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Elektromagnetisch und durch Flüssigkeitsdruck betätigtes Hilfsventil
zur Druckregelung Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch und durch
Flüssigkeitsdruck betätigtes Hilfsventil zur Regelung des Druckes einer Flüssigkeit
mittels eines Hauptventils in einem Durchlaß, mit einem eine Spule tragenden Magnetkern,
einem in einer zentralen Bohrung des Magnetkerns axial beweglichen Ventilstößel
sowie mit einem in Schließrichtung von einem scheibenförmigen Magnetanker über den
Stößel und in Öffnungsrichtung allein vom Druck im Durchlaß beaufschlagten Verschlußstück.
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Derartige, der Regelung eines Flüssigkeitsdruckes in Abhängigkeit
von der einstellbaren Erregung der Ventilspule dienende lElfsventile sind bereits
bekannt, erfüllen jedoch die beiden Hauptanforderungen, die an eine exakte, reproduzierbare
und stetige Regelung zu stellen sind, nämlich einerseits minimale Reibung des beweglichen
Ventilstößels und andererseits Dichtheit der Stößellagerung insofern nicht -optimal,
als eine Verminderung der Stößelreibung bisher nur auf Kosten der guten Dichtheit
erreichbar war und umgekehrt.
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Damit sich mit möglichst kleinen elektrischen Steuerströmen exakte
Regelungen erzielen lassen, muß ja in der Tat dafür gesorgt werden, daß die Reibung
sowohl des Hilfsventilstößels als auch des den Stößel bewegenden Magnetankers praktisch
vernachlässigbar ist, da die auf den Stößel wirkenden und seine Lage steuernden
Kräfte vergleichsweise klein sind und einerseits nur durch den Druck einer Flüssigkeit
und andererseits nur durch die vorgebbare Kraft des Elektromagneten bestimmt sein
sollen. Gleichzeitig müssen irgendwelche unkontrollierbaren Leckverluste des Druckmittels
vermieden werden.
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Bei einem mit einer Kugel als Verschlußstück arbeitenden bekannten
Hilfsventil ist der als Tauchanker ausgebildete Magnetanker mitsamt dem Ventilstößel
an zwei Federn aufgehängt, die oberhalb und unterhalb des Magneten angeordnet sind.
Wenn auch durch diese Anordnung die Anker- und Stößelreibung gegenüber üblichen
Stößellagerungen verringert ist, fehlt bei diesem bekannten Hilfsventil eine zuverlässige
Abdichtung gegenüber dem Elektromagneten.
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Bei einem anderen bekannten lElfsventil, bei welchem der Ventilstößel
mittels einer zusätzlichen Feder in Schließrichtung beaufschlagt wird, ist zwar
der Magnetanker als Scheibenanker ausgebildet, je-
doch unterliegt der in
einer zentralen Bohrung des Magnetträgers geführte Stößel einer verhältnismäßig
starken Reibung und wird außerdem oberhalb des Verschlußstückes direkt vom Druckmittel
umspült. Bei zahlreichen anderen bekannten Hilfsventilen wird der Ventilstößel unter
mehr,oder weniger starker Gleitreibung in festen Dichtungshülsen oder -scheiben
geführt, so daß die erzielbare Empfindlichkeit der Regelung durch die Größe dieser
Gleitreibung begrenzt ist und eine entsprechend hohe Empfindlichkeit nur auf Kosten
einer zuverlässigen Abdichtung erreicht werden kann.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile bisher bekannter
Hilfsventile des eingangs beschriebenen Typs zu vermeiden und eine Lagerung des
Ventilstößels sowie des Elektromagneten zu schaffen, die bei praktisch vernachlässigbarer
Reibung eine möglichst gute Dichtung des Ventilstößels gewährleistet. Dadurch ergibt
sich die Möglichkeit, ein zuverlässig abgedichtetes Hilfsventil mit besonders geringen
Steuerströmen arbeiten zu lassen.
