluß­ ströme und Ladegeschwindigkeiten erreicht wird. Die Ausgestaltung soll einfach und billig sein und sich im Rahmen bisheriger Einbaumaße verwirk­ lichen lassen.

Die Lösung dieser Aufgabe erfolgt mit den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1.

Die Lösung geht von der Überlegung aus, daß zur Verhinderung eines zu frühen Druckabfalls im ersten Steuerraum und eines damit verbundenen frühzeitigen Schaltens des Hauptsteuerkolbens jeglicher Druckab­ fall im ersten Steuerraum vor Erreichen des oberen Schaltdrucks vermieden werden muß. Ein solcher frühzeitiger Druckabfall, der bei positiver Schaltüberdeckung eines Vorsteuerventils durch Ab­ sperren der Steuerdruckzufuhr und nachfolgende Leckage aus dem ersten Steuerraum entstehen konnte, ist nun sicher durch die zumindest in der ersten Schaltstellung permanente Zufuhr von Druckmittel in den ersten Steuerraum vermieden. Dieser Druck­ mittelzufuhr entgegenstehende Leckagen sind gering und lassen sich durch in den Unteransprüchen beschriebenen Maßnahmen weiter verringern.

Das bedeutet, daß eine Bewegung des Hauptsteuer­ kolbens in Richtung auf seine zweite Schaltstellung erst dann eingeleitet wird, wenn der Druck im Hydrospeicher hoch genug ist, den Hauptsteuerkolben gegen die Rückstellfeder und den im wesentlichen auf einen konstanten Wert begrenzten Druck im ersten Steuerraum zu verschieben.

Anspruch 2 richtet sich auf die Ausbildung der Drosselstelle und des Rückschlagventils.

Anspruch 3 bezieht sich auf die Führung der Rück­ stellfeder.

Anspruch 4 richtet sich auf eine Anflächung am Hauptsteuerkolben zur Leckölabfuhr aus dem ersten Steuerraum in der zweiten Schaltstellung.

Anspruch 5 bezieht sich auf ein als Sitzventil ausgebildetes erstes Vorsteuerventil.

Anspruch 6 bezieht sich auf identische Vorsteuer­ kolben.

Anhand eines in der Abbildung dargestellten Aus­ führungsbeispiels, bei welchem zur besseren Anschauung alle Bohrungen in die Zeichenebene gelegt wurden, wird die Erfindung näher erläutert.

In einem Ventilkörper 1 ist eine Bohrung 2 angeordnet, in welcher ein Hauptsteuerkolben 3 gleitbar angeordnet ist. Nach außen ist die Bohrung 2 durch einen Stopfen 4 dicht verschlossen, an dem sich eine Rückstellfeder 5 abstützt, die auf den Hauptsteuerkolben 3 einwirkt. Der von der Rückstellfeder 5 durchsetzte Raum innerhalb der Bohrung 2 wird als erster Steuerraum 6 bezeichnet, der von der als erste Wirkfläche 7 dienenden Stirnfläche des Hauptsteuerkolbens 3 begrenzt wird. Die gegenüberliegende Stirnfläche des Hauptsteuerkolbens 2 dient als zweite Wirk­ fläche 8, die einen zweiten Steuerraum 9 begrenzt.

