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Leckfreies Brems-Sperrventil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein hydraulisch steuerbares, leckfreies
Brems-Sperrventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiges Ventil ist bekannt. Es wird insbesondere zur Leitungsbruchsicherung
verwandt und vorzugsweise direkt an einen Arbeitszylinder angeflanscht. Derartige
Sicherheitsventile sind nach DIN 24093 beim Hebezeugbetrieb von Hydraulikbaggern
vorgeschrieben, damit beispielsweise bei einem Leitungsbruch kein unkontrolliertes
Absinken des Auslegers oder dgl. eintritt. Damit die Leitungsbruchsicherung selbsttätig
wirkt, besitzt das Brems-Sperrventil ein Rückschlagventil, das die Durchflußverbindung
zwischen dem Arbeitszylinder und einem Schaltventil, durch welches der Arbeitszylinder
alternativ mit einer Hydraulikpumpe oder einem Vorratstank für das Hydraulikmedium
verbindbar ist, sofort geschlossen wird.
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Die hydraulische Steuerung eines Brems-Sperrventils und dessen Funktion
ist beispielsweise in der CH-PS 543 028 (Beb 72/3) beschrieben.
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Das bekannte weitere Brems-Sperrventil besitzt einen in einem Ventilgehäuse
axial verschiebbar gelagerten hohlen Steuerschieber, in dem das Rückschlagventil
angeordnet ist, sowie ein parallel geschaltetes zweites Schließglied, welches durch
den Stößel eines Vorsteuerkolbens betätigbar ist. Bei der bekannten Anordnung werden
der Steuerkolben und der zweite, im Strömungsweg hintereinander geschaltete Steuerkolben
durch den gleichen Steuerdruck einer Vorsteuereinrichtung beaufschlagt.
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Das bekannte Brems-Sperrventil, das zur leckfreien Abdichtung der
Durchflußbohrungen im Ventilgehäuse ein zweites
vorgesteuertes Schließglied
aufweist, benötigt zum leckfreien Abdichten des Hydraulikmediums vom Verbraucheranschluß
her infolge der zusätzlichen Funktionselemente und Steuerleitungen einen hohen baulichen
Aufwand, der sich auch in einem erhöhten Platzbedarf für die Unterbringung der Bauteile
niederschlägt.
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Bei diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein hydraulisch
steuerbares Brems-Sperrventil in kompakter Bauweise zu schaffen, das die im Ventilgehäuse
vorgesehenen Durchlaßverbindungen leckfrei abdichtet, das durch eine geringere Zahl
von Funktionselementen baulich einfacher gestaltet ist und das durch die hierdurch
erreichbare Platz-und Gewichtsreduzierung zum unmittelbaren Einbau oder Anbau in
bzw. an den Verbraucher geeignet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das im Kennzeichenteil des
Anspruchs 1 angegebene Merkmal gelöst. Dabei zeichnet sich das leckfreie Brems-Sperrventil
nach der Erfindung insbesondere dadurch aus, daß die Funktion des gesteuerten Rückschlagventils
durch den Steuerkolben und dessen Ausbildung als Sitzventil zusätzlich zu seiner
Drossel funktion ausgeübt wird. Hiergegen bestand im Stand der Technik ein Vorurteil,
weshalb mehrere Ventile mit den verschiedenen Funktionen in Serie hintereinander
geschaltet wurden.
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Durch die Maßnahme nach Anspruch 2 kann in besonders vorteilhafter
Weise erreicht werden, daß der Ventilsitz, für den im allgemeinen bevorzugt ein
härtbarer Werkstoff verwendet wird, in einer Buchse aus einem geeigneten, oberflächenhärtbaren
Werkstoff ausgebildet werden kann, welche in die entsprechende Bohrung des Ventilgehäuses
auswechselbar eingesetzt, insbesondere eingeschraubt wird. Die Buchse ist dabei
nicht geteilt und schließt sämtliche Funktionselemente des Ventils einschließlich
des an den Steuerkolben angeschlossenen Federraumes in Patronenbauweise ein und
wird als
gesamte Baueinheit dichtend in das Ventilgehäuse eingebracht.
