DE3701572A1 - Druckbegrenzungsventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Druckbegrenzungs­ ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus dem Buch "Grundlagen der Ölhydraulik" von Back´, Aachen 1979, Seite 248 ist es bekannt, ein Zwei-Wege-Ven­ til mit einem Gehäuse und einem Ventilelement so auszu­ bilden, daß die Endflächen des Ventilelements in ge­ schlossenem Zustand verschieden große Druckangriffs­ flächen aufweisen. Unter Druckangriffsflächen wird hier­ bei die Fläche verstanden, auf die der im Ventil herr­ schende Druck in axialer Richtung, d. h. in Bewegungsrich­ tung des Ventilelements, wirkt. Das Ventilelement weist eine Drosselöffnung auf. Die ihr vorgeschaltete Druckan­ griffsfläche ist kleiner als die ihr nachgeschaltete Druckangriffsfläche. Diese Ventilelemente können daher nur von einem strömenden Fluidum geöffnet werden. Ein statischer Druck im Ventil preßt das Ventilelement fest gegen den zugeordneten Ventilsitz. Ein statischer Über­ druck kann damit nicht begrenzt werden. Darüber hinaus stellen diese Ventile aufgrund des für die Betätigung der Ventilelemente notwendigen Druckabfalls einen erheb­ lichen Strömungswiderstand für ein durch das Ventil zu leitendes Fluid dar.

Derartige Druckbegrenzungsventile sind in hydraulischen Anlagen der verschiedensten Art anwendbar, beispielswei­ se in Steuerkreisen, Lenkeinrichtungen oder Kraftgeber­ systemen.

Es ist die Augabe der vorliegenden Erfindung, ein Druck­ begrenzungsventil auch für statischen Druck zu schaffen, das so in einer Rohrleitung installiert werden kann, daß der normale Durchfluß des Fluids nicht gestört wird.

Diese Aufgabe wird erfindunsgemäß durch die im An­ spruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Bei dieser Konstruktion sind die beiden Druckangriffs­ flächen so angeordnet, daß bei einheitlichem Druck inner­ halb des Ventils dieser auf das Ventilelement eine Kraft ausübt, die gegen die Federkraft auf das Ventilelement wirkt. Dadurch können auch statische Drücke das Ventil­ element in eine Öffnungsstellung bewegen. Es ist nicht erforderlich, zur Ventilbetätigung durch Drosselung einen Druckabfall im Ventil zu erzeugen. Dabei kann die Rückstellfeder für das Ventilelement relativ schach dimensioniert werden, da sie nur die Kraft aufnehmen muß, die sich aus dem Produkt des Überdrucks und Flächen­ differenz zwischen den beiden Druckangriffsflächen er­ gibt. Das Ventil kann geringe äußere Ausmaße erhalten und ist einfach herzustellen.

Die Druckangriffsflächen sind nach Anspruch 2 vorzugs­ weise stirnseitig angeordnet. Es genügen verhältnismäßig kleine Flächen.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 3 ist das Ventilelement im wesentlichen hohlzylinderför­ mig ausgebildet. Dieser Hohlzylinder weist eine durch­ gehende axiale Bohrung auf, die einen großen Querschnitt haben kann, da sie sich nahezu über den gesamten Quer­ schnitt des Ventilelements erstrecken kann.

Insbesondere sollte nach Anspruch 4 ihr Durchmesser größer sein als die Hälfte des Durchmessers der Eingangs­ öffnung.

Die Ausgestaltung nach Anspruch 5 dient der Erleichte­ rung der Montage.

Das Ventil kann als Sitz- und als Schieberventil ausge­ bildet sein, wie es die Ansprüche 6 ff. näher ausführen.

In einer bevorzugten Ausführungsform gemäß Anspruch 9 kann das Druckbegrenzungsventil noch eine Nachfüll­ funktion haben. Dabei wird nicht nur ein Überdruck im Ventil dadurch abgebaut, daß das Fluid in den Ablaufkanal ausströmen kann, sondern es wird auch ein Unterdruck im Ventil dadurch beseitigt, daß aus dem Ablaufkanal Fluid in das Ventil einströmen kann.

Konstruktiv bevorzugte Lösungen sind in den Ansprüchen 10 und 11 angegeben.

Weitere Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus den Unteran­ sprüchen und aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit der Zeichnung. Darin zeigt

Fig. 1 eine erste Ausführungsform des Druckbegrenzungs­ ventils und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Druckbegrenzungs­ ventils mit Nachfüllfunktion.

