Hydrodynamisch ausgeglichenes Drehregelventil
Bei den meisten üblichen Servosteuerventilen wird ein linear bewegbarer Ventilkörper verwendet, der ein oder mehrere Trenustege aufweist, um die Strömung wahlweise zwischen Einlass- und Auslasskanälen zu verteilen. Bei diesen Ventilen zeigen sich bestimmte Schwierigkeiten, deren Ausschaltung durch die Schaffung eines neuartigen Drehsteuerventils die Aufgabe der Erfindung ist. Diese Schwierigkeiten bestehen vor allem darin, dass die hydrodynamischen Kräfte sich dem Öffnen derartiger Ventile widersetzen und grosse Steuerkräfte erfordern. Die Beschaffenheit einiger dieser Kräfte wird zusammen mit verschiedenen Bemühungen, sie auszugleichen, in dem Artikel Compensation of Steady-State Flow Forces In Spool-Type Hydraulic Valves (Ausgleich von konstanten Strömungskräften bei hydraulischen Spulventilen) von R.N.
Clark in Transactions of the ASME , November 1957, behandelt. Es soll hier nur gesagt werden, dass sich diese hydrodynamischen Kräfte aus den erforderlichen Änderungen der Strömungsrichtung des Mediums durch die Kanäle und über den Ventilkörper ergeben, wodurch sich Änderungen des Drehmoments des Mediums ergeben, die die Tendenz zeigen, das Ventil zu öffnen oder zu schliessen. Wenn mehr als ein Satz Kanäle angewandt wird, häufen sich die Kräfte leicht an und gleichen sich nicht gegenseitig aus. Ausserdem sind diese Kräfte nicht gleichmässig, sie erreichen einen maximalen Wert, wenn die Kanäle teilweise geöffnet sind und nehmen danach schnell ab.
Eine verhältnismässig grosse Kraft ist erforderlich, um das Ventil am Anfang zu öffnen, jedoch kann die plötzliche Verminderung des Widerstandes nach einer teilweisen Öffnung ein t2ber- schwingen und übermässiges Öffnen des Ventilkörpers zur Folge haben, worauf ein pendelnder Betrieb folgt, da die Steuerkraft und die hydrodynamische Schliesskraft ein gegenseitiges Gleichgewicht suchen. Dadurch wird die Genauigkeit der Steuereigenschaft des Ventils wesentlich geschmälert.
Das Auftreten einer unausgeglichenen hydrodynamischen Schliesskraft bei einem herkömmlichen Drehschieberventil zeigt dort eine weitere nachteilige Wirkung, wo der Druckabfall des Mediums durch das Ventil schwankt, wenn sich entweder die Durchflussmenge oder der Zuleitungsdruck ändert, da die Grösse dieser Kraft stark von der Massenströmungslgeschwin- digkeit abhängt.
Zusätzliche Nachteile herkömmlicher linearer Drehschieberventile sind die sehr engen Toleranzen, die bei ihrer Herstellung erforderlich sind, sowie geschlossene oder teilweise geschlossene Bereiche, in denen sich Schmutz ansammeln kann, der eine freie Betätigung des Ventilkörpers beeinträchtigen kann.
Aufgabe der Erfindung ist, ein Drehventil zu schaffen, bei dem die hydrodynamischen Kräfte wenigstens teilweise gegeneinander ausgeglichen werden. Unter den Begriff hydrodynamisch fallen hier die Kräfte, die sich aus der Strömung sowohl von Gasen als auch von Flüssigkeiten ergeben. Dabei soll die erforderliche Betätigungs- oder Steuerkraft, der Einfluss der Ventilkörperstellung auf die Grösse der hydrodynamischen Kraft und der Einfluss von Änderungen des Druckes auf der Zuflusseite diese Kraft reduzieren. Gleichzeitig soll ein Ventil geschaffen werden, bei dem das Ansammeln von Schmutz, der den ordnungsgemässen Betrieb beeinträchtigen könnte, wirksam verhindert wird.
Das erfindungsgemässe hydrodynamisch ausgeglichene Drehregelventil ist gekennzeichnet durch einen Ventilblock, der eine zylindrische Kammer aufweist, und einen in der Kammer drehbar gelagerten zylindrischen Ventilkörper, wobei der Ventilblock einen Einlasskanal und einen Auslasskanal aufweist, die an verschiedenen Stellen mit der Kammer in Verbindung stehen; der Ventilkörper mit einem Verteilerkanal ausgebildet ist;
die Kanäle in einer derartigen Relativstellung angeordnet sind, dass eine Winkelbewegung des Ventilkörpers aus einer neutralen Stellung den Querschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Verteilerkanal und einem der Einlass- und Auslasskanäle erhöht und gleichzeitig den Querschnitt der Strömungsverbindung zwischen dem Verteilerkanal und dem anderen der Einlass- und Auslasskanäle vermindert, wodurch die auf den Ventilkörper einwirkenden Drehmomente entgegengesetzt wirken und sich wenigstens teilweise ausgleichen.
