DE102005003982B4

DE102005003982B4 - Pneumatisches Wegeventil mit einem Ventilschieber

Info

Publication number: DE102005003982B4
Application number: DE200510003982
Authority: DE
Inventors: Jörg Widera
Original assignee: Bosch Rexroth AG
Current assignee: Bosch Rexroth AG
Priority date: 2005-01-28
Filing date: 2005-01-28
Publication date: 2008-04-03
Anticipated expiration: 2025-01-29
Also published as: DE102005003982A1

Abstract

Pneumatisches Wegeventil zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren, an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen mittels eines Ventilschiebers (4), der im Ventilgehäuse (1) innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung (2) axial verschiebbar angeordnet ist und über mindestens einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) axial bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) neben der Bewegung des Ventilschiebers (4) über einen rückwärtigen Abschnitt (10) auch als Verschlusskörper für einen Ventilsitz (11a; 11b) zum Schalten des Druckluftflusses dient, und dass der Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) nach Art eines Radiallippendichtrings ausgebildet ist, dessen außenradialer Lippenabschnitt (9) an einer zugeordneten Vorsteuerkammer (6) im Ventilgehäuse (1) zur Anlage kommt, wogegen der den Boden des Steuerdruckkolbens (5) bildende rückwärtige Abschnitt (10) in der Endlagenposition am zugeordneten Ventilsitz (11) zur Anlage kommt.

