DE4341847C2 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Einlaß und einem Auslaß, zwischen denen ein Ventilsitzelement, das einen Kanal umgibt, und ein in Richtung zur Anlage an das Ventilsitzelement mit einer Stellkraft beaufschlag­ bares Schließelement, das eine im wesentlichen senk­ recht zur Strömungsrichtung verlaufende Schließfläche aufweist, die in einer Berührungszone am Ventilsitzel­ ement anliegt, angeordnet sind, wobei das Ventilsitzel­ ement außerhalb der Berührungszone eine abgeschrägte Mantelfläche, die einen vorbestimmten zweiten Winkel mit der Kanalachse des Kanals einschließt, aufweist.

Derartige Ventile werden beispielsweise als Überström­ ventile verwendet, um in einem hydraulischen System oder Teilsystem den Druck auf einen vorbestimmten Maxi­ malwert zu begrenzen. In diesem Fall wird die Stell­ kraft vielfach von einer Feder erzeugt. Sobald der Druck über diesen Wert hinaus ansteigt, öffnet das Überströmventil und entläßt einen Teil der Flüssigkeit aus dem System, so daß der Druck wieder absinken kann. In anderen Ventilen kann die Stellkraft, die zum Halten oder Bewegen des Schließelements notwendig ist, durch ein internes oder externes Betätigungsglied aufgebracht werden.

Bei Überströmventilen ist es beispielsweise problema­ tisch, daß eine Druckdifferenz von dem höchsten zuläs­ sigen Druck zu einem sehr niedrigen Druck, in der Regel dem Tankdruck, überbrückt werden muß. Dies ist beson­ ders dann kritisch, wenn zusätzlich zu dieser großen Druckdifferenz auch noch eine größere Durchströmmenge bewältigt werden muß. In diesem Fall kann es leicht zu Kavitationserscheinungen kommen. Die Kavitationser­ scheinungen sind umso gravierender, je niedriger die Siedetemperatur der Hydraulikflüssigkeit ist. Verwendet man beispielsweise Wasser anstelle von Hydrauliköl, kann man den gleichen Materialabbau schon bei einem Bruchteil des bei Öl üblichen Druckes beobachten.

Aus US 4 679 592 ist ein Ventil bekannt, das einen ko­ nischen Ventilsitz und einen entsprechend konischen Ventildorn als Schließelement aufweist. Der Ventilsitz weist eine Reihe von radialen Löchern auf. Die Durch­ strömung des Ventils erfolgt von außen nach innen. Die Entspannung der Hydraulikflüssigkeit, die sich nach dem Durchlaufen des engen Spaltes zwischen Ventilsitz und Schließelement ergibt, erfolgt so, daß sich die Wirkung aufeinandertreffender Ströme aus in Umfangsrichtung verteilten Löchern gegenseitig aufhebt oder abschwächt. Ein derartiges Ventil kann als Regelventil verwendet werden. Aufgrund der Ventilcharakteristik ist ein der­ artiges Ventil aber als Überströmventil vielfach nicht geeignet.

Ein weiteres Ventil ist aus DE 40 25 727 C2 bekannt. Hier wird der erwähnte größere Druckabfall in kleinere Teilschritte aufgeteilt. In einem Ausführungsbeispiel ist hierfür die Reihenschaltung von zwei Ventilab­ schnitten offenbart. Der Ventilaufbau ist relativ kom­ pliziert.

Ein Ventil der eingangs genannten Art, das als 3-Wege-Magnetventil ausgebildet ist, ist aus DE 43 08 747 A1 bekannt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil anzugeben, das eine größere Druckdifferenz auch bei größeren Strömungsmengen und Hydraulikflüssigkeiten mit niedrigeren Siedetemperaturen, wie z. B. Wasser, aus­ hält.

Diese Aufgabe wird bei einem Ventil der eingangs ge­ nannten Art dadurch gelöst, daß das Schließelement au­ ßerhalb der Schließfläche eine abgeschrägte Schrägflä­ che, die einen vorbestimmten ersten Winkel mit der Schließfläche einschließt, aufweist.

