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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Hydraulik-Einbauventil für einen Hydraulik-Ventilblock, umfassend eine in den Ventilblock einbringbare Hülse und ein Schließelement, wobei
- - die Hülse einen oberen Endbereich mit einer nach oben gerichteten oberen Stirnfläche aufweist und wobei an die obere Stirnfläche ein Stirnflächenraum angrenzt,
- - die Hülse eine dem oberen Endbereich gegenüberliegenden unteren Endbereich aufweist, der in eine Aufnahmebohrung des Ventilblocks einbringbar ist und eine Stirnöffnung umfasst,
- - die Hülse zwischen dem oberen Endbereich und dem unteren Endbereich einen Mantel ausbildet, wobei der Mantel mehrere durch Stege getrennte Radialöffnungen aufweist und wobei ein Mantelraum an den Mantel angrenzt, und
- - das Schließelement in der Hülse angeordnet ist,
- - das Schließelement zwischen einer Öffnungsstellung und einer Sperrstellung beweglich ist, wobei in der Öffnungsstellung eine Fluidverbindung zwischen der Stirnöffnung und den Radialöffnungen freigegeben ist und in der Sperrstellung die Fluidverbindung zwischen der Stirnöffnung und den Radialöffnungen versperrt ist.
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Die Erfindung betrifft auch eine Hydraulik-Ventilanordnung mit einem Hydraulik-Ventilblock und einem Hydraulik-Einbauventil, wobei der Ventilblock eine gestufte Bohrung aufweist, in der das Einbauventil angeordnet ist, wobei der untere Endbereich des Einbauventils fluiddicht in einer Aufnahmebohrung der gestuften Bohrung eingebracht ist und der Ventilblock einen der Stirnöffnung zugeordneten A-Anschluss und einen den Radialöffnungen zugeordneten B-Anschluss umfasst. Aufgrund der durch IS07368:2016 gegebenen Normierung für die gestufte Bohrung des Ventilblocks ist ein entsprechend maximaler Außendurchmesser der entsprechenden Abschnitte der Hülse vorgegeben.
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Ein Einbauventil ist beispielsweise aus
EP 2 350 506 B1 bekannt. Der untere Endbereich der Hülse ist in axialer Richtung mit einem gewissen Spiel in der Aufnahmebohrung des Ventilblocks angeordnet, während der obere Endbereich unbeweglich mit dem Ventildeckel verbunden ist. In der Sperrstellung des Schließelements liegt Hydraulikfluid unter hohem Druck in den Radialöffnungen vor. Dieser Druck sorgt dafür, dass der untere Endbereich der Hülse unter Dehnung der Stege geringfügig von dem oberen, an dem Ventilblock festgelegten Endbereich fortbewegt wird.
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Im Gegensatz hierzu gibt es auch Ausführungen von Einbauventilen, bei denen sich der untere Endbereich mit einer Stirnfläche in axialer Richtung an dem Ventilblock abstützt, wobei die Hülse mit ihrem oberen Endbereich mit einem Spiel zu dem Deckel angeordnet ist, so dass aufgrund der durch den Fluiddruck verursachten Längenänderung der Hülse sich der obere Endbereich der Hülse unter Dehnung der Stege in Richtung des Deckels bewegt. Die Erfindung ist auf diese zweite Ausführungsform eines Einbauventils gerichtet.
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Da die auf die Hülse in Richtung des oberen Endbereichs wirkenden Kräfte aufgrund der hohen Fluiddrücke sehr hoch sein können, müssen die Stege zwischen den Radialöffnungen ausreichend stark sein, um ein Bersten der Stege zu verhindern. Insofern begrenzen die erforderlichen Stegbreiten die maximale Größe der Radialöffnungen. Durch die begrenzte Größe der Radialöffnungen wird in der Öffnungsstellung des Schließelements ein relativ großer Strömungswiderstand verursacht.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, die mit Bezug zum Stand der Technik geschilderten Probleme zumindest teilweise zu lösen und insbesondere ein Einbauventil anzugeben, dessen Strömungswiderstand verringerbar ist.
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Gelöst wird die Aufgabe durch ein Hydraulik-Einbauventil und eine Hydraulik-Ventilanordnung mit den Merkmalen des jeweiligen unabhängigen Anspruchs. Vorteilhafte Weiterbildungen des Einbauventils und der Ventilanordnung sind in den abhängigen Ansprüchen und in der Beschreibung angegeben, wobei einzelne Merkmale der vorteilhaften Weiterbildungen technisch sinnvoll beliebig miteinander kombinierbar sind.
