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Wegeventil mit Steuerschieber und o-Ring-Abdichtung
Die Erfindung betrifft ein Wegeventil mit Steuerschieber und O-Ring-Abdichtung und mit einer Ausbildung der Steuerkante, die beim überfahren des O-Ringes einen Druckausgleich zwischen dem vom O-Ring eingenommenen Ringnutenraum und dem angrenzenden Ventilraum selbsttätig herbeiführt.
In hydraulischen oder pneumatischen Anlagen dienen derartige Wegeventile beispielsweise dazu, einen mit der Druckquelle verbundenen Kanal mit einem zu einem Verbraucher führenden Kanal zu verbinden oder sie zu trennen. Natürlich können die Kanäle vertauscht und damit das Druckgefälle umgekehrt gerichtet sein. Der O-Ring, ein sonst sehr bewährtes Dichtelement, zeigt in dieser Ventilgattung schon bei mässigen Druckhöhen und bei Unterschreitung einer gewissen Geschwindigkeit der Schieberbewegung Nachteile. Er neigt nämlich zum Herausspringen aus der Nut, wenn sie durch die Steuerkante zum drucklosen Raum hin freigelegt wird. Das führt zu Funktionsstörungen des Ventils
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Herausspringens nicht, weil die Druckbeaufschlagung in den Nutring hinein gerichtet ist.
In beiden Fällen können am O-Ring Verletzungen durch Quetschung dadurch auftreten, dass der Druck Teile des O-Ringes in den zur drucklosen Seite führenden Spalt zwischen Gehäuse und Schieber hineindrückt. Die Erfindung befasst sich vorwiegend mit der schwererwiegenden Gefahr des Herausspringens des O-Ringes.
Die deutsche Auslegeschrift 1191191 zeigt einen Flüssigkeitsverteiler für drei zu je einer Zu- und Rückleitung sowie zu einer dazwischen befindlichen Nutzleitung führende Leitungswege, dessen in Form einer Hülse ausgebildeter Verteilerkörper einen in ihm gleitend angeordneten Schieber umgibt.
Im Schieber sind Ausnehmungen angebracht, die in einer Schieberstellung die Verbindung von Zu- und Nutzleitung und in einer andern Schieberstellung die Verbindung von Nutz- und Rückleitung ermöglichen, wobei solche Verbindungsausnehmungen sowohl im Schieber als auch in der Verteilerhülse angebracht sind und die Ringdichtung zwischen Zu- und Nutzleitung in einer Ringnut der Hülse, die Ringdichtung zwischen Nutz- und Rückleitung in einer Ringnut des Schiebers so untergebracht sind, dass jede Dichtung mit einer Verbindungsausnehmung im andern Bauteil zusammenarbeiten kann.
Nachteilig ist, dass bei diesem Flüssigkeitsverteiler ein Vertauschen der Anschlüsse für die Zu- und Rückleitung wegen der unterschiedlichen Anordnung der Ringnuten nicht möglich ist. Weiterhin wird die Fertigung dadurch erschwert, dass Ringnuten und Verbindungsausnehmungen zum Teil im Schieber und zum Teil im Verteilerkörper angeordnet sind.
Schliesslich sind Dichtringe unterschiedlicher Abmessungen notwendig.
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Wegeventils einerseits mit der kreisförmigen Oberfläche des Ventilgehäuses, anderseits mit der Wand der Nut, die den Dichtring gegen den Strömungsdruck abstützt, in Berührung ist, wobei der Dichtring eine einzige ununterbrochen umlaufende bewegliche in die Richtung entgegen dem höheren Druck zeigende
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Lippe aufweist, die in dichtender Berührung mit dem Boden der Nut steht, und unterhalb der Nut Ablaufbohrungen vorgesehen sind.
Nachteilig hiebei ist, dass ein O-Ring mit besonderem Profil notwendig ist und die Bohrungen schwierig herzustellen sind. Weiterhin muss sich die Lippe stets auf der Seite des höheren Drucks befinden, so dass auch bei dieser Konstruktion ein Vertauschen der Anschlüsse für die Zu- und Rückleitung nicht möglich ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Steuerkante eines Steuerschiebers mit O-Ring-Abdichtung so auszubilden, dass sie das Druckgefälle von der Nut zum Nachbarraum während des öffnens der Nut abbaut, so dass der O-Ring nicht hinausgepresst wird. Diese Wirkung soll eintreten, gleichgültig, ob der öffnungsvorgang langsam oder schnell vor sich geht, gleichgültig auch, ob das Ventil hohe oder niedrige Betriebsdrücke zu bewältigen hat.
Die erfindungsgemässe Lösung besteht darin, dass sich an die Steuerkante des Schiebers zunächst eine in an sich bekannter Weise allmählich verjüngende, dann aber eine sich steil vergrössernde Kegelfläche anschliesst, und dass der grösste Durchmesser der letzteren kleiner ist als der der Steuerkante.
In den Zeichnungen gibt die Fig. l ein Wegeventil nach dem Stand der Technik wieder. Die Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform gemäss der Erfindung, während die Fig. 2a bis 2d den umstrichelten Teil der Fig. 2 bei verschiedenen Schieberstellungen vergrössert wiedergeben.
Alle Darstellungen zeigen ein einfaches Wegeventil, bei dem eine Druckleitung-D-mit einer Verbraucherleitung-V--mittels eines Schiebers-S-verbunden bzw. getrennt werden soll. In den Fig. l und 2 ist der O-Ring im Schiebergehäuse-l-untergebracht. Im Wegeventil Fig. 1 nach dem Stande der Technik bewegt sich der Schieber-S-in Pfeilrichtung nach links, und seine in üblicher Weise ausgebildete Steuerkante --2-- ist im Begriff, die O-Ring-Nut völlig freizugeben.