Description

Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Wegeventil zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren, an einem Ventilgehäuse angeordneten äußeren Anschlüssen mittels eines Ventilschiebers, der im Ventilgehäuse innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung axial verschiebbar angeordnet ist und über mindestens einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben axial bewegbar ist.
Gewöhnlich werden im Rahmen einer Ventilbaureihe Wegeventile mit einer Palette von allen denkbaren Ventilfunktionen angeboten. In monostabiler oder bistabiler Variante sind u.a. 3/2-, 2×3/2-, 4/2-, 5/2-, oder 5/3-Wegeventile erhältlich.
Sind innerhalb eines pneumatischen Systems eine Vielzahl von einzelnen Ventilen zur Ansteuerung nachgeschalteter Druckmittelaggregate erforderlich, so werden diese meistens innerhalb einer kompakten Ventileinheit örtlich zusammengefasst. Alle Ventile einer solchen Ventileinheit können so einen gemeinsamen Speisedruck- und Entlüftungsanschluss nutzen. Die elektrische Ansteuerung der einzelnen pneumatischen Wegeventile lässt sich bei einer Ventileinheit mit minimalem Verdrahtungsaufwand bewerkstelligen.
Der Trend in der Technik geht mehr und mehr zu immer kompaktbauenderen Ventileinheiten, welche möglichst kleinbauende, pneumatische Wegeventile erfordern. Der zunehmenden Verkleinerung sind Grenzen gesetzt durch erforderliche Durchflussraten oder einem erforderlichen Vorsteuerdruck, welcher in der Lage sein muss, den innenliegenden Ventilschieber sicher von einer Schaltposition in die andere Schaltposition zu bewegen.
Aus der DE 102 18 759 A1 geht ein gattungsgemäßes pneumatisches Wegeventil hervor. Das pneumatische Wegeventil ist hier als monostabiles 5/2-Wegeventil exemplarisch beschrieben und verfügt insoweit über fünf äußere Anschlüsse, von denen ein zentraler Speisedruckanschluss zur Druckluftversorgung vorgesehen ist. In der Längserstreckung der Schieberbohrung ist zum zentralen Speisedruckanschluss beidseits je ein Arbeitsanschluss benachbart angeordnet, zu welchen wiederum je ein Entlüftungsanschluss benachbart angeordnet ist. Bei dem so aufgebauten Wegeventil erfolgt in der ersten Schaltposition eine Entlüftung des einen Arbeitsanschlusses, wogegen der andere Arbeitsanschluss mit Speisedruck belüftet wird; in der anderen Schaltposition wird der erstgenannte Arbeitsanschluss belüftet, wogegen der zweitgenannte Arbeitsanschluss entlüftet wird.
Zur Realisierung dieser Wegeventilfunktion ist innerhalb des Ventilgehäuses eine Schieberbohrung zur Aufnahme eines hierin axial bewegbaren Ventilschiebers vorgesehen. Zur Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse und teilweise zur Ausführung der Schaltfunktion bedarf es hier insgesamt sieben Dichtringen, welche am Ventilschieber angeordnet sind.
Diese Vielzahl von einzelnen Dichtringen erzeugt eine recht hohe Haftreibung, welche zwecks Bewegen des Ventilschiebers durch den Vorsteuerdruck überwunden werden muss. Wird nun der Ventilschieber trendgemäß immer kleinbauender ausgeführt, so reicht ab einer gewissen Grenze die am Steuerdruckkolben zur Verfügung stehende Fläche nicht mehr aus, um den reibungsbehafteten Ventilschieber zuverlässig in eine andere Schaltposition zu überführen.
Aus der DE 1 854 597 U geht ein Schieberventil hervor, welches für pneumatische und hydraulische Druckmittel geeignet ist, jedoch ohne elastomere Dichtringe auskommt. Demnach wird Reibung hier durch den direkten Kontakt von Ventilschieber zu Schieberbohrung erzeugt. Diese Reibung wird jedoch etwas dadurch vermindert, dass der Steuerdruckkolben bei diesem Schieberventil eine Doppelfunktion erfüllt, weil dieser neben der Funktion einer Bewegung des Ventilschiebers gleichzeitig auch einen der außenliegenden Anschlüsse schaltet. Dieses Schalten ebenfalls durch das Schieberprinzip.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein pneumatisches Wegeventil der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass selbst ein sehr geringer Vorsteuerdruck ausreicht, um den Ventilschieber zuverlässig axial zu bewegen.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem pneumatischen Wegeventil 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 der mindestens eine Steuerkolben des pneumatischen Wegeventils neben der Bewegung des Ventilschiebers über einen rückwärtigen Abschnitt auch als Verschlusskörper für einen Ventilsitz zum Schalten des Durchflusses dient.