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Gelöst wird die Aufgabe insbesondere durch ein Hydraulik-Einbauventil und eine Hydraulik-Ventilanordnung mit den eingangs genannten Merkmalen, bei denen zumindest in der Sperrstellung eine Druckausgleichsverbindung ausgebildet ist, die den Stirnflächenraum mit dem Mantelraum verbindet.
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Die Erfindung sieht in ihrem Grundgedanken also vor, dass aufgrund eines Druckausgleiches zwischen Stirnflächenraum und Mantelraum diejenigen Kräfte verringert oder vermieden werden, die in der Sperrstellung in Richtung des oberen Endbereichs auf die Hülse wirken und die somit Zugkräfte in den Stegen verursachen. Dies wird dadurch erreicht, dass das Hydraulikfluid mit dem gleichen Druck an der oberen Stirnfläche der Hülse anliegt, mit dem es auch in den Radialöffnungen anliegt. Unter Umständen kann die über die Stirnfläche in Richtung des unteren Endbereichs wirkende Kraft größer sein als die über die Radialöffnungen in Richtung des oberen Endbereichs wirkende Kraft, so dass die Stege Druckkräfte aufnehmen müssten. Da somit die von den Stegen zu übertragenden Kräfte kleiner sind oder als Druckkräfte ausgebildet sind, können die Stege im Querschnitt geringer dimensioniert sein, so dass die Fläche der Radialöffnungen vergrößert werden kann.
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Der Stirnflächenraum ist insbesondere der Raum, der im montierten Zustand des Einbauventils unmittelbar an die obere Stirnfläche angrenzt und von dem aus das Hydraulikfluid an der oberen Stirnfläche anliegt. Die Stirnfläche ist die gesamte nach oben gerichtete Fläche des Endbereichs der Hülse, welche insbesondere auch in mehrere, insbesondere axial versetzt angeordnete Teilflächen aufgeteilt sein kann. Der Stirnflächenraum grenzt an die gesamte Stirnfläche der Hülse. Der Stirnflächenraum wird insbesondere auch von einem Deckel des Einbauventils und gegebenenfalls von dem Schließelement begrenzt. Der Mantelraum umfasst insbesondere den Raum, der im montierten Zustand des Einbauventils bevorzugt von außen an den Mantel unmittelbar angrenzt und von dem aus das Hydraulikfluid in der Sperrstellung ausgehend von dem B-Anschluss an dem Mantel anliegt. Der Mantelraum umfasst auch den von den Radialöffnungen begrenzten Raum im Mantel. Das Einbauventil umfasst bevorzugt einen Deckel.
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Die Druckausgleichsverbindung kann sich beispielsweise durch die Hülse, den Deckel oder das Schließelement erstrecken. In diesem Fall führt insbesondere eine bevorzugt vollständig in der Hülse, in dem Schließelement oder in dem Deckel ausgebildete Leitung von dem Mantelraum zu dem Stirnflächenraum. Eine solche Leitung kann beispielsweise in der Form einer Bohrung in der Hülse, dem Deckel oder dem Schließelement ausgebildet sein.
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Es kann auch vorgesehen sein, dass die Druckausgleichsverbindung durch wenigstens einen Spalt zwischen einer Außenseite des Schließelements und einer Innenseite der Hülse gebildet ist, der sich von den Radialöffnungen zu dem Stirnflächenraum erstreckt. Der Spalt ist insbesondere dann entsprechend angeordnet, wenn das Schließelement sich in seiner Sperrstellung befindet. Hierzu weist das Schließelement zumindest abschnittsweise auf seiner Außenseite beispielsweise einen um einige Millimeter geringeren Durchmesser auf als die Hülse auf ihrer Innenseite.
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Eine Druckausgleichsverbindung kann auch dadurch realisiert sein, dass die Hülse, der Deckel und/oder das Schließelement zumindest einen Kanal als Druckausgleichsverbindung ausbilden, wobei der Kanal insbesondere als Nut auf einer Außenseite des Schließelements oder als Nut auf einer Innenseite des Schließelements ausgebildet ist. Die Kanäle erstrecken sich also von den Radialöffnungen hin zu der oberen Stirnfläche der Hülse. Die bevorzugt mehreren Kanäle erstrecken sich insbesondere in axialer Richtung gradlinig.
