Die Erfindung betrifft ein Ventil, insbesondere Proportional-Druckbegren- zungsventil, mit einem elektrisch ansteuerbaren Magnetsystem zum Ansteuern eines Betätigungsteils, das mit einem Ventilelement zusammenwirkt, das in einem Ventilgehäuse längsverfahrbar geführt ist und das mit einer seiner Öffnungsstellungen einen fluidführenden Verbindungsweg zwischen einem Fluidein- und einem -auslaß freigibt und in seiner Sperrstellung den dahingehenden Weg sperrt, wobei zwischen Betätigungsteil und Ventilelement in einem freien Abstand zwischen denselben ein Energiespeicher, vorzugsweise in Form mindestens einer Druckfeder, angeordnet ist, der das Ventilelement in Richtung seiner Schließstellung zu halten sucht.

In Fluidsystemen hat das Druckbegrenzungsventil die Aufgabe, den Systemdruck auf eine bestimmte vorgegebene Druckhöhe zu begrenzen. Wird dieser vorgegebene Wert erreicht, so spricht das Druckbegrenzungsventil an und leitet den überschüssigen Volumenstrom, also den Differenzstrom

zwischen Pumpen- und Verbraucherstrom, vom Fluidsystem zur Tankseite hin gerichtet zurück. Neben vorgesteuerten Druckbegrenzungsyentilen, auf die an dieser Stelle nicht mehr näher eingegangen werden soll, gibt es auch sog. direkt gesteuerte Druckbegrenzungsventile, die von der dynamischen Seite her gesehen wie ein Feder-Masse-System wirken, das in Bewegung gesetzt Schwingungen ausführt. Diese Schwingungen wirken sich auch auf den anstehenden Fluiddruck aus und müssen durch eine Dämpfung entsprechend kompensiert werden. Dabei werden die Impulskräfte des Fluidstromes dazu genutzt, dass die Zunahme der Federkraft im Betrieb des Ventils nahezu ausgeglichen ist.

Um über den gesamten Druckbereich eine gute Druckeinstellung und eine flache Δp-Q-Kennlinie (möglichst geringe Druckerhöhung bei zunehmendem Volumenstrom) zu erhalten, kann der gesamte Druckbereich in Druck- stufen unterteilt sein. Der maximal einstellbare Druck ergibt sich dabei aus der maximalen Magnetkraft (Kraft bei Nennstrom des Magnetsystems) und der druckwirksamen Fläche des Ventilsitzes (Kreisfläche des Sitzdurchmessers) gemäß der nachfolgenden Formel:

max - 4

Ferner ist es bei einer Vielzahl von Ausführungsformen dahingehender Ventile im Stand der Technik bekannt, zur Ansteuerung des Ventilelementes ein elektrisch ansteuerbares Magnetsystem mit Betätigungsspule vorzusehen.

Bei einer Art an bekannten Lösungen, wie sie auf dem Markt angeboten werden, erfolgt eine direkte Anbindung des Ventilelements in Form eines Schließteils mit konisch zulaufendem Schließkegel an das stangenförmige Betätigungsteil des Magnetsystems, was jedoch im Betrieb des Ventils zu Instabilitäten führen kann aufgrund der Massenträgheit des Magnetankers in Form des Betätigungsteils. Darüber hinaus führt die entstehende Reibung zwischen Betätigungsteil und Ventil-Schließelement zu erhöhter Hysterese beim Betrieb des Ventils.

Es ist im Stand der Technik zwar schon vorgeschlagen worden, um dieses instabile Verhalten zu unterbinden, mittels eines Energiespeichers in Form einer Druckfeder, die sich endseitig am Inneren des Ventilgehäuses abstützt sowie am Ventilelement selbst, das Magnetsystem von der eigentlichen Ventileinheit zu entkoppeln, um dergestalt die Instabilitäten zu vermeiden; allein aufgrund von Maßtoleranzen kommt es insbesondere bei steigenden Fluidvolumenströmen aber zu Winkelverschiebungen zwischen der Achse des Schließkegels und der eigentlichen Verfahrrichtung des Ventil-Schließelementes, so dass nicht auszuschließen ist, dass der Schließkegel nicht exakt sperren kann oder sogar die ihm zugeordnete Sitzkante des Ventilsit- zes im Gehäuse beschädigt, mit der Folge, dass das Ventil dann insgesamt nicht mehr leckagefrei abdichten kann.

Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bekannten Ventillösungen dahingehend weiter zu verbes- sern, dass ein stabiles Steuerverhalten gewährleistet ist sowie ein leckagefreier Betrieb bei gleichzeitig niedrigen Herstell- und Wartungskosten. Eine dahingehende Aufgabe löst ein Ventil mit den Merkmalen des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit.

