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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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1. Gebiet
der Erfindung
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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf Ventile und insbesondere
auf ein Flussregelventil, das den Flüssigkeitsfluss in einer Richtung
regelt und den Flüssigkeitsfluss
in der entgegengesetzten Richtung im Wesentlichen ungeregelt lässt.
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2. Beschreibung des Stands
der Technik
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Bei
Fahrzeugen, welche Hydrauliksysteme verwenden, ist die Verwendung
von Ventilen bekannt, welche den Fluss der Hydraulikflüssigkeit durch
eine Flüssigkeitsleitung,
die zu einem hydraulischen Aktuator wie einem Hydraulikmotor oder
Zylinder führt,
auf eine maximale Flussrate beschränken. Beispielsweise ist es
bei einem Mähdrescher
bekannt, einen Verbrennungsmotor zu verwenden, um eine Hydraulikpumpe
anzutreiben. Die Hydraulikpumpe versorgt einen Hydraulikkreislauf
mit Hydraulikflüssigkeit
unter Druck. Jedes der angetriebenen Räder des Mähdreschers kann einen separaten
Hydraulikmotor aufweisen, der durch den Hydraulikkreislauf angetrieben
wird. Jeder der Motoren kann in einer separaten, mit dem Hydraulikkreislauf
verbundenen Schlaufe angeordnet sein. Durch Umkehren der Flussrichtung
durch die einzelnen Schlaufen unter Verwendung einer Umkehrpumpe,
eines Umkehrventils oder anderer geeigneter Mittel, kann die Drehrichtung,
in welcher das Rad angetrieben wird, auch umgekehrt werden.
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Es
ist bekannt, in einer derartigen Schlaufe zwei Flussregelventile
vorzusehen, von denen je eines auf jeder Seite des Hydraulikmotors
angeordnet ist. Die Flussregelventile sind in der Schlaufe derart angeordnet,
dass eines der Ventile den Fluss der Hydraulikflüssigkeit durch den Hydraulikmotor
oder eine andere hydraulisch angetriebene Vorrichtung auf eine maximale
Flussrate in einer ersten Richtung beschränkt, während das andere Ventil den
Fluss auf eine maximale Flussrate in der entgegengesetzten Richtung
beschränkt.
Während
des Betriebs, wenn ein Ventil den Fluss regelt, ist es erwünscht, dass
das andere Ventil in der Schlaufe, welches keine flussregelnde Funktion
ausübt,
die Flüssigkeit
mit einem minimalen Druckabfall frei und ohne die Flussrate der Flüssigkeit
zu begrenzen hindurchfliessen lässt.
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Durch
Vorsehen von Flussregelventilen in jeder einzelnen Schlaufe des
Hydraulikmotors wird, falls eines der angetriebenen Räder zu rutschen
beginnt, der Fluss der Hydraulikflüssigkeit zum rutschenden Rad
auf eine durch das Ventil erlaubte maximale Flussrate beschränkt. Die
Beschränkung
der Flussrate der Hydraulikflüssigkeit
zum rutschenden Rad verhindert, dass ein übermässiger Fluss an Hydraulikflüssigkeit
zum rutschenden Rad den übrigen Rädern einen
ausreichenden Fluss von Hydraulikflüssigkeit vorenthält und verhindert
zudem ein unkontrolliertes Drehen des rutschenden Rades, welche
zu einer Beschädigung
des Bodens, Ackerbodens und/oder Rades führen könnte. Die 1 und 2 veranschaulichen
ein bekanntes Beispiel eines solchen flussregelnden Ventils.
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Das
in den 1 und 2 gezeigte Ventil 10 umfasst
einen Ventilkörper 12,
der einen Auslass-Adapter 14 mit einem O-Ring 15 oder
anderen geeigneten Mitteln zur Bildung einer Dichtung dazwischen
aufnimmt. Sowohl der Ventilkörper 12 als
auch der Auslass-Adapter 14 weisen axial verlaufende Durchgänge 16 bzw. 18 zur
Förderung
von Hydraulikflüssigkeit.
Das Ventil 10 umfasst zudem einen Kolben 20, ein
Stauglied 22 und eine Feder 24, welche die Regelung
des Flüssigkeitsflusses
durch das Ventil bewerkstelligen. Das Ventil 10 beschränkt den Fluss
der Hydraulikflüssigkeit
auf eine vorbestimmte Flussrate, wenn die Hydraulikflüssigkeit
durch das Ventil 10 in der in 1 durch
Flussrichtungspfeile 26 angegebenen Richtung fliesst. Wenn
die Hydraulikflüssigkeit
in dieser geregelten Richtung fliesst, wird sich der Kolben 20 anfänglich in
der in 2 gezeigten Stellung befinden, wobei die Feder 24 den Kolben 20 weg
vom Stauglied 22 gegen einen Punkt vorspannt, wo der radiale
Flansch 28 in den Ventilkörper 12 eingreift.
Die Flussrate der Hydraulikflüssigkeit
durch das Ventil 10 hängt
vom Druckgefälle am
Ventil 10 ab. Wenn der Fluss der Hydraulikflüssigkeit
durch die kalibrierte Düse 30 in
der in 1 angegebenen Richtung zunimmt, wird das auf den
Kolben 20 wirkende Druckgefälle ebenfalls zunehmen. Wenn
das Druckgefälle
und die resultierende Kraft auf den Kolben 20 die Vorspannkraft
der Feder 24 übersteigen,
wird der Kolben 20 gegen das Stauglied 22 vorgespannt.