Hierdurch wird vermieden, daß das gesamte Ventilgehäuse aus einem entsprechenden
härtbaren Werkstoff hergestellt werden muß oder andere Vorkehrungen getroffen werden
müssen, um einen gehärteten Ventilsitz im Ventilgehäuse vorzusehen.
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Die Ringfläche des Schließgliedes, beispielsweise Ventilkegels am
Steuerkolben ist groß genug ausgelegt, daß einerseits große Flächenpressungen und
ein Verklemmen oder Verkanten des Steuerkolbens in der Längsbohrung der Buchse vermieden
werden. Andererseits ist die Ringfläche so klein, daß auch bei maximal zulässigem
Lastdruck die Federkraft größer als die hydraulische Kraft an der Ringfläche ist,
so daß stets eine für das leckagefreie Schließen ausreichende Schließkraft übrig
bleibt. Die Federkraft wiederum ist nach oben begrenzt durch die maximal aufbringbare
Steuerkraft, die der Steuerdruck auf die wirksame Steuerkolbenfläche ausübt. Die
Durchmesserdifferenz an der Ringfläche des Ventilkegels beträgt daher vorzugsweise
0,2 bis 0,5 mm. Die auf den Steuerkolben wirkende, im Federraum eingespannte Feder
ist so ausgelegt, daß selbst bei maximal zulässigem Druck an der Ringfläche des
Steuerkolbens die hydraulische Axialkraft kleiner ist als die am Steuerkolben wirkende,
entgegengerichtete Federkraft. Hierdurch bleibt selbst bei dem zulässigen Höchstdruck
der Steuerkolben in der Schließstellung angedrückt und die Durchflußverbindung bleibt
abgesperrt. Dagegen läßt sich der Lastdruck am Verbraucher durch Beaufschlagung
des Steuerkolbens mit dem Steuerdruck auf einen gewünschten niedrigeren Wert kontrolliert
absteuern.
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Es sei erwähnt, daß es alternativ auch möglich ist, die Ringfläche
des Schließgliedes am Steuerkolben zu härten und die Buchse und den Ventilsitz aus
weicherem Werkstoff herzustellen.
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Das Brems-Sperrventil wird durch die in den weiteren Unteransprüchen
angegebenen Merkmale in vorteilhafter Weise fortgebildet. Dabei wird insbesondere
auf Anspruch 8 und 9 hingewiesen, durch deren Merkmale eine zusätzliche Sicherungsfunktion
bei einem Federbruch erreicht wird. Durch die besondere Art der Schraubenfeder gemäß
Anspruch 3 wird vermieden, daß beim Bruch einer der Federn die der Bruchstelle benachbarten
Federwindungen ineinander geschoben werden. Da davon auszugehen ist, daß ein gleichzeitiger
Bruch von zwei oder mehreren Federn nicht zu befürchten ist, kann durch die vorgeschlagene
Maßnahme erreicht werden, daß beim Bruch einer einzelnen Feder noch eine vorbestimmbare
Kraft erhalten bleibt, die den Steuerkolben hindert, die Durchflußverbindung am
Steuerkolben plötzlich freizugeben. Diese vorbestimmbare Kraft sollte vorzugsweise
größer sein als die bei maximalem Lastdruck an der Ringfläche wirksame hydraulische
Kraft.
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Hinsichtlich der Entlastung des Federraumes bestehen verschiedene
Möglichkeiten: Der Federraum kann durch einen in die Buchse eingeschraubten und
gesicherten Stopfen hermetisch abgeschlossen sein und ggf. unter einem geringeren
Druck als der Atmosphärendruck stehen. Für diesen Fall muß sichergestellt werden,
daß der Steuerkolben in seiner Buchse absolut leckfrei gegenüber dem Federraum geführt
ist. Dies wird durch mindestens eine Radialdichtung, vorzugsweise Zwillingsdichtung
nach Anspruch 10 erreicht. Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß der Federraum
unter Atmosphärendruck steht und eine entsprechende Entlüftungsbohrng aufweist.