In den Zeichnungen, die einige Ausführungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes zeigen, ist bzw. sind:
Fig. 1 ein Querschnitt durch ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventils in Verbindung mit einem Abtastorgan, das zum Feststellen der Stellung eines sich bewegenden bahnförmigen Materials dient, nach der Linie 1-1 in Fig. 2;
Fig. 2 ein Schnitt nach der Linie 2-2 in Fig. 1 in Verbindung mit einer schematischen Darstellung eines Führungssystems zum Steuern der Stellung des genannten Bahnmaterials;
Fig. 3 ein Schnitt nach der Linie 3-3 in Fig. 1 in Richtung der Pfeile;
Fig. 4 ein schematischer Querschnitt, der die Arbeitsprinzipien des Ventils veranschaulicht;
;
Fig. 5 ein Diagramm, das das Verhältnis zwischen den Schliesskräften und dem Grad der Ventilöffnung bei einem erfindungsgemässen Ventil und bei einem herkömmlichen linearen Drehschieberventil zeigt;
Fig. 6 ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventils mit Mitteln zum Steuern der Stellung auf Grund von einer Anzahl von Drucksignalen, welche von den genannten Mitteln integriert werden, wobei das Ventil ausserdem eine Anzahl von strömungssteuernden Ausgängen aufweist;
Fig. 7 ein Schnitt nach der Linie 7-7 in Fig. 6 mit einem beispielsweisen Drucksignalsystem;
Fig. 8 ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventils, der abgeänderte Mittel zum Steuern der Stellung zeigt, in Verbindung mit einem Druckregelsystem;
;
Fig. 9 ein weiterer Schnitt durch das Ventil gemäss Fig. 8, der einen zur Strömungsregelung dienenden Teil zusammen mit dem Rest des Druckregelsystems gemäss Fig. 8 zeigt:
Fig. 10 ein Schnitt durch ein weiteres Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventils, das eine Anzahl von Ventilkörpern zur Rückflussteuerung des Ausganges zusammen mit einem Steuersystem für eine Werkzeugmaschine zeigt, und
Fig. 11 und 12 zwei Endansichten, die zwei Aus führungsbeispiele des Erfindungsgegenstandes bei Absperrventilen zeigen.
Fig. 1-3 zeigen ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des erfindungsgemässen Ventils, das zur Veranschaulichung mit einem Materialbahnführungssystem gekoppelt ist. Es wird jedoch darauf hingewiesen, dass das Ventil bei allen Servosteuersystemen angewandt und dass entweder Luft oder Öl als Betriebsmedium verwendet werden kann.
Das Bahnführungssystem, bei dem das erfindungs gemässe Ventil Anwendung findet, ist in der USA-Patentschrift 2722 415 von G.B. Wood jr., die am 1. November 1955 herausgegeben wurde, beschrieben und beansprucht. Eine beliebig lange Bahn 12 aus Stoff, Papier oder einem anderen Bahnmaterial, die in der mit Pfeilen bezeichneten Richtung läuft, wird mittels einer Walze 74 in einer gewünschten Bahn geführt. Die Walze ist in zwei angelenkten Verbindungsgliedern 72 (Fig. 2) drehbar gelagert und wird von einem doppeltwirkenden Flüssigkeitsmotor 52 in Stellung gebracht.
Die Stellung einer Kante der laufenden Bahn wird von einem bewegbaren Finger 10 festgestellt, dessen Winkelstellung das Ventil 14 steuert. Das Ventil wird von einer Quelle 38 über eine Zuleitung 36 mit Druckluft gespeist und gibt diese über Ableitungen 50 abwechselnd an beide Enden des Zylinders des Flüssigkeitsmotors 52 ab, um die Verbindungsglieder 72 mittels einer mechanischen Verbindung 70 in Stellung zu bringen. Wenn die Bahn 12 in Fig. 2 die Tendenz zeigt, sich nach links zu bewegen, wird durch die sich ergebende Winkelbewegung des Fingers 10 das Ventil so betätigt, dass das linke Ende des Flüssigkeitsmotors 52 mit Druckmedium gespeist und das rechte entlastet wird. Dadurch wird der Kolben nach rechts bewegt und werden die Verbindungsglieder 72 und die Walze 74 nach rechts verschoben, wodurch sich die Walze entgegen dem Uhrzeigersinn neigt.
Durch diese Bewegung wird die Bahn nach rechts in ihre korrekte Stellung verschoben und die Neigung der Walze führt dazu, dass die Bahn sicherer in ihrer Stellung bleibt.
Wenn die Bahn in Fig. 2 die Tendenz zeigt, sich aus ihrer korrekten Bahn nach rechts zu verschieben, erfolgt eine umgekehrte Betätigung, durch die die Bahn auf eine ähnliche Weise zurück in ihre korrekte Bahn gebracht wird. Dieser Mechanismus ist kein Bestandteil der vorliegenden Erfindung, sondern ist lediglich dargestellt, um einen Servomechanismus zu veranschaulichen, bei dem das erfindungsgemässe Ventil als Bestandteil verwendet werden kann.
Das Ventil 14 besteht aus einem Block, in dessen Innern eine zylindrische Kammer 15 vorgesehen ist, deren axiale Enden mit Deckeln 16 und 18 verschlossen sind, die mit nicht dargestellten geeigneten Befestigungselementen an dem Block 14 befestigt sind. In der Kammer 15 ist ein zylindrischer Ventilkörper 20 dreh- bar gelagert. Der Ventilkörper weist gegenüber den Wandungen der Kammer vorzugsweise ein wenig radiales Spiel auf, damit er sich drehen kann und damit Abflussbahnen geschaffen werden, durch die Schmutz oder Fasern, die mit der Luft zugeführt worden sind, von der Kammer entfernt werden können. Eine Ansammlung von Fremdstoffen könnte ein Zusammenhaften bewirken und zur Verhinderung der Winkelverschiebung des Ventilkörpers durch Reibung führen.
Ausserdem wird darauf hingewiesen, dass dieses Spiel es mit sich bringt, dass die Einhaltung enger Toleranzen bei den Abmessungen und der Zylindrizität des Ventilkörpers und des Kanals sich erübrigt.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilkörper in Lagern 24 und 26 drehbar gelagert, die an den Enden der Kammer vorgesehen sind. Wenn ein ausreichend gutes Kräftegleichgewicht erzielt wird, kann auf die Lager verzichtet werden, wobei der Ventilkörper in einem Flüssigkeitslager schwimmt, das in dem ihn umgebenden Spiel hergestellt wird. Es kann wünschenswert sein, den auf die Enden ausgeübten Druck, der eine weitere Reibungshemmung erzeugen würde, mit verschiedenen Mitteln zu vermindern. Ein Verfahren besteht darin, dass die Enden der Kammer mittels Kanälen 60 miteinander verbunden werden, die durch die Kammerwandung gebohrt sind und durch einen gemeinsamen Kanal 64 (Fig.3) miteinander in Verbindung stehen. Die Kanäle 60 stehen über einen weiteren Kanal 62 mit einer Entleerungsleitung 58 in Verbindung.