Wenn sich der Kolben 20 gegen das Stauglied 22 verschiebt,
nimmt die zwischen dem Kolben 20 und dem Stauglied 22 definierte
ringförmige
Düse 32 an
Grösse
ab und beschränkt
dadurch den Flüssigkeitsfluss
durch das Ventil. Durch geeignete Wahl der Feder- und Ventildimensionen
kann das Ventil 10 zur Beschränkung des Flüssigkeitsflusses
in der in 1 angegebenen Richtung auf eine maximale
vorbestimmte Flussrate verwendet werden.
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In
der 2 verläuft
der Fluss der Hydraulikflüssigkeit
durch das Ventil 10 wie durch die Flussrichtungspfeile 27 angegeben
in der entgegengesetzten Rückkehrflussrichtung.
Wenn Flüssigkeit
in dieser Rückkehrrichtung
fliesst, gibt es keine Flüssigkeitsfluss-Kraft, um der Vorspannkraft
der Feder 24 entgegenzuwirken, und die ringförmige Düse 32 behält unabhängig von
der Flussrate oder vom Druckgefälle
der Hydraulikflüssigkeit
eine konstante Grösse.
Dementsprechend wird die Flussrate der Hydraulikflüssigkeit
durch das Ventil in der Rückkehrrichtung durch
das Ventil 10 nicht positiv kontrolliert, und der Fluss
wird durch die Grösse
der Dosieröffnung 30 beschränkt. Mit
anderen Worten: der Flüssigkeitsfluss durch
das Ventil wird nicht geregelt, wenn die Flüssigkeit in der in 2 durch
die Pfeile 27 angegebenen Richtung fliesst, sondern die
beschränkte
Grösse
der Dosieröffnung 30 beschränkt den
Flüssigkeitsfluss
durch das Ventil, was zu einem Druckabfall über das Ventil und zu unerwünschten
Leistungsverlusten und zum Aufheizen der Flüssigkeit führt.
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Ein
weiteres Beispiel einer bekannten flusskompensierenden Ventilanordnung
ist im US-Patent Nr. 5,320,135 gezeigt. Bei der in diesem Patent
beschriebenen Ventilanordnung können
Hydraulikzylinder wie sie bei hydraulischen Hebebühnen zum
Einsatz kommen, verwendet werden. Das Kompensatorventil 1 umfasst
einen Ventilkörper 10,
der eine Hülse 12 mit
einem oberen Abschnitt 16 und einem unteren Abschnitt 18 aufnimmt.
Ein Kolben 20 ist in der Hülse 12 gleitend aufgenommen,
und – wie
am besten aus den 3 bis 6 ersichtlich – ist zwischen
dem unteren Ende 19 des unteren Hülsenteils 18 und der oberen
Endwand 21 des Kolbens 20 eine Feder 30 vorhanden.
Der Kolben 20 umfasst einen axialen Hauptanschluss 22 und
ein Paar von Freigabeöffnungen 23a und 23b im
Randbereich der Seitenwand. Wenn beim Betrieb wie der in 3 gezeigt
die Hydraulikflüssigkeit
von der Pumpe zum Hydraulikzylinder wie durch die Richtungspfeile
gezeigt von der Bohrung 44 zur Bohrung 41 geleitet
wird, fliesst die Hydraulikflüssigkeit
durch die Öffnungen 15a und 15b um
den und zwischen den unteren Hülsenteil 18 und
den inneren Wandteil 54 des Ventilkörpers 10 sowie in
die Hülse 12.
Wie gezeigt, wird der Kolben 20 in diesem Betriebszustand
gegen die Bohrung 41 gedrängt, wodurch die Freigabeöffnungen 23a und 23b in
eine Verbindungsstellung mit der Freigaberegion 56 der
Hülse 12 gebracht
werden. Dementsprechend wird ein Fluss durch die seitlichen Freigabeöffnungen 23a und 23b sowie
durch den axialen Hauptanschluss 22 erzeugt. Wenn die Flussrichtung
umgekehrt wird, so dass die Flüssigkeit
vom Hydraulikzylinder zur Pumpe fliesst und wie in 4 gezeigt
nur wenig oder kein Rückwärtsdruck
herrscht, hält
die Feder 30 den Kolben 20 in der vollständig ausgefahrenen
Stellung und gibt dadurch den Fluss durch die Öffnungen 23a und 23b frei.
Wenn wie in der 5 gezeigt der Fluss vom Hydraulikzylinder
zum Motor erhöht
wird, wirkt der Kolben 20 gegen die Feder 30 und
wird in die Hülse 12 gedrängt, wodurch
die Flüssigkeits-Freigabeöffnungen 23a und 23b verschlossen
werden derart, dass der Fluss nur durch den axialen Hauptanschluss 22 erfolgt.
Wenn wie in 6 gezeigt der Hydraulikflüssigkeitsdruck
weiter zunimmt, übt
der Kolben jedoch eine noch grössere Kraft
gegen die Feder 30 aus und wird weiter in die Hülse 12 gedrängt derart,
dass die Auslassöffnungen 15a und 15b teilweise
blockiert werden.
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Obwohl
die im US-Patent Nr. 5,320,135 beschriebene Ventilanordnung den
Fluss von Hydraulikflüssigkeit
für den
Hydraulikzylinder einer hydraulischen Hebebühne wirksam regeln kann, ist
sie nicht ohne Nachteile. Falls eine derartige Ventilanordnung verwendet
wird, um den Fluss von Hydraulikflüssigkeit zu einem Hydraulikmotor
durch Einsetzen des Ventils in einem Schlaufenkreislauf des Hydraulikmotors
zu beschränken,
wie dies in den 4 bis 6 des US-Patentes Nr. 5,320,135
gezeigt ist, müsste der
Flüssigkeitsfluss
anfänglich
den Widerstand der Feder 30 überwinden bevor das Ventil
aus dem in der 4 gezeigten Betriebszustand
in denjenigen der 5 gebracht wird. Dies könnte zu
einen vergleichsweise unsanften Übergang
führen,
bei dem der Flüssigkeitsfluss
anfänglich – während das
Ventil im Betriebszustand der 4 ist – schnell
zunimmt und danach – wenn
das Ventil in den in 5 gezeigten Betriebszustand
gebracht wird, in welchem die Öffnungen 23a und 23b geschlossen
sind – schnell abnimmt.