Dadurch, dass gemäß dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 das Betätigungsteil in der Art eines Führungskolbens ausgebildet ist, der eine Längsführung für das Ventilelement aufweist, ist zum einen mit der Gesamtheit der Merkmale des Patentanspruches 1 erreicht, dass das Ma- gnetsystem vom Ventilelement von der Massenträgheit her gesehen wei- testgehend entkoppelt ist, so dass Instabilitäten beim Betrieb des Ventils nicht auftreten, und zum anderen wird über die Längsführung erreicht, dass das Ventilelement mit seinem Schließteil, das vorzugsweise in Sitzausführung mit einem Ventilsitz im Ventilgehäuse zusammenwirkt, immer achs- genau in seine vorgesehene Schließstellung gelangt, so dass die im Stand der Technik auftretenden Winkelverschiebungen mit Leckagen im Bereich des Ventilsitzes mit Sicherheit vermieden sind. Durch die genannte Entkopplung über den Energiespeicher, vorzugsweise in Form mindestens einer Druckfeder, arbeitet das erfindungsgemäße Ventil dem Grunde nach kraftgesteuert und treten im Betrieb die beschriebenen dynamischen Effekte auf, werden diese von dem Energiespeicher in Form der jeweiligen Druckfeder kompensiert. Dergestalt wird das Ventilelement mit seinem Schließteil deshalb in deutlich geringerem Maße von der Massenträgheit des Magnetankers, der die Ansteuerung hier vornimmt, beeinflußt als bei den bekann- ten beschriebenen Lösungen.

Das erfindungsgemäße Ventil benötigt wenig Baukomponenten und ist funktionssicher über eine längere Einsatzzeit hinweg, so dass die Herstell- und Wartungskosten entsprechend niedrig gehalten werden können.

Das erfindungsgemäße Ventil wird als Proportional-Druckbegrenzungsventil in Sitzausführung und in Direktansteuerung vorzugsweise für kleine Fluid- volumenströme bis zu ca. 10 l/min eingesetzt und darüber hinaus kann das Ventil bevorzugt Anwendung finden bei sog. Vorsteueraufgaben, beispiels-

weise dem Aufbau von vorgesteuerten Druckbegrenzungs- oder Druckregelsystemen dienen.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Ventils sind Gegenstand der Unteransprüche.

Im folgenden wird das erfindungsgemäße Ventil anhand eines Ausführungsbeispiels nach der Zeichnung näher erläutert. Dabei zeigen in prinzipieller und nicht maßstäblicher Darstellung die

Fig.1 teilweise im Längsschnitt, teilweise in Ansicht, ein Ventil in

Form eines Proportional-Druckbegrenzungsventils nach dem

Stand der Technik;

Fig.2 eine der Fig.1 entsprechende Darstellung mit dem erfindungsgemäßen Ventil, wobei in Blickrichtung auf die Fig.2 gesehen links oben das hydraulische Schaltsymbol für das erfindungsgemäße Ventil wiedergegeben ist.

Das bekannte, direkt gesteuerte Proportional-Druckbegrenzungsventil in Sitzausführung nach der Fig. 1 ist mit einem als Ganzes mit 10 bezeichneten elektrisch ansteuerbaren Magnetsystem versehen. Dahingehende Magnetsysteme zum Ansteuern von Ventilen sind im Stand der Technik (DE 44 16 279 A1) hinreichend bekannt, wobei mittels einer Betätigungsspule (nicht dargestellt) des Magnetsystems 10 ein Magnetanker in Form eines

stangenförmigen Betätigungsteils 12 in der Art eines Kolbenteils ansteuerbar ist. Bei der gezeigten Ausführungsform ist das Magnetsystem 10 als sog. drückender Magnet ausgebildet, der im bestromten Zustand das Betätigungsteil 12 in Blickrichtung auf die Figur gesehen von links nach rechts bewegt und im unbestromten Zustand wird das Betätigungsteil 12 über eine Energiespeicheranordnung wieder rückgestellt, was im folgenden noch näher beschrieben werden wird.

