DE102005048622A1

DE102005048622A1 - Steuerkolben, zugehöriges Herstellungsverfahren und damit ausgestattetes Ventil

Info

Publication number: DE102005048622A1
Application number: DE200510048622
Authority: DE
Inventors: Richard Harscher
Original assignee: Festo SE and Co KG
Current assignee: Festo SE and Co KG
Priority date: 2005-10-11
Filing date: 2005-10-11
Publication date: 2007-04-19
Anticipated expiration: 2025-10-12
Also published as: DE102005048622B4

Abstract

Es wird ein Steuerkolben (4) für ein Ventil (1) vorgeschlagen, der über einen als Hohlkörper ausgebildeten Kolbenkörper (16) verfügt, welcher eine periphere Umfangswand (18) und zwei stirnseitige Abschlusswände (17a, 17b) aufweist. Der Kolbenkörper (16) besteht aus zwei zumindest im Wesentlichen identischen, einstückigen becherförmigen Kolbenkörperhälften, die mit ihren offenen Stirnseiten voraus koaxial aneinandergesetzt und an ihrer Stoßstelle (33) stoffschlüssig fest miteinander verbunden sind. Vorgeschlagen wird ferner ein Herstellungsverfahren für den Steuerkolben (4) und ein damit ausgestattetes Ventil (1).

Description

Die Erfindung betrifft einen Steuerkolben eines zur Steuerung von Fluidströmen dienenden Ventils, mit einem aus Kunststoffmaterial bestehenden Kolbenkörper, der als länglicher Hohlkörper mit einer peripheren Umfangswand und zwei stirnseitigen Abschlusswänden ausgeführt ist. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Steuerkolbens sowie ein mit einem solchen Steuerkolben ausgestattetes Ventil.

Der Anmelderin sind zur Steuerung von Fluidströmen dienende Ventile bekannt, bei denen der verschiebbare Steuerkolben einen mit ringförmigen Dichtungen bestückten Kolbenkörper aufweist, der in Gestalt eines länglichen Hohlkörpers mit peripherer Umfangswand und stirnseitigen Abschlusswänden ausgebildet ist. Der Kolbenkörper setzt sich dabei aus einem länglichen, becherförmigen Hauptteil und einem die stirnseitige Öffnung des Hauptteils verschließenden Deckel zusammen. Um bei der Spritzgießherstellung des relativ lang bauenden Hauptteils eine hohe Präzision gewährleisten zu können, bedarf es hier einer recht aufwändigen Querabstützung des Formkerns. Dies verteuert die Werkzeugkosten und behindert häufig den Entformungsvorgang. Zudem lässt sich nicht vermeiden, dass der Hauptkörper nach der Fertigstellung in seiner Wan dung mehrere Löcher aufweist, die von den Abstützmitteln verursacht wurden.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, einen einfach und präzise herstellbaren Steuerkolben sowie ein sich für die Herstellung besonders eignendes Verfahren und schließlich ein mit einem solchen Steuerkolben ausgestattetes Ventil zu schaffen.

Diese Aufgabe wird bei einem Steuerkolben der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass der Kolbenkörper aus zwei zumindest im Wesentlichen identisch gestalteten, einstückigen becherförmigen Kolbenkörperhälften besteht, die mit ihren offenen Stirnseiten voraus koaxial aneinandergesetzt und an ihrer Stoßstelle stoffschlüssig fest miteinander verbunden sind.

Die Aufgabe wird außerdem durch ein Herstellungsverfahren gelöst, das im Wesentlichen die folgenden Verfahrensschritte aufweist:

– Herstellen zweier zumindest im Wesentlichen identischer, jeweils einen Boden und eine Seitenwand aufweisender becherförmiger einstückiger Kolbenkörperhälften durch Spritzgießen,
– stirnseitiges axiales Aneinandersetzen der beiden zuvor koaxial zueinander ausgerichteten Kolbenkörperhälften mit den den Böden axial entgegengesetzten Stirnflächen ihrer Seitenwände, und
– stoffschlüssiges festes Verbinden der beiden Kolbenkörperhälften an ihrer Stoßstelle während und/oder nach dem Aneinandersetzen der Kolbenkörperhälften.

Ein die Aufgabe lösendes Ventil enthält einen Steuerkolben, der in der vorgenannten Weise ausgebildet und/oder hergestellt ist.

