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Aufgabe der Erfindung ist es ein Ventil (Kraftregelventil) zu schaffen, welches folgende Anforderungen erfüllt:
Äußerst präzise und dabei langzeitstabile Regelung des Vorspanndrucks in hydraulischen Überlastsicherungen an mechanischen Pressen deren Funktion es ist, durch die Druckentlastung eines im Kraftfluss der Presse befindlichen Hydraulikkissens die Presse vor Überlastung zu schützen. Das im Kraftfluss der Presse befindliche Hydraulikkissen wird hierzu mit einem definierten, die Presskraft repräsentierenden Druck, vorgespannt. Schwankungen dieses Drucks bewirken unmittelbar Fehler in der maximal zur Verfügung stehenden Presskraft.
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Äußerst robuste, störunanfällige Ausführung. Die Funktion soll auch noch selbst bei selten in Hydrauliksystemen gegebenen wenigen größeren Schmutzpartikeln von z. B. 0,1 mm noch erfüllt sein.
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Gleichzeitige Absicherung des Druckes im Vorspannsystem gegen einen Überdruck der infolge von Störungen außerhalb des Kraftregelventils in das System gelangt, beispielsweise über defekte Rückschlagventile. Diese Druckbegrenzung soll immer genau z. B. 6 bis 7 Bar oberhalb des gewünschten Vorspanndrucks erfolgen und einer veränderten Einstellung des Vorspanndrucks exakt folgen ohne die Notwendigkeit einer separaten Einstellung.
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Absicherung gegen die Möglichkeit einer schnellen Manipulation. Die Veränderung des vom Kraftregelventil eingestellten Regeldrucks soll mit einem höheren Aufwand verbunden werden insbesondere der Notwendigkeit einer Demontage mit einer Hilfsvorrichtung. Damit einher geht die sichere Verhinderung einer selbsttätigen Verstellung infolge beispielsweise von Vibrationen.
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Die vorgegebene Aufgabenstellung wird gemäß der mit den in den Ansprüchen angegebenen Lösungen erfüllt.
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Stand der Technik
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Ventile zur Regelung eines Druckes sind in großer Variationsbreite bekannt. Die Funktion derartiger Ventile ist zum Beispiel ersichtlich in Rexroth: „Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik", Kap. 12.4.
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In aller Regel besitzen diese Ventile eine Einstellmöglichkeit zur Druckeinstellung, weitergehend auch eine Feststellmöglichkeit bei eingestelltem Druck, z. B. die Möglichkeit einer Verplombung. Bei Nennweiten bis 10 mm wird die Referenzkraft meist direkt per Feder auf den Regelkolben gebracht, größere Nennweiten sind üblicherweise vorgesteuert.
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Des Weiteren sind Druckbegrenzungsventile bekannt mit ähnlichen Einstell- und Sicherungsmöglichkeiten wie Druckregelventile. Die Funktion derartiger Ventile ist zum Beispiel ersichtlich in Rexroth: „Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik", Kap. 12.2.
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Zur Einstellung des Vorspanndrucks an Pressen werden derzeit sowohl Druckregelventile als auch Druckbegrenzungsventile unabhängig voneinander im Hydraulikkreis eingesetzt. Einsatz finden bekannte kleinere druckeinstellbare Regelventile mit einer kleinen Regelfeder und einem kleinen, ggf. sicherbaren Handrad. Diese haben den Nachteil, dass die Druckeinstellung sehr feinfühlig erfolgen muss und später leicht durch Manipulation des Handrades – trotz Verplombung – veränderbar ist. Weiterhin ist das System Regelkolben + Feder leicht verschmutzungsanfällig. Je geringer die Federkraft ist, um so größere Fehler entstehen bei einer geringfügigen Verschmutzung.
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Vom Druckbegrenzungsventil erwartet man, dass es einerseits den Druck sicher begrenzt, andererseits aber nur einen minimalst über den Regeldruck liegenden Druck zulässt. Mit den Einstellmöglichkeiten bekannter, nicht elektronisch gesteuerter Druckbegrenzungsventile ist es sehr schwierig, den Maximaldruck mittels Handradeinstellung des Druckbegrenzungsventils langzeitstabil auf einen optimalen Betrag von z. B. 5 bis 7 Bar oberhalb des vom Druckregelventil vorgegebenen Systemdrucks zu begrenzen, besonders unter den Bedingungen eines Presswerkes.