Die Flussrate könnte
dann ihren Anstieg fortsetzen bis das Ventil die Öffnungen 15a und 15b zu
verschliessen beginnt, wie in der 6 gezeigt. Obwohl
dies für
den Betrieb einer hydraulischen Hebebühne annehmbar sein mag, könnte ein
derartiger Übergang
zu einer unsanften und unannehmbaren Betätigung eines von einem Hydraulikmotor
angetriebenen Rades führen.
Dieser unsanfte Übergang wäre vermutlich
besonders spürbar,
wenn die Richtung des Flüssigkeitsflusses
zu einem solchen Hydraulikmotor gewechselt wird und der Flüssigkeitsfluss
anfänglich
erhöht
wird.
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Demnach
besteht ein Bedürfnis
nach einer verbesserten Ventilanordnung, welche dazu verwendet werden
kann, den Flüssigkeitsfluss
in einer Richtung zu einem hydraulischen Fahrzeug ohne schnelle
oder unsanfte Übergänge effizient
zu regeln und in der anderen Richtung einen ungeregelten Flüssigkeitsfluss
mit minimaler Beschränkung
zu erlauben und dabei die Leistungsverluste und das Aufheizen der
Flüssigkeit
zu minimieren.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Flussregelventil bereit, das die
Flussrate einer Flüssigkeit durch
das Ventil in einer Richtung regelt und der Rückkehrflüssigkeit erlaubt, in der entgegengesetzten
Richtung effizient durch das Ventil zu fliessen.
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Die
Erfindung betrifft in einer ihrer Ausgestaltungen eine Ventilanordnung
die einen Ventilkörper umfasst,
welcher einen durch den Ventilkörper
verlaufenden Flüssigkeitsdurchgang
definiert. Der Flüssigkeitsdurchgang
weist ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende auf,
wobei das erste Ende einen ersten Anschluss definiert, durch welchen
Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt, und wobei das zweite Ende einen zweiten Anschluss definiert,
durch welchen Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt. Ein Vorspannelement und ein Ventilglied sind ebenfalls vorhanden.
Das Ventilglied ist innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs innerhalb
des Ventilkörpers bewegbar
angeordnet und weist eine Hublänge
auf, die sich von einer ersten Stellung bezüglich des Ventilkörpers bis
zu einer zweiten Stellung bezüglich
des Ventilkörpers
erstreckt. Das Vorspannelement spannt das Ventilglied entlang der
Hublänge
aus der ersten Stellung gegen eine zwischen den ersten und zweiten
Stellungen befindliche dritte Stellung vor. Das Ventilglied definiert
mindestens teilweise eine variable erste Öffnung (z.B. eine variable
ringförmige Öffnung 98),
eine zweite Öffnung
(z.B. eine Dosieröffnung 62)
sowie mindestens eine dritte Öffnung
(z.B. Öffnungen 64).
Die erste Öffnung
definiert eine variable Verengung im Flüssigkeitsdurchgang zwischen den
ersten und zweiten Enden und hat eine Grösse, die progressiv zunimmt,
wenn sich das besagte Ventilglied von der ersten Stellung gegen
die dritte Stellung verschiebt. Die zweite Öffnung und die mindestens eine
dritte Öffnung
definieren den zweiten Anschluss, wobei, wenn sich das Ventilglied
zwischen der ersten Stellung und der dritten Stellung befindet, der
zweite Anschluss im Wesentlichen ausschliesslich durch die zweite Öffnung definiert
ist, und wenn sich das Ventilglied in der zweiten Stellung befindet, der
zweite Anschluss sowohl durch die zweite Öffnung als auch durch die mindestens
eine dritte Öffnung
definiert ist. Das Ventilglied definiert einen vom zweiten Anschluss
zur ersten Öffnung
verlaufenden Durchgang, und das Vorspannelement ist ausserhalb des
Ventilglieddurchgangs angeordnet. Ein Flüssigkeitsfluss durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer ersten Richtung vom zweiten Ende gegen das besagte erste
Ende übt
auf das Ventilglied Druck aus und spannt das Ventilglied gegen die
erste Stellung vor. Ein Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer zweiten Richtung vom ersten Ende gegen das zweite Ende übt auf das
Ventilglied Druck aus und spannt das Ventilglied gegen die zweite
Stellung vor.
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Die
Erfindung betrifft in einer weiteren Ausgestaltung eine Ventilanordnung,
die einen Ventilkörper
aufweist, welcher einen durch den Ventilkörper verlaufenden Flüssigkeitsdurchgang
definiert. Der Flüssigkeitsdurchgang
weist ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende auf.
Das erste Ende definiert einen ersten Anschluss, durch welchen Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt, und das zweite Ende definiert einen zweiten Anschluss, durch
welchen Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt. Ein Vorspannelement und ein Ventilglied sind ebenfalls vorhanden.
