DE2904403C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Ventileinrichtung zum Schützen von Hydraulikanlagen gegen Überlastung und Kavitation, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein bei hydraulischen Anlagen allgemein auftretendes Problem ist die Schaffung von Hochdruck-Schutzeinrichtungen zum Ab­ lassen von Druckmittel in ein Reservoir, wenn der Hydraulik­ kreis einem höheren Druck ausgesetzt ist als erwünscht.

Zum Schutz gegen hohe Drücke sind bislang viele verschiede­ ne Einrichtungen verwendet worden. Diese Einrichtungen kön­ nen generell bei Verwendung eines direkt gegen eine Feder belasteten Absperrdrucks als direkt wirkend oder bei Verwen­ dung eines durch einen Bezugsdruck belasteten Absperrgliedes als gesteuert eingestuft werden.

Zusätzlich zum Schutz gegen hohe Drücke besteht die Notwen­ digkeit eines Schutzes gegen abnormale niedrige Druckzustän­ de, die zu Kavitationserscheinungen führen. Dieser Zustand stellt sich ein, wenn Druckmittel eine Seite eines Hydraulik­ zylinders verläßt und auf der anderen Seite nicht durch eine gleiche Menge ersetzt wird. Eine bekannte Lösung für dieses Problem besteht in der Verwendung eines Einweg-Rückschlag­ ventils, das den Eintritt von Druckmittel aus einem Reservoir in den geleerten Zylinder ermöglicht und gleichzeitig verhin­ dert, daß Druckmittel unter Druck den Zylinder verläßt.

Ein vollständiger Schutz eines Hydraulikzylinders erfordert daher sowohl einen Schutz gegen hohe Drücke als auch einen Schutz gegen Kavitationserscheinungen an beiden Zylinderen­ den. Es sind kombinierte Absperrorgan-Anordnungen in einer Baueinheit bekannt, die einen Schutz sowohl gegen hohe als auch gegen niedrige Drücke ermöglichen. Solche kombinierten Baueinheiten arbeiten bislang jedoch nicht so zufriedenstel­ lend wie einzelne Absperreinheiten, und zwar aus folgenden Gründen. Erstens verlassen sich derartige kombinierte Ab­ sperrorgan-Einheiten teilweise auf eine dynamische Abdich­ tung. Die sich dabei ergebende Reibungsdichtung beeinträch­ tigt die Leistungsfähigkeit dieser Absperrorgane. Zweitens führen übermäßige einschränkungen der Strömungswege und drittens andere Probleme, die sich aus der Beschränkung der Größe der Absperrorgan-Hülle ergeben, zu einer Begrenzung der Leistungsfähigkeit.

Aus der US-PS 31 00 503 ist eine Ventileinrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bekannt. Hierbei ist neben dem mit dem Schaft verbundenen Ventilkörper und neben dem verschiebbaren Ventilelement zur einwandfreien Funktion außerdem noch eine beweg­ liche Ventilkugel erforderlich, welche den Druck­ aufbau und die Druckabsenkung in der Druckkammer beeinflußt. Der in der zusätzlichen Druckkammer aufgebaute Druck wird zur Steuerung der Verschiebe­ bewegung des Ventilelements herangezogen.

Demgegenüber liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, den Aufbau der bekannten Ventil­ einrichtung zu vereinfachen.

Diese Aufgabe wird im wesentlichen durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 angegebenen Merk­ male gelöst.

Die erfindungsgemäße Ventileinrichtung benötigt weder ein drittes bewegliches Ventilelement ent­ sprechend der Ventilkugel gemäß dem Stand der Technik noch eine zusätzliche Druckkammer.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Weitere Einzelheiten ergeben sich aus der nachfolgen­ den Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten bevorzugten Ausführungsform. Es zeigt

Fig. 1 ein Hydrauliksystem unter Verwendung einer erfindungsgemäß gestalteten Hydraulik-Ventil­ einrichtung in einem Teillängsschnitt in einer ersten Betriebsstellung,

Fig. 2 die Hydraulik-Ventileinrichtung gemäß Fig. 1 in einer zweiten Betriebsstellung, und

Fig. 3 die Hydraulik-Ventileinrichtung gemäß Fig. 1 in einer dritten Betriebsstellung.

