Beschreibung
Vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil
Die Erfindung betrifft ein Druck-Einspeiseventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Derartige Druck-Einspeiseventile werden beispielsweise als Arbeitsventil in hydrostatischen Antrieben, beispielsweise Fahr- und Drehwerksantrieben und zur Absicherung von Linearverbrauchern, beispielsweise Zylindern im offenen oder geschlossenen hydraulischen Kreislauf verwendet. Bei Fahr-/Drehwerkantrieben werden diese Ventile beispielsweise eingesetzt, um bei Überschreiten eines vorgegebenen Systemdrucks eine Verbindung von der Hochdruckseite zur Niederdruckseite hin aufzusteuem. Dabei wird dann Druckmittel an einen Hydromotor des Dreh-/Fahrwerkantriebs vorbei vom Hochdruckzweig in den Niederdruckzweig geführt, so daß Druckspitzen im Hochdruckkreis vermieden werden können.
In der WO 99/08029 A1 ist ein vorgesteuertes Druckventil offenbart, bei dem einem Kolben einer Hauptstufe ein Dämpfungsglied zugeordnet ist, über das bei Auftreten von Druckspitzen der Kolben weit unterhalb seines über die Vorsteuerstufe vorgegebenen Öffnungspunktes aufgesteuert wird, so daß aus hohen Beschleunigungen des Fahr-/Drehwerkantriebs resultierende Druckspitzen durch ein kurzes Aufsteuern des Ventilkörpers der Hauptstufe unterhalb des Ansprechpunktes der Vorsteuerstufe gedämpft werden können. Dieses Dämpfungsglied wird in der Nachsaugfunktion zum Aufsteuern des Kolbens verwendet.
Aus der EP 0 908 653 A1 ist ein vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil mit Nachsaugfunktion bekannt, bei dem eine Vorsteuerstufe einen Übersetzerkolben hat, durch dessen Wirkung die Vorsteuerstufe unterhalb des eingestellten Maximaldruckes aufsteuerbar ist, so daß Druckschwankungen am Eingangsanschluß gedämpft werden können.
Auch bei diesen Konstruktionen kann es bei bestimmten Betriebsbedingungen, beispielsweise beim Fahren der Pumpe in die Druckabschnei- dung oder bei impulsartigen Belastungen, beispielsweise im Hammerbetrieb vorkommen, daß die Haupt- oder Vorsteuerstufe aufgrund der extrem hohen Druckaufbaugeschwindigkeiten (bis 50.000 bar/sec) schlagartig auf- und zugesteuert wird. Diese hohen Druckstoßbelastungen können zu einem vorzeitigen Verschleiß der Ventilsitze in Haupt- und Vorsteuerstufe führen. Desweiteren sind die eingangs beschriebenen Ventilanordnungen als Schiebesitz- ventile ausgeführt, die insbesondere bei hohen Drücken nicht akzeptable Leckageraten aufweisen.
Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil zu schaffen, bei dem die Funktion auch bei hohen Drücken gewährleistet ist.
Diese Aufgabe wird durch ein vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Erfind ungsgemäß ist ein Kolben der Hauptstufe des Druck-Einspeise- ventils mit einer Flächendifferenz ausgeführt, die bei geschlossener Hauptstufe zusätzlich in Schließrichtung wirkt, so daß der Kolben gegen seinen Sitz gepreßt und die Leckage verringert wird. Beim Abheben des Kolbens von seinem Ventilsitz wirkt die Flächendifferenz in Öffnungsrichtung, so daß die Hauptstufe sehr schnell aufsteuert und somit Druckspitzen schnell in den Niederdruckzweig bzw. zu einem Tank hin abgebaut werden können.