Durch diese Ausgestaltung erreicht man ein ausgezeich­ netes Strömungsverhalten vielfach sogar eine fast lami­ nare Strömung zwischen Ventilsitz und Schließelement in der Berührungszone, wenn das Ventil geöffnet ist, also das Schließelement vom Ventilsitzelement abgehoben hat. Durch die Abschrägung der Schrägfläche am Schließele­ ment einerseits und der Mantelfläche am Ventilsitzel­ ement andererseits in Strömungsrichtung hinter dem im Bereich der Berührungszone gebildeten Spalt ergibt sich hier ein sich allmählich öffnender Raum. Bei einer ent­ sprechenden Auswahl der Winkel, die weiter unten be­ sprochen werden wird, läßt sich die Kavitation ausge­ sprochen klein halten.

Vorzugsweise beginnt die Schrägfläche weiter außerhalb als die Mantelfläche. Mit "außen" ist hierbei die Rich­ tung gemeint, die sich senkrecht zum Kanal vom Kanal entfernt. Durch diese Ausbildung erstreckt sich prak­ tisch die Schließfläche soweit, daß sie ein kleines Stück weit nach außen über die Mantelfläche vorsteht. Dies ergibt eine verbesserte Strömungseigenschaft.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist ferner vorgese­ hen, daß am Ventilsitzelement der Übergang aus dem Ka­ nal in die Berührungszone mit einer ersten Rundung und der Übergang aus der Berührungszone in die Mantelfläche mit einer zweiten Rundung erfolgt. Durch das Abrunden der Kanten wird eine verbesserte Strömung mit einer geringeren Wirbelbildung erreicht. Es entstehen also lokal keine nennenswerte Unterdrücke, die zu einer Ka­ vitation führen könnten.

Vorzugsweise ist hierbei ein Radius der ersten Rundung größer als ein Radius der zweiten Rundung, wobei zwi­ schen den beiden Rundungen eine ebene Fläche angeordnet ist, die parallel zur Schließfläche verläuft. Es ent­ steht also hierbei im Bereich der Berührungszone ein Spalt, der durch zwei parallele Seiten begrenzt ist. Die Ausbildung einer laminaren Strömung wird hierdurch gefördert.

In einer alternativen Ausgestaltung dazu sind Ra­ dien der ersten und der zweiten Rundung gleich und bei­ de Rundungen gehen ineinander über. In diesem Fall steht einer ebenen Fläche, der Schließfläche, eine Run­ dung gegenüber. Auch diese Ausbildung zeigt gute Ergeb­ nisse.

Vorzugsweise weist die Schrägfläche einen äußeren Ab­ schnitt auf, der einen kleineren als den ersten Winkel mit der Schließfläche einschließt. Durch diese Anord­ nung werden die Öffnungskräfte bei steigendem Durchfluß auf den Schließkörper vergrößert. Die Ventilcharakteri­ stik wird verbessert, d. h. sowohl das Öffnen als auch das Schließen des Ventils läßt sich genauer an den vor­ gegebenen Werten halten.

Hierbei ist bevorzugt, daß der äußere Abschnitt die Unterseite eines am Schließelement angeordneten, umlau­ fenden Kragens bildet. Die Öffnungskräfte werden in diesem Fall nicht nur durch die Druckkräfte auf die Unterseite, d. h. die dem Ventilsitzelement zugewandte Seite des Kragens gebildet, sondern auch durch Saug- oder Unterdruckkräfte, die auf der Oberseite, d. h. der dem Ventilsitzelement abgewandten Seite des Kragens, angreifen.

Vorzugsweise geht die Schrägfläche mit einer einen dritten Radius (R3) aufweisenden dritten Rundung in eine Umfangsfläche des Schließelements über. Auch hierdurch wird erreicht, daß sich die Strömung der Hydraulikflüssigkeit glatt an das Schließelement anle­ gen kann, ohne abzureißen und damit lokal zu Unter­ drücken zu führen.

Bevorzugterweise weist das Schließelement einen von der Schließfläche umgrenzten Rücksprung auf. Hierdurch wird erreicht, daß die Flüssigkeit ein Druckkissen über dem Rücksprung aufbaut und die das Ventil durchströmende Flüssigkeit wird an diesem Druckkissen in Richtung auf den Spalt in der Berührungszone abgebogen, ohne daß hier nennenswerte Verwirbelungen entstehen.