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Mit bekannten, elektronisch steuerbaren Regel- und Druckbegrenzungsventilen ist es gut möglich, die vorgegebenen präzisen Einstellungen zu realisieren. Derartige Ventile sind einerseits relativ kostenaufwendig. Sie weisen aber auch den Nachteil aller elektronisch gesteuerten Elemente auf, die Möglichkeit eines Fehlers in der Elektronik und müssen daher über die gesamte Lebensdauer einer Presse regelmäßig geprüft und ggf. auch erneuert werden. Auch sind sie durch findige Elektroniker leicht zu manipulieren. Von einer absolut zuverlässigen, unter Stanzereibedingungen konstanten Funktion, über beispielsweise 20 Jahre, kann eher nicht ausgegangen werden. Dies kann aber zu schweren Schäden an den Pressen infolge Überlastung führen.
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In der Schrift OS 10 2009 012 752 A1 wird ein elektrisch gesteuertes Regelventil beschrieben. In ein Regelventil ist ein separates Druckbegrenzungsventil integriert. Dieses wird über eine eigene Bypassleitung gespeist. Das Druckregelventil ist elektrisch gesteuert. Das gesamte Ventil besteht somit aus zwei miteinander kombinierten Ventilen. Für die spezielle Funktion der Regelung des Vorspanndrucks in Pressen ist es insgesamt zu aufwendig. Gleichzeitig kommen allgemein für elektronische Systeme angegebene Nachteile zum Tragen.
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In der Schrift OS
DE 41 17 291 A1 ist ein direktgesteuertes Druckregelventil angegeben. Dabei handelt es sich um eine weitere Ausbildung bekannter Systeme mit Vorsteuerventil und Hauptventil. Eine Druckbegrenzungsfunktion ist hierbei nicht vorgesehen.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung des Kraftregelventils. In ein Ventilgehäuse 11 ist der Ventilkolben 1 hochgenau eingepasst. Er weist 3 Nuten, die Druckmindernut 2, die Speichernut 3 und die Druckbegrenzungsnut 4 auf, denen jeweils die funktionsanalogen Nuten 18, 19 und 20 im Ventilgehäuse 11 gegenüberstehen. Das Gleichgewicht zwischen dem gewünschten Regeldruck am Anschluss 15 bzw. A und der sehr starken Werkzeugfeder 6 ist so justiert, dass bei Solldruck an A die Druckmindernut 2 am Ventilkolben 1 und die Druckmindernut 18 des Gehäuses sich punktuell berühren. Eine Verringerung des Drucks an A bewirkt die Bewegung des Ventilkolben Richtung A und die zwei Nuten geben einen Durchfluss vom Pumpenanschluss 13 (p) nach A frei. Der Druck bei A wird erneut auf Solldruck gebracht. Entsprechend schließen die zwei Nuten bei Überschreitung des Solldrucks in A. Der Ventilkolben 1 weist einen für nicht vorgesteuerte Regelventile relativ großen Durchmesser auf, beispielsweise 14 mm. Ist ein Solldruck von 280 Bar mit der Werkzeugfeder 6 einzustellen, wird diese mit einer Kraft von 4,31 kN vorgespannt. Bei einer derartig hohen Federkraft wirken sich Verschmutzungen am Ventilkolben 1 praktisch kaum aus. Das Ventil ist äußerst robust. Die Genauigkeit der Druckregelung wird zusätzlich erhöht, indem die Werkzeugfeder 6 an ihren Enden in die Federteller 7 und 8 eingelassen ist. Federn weisen bei Dehnung und Stauchung eine Hysterese auf. Diese kommt zustande, indem die Stirnseiten der Federn auf ihrer Unterlage eine Reibleistung erzeugen infolge der der axialen Längenänderung zugeordneten radialen Durchmesseränderung. Die radialen Durchmesseränderungen bewirken Reibleistung und damit Hysterese, welche die Genauigkeit der Regelung ungünstig beeinflussen würde. Mit der Einlassung der Enden der Werkzeugfeder 6 in die Federteller 7 und 8 werden die Federenden an radialer Durchmesseränderung gehindert. Die Hysterese und damit die Schwankungsfehler des Solldrucks an A werden sicher vermieden.