Bei einem anderen Verfahren sind die Verbindungskanäle 30 im gleichen Abstand von beiden axialen Richtungen gegenüber den Kanälen 46 und/ oder 54 verlängert.
Der fühlende Finger 10 oder irgendein anderes Signalempfangsmittel, ist dadurch an einem Ende des Ventilkörpers 20 angeschlossen, indem er auf einer Welle 21 gelagert ist, die von dem Block vorspringt.
Verschiedene andere Arten von Winkelstellungssteuerungen sind für diesen Verwendungszweck geeignet.
Einige dieser Arten erfordern keine direkte mechanische Verbindung, wie beispielsweise magnetische Stelleinrichtungen und selbstsynchronisierende Einrichtungen für Fernanzeige oder Synchros. Bei der vorliegenden Verwendung des Ventils ist es wünschenswert, den Ventilkörper in Richtung einer neutralen Winkelstellung vorzuspannen, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Zu diesem Zweck ist ein Stabmagnet 64 mittels einer Schraube 65 an dem dem Finger 10 entgegengesetzten Ende des Ventilkörpers angebracht. Der Stabmagnet 64 wirkt mit einem Stabmagnet 66 zusammen, der mittels einer Schraube 68 in dem Deckel 18 befestigt ist. Die Stabmagneten sind in einer Kammer 67 untergebracht, die in dem Deckel 18 vorgesehen ist, wobei ihre entgegengesetzten Pole sich gegenüber liegen und dadurch am Ventilkörper eine elastische Vorspannung in Bezug auf die neutrale Stellung hergestellt wird.
Die Relativstellungen der Stabmagneten können verstellt werden, um die Vorspannung zu ändern.
Die durch die Zuleitung 36 zugeführte Druckluft gelangt in einen in dem Block vorgesehenen Einlasskanal 34, 32. Ein Nadelventil 40 ist bei 42 in den Block geschraubt, und ein elastomerer Dichtungsring 44 dich- tet die Öffnung ab. Das Nadelventil dient dazu, die Menge des dem Ventil und dem zu betätigenden Motor zugeführten Mediums zu regeln. Auf diese Weise wird nur die zur ordnungsgemässen Betätigung des Motors erforderliche Mediummenge zugeführt, wodurch der Mediumverbrauch vermindert wird. Dies trägt auch dazu bei, dass ein Pendeln und Überlaufen des Ventilkörpers verhindert wird.
Das Nadelventil kann auch in einer Entleerungsöffnung 56 angeordnet sein. Dabei wird der Mediumsfluss nicht erhalten, jedoch liegt ein grosser Vorteil bei der schwimmenden Lagerung des Ventilkörpers in einem abgedichteten System vor.
Der Ventilkörper 20 weist einen transversalen Verteilerkanal 28 auf, der Medium von dem Einlasskanal 32, 34 erhält und es an einen von zwei Auslasskanälen 46, 48 abgibt, die zu den Ableitungen 50 führen. Bei der dargestellten neutralen Stellung sind beide Auslasskanäle in gleicher Weise vom Ventilkörper begrenzt und empfangen nur die Luft, die durch das um den Ventilkörper vorgesehene Spiel gelangt. Der Blockabschnitt zwischen den Auslasskanälen kann etwas schmaler oder, wie dargestellt, etwas breiter als der Verteilerkanal 28 sein, was von den gewünschten Ansprecheigenschaften auf die Winkelbewegung des Ventilkörpers abhängt.
Der Ventilkörper weist ausserdem zwei Verbindungskanäle 30 auf, die bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel aus sich in Längsrichtung des Ventilkörpers erstreckenden Oberflächenschlitzen bestehen. Diese Schlitze sind bei der in Fig. 2 dargestellten neutralen Stellung mit gleichem Winkelabstand auf gegenüberliegenden Seiten von den Auslasskanälen 46 entfernt.
Der Relativabstand hängt von der gewünschten Winkelbewegungsempfindlichkeit des Ventilkörpers ab. Die Schlitze erstrecken sich axial bis zu einer neben den beiden abführenden Kanälen 54 liegenden Stelle, die bei diesem Ausführungsbeispiel den gleichen Abstand voneinander um die Kammer 15 haben wie die ableitenden Kanäle 46. Durch eine Drehung des Ventilkörpers in jede der beiden Richtungen wird einer der Verbindungskanäle 30 mit dem entsprechenden Kanal 46 in Verbindung gebracht. Ausserdem wird eine Verbindung zu einem der zur Entleerung dienenden Kanäle 54 hergestellt. Es wird darauf hingewiesen, dass es nicht wichtig ist, zwei Entleerungskanäle vorzusehen.
Dies hängt von Zweckmässigkeitserwägungen ab. Die Betätigung der Vorrichtung wäre ähnlich, wenn diese Kanäle vereinigt wären. Sie führen über einen Kanal 56 zu der Entleerungsleitung 58.
Beim erfindungsgemässen Ventil sollen die am Eingang und am Ausgang des Verteilerkanals wirkenden hydrodynamischen Kräfte gegeneinander ausgeglichen werden, wobei auch die in Verbindungskanälen wirkende hydrodynamische Kraft für den gleichen Zweck verwendet werden kann. Zu diesem Zweck sind die Kanäle so angeordnet, dass der Ventilkörper, wenn er winklig aus seiner neutralen Stellung verschoben wird, gleichzeitig den Querschnitt der Verbindung zwischen einem der Auslasskanäle und dem Verteilerkanal im einen Sinn und den Querschnitt der Verbindung zwischen dem Einlass und dem Verteilerkanal im entgegengesetzten Sinn ändert.