Die Nachsaugfunktion wird über einen Nachsaugring realisiert, der axial verschiebbar auf dem Kolben und an der Innenumfangswandung der den Kolben aufnehmenden Ventilbohrung geführt ist. Eine an einen den Nieder- druck führenden Druckraum angrenzende Ringstirnfläche des Nachsaugrin- ges ist so ausgeführt, daß sie dichtend an eine Dichtfläche der Ventilbohrung bringbar ist, so daß der Außenspalt zwischen der Innenumfangswandung und dem Nachsaugring gegenüber dem Innenspalt zwischen dem Kolben und dem Nachsaugring stirnseitig abgedichtet ist. Bei dieser Variante wird der Nachsaugring über den Druck in einem Rückraum der Hauptstufe in seine Dichtposition vorgespannt und in Radialrichtung gegen den von ihm
umgriffenen Kolben gepreßt, so daß sich die Leckage gegenüber den vorbekannten Lösungen weiter verringern läßt.
Die Anmelderin behält sich ausdrücklich vor, auf die Ausgestaltung des Nachsaugringes mit stirnseitiger Dichtfläche und radialer Anpressung gegen den Kolben in der stimseitigen Anlageposition einen eigenen unabhängigen Anspruch zu richten.
Bei einem besonders einfach aufgebauten Ausführungsbeispiel hat der Kolben an seinem rückwärtigen Endabschnitt einen bundförmigen Axialanschlag für den Nachsaugring.
Die vorbeschriebene vorteilhafte Wirkung des Nachsaugringes läßt sich weiter verbessern, wenn der Ringspalt zwischen Ventilbohrung und Nach- saugring größer als derjenige zwischen Nachsaugring und Kolben ausgebildet ist.
Dabei wird es bevorzugt, wenn die als Dichtfläche ausgebildete Ringstirnfläche in Axialrichtung zurückgestuft wird und somit eine kleinere Stirn- fläche als die rückwärtige, zum Axialanschlag des Kolbens weisende Stirnfläche hat.
Die erfindungsgemäße Funktion des Nachsaugringes läßt sich prinzipiell auch bei einem Sitzkolben realisieren. Bei einer mit Schiebesitz ausge- führten vorteilhaften Variante der Hauptstufe wird die Flächendifferenz des
Kolbens durch eine Anfasung des Umfangsrandes ausgebildet, wobei der Kolben in der Schließstellung mit dieser Anfasung gegen eine Ringschulter der Ventilbohrung vorgespannt ist.
Die Umlenkung der Druckmittelströmung bei aufgesteuerter Hauptstufe läßt sich durch Ausbildung eines axial vorstehenden Vorsprungs des Hauptkolbens leiten, der vorzugsweise zur Ringschulter hin abgerundet ist. Dieser Vorsprung wird von einer eine Düse bildenden Bohrung durchsetzt.
Bei einem besonders bevorzugte Ausführungsbeispiel ist die Vorsteuerstufe mit einer Dämpfungseinrichtung versehen, über die ein hartes Auf-
schlagen eines Vorsteuerventilkörpers auf einem Vorsteuerventilsitz beim Zusteuern der Vorsteuerstufe verhinderbar ist.
Die Leckage der Vorsteuerstufe läßt sich weiter verringern, indem der Vorsteuerventilkörper kugelförmig ausgeführt ist. Das Setzverhalten einer derartigen Kugel auf einem zylindrischen Ventilsitz ist gegenüber Lösungen mit kegeligen Ventilkörpern wesentlich verbessert.
Sonstige vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand schematischer Zeichnungen näher erläutert.
Es zeigen:
Figur 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil;
Figur 2 eine vergrößerte Darstellung einer Hauptstufe des Druck-Einspeiseventils auf Figur 1 und Figur 3 die an einem Nachsaugring des Druck-Einspeiseventils auftretenden Druckkräfte.
Figur 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil 1. Das Ventil 1 hat eine Hauptstufe 2 und eine Vorsteuerstufe 4, die in einem patronenförmigen Gehäuse 6 ausgebildet sind. Das Gehäuse 6 hat einen axialen Anschluß P, der beispielsweise mit der Hochdruckseite eines Fahrwerkantriebs verbunden ist. Ein durch einen Radialbohrungsstem ausgebildeter Ausgangsanschluß T ist mit der Niederdruckseite des Systems verbunden. Das Gehäuse 6 ist von einer Axialbohrung 8 durchsetzt, in der ein Kolben 10 axial verschiebbar geführt ist. Die Hauptstufe 2 ist mit Schiebesitz ausgeführt, wobei der Kolben 10 über eine Druckfeder 12 gegen eine Ringschulter 14 der Axialbohrung 8 vorgespannt ist. Wie im folgenden noch weiter ausgeführt ist, ist bei dieser Konstruktion ist der Kolben 10 der Hauptstufe 2 mit einer Flächendifferenz ausgeführt.