Die Fig. 1 zeigt ein Überlastsicherheits- und Anti­ kavitationsschutzsystem für eine Hydraulikausrüstung, wie sie beispielsweise bei dem Ladegerät 10 vorhanden ist. Das Ladegerät besitzt eine Vielzahl von Hydraulik­ zylindern 12, die jeweils mit jedem ihrer Enden mit einer erfindungsgemäß ausgebildeten Hydraulik-Ventil­ einrichtung 20 verbunden sind. Zur Erleichterung der Darstellung ist nur eine dieser Ventileinrichtungen 20 im Detail dargestellt.

Jede Ventileinrichtung 20 umfaßt ein Gehäuse 22, das in typischer Weise auch zugleich das Gehäuse für andere Absperrorgane ist, welche zur Steuerung der hydraulischen Einrichtung verwendet werden. Jedes Gehäuse weist eine erste Kammer 24 auf, die fluidleitend mit einem Ende eines Hydraulikzylinders 12 in Verbindung steht. Jedes Gehäuse 22 weist weiterhin eine zwei­ te Kammer 26 auf, die mit einem Reservoir in fluidleitender Verbindung steht, wie dies schematisch bei 28 dargestellt ist. In Längsrichtung verläuft über die gesamte Länge der Ventileinrichtung ein zentraler Durckmitteldurchgang 30, der die erste Kammer 24 mit der zweiten Kammer 26 verbindet. Eine bewegliche Absperranordnung, deren Betriebsweise nachfolgend noch beschrieben wird, ist vollständig in den Druckmittel­ durchgang 30 eingefügt.

Die bewegliche Absperranordnung umfaßt ein bewegliches Ventil­ element 32 mit einer Außenfläche 34, welche dem Druckmittel­ durchgang 30 verschiebbar anliegt, sowie mit einer konischen Dichtungsfläche 36 an dem einen Ende. Das bewegliche Ventilelement 32 weist weiterhin einen hohlen Innenraum auf, der symmetrisch um die Achse 38 liegt, und umfaßt außerdem einen ersten Abschnitt 40, der in Axialrichtung der sich verjüngenden Dichtfläche 36 benachbart ist. Ein zweiter innerer Abschnitt 42 liegt axial neben dem ersten inneren Abschnitt 40 und hat dabei einen Durchmesser, der kleiner ist als der Durchmesser dieses Abchnittes 40 . Die Übergangsstelle 44 zwischen dem ersten Abschnitt 40 und dem zweiten Abschnitt 42 bildet einen Ventilsitz 44. Das Innere des bewegli­ chen Ventilelementes 32 umfaßt außerdem einen dritten Ab­ schnitt 46, der axial neben dem Abschnitt 42 liegt und dessen Durchmesser kleiner ist als der Durchmesser des Abschnit­ tes 42. Das bewegliche Ventilelement 32 umfaßt darüber hinaus mehrere Löcher 48 in der Außenwand, die den inneren Abschnitt 42 umgibt und eine Druckmittelverbindung zwischen der Kammer 24 und dem inneren Abschnitt 42 ermöglichen. Das bewegliche Ab­ sperrelement 32 weist ferner noch einen Federsitz 50 auf, welcher von ihm radial nach außen absteht. Durch den Feder­ sitz 50 geht eine Vielzahl von Schlitzen 52, die eine Druck­ mittelverbindung in dem Durchgang 30 erlauben.

Die bewegliche Absperranordnung umfaßt weiter eine Ventilein­ richtung mit einem Kegelventilkörper, der generell mit 54 gekennzeichnet ist, einen im wesentliche massiven Querschnitt hat und im wesentlichen symmetrisch um die Achse 38 angeord­ net ist. Der Ventilkörper 54 weist an dem einen Ende einen Kopf 56 sowie einen Körperabschnitt 58 auf, der in Axi­ alrichtung neben dem Kopf 56 liegt und im Durchmesser klei­ ner bemessen ist als der Kopf 56. Eine konische Dichtfläche 60 liegt axial neben dem Körperabschnitt 58 und ist zum dichtenden Zusammenwirken mit dem Ventilsitz 44 an dem beweglichen Ventilelement 32 ausgebildet. Der Ventilkörper 54 umfaßt weiterhin einen zylindrischen Schaft 62 axi­ al neben der konischen Dichtfläche 60. Der zylindri­ sche Schaft 62 wird vom inneren Abschnitt 46 des beweglichen Ventilelementes 32 umgeben und wirkt mit diesem verschieb­ bar zusammen. Der Kopf 56 des Ventilkörpers 54 umfaßt einen Schlitz 64 zur Aufrechterhaltung der Druckmittelverbin­ dung zwischen der Kammer 24 und der Kammer 26, wenn der Ventilkörper seine Bewegungsgrenze erreicht hat. Diese Funktion wird augenscheinlich bei der nachfolgenden Erörte­ rung der Betriebsweise der Ventileinrichtung.

