DE102004023979B3

DE102004023979B3 - Vorgesteuertes Mehrwegeventil

Info

Publication number: DE102004023979B3
Application number: DE200410023979
Authority: DE
Inventors: Maurice Bonnin
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2004-05-14
Filing date: 2004-05-14
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2024-05-15

Abstract

Vorgesteuertes Mehrwegeventil mit einem elektropneumatischen Vorsteuerventil, dessen Steuerdruck ein in einem Ventilgehäuse (1) bewegbar untergebrachtes Schaltglied betätigt, welches einen Druckmittelstrom zwischen mindestens zwei am Ventilgehäuse angeordneten äußeren Anschlüssen (A, P, R) schaltet, wobei das Ventilglied nach Art eine schwenkbar im Ventilgehäuse (1) gelagerten Wipphebels (5) ausgebildet ist, dessen erster Wipparm (6) von einer Differenzkolbenanordnung (8) zur Betätigung des Wipphebels (5) durch einen gegen den Steuerdruck (P¶St¶) rückstellend wirkenden Speisedruck (P) bewegbar ist, um über den zweiten Wipparm (7) mindestens einen Ventilsitz (3, 4) zum Schalten des Druckmittelstroms zu betätigen.

Description

Die Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Mehrwegeventil mit einem elektropneumatischen Vorsteuerventil, dessen Steuerdruck ein in einem Ventilgehäuse bewegbar untergebrachtes Schaltglied betätigt, welches einen Druckmittelstrom zwischen mindestens zwei am Ventilgehäuse angeordnete äußere Anschlüssen A, P, R schaltet.
Das Schaltglied eines Mehrwegeventils kann zum Einen direkt manuell oder über einen Elektromagneten betätigt werden. Zum anderen kann die Betätigung über einen Steuerdruck einer Vorsteuerung erfolgen. Bei einer Vorsteuerung steht das Ventilglied mit einer Kolben-Zylinder- Anordnung zur Betätigung des Ventilgliedes in Verbindung. Die Kolben- Zylinder-Anordnung ist zu diesem Zweck mit dem Steuerdruck beaufschlagbar. Die vorliegenden Erfindung konzentriert sich auf das Gebiet derartiger vorgesteuerter Mehrwegeventile.

Aus der DE 102 18 759 A1 geht ein gattungsgemäßes vorgesteuertes Mehrwegeventil hervor. Dieses ist nach Art eines Schieberventils aufgebaut. Dementsprechend ist das Ventilglied als Ventilschieber ausgebildet. Durch Axialverstellung des Ventilschiebers in die beiden definierten Schaltpositionen erfolgt ein Schalten des Druckmittelstroms an den äußeren Anschlüssen. So können bei dem hier exemplarisch dargestellten 2/5- Wegeventil zwei Arbeitsanschlüsse entweder belüftet oder entlüftet werden. Der Ventilschieber weist zum Antrieb einen stirnseitig angeordneten Steuerkolben auf, der mit einer korrespondierenden Steuerkammer eine Kolben- Zylinder- Anordnung bildet. Durch Beaufschlagung der Kolben-Zylinder- Anordnung mit einem Steuerdruck wechselt der Ventilschieber seine Schaltposition. Der Steuerdruck wird gewöhnlich von einem kleinbauenden Vorsteuerventil aufgebracht, welches am Gehäuse des Mehrwegeventils angebracht ist und über den Speiseanschluss des Mehrwegeventils mit Speisedruck versorgt wird.

Mit einem vorgesteuerten Schieberventil der vorstehend beschriebenen Art sind Druckmittelströme sehr hoher Durchflussraten in der Praxis schaltbar. Daher wird zum Schalten von Druckmittelströmen hoher Durchflussraten gewöhnlich auf Schieberventile zurückgegriffen. Der langgestreckte Ventilschieber bestimmt im wesentlichen Maße die äußeren geometrischen Abmessungen eines Schieberventils, was dem Kompaktheitsgrad insoweit Grenzen setzt. Weiterhin ist eine recht komplizierte Steuerkanalführung innerhalb des Ventilgehäuses erforderlich, um beispielsweise den Speisedruck vom zentralen Speisedruckanschluss P auch dem Pilotventil zur Verfügung zu stellen. Dieser Aspekt ist insbesondere bei der Formgebung des Ventilgehäuses durch Spritzgießen hinderlich.

