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LASTHALTEVENTIL ODER
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OVERCENTERVENTIL FÜR HYDRAULISCHE ANLAGEN
Beschreibung
Die Erfindung bezieht sich auf ein Lasthalteventil oder Overcenterventil für hydraulische
Anlagen, bestehend -3US einem Ventilgehäuse, welches eine Ventilkammer mit einer
ersten und einer zweiten Anschlußöffnung, zwischen deren ein federbelastetes Rückschlagventil
und ein federbelastetes Druckbegrenzungsventil angeordnet sind, und eine durch eine
Zwischenwand von der Ventilkammer getrennte Steuerkammer enthält, die über eine
dritte Anschlußöffnung mit Steuerdruck beaufschlagbar ist, welcher über einen in
der Steuerkammer verschieblich geführten Steuerkolben und einen in einer Bohrung
in der Zwischenwand verschieblich geführten Stößelbolzen auf das Druckbegrenzungsventil
wirkt Lasthalteventile - auch Overcenterventile genannt - der erwähnten Art werden
verwendet, um z.B. zu verhindern, daß eine mittels einer hydraulischen Hubvorrichtung
gehobene Last abstürzt, wenn eine Hydraulikleitung bricht. Bei anderen Anwendungen
soll mit derartigen Ventilen bei Belastung eines Hydraulikmotors in entgegengesetzten
Richtungen ein unkontrollierbares Spiel vermieden werden. Bei dieser letztgenannten
Anwendung spricht man gewöhnlich von Overcenterventilen. Solche Ventile können weiterhin
dazu benutzt werden, um beim Senken Kavitation zu verhindern.
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Bei bestimmten Funktionen werden große Ansprüche an die Dichtheit
dieser Ventile gestellt, z.B. dann, wenn eine Last unbeweglich zu halten ist. Die
Ventilteile werden daher mit Dichtungsringen oder anderen Weichdichtungen versehen,
um die erforderliche gute Dichtung sicherzustellen. Damit ist jedoch der Nachteil
verbunden, daß wegen der Reibung zwischen den dichtend zusammenwirkenden Teilen
die Feineinstellungsmöglichkeit leidet. Ein anderer Nachteil der bekannten Ventile
besteht darin, daß sie gewöhnlich stark lastabhängig sind, d.h.
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bei gleichem Steuerdruck in Absenkrichtung bewegen sich schwere
Lasten
früher und mit höherer Geschwindigkeit als leichte.
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Schließlich sind die vorbekannten Ventile oft unnötig kompliziert
und voluminös.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Lasthale- oder
Overcenterventil zu schaffen, welches die gefordert Dichtheit und Feineinstellung
mit verhältnismäßig einfachen, störungsunanfälligen Mitteln erreicht, wenig Raum
beansprucht und kostengünstig herzustellen ist. Vorstehende Aufgabe wird erfindungsgemäß
dadurch gelöst, daß der Stößelbolzen auf Seiten der Ventilkammer mit einem Kopf
versehen und bis zu dessen dichtender Anlage an der Zwischenwand in der Bohrung
frei verschieblich ist.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand der Zeichnung näher erläutert.
Es zeigen: Fig. 1 einen hydraulischen Schaltplan eines an einen Hydraulikmotor angeschlossenen
erfindungsgemäßen Ventils; Fig. 2 einen Teil-Längsschnitt durch das in Fig. 1 gezeigte
Lasthalteventil; Fig. 3 ein Kurvenschaubild, in welchem die Abhängigkeit der Durchflußmenge
als Funktion des Steuerdrucks bei verschiedenen Querschnittsverhältnissen und Belastungsdrücken
dargestellt ist.
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Fig. 1 zeigt schematisch ein Hydrauliksystem zur Steuerung eines Hydraulikmotors
11, auf den eine äußere Last F wirkt.
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Das erfindungsgemäße Lasthalteventil ist in dem Schaltplan symbolisch
innerhalb des gestrichelten Rahmens 12 dargestellt.