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Das Einbauventil weist insbesondere einen Deckel auf, der mit der Hülse verbunden ist, wobei die Hülse mit dem oberen Endbereich beweglich also beispielsweise mit einem Spiel zu dem Deckel angeordnet ist. Der obere Endbereich der Hülse ist in dem im Ventilblock montierten Zustand auch beweglich zu dem Ventilblock. Die Druckausgleichsverbindung kann in dem Deckel oder zwischen dem Deckel und der Hülse ausgebildet sein. In diesem Zusammenhang ist insbesondere bevorzugt, wenn sich der Deckel im montierten Zustand teilweise in die gestufte Bohrung hineinerstreckt.
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In diesem Zusammenhang kann zudem vorgesehen sein, dass das Schließelement mit einem Steuerabschnitt über den oberen Endabschnitt der Hülse übersteht und in den Deckel ragt, wobei der Steuerabschnitt eine Auskragung aufweist, mit der das Schließelement an dem Deckel anliegt. Diese an sich bekannte Auskragung kann dazu vorgesehen sein, dass das Schließelement über einen sogenannten C-Anschluss zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung aktiv bewegt werden kann. Die Auskragung bildet somit in axialer Richtung ausgerichtete Steuerflächen aus, die über den C-Anschluss zum Schalten des Schließelements (druck-)beaufschlagt werden können.
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Es kann zudem vorgesehen sein, dass in dem Deckel, dem Schließelement und/oder der Hülse eine Leitung ausgebildet ist, die den Stirnflächenraum mit einem unterhalb der Auskragung angeordneten Raum verbindet. Somit kann das Hydraulikfluid über den Stirnflächenraum unterhalb der Auskragung mit einem Druck anliegen, mit dem es auch im Mantelraum anliegt.
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Durch die Verringerung der in Richtung der oberen Stirnfläche wirkenden Kraft kann auch die Anzahl der Radialöffnungen reduziert werden. Es ist insbesondere vorgesehen, dass in dem Mantel vier oder weniger Radialöffnungen in Umfangsrichtung nebeneinander ausgebildet sind, während die die Radialöffnungen in Umfangsrichtung trennenden Stege an ihrer kürzesten Erstreckung in Umfangsrichtung gemeinsam höchstens 20%, bevorzugt höchstens 15% oder sogar höchstens 10% des Mantelumfangs ausbilden. Dies bedeutet also, dass die Radialöffnungen zumindest in einer quer (orthogonal) zu der Hülsenachse stehenden Ebene mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% des Mantelumfangs ausbilden.
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Um den Strömungswiderstand für das Hydraulikfluid in der Öffnungsstellung des Schließelements noch weiter zu reduzieren, kann vorgesehen sein, dass die für das Hydraulikfluid durchströmbare Fläche einer oder insbesondere jeder Radialöffnung mindestens 80%, bevorzugt mindestens 90% oder sogar mindestens 100% der Fläche der Stirnöffnung der Hülse beträgt.
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Soweit die gestufte Bohrung im Ventilblock zusätzlich zu der Aufnahmebohrung für den unteren Endabschnitt der Hülse eine Hauptbohrung aufweist, in der der Mantel der Hülse im montierten Zustand des Einbauventils angeordnet ist, weist die Hauptbohrung einen größeren Durchmesser auf als die Aufnahmebohrung für den unteren Endbereich. Mit der Erfindung wird es auch ermöglicht, dass der im monierten Zustand in der Hauptbohrung angeordnete Mantel der Hülse im Bereich der Radialöffnungen einen Mantelaußendurchmesser aufweist, der mindestens 10%, bevorzugt mindestens 20% größer ist als der Außendurchmesser des unteren Endbereichs, der in die Aufnahmebohrung eingesteckt ist.
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In diesem Zusammenhang ist insbesondere bevorzugt, wenn der Außendurchmesser der Hülse von dem oberen Endbereich bis zu dem die Radialöffnungen aufweisenden Mantel konstant ist. Der Außendurchmesser der Hülse kann also nahezu dem Durchmesser der Hauptbohrung der gestuften Bohrung des Ventilblocks entsprechen, wobei sich der Durchmesser lediglich im Übergangsbereich von dem Mantel zu dem unteren Endbereich verkleinert.
