DE3626043A1 - Druckreduzierventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Hydraulikventile eines hydrostatischen Antriebs, insbesondere auf ein Druckreduzierventil.

Am erfolgreichsten kann diese Erfindung in einem Hydrauliksystem mit einer Hochdruckquelle angewendet werden, bei dem in den Kraftzylindern, die beispielsweise beim Einspannen von Werkstücken bei deren Gesenkschmieden, Pressen oder beim Einspannen von Blechen bei deren Schneiden, Biegen usw. zum Einsatz kommen, ein niedrigerer Druck als der von der Hochdruckquelle entwickelte Druck aufrechterhalten werden muß.

Eine wichtige Rolle spielt die genaue Aufrechterhaltung dieser Drücke bei einer Änderung des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Druckreduzierventil. Eine Abnahme des reduzierten Drucks bei Änderung des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Druckreduzierventil führt z. B. zur Schwächung des Einspannens der Werkstücke oder Bleche, was eine Störung des technologischen Zyklus zur Folge hat. Die Abnahme des reduzierten Drucks geschieht infolge einer Änderung der Verformung und einer Verringerung der Kraft der Federn sowie infolge der Entstehung einer reaktiven Strömungskraft bei erheblichen Durchströmgeschwindigkeiten der Betriebsflüssigkeit durch das Druckreduzierventil. Das letztere führt zur ungleichmäßigen Verteilung von auf die Trennwand des Plungers wirkenden spezifischen Drücken, was eine Änderung des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Steuerventil und eine Änderung des reduzierten Drucks hervorruft.

Versuche, die reaktive Strömungskraft, die auf den Plunger wirkt, zu verringern und folglich den reduzierten Druck konstant zu halten, führten zur Schaffung eines Druckreduzierventils (siehe den Katalog der Firma "Bosch" 2-Wege-Einbauventile nach DIN 24 342 von Bosch).

Das Druckreduzierventil enthält eine Hülse mit radialen Durchgangsbohrungen, in deren Hohlraum ein hohler Plunger axial verschiebbar angeordnet ist, der radiale Durchgangsbohrungen aufweist, welche mit den radialen Bohrungen der Hülse in Verbindung stehen. Der Plunger besitzt eine Trennwand mit einer Drosselbohrung. Diese Trennwand unterteilt den Innenraum des Plungers in zwei Räume, von denen der eine mit einem Verbraucher in Verbindung steht, und der andere mit einem Steuerventil hydraulisch verbunden ist. Im letzteren der genannten Räume ist eine Feder untergebracht, die sich mit dem einen Ende gegen die Trennwand des Plungers und mit dem anderen gegen eine die Hülse umfassende Buchse abstützt. Die am häufigsten anzutreffende Bauart des Steuerventils stellt ein Gehäuse dar, in dessen zylindrischen Hohlraum ein Sitz untergebracht ist, der mit der Kegelfläche des als Nadel ausgebildeten Ventils zusammenwirkt. Eine auf der Zylinderfläche der Nadel angeordnete Feder sorgt für das Andrücken der Kegelfläche des Ventils an den Sitz. Die Feder drückt mit dem einen Ende gegen die Grundfläche der Kegelfläche der Nadel und mit dem anderen Ende gegen eine im Gehäuse befindliche Nachstellschraube.

Bei der Arbeit des Druckreduzierventils sind die radialen Bohrungen im Plunger teilweise durch den Hülsenkörper überdeckt, und der Betriebsflüssigkeitsstrom, der von den aus den radialen Bohrungen austretenden Strahlen gebildet ist, fließt aus einer Zuführungsleitung unter einem Winkel zur Trennwand zu. In den durch die Betriebsflüssigkeitsstrahlen beaufschlagten Abschnitten der Trennwand des Plungers weisen die spezifischen Drücke kleinere Werte als die spezifischen Drücke in der Zone der Drosselbohrung auf, weil in diesen Abschnitten die kinetische Komponente der Flüssigkeitsenergie verhältnismäßig groß ist. Die Linie der Verteilung des spezifischen Drucks über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der radialen Bohrungen hat einen krummlinigen Verlauf mit dem maximalen Wert des spezifischen Drucks P längs der Plungerachse. Die Linie der Verteilung der spezifischen Drücke über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der Feder hat einen linearen Verlauf mit gleichen Werten der spezifischen Drücke.