Es wurde festgestellt, dass diese geometrische Anordnung von sich aus zur Folge hat, dass die Änderungen der Strömungsrichtung des Mediums an den entgegengesetzten Enden des Verteilerkanals hydrodynamische Kräfte erzeugen, die die Tendenz zeigen, sich gegenseitig auszugleichen.
Wenn im Ventilkörper Verbindungskanäle vorgesehen sind, wird durch die vorstehend genannte Winkelverschiebung des Ventilkörpers gleichzeitig der Querschnitt der Verbindung zwischen einem von zwei Auslasskanälen und einem entsprechenden Verbindungskanal geändert. Dadurch wird auf den Ventilkörper eine Kraft ausgeübt, die zum dynamischen Gleichgewicht beitragen kann.
Das Ergebnis dieser Vorkehrungen besteht darin, dass die auf den Ventilkörper ausgeübten hydrodynamischen Kräfte wenigstens teilweise ausgeglichen und somit auf einen wesentlich geringeren Wert vermindert werden können als es bei einem gleichwertigen sich linear bewegenden Drehschieberventil der Fall sein würde. Ausserdem ist die reine Kraft über den Bereich der Ventilbewegung gleichmässiger. Die erforderliche Betätigungs- oder Steuerkraft ist dementsprechend nicht nur geringer sondern auch gleichmässiger, so dass eine genauere Steuercharakteristik erzielt wird. Zusätzlich ist vorteilhaft, dass die reine Betätigungskraft wesentlich weniger durch Schwankungen des Druckabfalls im Medium durch das Ventil beeinträchtigt wird, denn bei einer Erhöhung des Druckabfalls steigen die entgegengesetzten hydrodynamischen Kräfte etwa gleichmässig an.
Verschiedene Drehmomenteigenschaften, die für besondere Verwendungszwecke erforderlich sein können, können erzielt werden, indem einfach die relativen Abmessungen und die Relativstellungen der Kanäle verändert werden. Im allgemeinen sind bei Flüssigkeiten und Gasen unterschiedliche Grössen- und Stellungsverhältnisse der Kanäle erforderlich.
Ausserdem ist es auch möglich, dass zwischen dem Ventil Körper und Wandungen der Ventilkammer ein Spiel bilden, das als Durchtrittsweg zwischen den verschiedenen Kanälen dient, um irgendwelchen angesammelten Schmutz zu beseitigen. Die Arbeit des Ventils wird daher über eine längere Benutzungszeit nicht beeinträchtigt, und die Zuverlässigkeit wird erhöht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass Toleranzen weitgehend vernachlässigt werden können.
Um den Ventilkörper in Stellung zu bringen, können mechanische Steuereinrichtungen angewandt werden. Es können auch Flüssigkeitsdrucksignale direkt an Abplattungen oder Rippen des Ventilkörpers angelegt werden, um dessen Stellung durch direkten Einfluss auf das Gleichgewicht der darauf wirkenden hydrodynamischen Kräfte zu steuern. Im letzteren Fall ist es möglich, den Einlasskanal oder die Einlasskanäle im Ventilblock gegenüber der zylindrischen Kammer exzentrisch anzuordnen, so dass der Signaldruck exzentrisch zur Achse des Ventilkörpers angelegt wird. Getrennte Drucksignale können auch gegen entgegengesetzte Seiten einer Rippe oder einer Abplattung gerichtet werden und sich dadurch gegenseitig ausgleichen.
Es kann eine Anzahl von Sätzen von Drnckmedium- einlässen, Verteilerkanälen und Ausiasskanälen in verschiedenen Kombinationen vorgesehen sein, wenn mehr als ein Ausgang geregelt werden soll. Ausserdem kann eine Reihe von Eingangsdrucksignalen an den Ventilkörper angelegt und durch ihren gemeinsamen
Einfluss auf die Ventilkörperstellung integriert werden.
Die Arbeitsweise des Ventils kann am besten unter
Bezugnahme auf Fig. 4 veranschaulicht werden, in der der Ventilkörper gegenüber der neutralen Stellung winklig gedreht ist, wobei der Verbindungsbereich zwi schen dem Verteilerkanal 28 und einem der abführen den Kanäle 46 erhöht ist und ein Druckmediumfluss von dem Einlasskanal 32 in jenen abführenden Kanal hergestellt wird, wie mittels gekrümmter Pfeile veran schaulicht ist. Gleichzeitig steht einer der Verbindungs kanäle 30 mit dem anderen Kanal 46 und einem Ent leerungskanal 54, der in Fig. 4 nicht dargestellt ist, in
Verbindung und stellt einen mittels weiterer gekrümm ter Pfeile dargestellten Luftstrom her.
Der Grad der wirksamen Öffnung des Ventils kann durch das Verhältnis zwischen dem Mass x in Fig. 4 und dem Durchmesser d des Verteilerkanals 28 ausge drückt werden. Wenn dieses Verhältnis einen Wert von
0,5 erreicht, ist das Ventil physikalisch bis zum höch sten Grad geöffnet, obwohl die Strömungsrate bei einer kleineren Winkelbewegung des Ventilkörpers ihren ma ximalen Wert erreichen kann. Durch jede weitere Dre hung in derselben Richtung wird der Verbindungsbe reich zwischen den Kanälen 32 und 28 verringert, ob wohl der Strömungsbereich zwischen den Kanälen 28 und 46 weiter erhöht wird.
Dne veranschaulichten Richtungsänderungen Ider
Luftströmung ergeben Veränderungen des Drehmo ments des Mediums. Dieses Drehmoment übt auf den
Ventilkörper Kräfte aus, von denen einige mittels der
Kraftvektoren F1, F2 und F3 dargestellt sind. Die hy drodynamischen Kräfte F1 und F2 hängen von der Durchflussmenge des Mediums und dessen Geschwindigkeit ab, wobei die Geschwindigkeit mit dem Druckdifferential, das über jeden Einzelbereich sich erstreckt, in Beziehung steht. Aus Fig. 4 geht hervor, dass die Kräfte F1 und F2 Drehmomente herstellen, die in entgegengesetzten Winkelrichtungen auf den Ventilkörper einwirken. Dabei neigt F1 zu einer weiteren Öffnung des Ventils im Uhrzeigersinn und F2 zu einer Schliessung entgegen dem Uhrzeigersinn.