An der Bodenfläche des Kolbens 10 ist ein nabenförmiger Vorsprung 16 ausgebildet, der von einer eine Düse 18 bildenden Bohrung durchsetzt ist. Diese verbindet den eingangsanschlußseitigen Teil der Axialbohrung 8 mit einem vom Kolbenmantel 20 begrenzten Innenraum 22 des Kolbens 10.
Die Druckfeder 12 greift an einer Ringschulter im Innenraum des Kolbenmantels 20 an, so daß der Kolben 10 in seine Schließposition vorgespannt ist, in der die Radialbohrungen 24 des Ausgangsanschlußes 10 zugesteuert sind.
Im Bereich des Kolbenmantels 20 (Schließstellung) ist die Axialbohrung 8 stufenförmig erweitert, so daß ein Ringraum zur Aufnahme eines Nachsaugringes 26 ausgebildet ist, der gleitend zwischen dem Außenumfang des Kolbenmantels 20 und einer Umfangswandung 28 des radial erweiterten Teils der Axialbohrung 8 geführt ist.
Weitere Details der Hauptstufe 2 erschließen sich aus der vergrößerten Darstellung der Hauptstufe 2 in Figur 2. Demgemäß ist an dem rückwärtigen, in Figur 2 rechten Endabschnitt des Kolbens 10 ein radial vorstehender An- schlagbund 30 ausgebildet, der die Axialbeweguπg des Nachsaugrings 26 nach rechts begrenzt. Die Axialbewegung in die Gegenrichtung ist durch Auflaufen des Nachsaugrings 26 auf eine als Dichtfläche 32 ausgebildete Ringschulter begrenzt, über die die Axialbohrung 8 radial erweitert ist.
Etwa parallel zu den Radialbohrungen 24 ist im Gehäuse 6 zumindest eine Parallelbohrung 34 ausgebildet, die über einen Axialkanal 36 mit demjenigen Ringraum verbunden ist, in dem der Nachsaugring 26 axial verschiebbar geführt ist. Über diese Parallelbohrung 34 und den Axialkanal 36 kann die benachbarte Stirnfläche des Nachsaugrings 26 mit dem Druck am Ausgangsanschluß T beaufschlagt werden.
Die zum Axialkanal 36 weisende Stirnfläche des Nachsaugrings 26 ist axial zum Kolben 10 hin zurückgestuft, wobei die axial vorspringende Ringstirnfläche 38 des Nachsaugrings 26 als Dichtfläche ausgeführt ist, so daß in der in Figur 2 dargestellten Anlageposition des Nachsaugrings 26 der radial außen liegende Axialspalt 40 zwischen dem Innenumfang des radial erwei-
terten Teils 28 der Axialbohrung 8 und dem Außenumfang des Nachsaugrings 26 stirnseitig von dem radial innen liegenden Dichtspalt 42 hydraulisch getrennt ist. Die Ringstimfläche 38 hat eine geringere Fläche als die hintere, dem Anschlagbund 30 zuweisende Stirnfläche 44 des Nachsaugrings 26.
Erfindungsgemäß ist die lichte Weite des Axialspaltes 40 größer als die lichte Weite des Dichtspalts 42 gewählt, so daß das Außenspiel des Nachsaugrings 26 größer als das Innenspiel ist. Bei einem besonders bevorzugten Ausführungsbeispiel beträgt das Innenspiel etwa 10 bis 18 μm, während das Außenspiel etwa 25 bis 46 bei einer Breite des Nachsaugrings 26 von 1 mm betragen kann. Selbstverständlich sind auch Abweichungen von diesen Maßen möglich.