Bei konstantem Betriebsflüssigkeitsdurchsatz durch das Druckreduzierventil sieht die Bedingung des Plungergleichgewichtes wie folgt aus:

P₁ = P₂ + F₁/S₁ (1)

worin bedeuten:

P₁mittlerer Druck, der auf den Plunger von seiten der radialen Bohrungen des Plungers wirkt und dem reduzierten Druck gleich ist; P₂mittlerer Druck, der auf den Plunger von seiten der Feder wirkt; S₁Querschnittsfläche des Plungers; F₁die von der Feder des Plungers entwickelte Kraft.

Der Druck P₂ wird durch das Steuerventil aufrechterhalten und folgenderweise bestimmt:

P₂ = F₂/S₂ (2)

wobei

F₂von der Feder des Steuerventils entwickelte Kraft; S₂Querschnittsfläche des Steuerventils bedeutet.

Der Durchsatz der Betriebsflüssigkeit, die das Steuerventil durchströmt, wird durch die Abhängigkeit bestimmt:

worin bedeuten:

μ Durchsatzkoeffizient; ρ Dichte der Betriebsflüssigkeit; m Flächeninhalt der Drosselbohrung in der Trennwand des Plungers; Δ p Druckgefälle an der Drosselbohrung.

Bei Änderung der Durchströmgeschwindigkeit der Betriebsflüssigkeit durch das Druckreduzierventil verändert sich der Flüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil, es verändert sich dessen Durchgangsquerschnittsfläche, die Verformung und die Kraft seiner Feder sowie folglich der von ihm aufrechterhaltene Druck P₂

P₂ = f₁(q) (4)

oder unter Berücksichtigung der Abhängigkeit (1)

P₁ = f₂(q) (5)

Aus den Abhängigkeiten (3) und (5) folgt P₁=f₃( Δ p).

Der Wert P₁ ändert sich in Abhängigkeit von der Verteilung der spezifischen Drücke über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der radialen Bohrungen des Plungers. Die Art der Verteilung der spezifischen Drücke wird durch die Öffnungsweite der radialen Bohrungen im Plunger, das heißt durch die Durchsatzmenge der Betriebsflüssigkeit, die aus der Zuführungsleitung in die Leitung reduzierten Drucks strömt, bestimmt.

Hieraus ergibt sich somit Δ P=P-P₂, wobei P den maximalen spezifischen Druck längs der Plungerachse bedeutet.

Bei einer größeren Öffnung der radialen Bohrungen im Plunger haben die Betriebsflüssigkeitsstrahlen eine horizontale oder eine nahezu horizontale Richtung.

Hierbei Δ P=P₁-P₂.

Die Hauptcharakteristik des Druckreduzierventils ist dessen statische Kennlinie, die die Abhängigkeit des reduzierten Drucks P₁ von der Menge des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes Q bei konstantem Wert des zugeführten Drucks darstellt.

Die ungleichmäßige Verteilung der spezifischen Drücke über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der radialen Bohrungen des Plungers wirkt sich auf die statische Kennlinie des Druckreduzierventils negativ aus.

Bei der bekannten Bauart des Druckreduzierventils entsteht ein Fehler der statischen Kennlinie im Betriebszustand des Druckreduzierventils, welcher den kleinen Öffnungsweiten der radialen Bohrungen im Plunger entspricht, die zu einem krummlinigen, nämlich konvexen, Verlauf der Verteilung der spezifischen Drücke über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der radialen Bohrungen führen. Eine solche statische Kennlinie des Druckreduzierventils ist ungenügend, da sie von der Größe des Zuwachses des spezifischen Drucks abhängt, der als P-P₁ bestimmt wird.

Deshalb gewährleistet eine derartige Konstruktion des Druckreduzierventils keine genaue Aufrechterhaltung des reduzierten Drucks bei beträchtlichen Durchströmgeschwindigkeiten der Betriebsflüssigkeit durch das Ventil.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Druckreduzierventil zu schaffen, bei dem eine genaue Aufrechterhaltung des reduzierten Drucks bei linearem Verlauf der statischen Kennlinie gewährleistet ist.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, daß im Druckreduzierventil, das eine Hülse mit radialen Durchgangsbohrungen enthält, in deren Hohlraum ein hohler Plunger axial verschiebbar angeordnet ist, der radiale Durchgangsbohrungen und eine Trennwand mit einer Drosselbohrung aufweist, welche Trennwand den Innenraum des Plungers in zwei Räume unterteilt, von denen der eine über die radialen Durchgangsbohrungen des Plungers mit den radialen Bohrungen in der Hülse in Verbindung ist, und der andere mit einem Steuerventil hydraulisch verbunden ist, erfindungsgemäß in der Trennwand zumindes eine weitere Drosselbohrung ausgeführt ist.