Für diesen Fall wird vorgeschlagen, die im Federraum angeordneten Funktionselemente
aus einem korrosionsfesten Werkstoff herzustellen, da bei entsprechenden Einsatzbedingungen
des Brems-Sperrventils ein Feuchtigkeitsniederschlag im Federraum nicht auszuschließen
ist. Zweckmäßigerweise wird dabei im Bereich der Entlüftungsbohrung ein Luftfilter
vorgesehen, um das Eindringen
von Verunreinigungen in den Federraum
zu verhindern.
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Schließlich ist es auch möglich, den hermetisch verschlossenen Federraum
mit dem Wegeventilanschluß zu verbinden, und zwar durch einen Kanal, der im Ventilgehäuse
und in der Buchse verläuft, so daß je nach Schaltung des Ventils der Federraum mit
der Druckquelle oder dem Tank verbunden ist.
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Endlich kann der Federraum auch über eine separate Leitung an dem
Vorratsbehälter für das Druckmittel angeschlossen sein. Hierdurch wird vermieden,
daß durch Leckage in den Federraum gelangendes Druckmittel zum Aufbau eines Staudruckes
führt, der das Verhalten des Brems-Sperrventils von dem jeweiligen Betriebszustand,
insbesondere Durchfluß abhängig macht. Das Lecköl wird dabei sofort in den drucklosen
Tank abgeleitet.
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Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten
Ausführungsbeispiels erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 den Längsschnitt eines Brems-Sperrventils gemäß
der Erfindung; Fig. 2 das hydraulische Schaltbild des Ventils nach Fig. 1.
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Das in der Zeichnung im Längsschnitt dargestellte Brems-Sperrventil
1 nach dieser Erfindung besteht aus einem Ventilgehäuse 2 mit einer im Durchmesser
mehrfach abgestuften Sacklochbohrung 3, in welche in axialem Abstand Querbohrungen
4 und 5, vorzugsweise im rechten Winkel, einmünden, an die der hydraulische Verbraucher
einerseits und ein Wegeventil andererseits angeschlossen werden. Das Ventilgehäuse
2 ist so aufgebaut, daß es mit seinem Verbraucheranschluß 4 unmittelbar an einen
hydraulischen Arbeitszylinder oder dgl. anschließbar ist, während die Querbohrung
5 durch Rohr-oder Schlauchleitung zu einem Wegeventil führt, durch
welches
das Brems-Sperrventil 1 entweder mit einer hydraulischen Druckquelle, beispielsweise
einer Pumpe oder dgl., oder mit einem Vorratsbehälter verbindbar ist. Am Grund der
Sacklochbohrung 3 mündet dazu noch eine weitere, im Durchmesser abgesetzte Querbohrung
(Steueranschluß) 6, in welche ein Filterelement 7 eingeschoben ist. Die Querbohrung
6 ist für den Anschluß einer Steuerleitung zur Aufgabe eines Steuerdruckes auf die
Stirnseite des Steuerkolbens 8 des Brems-Sperrventils 1 vorgesehen.
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In die Sacklochbohrung 3 des Ventilgehäuses ist ein Anschlußstopfen
9 mit einem nicht näher bezeichneten Dichtring in einer Umfangsnut und auf seiner
dem Steueranschluß 6 zugewandten Stirnseite eingesetzt. Dieser Anschlußstopfen 9
hat zwei axiale Druckmitteldurchgänge, von denen jeweils einer für eine bestimmte
Strömungsrichtung vorgesehen sind und durch ein zugeordnetes Rückschlagventil 10a/b
für entgegengesetzte Strömungsrichtungen gesperrt ist. Vor den Rückschlagventilen
10a/b befindet sich jeweils eine Drossel 11a/b zur Dämpfung von Schwingungen.
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Axial am Anschlußstopfen 9 abgestützt ist in die Sacklochbohrung 3
eine im Durchmesser entsprechend abgestufte, nicht geteilte Buchse 12 mit Gewinde
13 eingeschraubt, in der alle wesentlichen Funktionselemente des Brems-Sperrventils
1 patronenförmig aufgenommen sind. Die Buchse 12 ist an ihrem aus dem Ventilgehäuse
2 herausragenden Ende durch eine mit einer Mutter 14 gekonterten Verschlußschraube
15 axial verschlossen.