Weiterhin ist es bei der Umsetzung eines monostabilen Mehrwegeventils erforderlich, über eine separate Rückstellfeder die Rückstellung des Ventilschiebers in die unbetätigte Ausgangsposition zu bewerkstelligen. Aufgrund der durch das Ventilschieberprinzip bedingten recht hohen Reibkräfte zwischen Ventilschieber und Ventilgehäuse sowie den recht langen Hüben zum Schalten des Druckmittelflusses treten recht lange Schaltzeiten auf.

Aus der DE 198 54 620 C2 ist eine Ventileinrichtung bekannt, bei welcher über einen Wipphebel zwei Verschlusspartien abwechselnd auf jeweils einen von zwei Ventilsitzen aufgelegt bzw. von denselben abgehoben werden können. Dabei muss der Wipphebel auf beiden Hebelseiten betätigt werden, wodurch zwei Betätigungselemente und demzufolge auch zwei Steuerleitungen benötigt werden.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein vorgesteuertes Mehrwegeventil zu schaffen, das sich durch einen einfachen und kompakten Aufbau sowie durch kurze Schaltzeiten auszeichnet.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem vorgesteuerten Mehrwegeventil gemäß des Oberbegriffs von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das Ventilglied des vorgesteuerten Mehrwegeventils nach Art eines schwenkbar im Ventilgehäuse gelagerten Wipphebels ausgebildet ist, dessen erster Wipparm von einer Differenzkolbenanordnung zur Betätigung des Wipphebels durch einen gegen den Steuerdruck Pst rückstellend wirkenden Speisedruck P bewegbar ist, um über den zweiten Wipparm mindestens einen Ventilsitz zum Schalten des Druckmittelstromes zu betätigen.

Die erfindungsgemäße Lösung wendet sich somit vom Ventilschieberprinzip ab und macht vom Ventilsitzprinzip Gebrauch, wobei eine Betätigung des mindestens einen Ventilsitzes über einen speziell angetriebenen Wipphebel erfolgt. Mit der erfindungsgemäßen Lösung sind mit einem recht geringen (Vor-) Steuerdruck recht hohe Schaltdrücke schaltbar. Somit verfügt das erfindungsgemäße vorgesteuerte Mehrwegeventil über einen beachtlichen.

Verstärkungsfaktor. Das Wipphebelprinzip führt dabei zu extrem kurzen Schaltzeiten, da Reibungsverluste aufgrund von Relativbewegungen zwischen einem Ventilglied und dem Ventilgehäuse minimal sind, sich hier lediglich auf die Lagerstelle des Wipphebels konzentrieren. Weiterhin erfordert das erfindungsgemäße Mehrwegeventil kein Federelement zum Rückstellen des Ventilgliedes in seine unbetätigte Ausgangsstellung; dieses erfolgt allein durch den Speisedruck P. Darüber hinaus ermöglicht der Wipphebel als zentrales Konstruktionselement eine äußerst kompakte Bauform für ein vorgesteuertes Mehrwegeventil.

Vorzugsweise ist die dem Wipphebel betätigende und gleichzeitig rückstellende Differenzkolbenanordnung aus einem ersten Kolben größeren Durchmessers für den Steuerdruck Pst sowie einem koaxial gegenüberliegend angeordneten zweiten Kolben kleineren Durchmessers für den Speisedruck P gebildet, die über einen beide Kolben ortfest miteinander verbindenden Steg schwenkbar am ersten Wipparm gelagert sind. Somit lässt sich die Differenzkolbenanordnung recht einfach als einstückiges Bauteil durch Spritzgießen herstellen und mit außenradialen Dichtringen zur dynamischen Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse ausrüsten.

Eine besonders zuverlässige Funktionsweise des erfindungsgemäßen Mehrwegeventils wird dadurch erreicht, indem das Flächenverhältnis zwischen dem ersten Kolben, dem zweiten Kolben sowie dem Ventilsitzdurchmesser so bemessen ist, dass eine alleinige Beaufschlagung des zweiten Kolbens kleineren Durchmessers zu einem dichten Verschluss des Ventilsitzes zwischen dem Speisedruckanschluss P und dem Arbeitsanschluss A führt, wogegen eine gemeinsame Beaufschlagung des ersten Kolbens größeren Durchmessers und des zweiten Kolbens kleineren Durchmessers – das heißt beim Betätigen des Mehrwegeventils – zu einem Öffnen des Ventilsitzes zwischen dem Speisedruckanschluss P und dem Arbeitsanschluss A führt. Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn der zweite Kolben zum ersten Kolben in einem Flächenverhältnis von 1 : 1,75 steht, und dass der Ventilsitz zum kleinen Kolben ebenfalls in diesem Flächenverhältnis steht.