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Die Erfindung ist zur Lösung der genannten Aufgabe dadurch gekennzeichnet,
daß der den Ventilstößel tragende Scheibenanker auf der dem Hilfsventil abgewandten
Seite der Spule mittels einer zwischen Anker und Gehäuse eingespannten Meinbran
aufgehängt ist und der Ventilstößel zwischen Spule und lElfsventil durch wenigstens
ein Lager geführt und abgedichtet wird, welches aus einer den Ventilstößel mit Spiel
umgebenden Lochscheibe sowie einem in -einer Nut der Innenwandung der Bohrung
der
Lochscheibe eingesetzten, den Ventilstößel abstützenden O-Ring besteht, der bei
einer- Axialverschiebung des Ventilstößels auf dem Umfang desselben abrollt.
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Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprächen.
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Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung an einem Ausführungsbeispiel
näher erläutert. Es zeigt F i g. 1 einen Schnitt durch ein mit einem Hilfsventil
nach der Erfindung ausgerüsteten Hauptventil zur Druckregelung, F i g. 2
einen Schnitt durch das Verschlußstück des Hilfsventils sowie durch dessen Ventilsitz
in vergrößertem Maßstab und F i g. 3 eine Draufsicht auf die den Scheibenanker
tragende Membran in verkleinertem Maßstab.
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Nach F i g. 1 besteht das Druckregelventil 10 aus einem
Hauptventil 11 und einem Hilfsventil 12 zur Regelung des Druckes einer das
Hauptventil 11 passierenden Flüssigkeit. Hauptventil 11 und Hilfsventil
12 sind in einem gemeinsamen Gehäuse untergebracht, welches aus drei Gehäuseteilen
13, 14 und 15 zusammengesetzt ist. Das Gehäuseteil 14 ist mit
dem Gehäuseteil 15 und das Gehäuseteil 13 mit dem Gehäuseteil 14 durch
nicht dargestellte Schrauben verbunden.
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Das Gehäuseteil.-15 weist eine, im wesentlichen kreisförmige Oberfläche
16 auf, von der eine, abgestufte zentrale vertikale Bohrung 17 durch
das Gehäuse bis zu einer Auslaßöffnung 18 verläuft. Eine Querbohrung
19 kreuzt die vertikale Bohrung 17.
Der Auslaß 18 und die Enden
der Bohrung 19 sind zum Anschluß an Rohrleitungen mit Gewinden 20 versehen.
Parallel zur Vertikalbohrung 17 ist ein Durchlaß 21 vorgesehen, der die Querbohrung
19
mit der Oberfläche 16 des Gehäuseteils 15 verbindet und dessen
Mündung zum dichten Anschluß an eine öffnung 38 im Gehäuseteil 14 mit einem
O-Ring 22 versehen ist.
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Die Bohrung 17 wird von einer Zylinderwand 23
begrenzt,
in deren Boden ein Ventilsitz 24 gegen eine Schulter eingepreßt ist, und nimmt einen
Kolben 25
auf, der sich mit einem Verschlußstück 26 auf dem Sitz 24
abstützen kann.
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Oberhalb des Kolbens 25 ist eine Druckkanuner 28 angeordnet,
während unterhalb des Kolbens 25
eine ringförmige Ausnehmung 29 vorgesehen
ist, die in der Querbohrung 19 liegt. In einer axialen Bohrung
30 des Kolbens 25 ist ein durch eine Feder 33
belasteter Hohlkolben
31 verschiebbar gelagert, der im Bereich der Druckkammer 28 einen
Ringflansch 32 aufweist, zum Druckausgleich zwischen Kammer 28 und
Querhohrung 19 dient und den Durchtritt von Druckflüssigkeit von der Hohlkolbenoberseite
zum Auslaß 18 erlaubt.
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Die Feder 33 spannt den Kolben 25 in Schließrichtung
vor.
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Das Gehäuseteil 14 weist eine im wesentlichen kreisförmige Bodenfläche
auf, die sich a en die ceg obere Fläche 16 des Gehäuseteils
15 anlegt, und ist 'mit einer abgestuften Mittelbohrung 34 versehen, deren
Achse mit der Achse der Vertikalbohrung 17
im Gehäuseteil 15 zusammenfällt
und in welche horizontale Bohrungen 35, 36 und 37 münden. Die Bohrung
37 ist mit dem DurcJüaß 21 und mit der Druckkammer 28 durch zwei Drosselstellen
38 bzw. 39 verbunden. Die Bohrung 36 ist durch einen Stopfen
40 verschlossen, während die Bohrung 35
dusch einen Entlüftungsstopfen 41
nur teilweise verschlossen ist.