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Auf der äußeren Mantelfläche der Buchse 12 ist im Bereich des Verbraucheranschlusses
4 ein Ringkanal 16 vorgesehen, der zur Schaffung einer Durchflußverbindung durch
eine Querbohrung 17 mit einem Ringkanal 18 auf der inneren Mantelfläche der Buchse
12 verbunden ist. Im Bereich des Wegeventilanschlusses 5 ist eine entsprechende
Durchflußverbindung hergestellt, jedoch ergibt sich hier ein dem Ringkanal 16
entsprechender
Ringkanal 19 durch die Durchmesserverringerung der Buchse 12 und die axial versetzte,
radiale Stufe 20 der Sacklochbohrung 3 des Ventilgehäuses 2. Die Ringkanäle 16 und
19 sind gegeneinander sowie gegen das Gewinde 13 und den Anschlußstopfen 9 durch
nicht näher bezeichnete und durch in axialem Abstand angeordnete Ringnuten eingesetzte
Radialdichtungen hydraulisch getrennt.
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Die Buchse 12 hat auf ihrer inneren Mantelfläche in axialer Richtung
ebenfalls mehrere Stufen ihrer Längsbohrung 21a bis 21b, wobei im Bereich 21a mit
dem größten Innen- und Außendurchmesser der Buchse 12 der Federraum 22 ausgebildet
ist.
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In dem Federraum 22 sind zwei koaxial ineinander angeordnete Steuerfedern
23a und 23b zwischen einem Federteller 24 und der Verschlußschraube 15 eingespannt.
Die Steuerfedern 23 sind vorzugsweise Schraubenfedern, die aus Federdraht mit im
Querschnitt rechteckigem oder quadratischem Querschnitt gewickelt sind, damit bei
einem eventuellen Federbruch verhindert wird, daß die Windungen an der Bruchstelle
ineinandergeschoben werden. Die Federn 23 sind durch axiale Einstellung an der Verschlußschraube
15 so vorgespannt, daß die Federkraft bei maximal zugelassenem Druck am Verbraucheranschluß
4 die hydraulische Axialkraft überwiegt, die an der Ringfläche 8.1 des Ventilsitzes
für den Steuerkolben 8 auftritt. In den Längsbohrungen 21c und 21d ist der Steuerkolben
8 axial verschieblich gelagert. Dieser ist als Stufenkolben ausgebildet und ist
an seiner Stufe erfindungsgemäß mit der vorzugsweise konischen Ringfläche 8.1 ausgestattet,
die mit einem entsprechenden Ventilsitz an der Buchse 12 zusammenwirkt.
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Der Steuerkolben 8 ist auf seiner Außenmantelfläche mit gegenüber
der Längsbohrung 21 enger Fertigungstoleranz hergestellt. Die Oberfläche ist geschliffen
und mindestens im Bereich der Ringfläche 8.1 wegen seiner Funktion und konstruktiven
Ausbildung als Schließglied gehärtet, insbesondere oberflächengehärtet.
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In seinem Inneren ist der Steuerkolben 8 mit einer Sacklochbohrung
25 ausgestattet, die durch mehrere in axialem Abstand angeordnete Querbohrungen
26 und 27 sowie 28 bis 30 mit der äußeren Mantelfläche des Steuerkolbens verbunden
ist. Dabei liegt die Querbohrung 26 im Bereich der Ringkanäle 16 und 18 der Buchse
12 und im Bereich des Verbraucheranschlusses 4 des Ventilgehäuses. Entsprechend
liegt die Querbohrung 27 im Bereich des Ringkanals 19 und des Wegeventilanschlusses
5. Die übrigen Querbohrungen 28 bis 30 liegen in axialer Richtung zwischen den Querbohrungen
26 und 27 und haben unterschiedliche Durchflußquerschnitte, und zwar mit wachsendem
Abstand von der Ventil-Ringfläche 8.1 des Steuerkolbens 8 größere Querschnitte.