Unter Zwischenschaltung einer Zwischenplatte 10 ist ein Steuerblock 11 an den Ventilkörper 1 angeflanscht. Parallel zum Hauptsteuerkolben 3 sind im Steuerblock 11 ein erstes Vorsteuerventil 12 sowie ein zweites Vorsteuerventil 13 angeordnet. Der Hauptsteuerkolben 3 besitzt von der Rückstell­ feder 5 aus gesehen Schultern 14 und 15, die durch eine Ringnut 16 voneinander getrennt sind. Ausgehend von der Schaltstellung 1 ist die Bohrung 2 zwischen den Schultern 14 und 15 von einer Ringnut 17 umgeben, von welcher ein Ablaufanschluß T ausgeht. Im Bereich der Schulter 14 umgibt eine weitere Ring­ nut 18 die Bohrung 2, wobei die Ringnut 18 mit einem Zulaufanschluß P verbunden ist, der von einer Druckmittelquelle 19 gespeist wird. Auf der Seite des Steuerraums 9 ist der Hauptsteuerkolben 3 mit einem zapfenartigen Ansatz 20 versehen, der den Steuerraum 9 durchdringt und sich an der Zwischen­ platte 10 abstützt. In den Steuerraum 9 mündet ein Steueranschluß Z, der mit einem Hydrospeicher 21 und einem nicht näher dargestellten Hydrauliksystem verbunden ist. Zwischen Druckmittelquelle 19 und Hydrospeicher 21 ist ein Rückschlagventil 22 ein­ gebaut, das ein Rückströmen des Speicherinhaltes verhindert. Die die Verbindung zwischen den Ringnuten 17 und 18 steuernde Steuerkante an der Schulter 14 ist mit 23 bezeichnet. Die Schulter 15 trennt in jeder möglichen Stellung die Ringnut 17 vom Steuer­ raum 9. Die Schulter 14 besitzt, ausgehend vom Steuer­ raum 6, eine Sackbohrung 24, die einerseits zur Führung der Rückstellfeder 5 dient und andererseits über eine als Drosselstelle dienende Querbohrung 25 im Hauptsteuerkolben 3 mit der Ringnut 18 und damit mit dem Zulaufanschluß P verbunden ist. Innerhalb der Sackbohrung 24 ist eine zylindrisch verformte Blech­ manschette 26 angebracht, welche die Querbohrung 25 federelastisch abdeckt und als Rückschlagventil wirkt. Die Querbohrung 25 ist so angeordnet, daß ihr freier Strömungsquerschnitt sich durch Eintauchen in die Bohrung 2 an der Steuerkante 27 der Ringnut 18 bereits wesentlich verringert hat oder gar ver­ schlossen wurde, bevor die Steuerkante 23 die Verbin­ dung P-T öffnet. An der Schulter 14 befindet sich eine Anflächung 28, die etwas kürzer als die Schulter 14 ist. In den ersten Steuerraum 6 mündet ein Strömungsweg 29, der durch den Ventilkörper 1, die Zwischenplatte 10 und den Steuerblock 11 verläuft. Das zweite Vorsteuerventil 13 besitzt einen mit einer Sitzfläche 30 versehenen Vorsteuerkolben 31, der mit zwei Führungsschultern 32 und 33 in einer Bohrung 34 innerhalb einer in den Steuerblock 11 eingeschobenen Buchse 35 gleitet. Die Buchse sitzt in einer Stufenbohrung 36. Die Mündung der Bohrung 34 dient als Ventilsitz 37 für die Sitzfläche 30. Die Bohrung 36 ist über eine Bohrung 38 in der Zwischenplatte 10 mit dem Steuerraum 9 verbunden. Zwischen Ventilsitz 37 und Schulter 32 ist eine Querbohrung 39 in der Buchse 35 angebracht, die mit dem Strömungsweg 29 verbunden ist.

Der Vorsteuerkolben 31 wird von einer Regelfeder 40 belastet, deren Vorspannung auf nicht näher darge­ stellte Weise veränderbar ist. In einer weiteren Bohrung 41 innerhalb des Steuerblocks 11 befindet sich eine Buchse 42 zur Aufnahme eines Vorsteuer­ kolbens 43 des ersten Vorsteuerventils 12, der mit einer Sitzfläche 44 ausgestattet ist, die mit einem Ventilsitz 45 ausgangs der den Vorsteuerkolben 43 aufnehmenden Bohrung 46 zusammenwirkt. Schultern 47 und 48 dienen zur Führung und Dämpfung. Zwischen Schulter 47 und Ventilsitz 45 mündet über eine Querbohrung 49 der Strömungsweg 29 in die Bohrung 46. Der Vorsteuerkolben 43 wird von einer Regelfeder 50 in Richtung auf den Ventilsitz 45 belastet. Druckmittel aus dem Federdom 51 wird über eine Leckleitung L im Steuerblock 11 abgeführt.

Zur Erläuterung der Funktion sei von der in der Abbildung dargestellten Situation ausgegangen, wobei der Druck im Hydrospeicher 21 noch unterhalb des unteren Schaltdrucks liege. Wenn nun die Druck­ mittelquelle 19 Druckmittel liefert, gelangt dieses über das Rückschlagventil 22 in den Hydrospeicher 21 und in das damit verbundene Hydrauliksystem. Gleichzeitig gelangt das Druckmittel über den Steueranschluß Z in den zweiten Steuerraum 9 und bewirkt dort eine Kraft auf die zweite Wirkfläche 8. Über die Bohrung 38 gelangt das Druckmittel weiterhin in die Stufenbohrung 36 und belastet dort den zweiten Vorsteuerkolben 31 in Schließrichtung.