Diese Konstruktion des Druckreduzierventils gestattet es, den Durchsatz (q) durch das Steuerventil im gesamten Funktionsbereich des Druckreduzierventils zu stabilisieren, da bei dessen Arbeit die radialen Bohrungen im Plunger teilweise durch den Hülsenkörper überdeckt sind, und der Betriebsflüssigkeitsstrom, der von den aus den radialen Bohrungen austretenden Strahlen gebildet ist, fließt aus der Zuführungsleitung unter einem Winkel zur Trennwand zu. In den durch die Betriebsflüssigkeitsstrahlen beaufschlagten Abschnitten der Trennwand des Plungers weisen die spezifischen Drücke kleinere Werte als die spezifischen Drücke im Bereich der näher zur Plungerachse befindlichen Drosselbohrung auf, weil in diesen Abschnitten die kinetische Komponente der Flüssigkeitsenergie verhältnismäßig groß ist. Die Linie der Verteilung des spezifischen Drucks über die Oberfläche der Trennwand auf der Seite der radialen Bohrungen des Plungers hat einen krummlinigen Verlauf mit dem maximalen Wert des spezifischen Drucks P längs der Plungerachse. Die Linie der Verteilung der spezifischen Drücke über die Oberfläche der Trennwand hat auf der Seite der Feder einen linearen Verlauf mit gleichen Werten der spezifischen Drücke.

In Anbetracht dessen, daß der reduzierte Druck (P₁) die Funktion des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Steuerventil ist, führt die Ausführung der zweiten Drosselbohrung in der Trennwand im Niederdruckbereich zur Verringerung des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Steuerventil aufgrund eines Druckgefälles in ihm. Durch diese Drosselbohrung strömt die Betriebsflüssigkeit von oben nach unten aus dem Hochdruckraum des Plungers, in welchem sich die Feder befindet, in den mit dem Verbraucher in Verbindung stehenden Niederdruckraum des Plungers. Durch die andere Drosselbohrung bewegt sich der Strom in Richtung von unten nach oben, das heißt aus dem Plungerraum, der mit dem Verbraucher in Verbindung steht, in den Plungerraum, in welchem sich die Feder befindet, weil der spezifische Druck der Betriebsflüssigkeit längs der Plungerachse den spezifischen Druck der Betriebsflüssigkeit im Plungerraum mit der Feder beträchtlich übersteigt.

Somit wird der Betriebsflüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil verringert und der Differenz der Durchsatzmengen der Betriebsflüssigkeit gleich sein, die durch die im Hochdruckbereich befindliche Drosselbohrung und durch die im Niederdruckbereich befindliche Drosselbohrung strömt. Da sich der Betriebsflüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil verringert hat, ist die Veränderung des reduzierten Drucks minimal.

Das gemäß der Erfindung ausgeführte Druckreduzierventil gewährleistet eine hohe Genauigkeit der Aufrechterhaltung des reduzierten Drucks bei linearem Verlauf der statischen Kennlinie.

Es ist vorteilhaft, daß die geometrischen Achsen der Drosselbohrungen sich auf der einen Seite von der Plungerachse befinden und in einer durch die Plungerachse gehenden Ebene liegen.

Bei einer solchen konstruktiven Ausführung des Plungers liegt eine der Drosselbohrungen im Bereich spezifischen Niederdrucks und die andere im Bereich spezifischen Hochdrucks. Dies gewährleistet die Überströmung der Betriebsflüssigkeit aus dem Plungerraum von seiten der radialen Bohrungen in den Plungerraum mit der Feder über die Drosselbohrung, die im Bereich spezifischer Hochdrücke liegt, sowie die Überströmung der Betriebsflüssigkeit in der umgekehrten Richtung über die Drosselbohrung, die im Bereich spezifischer Niederdrücke liegt. Dies führt dazu, daß der Betriebsflüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil sich wenig ändert, wodurch eine hohe Genauigkeit der Aufrechterhaltung des reduzierten Drucks sichergestellt wird.

Die Vorteile und die Erfindung werden an einem konkreten Ausführungsbeispiel unter Bezug auf Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Druckreduzierventils im Längsschnitt;

Fig. 2 ein stilisiertes Druckreduzierventil mit Linien der Verteilung der spezifischen Drücke P, P₁, P₂ über die Oberflächen der Trennwand des Plungers im vergrößerten Maßstab;

Fig. 3 ein Schaubild der Abhängigkeit der Änderung des reduzierten Drucks (P₁) bei der Änderung des Durchsatzes (Q) durch des Reduzierventil.