Ein Druckbegrenzungsventil 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2, ein darin beweglich gelagertes zylindrisches Ventilelement 3 sowie eine Feder 4, die zwischen dem Gehäuse 2 und dem Ventilelement 3 angeordnet ist, auf. Das Gehäuse 2 besitzt eine Eingangsöffnung 6, eine die­ ser gegenüberliegende Ausgangsöffnung 7 sowie einen in der Zylinderwand 8 radial verlaufenden, aus mehreren Bohrungen bestehenden Ablaufkanal 9. In das Gehäuse 2 ist von der Ausgangsöffnung 7 her eine Buchse 5 in ein Innengewinde 10 eingeschraubt. Das Gehäuse 2 weist an dem der Ausgangsöffnung 7 zugewandten Ende ein Außen­ gewinde 11 zum Einschrauben in eine hydraulische Vorrich­ tung auf. Am anderen Ende des Gehäuses 2 ist auf der Außenseite ein O-Ring 12 angeordnet. Im Bereich des Ablaufkanals 9 erweitert sich der Innendurchmesser des Gehäuses 2 gegenüber dem Durchmesser der Eingangsöff­ nung 6.

An dem der Eingangsöffnung zugewandten Ende dieser Erwei­ terung weist das Gehäuse 2 einen Ventilsitz 13 auf, gegen den das Ventilelement 3 in Ruhestellung durch die Wirkung der Feder 4 zur Anlage gebracht wird. Das zylindrische Ventilelement 3 weist eine durchgehende Bohrung 14 auf, deren Durchmesser annähernd so groß ist wie der kleinste Außendurchmesser des Ventilelements 3. Mit anderen Worten ist die Wand des das Ventilelement 3 bildenden Hohlzylinders relativ dünn. An beiden Enden ist die Bohrung 14 angefast, um keine Wirbel entstehen zu lassen, die den Strömungswiderstand des Ventils 1 erhöhen.

An der dem Ventilsitz 13 zugewandten Seite weist die Wand des Ventilelements 3 außen einen radialen Vorsprung 15 auf, so daß das Ventilelement 3 dort einen größeren Durchmesser als die Eingabeöffnung 6 hat. An der in Ruhestellung am Ventilsitz 13 anliegenden Seite weist der Vorsprung 15 eine Abschrägung auf. Die Neigung der Abschrägung weist in bezug auf die Längsachse des Druck­ begrenzungsventils 1 einen Winkel im Bereich von 20° bis 80° auf. Auf der anderen Seite dient der Vorsprung 15 als Abstützung für die Feder 4. Abgesehen von dem Vorsprung 15 ist die Wand des Ventilelements 3 im wesent­ lichen von konstanter Stärke. Die Buchse 5 hat einen dem Außendurchmesser des Ventilelements 3 im wesentlichen gleichen Innendurchmesser und dient als Führung für das Ventilelement 3, das in der Buchse 5 axial beweglich gelagert ist. Sie kann gegen das Ventilelement 3 durch einen O-Ring 16 abgedichtet sein. Die Buchse 5 verengt den Innendurchmesser des Gehäuses 2 auf der dem Ventil­ sitz 13 abgewandten Seite der Erweiterung auf einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser der Eingangsöffnung 6. Die Buchse 5 dient gleichzeitig als zweite Abstützung für die Feder 4, so daß diese zwischen dem Vorsprung 15 des Ventilelements 3 und Buchse 5 einge­ spannt ist. Durch Verändern der Lage der Buchse 5 im Gehäuse 2 läßt sich die Vorspannung der Feder 4 einstel­ len.

Das Ventilelement 3 weist nun an seinen beiden Enden zwei unterschiedlich große Angriffsflächen für einen im Druckbegrenzungsventil 1 herrschenden Druck auf. Die größere (F _E ) der beiden Flächen ist dabei die Quer­ schnittsfläche der Eingangsöffnung 6 abzüglich der Quer­ schnittsfläche der Bohrung 14, während die kleinere (F _A ) der Druckangriffsflächen bestimmt wird durch die durch den Innendurchmesser der Buchse 5 definierten Querschnittsfläche abzüglich der Querschnittsfläche der Bohrung 14.

Bei einem im Ventil 1 herrschenden Druck P wirkt auf das Ventilelement 3 eine Kraft entgegen der Kraft der Feder 4, die gleich ist dem Produkt aus dem Druck P und der Differenz der beiden Druckangriffsflächen F _E - F _A . Übersteigt diese Kraft die der Feder 4, so wird das Ventilelement 3 vom Ventilsitz 13 wegbewegt und ein im Ventil 1 befindliches Fluid kann durch die entstehende Öffnung in den Ablaufkanal 9 strömen. Wenn daraufhin der Druck im Ventil 1 absinkt, bewegt die Feder 4 das Ventilelement 3 wieder gegen den Ventilsitz 13.