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Das Gehäuseteil 14 weist ferner eine mit Innengewinde versehene öffnung
42 zur Durchführung der elektrischen Leitungen 84, 86, 87 für die Magnetspule
43 auf, wobei noch zur Temperaturkompensation ein Thermistor 44 vorgesehen ist.
Die Bohrung 34 ist mittels zweier dichtender Lager 47 und 48 in eine Naßkammer 45
und eine Trockenkammer 46 unterteilt. Die Dichtung 48 hat die Form einer manschettenartigen
Membran und besteht aus einem geeigneten flexiblen Material, z. B. Neopren. In den
die Naßkammer 45 bildenden Abschnitt der Bohrung 34 ist ein den Ventilsitz
52, 53 bildender Einsatz 49 eingepreßt, der auf F i g. 2 näher dargestellt
ist und einen rechtwinkligen, die Querbohrung 37 mit dem Ventilsitz verbindenden
Durchlaß 50 aufweist, welcher aus zwei sich schneidenden Bohrungen gebildet
wird. Der Einsatz 49 weist ferner auf seiner Außenfläche eine die Kammer 45 mit
der Querbohrung 36
sowie der offenen Oberseite des Ausgleichskolbens
31 verbindende Nut 51 auf.
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Der Venti-Isitz auf der Oberseite des Einsatzes 49 wird von einer
kreisringförmigen Oberfläche 52 sowie einer sich daran anschließenden flach
geneigten Konusfläche 53 gebildet und arbeitet mit der ebenen Kreisfläche
83 eines schalenförmigen Verschlußstücks 54 am Ende des Ventilstößels
57 zusammen. Die Konusfläche 53 sorgt für eine Verringerung des Strömungswiderstandes
der zwischen Ventilsitz und Verschlußstück austretenden Flüssigkeit. Das untere
Ende- des Stößels 57 ist halbkugelförmig und liegt in einer entsprechend
geformten Höhlung 81 des Verschlußstückes 54, dessen zylindrische Innenwand
82
den Stößel mit Spiel umgibt, so daß das Verschlußstück leicht verschwenkbar
auf dem Stößel sitzt und sich bei Anlage auf den Ventilsitz selbst justieren kann.
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Das Lager 47 weist eine in die Bohrung 34 eingesetzte und durch einen
O-Ring abgedichtete Lochscheibe 55 auf, die gegen Axialbewegung durch eine
Scheibe 56 und einen Sprengring blockiert ist, welcher in einer Ringnut der
Wand der Bohrung 34 sitzt. Durch die Scheiben 55 und 56 ist der Ventilstößel
57 mit Spiel hindurchgeführt, welcher lediglich durch einen O-Ring
58 abgestützt wird. Dieser O-Ring 58 liegt in einer Nut auf der Oberseite
der Lochdcheibe 55, in welcher er durch die Scheibe 56
gehalten wird,
und kann bei einer Axialverschiebung des Stößels 57 auf dem Umfang desselben
abrollen. Auf diese Weise ist der Stößel 57, dessen Axialhub im allgemeinen
nicht mehr als 0,005 cm beträgt, im Lager 47 praktisch reibungsfrei und gut
abgedichtet geführt. Bei einer Axialverschiebung des Stößels 57
sind also
nur die geringen Verformungskräfte der elastischen Dichtung 48 zu überwinden. Das
obere Ende des Stößels 57 sitzt in der Bohrung einer Messingstange
60, welche in der elastischen Dichtung 48 eingeklemmt ist. Diese Dichtung
48 wird durch eine Feder 59 gegen die Wand der Bohrung 34 gedrückt und stützt
sich auf einer Ringschulter dieser Bohrungswand ab.
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Der Gehäuseteil 13 ist aus einem nichtmagnetisehen Material,
z. B. aus Aluminium, gegossen und dient zur Aufnahme eines topfförmigen, mit einem
hohlen Mittelschenkel 63 versehenen Magnetkerns 61, 62, in welchem
die Spule 43 und der Thermistor 44 untergebracht sind.