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass aufgrund des lokalen Ventilsitzprinzips keine leistungszehrende Haftreibung mehr vom Vorsteuerdruck zu überwinden ist. Insgesamt werden also bestimmte ansonsten bei Schieberventilen übliche, nach radial außen abdichtende Dichtringe durch Verschlusskörper für Ventilsitze ersetzt. Hierbei wird gleichzeitig eine Funktionsintegration verwirklicht, da der Steuerdruckkolben nun nicht mehr allein zur Bewegung des Ventilschiebers dient, sondern gleichzeitig auch am Schalten des Druckluftflusses teil hat. Aufgrund der sich hierdurch ergebenden geringeren Gleitreibung kann der Durchmesser des Steuerkolbens gegenüber dem Stand der Technik weiter reduziert werden. Es können in Folge dessen sehr kleinbauende – insbesondere schmale – Ventile mit relativ großer Durchflussrate verwirklicht werden. Im Zusammenhang mit diesen Ventilen können des Weiteren Vorsteuerventile mit relativ geringem Durchfluss und geringer elektrischer Leistung verwendet werden, wodurch die immer mehr in der Praxis in den Vordergrund tretenden Temperaturprobleme gelöst werden. Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich vorzugsweise auf 3/2- oder 5/2-Wegeventile abbilden.
Der Steuerschieber kann an genau einer der beiden Stirnseiten mit dem erfindungsgemäß funktionsintegrierten Steuerdruckkolben ausgerüstet sein und die gegenüberliegende Stirnseite des Ventilschiebers mit einem Federelement beaufschlagt werden, um somit eine monostabile Ventilfunktion zu realisieren. Zur Realisierung einer bistabilen Ventilfunktion ist der Ventilschieber dann an beiden Stirnseiten mit je einem erfindungsgemäß ausgebildeten Steuerdruckkolben auszurüsten.
Vorzugsweise ist ein einziger zentraler Speisedruckanschluss Bestandteil der äußeren Anschlüsse des pneumatischen Wegeventils, wobei der Ventilschieber den hieran anstehenden Speisedruck über Steuerkanten nach Art eines Schieberventils schaltet. Somit stellt das erfindungsgemäß derart weitergebildete pneumatische Wegeventil eine Art Mischlösung zwischen Schieberventil und Sitzventil dar. Denn zum Schalten des Druckluftflusses kommen daneben auch die vorstehend erläuterten Ventilsitze zur Anwendung.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen pneumatischen Wegeventils als 5/2-Wegeventil erfolgt eine Belüftung der hier vorhandenen zwei Arbeitschlüsse über ein wechselseitiges Verbinden des zentralen Speisedruckanschlusses mit dem ersten Arbeitsanschluss oder mit dem zweiten Arbeitsanschluss, welche beidseits benachbart zum zentralen Speisedruckanschlusses am Ventilgehäuse angeordnet sind.
Hierbei wirkt ein außenradial im Mittelbereich des Ventilschiebers angeordneter Dichtring mit den Steuerkanten seitens des Ventilgehäuses zusammen. Zur Entlüftung der beiden Arbeitsanschlüsse werden diese mit je zugeordneten benachbarten Entlüftungsanschlüssen verbunden. Dies erfolgt dann über die Ventilsitze, welche mit den rückwärtigen Abschnitten des Steuerdruckkolbens als Verschlusskörper zusammenwirken.
Vorzugsweise ist der erfindungsgemäße Steuerdruckkolben nach Art eines Radiallippendichtrings ausgebildet, dessen außenradialer Lippenabschnitt an einer zugeordneten Vorsteuerkammer seitens des Ventilgehäuses zur Anlage kommt, wogegen der den Boden des Steuerdruckkolbens bildende rückwärtige Abschnitt in der Endlagenposition am zugeordneten Ventilsitz zur Anlage kommt. Dieser funktionsintegrierte Steuerdruckkolben besteht vorzugsweise vollständig aus einem elastomeren Material. Falls erforderlich, können Einlagen aus einem starren Material, beispielsweise einem Metall, zur Verstärkung im Steuerdruckkolben vorgesehen werden.
Gemäß einer weiteren, die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass der Ventilschieber durch mindestens einen endseitigen Führungszapfen axial geführt ist, der mit einer korrespondierenden Ausnehmung seitens des Ventilgehäuses zusammenwirkt. Dabei kann die besagte Ausnehmung entweder direkt im Ventilgehäuse oder in einen stirnseitigen Deckel des Ventilgehäuses eingearbeitet sein. Vorzugsweise sind genau zwei endseitige Führungszapfen am Ventilschieber vorgesehen, so dass dieser allein durch die Führungszapfen innerhalb der je zugeordneten korrespondierenden Ausnehmungen axial geführt ist. Damit wird eine zuverlässige dynamische Dichtwirkung des außenradialen Lippenabschnitts der Steuerdruckkolben sowie des ebenfalls außenradial dynamisch abdichtenden mittleren Dichtrings sichergestellt.