Bei dem erfindungsgemäßen Kolben besteht der hohle Kolbenkörper aus zwei praktisch identischen Kolbenkörperhälften, die stirnseitig aneinandergesetzt und stoffschlüssig miteinander verbunden sind. Beide Kolbenkörperhälften sind vor dem Zusammenfügen becherförmig gestaltet mit einem Boden und einer vom Boden wegragenden Seitenwand, wobei letztere insbesondere eine zumindest im Wesentlichen hohlzylindrische Gestalt aufweisen kann. Zum Zusammenfügen werden die beiden Kolbenkörperhälften mit ihren offenen Stirnseiten voraus koaxial aneinandergesetzt und an der Stoßstelle stoffschlüssig fest miteinander verbunden. Die Verbindung kann beispielsweise eine Klebeverbindung sein, ist vorzugsweise jedoch als Schweißverbindung ausgeführt, wobei sich vor allem eine sogenannte Reibschweißverbindung empfiehlt. Verglichen mit einem Kolben konventionellen Aufbaus ist in der Regel auch ohne besondere Querabstützung eine präzise Spritzgießformgebung der Kolbenkörperhälften möglich, weil deren Baulänge nur die halbe Gesamtlänge des Kolbenkörpers beträgt und somit die Neigung zu Maßabweichungen oder zu einem Verziehen stark reduziert ist. Die Verwendung zweier Gleichteile zur Herstellung des Kolbenkörpers verringert überdies die Werkzeugkosten.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindungen gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Wie schon angedeutet, sind die beiden Kolbenkörperhälften an ihrer Stoßstelle zweckmäßigerweise fest verschweißt. Die Herstellung der beiden Kolbenkörperhälften erfolgt zweckmäßigerweise durch Spritzgießen aus einem schweißbaren Kunststoffmaterial.

Der Steuerkolben kann dichtungslos ausgeführt sein, wenn sonstige Maßnahmen getroffen sind, die im in ein Ventilgehäuse eingebauten Zustand die erforderliche dynamische Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse gewährleisten. In diesem Fall kann insbesondere das Ventilgehäuse selbst mit Dichtungsringen ausgestattet sein. Allerdings besteht ohne Weiteres die Möglichkeit, den Steuerkolben selbst mit ringförmigen Dichtungen auszustatten, die dann mit axialer Beabstandung koaxial auf dem Außenumfang des Kolbenkörpers sitzen. Zur Fixierung kann der Kolbenkörper an der Außenfläche seiner peripheren Umfangswand mehrere einstückig angeformte Dichtungsaufnahmen aufweisen, in denen jeweils eine ringförmige Dichtung gehalten ist.

Die periphere Umfangswand des Kolbenkörpers kann im Bereich der stirnseitigen Abschlusswände bei Bedarf auch jeweils noch mindestens eine ringförmige Aufnahmevertiefung aufweisen, in der ein ringförmiges Antriebselement fixiert ist, das mit für die Erzeugung der für das im Betrieb erfolgte Verstellen des Steuerkolbens erforderlichen Stellkräfte verantwortlich ist.