Mit einem
Umfangsflansch 64 stützt sich der Kern 61, 62 gegen eine Schulter am Gehäuseteil
13 ab und wird durch einen Sprengring 65 gehalten. -
Der Anker
des Magneten wird aus einer Scheibe 66 mit einer Hülse 67 gebildet,
in die ein Rohr 68
aus nichtmagnetischem Material eingepreßt ist. Die Ankerscheibe
66 liegt, ohne die innere Gehäusewand zu berühren, über den Magnetpolen,
und das Rohr 68 ragt frei durch den Mittelschenkel 63 des Kerns. Die
Stange 60 ist dicht, jedoch axial verschiebbar im Rohr 68 gelagert
und liegt mit ihrem -oberen Ende an einer Schraube 69 an, die in das zu diesem
Zweck mit einem Innengewinde versehene Rohr 68 eingeschraubt ist. Eine auf
dem herausragenden Gewindeende der Schraube 69 sitzende Mutter
70 dient zur Sicherung. Auf , diese Weise ist der Stößel
57
relativ zum Scheibenanker 66 axial justierbar.
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Ein mit Außengewinde versehener hohler Stopfen 71, der die
Schraube 69 und die Mutter 70 abdeckt, verschließt eine obere Gehäuseöffnung,
durch welche Stangengewinde und Mutter zur Verstellung zugänglich sind.
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Der Scheibenanker 66 und damit das Rohr 68- sowie Stange
60 und Stößel 57 sind durch eine dünne Membran 72 aus nichtmagnetischem
Material gegen eine seitliche Bewegung gesichert. Diese Membran 72
ist, wie
in F i g. 3 dargestellt, mit einer Mittelöffnung 73 versehen, die
sich dicht um die konische Hülse 67
an der Scheibe 66 anlegt. Ihre
Außenkante stützt sich gegen die Innenwand des Gehäuseteils 13 ab.
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Damit die Membran 72 den Anker in axialer Richtung bewegbar
in zentrierter Lage festhalten kann, ist sie nach F i g. 3 mit kurvenförinigen
Durchbrechungen 75 versehen, durch welche kurvenförmige biegbare Speichen
76 zwischen der Nabe 77 und dem Rand 78 der Membran gebildet
werden. Der Rand 78 stützt sich mit seiner Umfangskante und mit seiner Oberseite
gegen die Gehäusewand ab. Eine dünne Distanzscheibe 79, die ebenfalls aus
nichtmagnetischem Werkstoff besteht, ist zwischen die Ankerscheibe 66 und
die Polflächen des Magneikerns eingelegt, berührt jedoch das Rohr 68 nicht.
Sie stützt sich mit ihrer Umfangskante gegen die Gehäusewand ab und wird so zentriert
gehalten.
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Eine Drehung der Membran 72, der Distanzscheibe 79 und
des Kerns 61 relativ zueinander und zum Gehäuse 13 wird durch einen
nichtmagnetischen Stift 80 verhindert, der miteinander fluchtende öffnungen
in den Teilen 72, 66 und 79 durchsetzt.
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Die Öffnung in der Ankerscheibe 66, durch die der Stift
80 hindurchragt, hat einen größeren Durchmesser als der Stift 80,
damit bei einer axialen Verschiebung des Ankers möglichst keine Reibung auftritt.
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Durch den nur geringen Ankerhub von maximal z. B. 0,05 mm ist
die auf den Anker bei einer bestimmten Erregerstromstärke ausgeübte Kraft praktisch
über den ganzen möglichen Ankerhub konstant.
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Das beschriebene Druckregelventil arbeitet folgendermaßen: Die Flüssigkeit,
deren Druck zu regeln ist, wird durch die Querbohrung 19 des Hauptventils
11
geleitet, während der Auslaß 18 üblicherweise mit dem unter Atmosphärendruck
stehenden Flüssigkeitsreservoir verbunden ist. Der in der Querbehrung
19 herrschende Druck wirkt in Öffnungsrichtung auf den Kolben 25 sowie
über den Durchlaß 21, die Drosselstelle 38, die Querbohrung 37 sowie
die weitere Drosselstelle 39 auch in der Druckkammer 28, so daß der
Kolben 25 auch auf seiner Oberseite von diesem Druck beaufschlagt wird. Da
die wirksamen oberen und unteren Flächen des Kolbens 25
im wesentlichen gleich
groß sind, wird der Kolben 27 beiderseits vom gleichen Flüssigkeitsdruck
beaufschlagt und durch die Feder 33 in die auf F i g. 1
dargestellte
Schließlage gedrückt, in welcher das Verschlußstück 26 einen Flüssigkeitsaustritt
zum Auslaß 18 sperrt. Die erwähnte Gleichheit der Flüssigkeitsdrucke unterhalb
und oberhalb des Kolbens 25 herrscht allerdings nur dann, wenn keine Strömung
von Flüssigkeit durch die Drosselstelle 38 und damit kein Druckabfall längs
dieser Drosselstelle stattfindet. Das ist dann der Fall, wenn das Verschlußstück
54 des Ventilstößels 57 die Bohrung 50
des Einsatzes 49 unter der Wirkung
des erregten Magneten verschließt.