Wie bereits vorstehend erwähnt, hat der Hauptkolben 10 einen von der als Düse wirkenden Bohrung 8 durchsetzten Vorsprung 18. Dieser geht über eine konkav gekrümmte Leitfläche 46 in den Hauptteil des Kolbens 10 über, über die das durch den Eingangsanschluß P einströmende Druckmittel bei abgehobenem Kolben 10 hin zum aufgesteuerten Querschnitt hin geführt wird. Am ventilsitzseitigen äußeren Umfangsrand des Hauptkolbens 10 ist eine Fase 48 ausgebildet, mit der der Hauptkolben 10 in der Schließstellung an der Ringschulter 14 anliegt. Der die Größe des Ventilsitzes bestimmende wirksame Durchmesser d der Ringschulter 14 bzw. des sich daran zum Eingangsanschluß P hin anschließenden Teils der Axialbohrung 8 ist geringer als der Außendurchmesser D des Kolbens 10, so daß die Ringfläche mit der Breite D - d in der Schließposition des Kolbens 10 in Schließrichtung wirkt (Druck am Anschluß T vernachlässigt). Der Kolben 10 wird dadurch zusätzlich zur Kraft der Druckfeder gegen die Ringschulter 14 vorgespannt, so daß die Dichtwirkung in diesem Bereich verbessert und somit eine Leckage verhindert ist.
In der dargestellten Schließposition liegt der Druck am Eingangsanschluß P auch in dem von dem radial erweiterten Teil 28 der Axialbohrung 8 begrenzten Rückraum 50 des Ventils 1 an. Der Druck am Ausgangsanschluß (Tankdruck oder Niederdruck des Systems) wird über die Parallelbohrung 34 in den Axialkanal 36 gemeldet, so daß der axial zurückgesetzte Teil 52 der in
Figur 2 linken Stirnfläche des Nachsaugrings 26 mit Niederdruck beaufschlagt ist.
Figur 3 zeigt in stark vereinfachter Form die Druckverhältnisse, die sich in dieser Schließstellung des Kolbens 10 am Nachsaugring 26 anliegt. Es sei angenommen, daß am Eingangsanschluß P ein Druck PH wirkt, während der Druck am Ausgangsanschluß T dem Tankdruck entspricht und gegenüber dem Druck pj-j vernachlässigbar klein ist. Im stationären Zustand hat das sich im Rückraum 50 befindliche Steueröl ebenfalls einen Druck, der dem Wert PH entspricht. Dieser Druck wirkt gemäß der Darstellung in Figur 3 auf die rückwärtige Stirnfläche 44 des Nachsaugrings 26.
Aufgrund des vergleichsweise großen Außenspiels des Nachsaugrings 26 wirkt dieser Druck PH auch entlang der gesamten Länge des Axialspaltes 40.
Der in Figur 3 unten liegende, axial zurückgesetzte Teil 52 ist über den Axialkanal 26 mit dem Tankdruck (vernachlässigbar) beaufschlagt. Demgemäß fällt der Druck im Anlagebereich zwischen Ringstirnfläche 38 und Dicht- fläche 32 vom Wert PH auf 0 ab. Das heißt, die auf die rechte Stirnfläche 44 des Nachsaugrings 26 wirkende Druckkraft ist größer als die in Gegenrichtung wirkende Druckkraft, so daß der Nachsaugring 26 dichtend gegen die Dichtfläche 32 gepreßt wird. Dieser Anpreßdruck steigt mit dem Druck am Eingangsanschluß P an.
Der im Dichtspalt 42 wirksame, den Nachsaugring 26 radial nach außen beaufschlagende Druck fällt vom Eingangsdruck PH im Bereich der Stirnfläche 44 zum Taπkdruck im Bereich des axial zurückgesetzten Teils 52 ab, so daß sich ein etwa dreieckförmiges Druckprofil einstellt. Durch diesen Druckabfall in dem inneren Dichtspalt 42 sind die in Radialrichtung auf den
Nachsaugring 26 nach innen wirkenden Druckkräfte größer als die in Gegenrichtung wirkenden Druckkräfte, so daß der Nachsaugring 26 in Richtung auf den Kolben 10 druckbeaufschlagt ist-. Dadurch wird das Innenspiel des Nachsaugrings 26 verringert, und somit die Abdichtung zwischen dem Kol- ben 10 und dem Nachsaugring 26 verbessert. Durch die erhöhte radiale An- pressung des Nachsaugrings 26 im Bereich der Dichtfläche 32 sowie die auf-
grund der Flächendifferenz des Kolbens 10 erhöhte axiale Anpreßkraft des Kolbens 10 auf die Ringschulter 14 wird die Leckage des mit Schiebesitz ausgeführten Druck-Einspeiseventils gegenüber herkömmlichen Lösungen wesentlich verringert, so daß die Ventilanordnung hinsichtlich der Leckage nahezu mit Sitzventilen vergleichbar ist.