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Es kann im Beispielsfall entweder als Lasthalteventil oder als Overcenterventil
dienen, im Folgenden soll aber der Einfachheit halber nur die Bezeichnung Lasthalteventil
verwendet werden
Das Lasthalteventil insgesamt läßt sich zergliedern
in ein Druckbegrenzungsventil 13 mit einem Steueranschluß 14 und ein parallel darzu
angeordnetes Rückschlagventil 15 mit entgegengesetzter Strömungsrichtung. Die Stellung
des Drllekbegrenzungsventils 13 wird beeinflußt vom Druck am Steuranschluß 14 oder
vom Druck an einer Einlaßöffnung 16 des Ventils, wozu in Fig. 1 schematisch eine
Zweigleitung 17 eingezeichnet ist. Die Entleerung des Ventils ist ebenfalls schematisch
angedeutet durch eine Zweigleitung 18.
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Das Lasthalteventil 12 (d.h. die im Rahmen 12 dargestellte Ventilanordnung)
ist normalerweise direkt am Hydraulikmotor 11 befestigt, wobei die Einlaßöffnung
16 an die E:nlaufseite 19 und der Steueranschluß 14 an die Auslaufseite 20 des Motors
angeschlossen sind. Vom Lasthalteventil 12 führen Leitungen 21, 22 zu einem Umsteuerventil
23, mittels dessen die gewünschte Bewegungsrichtung und der Stillstand des Motors
11 eingestellt werden. Zu dem Hydrauliksystem gehören weiterhin, wie üblich, eine
Hydraulikpumpe 24 und ein Tank 25 mit Hydraulikflüssigkeit.
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In Fig. 2 ist das Lasthalteventil 12 im Detail gezeigt. Es besteht
aus einem im wesentlichen durch ein zylindrisches Gehäuseteil 31 gebildeten Ventilgehäuse
30, versehen mit einer zentralen Bohrung 32, an deren entgegengesetzten Enden ein
erstes Anschlußstück 33 und ein zweites Anschlußstück 34 eingeschraubt sind. Ersteres
stellt eine Anschlußöffnung 35 dar, welche über die Leitung 21 mit dem Umsteuerventil
23 zu verbinden ist. Außerdem hat das Anschlußstück 33 inne*>seitig einen im
Ventilgehäuse 30, 31 festgeschraubten büchsenförmigen Ansatz 36-mit einem inwendigen
Ventilsitz 37 für eine insgesamt mit 38 bezeichnete Einheit, die zusammen mit dem
Ventilsitz 37 das in Fig. 1 mit 15 bezeichnete Rückschlagventil bilden.
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Das Druckbegrenzungsventil 13 gemäß Fig. 1 ist bei der Ventil.ausführung
nach Fig. 2 unmittelbar in das Rückschlagventil 37, 38 eingebaut. Dies wird dadurch
erreicht, daß die insgesamt bewegliche Einheit 38 des Rückschlagventils einen mi:
dem Ventilsitz 37 zusammenwirkenden scheiben- oder kegelförmigen Ventilkörper 39
hat, der mit einer zentralen Du:chgangsbohrung 40 versehen ist, die einen Ventilsitz
41 fü. einen Ventilkegel 43 mit Schaft 42 des Druckbegrenzungsventils 15 bildet.
Der Ventilkegel 43 wird mittels einer Schraubenfeder 44, die zwischen dem -Ventilkörper
39 und einem Flansch 45 am Ventilschaft 42 eingespannt ist, gegen den Sitz 41 angedrückt,
während der Ventilkörper 39 des Rückschlagventils unter der Wirkung einer konischen
Schraubenfeder 46, die zwischen der entgegengesetzten Seite des Flanscher 45 und
einer Zwischenwand 47 in der Bohrung 32 eingespannt ist, gegen den Ventilsitz 37
angedrückt wird. Da die bewegliche Einheit 38 des Rückschlagventils 15 durch das
Anschlußstück 33 in ihrer Lage gehalten wird, kann sie nach Abschrauben des Anschlußstücks
33 leicht ausgewechselt werden.
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Auc.h das Anschlußstück 34 bildet einerseits eine Anschlußöffnung
50 und andererseits einen inneren büchsenförmigen Ansatz 51, der in das Ventilgehäuse
30, 31 eingeschraubt ist.