Das Ventilglied ist innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs innerhalb
des Ventilkörpers
bewegbar angeordnet und weist eine Hublänge auf, die sich von einer
ersten Stellung bezüglich
des Ventilkörpers bis
zu einer zweiten Stellung bezüglich
des Ventilkörpers
erstreckt. Das Ventilglied definiert zudem eine dritte Stellung
entlang der Hublänge,
wobei die dritte Stellung zwischen den ersten und zweiten Stellungen angeordnet
ist. Das Ventilglied definiert mindestens teilweise eine variable
erste Öffnung
und den zweiten Anschluss. Die erste Öffnung definiert eine variable Verengung
im Flüssigkeitsdurchgang
zwischen den ersten und zweiten Enden und hat eine Grösse, die progressiv
zunimmt, wenn sich das Ventilglied von der ersten Stellung gegen
die dritte Stellung verschiebt. Der zweite Anschluss ist von variabler
Grösse,
wobei der zweite Anschluss eine erste Fläche definiert, die eine Flüssigkeitsverbindung
mit dem besagten Flüssigkeitsdurchgang
bildet, wenn das Ventilglied in der dritten Stellung ist, und wobei
er eine zweite Fläche
definiert, die eine Flüssigkeitsverbindung
mit dem besagten Flüssigkeitsdurchgang
bildet, wenn das Ventilglied in der zweiten Stellung ist, wobei
die zweite Fläche
grösser
ist als die erste Fläche.
Die Hublänge
umfasst einen zwischen den ersten und dritten Stellungen liegenden
vorgespannten Hubteil, in welchem das Vorspannelement das Ventilglied
aus der ersten Stellung gegen die dritte Stellung vorspannt, sowie
einen zwischen der dritten Stellung und der zweiten Stellung liegenden
nicht-vorgespannten Hubteil, in welchem das Ventilglied in Bezug
auf das Vorspannelement nicht vorgespannt ist. Ein Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer ersten Richtung vom zweiten Ende gegen das erste Ende übt auf das
Ventilglied Druck aus und spannt das Ventilglied gegen die erste
Stellung vor. Ein Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer zweiten Richtung vom ersten Ende gegen das zweite Ende übt auf das
Ventilglied Druck aus und spannt das Ventilglied gegen die zweite
Stellung vor.
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Die
Erfindung betrifft in noch einer weiteren Ausgestaltung eine Ventilanordnung,
die einen Ventilkörper
aufweist, welcher einen durch den Ventilkörper verlaufenden Flüssigkeitsdurchgang
definiert. Der Flüssigkeitsdurchgang
weist ein erstes Ende und ein entgegengesetztes zweites Ende auf.
Das erste Ende definiert einen ersten Anschluss, durch welchen Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt, und das zweite Ende definiert einen zweiten Anschluss, durch
welchen Flüssigkeit
in den und aus dem Flüssigkeitsdurchgang
tritt. Eine Feder ist innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs angeordnet und
ist mit dem Ventilkörper
in Wirkeingriff bringbar. Ein Kolben ist innerhalb des Flüssigkeitsdurchgangs bewegbar
angeordnet und ist mit der Feder in Wirkeingriff bringbar. Der Kolben
weist eine Hublänge auf,
die sich von einer ersten Stellung im Flüssigkeitsdurchgang bis zu einer
zweiten Stellung im Flüssigkeitsdurchgang
erstreckt. Der Kolben definiert zudem entlang der Hublänge eine
dritte Stellung, wobei die dritte Stellung zwischen den ersten und
zweiten Stellungen angeordnet ist. Der Kolben weist eine im Wesentlichen
zylindrische Seitenwand auf, die einen axial durch den Kolben verlaufenden
Durchgang definiert, sowie eine an einem ersten axialen Ende des Kolbens
angeordnete Endwand. Der Kolben definiert mindestens teilweise eine
erste Öffnung,
eine zweite Öffnung
und mindestens eine dritte Öffnung.
Die erste Öffnung
steht mit dem axialen Kolbendurchgang in Verbindung und ist an einem
zweiten axialen Ende des Kolbens angeordnet, das entgegengesetzt
zum ersten axialen Ende liegt. Die erste Öffnung definiert eine variable
Verengung im Flüssigkeitsdurchgang zwischen
den ersten und zweiten Enden und weist eine Fläche auf, die progressiv zunimmt,
wenn sich der Kolben von der ersten Stellung gegen die dritte Stellung
verschiebt. Die Endwand des Kolbens definiert eine zweite Öffnung,
die mit dem besagten axialen Kolbendurchgang in Verbindung steht,
und die Kolben-Seitenwand
definiert mindestens eine dritte Öffnung in der Nähe der besagten
Endwand. Wenn sich der Kolben zwischen den ersten und dritten Stellungen
befindet, ist der zweite Anschluss im Wesentlichen ausschliesslich
durch die zweite Öffnung
definiert, und wenn sich der Kolben in der zweiten Stellung befindet,
ist der zweite Anschluss sowohl durch die zweite Öffnung als
auch durch die mindestens eine dritte Öffnung definiert. Die Feder
ist ausserhalb des axialen Kolbendurchgangs angeordnet. Ein Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer ersten Richtung vom zweiten Ende gegen das erste Ende übt auf den
Kolben Druck aus und spannt den Kolben gegen die erste Stellung
vor. Ein Flüssigkeitsfluss
durch den Flüssigkeitsdurchgang
in einer zweiten Richtung vom ersten Ende gegen das zweite Ende übt auf den
Kolben Druck aus und spannt den Kolben gegen die zweite Stellung
vor.