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In der Regel steigt der Solldruck an A bei Vorspanndrücken an Pressen nicht selbsttätig über den Sollwert. Bei fehlerhaftem Verhalten im Hydraulikkreis befindlicher Elemente kann dieser Fall jedoch eintreten. Beispielsweise bei Versagen eines Rückschlagventils. Im Arbeitsteil eines Pressenhubs erhöht sich der Druck im Hydraulikkissen unterhalb des Pleuels. Diese Druckerhöhung wird normalerweise mittels eines Rückschlagventils gegen den System-Vorspanndruck (hier Anschluss 15 bzw. A) abgeschirmt. Ein defektes Rückschlagventil bewirkt jedoch ein Rückströmen von Öl aus dem Hydraulikkissen in den System-Vorspanndruck (A, 15), dessen hieraus folgende Druckerhöhung wiederum die hydraulisch vorgegebene Maximalkraft der Presse in unzulässiger Weise erhöhen würde und die Absicherung gegen die eigentlich zulässige Maximalkraft der Presse ausschalten würde. Dies wiederum könnte eine Zerstörung der Presse zur Folge haben.
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Aus diesem Grund ist im erfindungsgemäßen Ventil auf sehr einfache Weise eine Druckbegrenzungsfunktion integriert. Bewegt sich der Ventilkolben 1 infolge Druckerhöhung an A in Richtung Werkzeugfeder 6 weiter als es die Einstellung des Regeldrucks vorgibt, gelangt bald die Druckbegrenzungsnut 4 des Ventilkolbens 1 mit der Druckbegrenzungsnut 20 des Gehäuses in Eingriff. Damit wird eine Verbindung zwischen A und dem Tank hergestellt und der System-Vorspanndruck wird sicher begrenzt. Bei einer dahingehenden Auslegung, dass dies nach einem Kolbenweg von 1 mm eintritt, wird der Maximaldruck des System-Vorspanndrucks auf einen Wert von Regeldruck + 6 Bar genau justiert entsprechend der Steife der Werkzeugfeder 6.
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Der System-Vorspanndruck (A, 15) wird mittels der Distanz 9 auf 0,5 bis 1 Bar genau einjustiert. Der vom Druckbegrenzungspart (4, 20) des Ventils realisierte Maximaldruck stellt sich nach Justieren der Kraft der Werkzeugfeder 6 zur Einstellung des Regeldrucks an den Kanten der Nuten 2 und 18 absolut zwangsgesteuert und damit völlig selbsttätig ein. Er ist absolut langzeitstabil. Eine Feinabstimmung zwischen separaten Druckminderventil und Druckbegrenzungsventil wird somit obsolet.
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Das Kraftregelventil kann auch in einer weiteren Anschlussfunktion genutzt werden. Prinzipiell kann die Pumpe p mit A verbunden werden und der aus den Nuten 4 und 20 bestehende Druckbegrenzungspart zur Druckeinstellung genutzt werden wenn bei einfachsten, billigen Pressen kein hoher Regelaufwand betrieben werden soll. Die Pumpe baut den erforderlichen Druck in A auf. Bei Überschreiten gelangen die Speichernuten 3 und 19 in Eingriff und Öl gelangt über das Rückschlagventil 16 in den Speicher 5. Der Druckbegrenzungspart (Nuten 4, 20) stellt den Druck ein. Die Pumpe arbeitet im Aus/Ein-Modus. Nach Abstellen der Pumpe gelangt Öl aus dem Speicher 5 über die Regelkanten (2, 18) nach A. Diese Regelung ist eine Einfachlösung für billige Pressen mit einfachsten Pumpen.
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Im Normalfall arbeitet das Ventil jedoch im Hochpräzissionsbereich (Eingangsbeschreibung) für hochwertige Pressen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Ventilkolben
- 2
- Druckmindernut Kolben
- 3
- Speichernut Kolben
- 4
- Druckbegrenzungsnut Kolben
- 5
- Speicher
- 6
- Werkzeugfeder
- 7
- Unterer Federteller
- 8
- Oberer Federteller
- 9
- Distanz
- 10
- Deckel
- 11
- Ventilgehäuse
- 12
- Tankanschluss
- 13
- Pumpenanschluss
- 14
- Speicheranschluss
- 15
- Arbeitsanschluss
- 16
- Rückschlagventil
- 17
- Sprengring
- 18
- Druckmindernut Gehäuse
- 19
- Speichernut Gehäuse
- 20
- Druckbegrenzungsnut Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Rexroth: „Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik”, Kap. 12.4 [0006]
- Rexroth: „Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik”, Kap. 12.2 [0008]