Wenn der Ventilkörper anfangs geöffnet wird, ist die Geschwindigkeit des durch die Kanäle 28 und 46 fliessenden Mediums viel grösser als die des durch die Kanäle 32 und 28 fliessenden Mediums, so dass die Kraft F2 im Verhältnis die grössere ist. Wenn sich das Ventil jedoch weiter öffnet, werden die Bereiche der beiden Begrenzungen gleich und die Kräfte neigen dazu, gegeneinander zu wirken, wodurch die zur Stabilisierung der Bewegung des Ventilkörpers erforderliche Kraft vermindert wird.
Die zusätzliche Kraft F3 gemäss Fig. 4 wird durch den in den Verbindungskanal 30 und hinaus in den Kanal 54 fliessenden Entleerungsstrom erzeugt, ist jedoch kleiner als F1 und F2. Das ausgeübte Drehmoment hängt von dem auf die beiden Seitenwandungen des empfangenden Verbindungskanals 30 ausgeübten Druckdifferentials ab sowie von dem Bereich der Seitenwandungen dieses Kanals und dem Radius des Ventilkörpers. Dieses Drehmoment wirkt auch in einer Richtung, bei der die Schliessung des Ventils erfolgt und unterstützt F2 beim Ausgleichen von F1.
Fig. 5 zeigt ein Diagramm, das das allgemeine Verhältnis zwischen der reinen Schliesskraft und der Ventilöffnung zeigt. Die Kurve 0 zeigt die Eigenschaft des erfindungsgemässen Ventils, während die Kurve R für die allgemeine Eigenschaft eines linearbeweglichen Drehschieberventils kennzeichnend ist. Die Kurven enden bei dem Öffnungsquerschnitt, der die maximale Strömungsrate ergibt.
Wenn das Drehventil geöffnet wird, überschreitet die Vektorsumme der Kräfte F2 und F3 die Kraft F1, weil wie früher beschrieben, durch die entsprechenden Begrenzungen grössere Geschwindigkeiten hergestellt werden. Das reine Schliessdrehmoment erreicht einen Maximalwert, wenn das Ventil wenig geöffnet ist.
Dann verringert sich die reine Kraft, wenn das Ventil seine völlig geöffnete Stellung erreicht.
Wie aus der Kurve R hervorgeht, steigt die Schliesskraft des herkömmlichen sich linear bewegenden Drehschieberventils während der anfänglichen Öffnungsbewegung sehr schnell an und erreicht eine Höhe, die ein Vielfaches der beim erfindungsgemässen Drehventil ausgeübten reinen Kraft beträgt. Jedoch fällt die Kraft bei einem bestimmten Punkt während der Öffnungsbewegung sehr steil ab und fällt auf einen niedrigen Wert, wenn das Ventil völlig geöffnet wird.
Eine wesentlich grössere Betätigungskraft ist daher am Anfang erforderlich, um die Bewegung des linearen Drehschieberventils einzuleiten und zu steuern. Jedoch kann diese Kraft die reine Schliesskraft R ganz plötzlich überwinden, wenn der Spitzenwert der letzteren überschritten wird. Folglich besteht bei diesem Ventil die Möglichkeit, dass es sich übermässig öffnet, woran sich eine umgekehrte Schliessbewegung anschliesst.
Dies führt zu instabilem Pendeln. Da die hydrodynamische Kraft, die auf das Ventil ausgeübt wird, ausser dem stark von der Druckhöhe abhängt, verursachen
Schwankungen des Zuleitungsdruckes sehr beträchtli che Änderungen der Schliesskraft, woraus sich eine weitere Instabilitätsquelle ergibt.
Der Ausgleich hydrodynamischer Kräfte bei dem erfindungsgemässen Ventil vermindert die Grösse der erforderlichen gesamten Steuerkraft, so dass weniger massive und somit empfindlichere Steuerelemente verwendet werden können. Dazu kommt, dass die Grösse der SchliesslLraft nicht so stark von dem Öffnungsgrad des Ventils abhängt, so dass die Neigung zum Über- schwingen und damit das Eintreten eines instabilen pendelnden Betriebes wesentlich vermindert wird. Da Schwankungen des Zuführdruckes sich ausserdem gleichmässig auf die Kräfte F1 und F2 auswirken, werden Veränderungen der reinen Schliesskraft wesentlich vermindert.
Es ist zu beachten, dass von der Möglichkeit Gebrauch gemacht werden soll, eine Winkelbewegung des Ventilkörpers aus der neutralen Stellung heraus zur Erzeugung von einander entgegengesetzten hydrodynamischen Kräften zu benützen. Dies kann dadurch herbeigeführt werden, dass der Verbindungsquerschnitt zwischen dem Verteilerkanal und dem Auslasskanal vergrössert wird, während gleichzeitig der Verbindungsquerschnitt zwischen dem Verteilerkanal und dem Einlasskanal wie bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel verringert wird. Andererseits kann der Auslassquerschnitt vermindert werden, während der Einlassquerschnitt vergrössert wird. Bei beiden Arbeitsweisen werden die Kräfte F1 und F2 entgegengesetzt und dadurch gegenseitig ausgeglichen.
Wenn beide Querschnitte zusammen vergrössert oder verringert würden, würden die Drehmomente in derselben Drehrichtung wirksam und würden sich nicht gegenseitig ausgleichen.