Nachfolgend wird die Erfindung anhand der beiliegenden Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:
1 eine bevorzugte Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils, ausgestattet mit einem Steuerkolben der erfindungsgemäßen Art, und
2 bis 4 verschiedene Phasen bei der Herstellung des Steuerkolbens.
Die 1 zeigt ein zur Steuerung von Fluidströmen dienendes Ventil 1, das ein Ventilgehäuse 2 aufweist, das im Innern eine längliche Kolbenaufnahme 3 für einen in seiner Längs richtung bewegbaren Steuerkolben 4 aufweist. Längsseits münden in die Kolbenaufnahme 3 an in axialer Richtung beabstandeten Stellen mehrere Ventilkanäle 5 ein, die je nach Stellung des Steuerkolbens 4 auf unterschiedliche Weise miteinander verschaltet werden. Beim Ausführungsbeispiel sind ein Speisekanal, zwei Arbeitskanäle und zwei Entlüftungskanäle vorhanden, so dass es sich um ein 5/2-Wegeventil oder 5/3-Wegeventil handelt.
In der Kolbenaufnahme 3 sitzt axial unbeweglich eine bevorzugt aus mehreren axial aufeinanderfolgenden Segmenten bestehende Führungshülse 6, die bezüglich der peripheren Wandung der Kolbenaufnahme 3 mittels einer Dichtungsstruktur 7 statisch abgedichtet ist.
Der längliche Steuerkolben 4 erstreckt sich koaxial in der Führungshülse 6 und begrenzt mit seinen beiden stirnseitigen Endabschnitten 8 je eine Beaufschlagungskammer 12, die – jeweils durch einen Strömungspfeil 13 verdeutlicht – mit einem Steuerkanal 14 kommuniziert.
Durch aufeinander abgestimmte Fluidbeaufschlagung der beiden Beaufschlagungskammern 12 über die Steuerkanäle 14 kann der Steuerkolben 4 zur Vorgabe seiner Schaltstellungen in der einen oder anderen Richtung linear verschoben werden. Die Stellkräfte hierfür resultieren aus einer Beaufschlagung einer an den beiden Endabschnitten 8 des Steuerkolbens 4 vorgesehenen Antriebsfläche 15, die der benachbarten Beaufschlagungskammer 12 zugewandt ist.
Als Antriebsfluid für das Ventil 1 ist insbesondere Druckluft vorgesehen. Gleiches gilt für das durch das Ventil 1 steuerbare Fluid. Allerdings wäre auch ein Betrieb mit anderen gasförmigen Medien oder mit hydraulischen Medien möglich.
Tragende Komponente des Steuerkolbens 4 ist ein aus Kunststoffmaterial bestehender Kolbenkörper 16. Dieser ist als Hohlkörper ausgebildet und besteht aus zwei stirnseitigen Abschlusswänden 17a, 17b sowie einer sich zwischen den beiden Abschlusswänden 17a, 17b erstreckenden peripheren rohrförmigen Umfangswand 18. Der von diesen Wänden eingeschlossene Kolben-Hohlraum 22 ist durch die Wände 17a, 17b, 18 hermetisch dicht abgeschlossen. In der Wandung des Kolbenkörpers 16 befinden sich keinerlei Durchbrechungen, sie ist vollständig geschlossen.
Auf diese Weise ergibt sich ein Kolbenkörper 16 mit geringem Gewicht. Außerdem bleibt der Kolben-Hohlraum 22 von jeglichem Fluidaustausch ausgeschlossen, was für ein gutes Ansprechverhalten des Ventils bei gleichzeitig geringen Verlusten sorgt.
Die Umfangswand 18 ist im Wesentlichen hohlzylindrisch mit bevorzugt kreisförmigem Querschnitt gestaltet. Sie ist an ihrer Außenfläche mit mehreren zueinander koaxialen und zugleich axial beabstandeten ringförmigen Dichtungen 23 bestückt, die die Umschaltbewegung des Steuerkolbens 4 jeweils mitmachen. Die Dichtungen 23 stehen dynamisch dichtend in ständigem Dichtkontakt mit den Steuerkolben 4 koaxial umschließenden gehäusefesten Führungsflächen 24, die beim Ausführungsbeispiel an der Führungshülse 6 angeordnet sind, prinzipiell aber auch ein unmittelbarer Bestandteil des Ventilgehäuses 2 sein könnten.
Die Ventilkanäle 5 münden in axial aufeinanderfolgende Abschnitte der Kolbenaufnahme 3. Je nach Stellung des Steuerkolbens 4 und der daraus resultierenden Stellung der ringförmigen Dichtungen 23 werden benachbarte dieser Abschnitte voneinander abgetrennt oder zur Verbindung freigegeben, entsprechend der Schaltfunktion des Ventils 1.
Bevorzugt sind die ringförmigen Dichtungen 23 in einstückig an der Außenfläche der peripheren Umfangswand 18 angeformten Dichtungsaufnahmen 25 gehalten. Jede Dichtungsaufnahme 25 ist beim Ausführungsbeispiel von jeweils zwei axial zueinander beabstandeten, koaxialen Ringbunden 26a, 26b definiert, die von den axial benachbarten Außenflächenabschnitten des Kolbenkörpers 16 nach radial außen vorstehen und zwischen sich eine Ringnut definieren, in der die zugeordnete Dichtung 23 gehalten ist. Die Dichtungen 23 können in die ihnen jeweils zugeordnete Dichtungsaufnahme oder vorübergehender elastischer Aufweitung eingeschnappt sein.