Die Ventileinrichtung umfaßt weiterhin einen Federsitz 66, welcher von dem Schaft 62 radial auswärts absteht. Der Sitz 66 kann an dem Schaft 62 durch jede geeignete Einrich­ tung befestigt werden, wobei eine bevorzugte Befestigung die Verschraubung ist. Dementsprechend ist eine Sperrmutter 68 vorgesehen, die jegliche unerwünschte Drehung zwischen dem Schaft 62 und dem Federsitz 66 verhindern soll. Eine Druckfeder 70 sitzt mit ihrem einen Ende der Stirnfläche 72 des Durchgangs 30 und mit ihrem anderen Ende einer Seite des Federsitzes 66 auf. Eine zweite Druckfeder 74 ist zwischen dem Federsitz 50 und der anderen Seite des Federsitzes 66 po­ sitioniert. Aus Gründen, die nachfolgend noch deutlich werden, ist die von der Feder 70 übertragene Kraft kleiner als die von der Feder 72 übertragene Kraft gehalten. Der Federsitz 66 umfaßt auch Schlitze 76, die eine Druckmittelverbindung über die gesamte Länge des Druckmitteldurchgangs 30 ermöglichen.

Innerhalb des Druckmitteldurchgangs 30 ist ein stationäres Absperrelement 78 positioniert, welches einen zwischen den Kammern 24 und 26 liegenden Abschnitt umfaßt. Das stationä­ re Absperrteil 78 kann mit dem Gehäuse 22 einstückig aus­ gebildet sein, ist jedoch in bevorzugter Ausführung in den Druckmitteldurchgang 30 eingeschraubt. Zur Verhinderung von Leckverlusten der Hydraulikflüssigkeit entlang der Außenflä­ che des stationären Absperrteils 78 ist ein Paar stati­ scher Dichtungen 80 und 82 vorgesehen.

Das Ende 84 des stationären Absperrelements 78 bildet einen Ventilsitz für die Dichtungsfläche 36 des beweglichen Dichtelements 32. Das stationäre Absperrteil 78 weist einen hohlen Innenbereich auf, der einen Abschnitt 86 mit ge­ genüber dem Durchmesser des Ventilsitzes 84 verringerten Durchmesser hat. Dementsprechend bildet die sich verjüngende Fläche 88 eine Einrichtung zur Begrenzung der Bewegung des Ventilkörpers 54. Das stationäre Absperrteil 78 umfaßt weiterhin eine Vielzahl von Löchern 90, die eine Druckmit­ telverbindung zwischen dem hohlen Innenraum des Teils 78 und der Kammer 26 ermöglichen.

Unter Bezugnahme auf die Fig. 1 bis 3 der Zeichnungen soll nun die Betriebsweise der erfindungsgemäßen Ventileinrichtung im einzelnen erläutert werden. Wenn man voraussetzt, daß das in Fig. 1 dargestellte System normal arbeitet, d. h. daß der Druck an dem Ende des Zylinders 12, das mit der Ventilein­ richtung verbunden dargestellt ist, weder über noch unter dem Normalen liegt, befindet sich die bewegliche Absperreinheit in der in Fig. 1 dargestellten Position. In dieser Betriebsstellung wird die Dichtfläche 36 durch die von der Feder 70 auf das Ventilelement 32 aufgebrachte Kraft in dichtende Anlage an den Ventilsitz 84 gebracht. Ebenfalls wird die ko­ nische Dichtfläche 60 des Ventilkörpers 54 durch die Fe­ der 74 in dichtende Anlage an den Ventilsitz 44 gedrückt. In dieser ersten Betriebsstellung wird der Druckmittelstrom zwi­ schen den Kammern 24 und 26 in beiden Richtungen blockiert.