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Der untere Endbereich der Hülse bildet also insbesondere einen Steckring, der auch als Dichtring bezeichnet werden kann. Im montierten Zustand ist insbesondere eine Radialdichtung zwischen der Aufnahmebohrung des Ventilblocks und dem unteren Endbereich ausgebildet, wozu insbesondere eine zusätzliche Weichdichtung zwischen dem unteren Endbereich und der Aufnahmebohrung angeordnet ist. Die Weichdichtung ist beispielsweise in der Art eines O-Ringes ausgebildet, welcher bevorzugt in einer in dem unteren Endbereich in Umfangsrichtung insbesondere außen umlaufenden Nut angeordnet ist. Die insbesondere einteilig ausgebildete Hülse weist also mit dem oberen Endbereich, mit dem die Radialöffnungen aufweisenden Mantel und mit dem den Steckring ausbildenden unteren Endbereich drei zusammenhängende Abschnitte auf. Die Dichtfläche an der Innenseite der Hülse kann in der Höhe des Mantels, im Übergangsbereich zwischen Mantel und unteren Endbereich oder im unteren Endbereich ausgebildet sein.
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Das Hydraulik-Einbauventil ist insbesondere als Einsteckventil ausgebildet, welches in die gestufte Bohrung des Ventilblocks (insbesondere durch eine ausschließlich lineare Bewegung) einsteckbar ist, wobei die eingesteckte Hülse durch Anflanschen des Deckels an dem Ventilblock gehalten wird. Es ist also keine Schraubverbindung zwischen der Hülse und dem Ventilblock vorgesehen.
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Alternativ kann vorgesehen sein, dass sich der Deckel teilweise in die Hauptbohrung erstreckt und die Hülse über ihre Länge einen konstanten Durchmesser aufweist.
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Die gestufte Bohrung des Ventilblocks ist zumindest zweistufig, bevorzugt genau dreistufig ausgeführt, wobei die gestufte Bohrung die Aufnahmebohrung für den unteren Endbereich und eine Hauptbohrung für den Mantel der Hülse umfasst, wobei der die Radialöffnungen aufweisende Mantel einen Mantelaußendurchmesser aufweist, der im Wesentlichen dem Durchmesser der Hauptbohrung entspricht. An die Aufnahmebohrung für den unteren Endbereich schließt sich in der Regel eine Leitungsbohrung mit kleinerem Durchmesser an, durch welche das Hydraulikfluid von dem A-Schluss zu der Stirnöffnung in der Hülse geführt wird. In die Hauptbohrung mündet in der Regel mindestens eine radial ausgerichtete Bohrung, welche dem B-Anschluss zugeordnet ist.
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Die Dichtfläche zwischen Schließelement und Hülse auf der Innenseite der Hülse ist insbesondere als metallischer Dichtsitz ausgebildet. Hierzu ist die Hülse beispielsweise so geformt sein, dass das Schließelement mit seiner Dichtfläche in der Sperrstellung auf die Dichtfläche der Hülse aufgedrückt wird.
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Die Hydraulik-Ventilanordnung und das Hydraulik-Einbauventil sind insbesondere für Arbeitsdrücke für über 50 bar, insbesondere über 100 bar ausgelegt. Das Hydraulik-Einbauventil ist bevorzugt ausschließlich hydraulisch (und somit insbesondere nicht manuell) betätigbar.
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Die Erfindung sowie das technische Umfeld werden im Folgenden anhand der Figuren beispielhaft erläutert. Es zeigen schematisch
- 1: ein in einem Ventilblock angeordnetes Einbauventil,
- 2: ein weiteres in einem Ventilblock angeordnetes Einbauventil in der Sperrstellung und
- 3: das Einbauventil gemäß 2 in der Öffnungsstellung.
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Die in den Figuren nicht maßstabsgetreu dargestellten Ventilanordnungen umfassen jeweils einen Ventilblock 2 und ein in dem Ventilblock 2 angeordnetes Einbauventil 1.
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Der Ventilblock 2 weist eine gestufte Bohrung 19 mit einer Hauptbohrung 23 und einer Aufnahmebohrung 9 auf. In die Hauptbohrung 23 mündet eine einem B-Anschluss 21 zugeordnete radiale Bohrung. An die Aufnahmebohrung 9 schließt sich eine Leitungsbohrung 22 an, die zu einem A-Anschluss 20 führt. Die Leitungsbohrung 22 weist einen kleineren Durchmesser auf als die Aufnahmebohrung 9.