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Ein
Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass sie die Flussbeschränkung minimal hält und den
Rückkehrfluss
der Flüssigkeit
durch das Ventil erhöht,
wodurch die Leitungsverluste und die durch den Fluss der Rückkehrflüssigkeit
durch das Ventil in der ungeregelten Richtung erzeugte Wärme reduziert
werden. Ausserdem kann durch Entfernen der Feder aus dem Innern
des Kolbens die Kalibrierungsöffnung
des Kolbens vergrössert
werden, wodurch der Druckabfall, der von der durch die Kalibrierungsöffnung fliessenden
Flüssigkeit
erfahren wird, reduziert wird und der Betrieb des Ventils hinsichtlich des
Flüssigkeitsflusses
sowohl in der geregelten als auch in der ungeregelten Flussrichtung
verbessert wird. Die durch die Ventilanordnung bewerkstelligte Regelung
des Flüssigkeitsflusses
in der geregelten Flussrichtung ist zudem vergleichsweise glatt
und zeigt bei Veränderungen
der Flussrate keine unsanften Übergänge.
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KURZE BESCHREIBUNG DER
ZEICHNUNGEN
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Die
oben erwähnten,
aber auch andere Merkmale und Aufgaben der vorliegenden Erfindung sowie
die Art, diese umzusetzen, werden besser erkennbar, und die eigentliche
Erfindung wird durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung
einer Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung unter Heranziehung
der begleitenden Abbildungen besser verständlich, wobei:
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1 eine
Querschnittansicht eines herkömmlichen
Flussregelventils ist;
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2 eine
andere Querschnittansicht des herkömmlichen Flussregelventils
von 1 ist;
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3 eine
Explosionsdarstellung eines erfindungsgemässen Ventils ist;
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4 eine
Querschnittansicht des Ventils der 3 ist, wobei
Flüssigkeit
in der geregelten Richtung mit weniger als der maximalen Flussrate fliesst;
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5 eine
andere Querschnittansicht des Ventils der 3 ist, wobei
Flüssigkeit
in der geregelten Richtung mit der maximalen Flussrate fliesst;
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6 eine
andere Querschnittansicht des Ventils der 3 ist, wobei
Flüssigkeit
in der ungeregelten Richtung fliesst.
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Übereinstimmende
Bezugszeichen beziehen sich in sämtlichen
Ansichten auf übereinstimmende Teile.
Obwohl das hier angegebene Beispiel eine Ausgestaltung der Erfindung
erläutert,
ist die unten beschriebene Ausgestaltung nicht als abschliessend zu
verstehen oder als Einschränkung
des Schutzbereichs der Erfindung auf die spezifisch angegebenen Formen
auszulegen.
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AUSFÜHRLICHE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Eine
Ventilanordnung 40 gemäss
der vorliegenden Erfindung ist in der 3 als Explosionsdarstellung
gezeigt. Die Ventilanordnung 40 umfasst einen Ventilkörper 42,
welcher einen durch drei axial ausgerichtete zylindrische Bohrungsabschnitte 44, 46, 48 unterschiedlichen
Durchmessers definierten Durchgangsweg aufweist. In der dargestellten
Ausgestaltung hat das Ventilglied 50 die Form eines im Ventilkörper 42 hin
und her bewegbar angeordneten Kolbens 50. Der Kolben 50 umfasst
eine zylindrische Seitenwand 52, welche einen von einem
ersten axialen Ende 56 des Kolbens 50 zum entgegengesetzten zweiten
axialen Ende 58 des Kolbens 50 verlaufenden inneren
Durchgang 54 definiert. Eine Endwand 60 ist am
ersten axialen Ende 56 angeordnet und umfasst eine Dosieröffnung 62.
Eine Vielzahl von auf einer Umfangslinie beabstandeten Öffnungen 64 sind in
der Seitenwand 52 in der Nähe des ersten axialen Endes 56 angeordnet.
Das zweite axiale Ende 58 des Kolbens 50 ist offen,
d.h. es umfasst keine Endwand und bildet auch anderweitig keine
Flussbeschränkung
im axialen Durchgang 54. Die radial äussere Fläche der Seitenwand 52 am
zweiten axialen Ende 58 bildet eine sich verjüngende Fläche 66,
welche mit dem Stauglied 78 zusammenwirkt. Der Kolben 50 umfasst
zudem einen sich radial nach aussen erstreckenden Flansch 68.
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Ein
Koppelungsglied 70, welches in der dargestellten Ausgestaltung
die Form einer Unterlagsscheibe hat, ist zwischen dem Flansch 68 und
dem Vorspannelement 76 angeordnet. Die Unterlagsscheibe 70 umfasst
ein planares ringförmiges
Element 72, das an dessen äusserem Umfang einen Ansatz 74 aufweist.
In der dargestellten Ausgestaltung ist das Vorspannelement 76 eine
schraubenförmige Feder
und der Abschnitt der Feder 76, welcher direkt in die Unterlagsscheibe 70 eingreift,
ist innerhalb des Ansatzes 74 angeordnet, um den richtigen
Eingriff der Feder 76 in die Unterlagsscheibe 70 während des Betriebs
des Ventils 40 aufrechtzuhalten.
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Ein
Stauglied 78 ist in 3 ebenfalls
dargestellt und umfasst eine zylindrische Seitenwand 80, die
ein erstes Ende 82 aufweist. Das erste Ende 82 des
Stauglieds 78 wirkt mit dem zweiten axialen Ende 58 und
der sich verjüngenden
Fläche 66 zusammen,
um eine variable Öffnung 98 zu
definieren. Ein radial vorspringender Flansch 84 wird zur
Sicherung des Stauglieds 78 innerhalb des Ventils 40 verwendet.
Eine innere Abtrennung 86 erstreckt sich über den
Innenraum des Stauglieds und umfasst ein Durchtrittsloch 88.
Die auf einer Umfangslinie beabstandeten Öffnungen 90 sind in
der Seitenwand 80 angeordnet, wobei die Abtrennung 86 zwischen
dem ersten Ende 82 und den Öffnungen 90 angeordnet ist.