Es soll nun angenommen werden, daß der Druck an dem Zylinder­ ende auf einen ersten bestimmten Wert ansteigt, der über dem erwünschten Wert liegt. Dies kann beispielsweise dann auf­ treten, wenn der Ausleger des Ladefahrzeugs hydraulisch ab­ wärts gefahren wird, während das Ladegefäß in einer festen Position festgesetzt ist. In diesem Fall baut sich in der Kammer 24 Druck auf, der gegen die konische Dichtfläche 60 des Ventilkörpers 54 einwirkt, bis die Zusammendrückung der Feder 74 beginnt, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. Der Ventilkörper 54 wird dadurch vom Ventilsitz 44 abgehoben, so daß er die Strömung des Druckmittels von der Kammer 24 durch den Strö­ mungsweg 92 in die Kammer 26 freigibt. Wenn der Druckmittel­ strom sich in dem Strömungsweg 92 entlang bewegt, übt er einen Druck auf die Fläche 94 des Kopfes 56 aus, wodurch die Druck­ belastung auf die Feder 74 erhöht wird. Mit zunehmender Strö­ mungsmenge nimmt auch die Druckbelastung auf die Feder 74 zu, was dazu beiträgt, den Druck bei der erhöhten Strömungsmenge ziemlich konstant zu halten. Die Feder 74 wird dann weiter zusammengedrückt, bis der Kopf 56 an die konische Fläche 88 anstößt. Durch die Begrenzung der Bewegung des Ventilkörpers 54 verhindert die Fläche 88 eine Überlastung der Ventileinrichtung. Wenn der Kopf 56 des Ventilkörpers in Berührung mit der Fläche 88 ist, wird der Strömungsweg 92 durch den Schlitz 64 aufrechterhalten. An diesem Punkt wird eine weitere Druckregulierung zur Verhinderung einer weite­ ren Belastung der Ventileinrichtung mit Verlust er­ kauft. Es ist dabei festzustellen, daß keine dynamische Ab­ dichtung erforderlich ist, da der Strömungsweg 92 auf der Außenseite des Ventilkörpers 54 entlang verläuft. Eine solche Abdichtung ist nur erforderlich, wenn hohle Ventilkörper verwendet werden. Bei der zweiten Betriebsstellung wird daher ein Druckmittelstrom von der Kammer 24 zu der Kammer 26 er­ möglicht, wenn der Druck in der Kammer 24 den Druck in der Kammer 26 um ein erstes vorgegebenes Maß übersteigt.

Nunmehr soll angenommen werden, daß der Druck in der Kammer 26 über den Druck in der Kammer 24 ansteigt. Wenn der Druck in der Kammer 26 über den Druck in der Kammer 24 um ein bestimm­ tes Maß ansteigt, baut sich ein Druck auf den Kopf 64 und den inneren Abschnitt 40 des Ventilelements 32 auf, bis der Ventilkörper 54, das bewegliche Ventilelement 32, die Feder 74 und der Feder­ sitz 66 sich gemeinsam unter Zusammendrückung der Feder 70 bewegen, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. Wenn die sich verjüngende Dichtfläche 36 von dem Ventilsitz 84 abhebt, strömt Druckmittel von der Kammer 26 durch die Bahn 96 zu der Kammer 24. Damit kann bei dieser dritten Betriebsstellung das Druckmittel von der Kammer 26 zu der Kammer 24 strömen, wenn der Druck in der Kammer 26 den Druck in der Kammer 24 um ein zweites vorbestimmtes Maß übersteigt.

Wie die vorangehende Beschreibung erkennen läßt, ist es er­ forderlich, daß die Feder 70 eine geringere Kraft überträgt als die Feder 74, so daß die Ventileinrichtung nicht symmetrisch arbeitet. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß das erste vorgegebene Druckübermaß beträchtlich größer sein muß als das zweite vorgegebene Druckübermaß, da die Ventileinrichtung in der in Fig. 1 dargestellten ersten Betriebsstellung bei nor­ malen Arbeitsdrücken verbleiben soll, jedoch in jeder ande­ ren Situation, in der der Druck in der Kammer 26 den Druck in der Kammer 24 übersteigt, ziemlich empfindlich reagieren soll.

Die vorstehend beschriebene Ventileinrichtung stellt ein Antikavitations- und Überlastungsschutzsystem für einen Hydraulikkreis dar, das sowohl kompakt aufgebaut ist als auch direkt wir­ kend arbeitet. Es ist weiterhin augenscheinlich, daß keine dynamischen Dichtungen beim Betrieb der Ventileinrichtung erforderlich sind, da der Druckmittel­ strom in jeder Richtung auf der außenliegenden Fläche des Dichtungsbauteils entlanggeführt wird. Die Ventileinrichtung sorgt für die Aufrechterhaltung eines verhältnismäßig konstanten Drucks bei zunehmender Strömungsmenge über große Betriebsbe­ reiche. Zusätzlich umfaßt die Ventileinrichtung eine Einrichtung, die die Überlastung seiner inneren Bauteile verhindert. Schließlich ist der Aufbau der Ventileinrichtung verhältnismäßig einfach und dadurch kostengünstig.