Die Ausbildung der Verbindungskanäle 30 als Längsnuten im Ventilkörper wird bevorzugt. Sie können jedoch variiert werden. So können sie sich beispielsweise parallel zum Verteilerkanal 28 durch den Ventill;örper erstrecken und von dort aus mit geeigneten Entleerungskanälen in Verbindung stehen.
Fig. 6 und 7 zeigen ein abgeändertes Ventil, bei dem eine Anzahl von entgegengesetzten Flüssigkeitsdrucksignalen summiert oder integriert werden kann.
Dieses Ventil ist auch zur Steuerung von vielfältigen Druckmediumsströmen geeignet. Ein länglicher Ventilblock 82 weist eine zylindrische Kammer 84 auf, in der ein zylindrischer Ventilkörper 86 drehbar untergebracht ist. In diesem Falle schwimmt der Ventilkörper frei in einem Luftlager innerhalb der Kammer, und keine mechanischen Lager werden verwendet. Der Ventilkörper weist eine Anzahl von paarweisen stirngefrästen Schlitzen 98 auf, die im Abstand über die Peripherie verteilt sind, so dass eine Reihe von Rippen 100 gebildet wird, die sich radial zum Ventilkörper erstrecken. Auf die gegenüberliegenden Seiten jeder Rippe 100 werden zwei entgegengesetzte Druckmediumsignale angelegt, um das Ventil winklig in tÇbereinstim- mung mit der Summe oder dem Integral der verschiedenen Signale in Stellung zu bringen.
Eines der die Stellung steuernden Signalsysteme ist in Fig.7 dargestellt. Dieses System weist zwei Leitungen 102 und 104 auf, die exzentrisch durch die Wandung der Kammer 84 laufen und entgegengesetzte Druckmediumströme gegen die Seiten der Rippe 100 richten.
Zwecks Veranschaulichung liefert eine Druckluftquelle 108 einen Mediumsstrom mit begrenzter Strömungsrate für beide Leitungen, jedoch weist eine von ihnen einen Abzweigkanal 110 auf, der eine Entleerungsöffnung bildet, die unter dem Einfluss eines angelenkten Fingers 112 steht. Die Stellung des Fingers wird von einem Stab 114 gesteuert, der mit einer Solenoidwicklung 116 in Übereinstimmung mit jeder gewünschten Signalpunktion zusammenwirkt. Der wirksame Bereich des Abzweigkanals 110 wird durch die Stellung des Fingers 112 gesteuert, der somit die Menge des aus der Leitung 104 entleerten Druckmediums steuert. Wenn der Finger 112 angehoben wird, wird durch die sich ergebende Verminderung der Strömungsrate des gegen die rechte Seite der Rippe 100 wirkenden Drucks der Ventilkörper 86 im Uhrzeigersinn geschwenkt.
Ein gleiches System oder irgendein anderes geeignetes System zum Herstellen von Eingangssignalmediumströmen ist für jede der Rippen 100 vorgesehen, und das sich ergebende Kräftegleichgewicht, das auf alle Rippen einwirkt, bestimmt die Winkelstellung des Ventilkörpers, wobei alle Einzel-Eingangssignale summiert werden.
Das Ventil gemäss Fig. 6 und 7 kann auch eine Anzahl von Druckmediumströmen durch eine Reihe von Abflussleitungen 96 steuern. Entsprechende Verteilerkanäle 94 erstrecken sich durch den Ventilkörper 86, und eine abgezweigte Einlassleitung 92 speist jeden der Verteilerkanäle. Die verschiedenen Ströme können unter unterschiedlichem Druck stehen, der durch Regelventile 88, 90 oder dergleichen hergestellt wird.
Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Variante, bei der der Ventilkörper 138, der drehbar in einem Block 144 gelagert ist, eine Abplattung 140 aufweist, die zur Steuerung der Stellung dient. Entgegengesetzte Flüssigkeitssignalströme werden durch Leitungen 124 und 130 zugeführt und exzentrisch zum Ventilkörper so gegen die Abplattung gerichtet, dass entgegengesetzte Drehmomente hergestellt werden. Dadurch wird der Ventilkörper gemäss dem Verhältnis zwischen den Strömungsraten der beiden Ströme in Stellung gebracht. Ein Entleerungsausgang 142 sorgt für die Abgabe der Mediumsströme, nachdem sie die Abplattung 140 beaufschlagt haben.
Das Ventil ist Bestandteil eines Geschwindigkeitsregelsystems, das hier beispielsweise bei der Regelung eines rotierenden Druckluftmotors 150 Anwendung findet. Eine Druckluftquelle 120 speist eine Zuflussleitung 122, und die Strömung durch eine Auslassleitung 148 und zu dem Druckluftmotor 150 wird von einem im Ventilkörper 138 vorgesehenen Verteilerkanal 146 gesteuert. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist nur eine Auslassleitung erforderlich. Die Druckluftquelle speist ausserdem die Signaldruckleitungen 124 und 130. Eine ausgeglichene Anordnung wird dadurch erzielt, dass verstellbare Öffnungen, die verstellbare Drossel- oder Nadelventile 126, 128 und 132 aufweisen, jeweils in einer der Leitungen 124 und 130 und in dem sie verbindenden Teil der Leitung 122 vorgesehen sind.
Eine Rückflussleitung 136 verbindet die Auslassleitung 148 mit der Leitung 130 über ein verstellbares Drosseloder Nadelventil 134. Somit ist das Signal in der Leitung 124 ein Bezugssignal, während das Signal in der Leitung 130 von einem Rückflussignal moduliert wird, das den Druck in der Auslassleitung 148 angibt.
Die Geschwindigkeit des Druckluftmotors 150 hängt von der Strömungsrate in der Auslassleitung 148 ab. Wenn der Motor aus irgendeinem Grund abgebremst wird, beispielsweise wenn die Belastung erhöht wird, vermindert sich die Strömungsrate und . gibt durch die Leitung 136 ein erhöhtes Drucksignal an die Signalleitung 130 ab. Umgekehrt wird der Motor bei einer Belastungsverminderung beschleunigt, so dass sich die Strömungsrate in der Auslassleitung 148 erhöht und sich folglich der rückwirkende Druck in der Rückflussleitung vermindert.