Gemäß einer anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme kann die Schieberbohrung zylindrisch ausgeführt werden und zur Bildung des mindestens einen Ventilsitzes sowie der Steuerkanten für die mittlere Dichtung mit mindestens einer Formbuchse ausgestattet werden, welche innerhalb der zylindrischen Schieberbohrung angeordnet und dort fixiert ist. Das Fixieren kann mittels einer Klebung oder durch Aufschrumpfen erfolgen. Letzterenfalls bietet es sich an, das Ventilgehäuse aus einem Kunststoff durch Spritzgießen herzustellen. Der Ventilschieber kann ebenfalls aus einem Kunststoff oder auch aus Metall bestehen.
Zwei bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein pneumatisches 5/2-Wegeventil mit monostabiler Ventilfunktion, und
2 einen Längsschnitt durch ein pneumatisches 5/2-Wegeventil mit bistabiler Ventilfunktion.
Gemäß 1 weist das monostabile 5/2-Wegeventil ein Ventilgehäuse 1 auf, das eine entlang der Längsachse des Ventilgehäuses 1 sich erstreckende Schieberbohrung 2 aufweist. Die Schieberbohrung 2 ist beidseits mit Deckeln 3a und 3b verschlossen. Innerhalb der Schieberbohrung 2 ist ein axial verschiebbarer Ventilschieber 4 angeordnet, der hier von einer Stirnseite her mit einem Steuerdruckkolben 5 bewegbar ist. Dem Steuerdruckkolben 5 ist eine Vorsteuerkammer 6 zugeordnet, welche mit einem – nicht weiter dargestellten – Vorsteuerventil mit dem Vorsteuerdruck beaufschlagbar ist.
Zum anderen Ende des Ventilschiebers 4 hin ist ein Federelement 7 vorgesehen. Das Federelement 7 dient der Rückstellung des Ventilschiebers bei nicht beaufschlagter Vorsteuerkammer 6. Der Ventilschieber 4 weist weiterhin endseitige Führungszapfen 8a und 8b auf, welche mit Ausnehmungen seitens des Ventilgehäuses 1 korrespondieren, um eine axiale Führung dese Ventilschiebers 4 zu gewährleisten. Der Steuerdruckkolben 5 des Ventilschiebers 4 ist nach Art eines Radiallippendichtrings aus einem elastomeren Material ausgebildet, dessen außenradialer Lippenabschnitt 9 an der zugeordneten Vorsteuerkammer 6 im Ventilgehäuse 1 zur Anlage kommt.
Der den Boden des Steuerdruckkolbens 5 bildende rückwärtige Abschnitt 10 kommt in der Endlagenposition bei belüfteter Vorsteuerkammer 6 an einen zugeordneten Ventilsitz 11a zur Anlage. Der Ventilsitz 11a stellt die Verbindung zwischen einem Arbeitsanschluss A des Wegeventils mit einem Entlüftungsanschluss R her. Im Bereich des gegenüberliegenden Endes des Ventilschiebers 4 ist ein weiteren Ventilsitz 11b vorgesehen, welcher in Verbindung mit einem einen elastomeren Verschlusskörper 12 die Verbindung zwischen einem zweiten Arbeitsanschluss B und einem zugeordneten Entlüftungsanschluss S herstellt. Das Wegeventil besitzt darüber hinaus einen zentralen Speisedruckanschluss P. Der Ventilschieber 4 schaltet den am Speisedruckanschluss P anstehenden Speisedruck über Steuerkanten 13a und 13b nach Art eines Schieberventils. Die Steuerkanten 13a und 13b wirken zu diesem Zwecke mit einem zentral am Ventilschieber 4 angeordneten Dichtring 14 zusammen. Bei dem dargestellten 5/2-Wegeventil ist der zentrale Speisedruckanschluss P in Längserstreckung der Ventilbohrung 2, also beidseits von je einem Arbeitsanschluss A und B benachbart, welche wiederum je von den Entlüftungsanschlüssen R sowie S benachbart sind, die somit außen liegen.
Das Belüften der Arbeitsanschlüsse A und B erfolgt über ein wechselseitiges Verbinden des zentralen Speisedruckanschlusses P mit dem ersten Arbeitanschluss A oder mit dem zweiten Arbeitsanschluss B über die Steuerkanten 13a bzw. 13b. Zur Bildung der Steuerkanten 13a und 13b sowie auch der Ventilsitze 11a und 11b ist die Schieberbohrung 2 mit zwei Formbuchsen 15a und 15b ausgestattet, welche hierin ortsfest fixiert sind. Zur Verringerung des Überschneidungsdurchflusses, also einer ungewollten Verbindung der druckführenden Kammer mit dem Entlüftungsanschluss R oder S, taucht der Steuerdruckkolben 5 ein Stück weit in den Ventilsitz 11a ein, bevor der Dichtring 14 der Schieberdichtung seine gegenwärtige Lauffläche verlässt.
Nach 2 besteht ein bistabiles 5/2-Wegeventil im Unterschied zu dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel aus zwei je endseitig am Ventilschieber 4 angeordnete Steuerdruckkolben 5a und 5b. Durch wechselseitige Beaufschlagung der je zugeordneten Vorsteuerkammern 6a oder 6b erfolgt ein Hin- und Herbewegen des Ventilschiebers 4. Ansonsten entspricht dieses Ausführungsbeispiel dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel, worauf insoweit Bezug genommen wird.
Das bistabile 5/2-Wegeventil ist durch einen Spannungsimpuls ansteuerbar. Wenn die Spannung nicht mehr anliegt, verbleibt der Ventilschieber 4 in der gewählten Stellung, auch wenn kein Steuerdruck mehr vorhanden ist. Dieses Ziel wird durch die wirksamen Druckflächen am Ventilschieber 4 erreicht, die in ihrer Fläche entsprechend aufeinander abgestimmt sind.