Claims (5)

1. Ventileinrichtung zum Schützen von Hydraulikanlagen gegen Überlastung und Kavitation, mit einem Ventilgehäuse (22) mit zwei Druckmittelkammern (24, 26), von denen die eine Druckmittelkammer (24) an die Hydraulikanlage (12) und die andere Druckmittelkammer (26) an ein Druck­ mittelreservoir (28) angeschlossen ist, einem die erste und die zweite Druckmittelkammer (24, 26) in dem Ventil­ gehäuse (22) verbindenden Druckmitteldurchgang (30), wobei in einer ersten Betriebsstellung der Ventilein­ richtung der Druckmitteldurchgang (30) zwischen den beiden Durckmittelkammern (24, 26) unterbrochen, in einer zweiten Betriebsstellung der Ventileinrichtung der Druckmitteldurchgang (30) von der ersten Druckmittel­ kammer (24) in die zweite Druckmittelkammer (26) bei einem bestimmten Drucküberschuß in der ersten Druck­ mittelkammer (24) freigegeben und in einer dritten Be­ triebsstellung der Druckmitteldurchgang (30) von der zweiten Druckmittelkammer (26) in die erste Druckmittel­ kammer (24) bei einem bestimmten Drucküberschuß in der zweiten Druckmittelkammer (26) freigegeben wird, mit einem im Druckmitteldurchgang (30) angeordneten stationären Teil (78) mit einem Ventilsitz (84) und mit einem im Druckmitteldurchgang (30) angeordneten, gegen die Kraft einer ersten Feder (70) verschiebbaren Ventilelement (32) mit einem in Axialrichtung abgestuften Hohlraum (40, 42) und mit einer mit dem Ventilsitz (84) zusammen­ arbeitenden Dichtfläche (36), wobei das Ventilelement (32) in der ersten Betriebsstellung am Ventilsitz (84) des stationären Teils (78) anliegt, und mit einem zusätz­ lichen, mit einem Schaft (62) verbundenen und mit einem Ventilsitz (44) zusammenwirkenden Ventilkörper (54), dadurch gekennzeichnet. daß das verschiebbare Ventilelement (32) auch in der zweiten Betriebsstellung am Ventilsitz (84) des stationären Teils (78) anliegt, daß der mit dem Ventilkörper (54) zusammenwirkende Ventilsitz (44) durch die Abstufung des Hohlraums (40, 42) im verschiebbaren Ventilelement (32) gebildet wird, die Dichtfläche (60) des Ventilkörpers (54) entgegengesetzt zur Dichtfläche (36) des Ventil­ elements (32) gerichtet ist, und der Ventilkörper (54) an der Dichtfläche anliegt, wenn sich das Ventilelement (32) in der ersten und in der dritten Betriebsstellung befindet, daß sich eine Druckfeder (74) zwischen dem dem Ventilkörper (54) abgewandten Ende des Schaftss (62) und dem Ventilelement (32) abstützt, daß zur Begrenzung des Verstellweges des Ventilkörpers (54) der stationäre Teil (78) einen einen Anschlag für den Ventilkörper (54) bildenden Abschnitt (88) mit reduziertem Durch­ messer aufweist, und daß ein Druckmitteldurchlaß (64) vorgesehen ist, der eine Druckmittelverbindung zwischen der ersten Druckmittelkammer (24) und der zweiten Druck­ mittelkammer (26) aufrechterhält, wenn der Ventilkörper (54) an dem Abschnitt (88) des stationären Teils (78) mit reduziertem Durchmesser anliegt.

2. Ventileinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß der Ventilkörper (54) als Tellerventil ausge­ bildet ist.

3. Ventileinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Tellerventil an seinem dem Schaft (62) gegenüberliegenden Ende einen Kopf (56) trägt, hieran anschließend einen Ansatz (58) mit gegenüber dem Kopf reduziertem Durchmesser, und hieran anchließend einen die Dichtfläche (60) des Ventilkörpers (54) definierenden kegeligen Abschnitt.

4. Ventileinrichtung nach einem der vorhergehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Druckmittel­ durchlaß (64) als Schlitz im Ventilkörper (54) ausgebildet ist.

5. Ventileinrichtung nach Anspruch 3 und Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß der Schlitz (64) an der Stirn­ seite des Kopfes (56) ausgebildet ist.