Bevor das geschieht, dichtet der O-Ring durch Anliegen an der Steuerkante --2-- und an der Nutflanke --3-- den unter Druck stehenden Nutenraum-4-ab, so dass auf den O-Ring eine konzentrische Druckdifferenz in der Richtung zum noch drucklosen Raum --5-- einwirkt (Pfeile 6). Diese Kraft ist
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O-RingO-Ring-Einspannung regelmässig hineindrückt, sobald der Schieber-S-die O-Ring-Nut ganz freigibt. Das geschieht aber nicht, wenn der Betriebsdruck-D-und der entsprechende Druck im Nutenraum - eine mässige Höhe haben und wenn der Schieber --S-- die O-Ring-Nut mit ausreichend hoher Geschwindigkeit freigibt.
Unter diesen Voraussetzungen entspannt sich der Druck im Nutenraum --4-- zum Raum --5-- nämlich schneller als der O-Ring entgegen seiner Eigenspannung und Massenträgheit in Bewegung gesetzt werden kann. überschreitet der Betriebsdruck und unterschreitet die Schiebergeschwindigkeit hingegen gewisse Grenzen, dann wird der O-Ring aus seiner Nut in den Raum --5-- gedrückt.
Wenn sich die Richtung des Betriebsdruckgefälles umkehrt, so dass im Kanal-V-und im Raum--5--Druck herrscht, während der Kanal--D--drucklos ist, dann wird der O-Ring in seine Nut hineingedrückt. Die Gefahr des Herausspringens ist also nicht vorhanden. Aber bei sehr hohen Betriebsdrücken kann er dadurch beschädigt werden, dass geringe Volumina von ihm in den Spalt zwischen Schieber und Gehäuse gequetscht werden.
Die erfindungsgemässe Schiebergestaltung zeigt als Ausführungsbeispiel die Fig. 2. An die eigentliche Steuerkante --7-- des Schiebers --S-- schliesst sich eine sich allmählich verjüngende Kegelfläche --8--, an diese eine sich steil vergrössernde Kegelfläche --9-- an, deren grösster Durchmesser--10--kleiner ist als der der Steuerkante.
Zur Erläuterung der Wirkungsweise dienen die Fig. 2a bis 2d. In Fig. 2a werden die Kanäle-D
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O-Ring hat seinen Durchmesser etwas verkleinert, und er gelangt zu seinem kleinsten Durchmesser, wenn er bei Weiterbewegung des Schiebers, Fig. 2c, in der Hohlkehle liegt, welche die beiden Kegelflächen--8 und 9--bilden. Durch die Werkstoffverformung ist ihm eine gewisse Rückspringspannung erteilt. Nun drückt die Kegelfläche-9-des weiterhin nach links wandernden Schiebers-S-den O-Ring von der Nutenwand --13-- ab und an die gegenüberliegende Nutenwand--14--dichtend an.
Im gleichen Augenblick wird der Druckraum--11--zum
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drucklosen Raum --5-- entlüftet. Danach wirken drei Kräfte auf den O-Ring ein, die ihn in seine Normallage zurückspringen lassen : Die nach links fortschreitende Kegelfläche --9-- erteilt ihm einen mechanischen Aufweitungsimpuls, der verstärkt wird durch eine ihn jetzt ebenfalls aufweitende
Druckdifferenz. Hinzu kommt die den Ausgangsdurchmesser anstrebende Werkstoffspannung. Nach dem
Zurückspringen nimmt der O-Ring die Lage gemäss Fig. 2d ein, in der keine unterschiedlichen Drücke mehr auf ihn einwirken. Es entsteht also keine Ursache für sein Herausspringen aus seiner Nut.
Befindet sich der Steuerschieber-S-auf dem die Kanäle --D und V-- trennenden
Rückweg von links nach rechts, so berührt und beschädigt die Kante-10-den 0-Ring nicht (Fig. 2d) ; ihr Durchmesser ist nämlich kleiner als der Innendurchmesser des in seiner Nut sitzenden O-Ringes. Der Druck im Nutenraum-11-baut sich erst wieder auf, wenn die Kegelfläche-8-, wie etwa in Fig. 2b, den O-Ring von neuem berührt. Dann aber ist die O-Ring-Nut bereits mechanisch fast völlig abgedeckt, so dass der O-Ring nicht mehr herausspringen kann.
Bei der Annahme, das Druckgefälle wäre im Ausführungsbeispiel in umgekehrter Richtung vorhanden, also von V"nach "D", würde der O-Ring bis zur Schieberstellung Fig. 2c an der Nutwand --14-- anliegen und der Nutraum-11-stände unter Druck. Es war klargestellt, dass dabei der O-Ring nicht herausspringen kann. Ein Blick auf die Fig. 2c zeigt, dass die erfindungsgemässe Kegelfläche - 9-dem 0-Ring eine weitere, seine Verformung und damit seine Verquetschung hindernde dritte Anlagefläche bietet. Ausserdem weitet sie bei weiterer Bewegung des Schiebers nach links den O-Ring auf.
Da infolge der vorausgegangenen Verkleinerung des Ringdurchmessers an seiner Aussenhaut Wellungen zumindest aber ungleichmässige Spannungen vorhanden sind, erzeugt die Aufweitung sofort Undichtigkeiten an der Anlagefläche --9--. Infolgedessen wird der 0-Ping-Innendurchmesser von Druck beaufschlagt, und er springt, wie bereits beschrieben und in Fig. 2d dargestellt, in seine Nut zurück.
Die erfindungsgemässe Kegelfläche --9-- erzeugt also in beiden Druckgefällerichtungen fortschrittliche Wirkungen.