Bei konstanten Geschwindigkeitsverhältnissen sind die Drucksignale in den Leitungen 124 und 130 ausgeglichen, so dass der Ventilkörper eine Stellung annimmt, in der eine ausreichende Strömungsrate zum Druckluftmotor aufrechterhalten wird, so dass dieser mit gleichbleibender Geschwindigkeit angetrieben wird.
Wenn sich die Geschwindigkeit jedoch vermindert, wird durch das Ansteigen des Signaldrucks in der Rückflussleitung 136 die Strömungsrate durch die Si gnalleitung 130 erhöht, so dass sich der Ventilkörper entgegen dem Uhrzeigersinn dreht und folglich eine Er höhlung der Strömung durch den Verteilerkanal 146 zu dem Druckluftmotor stattfindet, bis die erhöhte Belastung ausgeglichen und die ursprüngliche Geschwindigkeit wieder aufgenommen wird. Umgekehrt wird durch eine Erhöhung der Geschwindigkeit des Druckluftmotors der rückwirkende Druck in der Rückflussleitung 136 vermindert, so dass sich der Ventilkörper im Uhrzeigersinn dreht und die Strömungsrate vermindert, damit die Geschwindigkeit ihren normalen Wert wieder annimmt.
Das gleiche System kann für die Regulierung der Geschwindigkeit eines sich linear bewegenden Flüssigkeitsmotors oder eines Betätigers angewandt werden.
In Fig. 10 ist ein Ventil dargestellt, das eine Anzahl Ventilkörper 184, 186 und 188 aufweist, die sich unabhängig voneinander verschieben können, damit zwei unabhängige Variablen miteinander in Beziehung gebracht und in einem gewünschten Verhältnis gehalten werden können. Das System, bei dem dieses Ventil hier beispielsweise verwendet wird, dient dazu, ein vorbestimmtes Verhältnis zwischen der Rotationsgeschwindigkeit eines Fräsers 162 und der Vorschubgeschwindigkeit eines Werkstückes 160 zum Fräser aufrechtzuerhalten. Der Fräser wird von einem rotierenden Flüssigkeitsmotor 164 angetrieben, der ausserdem einen Tachometer 166 antreibt, während das Werkstück auf einem Tisch 170 aufliegt, der von einem Flüssigkeitsmotor 168 angetrieben wird.
Eine gemeinsame Druckmediumquelle 172 liefert Medium für beide Motoren 164 und 168 und für das Steuerventil.
Der Ventilkörper 184, 186 und 188 sind in einem gemeinsamen Ventilblock 182 untergebracht, und jeder Ventilkörper weist eine zur Steuerung der Stellung dienende Rippe 190 und einen Verteilerkanal 192 auf, die den entsprechenden Teilen früher beschriebener Ausführungsbeispiele ähneln. Der Ventilblock weist eine Reihe von Einlassleitungen 210, 212 und 214 auf, von denen jeweils eine für jeden Ventilkörper vorgesehen ist. Die Einlassleitungen werden von einer gemeinsamen Leitung 215 gespeist. Der Block weist ausserdem eine Reihe von Auslassleitungen 205, 207 und 198 auf, wobei hier für jeden Ventilkörper nur eine Auslassleitung erforderlich ist. Die Auslassleitungen sind ähnlich wie in Fig. 9 winklig versetzt.
Die Mediumströme, die auf die unteren Oberflä- chen jeder Rippe 190 in Fig. 10 aufgebracht werden, liefern Bezugssignale, die von der gemeinsamen Leitung 215 über Leitungen 202, 208 und 216 abgenommen werden, wobei jede eine verstellbare Öffnung aufweist, die durch Drosselventile 204, 206 und 218 hergestellt wird.
Die Geschwindigkeit des Fräsers 162 steht mit der Geschwindigkeit der Flüssigkeitsströmung durch die Auslassleitung 207 in Beziehung, die den Motor 164 speist. Rückwirkender Druck, der umgekehrt mit der Motorgeschwindigkeit in Beziehung steht, wird über eine ein verstellbares Drosselventil 211 aufweisende Abzweigleitung 209 von der Auslassleitung 207 abgenommen und als Signalstrom entgegen dem Bezugssignal an den Ventilkörper 188 angelegt. Die vom Ventilkörper 188 freigegebene Mediumsmenge erscheint in der Ausflussleitung 198 und wird durch ein verstellbares Drosselventil 199 zurückgeleitet, um als einer von zwei variablen Komponenten zu wirken, die sich auf den Signalstrom auswirken, der von einer Signalleitung 200 gegen den Ventilkörper 84 gerichtet wird.
Eine zweite Komponente, die sich auf dieses Signal auswirkt, entspricht der Vorschubgeschwindigkeit des Werkstückes, die von dem Motor 168 hergestellt wird. Dieser Motor wird über eine Leitung 174, ein Regelventil 176 und eine Leitung 180 mit einem Antriebsmedium gespeist.
Die Strömungsrate durch die Leitung 180 steht direkt mit der Geschwindigkeit des Motors 168 in Beziehung.
Ein rückwirkendes Drucksignal, das umgekehrt mit dieser Geschwindigkeit in Beziehung steht, wird dadurch empfangen, dass die Leitung 198 über ein verstellbares Drosselventil 196 an der Leitung 180 angeschlossen ist, und wird zur Signalleitung 200 zurückgeleitet. Somit stellt die auf den Ventilkörper 184 einwirkende Signalströmung eine Addition des Signals der Fräsergeschwindigkeit und des Signals der Vorschubgeschwindigkeit dar. Die Stellung des Ventilkörpers 184, die sich durch das Ausgleichen dieses zusammengesetzten Signals gegenüber dem Bezugssignal ergibt, bestimmt die Strömungsrate durch die Auslassleitung 205 und ein Drosselventil 203. Diese Strömung erscheint als ein Signalstrom, der auf den Ventilkörper 186 einwirkt.