Das Gehäuse 14 des Magnetsystems 10 ist in der Art einer Einschraubpa- trone ausgeführt und weist entlang der Längsachse 16 des Ventils eine Mittenbohrung 18 auf, die von dem stangenförmigen Betätigungsteil 12 durchgreifbar ist. Die dahingehende Mittenbohrung 18 mündet mit ihrem freien Ende in einen Erweiterungsraum 20 mit Innengewinde 22, in das ein korrespondierend ausgebildetes Ventilgehäuse 24 mit seinem Außengewinde einschraubbar ist. Des weiteren ist innerhalb des Ventilgehäuses 24 entlang der Längsachse 16 längsverfahrbar ein Ventilelement 26 geführt, das einen Schließkegel oder Schließkonus 28 aufweist sowie ein sich anschließendes Ventil-Schließelement 30.

In seiner gezeigten Stellung verschließt das Ventilelement 26 den möglichen Fluidweg zwischen einem Fluideinlaß 32 und einem Fluidauslaß 34. Der Fluideinlaß 32 ist stirnseitig am freien Ende des Ventilgehäuses 24 angeordnet und verläuft koaxial zur Längsachse 16 des Ventils. Der Fluidauslaß 34 hingegen ist in der Art einer Querbohrung ausgebildet, die die Ven- tilgehäusewandung durchgreift und mit ihrer Querachse 36 steht diese senkrecht auf der genannten Längsachse 16. Zum Verlassen seiner Sperrstellung ist das Ventilelement 26 in Blickrichtung auf die Figur gesehen nach links zu bewegen in einer seiner Öffnungsstellungen, bei der der angesprochene Fluidweg dann freigegeben ist. Hierbei hebt der Schließkegel 28 von

einer ringförmigen Anlagefläche 38 als Ventilsitz eines Ventileinsatzes 40 ab. Der dahingehende Ventileinsatz 40, der den Fluideinlaß 32 des Ventils umfaßt, ist über ein Außengewinde 42 längseinstellbar zur Längsachse 16 und zur möglichen Verfahrrichtung des Schließkegels 28 in das freie Ende des sonstigen Ventilgehäuses 24 einsetzbar, insbesondere einschraubbar.

Über die dahingehende Längseinstellung des Ventileinsatzes 40 läßt sich eine Feinpositionierung für den Ventilsitz 38 erreichen und somit eine Feinabstimmung herbeiführen, was das Einsetzverhalten beim Schließen des Schließkegels 28 am Ventilsitz 38 anbelangt. Ferner weist der stopfenartige Ventileinsatz 40 außenumfangsseitig in einer Nutvertiefung einen Dichtring 44 auf, und weitere ringförmige Dichtsysteme 46 sind außenumfangsseitig am Magnetsystem-Gehäuse 14 angeordnet sowie am freien Ende des Ventilgehäuses 24, um dergestalt das Gesamt-Ventilsystem als Ein- schraubventil auszubilden.

Wie sich des weiteren aus der Figur ergibt, schließt sich an das stangenför- mige Betätigungsteil 12 ein weiteres Betätigungsteil 12a in der Art eines zweiten Kolbenteils an, das an seiner dem stangenförmigen Betätigungsteil 12 zugewandten Seite einen zylindrischen Anlageflansch 48 mit im

Durchmesser verbreitertem Querschnitt aufweist, der sich in der gezeigten Schaltdarstellung an einer benachbarten Wandfläche 50 des Gehäuses 14 des Magnetsystems 10 abstützt. Auf seiner, dem Betätigungsteil 12 gegenüberliegenden Seite schließt sich an den Anlageflansch 48 ein Führungsteil 52 an, das über eine Einschraubstrecke (nicht dargestellt) verfügt, längs der sich eine Einstellmutter 54 justieren läßt. Zur Realisierung der dahingehenden Einstellung weist das Ventilgehäuse 24 eine sich verbreiternde Ausnehmung 56 kreisrunden Querschnitts auf. Zwischen dem genannten Betätigungsteil 12a und dem Ventilelement 26 ist ein Energiespeicher in Form

einer Druckfeder 58 angeordnet. Die dahingehende Druckfeder 58 sucht mit ihrer Federkraft das Ventilelement 26 in seiner in der Figur gezeigten Schließstellung zu halten.

Auch das Ventilelement 26 weist eine im Durchmesser sich erweiternde Anlagefläche 60 auf, die im Durchmesser aber kleiner ist als die benachbarte Anlagefläche 62 des Betätigungsteils 12a. Zwischen den Anlageflächen 60,62 erstreckt sich die Druckfeder 58 mit ihren beiden voneinander abgewandten Enden und, wie sich aus der Figur ergibt, sind zwischen den ein- ander benachbart zugewandten Seiten von Betätigungsteil 12a und Ventilelement 26 keine weiteren konstruktiven Bestandteile mehr vorhanden, bis auf die gebildete Randbegrenzung durch den Innenumfang 64 des Ventilgehäuses 24. Zwischen den einander zugewandten Seiten von Betätigungsteil 12a und Ventilelement 26 ist ein Hohlraum 66 gebildet.