Experimente haben ergeben, daß der erste Winkel vor­ teilhafterweise eine Größe im Bereich von 5° bis 30°, insbesondere von 10° bis 20° und vorzugsweise von 14° bis 16° aufweist. Je näher der Winkel an dem Wert von 15° ist, desto besser werden die Ergebnisse insbesonde­ re im Hinblick auf das Kavitationsverhalten.

In gleicher Weise hat sich herausgestellt, daß der zweite Winkel vorteiihafterweise eine Größe im Bereich von 0° bis 35°, insbesondere von 20° bis 30° und vor­ zugsweise von 23,5° bis 24,5° aufweisen sollte.

Mit Vorteil sind die Radien der ersten und der dritten Rundung im wesentlichen gleich. Es hat sich herausge­ stellt, daß sich bei diesen Konstellationen Strömungen einstellen, die ein sehr zufriedenstellendes Verhalten des Ventils, insbesondere unter dem Gesichtspunkt der Kavitation, zeigen.

Bevorzugte Werte für den Radius der ersten Rundung lie­ gen im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm, vorzugsweise im Be­ reich von 0,4 bis 0,6 mm.

Der Radius der zweiten Rundung liegt bevorzugterweise im Bereich 0,0 bis 1,0 mm und vorzugsweise im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungs­ beispielen eines Überströmventils in Verbindung mit der Zeichnung beschrieben. Hierin zeigen

Fig. 1 eine schematische Ansicht eines Überströmven­ tils,

Fig. 2 eine schematische Ansicht von Ventilsitzelement und Schließelement,

Fig. 3 eine weitere Ausgestaltung eines Überströmven­ tils mit geändertem Schließelement und

Fig. 4 eine weitere Ausbildung eines Ventilsitzelements in Teilansicht.

Ein Überströmventil 1 weist ein Gehäuse 2 mit einem Eingang 3 und einem Ausgang 4 auf. Im Eingang 3 ist ein Ventilsitzelement 5 angeordnet, an dem ein Schließele­ ment 6 anliegt, das von einer Druckfeder 7 in Schließ­ stellung gehalten wird.

Das Schließelement 6 verschließt dabei einen im Ventil­ sitzelement 5 ausgebildeten Kanal 8. Wenn der Druck im Eingang 3 und damit im Kanal 8 einen vorbestimmten Wert überschreitet, übersteigt die auf das Schließelement 6 wirkende, aus dem Druck resultierende Kraft die Kraft der Druckfeder 7 und das Schließelement 6 hebt vom Ven­ tilsitzelement 5 ab und öffnet einen Flüssigkeitspfad vom Kanal 8 in eine im Gehäuse gebildete Kammer 9, die das Schließelement ringförmig umgibt und mit dem Ausgang 4 in Verbindung steht.

Die nähere Ausbildung von Ventilsitzelement 5 und Schließelement 6 wird im Zusammenhang mit Fig. 2 erläu­ tert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist hier das Schließelement 6 vom Ventilsitzelement 5 abgehoben dar­ gestellt. Zum Zwecke der Erläuterung ist ferner eine Kanalachse 10 eingezeichnet. Zum leichteren Verständnis wird im folgenden davon ausgegangen, daß sowohl das Ventilsitzelement 5 als auch das Schließelement 6 rota­ tionssymmetrisch ausgebildet sind, Schnitte also durch Ringe oder Kreise dargestellt werden können. Dies ist jedoch nur beispielhaft. Die Ausbildung des Ventils ist nicht auf eine derartige Rotationssymmetrie begrenzt.

Das Schließelement 6 weist eine Schließfläche 11 auf, die im wesentlichen senkrecht zur Kanalachse 10 ver­ läuft. Die Schließfläche 11 umgibt ringförmig eine Aus­ nehmung oder einen Rücksprung 12. In diesem Rücksprung 12 kann sich im Betrieb des Ventils ein Druckkissen aufbauen.