Da aber der Ventilsitz 37 vorerst noch geöffnet ist, gelangt das Druckmittel über die Bohrung 34, die damit verbundene Querbohrung 39 und den Strömungsweg 29 in den ersten Steuerraum 6 und belastet dort die erste Wirkfläche 7. Ein weiterer Strömungsweg besteht zwischen dem Zulauf P und dem ersten Steuerraum 6 über die Querbohrung 25 und die im Sinne eines Rückschlagventils abhebende Blechman­ schette 26. Wenn nun der Druck im Hydrospeicher 21 bis in den Bereich des unteren Schaltdrucks ansteigt, wird schließlich der zweite Vorsteuerkolben 31 gegen die vorgespannte Regelfeder 40 so verschoben, daß die Sitzfläche 30 den Ventilsitz 37 verschließt. Obwohl dieser Strömungsweg damit unterbrochen ist, gelangt Druckmittel weiterhin über die Querbohrung 25 in den ersten Steuerraum 6, so daß der Haupt­ steuerkolben 3 im wesentlichen druckausgeglichen bleibt und die Rückstellfeder für das Beibehalten der ersten Schaltstellung sorgt. Steigt der Druck im Hydrospeicher 21 weiter an und erreicht dann schließlich den oberen Schaltdruck, entsteht auch am Druckmittelanschluß P ein entsprechend hoher Druck, der sich über die Querbohrung 25, die Sackbohrung 24, den ersten Steuerraum 6, den Strömungsweg 29 und die Querbohrung 49 auch dem ersten Vorsteuerkolben 43 mitteilt und diesen schließlich vom Ventilsitz 45 abhebt. Da die Schultern 47 und 48 eine Ringspalt­ dämpfung bewirken, bewegt sich der erste Vorsteuer­ kolben 43 vergleichsweise langsam, so daß in dem System 49, 29, 6 in jedem Fall ein Druckabfall eintritt.

Vorraussetzung ist allerdings, daß die Querbohrung 25 als Drosselstelle dient, d.h. daß am Ventilsitz 45 mehr abströmt als durch die Querbohrung 25 zuströmt. Durch den Druckabfall im Steuerraum 6 gewinnt die Kraft auf die zweite Wirkfläche die Oberhand, und der Hauptsteuerkolben 3 bewegt sich abwärts. Dabei steigt der Druck im Hydrospeicher 21 weiterhin an.

Nach einer kurzen Abwärtsbewegung wird die Querbohrung 25 aus dem Bereich der Ringnut 18 herausgelangen und bei Überfahren der Steuerkante 27 zunehmend verschlossen. Nahezu gleichzeitig öffnet die Steuerkante 23 die Verbindung vom Zulauf P zum Ablauf T. Bei dieser Wirkungsweise sind einige Überlegungen erwähnenswert. Da das erste Vorsteuerventil ein Sitzventil ist, entsteht keinerlei Leckage, die sonst bei Kolben­ schiebern gerade im Bereich der Nullüberdeckung kurz vor dem eigentlichen Schaltvorgang auftritt. Ein verfrühtes Abschalten ist daher sicher unterbunden. Da andererseits beim Öffnen des Ventilsitzes 45 ein vergleichsweise großer Strömungsquerschnitt geöffnet wird, tritt im ersten Steuerraum 6 ein starker Druckabfall ein, der ein sicheres Durchschalten gewährleistet. Die Hydraulikanlage wird eine Weile allein aus dem Hydrospeicher gespeist. Wenn der Druck auf den unteren Schaltdruck abgefallen ist, öffnet die Regelfeder 40 wieder den Ventilsitz 37, nachdem das erste Vorsteuerventil 12 bereits wieder geschlossen ist. Bei einem sehr geringen Öffnen wird zunächst nur ein geringer Durchfluß stattfinden, der zwar in den Steuerraum 6 gelangt, dort aber über die Anflächung 28 abgeführt wird.

Auf diese Weise soll eine ausreichende Öffnung des zweiten Vorsteuerventils 13 erreicht werden. Bei ausreichender Öffnung wird der Durchfluß so groß, daß vor der Anflächung 28 ein Staudruck ent­ steht, der zusammen mit der Rückstellfeder 5 eine Aufwärtsbewegung des Hauptsteuerkolbens 3 einleitet. Dabei gelangt zunächst die Anflächung 28 außer Funktion, und etwa gleichzeitig öffnet die Steuer­ kante 27 die Querbohrung 25 und schließt die Steuer­ kante 23 die Verbindung P-T. Danach kann der Zyklus erneut beginnen. Die Blechmanschette wird insbesondere in der ersten Schaltstellung wirksam, da sie ein Leerlaufen des Hydrospeichers 21 bei druckloser Druckmittelquelle 19 unterhalb des unteren Schalt­ drucks verhindert. Ein solches Leerlaufen könnte sonst über das dann geöffnete zweite Vorsteuer­ ventil 13, den Strömungsweg 29, den ersten Steuerraum 6 und die Querbohrung 25 erfolgen.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte Aus­ führungsbeispiel beschränkt. Drosselstelle und Rück­ schlagventil können auch im Ventilkörper angeordnet sein, wobei die Verbindung dann nicht von einer ventilkörperseitigen Steuerkante sondern von einer Steuerkante am Hauptsteuerkolben zugesteuert würde. Zweckmäßigerweise könnte der Hauptsteuerkolben stirnseitig steuern. Neben einer Ausführung des Haupt­ steuerkolbens als Kolbenschieber ist auch eine Aus­ führung mit einem Ventilsitz möglich; allerdings muß man dann bestimmte Unterschiede an den wirksamen Flächen in Kauf nehmen.