Um beim Fluideintritt über den Fluideinlaß 32 ein sicheres Abheben des Schließkegels 28 vom Ventilsitz 38 erreichen zu können, wird die dahingehende Abhebebewegung durch einen weiteren Energiespeicher in Form einer weiteren Druckfeder 68 unterstützt, die jedoch eine deutlich geringe- re Federsteifigkeit aufweist als die erstgenannte Druckfeder 58. Des weiteren läßt sich das Federkraftverhalten von Druckfeder 58 und Druckfeder 68 über die Einstellmutter 54 vor Inbetriebnahme des Ventils sinnfällig einstellen. Um Hemmnisse im Betrieb zu vermeiden, ist das stangenartige Betätigungsteil M nur in loser Anlage mit der zugewandten Stirnseite des zylin- drischen weiteren Betätigungsteils 12a ausgebildet und nicht einstückig mit diesem verbunden. Um einen gleichmäßigen Fluideinlaß über die Einlaßstelle 32 zu gewährleisten, verjüngt sich der Einströmquerschnitt in Blickrichtung auf die Figur gesehen von rechts nach links. Ferner ist der angesprochene Hohlraum 66 in Längsrichtung parallel zur Längsachse 16 des

Ventils derart bemessen, dass jedenfalls die nächst benachbarten Seiten von Betätigungsteil 12a und Ventilelement 26 nicht aneinander anstoßen können, sondern noch durch die Druckfeder 58 wirksam auseinandergehalten werden, auch wenn diese eine sehr weit zusammengepreßte Stellung ein- nimmt.

Mit dem erfindungsgemäßen Druckbegrenzungsventil lassen sich über eine Direktansteuerung Druckwerte vorgeben, bei deren Überschreiten am Fluideinlaß 32 entgegen der Magnetkraft des Magnetsystems 10 und entge- gen der Kraft der Druckfeder 58 der Schließkegel 28 unterstützt von der weiteren Druckfeder 68 vom Ventilsitz 38 abhebt und den Fluidweg von Fluideinlaß 32 zum Fluidauslaß 34 (Tankseite) hin freigibt. In umgekehrter Kraftrichtung kann dann bei abfallendem Druck auf der Fluideinlaßseite 32 das Ventil über den Schließkegel 28 wieder geschlossen werden.

Mit der bekannten Lösung ist zwar bis auf die Druckfeder 58 eine im wesentlichen massefreie Entkopplung von Magnetsystem 10 gegenüber dem eigentlichen Ventilsystem mit dem Ventilelement 26 erreicht, so dass die Massenträgheit des Magnetankers in Form der Betätigungsteile 12,12a wirk- sam über den zwischengeschalteten Energiespeicher (Druckfeder 58) reduziert ist; dennoch kann es aufgrund der Maßtoleranzen der Druckfeder dazu kommen, dass insbesondere bei ansteigenden Volumenströmen es zu Winkelverschiebungen kommt zwischen dem Schließkegel 28 und der Längsachse 16 des eigentlichen Ventilkörpers, was zu den bereits beschriebenen Problemen führt, insbesondere, dass der Schließkegel 28 die Sitzkante des Ventilsitzes 38 beschädigen kann, mit der Folge, dass dann das Ventil nicht mehr leckagefrei abdichtet, was dessen Funktionsfähigkeit deutlich beeinträchtigt.

Die in der Fig.2 aufgezeigte erfindungsgemäße Ventillösung vermeidet dies mit den im einzelnen nachfolgend beschriebenen, erfindungsgemäßen Maßnahmen, wobei, um Wiederholungen zu vermeiden, dieselben Bauteile wie nach der Fig.1 zum Stand der Technik mit denselben Bezugszeichen wiedergegeben sind, wobei die bisher getroffenen Ausführungen dann auch für die erfindungsgemäße Ausführungsform nach der Fig.2 gelten sollen.

Das Betätigungsteil 12a ist in der Art eines Führungskolbens 70 ausgebildet, der eine Längsführung für das Ventilelement 26 aufweist. Hierzu weist der Führungskolben 70 zunächst eine Außenführung 72 auf, mit der er längs des Innenumfanges 64 des Ventilgehäuses 24 verfahrbar ist und des weiteren verfügt er über eine Innenführung 74, in die Teile des Ventilelements 26 eingreifend geführt sind. Die Innenführung 74 ist aus einer Mittenbohrung im Führungskolben 70 gebildet, die sich entlang der Längsachse 16 des Ventilgehäuses 24 erstreckt, wobei die zu führenden Teile des Ventilelementes 26 aus einem Führungszapfen 76 gebildet sind, der, wie in der Fig.2 dargestellt, in die Mittenbohrung eingreift. Die Außenführung 72 ist in axialer Richtung kurz bemessen, um Reibwerte niedrig zu halten. Ferner befindet sich die schulterförmige Außenführung 72 in der unteren Hälfte des Führungskolbens 70, die der Druckfeder 58 zugewandt ist.