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Das
Stauglied 78 ist innerhalb der Ventilanordnung 40 zwischen
dem Adapterkörper 92 und dem
Ventilkörper 42 befestigt.
Das Stauglied 78 ist durch die Feder 76, welche
den radialen Flansch 84 in Wirkeingriff mit dem Adapterkörper 92 vorspannt, an
Ort und Stelle befestigt. Alternative Arten der Sicherung des Stauglieds 78 können ebenfalls
verwendet werden. Solche alternativen Halterungsmittel, die verhindern,
dass sich das Stauglied 78 bei Vorliegen eines Rückkehrflusses
gegen den Kolben 50 verschiebt, könnten einen in einer ringförmigen Nut
in einer zylindrischen Bohrung 48 angeordneten Seegerring,
eine radial nach innen vorstehende ringförmige Lippe in der Bohrung 48,
oder eine Stufe in der Bohrung 48, die in den radialen
Flansch 84 eingreift, umfassen. Die gestrichelten Linen 48a in
der 3 zeigen schematisch ein solches alternatives
Halterungsmittel, welches durch einen Seegerring oder eine ringförmige Lippe
gebildet sein könnte.
Die Funktion des Stauglieds 78 kann auch in einem anderen
Bauteil der Ventilanordnung 40 integriert sein, wie beispielsweise
im Adapterkörper 92 oder
im Ventilkörper 42.
Beispielsweise kann das Stauglied 78 einstückig an
den Adapterkörper 92 angeformt
sein. Der Adapterkörper 92 umfasst
einen inneren Flüssigkeitsdurchgang 94,
der in Flüssigkeitsverbindung
mit der Bohrung 48 steht, wodurch ein durch die Ventilanordnung 40 zwischen
dem ersten Anschluss 102 und dem zweiten Anschluss 104 verlaufender
Flüssigkeitsdurchgang 100 gebildet
wird. Ein O-Ring 96 wird verwendet, um zwischen dem Adapterkörper 92 und
dem Ventilkörper 42 eine
Dichtung zu bilden. Es können
auch andere geeignete Mittel zur Bildung einer Dichtung verwendet
werden.
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Die 4 zeigt
eine Ventilanordnung 40 mit Flüssigkeit, die in einer ersten
Richtung vom zweiten Ende 105 des Flüssigkeitsdurchgangs 100 zum
ersten Ende 103 des Flüssigkeitsdurchgangs 100 fliesst, wie
dies durch die Flusspfeile 106 angegeben ist. Die in der 4 gezeigte
Flussrichtung ist die geregelte Flussrichtung der Ventilanordnung 40.
Wie in der 4 gezeigt, beginnt der Flussweg
der Flüssigkeit durch
den Flüssigkeitsdurchgang 100 der
Ventilanordnung 40 damit, dass Flüssigkeit durch den zweiten
Anschluss 104 in den Durchgang 100 eintritt. Wenn
sich der Kolben 50 in der in 4 gezeigten Stellung
befindet, ist der zweite Anschluss ausschliesslich durch die Öffnung 62 definiert,
welche eine Dosieröffnung
bildet. Flüssigkeit
tritt durch den zweiten Anschluss 104 in den axialen Durchgang 54 ein
und läuft
anschliessend durch die variable Öffnung 98, tritt danach
in den Bohrungsabschnitt 48 ein, wo sie durch die Feder 76 und
um diese herum läuft,
bevor sie durch die Öffnungen 90 im
Stauglied 78 eintritt. Nach Durchlaufen des Staugliedes 78 tritt die
Flüssigkeit
in den Durchgang 94 im äusseren
Adapter 92 ein und verlässt
dann die Ventilanordnung 40 durch den ersten Anschluss 102.
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Die 4 zeigt
den Betriebszustand, in welchem der Flüssigkeitsfluss und das Druckgefälle an den
entgegengesetzten Seiten des Kolbens 50 nicht ausreichend
sind, um die Vorspannkraft der Feder 76 zu überwinden.
In diesem Betriebszustand spannt die Feder 76 die Unterlagsscheibe 70 in
Wirkeingriff mit der Endfläche 47 der
Bohrung 48 im Ventilkörper 42 vor.
Die Freigabebohrung 46 ist so konfiguriert, dass sie den
Flansch 68 aufnehmen kann und das Eintreten der Unterlagsscheibe 70 verhindert.
In der dargestellten Ausgestaltung wird dies durch Verwendung einer
kreisförmigen
Unterlagsscheibe 70 erreicht, die einen grösseren Durchmesser
als die zylindrisch Bohrung 46 aufweist, wobei aber auch
andere geometrische Formen verwendet werden können. Wenn die Flüssigkeit
in der durch die Flusslinien 106 angegebenen Richtung fliesst,
wird zwischen unterschiedlichen Punkten im Flüssigkeitsweg ein Druckgefälle bestehen,
das auf den Kolben 50 wirkende Kräfte erzeugt – vornehmlich
das Druckgefälle auf
beiden Seiten der Düse 62,
welches auf die Endwand 60 wirkt – und den Kolben 50 in
die in 4 gezeigte Stellung vorspannen wird. Bei relativ
niedrigen Flussraten wird die durch das Druckgefälle erzeugte, auf den Kolben 50 wirkende
Kraft relativ niedrig sein und die Vorspannkraft der Feder 76 nicht
zu überwinden
vermögen.
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Die 5 zeigt
eine Ventilanordnung 40 mit Flüssigkeit, die in derselben
Richtung fliesst wie in der 4 gezeigt,
wobei aber das Druckgefälle
an den entgegengesetzten Seiten des Kolbens 50 höher ist.