Natürlich kann auch die Anflächung durch eine anders gestaltete Drosselstelle im Sinne einer Kerbe, Düse usw. ersetzt werden.

Schließlich ist die Form des Hauptsteuerkolbens und der Vorsteuerkolben weitgehend dem Konstrukteur überlassen, solange die beschriebenen hydraulischen Funktionen erreicht werden.

Claims (6)

1. Abschaltventil zum Verbinden eines eine Hydraulikanlage speisenden Zulaufs mit einem Ablauf bei Erreichen eines oberen Schaltdrucks in der Hydraulikanlage und zum Trennen dieser Verbindung bei Erreichen eines unteren Schalt­ drucks in der Hydraulikanlage mit

• a) einem Hauptsteuerkolben, der in einer ersten Schaltstellung die Verbindung zwischen Zulauf und Ablauf trennt und in einer zweiten Schalt­ stellung herstellt;
• b) einer auf den Hauptsteuerkolben in Richtung der ersten Schaltstellung wirkenden Rück­ stellfeder;
• c) einer ersten Wirkfläche am Hauptsteuerkolben in einem ersten Steuerraum, der über einen ersten Strömungsweg von einem Steuerdruck beaufschlagt wird, dessen Höhe über ein gegen die Kraft einer ersten Regelfeder druckgesteuertes erstes Vorsteuerventil begrenzt wird und welcher die erste Wirkfläche in der gleichen Richtung wie die Rückstellfeder belastet;
• d) einer zweiten Wirkfläche am Hauptsteuerkolben in einem zweiten Steuerraum, die der ersten Wirkfläche entgegenwirkt, im wesentlichen gleich groß ist wie diese und permanent vom Druck der Hydraulikanlage beaufschlagt wird;
• e) einem zweiten, als Sitzventil ausgebildeten Vorsteuerventil, das oberhalb des unteren Schalt­ drucks vom Druck der Hydraulikanlage gegen die Kraft der zweiten Regelfeder in Sperrstellung gebracht wird und unterhalb des unteren Schalt­ drucks eine Verbindung von der Hydraulikanlage zum ersten Steuerraum durch Öffnen des Ventil­ sitzes herstellt, dadurch gekennzeichnet, daß
• f) in der ersten Schaltstellung des Hauptsteuer­ kolbens (3) eine Verbindung zwischen Zulauf (P) und erstem Steuerraum (6) besteht, in die eine Drosselstelle (Querbohrung 25) und ein in Richtung Steuerraum (6) öffnendes Rückschlagventil (Blechmanschette 26) eingebaut sind, welche Verbindung in der zweiten Schaltstellung des Hauptsteuerkolbens (3) verschlossen ist, wobei das Schließen der Verbindung etwa dann erfolgt, wenn die Verbindung zwischen Zulauf (P) und Ablauf (T) geöffnet wird.

2. Abschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptsteuerkolben (3) ausgehend vom ersten Steuerraum (6) eine Sackbohrung (24) besitzt, die, bezogen auf die erste Schaltstellung bis in den Bereich des Zulaufs (Ringnut 18, P) reicht und die Drosselstelle eine enge Querbohrung (25) zwischen Sackbohrung (24) und Zulauf ist, die innerhalb der Sackbohrung (24) durch eine sich federnd an die Bohrungswand anlegende, als Rückschlagventil dienende Blechmanschette (26) abgedeckt wird.

3. Abschaltventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Sackbohrung (24) zur Führung der Rückstell­ feder (5) dient.

4. Abschaltventil nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hauptsteuerkolben (3) an seiner dem ersten Steuerraum (6) benachbarten Schulter (14) eine als Drosselstelle dienende Anflächung (28) besitzt, die in der zweiten Schaltstellung den ersten Steuerraum (6) mit dem Zulauf (P) bzw. Ablauf (T) verbindet, welche Verbindung nach einem gewissen Hub des Hauptsteuerkolbens (3) vor Erreichen der ersten Schaltstellung geschlossen wird.

5. Abschaltventil nach einem oder mehreren der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Vorsteuerventil (12) ein Sitzventil ist, dessen wirksame Fläche vom Druck des ersten Steuerraums (6) beaufschlagt wird.

6. Abschaltventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide Vorsteuerkolben (31, 43) gleich sind.