Nach außen hin, also mit zunehmender radialer Entfer­ nung von der Kanalachse 10, schließt sich an die Schließfläche 11 eine Schrägfläche 13 an, die mit der Schließfläche 11 einen Winkel W1 einschließt. Dieser Winkel W1 beträgt vorliegend 15°. Die Schrägfläche 13 geht über eine Rundung 14 in eine Umfangsfläche 15 des Schließelements 6 über. Der Radius dieser Rundung 14 beträgt etwa 0,5 mm. Die axiale Länge der Umfangsfläche 15 beträgt bei einem Kanaldurchmesser von 7 mm minde­ stens 3 mm.

Das Ventilsitzelement 5 weist parallel zur Schließflä­ che 11 einen Ventilsitz 16 auf. Der Bereich, in dem im geschlossenen Zustand des Ventils die Schließfläche 11 am Ventilsitz 16 anliegt, wird im folgenden "Berüh­ rungsbereich" genannt. Der Berührungsbereich ist klei­ ner als die Schließfläche 11 des Schließelements 6. Er deckt sich im wesentlichen mit der Größe des Ventilsit­ zes 16.

Der Kanal 8 geht mit einer ersten Rundung 17 in den Ventilsitz 16 über. Der Ventilsitz 16 geht mit einer zweiten Rundung 18 in eine Mantelfläche 19 über. Die Mantelfläche 19 des Ventilsitzelements 5 schließt mit der Kanalachse 10 bzw. einer Linie parallel dazu einen zweiten Winkel W2 ein, der hier 24° beträgt. Der zweite Winkel W2 ist also größer als der erste Winkel W1.

Die erste Rundung 17 weist einen Radius R1 von 0,5 mm auf, die zweite Rundung 18 einen Radius R2 von 0,2 mm und die dritte Rundung 14 einen Radius R3 von 0,5 mm. Diese Werte wurden als optimal ermittelt bei einem Durchmesser einer Engstelle 23 des Kanals 8 vor dem Beginn der ersten Rundung 17, der 7 mm beträgt.

Bei dieser Ausgestaltung bildet sich zwischen dem Ven­ tilsitz 16 und der Schließfläche 11 eine im wesentli­ chen laminare Strömung aus. In Strömungsrichtung hinter dem Ventilsitz 16 kann sich die Flüssigkeit in der Kam­ mer 9 ausbreiten. Durch die spezielle Ausgestaltung von Ventilsitzelement 5 und Schließelement 6 kann sich eine Strömung ausbilden, die über weitere Strecken an den beiden Teilen 5, 6 anliegt. Hierbei kann natürlich so­ wohl zwischen der Schließfläche 11 und der Schrägfläche 13 als auch zwischen der Mantelfläche 19 und der Außen­ fläche 20 ebenfalls je eine Rundung vorgesehen sein. Die Druckentlastung der durchströmenden Flüssigkeit erfolgt hierbei so, daß entweder praktisch keine loka­ len Unterdrücke und damit keine Kavitation entstehen oder so, daß beim Auftreten von lokalen Unterdrücken und der damit folgenden Kavitation die Kavitation in der Flüssigkeit selbst stattfindet, also nicht im Ge­ häuse 2. Auch der Ventilsitz 16 bzw. die Schließfläche 11 werden nicht in Mitleidenschaft gezogen. Hierdurch läßt sich die Lebensdauer des Ventils trotz der Verwen­ dung von harten Hydraulikflüssigkeiten, wie beispiels­ weise Wasser, hohen Druckdifferenzen und hohen Durch­ strömraten beträchtlich steigern.

Fig. 3 zeigt eine alternative Ausgestaltung, bei der gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.

Geändert hat sich gegenüber der Ausgestaltung nach den Fig. 1 und 2 das Schließelement 24, das nun einen um­ laufenden Kragen 25 aufweist. Der Kragen 25 hat eine Unterseite 26, die sich an die Schrägfläche 13 an­ schließt. Die Unterseite ist hierbei dem Ventilsitzel­ ement 5 zugewandt. Die Unterseite 26 schließt mit der Ebene der Schließfläche 11 einen Winkel ein, der klei­ ner als der erste Winkel W1 ist. Im Extremfall kann die Unterseite 26 parallel zur Schließfläche 11 verlaufen oder sogar einen "negativen" Winkel mit der Schließflä­ che 11 einschließen.