Die axiale Länge der Mittenbohrung ist größer gewählt als die Länge des zylindrischen Führungszapfens 76, der in Richtung auf den Schließkegel 28 mit einer Anschlagschulter 78 versehen ist, die den Verfahrweg des stimsei- tig freien Endes 80 des Führungskolbens 70 entsprechend begrenzt. Der Energiespeicher in Form der Druckfeder 58 erstreckt sich zwischen der Außenführung 72 des Führungskolbens 70 und der Anlagefläche 60 des Ventilelementes 26. Ebenso wie in der Fig.1 ist in der Fig.2 das Ventil in seiner Schließstellung dargestellt und in Richtung seiner Öffnungsstellung ist der

Verfahrweg des Ventilelementes 26 in Blickrichtung auf die Fig.2 gesehen nach oben hin durch die Anschlagschulter 78 begrenzt. Um einen Druckausgleich herbeiführen zu können, ist der Führungskolben 70 von einer Querbohrung 82 durchgriffen, die das Innere der Mittenbohrung mit dem Erweiterungsraum 20 verbindet. Der dahingehende Erweiterungsraum 20 weist im Ventilgehäuse 24 eine schräg nach unten verlaufende Verbindungsbohrung 84 auf, die als Leckageablauf dient. Ferner übergreift bei der Ausführungsform nach der Fig.2 das Ventilgehäuse 24 außenumfangsseitig das Gehäuse 14 des Magnetsystems 10. Um die zu bewegende Masse des Führungskolbens 70 gering zu halten, weist dieser im Bereich der Anlagefläche zum stangenförmigen Betätigungsteil 12 des Magnetsystems 10 eine Ringaussparung 86 auf. Ferner ist der Führungskolben 70 sehr schlank gehalten und weist nur zum Herstellen der Außenführung 72 eine schulterartige Verbreiterung an seiner Außenumfangsfläche auf.

Mit der erfindungsgemäßen Lösung ist über die Druckfeder 58 eine massefreie Entkopplung von Magnetsystem 10 gegenüber dem eigentlichen Ventilsystem mit dem Ventilelement 26 erreicht, so dass die Massenträgheit des Magnetankers in Form der Betätigungsteile 12,12a wirksam über den zwi- schengeschalteten Energiespeicher (Druckfeder 58) reduziert ist. Instabilitäten des Systems, wie sie beispielsweise auftreten können durch große Druck- oder Volumenschwankungen sowie durch Pulsationen am Fluidein- laß 32 lassen sich dergestalt wirksam aussteuern, um so die Funktionssicherheit des Druckbegrenzungsventils in einem weiten Bereich sicherzu- stellen.

Bei der gezeigten Ausführungsform nach der Fig.2 ist sowohl eine Kontraktion der Feder 58 über die innere Führung als auch ein Bewegen des kompletten Federpaketes im Ventilkörper möglich. Die Entkoppelfeder 58 ist

sehr steif ausgeführt. Dadurch arbeitet das Ventil im Prinzip kraftgesteuert. Darüber hinaus ist aufgrund der angesprochenen Führung erreicht, dass das Ventilelement 26 mit seinem Schließteil 28 immer achsgenau in seine vorgesehene Schließstellung gelangt, so dass die im Stand der Technik auftre- tenden Winkelverschiebungen mit Leckagen durch Schädigungen des Ventilsitzes 38 mit Sicherheit vermieden sind.

Das erfindungsgemäße Ventil arbeitet sehr funktionssicher und kommt mit wenigen Baukomponenten aus, was die Herstell kosten senken hilft. Das Ventil läßt sich zeitlich lang andauernd einsetzen, so dass auch insoweit die Wartungskosten reduziert sind. Das Proportional-Druckbegrenzungsventil kann generell als Druckbegrenzungsventil für kleine Volumenströme (bis zu 10 l/min) eingesetzt werden, darüber hinaus findet das Ventil bevorzugt Anwendung bei Vorsteueraufgaben, z.B. zum Aufbau von vorgesteuerten Druckbegrenzungs- oder Druckregelsystemen.