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Die Anschlußöffnung 50 bildet bestimmungsgemäß den Steueranschluß
14 gemäß Fig. 1. Der büchsenförmige Ansatz 51 dient mit seinem inneren Ende 52 zum
festen Einspannen der Zwischenwand 47 gegen einen Absatz im Ventilgehäuse 30, 31.
Die Bohrung des büchsenförmigen Ansatzes 51 bildet eine ZylinderwarS 53 einer Steuerkammer
54, in welcher ein Steuerkolben 55 zwischen einer oberen, in Fig. 2 gezeigten Endstellung
und einer unteren Endstellung axial verschieblich geführt ist. In der unteren Endstellung
liegt der Kolben 55 an der Zwischenwand 47 an.
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Durch die Zwischenwand 47 erstreckt sich eine Bohrung 57, in der ein
Stößelbolzen 58 mit rundem Querschnitt sitzt. Letzterer hat als Kopf einen Ventilkegel
59, der mit einem Ventilsitz 60 auf der der Steuerkammer 54 gegenüberliegenden Seite
der Zwischenwand 47 dichtend zusammenwirkt. Die Zwischenwand
47
ist durch einen O-Ring 61 gegen die Bohrung 32 im 5.'entilgehäuse 30, 31 abgedichtet.
Ebenso wie die bewegliche Einheit 38 des Rückschlagventils 15 ist auch die Zwischenwand
47 leicht auszubauen und auszuwechseln, nachdem as sie haltende Anschlußstück 34
abgeschraubt worden ist.
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Der Stößelbolzen 58 und der Steuerkolben 55 sitzen jeweils mit bestimmten
Spiel 62 bzw. 63 in der Bohrung 57 bzw. der Steuerkammer 54, so daß sie ohne nennenswerte
Reibung innerhalb der konstruktiv vorgegebenen Grenzen frei und leicht beweglich
sind. Dies ist ein wesentliches Merkmal des gezeigten Lasthalteventils im Vergleich
zu bekannten Ventilen mit weichen Dichtungen.
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Zwischen der Anschlußöffnung 50 und der Steuerkammer 54 ist ein kombiniertes
Drossel- und Rückschlagventil 64 in das Anschlußstück 34 eingeschraubt, welches
den Einlauf in die Steuerkammer 54 bildet. Letztere wird durch den Steuerkolben
55 in eine Dämpfungskammer 65 und eine Entleerungskammer 66 geteilt. Die Leckage,
die durch die Ringspalte infolge des Spiels bei 62 und 63 zur Entleerungskammer
66 hin entsteht, wird über einen Spalt 67 im Ansatz 51, einer Kanal 68 im Ventilgehäuse
30, 31 und einen Kanal 69 im Anschlußstück 33 zur Anschlußöffnung 35 hin abgeleitet.
Das Drossel- und Rückschlagventil 64 besteht aus einer Hülse 70, die mittels eines
Außengewindes in ein entsprechendes Innengewinde im Anschlußstück 33 eingeschraubt
ist und mit einer Durchgangsbohrung 71 versehen ist. Die letztgenannten Gewinde
sind so geschnitten, daß über die Gewindeverbindung eine gewisse Leckage stattfindet,
wenn der Steuerkolben 55 in seine obere Endstellung gedrückt wird. Die Leckage und
damit die Dämpfung des Steuerkolbens 55 kann durch Änderung der Einschraubtiefe
der Hülse 70 eingestellt werden. Die Drosselung erfolgt also durch die Gewindeverbindung,
während die Rückschlagventilfunktion durch eine in der Durchgangsbohrung 71 angeordnete,
mit einem Ventilsitz zusammenwirkende unter der Wirkung einer Feder 73 stehende
Kugel 74 erzielt wird.
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Das Ventilgehäuse 30, 31, die Zwischenwand 47 und das Rückschlagventil
37, 38 begrenzen eine Ventilkammer 75. Diese steht über eine radiale Bohrung im
Ventilgehäuse 30, 31 mit dem Einlaß 16 gemäß Fig. 1 in Verbindung. Die radiale Bohrung
ist in Fig. 2 bei 76 gestrichelt angedeutet. Sie bildet eine mit dem Hydraulikmotor
11 in Verbindung stehende Anschlußöffnung 76.