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Die Einbauventile 1 umfassen jeweils eine Hülse 3 und ein beweglich in der Hülse 3 gelagertes Schließelement 4, sowie einen Deckel 16.
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Die Hülse 3 weist einen oberen Endbereich 5 auf, der zumindest indirekt über den Deckel 16 beweglich zu dem Ventilblock 2 angeordnet ist. Der obere Endbereich 5 der Hülse 3 bildet zudem eine obere Stirnfläche 6 aus, an die ein Stirnflächenraum 7 angrenzt.
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Unterhalb des oberen Endbereichs 5 bildet die Hülse 3 einen Mantel 11 aus. In dem Mantel 11 sind Radialöffnungen 13 ausgebildet. Die Radialöffnungen 13 sind in Umfangsrichtung durch Stege 12 voneinander getrennt.
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Unterhalb des Mantels 11 bildet die Hülse 3 einen unteren Endbereich 8 aus. Der untere Endbereich 8 ist in die Aufnahmebohrung 9 des Ventilblocks 2 eingesteckt, wobei der untere Endbereich 8 und die Aufnahmebohrung 9 im Wesentlichen den gleichen Durchmesser aufweisen. In dem unteren Endbereich 8 der Hülse 3 ist eine Stirnöffnung 10 ausgebildet. Der untere Endbereich 8 stützt sich in axialer Richtung an der Stirnfläche der Aufnahmebohrung 9 ab.
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Das Schließelement 4 befindet sich in dem in den 1 und 2 dargestellten Zustand in seiner Sperrstellung, in welcher eine Fluidverbindung zwischen der Stirnöffnung 10 und den Radialöffnungen 13 unterbunden ist. Das Schließelement 4 weist zudem einen Steuerabschnitt 17 auf, mit dem das Schließelement 4 auch in der Sperrstellung über den oberen Endabschnitt 5 der Hülse 3 übersteht. Der Steuerabschnitt 17 weist eine Auskragung 18 auf, die im Inneren des Deckels 16 anliegt.
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In der in den 1 und 2 gezeigten Stellung stützt sich der untere Endabschnitt 8 der Hülse 3 an dem Ventilblock 2 ab. Aufgrund der Ausbildung einer Druckausgleichsverbindung 15 in der Form einer in dem Deckel 16 ausgebildeten Nut findet ein Druckausgleich zwischen dem an die Radialöffnungen angrenzenden Mantelraum 14 und dem Stirnflächenraum 7 statt. Dadurch liegt das Hydraulikfluid mit dem gleichen Druck in den Radialöffnungen 13 und an der oberen Stirnfläche 6 an.
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Bei der in 1 dargestellten Ventilanordnung handelt es sich um eine passive Betätigung des Schließelements, bei der ein Hydraulikfluid mit einem Druck über die Verbindungsleitung 24 in den Deckel 16 einführbar ist. Diese Verbindungsleitung 24 wird auch oft als C-Anschluss bezeichnet. Bei dieser Lösung liegt das Hydraulikfluid zudem mit dem Druck des Mantelraumes 14 auf einem ringförmigen Abschnitt auf der Unterseite der Auskragung 18 an.
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Bei der Lösung gemäß den 2 und 3 sind hingegen Steuerleitungen 25 vorgesehen, über welche das Schließelement 4 betätigbar ist, wobei gemäß dem Zustand in 3 das Schließelement 4 aufgrund der unterschiedlichen Druckverhältnisse in den Steuerleitungen 25 in seine Öffnungsstellung überführt wurde.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Einbauventil
- 2
- Ventilblock
- 3
- Hülse
- 4
- Schließelement
- 5
- oberer Endbereich
- 6
- obere Stirnfläche
- 7
- Stirnflächenraum
- 8
- unterer Endbereich
- 9
- Aufnahmebohrung
- 10
- Stirnöffnung
- 11
- Mantel
- 12
- Steg
- 13
- Radialöffnung
- 14
- Mantelraum
- 15
- Druckausgleichsverbindung
- 16
- Deckel
- 17
- Steuerabschnitt
- 18
- Auskragung
- 19
- gestufte Bohrung
- 20
- A-Anschluss
- 21
- B-Anschluss
- 22
- Leitungsbohrung
- 23
- Hauptbohrung
- 24
- Verbindungsleitung
- 25
- Steuerleitung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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