Im Bereich der beiden stirnseitigen Abschlusswände 17a, 17b ist die periphere Umfangswand 18 des Kolbenkörpers 16 zweckmäßigerweise noch jeweils mit mindestens einer ringförmigen Haltevertiefung 27 versehen, in der – beispielsweise durch Einschnappen – ein ringförmiges Antriebselement 28 fixiert ist. Beim Ausführungsbeispiel fungiert das Antriebselement 28 als Betätigungskolben und definiert gemeinsam mit der dem Kolben-Hohlraum 22 axial entgegengesetzten Stirnfläche des Kolbenkörpers 16 die dem betreffenden Endabschnitt 8 zugeordnete Antriebsfläche 15.
Der Kolbenkörper 16 setzt sich aus zwei zumindest im Wesentlichen und bevorzugt vollständig identisch gestalteten Kolbenkörperhälften 32a, 23b zusammen, die jeweils einen einstückigen Aufbau haben und becherförmig gestaltet sind. Sie sind mit ihren offenen Stirnseiten voraus koaxial aneinandergesetzt und an ihrer Stoßstelle 33 durch eine stoffschlüssige Verbindung 34 unlösbar fest miteinander verbunden, unter Bildung des Kolbenkörpers 16.
Die 2 bis 4 zeigen einen bevorzugten Ablauf bei der Herstellung des Steuerkolbens 4.
Zunächst werden in einem nicht näher dargestellten Formwerkzeug durch Spritzgießen die beiden identisch gestalteten Kolbenkörperhälften 32a, 32b hergestellt. Als Werkstoff für die Kolbenkörperhälften 32a, 32b wird Kunststoffmaterial verwendet. Auf Grund der identischen Formgebung können beide Kolbenkörperhälften 32a, 32b nacheinander mit ein und demselben Formwerkzeug hergestellt werden.
Die beiden so hergestellten Kolbenkörperhälften 32a, 32b sind jeweils einstückige Körper mit becherförmiger Gestalt und verfügen jeweils einenends über einen Boden 35, an den sich eine rohrförmige Seitenwand 36 einstückig anschließt.
Bei der Spritzgieß-Formgebung werden an die beiden Seitenwände 36 gleichzeitig die Dichtungsaufnahmen 25 bzw. die diese bildenden Ringbunde 26a, 26b angeformt. Gleiches gilt für die gegebenenfalls erforderliche Haltevertiefung 27.
Die derart fertiggestellten Kolbenkörperhälften 32a, 32b werden in einem weiteren Verfahrensschritt koaxial zueinander ausgerichtet und gemäß 2 derart relativ zueinander platziert, dass ihre offenen Stirnseiten zueinander weisen und die dort befindlichen Stirnflächen 37 ihrer Seitenwände 36 einander zugewandt sind.
Als nächstes werden die derart ausgerichteten Kolbenkörperhälften 32a, 32b gemäß Pfeilen 38 mit ihren Stirnflächen 37 aneinandergesetzt und gemäß 3 an der daraus resultierenden Stoßstelle 16 stoffschlüssig fest verbunden.
Das stoffschlüssige Verbinden erfolgt beim Ausführungsbeispiel durch einen Fügevorgang, genauer gesagt durch Reibschweißen. Hierbei wird eine der beiden Kolbenkörperhälften 32a in Rotation versetzt und axial gegen die ortsfest fixier te andere Kolbenkörperhälfte 32b gedrückt. Sind die Teile durch die dabei entstehende Reibungswärme genügend erhitzt, wird der Anpressdruck weiter erhöht und gleichzeitig die Drehzahl bis auf Null abgebremst, wobei eine Verschweißung eintritt. Die stoffschlüssige Verbindung 34 äußert sich hierbei durch eine wulstartige Schweißnaht, die sowohl nach radial innen als auch radial außen geringfügig über die Wandung des Kolbenkörpers 16 vorsteht.
Während beim Ausführungsbeispiel das Aneinandersetzen und stoffschlüssige Verbinden der beiden Kolbenkörperhälften 32a, 32b zumindest partiell gleichzeitig stattfindet, besteht selbstverständlich auch die Möglichkeit den Schweißvorgang oder einen anderen Verbindungsvorgang erst nach dem axialen Zusammensetzen zu starten.
Zum Herstellen der stoffschlüssigen Verbindung könnten auch andere Schweißmethoden angewandt werden. Ferner könnten die beiden Kolbenkörperhälften 32a, 32b beispielsweise auch miteinander verklebt werden.
Auf den auf diese Weise fertig gestellten Kolbenkörper 16 werden dann noch in einem weiteren Verfahrensschritt gemäß 4 die ringförmigen Dichtungen 23 aufgesetzt, sowie die in 4 nicht weiters dargestellten Antriebselemente 28.
Die Montage der ringförmigen Dichtungen 23 und/oder der Antriebselemente 28 entfällt, wenn der Steuerkolben 4 konzeptionsbedingt mit derartigen Komponenten nicht ausgestattet werden muss.
Aus 2 bis 4 ist gut ersichtlich, dass der Kolbenkörper 16 bezüglich der gleichzeitig die Fügezone bildenden Stoßstelle 33 in axialer Richtung völlig symmetrisch aufge baut ist. Man kann daher für die Herstellung der beiden Kolbenkörperhälften 32a, 32b auf dasselbe Herstellungswerkzeug zurückgreifen. Durch die axial mittig platzierte Fügezone wird außerdem erreicht, dass beiden Kolbenkörperhälften 32a, 32b eine optimal geringe Länge aufweisen, die jeweils die Hälfte der Gesamtlänge des gewünschten Kolbenkörpers 16 beträgt, was ein wesentlicher Garant dafür ist, dass die Herstellung der diversen Komponenten trotz geringen Aufwandes mit hoher Präzision möglich ist.