Durch die Ausbildung des Schließelements 24 mit dem Kragen 25 wird die Ventilcharakteristik verbessert, d. h. mit dieser Maßnahme läßt sich die Abhängigkeit des Öffnungs- bzw. Schließdrucks von der Durchströmung ver­ ringern.

Fig. 4 zeigt eine alternative Ausgestaltung des Ventil­ sitzes 16′, bei dem die erste Rundung 17 und die zweite Rundung 18 den gleichen Radius R1 aufweisen und nahtlos ineinander übergehen. Der Ventilsitz 16′ weist also im Gegensatz zum Ventilsitz 16 nach Fig. 2 keinen Ab­ schnitt mehr auf, der parallel zur Schließfläche 11 ausgerichtet ist. Die Anlage des Schließelements 6 an das Ventilsitzelement 5 erfolgt hier also nur innerhalb eines praktisch linienförmigen oder sehr schmalen Be­ reichs.

Claims (14)

1. Ventil mit einem Einlaß und einem Auslaß, zwischen denen ein Ventilsitzelement, das einen Kanal um­ gibt, und ein in Richtung zur Anlage an das Ventil­ sitzelement mit einer Stellkraft beaufschlagbares Schließelement, das eine im wesentlichen senkrecht zur Strömungsrichtung verlaufende Schließfläche aufweist, die in einer Berührungszone am Ventilsit­ zelement anliegt, angeordnet sind, wobei das Ven­ tilsitzelement außerhalb der Berührungszone eine abgeschrägte Mantelfläche, die einen vorbestimmten zweiten Winkel mit der Kanalachse des Kanals ein­ schließt, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement (6, 24) außerhalb der Schließfläche (11) eine abgeschrägte Schrägfläche (13), die einen vorbestimmten ersten Winkel (W1) mit der Schließ­ fläche (11) einschließt, aufweist.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (13) weiter außerhalb als die Man­ telfläche (19) beginnt.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich­ net, daß am Ventilsitzelement (5) der Übergang aus dem Kanal (8) in die Berührungszone mit einer er­ sten Rundung (17) und der Übergang aus der Berüh­ rungszone in die Mantelfläche (19) mit einer zwei­ ten Rundung (18) erfolgt.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Radius (R1) der ersten Rundung (17) größer als ein Radius (R2) der zweiten Rundung (18) ist, wobei zwischen den beiden Rundungen (17, 18) eine ebene Fläche angeordnet ist, die parallel zur Schließflä­ che (11) verläuft.

5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß Radien der ersten und der zweiten Rundung (17, 18) gleich sind und beide Rundungen (17, 18) inein­ ander übergehen.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (13) einen äußeren Abschnitt (26) aufweist, der einen kleine­ ren als den ersten Winkel (W1) mit der Schließflä­ che (11) einschließt.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Abschnitt die Unterseite (26) eines am Schließelement (24) angeordneten, umlaufenden Kra­ gens (25) bildet.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schrägfläche (13) mit einer einem dritten Radius (R3) aufweisenden dritten Rundung (14) in eine Umfangsfläche (15) des Schließelements (6) übergeht.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Schließelement (6) einen von der Schließfläche (11) umgrenzten Rücksprung (12) aufweist.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Winkel (W1) eine Grö­ ße im Bereich von 5° bis 30°, insbesondere von 10° bis 20° und vorzugsweise von 14° bis 16° aufweist.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Winkel (W2) eine Größe im Bereich von 0° bis 35°, insbesondere von 20° bis 30° und vorzugsweise von 23,5° bis 24,5° aufweist.

12. Ventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Radien (R1, R3) der ersten und der dritten Rundung (17, 14) im wesentlichen gleich sind.

13. Ventil nach einem der Ansprüche 3 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Radius der ersten Rundung (17) im Bereich von 0,1 bis 1,0 mm, vorzugsweise im Bereich von 0,4 bis 0,6 mm.

14. Ventil nach einem der Ansprüche 3, 4 oder 6 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Rundung (18) einen Radius im Bereich von 0,0 bis 1,0 mm und vorzugs­ weise im Bereich von 0,1 bis 0,3 mm aufweist.