Gemäß Figur 1 ist die Vorsteuerstufe 4 in das Gehäuse 6 eingesetzt. Diese hat einen Grundkörper 54, der über ein Reduzierstück 56 gegen eine durch einen Ringraum 58 der Axialbohrung 8 ausgebildete Anlageschulter gepreßt wird. Im Grundkörper 54 ist ein Vorsteuerventilsitz 60 ausgebildet, gegen den ein Vorsteuerventilkörper 62 über eine Steuerfeder 64 vorgespannt ist. Die Vorspannung der Steuerfeder 64 läßt sich mittels einer im Reduzierstück 56 gelagerten Stellschraube 66 einstellen, an der die Steuerfeder 64 abgestützt ist. Ein Raum stromabwärts des Vorsteuerventilsitzes 60 ist über Radialdurchbrüche 68 des Grundkörpers 54 mit dem Ringraum 58 verbunden.
Der Grundkörper 54 hat einen nabenförmigen Vorsprung, in dem eine sacklochartig ausgebildete Vorsteuerventilbohrung 70 ausgebildet ist, deren in Figur 1 rechter Endabschnitt den Ventilsitz 60 begrenzt. In der Vorsteuerventilbohrung 70 ist ein als Dämpfungsglied wirkendes Kölbchen 72 geführt, über das die Schließbewegung des Vorsteuerventilkörpers 62 gedämpft wird, so daß ein schnelles Öffnen und gedämpftes Schließen der Vorsteuerstufe 4 ermöglicht wird (halbwellenförmige Dämpfung).
Wie insbesondere Figur 2 entnommen werden kann, ist die Vorsteuerventilbohrung 70 über mehrere Verbindungsbohrungen 74 mit dem Rückraum 50 verbunden. Das mit dem Vorsteuerventilkörper 62 zusammenwirkende Kölbchen 72 bildet mit dem Umfang der Vorsteuerventilkörper 70 eine Düse 76 und begrenzt mit dem Boden der Vorsteuerventilbohrung 70 einen Dämpfungsraum 78, wobei Druckmittel über einen nicht dargestellten Ringspalt zwischen dem Kölbchen 72 und dem Umfang der Vorsteuerventilbohrung 70 in den Dämpfungsraum 78 eintreten kann, beziehungsweise zur Dämpfung der Schließbewegung aus diesem verdrängt wird.
Der Ringraum 58 des Gehäuses 6 ist über einen Verbinduπgskanal 59 mit dem Ausgangsanschluß T verbunden.
Hinsichtlich weiterer Details dieser Dämpfung sei auf die parallel hinter- legte Patentanmeldung P 2000 (unser Zeichen: MA 7467) der Anmelderin verwiesen.
Bei Druck unterhalb des über die Vorsteuerstufe eingestellten Maximaldruckes am Eingangsanschluß P wird das Druck-Einspeiseventil 1 in der eingangs beschriebenen Weise in seiner Schließstellung gehalten. Bei Überschreiten des Maximaldruckes wird der Vorsteuerventilkörper 62 vom Ventilsitz 60 abgehoben, so daß Steueröl aus dem Rückraum 50 über die geöffnete Vorsteuerstufe zum Ausgangsanschluß (Niederdruck) abströmen kann. Dadurch wird die Rückseite des Kolbens 10 entlastet, so daß dieser durch den Druck am Eingangsanschluß P in seine Öffnungsstellung gebracht wird, so daß die Verbindung zwischen P und T aufgesteuert ist. Die Ventilanordnung befindet sich in ihrer Regelungsposition, in der der Druck am Eingangsanschluß P auf dem voreingestellten Maximalwert gehalten wird. Bei Absinken des Druckes am Eingangsanschluß P schließt die Vorsteuerstufe 4, wobei die Schließbewegung des Vorsteuerventilkörpers 62 durch das Kölbchen 42 gedämpft wird. Durch den sich aufbauenden Druck im Rückraum 50 wird der Kolben 10 zurück in seine in Figur 1 dargestellte Schließposition bewegt.