Claims

Steuerkolben eines zur Steuerung von Fluidströmen dienenden Ventils, mit einem aus Kunststoffmaterial bestehenden Kolbenkörper (16), der als länglicher Hohlkörper mit einer peripheren Umfangswand (18) und zwei stirnseitigen Abschlusswänden (17a, 17b) ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper (16) aus zwei zumindest im Wesentlichen identisch gestalteten, einstückigen becherförmigen Kolbenkörperhälften (32a, 32b) besteht, die mit ihren offenen Stirnseiten voraus koaxial aneinandergesetzt und an ihrer Stoßstelle (33) stoffschlüssig fest miteinander verbunden sind.
Steuerkolben nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Kolbenkörperhälften (32a, 32b) an ihrer Stoßstelle (33) verschweißt sind, insbesondere durch eine Reibschweißverbindung.
Steuerkolben nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beiden Kolbenkörperhälften (32a, 32b) um Spritzgussteile handelt.
Steuerkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper (16) an seinem Außenumfang mehrere axial zueinander beabstandete und zum Kolbenkörper (16) koaxiale ringförmige Dichtungen (23) trägt.
Steuerkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolbenkörper (16) an der Außenfläche seiner peripheren Umfangswand (18) mehrere einstückig angeformte und axial zueinander beabstandete Dichtungsaufnahmen (25) aufweist, in denen jeweils mindestens eine ringförmige Dichtung (23) gehalten ist.
Steuerkolben nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ringförmigen Dichtungen (23) in die ihnen jeweils zugeordnete Dichtungsaufnahme (25) eingeschnappt sind.
Steuerkolben nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungsaufnahmen (25) von jeweils zwei axial beabstandeten, koaxialen Ringbunden (26a, 26b) definiert sind.
Steuerkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Wandung des Kolbenkörpers (16) vollständig geschlossen ist.
Steuerkolben nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die periphere Umfangswand (18) des Kolbenkörpers (16) im Bereich der stirnseitigen Abschlusswände (17a, 17b) außen jeweils mindestens eine ringförmige Haltevertiefung (27) aufweist, in der ein ringförmiges Antriebselement (28) fixiert oder fixierbar ist.
Verfahren zur Herstellung eines Steuerkolbens für ein zur Steuerung von Fluidströmen dienendes Ventil, wobei der Steuerkolben (4) einen als länglicher Hohlkörper mit peripherer Umfangswand (18) und zwei stirnseitigen Abschlusswänden (17a, 17b) ausgeführten, aus Kunststoffmaterial bestehenden Kolbenkörper (16) aufweist, gekennzeichnet durch folgende Verfahrensschritte: – Herstellen zweier zumindest im Wesentlichen identischer, jeweils einen Boden (35) und eine Seitenwand (36) aufwei sender becherförmiger einstückiger Kolbenkörperhälften (32a, 32b) durch Spritzgießen, – stirnseitiges axiales Aneinandersetzen der beiden zuvor koaxial zueinander ausgerichteten Kolbenkörperhälften (32a, 32b) mit den den Böden (35) axial entgegengesetzten Stirnflächen (37) ihrer Seitenwände (36) und – stoffschlüssiges festes Verbinden der beiden Kolbenkörperhälften (32a, 32b) an ihrer Stoßstelle (33) während und/oder nach dem Aneinandersetzen der Kolbenkörperhälften (32a, 32b).
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das stoffschlüssige Verbinden der beiden Kolbenkörperhälften (32a, 32b) durch Verschweißen, insbesondere Reibschweißen, vorgenommen wird.
Verfahren nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenwand (36) der becherförmigen Kolbenkörperhälften (32a, 32b) im Wesentlichen rohrförmig gestaltet ist.
Ventil zur Steuerung von Fluidströmen, dadurch gekennzeichnet, dass es mit einem gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9 ausgebildeten oder einen gemäß einem der Ansprüche 10 bis 12 hergestellten Steuerkolben (4) ausgestattet ist.