Ein Druckreduzierventil, das gemäß der Erfindung ausgeführt ist und beispielsweise beim Einspannen von Blechmaterial bei dessen Schneiden verwendet wird, enthält eine Hülse 1 (Fig. 1), die in einem Steuerblockgehäuse 2 angeordnet und in diesem mit Hilfe eines Flansches 3 befestigt ist.

Im Gehäuse 2 sind eine zur Verbindung mit einer Zuführungsleitung bestimmte Öffnung 4 und eine zur Verbindung mit einer Leitung reduzierten Drucks bestimmte Öffnung 5 vorgesehen.

Zwischen der Innenfläche des Gehäuses 2 und der Außenfläche der Hülse 1 ist ein Ringraum 6 für die gleichmäßige Zuführung der Betriebsflüssigkeit in den Hohlraum der Hülse 1 gebildet. Die letztere ist mit radialen Durchgangsbohrungen 7 versehen, die durch eine Ringnut 8 untereinander verbunden sind. Innerhalb der Hülse 1 ist entlang ihrer Längsachse ein hohler Plunger 9 axial verschiebbar angeordnet. Der letztere weist radiale Durchgangsbohrungen 10 und eine Trennwand 11 auf. In der Trennwand 11 sind zwei Drosselbohrungen 12 und 13 ausgeführt, deren geometrische Achsen sich auf der einen Seite von der Plungerachse befinden und in einer durch die Achse des Plungers 9 gehenden Ebene liegen. Die Trennwand 11 unterteilt den Holraum des Plungers in zwei Räume 14 und 15. Der Raum 14 steht über die radialen Durchgangsbohrungen 10 mit den radialen Durchgangsbohrungen 7 der Hülse in Verbindung, während der Raum 15 über eine Öffnung 16 mit einem Steuerventil 17 hydraulisch verbunden ist. In diesem Raum 15 ist eine Feder 18 untergebracht, welche sich mit dem einen Ende gegen die Trennwand 11 und mit dem anderen gegen den Flansch 3 abstützt. Zur Sicherung des Plungers 9 gegen ein Herausfallen aus der Hülse 1 ist in der letzteren ein Sperring 19 angeordnet. Zur Verhinderung des Überströmens von Betriebsflüssigkeit aus der Zuführungsleitung in die Räume 14, 15 des Plungers 9 sind Dichtringe 20, 21, 22 vorgesehen.

Die Konstruktion des Steuerventils 17 ist allgemein bekannt (siehe z. B. Seite 24 2-Wege-Einbauventile nach DIN 24 342).

Das Druckreduzierventil arbeitet folgenderweise.

Bei fehlender Belastung in der Leitung reduzierten Drucks tritt der Betriebsflüssigkeitsstrom aus der Zuführungsleitung über die Öffnung 4, den Ringraum 6, die radialen Durchgangsbohrungen 7 in der Hülse 1, die Ringnut 8 und die radialen Durchgangsbohrungen 10 im Plunger 9 in den Hohlraum 14 ein, der mit der Leitung reduzierten Drucks über die Öffnung 5 in Verbindung steht. Beim Ansteigen der Belastung in der Leitung reduzierten Drucks bis auf einen Wert, der die Einstellkraft der Feder des Steuerventils 17 übersteigt, öffnet sich das letztere, und der Betriebsflüssigkeitsstrom fließt durch dieses ab. Dieser Strom erzeugt ein Druckgefälle an den Drosselbohrungenen 12 und 13, welches auf den Plunger 9 einwirkt und diesen nach oben bewegt. Bei seiner Bewegung drückt der Plunger 9 die Feder 18 zusammen, und seine radialen Durchgangsbohrungen 10 werden durch den Körper der Hülse 1 überdeckt, wodurch ein Widerstand gegen den Betriebsflüssigkeitsstrom aus der Zuführungsleitung 4 entsteht. Jetzt gelangt der Betriebsflüssigkeitsstrom in den Raum 14 aus der Zuführungleitung unter einem Winkel zur Trennwand 11. Die Abschnitte der Trennwand 11 des Plungers 9 werden durch die Betriebs­ flüssigkeitsstrahlen beaufschlagt, die aus den radialen Durchgangsbohrungen 10 ausströmen und durch Pfeile A (Fig. 2) bezeichnet sind. In den durch diese Strahlen beaufschlagten Abschnitten der Trennwand 11 weisen die spezifischen Drücke kleinere Werte als die spezifischen Drücke im Bereich der Drosselbohrung 12 auf. In diesem Fall hat die Linie der Verteilung der spezifischen Drücke (P₁) über die Oberfläche der Trennwand 11 auf der Seite der radialen Durchgangsbohrungen 10 des Plungers 9 einen krummlinigen Verlauf mit dem maximalen Wert des spezifischen Drucks P₁ längs der Achse des Plungers 9, und die Linie der Verteilung der spezifischen Drücke P₂ über die Oberfläche der Trennwand 11 auf der Seite der Feder 18 hat einen linearen Verlauf mit gleichen Werten der spezifischen Drücke P₂.