In dem Fall, in dem der Druck am Ausgangsanschluß T größer als der
Druck am Eingangsanschluß P ist, wird der Nachsaugring 26 durch den über die Parallelbohrung 34 und den Axialkanal 36 abgegriffenen Druck am Ausgangsanschluß T beaufschlagt, der größer als der Druck im Rückraum 50 ist. Der Nachsaugring 26 wird von seiner Anlageposition an der Dichtfläche 32 abgehoben und nach rechts bewegt, bis er auf den Anschlagbund 30 des Kolbens 10 aufläuft und diesen mitnimmt - die Verbindung von T nach P wird aufgesteuert, so daß Druckmittel vom Ausgangsanschluß T zum Eingangsanschluß P strömen kann (Nachsaugfunktion).
Selbstverständlich kann anstelle der vorbeschriebenen Vorsteuerstufe auch eine andere, herkömmliche Vorsteuerstufe eingesetzt werden.
Der modulartige Aufbau des erfindungsgemäßen Druck-Einspeiseventils 1 ermöglicht die Realisierung mehrerer Ventilvarianten, wobei je nach Ausgestaltung der Ventilanordnung eine Zuschaltstufe, eine Abschaltstufe oder eine Zeitverzögerung etc. vorgesehen werden können.
Die vorbeschriebene Konstruktion zeichnet sich durch eine gute
Dämpfung von Schwingungen im Hochdruck- und im Niederdruckbereich aus, wobei die Leckagewerte äußerst gering sind. Die Ventilanordnung ist desweiteren durch ein schnelles Offnungs- und Schließverhalten im Rever- sierbetrieb gekennzeichnet.
Bei einer Variante der Vorsteuerstufe 4 kann der Ringraum 58 auch mit einem Steueranschluß verbunden sein, so daß die den Vorsteuerventilkörper in Schließrichtung beaufschlagende Kraft durch die Kraft der Steuerfeder 64 und durch den Steuerdruck beeinflußbar ist.
Offenbart ist ein vorgesteuertes Druck-Einspeiseventil, bei dem ein Kolben einer mit Schiebesitz ausgeführten Hauptstufe mit einer Flächendiffe- renz ausgeführt ist. Die Nachsaugfunktion des Druck-Einspeiseventils wird über einen Nachsaugring realisiert, der durch geeignete Wahl des Innenspiels und des Außenspiels des Nachsaugrings sowie der Stirnflächenverhältnisse in eine Dichtposition gegen eine stirnseitige Dichtfläche und an die Umfangfläche des Kolbens der Hauptstufe anpreßbar ist, so daß die Leckage verringert ist.
Bezugszeichenliste:
Druck-Einspeiseventil
Hauptstufe
Vorsteuerstufe
Gehäuse
Axialbohrung
Kolben
Druckfeder
Ringschulter
Vorsprung
Bohrung
Kolbenmantel
Innenraum
Radialbohrung
Nachsaugring radial erweiterter
Teil der Axialbohrung
Anschlagbund
Dichtfläche
Parallelbohrung
Axialkanal
Ringstirnfläche
Axialspalt
Dichtspalt
Stirnfläche
Leitfläche
Fase
Rückraum axial zurückgesetzter
Teil des Nachsaugrings 26
Grundkörper
Reduzierstück
Ringraum
Vorsteuerventilsitz
Vorsteuerventilkörper
Steuerfeder
Stellschraube
Radialdurchbruch
Verbindungskanal
Vorsteuerventilbohrung
Kölbchen
Verbindungsbohrung
Düse
Dämpfungsraum