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Die Sacklochbohrung 25 im Inneren des Steuerkolbens 8 ist im Durchmesser
abgesetzt und bildet an ihrer Stufe eine Sitzfläche 31 für das Schließglied 32 eines
Rückschlagventils, das durch eine Schließfeder 33 gegen seine Sitzfläche 31 angepreßt
wird. Die Schließfeder 33 ist durch eine Stützschraube 34 vorgespannt, die in die
axial offene Stirnseite des Steuerkolbens 8 eingeschraubt ist. Gegen eine kalottenförmige
Ausnehmung in der Stirnfläche der Stützschraube 34 liegt der Federteller 24 mit
dem darin stirnseitig angebrachten Kugel körper 35 an und wird durch die Federkraft
der Steuerfedern 23a/b angepreßt. Das Schließglied 32 hat eine Querbohrung 36, so
daß sein Innenraum vom Druck am Verbraucheranschluß 4 des Ventilgehäuses 2 beaufschlagt
ist.
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Zur Vermeidung von Leckagen zwischen dem Umfang des Steuerkolbens
8 und dem Federraum 22 ist zwischen dem Ringraum 18 am Innenumfang der Buchse 12
und dem Bereich 21b der Längsbohrung 21 eine als Zwillingsdichtung ausgebildete
Radialdichtung 37 eingesetzt. Diese verhindert den Durchtritt von Druckmittel in
den Federraum und in diesem einen Druckaufbau, der das Verhalten des Ventils von
dem jeweiligen Betriebszustand, insbesondere durchfl ußabhängi g macht.
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In Fig. 2 ist ein hydraulisches Schaltbild des Brems-Sperrventils
gemäß Fig. 1 dargestellt.
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Hinsichtlich der Funktion des Bems-Sperrventils 1 ist zu erwähnen,
daß beim Anliegen eines ausreichend hohen Druckes am Wegeventilanschluß 5 die hydraulische
Kraft das Rückschlagventil 32/33 von der Sitzfläche 31 abhebt und den Weg zur Querbohrung
26 des Steuerkolbens 8 bzw. zum am Verbraucheranschluß 4 unmittelbar oder durch
einen Doppelschraubnippel angeschlossenen Arbeitszylinder freigibt. In der entgegengesetzten
Strömungsrichtung wirkt das Rückschlagventil im Absperrsinn und verschließt den
Durchfluß durch die Axialbohrung 25 des Steuerkolbens 8. Zum gesteuerten Vermindern
des Druckes im Arbeitszylinder wird das Brems-Sperrventil 1 über den Steueranschluß
6 mit einem Steuerdruck beaufschlagt, der auf die Stirnseite des Steuerkolbens 8
wirkt und diesen entgegen der Kraft der Steuerfedern 23 axial so weit verschiebt,
daß dessen Ringfläche 8,1 von ihrem Ventilsitz abgehoben wird. Je nach Größe des
aufgegebenen Steuerdruckes wird der Steuerkolben 8 axial verschoben, und über die
Querbohrungen 28 bis 30 und die Axialbohrung 25 wird die Verbindung zum Wegeventilanschluß
5 und über diesen zum Vorratsbehälter für das Druckmittel hergestellt.
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BEZUGSZEICHENAUFSTELLUNG 1 Brems-Sperrventil 2 Ventilgehäuse 3 Sacklochbohrung
4 Querbohrung, Verbraucheranschluß 5 Querbohrung, Wegeventilanschluß 6 Querbohrung,
Steueranschluß 7 Filterelement 8 Steuerkolben 8.1 Ringfläche, Ventilkegel 9 Anschlußstopfen
10a Rückschlagventil 10b Rückschlagventil 11a Drossel lib Drossel 12 Buchse 13 Gewinde
14 Mutter 15 Verschlußschraube 16 Ringkanal 17 Querbohrung 18 Ringkanal 19 Ringkanal
20 Stufe 21a radiale Stufe der Längsbohrung bis 21d 22 Federraum 23a/b Steuerfeder
24 Federteller 25 Sacklochbohrung
26 ) 27 ) 28 ) Querbohrung 29
) 30 ) 31 Sitzfläche 32 Schließglied 33 Schließfeder 34 Stützschraube 35 Kugel körper
36 Querbohrung im Schließglied 37 Zwillingsdichtung
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