Im Betriebszustand, der in der 5 gezeigt
ist, ist die durch das Druckgefälle
erzeugte, auf den Kolben wirkende Kraft gross genug, um die Feder 76 zu komprimieren
und den Kolben 50 gegen das Stauglied 78 vorzuspannen.
Beim Vorspannen des Kolbens 50 gegen das Stauglied 78 wird
die ringförmige Öffnung 98 zunehmend
kleiner und bewirkt dadurch eine Beschränkung des Flüssigkeitsflusses
durch den Flüssigkeitsdurchgang 100.
Im Allgemeinen würde
ja ein höheres
Druckgefälle
zu einer höheren Flussrate
durch einen gegebenen Flüssigkeitsdurchgang
führen.
Allerdings bewirkt die Öffnung 98 aufgrund
der durch die variable Öffnung 98 definierten variablen
Verengung im Flüssigkeitsdurchgang 100 eine
Beschränkung
des durch den Durchgang 100 stattfindenden Flüssigkeitsflusses
und wirkt dadurch den flusserhöhenden
Effekten eines zunehmenden Druckgefälles entgegen. Bei einem ausreichend
hohen Druckgefälle
kann die Öffnung 98 vollständig verschlossen
sein, indem die sich verjüngende
Fläche 66 in
das Staugliedende 82 eingreift. Falls die Öffnung 98 vollständig verschlossen
ist, kann dennoch eine geringe Menge der Flüssigkeit durch das Durchtrittsloch 88 hindurchtreten
und dadurch ermöglichen,
dass etwas Flüssigkeit
durch den Flüssigkeitsdurchgang 100 gefördert wird.
Demnach ergibt der Wirkeingriff der Feder 76 mit dem Kolben 50 eine Verengung,
d.h. die Öffnung 98,
welche sich als Reaktion auf das Druckgefälle der Flüssigkeit an entgegengesetzten
Seiten der Verengung verändert
und dadurch für
einen flusskompensierenden Mechanismus sorgt, welcher die Flussrate
der Flüssigkeit durch
die Ventilanordnung 40 auf einen maximalen Wert beschränkt. Der
genaue Wert der maximalen Flussrate wird nicht nur durch die Abmessungen
der Öffnung 62,
der Federkraft der Feder 76 und der Konfiguration der variablen Öffnung 98 bestimmt,
sondern auch durch die Eigenschaften der durch die Ventilanordnung
fliessenden Flüssigkeit,
was einer Fachperson ohne weiteres erkennbar sein wird.
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Die 6 zeigt
die Ventilanordnung 40 mit Flüssigkeit, die in einer entgegengesetzt
zu der in den 4 und 5 gezeigten,
durch die Flusspfeile 108 angegebenen Richtung fliesst,
welche gelegentlich als die ungeregelte Richtung bezeichnet wird. Wenn
Flüssigkeit
in der in 6 gezeigten Richtung fliesst,
wird der Kolben 50, falls er sich anfänglich in der in 5 gezeigten
Stellung befindet, durch die Feder 76 in die in 4 gezeigte
Stellung vorgespannt. In dieser Stellung greift ein radial äusserer Abschnitt 73 des
Koppelungsgliedes 70 in die Endfläche 47 ein, wodurch
der Hub des Koppelungsgliedes, z.B. der Unterlagsscheibe 70,
beschränkt
wird. Der Kolben 50 wird dann wegen des Druckgefälles und der
Kräfte,
die durch die auf den Kolben 50 auftreffende Flüssigkeit
auf den Kolben 50 – vornehmlich auf
die Endwand 60 – übermittelt
werden, in die in 6 gezeigte Stellung vorgespannt,
wenn die Flüssigkeit
durch die Ventilanordnung 40 fliesst. Der Hub des Kolbens 50 wird
infolge des Wirkeingriffes des Flansches 68 mit der Endfläche oder
dem Absatz 67 zwischen den zylindrischen Durchgangsabschnitten 46 und 44 in
der in 6 gezeigten Stellung gestoppt werden. Demnach
hat der Kolben 50 eine Hublänge, die von einer ersten in
der 5 gezeigten Stellung 50a bis zu einer
zweiten in der 6 gezeigten Stellung 50b reicht,
welche bezüglich
der Feder 76 einen vorgespannten Abschnitt und einen nicht-vorgespannten
Abschnitt aufweist. Der Kolben 50 weist zudem zwischen
den ersten und zweiten Stellungen 50a, 50b eine
dritte Stellung 50c auf, wie in der 5 gezeigt.
Wenn sich der Kolben 50 zwischen der ersten Stellung 50a und
der dritten Stellung 50c befindet, übt die Feder 76 eine
Vorspannkraft auf den Kolben 50 aus und drängt ihn
gegen die dritte Stellung 50c, so dass dieser Abschnitt
der Hublänge
des Kolbens 50 zwischen den Stellungen 50a und 50c ein vorgespannter
Abschnitt ist. Wenn der Kolben 50 zwischen den Stellungen 50c und 50b angeordnet ist,
ist der Kolben 50 bezüglich
der Feder 76 nicht vorgespannt. Allerdings ist der Kolben 50 wie
oben beschrieben durch Wirkung des Flüssigkeitsflusses entweder gegen
das Stauglied 78 oder weg von diesem vorgespannt, wenn
er sich zwischen den Stellungen 50c und 50b befindet.