In Fig. 2 ist ein auf dem gleichen Prinzip beruhendes Schieberventil 101 dargestellt. Dieses Ventil weist ein Gehäuse 102, ein Ventilelement 103, eine als Teller­ federstapel ausgebildete Überdruckfeder 104, einen Schraubring 105, eine Nachfüllfeder 108, eine Buchse 113 und einen Stoppring 111 auf. Das Gehäuse 102 weist eine Eingangsöffnung 106, eine Ausgangsöffnung 107 und einen Ablaufkanal 109 auf. Die Buchse 113 ist im Gehäuse 102 im Bereich des Ablaufkanals 109 axial unbeweglich in bezug zu diesem angeordnet.

Das Ventilelement 103 ist aus einer Ruhestellung gegen die Wirkung der Nachfüllfeder 108 in eine Richtung und gegen die Wirkung der Überdruckfeder 104 in die andere Richtung verschiebbar in der Buchse 113 gelagert. Die Nachfüllfeder 108 stützt sich dabei mit ihrem anderen Ende gegen das Gehäuse 102 ab. Die Überdruckfeder 104 stützt sich an einem Ende gegen den in ein Innengewinde 110 in der Ausgangsöffnung 107 eingeschraubten Schraub­ ring 105. Mit ihrem anderen Ende wirkt sie gegen den Stoppring 111, der seinerseits gegen das Ventilelement 103 gepreßt wird. Die Bewegungsmöglichkeit des Stopprings 111 in Richtung der Kraftwirkung der Überdruckfeder 104 wird durch die Buchse 113 begrenzt.

Die Buchse 113 hat eine im wesentlichen hohlzylindrische Form. Ihr Außendurchmesser entspricht dem Innendurchmes­ ser des Gehäuses 102 im Bereich des Ablaufkanals 109. Im Innern weist die Buchse 113 drei verschiedene Durch­ messer auf: einen ersten Durchmesser im Bereich zwischen Stoppring 111 und Ablaufkanal 109, einen zweiten Durch­ messer, der größer ist als der erste, im Bereich des Ablaufkanals 109 und einen dritten Durchmesser, der kleiner als der erste, aber größer als der zweite ist, im Bereich zwischen Ablaufkanal 109 und Nachfüllfeder 108. Die Buchse 113 weist im Bereich des Ablaufkanals 109 Bohrungen 112 auf, durch die eine Steueröffnung 116, nämlich die vom zweiten Durchmesser gebildete Er­ weiterung, in Buchse 113 mit dem Ablaufkanal 109 in Verbindung steht.

Das Ventilelement 103 ist ein im wesentlichen zylindri­ scher Körper mit einer durchgehenden axialen Bohrung 115 mit im wesentlichen konstanten Durchmesser. Es weist zwei unterschiedliche Außendurchmesser auf, die jeweils dem ersten und dem dritten Innendurchmesser der Buchse 113 entsprechen. Das Ventilelement 103 hat somit zwei unterschiedliche Wandstärken. Der Abschnitt mit der dickeren Wandstärke, gegen den die Nachfüllfeder 108 drückt, weist eine aus radialen Bohrungen 114 und einer Ringnut bestehende Steueröffnung 117 auf.

Das Ventilelement 103 zeigt somit einem im Ventil 101 herrschenden Druck P ₁ zwei Druckangriffsflächen F _{E ₁} und F _{A 1}, während es einem im Ablaufkanal 109 herrschen­ den Druck P ₂ eine Druckangriffsfläche F _{A 2} zeigt. Letzte­ re ist kleiner als die Druckangriffsfläche F _{E 1}, muß es aber nicht sein. Ihre Wirkung kann durch eine ent­ gegengerichtete Druckangriffsfläche am Ventilelement im Ablaufkanal vermindert werden.

Die Kraft auf das Ventilelement 103 ergibt sich wie im Zusammenhang mit Fig. 1 erläutert. Übersteigt bei einem Druck P ₁ im Ventil die davon ausgeübte Kraft auf das Ventilelement 103 die Kraft der Überdruckfeder 104, wird das Ventilelement 103 entgegen der Wirkung der Überdruckfeder 104 in Richtung des Pfeiles X ₁ verschoben, bis die Steueröffnung 117 im Ventilelement 103 mit der Steueröffnung 116 in Verbindung kommt. Dadurch kann ein Teil des im Ventil 101 befindlichen Fluids in den Ablaufkanal 109 strömen. Läßt der Druck P ₁ nach, ver­ schiebt die Überdruckfeder 104 das Ventilelement 103 wieder in seine Ruhelage.