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Der Flansch 45 am Ventilschaft 42 sitzt mit einem bestimmt ten Spiel
77 in der Bohrung 32, wodurch der mit 78 bezeichnet.e obere Teil der Ventilkammer
75 die Wirkung einer zweite Dämpfungskammer bekommt.
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Eire erste Funktion des Lasthalteventils besteht darin, als Überlastungsschutz
zu dienen. Wenn in einer Phase, wo die äußere Last unbeweglich gehalten oder abgesenkt
werden soll, diese einen so großen Wert erreicht, daß im Zylinderteil 19 des dydraulikmotors
11 und damit an der Anschlußöffnung 76 eine bestimmte Einstellung des Druckbegrenzungsventils
41, 42, 43 überschritten wird, öffnet dieses in einem der Drucküberschreitung entsprechenden
Maße und hat das Bestreben, durch Auslaß von Flüssigkeit über die Anschlußöffnung
35 den Druck konstant zu halten. Dieses geschieht im Einzelnen dadurch, daß der
hydraulische Druck gegen den Ventilkegel 73 wirkt, der je nach Vorspannung der Feder
44 bei Erreichen eines bestimmten Drucks das Ventil öffnet. Da der Flansch 45 auf
den Ventilschaft 42 aufgeschraubt ist, kann durch Schraubeinstellung des Flanschs
45 die Vorspannung der Feder 44 justiert werden. Bei einer Last unter dem eingestellten
Niveau wird der Hydraulikmotor 11 im Stillstand gehalten, sofern nicht durch den
Steuerdruck am Steueranschluß 14 das Druckbegrenzungsventil 41, 42, 43 absichtlich
geöffnet wird, welches dann die andere Funktion des Lasthalteventils ist.
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Der Steueranschluß 14 ist gemäß Fig. 1 meistens mit der Auslaufseite
20 des Hydraulikmotors 11 verbunden, deren Druck
damit den Steuerdruck
an der Anschlußöffnung 50 bestimmt.
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Wenn also ein Druck auf die Auslaufseite 20 des Motors ausgeübt wird,
wirkt ein Steuerdruck auf den Steuer kolben 55, der den Stößelbolzen 58 gegen den
Ventilschaft 42 des Druckbegrenzungsventils drückt. Wenn dieser Druck ein gewisses
Niveau übersteigt, wird das Ventil geöffnet. Dieses kann demnach die Geschwindigkeit
des Motors proportional zur Größe des Steuerdrucks regulieren. In Fig. 1 gilt dies
beim Absenken der Last S, d.h. bei Bewegung in Richtung des Lastpfeils.
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Im Lasthalteventil ist weiterhin eine dritte Funktion integriert dadurch,
daß es beim Anheben der Last F entgegen der Richtung des Lastpfeils als Rückschlagventil
funktioniert.
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In diesem Fall wird das Umsteuerventil 23 mit Bezug auf Fig.
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1 in seine linke Endstellung gebracht und damit die Anschlußöffnung
35 mit Druck beaufschlagt. Wenn ein bestimmter Druck überschritten wird, gibt die
bewegliche Einheit 38 des Rückschlagventils 37, 38, 39 nach innen zur Zwischenwand
4 hin gegen die Kraft der Feder 46 nach, so daß ein Strömungskanal von der Anschlußöffnung
35 zur Anschlußöffnung 76 geöffnet wird.