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Wenn
sich der Kolben 50, wie in den 5 beziehungsweise 4 gezeigt,
zwischen den Stellungen 50a und 50c befindet,
wird der zweite Anschluss 104 ausschliesslich durch die
Dosieröffnung 62 definiert,
welche bezüglich
des Durchtritts von Flüssigkeit
eine konstante Fläche
aufweist. Wenn sich der Kolben 50, wie in der 6 gezeigt,
von der Stellung 50c zur Stellung 50b verschiebt,
ragt das erste Ende 56 des Kolbens 50 über den
zylindrischen Abschnitt 43 des Ventilkörpers 42 hinaus und
gibt die Öffnungen 64 in
der Seitenwand 52 frei. Wenn die Öffnungen 64 freigegeben
sind, wird die Fläche
des zweiten Anschlusses 104 effektiv grösser und verstärkt den
Austritt von Flüssigkeit
aus dem Flüssigkeitsdurchgang 100.
In der dargestellten Ausgestaltung wird die variable Öffnung 98 auch
dann vergrössert,
wenn sich der Kolben 50 aus der Stellung 50c (4)
zur Stellung 50b (6) bewegt
und den Abstand zwischen dem Staugliedende 82 und dem Kolbenende 58 vergrössert. Es
ist nicht erforderlich, dass sich die Öffnung 98 in ihrer
Fläche
verändert, wenn
sich der Kolben 50 zwischen den Stellungen 50c und 50b befindet,
weil die Ventilanordnung 40 keine flussregelnde Funktion
ausübt,
wenn der Flüssigkeitsfluss
den Kolben 50 zwischen 50c und 50b positioniert.
Allerdings führt
die kontinuierliche Aufweitung der Öffnung 98, wobei die Öffnung 98 ihre grösste Fläche erreicht,
wenn sich der Kolben 50 in der Stellung 50b befindet,
auf vorteilhafte Weise zu einer Verstärkung des Flüssigkeitsflusses
durch die Ventilanordnung 40 in der umgekehrten oder ungeregelten
Richtung, wie in der 6 gezeigt.
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Wenn
sich die Ventilanordnung im Betriebszustand gemäss der 6 befindet
und der Flüssigkeitsfluss
umgekehrt ist, wird sich der Kolben 50 anfänglich in
der in 6 gezeigten Stellung befinden; da der Kolben 50 in
dieser Stellung nicht durch die Feder 76 vorgespannt ist,
wird sich jedoch der Kolben 50 bei Umkehr des Flüssigkeitsflusses
infolge der auf den Kolben 50 wirkenden Kräfte, die
durch den Fluss von Flüssigkeit
durch die Ventilanordnung 40 verursacht werden, nahezu
umgehend in die in 4 gezeigte Stellung verschieben,
und die Flussrate wird anschliessend nicht einen durch das Verschliessen
der Öffnungen 64 verursachten
unsanften Übergang
erfahren. Durch Bereitstellen eines Kolbens 50 mit einer
Hublänge,
die einen nicht durch die Feder 76 vorgespannten Abschnitt
aufweist, verschliesst somit der Flüssigkeitsfluss durch das Ventil 40 in
der in 4 gezeigten Richtung die Öffnungen 64 nahezu
umgehend und erlaubt dadurch eine sanfte Regelung der Flussrate
der Hydraulikflüssigkeit.
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Es
ist auch darauf hinzuweisen, dass sich die Effizienz des Flüssigkeitsflusses
durch die Ventilanordnung 40 durch die Verwendung einer
Feder mit einem grossen Durchmesser, die radial ausserhalb der zylindrischen
Seitenwand 52 des Kolbens 50 angeordnet ist, verbessern
lässt.
Durch Verwendung einer Feder 76, deren Durchmesser 77 grösser ist
als der Durchmesser 51 des Kolbens 50 und durch
Anordnen der Feder 76 ausserhalb des axialen Durchgangs
des Kolbens kann die Öffnung 62 in
der Endwand 60 grösser
gestaltet werden, weil die Endwand 60 nicht mehr in die
Feder 76 eingreifen muss. Die Verwendung einer grösseren Dosieröffnung 62 erleichtert
die effiziente Beförderung
von Flüssigkeit durch
die Ventilanordnung 40 in beiden Richtungen. Durch ein
effizienteres Befördern
von Flüssigkeit durch
die Ventilanordnung 40 wird die Flüssigkeit einen kleineren Druckabfall
erfahren und weniger Hitze erzeugen, wenn sie die Düse 62 und
die Ventilanordnung 40 durchläuft.
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Wie
in den 3 bis 6 ebenfalls gezeigt, ist am
zylindrischen Abschnitt 43 ein O-Ring 110 angeordnet.
Der O-Ring 110 wird
verwendet, um eine Dichtung zwischen dem Ventilkörper 42 und der Struktur,
an welcher der Ventilkörper 42 befestigt
ist, bereitzustellen. Bei einer typischen Einrichtung wird der Ventilkörper 42 in
den Anschluss eines gusseisernen Ventilkörpers eingeschraubt. Ähnlicherweise wird
ein am Adapterkörper 92 angeordneter
O-Ring 112 zum
Bereitstellen einer Dichtung zwischen dem Adapterkörper 112 und
einer Flüssigkeitsleitung
oder anderen flüssigkeitsfördernden
Struktur verwendet. Bei einer typischen Einrichtung wird der Adapterkörper 92 in
Verbindung mit einer Flüssigkeitsleitung, z.B.
einem Schlauch oder Rohr, gebracht, die zu einem Hydraulikmotor
führt.
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Während die
vorliegende Erfindung anhand einer beispielhaften Ausgestaltung
beschrieben wurde, kann die vorliegende Erfindung weiter abgewandelt
werden. Die vorliegende Anmeldung soll demnach jegliche Abwandlungen,
Verwendungen oder Anpassungen der Erfindung, die auf deren allgemeinen
Prinzipien beruhen, abdecken.