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Wenn dagegen der auf das Verschlußstück 54 wirkende Druck die in Schließrichtung
des Hilfsventils wirkende Magnetkraft übersteigt, wird der Stößel 57
entsprechend
angehoben ' und die Flüssigkeit kann unter dem Verschlußstück 54, durch die
Naßkammer45, die Nut51 sowie durch den Hohlkolben31 zum Auslaß 18 abfließen.
Durch den dabei an der Drosselstelle 38 auftretenden Druckabfall wird der
Druck in der Druckkammer28 entsprechend reduziert, so daß der Flüssigkeitsdruck
in der Querbohrung 29 überwiegt. Wenn dieser Druckabfall die Kraft der Feder33
übersteigt, wird der Xolben25 angehoben, und es kann nun Flüssigkeit aus der Querbohrung
19 durch das Auslaßventil 24, 26 in dem Maße abfließen, wie es zur
Äufrechterhaltung des ursprünglichen Druckes in der Querbohrung19 erforderlich ist.
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Durch das beschriebene Hilfsventil mit seinem praktisch reibungsfrei
gelagerten Anker und Ventilstößel läßt sich daher durch Einstellen einer bestimmten
Erregerstronistärke für den Magneten ein ganz bestimmter Druck in der Querhohrung
19 vorgeben, der konstant zu halten ist. Zur Einstellung des Hilfsventils
geht man zu diesem Zwecke in folgender Weise vor: Zunächst wird die Schraube
69 aus dim Rohr 68
herausgeschraubt, so daß die Ankerscheibe
66 gegen die Distanzscheibe 79 anschlagen kann, wenn die Spule 43
erregt wird. Man erregt dann die Spule 43 mit dem vorgesehenen Maximalstrom und
pumpt Druckflüssigkeit durch die Querbohrung 19 sowie -über das geöffnete
Ventil 24, 26 durch den Auslaß 18. Unter diesen Bedingungen ist das
Ventil 52, 54 voll geöffnet, da ja die Stange 60 unter der Wirkung
des auf das Verschlußstück 54 wirkenden Flüssigkeitsdrucks, ohne durch die Schraube
69 gehalten zu werden, axial in der Hülse 68 aufwärts gedrückt wird.
Die Schraube 69 wird dann soweit in das Rohr 68 eingeschraubt und
damit der Ventilstößel 57 mit dem Verschlußstück 54 soweit in Richtung auf
den Ventilsitz 52 abwärts verschoben, daß der Druck der Flüssigkeit unter dem Verschlußstück
54 größer wird als die in Schließrichtung wirkende Kraft des Elektromagneten. Daraufhin
bewegt sich der Stößel 57
mitsamt der Ankerscheibe 66 aufwärts, so
daß diese Scheibe 66 von der Distanzscheibe 79 abgehoben wird. Durch
weiteres Einschrauben der Schraube 69
und damit weitere Vergrößerung des Luftspaltes
des Magneten wird dann diejenige Endstellung des Hilfsventils vorgegeben, die dem
gewünschten Maximaldruck in der Querbohrung 19 entspricht.
Auf
diese Weise hängt dann der in der Querbehrung 19 aufrechtzuerhaltende Druck
ausschließlich von der Größe des Erregerstroms des Magneten ab.
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-Durch Sperrung der Verbindung zwischen der Naßkammer 45 und dem Auslaß
18 sowie durch Anschluß der Querbohrung 36 an das Flüssigkeitsreservoir
kann das beschriebene Druckregelventil ohne weiteres auch zur Folgeregelung verwendet
werden, indem nämlich nunmehr der zu regelnde hydraulische Verbraucher an den Auslaß
18 angeschlossen wird.