Herrscht andererseits im Ablaufkanal 109 ein Druck P ₂, der so groß ist, daß die von ihm ausgeübte Kraft auf das Ventilelement 103 größer ist als die Summe der vom Druck P ₁ ausgeübten Kraft und der Kraft der Nachfüllfeder 108, wird das Ventilelement 103 in Richtung des Pfeiles X₂ entgegen der Wirkung der Nachfüllfeder 108 verscho­ ben, bis eine Öffnung zwischen der Stirnseite des Ventil­ elements 103 und der Steueröffnung 116 in der Buchse 113 entsteht, durch die ein im Ablaufkanal 109 befind­ liches Fluid in das Ventil strömen kann. Nach der Ein­ stellung eines Druckausgleichs verschiebt die Nachfüll­ feder 108 das Ventilelement 103 wieder in seine Ruhe­ stellung.

Das Druckbegrenzungsventil kann daher sowohl bei Über­ druck als auch bei Unterdruck in einer hydraulischen Leitung ansprechen. Die Ansprechwerte lassen sich durch Wahl der Flächenverhältnisse der Druckangriffsflächen und/oder durch Wahl der Federkräfte den jeweiligen Be­ dingungen anpassen.

Claims (11)

1. Druckbegrenzungsventil mit einem Gehäuse, das eine Eingangsöffnung, eine Ausgangsöffnung und einen Ab­ laufkanal aufweist, mit einem Ventilelement, das beweglich innerhalb des Gehäuses gelagert ist und zwei einander gegenüberliegende, unterschiedlich große Druckangriffsflächen aufweist, und mit minde­ stens einer Feder, die zwischen Gehäuse und Ventil­ element angeordnet ist und das Ventilelement in Schließstellung hält, dadurch gekennzeichnet, daß die gleichsinnig mit der Feder (4, 104) wirkende erste Druckangriffsfläche (F _A , F _{A 1}) kleiner ist als die gegensinnig wirkende zweite Druckangriffsfläche (F _E , F _{E 1}).

2. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Druckangriffsflächen (F _A , F _E , F _{A 1}, E _{E 1}) stirnseitig angeordnet sind.

3. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß das Ventilelemet (3, 103) im wesentlichen hohlzylinderförmig ausgebildet ist.

4. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Ventilelement (3, 103) eine durchgehende Bohrung (14, 115) aufweist, deren Durch­ messer größer ist als die Hälfte des Durchmessers der Eingangsöffnung (6, 106).

5. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Gehäuse (2) eine einschraubbare Buchse (5) aufweist, die als Außenführung für das Ventilelement (3) dient und mit deren Hilfe die Feder (4), die das Ventilelement umgibt, vorspannbar ist.

6. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (4), die das Ventilelement (3) umgibt, an einem als Ver­ schlußstück dienenden radialen Vorsprung (15) des Ventilelements (3) im Bereich der größeren (F _E ) der beiden Druckangriffsflächen abgestützt und im Gehäuse (2) im Bereich des Ablaufkanals (9) angeordnet ist.

7. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die axiale Bohrung (4) im Bereich der Stirnseiten des Ventilelements (3) angefast ist.

8. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei Ausbildung als Schiebeventil das Ventilelement (103) mindestens eine radiale Steueröffnung (117) aufweist, die beim Öffnen eine mit dem Ablaufkanal (109) verbundene Steueröffnung (116) überlappt.

9. Druckbegrenzungsventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 und 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Gehäuse (102) und Ventilelement (103) eine weitere Feder (108) angeordnet ist, die der ersten Feder (104) entgegenwirkt, daß das Ventilelement (103) aus der Ruhestellung zum Zwecke des Öffnens in zwei Richtungen verschiebbar ist und daß das Ventilelement (103) eine weitere Druckangriffsfläche (F _{A 2}) auf­ weist, die in Ruhestellung mit dem Ablaufkanaldruck in Verbindung steht und gleichsinnig mit der ersten Druckangriffsfläche (F _{A 1}) wirkt.

10. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (103) als Hohlzylinder ausgebildet ist, der über seine Länge zwei unterschiedliche Wandstärken aufweist, wobei die dünnere Wandstärke im Bereich des Ablaufkanals (109) angeordnet ist, so daß die so gebildete Stufe die weitere Druckangriffsfläche (F _{A 2}) bildet, und die radiale Steueröffnung (117) im dickeren Bereich angeordnet ist, und daß das Gehäuse (102) auf der der Ausgangsöffnung zugewandten Seite des Ablauf­ kanals (109) einen Durchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser des dünneren Teils des Hohlzylinders entspricht, und auf der der Eingangsöffnung zuge­ wandten Seite des Ablaufkanals einen Durchmesser aufweist, der dem Außendurchmesser des dickeren Teils des Hohlzylinders entspricht.

11. Druckbegrenzungsventil nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilelement (103) von einer einen Teil des Gehäuses (101) bildenden Buchse (113) umgeben ist und daß die Feder (104) an einem Stoppring (111) abgestützt ist, der je nach Betriebsstellung an der Stirnseite dieser Buch­ se und/oder des Ventilelements anliegt.