Der Ventilkörper 186 steuert den Endausstoss, der aus der Mediumszufuhr zu dem Motor 164 des Fräsers besteht. Das durch die Leitung 205 empfangene Eingangssignal steuert die Stellung des Ventilkörpers 186 gegenüber dem ausgleichenden Bezugsdruck in Über- einstimmung mit der Geschwindigkeit. Demzufolge wird der Motor 164 nur so lange mit einer feststehenden Geschwindigkeit angetrieben wie die Vorschubgeschwindigkeit in einem vorbestimmten Verhältnis zu der Geschwindigkeit des Fräsers gehalten wird. Wenn sich die Vorschubgeschwindigkeit auf Grund einer Änderung des Fräserdruckes, des Druckes des zugeführten Mediums oder dergleichen ändert, wird die Fräsergeschwindigkeit verändert, um ihr ursprüngliches Verhältnis zur Vorschubgeschwindigkeit aufrechtzuerhalten.
Selbstverständlich dient das in Fig. 10 darge stellte System lediglich zur Veranschaulichung. Es können natürlich zwei oder mehr variable Funktionen durch die Verwendung von so viel unabhängigen Ventilkörpern in Beziehung gebracht werden, wie es für die jeweils vorliegenden Funktionen erforderlich ist.
Fig. 11 und 12 zeigen zwei Anwendungsbeispiele der Erfindung bei Absperrventilen. In Fig. 11 sitzt ein Ventilkörper 232 fest in einer zylindrischen Kammer im Ventilblock 230 und ist mit Hilfe von irgendwelchen geeigneten Mitteln (nicht dargestellt) drehbar. Bei der dargestellten geschlossenen Stellung steht der Einlasskanal 234 voll mit dem Verteilerkanal 236 und mit einer erweiterten Kammer 238 in Verbindung, die zu einem Auslasskanal 248 führt. Durch den Mediumsdruck wird eine Kugel 240 gegen einen konischen Ventilsitz 239 gedrückt, um den Auslasskanal abzudichten.
Ein Bypasskanal 246 ist durch einen Einsatz 242 von der Kammer 238 getrennt, weist eine Öffnung 244 neben dem Sitz auf und wird mittels der Kugel 240 abgedichtet, wenn das Ventil geschlossen ist. Durch eine Drehung des Ventilkörpers 232 im Uhrzeigersinn wird der Bypasskanal für die Strömung des Mediums gegen die Seite der Kugel 240 geöffnet. Die Strömung verschiebt die Kugel von dem Sitz, so dass sie durch den Auslasskanal 248 abfliessen kann. In dieser Stellung ist der Öffnungsbereich zwischen den Kanälen 234 und 236 etwas verringert. Dies ist auch zwischen den Kanälen 236 und 238 der Fall, während der Verbindungsbereich zwischen den Kanälen 236 und 246 erhöht wird.
Somit erzeugt die Strömung durch den zuletzt genannten Kanal ein hydrodynamisches Drehmoment, das die Tendenz zeigt, das Ventil durch eine Rotation entgegen dem Uhrzeigersinn zu schliessen, während die Strömung durch die anderen beiden Verengungen dazu neigt, das Ventil weiter zu öffnen. Die erforderliche Form und Abmessung der Kanäle kann die auf den Ventilkörper einwirkenden Drehmomente im wesentlichen ausgleichen. Durch eine Rückkehr des Ventilkörpers in die dargestellte Stellung wird die Strömung durch den Kanal 246 beendet, und die Kugel gelangt wieder auf ihren Sitz, um das Ventil abzudichten.
In Fig. 12 ist ein ähnlicher Ventilkörper 262 in einer Kammer des Blocks 260 untergebracht, um die Strömung von einem Einlasskanal 264, durch einen Verteilerkanal 266 und eine erweiterte Kammer 268 zu einem Auslasskanal 278 zu steuern. In der dargestellten geschlossenen Stellung sitzt die Kugel 270 abdichtend auf einem konvergierenden Sitzteil 269, der in einer Wandung der Kammer 268 vorgesehen ist. Ein Bypasskanal 276 ist einem Einsatz 272 vorgesehen und wird normalerweise von der Kugel verschlossen. Der Bypasskanal ist so angeordnet, dass eine Drehung der Spule entgegen dem Uhrzeigersinn einen Druckmediumstrom durch ihn gegen die Kugel richtet, um diese von ihrem Sitz zu lösen und parallele Strömungen durch die Kammer 268 und den Kanal 276 zu dem Auslasskanal 278 zu gestatten.
Im wesentlichen die gleichen Erwägungen wie bei der Konstruktion gemäss Fig. 11 treffen für das Gleichgewicht dieses Ventils zu.
Dieses Absperrventil kann ohne weiteres für verschiedene Verwendungszwecke, beispielsweise für Haushalthähne, leichte oder schwere Industrieventile und viele andere Zwecke, angepasst werden. Bei ihm verbinden sich gute Dichtungseigenschaften mit einem Ventilkörper, der nur eine sehr geringe Öffnungs- oder Schliesskraft benötigt, da der Druck des Mediums selbst das Ventil abdichtet. Aus diesem Grunde braucht auf den Ventilkörper keine mechanische Kraft ausgeübt zu werden. Zur Stabilisierung der Strömung kann die Anordnung einer Feder, einer zusätzlichen Öffnung oder anderer Mittel erforderlich sein, um die Kugel oder ein anderes Ventilelement zum Sitz hin oder vom Sitz weg vorzuspannen.
Das allgemeine Prinzip besteht darin, dass eine hydrodynamische Kraft verwendet wird, um das Ventilelement bei der Ventilschliesstellung des Ventilkörpers zu schliessen und es bei der Ventiloffenstellung des Ventilkörpers zu öffnen.