Die Hebelverhältnisse der auf den Wipphebel einwirkenden Kräfte bestimmt die Funktion sowie den Verstärkungsfaktor des Mehrwegeventils. Dementsprechend kann der erste Kolben größeren Durchmessers von dem Vorsteuerventil mit dem Steuerdruck Pst beaufschlagt werden, um verstärkt durch den Wipphebel den Speisedruckanschluss P mit dem Arbeitsanschluss A zu verbinden (Belüftung). Um den Arbeitsanschluss A andererseits mit einem Entlüftungsanschluss R zu verbinden (Entlüftung) ist vorteilhafterweise der zweite Kolben kleineren Durchmessers permanent vom Speisedruck P beaufschlagt, so dass der Wipphebel bei Nichtvorhandensein von Steuerdruck Pst automatisch in seine Ausgangslage gelangt.

Zur Bildung eines 3/2- Wegeventils sollten gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme genau zwei einander gegenüberliegend im Ventilgehäuse ausgebildete Ventilsitze über einander gegenüberliegende Dichtflächen am distalen Ende des zweiten Wipparms betätigt werden.

Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme erfolgt die schwenkbare Lagerung des Wipphebels durch eine zentrale kugelförmige Anformung am Wipphebel, welche mit einer korrespondierenden Ausnehmung seitens des Ventilgehäuses eine Lagerstelle mit einem Freiheitsgrad bildet. Die Montage des Ventilhebels kann somit in einfacher Weise über ein in der Ebene der Lagerstelle zweigeteiltes Ventilgehäuse erfolgen, in dem die Lagerstelle für den Wipphebel durch Zusammenfügen beider Gehäuseteile auf einfache Weise gebildet wird.

Ein weiterer fertigungstechnischer Vorteil wird erreicht, wenn der zweite Wipparm im Bereich des mindestens einen Ventilsitzes mit Dichtungen ausgestattet ist, welche direkt an dem aus Kunststoff bestehenden Wipphebel durch 2K- Spritzgießen angeformt sind. Montagefehler durch vergessene Dichtungen werden somit ausgeschlossen und die Dichtung ist an der richtigen Stelle unverlierbar fixiert. Auf dieselbe Weise können auch die Bereich der Kolben der Differenzkolbenanordnung vorzusehenen dynamischen Dichtungen direkt an der aus Kunststoff bestehenden Differenzkolbenanordnung durch 2K- Spritzgießen auf einfache Weise angeformt werden.

Eine zusätzliche die Erfindung verbessernde Maßnahme besteht darin, dass das distale Ende des ersten Wipparms mit einem Handhilfsbetätigungsmechanismus ausgestattet werden kann, um ein hilfsweise manuelles Schalten des Mehrwegeventils, ohne Bestromung des Vorsteuerventils, zu ermöglichen.