Unter der Wirkung eines Druckgefälles, das P₃-P₂ gleich ist, beginnt der Betriebsflüssigkeitsstrom, über die Drosselbohrung 12 aus dem Raum 14 in den Raum 15 zu fließen, wobei P₃ den laufenden Wert des spezifischen Drucks im Bereich der Drosselbohrung 12 bedeutet.

Unter der Wirkung eines Druckgefälles, das P₂-P₄ gleich ist, beginnt der Betriebsflüssigkeitsstrom, über die Drosselbohrung 13 aus dem Raum 15 in den Raum 14 zu fließen, wobei P₄ den laufenden Wert des spezifischen Drucks im Bereich der Drosselbohrung 13 bedeutet.

Es ist allgemein bekannt, daß der Nenndurchsatz (q) durch das Steuerventil 17 durch ein Druckgefälle bestimmt wird, das P₁-P₂ gleich ist. Unter realen Bedingungen wird der Betriebsflüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil 17 gleich der Differenz der Durchsatzmengen der Betriebsflüssigkeit sein, die durch die Drosselbohrung 12 und durch die Drosselbohrung 13 strömt.

Somit wird sich der Betriebsflüssigkeitsdurchsatz (q) durch das Steuerventil 17 wenig ändern und dem Nenndurchsatz so gut wie gleich sein. Dies gewährleistet eine hohe Genauigkeit der Aufrechterhaltung des reduzierten Drucks beim linearen Verlauf der statischen Kennlinie P₁=f₄ (Q) (siehe Fig. 3), worin Q den Durchsatz durch das Druckreduzierventil bedeutet.

Bei der in Fig. 1 dargestellten Lage des Plungers 9, wenn die radialen Durchgangsbohrungen 10 fast vollständig mit den radialen Durchgangsbohrungen 7 der Hülse 1 in Verbindung stehen, wird die Linie der Verteilung der spezifischen Drücke P₁ (Fig. 2) über die Oberfläche der Trennwand 11 auf der Seite der radialen Bohrungen 10 praktisch linear mit gleichen Werten der spezifischen Drücke, d. h. gleichmäßig sein. Dann beginnt der Betriebsflüssigkeitsstrom unter der Wirkung des Druckgefälles, das P₁-P₂ gleich ist, aus dem Raum 14 in den Raum 15 über die Drosselbohrungen 12 und 13 zu fließen. Da die Vektoren der Ströme nach einer Seite gerichtet sind, werden die Ströme summiert und ihr Betrag ist gleich dem Nennwert des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes (q) durch das Steuerventil 17.

Beim erfindungsgemäßen Druckreduzierventil mit den Abmessungen beispielsweise entsprechend dem Standard DIN 24 342 beträgt die Abweichung des reduzierten Drucks von dem eingestellten Druck höchstens 0,6 MPa bei maximalen Druckwert in der Zuführungsleitung von 35 MPa a) bei Änderung des Betriebsflüssigkeitsdurchsatzes durch das Druckreduzierventil von 0 bis 63 l/min bei der Nenngröße 16 mm, b) bei der Änderung des Durchsatzes von 0 bis 160 l/min bei der Nenngröße 25 mm und c) bei der Änderung des Durchsatzes von 0 bis 320 l/min bei der Nenngröße 32 mm.

Claims (2)

1. Druckreduzierventil, das eine Hülse (1) mit radialen Durchgangsbohrungen (7) enthält, in deren Hohlraum ein hohler Plunger (9) axial verschiebbar angeordnet ist, der radiale Durchgangsbohrungen (10) und eine Trennwand (11) mit einer Drosselbohrung (12) aufweist, wobei die Trennwand (11) den Innenraum des Plungers (9) in zwei Räume (14, 15) unterteilt, von denen der eine (14) über die radialen Durchgangsbohrungen (10) des Plungers (9) mit den radialen Bohrungen (7) in der Hülse (1) in Verbindung steht, und der andere (15) mit einem Steuerventil (17) hydraulisch verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß in der Trennwand (11) zumindest eine weitere Drosselbohrung (13) ausgeführt ist.

2. Druckreduzierventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich die geometrischen Achsen der Drosselbohrungen (12, 13) auf der einen Seite von der Achse des Plungers (9) befinden und in einer durch die Achse des Plungers (9) gehenden Ebene liegen.