1: Ventilgehäuse
2: Schieberbohrung
3: Deckel
4: Ventilschieber
5: Steuerdruckkolben
6: Vorsteuerkammer
7: Federelement
8: Führungszapfen
9: Lippenabschnitt
10: rückwärtiger Abschnitt
11: Ventilsitz
12: Verschlusskörper
13: Steuerkante
14: Dichtring
15: Formbuchse

Claims

Pneumatisches Wegeventil zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren, an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen mittels eines Ventilschiebers (4), der im Ventilgehäuse (1) innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung (2) axial verschiebbar angeordnet ist und über mindestens einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) axial bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) neben der Bewegung des Ventilschiebers (4) über einen rückwärtigen Abschnitt (10) auch als Verschlusskörper für einen Ventilsitz (11a; 11b) zum Schalten des Druckluftflusses dient, und dass der Steuerdruckkolben (5; 5a, 5b) nach Art eines Radiallippendichtrings ausgebildet ist, dessen außenradialer Lippenabschnitt (9) an einer zugeordneten Vorsteuerkammer (6) im Ventilgehäuse (1) zur Anlage kommt, wogegen der den Boden des Steuerdruckkolbens (5) bildende rückwärtige Abschnitt (10) in der Endlagenposition am zugeordneten Ventilsitz (11) zur Anlage kommt.
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (4) an genau einer Stirnseite mit dem Steuerdruckkolben (5) ausgerüstet ist und die gegenüberliegende Stirnseite des Ventilschiebers (4) mit einem Federelement (7) beaufschlagt ist, um eine monostabile. Ventilfunktion zu realisieren (1).
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (4) an beiden Stirnseiten mit je einem Steuerdruckkolben (5a; 5b) ausgerüstet ist, um eine bistabile Ventilfunktion zu realisieren (2).
Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußeren Anschlüsse einen einzigen zentralen Speisedruckanschluss (S) umfassen, wobei der Ventilschieber (4) den hieran anstehenden Speisedruck über Steuerkanten (13a, 13b) nach Art eines Schieberventils schaltet.
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerkanten (13a, 13b) mit einem außenradial am Ventilschieber (4) angeordneten Dichtring (14) zusammenwirken.
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ausführung einer 5/2-Wege-Ventilfunktion der zentrale Speisedruckanschluss (S) in der Längserstreckung der Schieberbohrung (2) beidseits von je einem Arbeitsanschluss (A; B) benachbart ist, welche wiederum je von einem Entlüftungsanschluss (R; S) benachbart sind.
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Belüftung der Arbeitsanschlüsse (A, B) über ein wechselseitiges Verbinden des zentralen Speisedruckanschlusses (S) mit dem ersten Arbeitsanschluss (A) oder mit dem zweiten Arbeitsanschluss (B) über die Steuerkanten (13a; 13b) erfolgt.
Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Entlüftung des jeweiligen Arbeitsanschlusses (A; B) über ein Verbinden desselben mit dem zugeordneten benachbarten Entlüftungsanschluss (R bzw. S) über die Ventilsitze (11a bzw. 11b) erfolgt.
Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (4) durch mindestens einen endseitigen Führungszapfen (8a, 8b) axial geführt ist, der mit einer korrespondierenden Ausnehmung seitens des Ventilgehäuses (1) zusammenwirkt.
Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Schieberbohrung (2) zur Bildung des mindestens einen Ventilsitzes (11a, 11b) sowie der Steuerkanten (13a, 13b) mit mindestens einer Formbuchse (15a, 15b) ausgestattet ist, welche in der zylindrisch im Ventilgehäuse (1) ausgeführten Schieberbohrung (2) angeordnet ist/sind.
Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) und/oder der Ventilschieber (4) aus Kunststoff bestehend durch Spritzgießen hergestellt sind.