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Das gezeigte Lasthalteventil ist sehr stabil, d.h. frei von störenden
Einflüssen von Schwingungen oder Druckstößen im hydraulischen System. Dies beruht
darauf, daß sowohl der Steuerteil als auch der Druckbegrenzungsteil in druckbeeinflußten
Kammern gedämpft sind. Die Bewegung des Steuerkolbens 55 wird durch die Dämpfungskammer
65 gedämpft, wobei d3s Maß der Dämpfung durch die Einstellung der Drosselung des
Drosselventils 64 und des Spiels bei 63 bestimmt wird. Der bevegliche Ventilkörper
42, 43 des Druckbegrenzungsventils wird dadurch gedämpft, daß die Ventilkammer 75
unter Druck steht und der Flansch 45 mit nur geringem Spiel 77 zur Bohrungswand
32 geführt ist. Dies ergibt auch eine besondere Dämpfung des Steuerteils dadurch,
daß das Eindringen des Stößelbolzens 58 in die zweite Dämpfungskammer 78 von der
durch das Spiel 77
bestimmten Leckage begrenzt wird. Schließlich
trägt zur Stabilität auch bei, daß sich der Steuerteil in einem von Turbulenzen
freien Teil des Ventils befindet, abseits der Strömung zwischen den Anschlußöffnungen
35 und 76. Während der Phasen, wo der Steuerdruck nicht ausreicht, um das Druckbegrenzungsventil
zu öffnen, muß es völlig dicht sein. Das geschieht dadurch, daß der Ventilkegel
59 am Stcßelbolzen 58 vom Druck in der Ventilkammer 75 gegen seinen Ventilsitz 60
dicht angedrückt wird, und solange nicht die Überlastungsschutz- oder Rückschlagventilfunktion
- oben als erste und dritte Funktion genannt - eintritt, liegen auch die Ventilkegel
43 und 39 dicht an ihren Ventilsitzen 41 und 37 an. Beim Manövrieren dagegen, wo
der Steuerdruck das Ventil steuert, kann eine gewisse Leckage zugelassen werden.
Der Steuerkolben 55 und der Stößelbolzen 58 können daher ohne Nachteil so hergestellt
werden, daß bei 63 und 57 jeweils ein verhältnismäßig großes Spiel entsteht, und
auß.rdem können Dichtungsringe aller Art vermieden werden.
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Dies ergibt sehr gute Manövriereigenschaften mit niedriger Hysteresis
und gleichmäßiger Produktionsqualität.
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Lasthalteventile sind, wie oben erwähnt, normalerweise stark lastabhängig,
was dazu führt, daß beim Absenken von Lasten der erforderliche Steuerdruck im Falle
schwerer Lasten niedriger ist als bei kleinen Lasten. Dies läßt sich bei dem erfindungsgemäßen
Ventil vermeiden. Die Flüssigkeit in der Ventilkammer 75 übt den gleichen Druck
aus einerseits auf dem Stößelbolzen 58 und andererseits auf den beweglichen Ventilkörper
42, 43 des Druckbegrenzungsventils. Wenn somit die Fläche A1 der Bohrung 57 in der
Zwischenwand 47 ebenso groß gewählt wird wie die Querschnittsfläche A2 der Durchgangsbohrung
40, wird die Kraft auf den Stößelbolzen 58 ebenso groß wie die Verminderung der
Vorspannung des Druckbegoenzungsventils, d.h. das Ventil wird völlig unabhängig
vom Lastdruck. Alternativ kann die Lastabhängigkeit im voraus bestimmt werden durch
geeignete Wahl des Verhältnisses
zwischen den genannten Querschnittsflächen
Al und A2. In Fig. 3 ist schematisch die Durchflußmente Q durch das Ventil als Funktion
des Steuerdrucks P bei verschiedenen x Lastdrücken PL dargestellt. Die mittlere
Kurve in Fig. 3 zeigt die genannte Funktion, wenn die Querschnittsflächen Al und
A2 gleich groß sind, wobei dieselbe Kurve für alle Lastdrücke PLn gilt. Wenn die
Querschnittsfläche A1 der Bohrung 57 hingegen größer ist als die Querschnittsfläche
A2 der Durchgangsbohrung 40, gelten die Kurven auf der rechten Seite, während umgekehrt,
wenn die Querschnittsfläche A2 größer ist als die Querschnittsfläche A1, die Kurven
auf der linken Seite des Diagramms nach Fig. 3 gelten. Jed dieser Kurven zeigt lediglich
die Funktion bei einem bestimmten Lastdruck, wobei PL3> PL2 > PLl. Das Ventil
läßt sich also verschiedenen Anwendungen in einfacher Weise dadurch anpassen, daß
je nach Anwendungsfall Stößelbolzen 58 mit verschiedenen Durchmessern gewählt werden.
Die Herstellung anynpaßter Ventile und das Umrüsten werden dadurch erleichtert,
daß die Zwischenwand 47 mit dem Stößelbolzen 58 und außerdem auch der bewegliche
Teil 38 des Rückschlagventils 37, 38 als separate Einheiten gebaut und austauschbar
sind.