Als Vorsteuerventil für das erfindungsgemäße Mehrwegeventil eignet sich insbesondere ein elektropneumatisches Vorsteuerventil nach Art eines Patronenventils, welches austauschbar in einem im Wesentlichen parallel zum Wipphebel verlaufenden Ausnehmung im Ventilgehäuse untergebracht ist. Diese Detaillösung trägt zur weiteren Steigerung der Kompaktheit des erfindungsgemäßen, vorgesteuerten Mehrwegeventils bei.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein vorgesteuertes Mehrwegeventil mit einem Wipphebel als Ventilglied in der unbetätigten Ausgangsstellung,
2 einen Längsschnitt des Mehrwegeventils nach 1 in der betätigten Schaltstellung, und
3 einen Längsschnitt des Mehrwegeventils nach 1 in der Betätigungsstellung über Handhilfsbetätigung.
Das vorgesteuerte 2/3- Wegeventil nach 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 1, welches aus zwei Gehäuseteilen 2a und 2b zusammengesetzt ist. Das insoweit geteilte Ventilgehäuse 1 gestattet eine Montage der inneren Bauteile. Außen am Ventilgehäuse 1 ist ein Speisedruckanschluss P, ein Entlüftungsanschluss R sowie ein Arbeitsleitungsanschluss A angeordnet. Im Inneren des Ventilgehäuses 1 ist ein Ventilsitz 3 zur Belüftung des Arbeitsanschlusses A vorgesehen, welchem ein weiterer Ventilsitz 4 zur Entlüftung des Arbeitsanschlusses A gegenüberliegt. Insoweit steht am Ventilsitz 3 zur Belüftung der Speisedruck P an, wogegen der Ventilsitz 4 zur Entlüftung mit dem Entlüftungsanschluss R durch ventilinterne Kanäle in Verbindung steht. Die einander gegenüberliegenden Ventilsitze 3 und 4 sind wechselseitig mittels eines Wipphebels 5 betätigbar. Der Wipphebel 5 ist schwenkbar im Ventilgehäuse 1 gelagert und weist einen ersten Wipparm 6 zur Betätigung des Wipphebels 5 auf; der zweite Wipparm 7 dient dagegen als Verschluss zum wechselseitigen Betätigen der Ventilsitze 3 und 4. Hierzu ist das distale Ende des zweiten Wipparms 7 mit einander gegenüberliegenden Dichtflächen versehen.
Die Betätigung des Wipphebels 5 erfolgt im normalen Betrieb über eine Differenzkolbenanordnung 8. Die Differenzkolbenanordnung 8 besteht aus eine ersten Kolben 9 größeren Durchmessers sowie einem koaxial gegenüberliegend angeordneten zweiten Kolben 10 kleineren Durchmessers. Beide Kolben 9 und 10 sind ortsfest miteinander über einen verbindenden Steg und schwenkbar im Bereich des ersten Wipparms 6 gelagert. Der zweite Kolben 10 kleineren Durchmessers ist über den Kanal 11 permanent vom Speisedruck P beaufschlagt, wodurch eine Rückstellung des Wipphebels 5 in die gezeigte Ausgangsposition erfolgt. In der gezeigten Ausgangsposition ist ein ebenfalls im Ventilgehäuse 1 untergebrachtes elektropneumatisches Vorsteuerventil 12 stromlos. Ein elektrischer Anschluss des Vorsteuerventils 12 erfolgt über ein Paar von elektrischen Kontakten 13. Im stromlosen Zustand verbindet das elektropneumatische Vorsteuerventil 12 eine unterhalb des ersten Kolbens 9 ausgebildete Steuerkammer mit dem Entlüftungsanschluss R. Das elektropneumatische Vorsteuerventil ist in diesem Ausführungsbeispiel nach Art eines Patronenventils ausgebildet und austauschbar innerhalb einer parallel zum Wipphebel 5 verlaufenden Ausnehmung im Ventilgehäuse 1 eingebaut.
Ferner umfasst das vorgesteuerte Mehrwegeventil auch einen Handhilfsbetätigungsmechanismus 14 zur hilfsweise manuellen Betätigung des Wipphebels 5. Eine Axialverstellung des Handhilfsbetätigungsmechanismus 14 führt zu einer unabhängig vom elektropneumatischen Vorsteuerventils 12 ausführbaren Betätigung des Mehrwegeventils.
Die 2 zeigt das vorgesteuerte Mehrwegeventil in der betätigten Schaltstellung, in welcher der Kolben 9 größeren Durchmessers der Differenzkolbenanordnung 8 von dem bestromten Vorsteuerventil 12 mit einem Steuerdruck Pst beaufschlagt ist. Zur Erzeugung des Steuerdrucks Pst verbindet das Vorsteuerventil 12 den Speisedruck P führenden Kanal 11 mit der den Kolben 9 beaufschlagenden Steuerkammer. In Folge dessen hebt die Differenzkobenanordnung 8 aufgrund der größeren Wirkfläche des Kolbens 9 den ersten Wipparm 6, so dass der gekoppelte zweite Wipparm 7 den Ventilsitz 3 zur Belüftung freigibt und den gegenüberliegenden Ventilsitz 4 zur Entlüftung schließt. Somit strömt Speisedruck P an den Arbeitsanschluss A.
Bei gemäß 3 betätigtem Handhilfsbetätigungsmechanismus 14 wird der Wipphebel 5 ohne Steuerdruck Sst in die Schaltstellung geführt, in welcher der Speisedruckanschluss P mit dem Arbeitsanschluss A in Verbindung steht. Hierfür wird der Handhilfsbetätigungsmechanismus 14 axial in das Ventilgehäuse 1 hineingedrückt. Mit dem Handhilfsbetätigungsmechanismus 14 kann das vorgesteuerte Mehrwegeventil unabhängig vom Bestromungszustand des elektropneumatischen Vorsteuerventils 12 betätigt werden.

1: Ventilgehäuse
2: Gehäuseteil
3: Ventilsitz zur Belüftung
4: Ventilsitz zur Entlüftung
5: Wipphebel
6: Erster Wipparm
7: Zweiter Wipparm
8: Differenzkolbenanordnung
9: Erster Kolben
10: Zweiter Kolben
11: Kanal
12: Elektropneumatisches Vorsteuerventil
13: Elektrische Kontakte
14: Handhilfsbetätigungsmechanismus
R: Entlüftungsanschluss
P: Speisedruckanschluss
A: Arbeitsanschluss

Claims

Vorgesteuertes Mehrwegeventil mit einem elektropneumatischen Vorsteuerventil, dessen Steuerdruck ein in einem Ventilgehäuse bewegbar untergebrachtes Schaltglied betätigt, welches einen Druckmittelstrom zwischen mindestens zwei am Ventilgehäuse angeordneten äußeren Anschlüssen (A, P, R) schaltet, wobei das Ventilglied nach Art eines schwenkbar im Ventilgehäuse gelagerten Wipphebels (5) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass dessen erster Wipparm (6) von einer Differenzkolbenanordnung (8) zur Betätigung des Wipphebels (5) durch einen gegen den Steuerdruck (Pst) rückstellend wirkenden Speisedruck (P) bewegbar ist, um über den zweiten Wipparm (7) mindestens einen Ventilsitz (3, 4) zum Schalten des Druckmittelstroms zu betätigen.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzkolbenanordnung (8) aus einem ersten Kolben (9) größeren Durchmessers für den Steuerdruck (P_St) sowie einem koaxial gegenüberliegend angeordneten zweiten Kolben (10) kleineren Durchmessers für den Speisedruck (P) besteht, die über einen beide Kolben (9, 10) ortsfest miteinander verbindenden Steg schwenkbar am ersten Wipparm (6) gelagert sind.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Flächenverhältnis zwischen dem ersten Kolben (9), dem zweiten Kolben (10) sowie dem Ventilsitzdurchmesser so bemessen ist, dass eine alleinige Beaufschlagung des zweiten Kolbens (10) kleineren Durchmessers zu einem Verschluss des Ventilsitzes (3) zwischen dem Speisedruckanschluss (P) und dem Arbeitsanschluss (A) führt, wogegen eine gemeinsame Beaufschlagung des ersten Kolbens (9) größeren Durchmessers und des zweiten Kolbens (10) kleineren Durchmessers zu einem Öffnen des Ventilsitzes (3) zwischen dem Speisedruckanschluss (P) und dem Arbeitsanschluss (A) führt.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (10) zum ersten Kolben (9) in einem Flächenverhältnis von 1 : 1,75 steht, und dass der Ventilsitz (3; 4) zum zweiten Kolben (10) ebenfalls in einem Flächenverhältnis von 1 : 1,75 steht.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Kolben (9) größeren Durchmessers von dem Vorsteuerventil (12) mit einem Steuerdruck (P_St) beaufschlagbar ist, um verstärkt durch den Wipphebel (5) den Speisedruckanschluss (P) mit dem Arbeitsanschluss (A) zu verbinden (2).
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Kolben (10) kleineren Durchmessers permanent vom Speisedruck (P) beaufschlagt ist, um den Wipphebel (5) bei Nichtvorhandensein von Steuerdruck (P_St) in der Ausgangslage zu halten, in welcher der Arbeitsanschluss (A) mit dem Entlüftungsanschluss (R) in Verbindung steht (1).
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines 3/2-Wegeventils genau zwei einander gegenüberliegend im Ventilgehäuse (1) ausgebildete Ventilsitze (3, 4) über einander gegenüberliegende Dichtflächen am distalen Ende des zweiten Wipparms (7) betätigbar sind.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die schwenkbare Lagerung des Wipphebels (5) durch eine zentrale kugelförmige Anformung am Wipphebel (5) erfolgt, welche mit einer korrespondierenden Ausnehmung seitens des Ventilgehäuses (1) eine Lagerstelle mit einem Freiheitsgrad bildet.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Wipparm (7) im Bereich des mindestens eines Ventilsitzes (3, 4) mit Dichtungen ausgestattet ist, die direkt an dem aus Kunststoff bestehenden Wipphebel (5) durch 2-K-Spritzgießen angeformt sind.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzkolbenanordnung (8) im Bereich der Kolben (9, 10) mit Dichtungen ausgestattet ist, die direkt an der aus Kunststoff bestehenden Differenzkolbenanordnung (8) durch 2-K-Spritzgießen angeformt sind.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das distale Ende des ersten Wipparms (6) mit einem Handhilfsbetätigungsmechanismus (14) zusammenwirkt, um ein hilfsweise manuelles Schalten zu ermöglichen.
Vorgesteuertes Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das elektropneumatische Vorsteuerventil (12) nach Art eines Patronenventils ausgebildet ist und austauschbar in eine im wesentlichen parallel zum Wipphebel (5) verlaufenden Ausnehmung im Ventilgehäuse (1) untergebracht ist.