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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein vorgesteuertes Ventil mit einem
in einem Ventilgehäuse längs verschiebbar
untergebrachten Ventilschieber, der zumindest einseitig über eine
Steuerkammer mit einem Steuerdruck zur Änderung der Schaltposition beaufschlagbar
ist, wobei seitens des Ventilschiebers ein Dichtring zur dynamischen
Abdichtung der Steuerkammer vorgesehen ist.
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Das
Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich vornehmlich
auf pneumatische Schieberventile mit 2/2-, 3/2-, 4/2-, 5/2-, oder 5/3-Ventilfunktion.
Die Vorsteuerung ermöglicht
die Betätigung
des Ventilschiebers pneumatisch mittels eines Steuerdrucks. Dieser
kann entweder nur einseitig auf den Ventilschieber aufgebracht werden, womit
eine bistabile Ventilfunktion umgesetzt ist. Denn die Rückstellung
erfolgt per mechanischer Rückstellfeder,
Luftfeder oder einer Kombination hieraus. Zum Anderen ist es auch
möglich,
den Steuerdruck abwechselnd zu beiden Seiten auf den Ventilschieber
zu geben, um insoweit eine bistabile Ventilfunktion umzusetzen.
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Aus
der
EP 0 463 394 A1 geht
ein gattungsgemäßes vorgesteuertes
Schieberventil hervor. Zur Betätigung
des Ventilschiebers ist hier ein separat ausgebildeter Steuerkolben
vorgesehen, an dem außenradial
eine Lippendichtung befestigt ist, um die dynamische Abdichtung
des Steuerkolbens gegenüber
der Steuerkammer zu gewährleisten.
Der separate Steuerkolben kommt bei Beaufschlagung der Steuerkammer
an der Stirnseite des Ventilschiebers zur Anlage, um diesen zu betätigen.
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Aus
der
DE 1 290 397 A geht
ein anderes vorgesteuertes Schieberventil hervor, welches steuerkolbenlos
ausgeführt
ist. Hierbei kommt an der Stirnseite des Ventilschiebers ein die
gesamte Steuerkammer begrenzendes großes Dichtelement zur Anlage,
welches hier nach Art eines Lippendichtelements ausgeführt ist.
Das Lippendichtelement weist einen Kolbenabschnitt auf, so dass
es axial bewegbar innerhalb der Steuerkammer dynamisch dichtend unterbringbar
ist. Nachteilig hierbei ist, dass wertvolles Elastomermaterial zur
Ausbildung des großvolumigen
funktionsintegrierten Dichtelements erforderlich ist.
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Aus
der
DE 10 2004
042 224 A1 geht ein weiteres gattungsgemäße vorgesteuertes
pneumatisches Schieberventil hervor, dessen Steuerkolben direkt
am Ende des Ventilschiebers angeformt ist. Der Steuerkolben bietet
die Anlagefläche
für eine
funktionsintegrierte Dichtungsscheibe, welche neben der außenradialen
dynamischen Abdichtung der Steuerkammer auch eine Stoßdämpfungsfunktion
zwecks Endlagendämpfung übernimmt. Über einen
Zapfen am Kolben des Ventilschiebers wird diese funktionsintegrierte
Dichtungsscheibe gegenüber
dem Ventilschieber zentriert.
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Ergänzend wird
noch auf die Druckschrift
DE 28
16 393 A1 verwiesen, welche ein Ventil zum Steuern von
Druckfließmitteln
mit einem zum Steuern der Verbindung zwischen Durchlässen in
einem Ventilkörper
relativ zu diesem beweglichen Glied und wenigstens einer Dichtung
betrifft, welche in einer entweder im beweglichen Glied oder im
Ventilkörper
vorgesehenen Ausnehmung aufgenommen und in abdichtenden Eingriff
mit einer Wand der Ausnehmung und einer Dichtungsfläche an entweder
dem Ventilkörper
oder dem beweglichen Glied bringbar ist.
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Ferner
wird die Druckschrift
US
2,614,793 A genannt, welche sich mit Dichtungen zwischen
ebenen oder zylindrischen Flächen
zueinander feststehender oder beweglicher Teile befasst.
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Nachteilig
bei den vorstehend diskutierten Lösungen des Standes der Technik
ist u. a. die große Einbaulänge, welche
die Gesamtlänge
des Schieberventils vergrößert. Abhängig vom
Kolbendichtungstyp ist bei einigen Lösungen eine tiefe und recht lange
Nut im Steuerkolben zu erzeugen. Die vorzugsweise spanende Bearbeitung
verursacht eine aufwendige Behandlung der Teile, um Späne zu vermeiden,
insbesondere bei gedrehten Kunststoffteilen. Fertigungsspäne würden innerhalb
kürzester
Zeit Undichtheiten des Ventils herbeiführen. Werden mehrere Einzelteile
insbesondere axial hintereinander geschichtet angeordnet, so können recht
komplexe Toleranzketten verursacht werden, welche einen akzeptablen
Kompromiss zwischen hinreichender Dichtheit und minimaler Reibung
im Bereich der Steuerkammer erschweren: Darüber hinaus erschwert bei mehrteiligen
Lösungen
die Bauteilanzahl eine eindeutige Montage.
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Es
ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vorgesteuertes
pneumatisches Schieberventil zu schaffen, welches unter Verwendung
minimaler Einzelbauteile eine zuverlässige Betätigung des Ventilschiebers
in kompakter Bauform gestattet.
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Die
Aufgabe wird ausgehend von einem vorgesteuerten pneumatischen Schieberventil
gemäß dem Oberbegriff
von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen
gelöst.
Die nachfolgenden abhängigen
Ansprüche
geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
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Die
Erfindung schließt
die technische Lehre ein, dass die der Steuerkammer zugewandte Stirnseite
des Ventilschiebers einen außenradialen
Absatz zur Unterbringung eines Dichtrings – vorzugsweise eines einfachen
O-Rings – aufweist,
der am Absatz dort unbefestigt und schwimmend gelagert zur Anlage
kommt, um eine steuerkolbenlose Betätigung des Ventilschiebers
zu erzielen.
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Der
Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt
insbesondere darin, dass durch Reduzierung der Teilanzahl durch
vollständigen
Verzicht eines die Funktion des Steuerkolben ausführenden
Bauteils die Montage vereinfacht wird. Hieraus resultiert ebenfalls
eine kürzere
Baulänge,
was der trendgemäßen Miniaturisierung
von Pneumatikkomponenten zu Gute kommt. Da ein gedrehter Steuerkolben
nicht mehr erforderlich ist, besteht auch nicht mehr die Gefahr
von sich im Nutgrund zur Aufnahme eines Dichtringes ansammelnden
Spänen,
die im Laufe der Zeit Undichtheiten verursachen würden. In
Folge der unbefestigten schwimmend gelagerten Unterbringung des
Dichtrings gegenüber
dem Ventilschieber verringern sich auch die Reibungskräfte am Steuerkolben, so
dass sich der Ventilschieber mit geringeren Steuerdrücken schalten
lässt.
Die erfindungsgemäße Lösung ist
darüber
hinaus weniger empfindlich gegen fertigungsbedingte Teiletoleranzen.
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Vorzugsweise
ist der Absatz am Ende des Ventilschiebers aus einer sich axial
erstreckenden zylindrischen Grundfläche mit hiervon sich nach radial
außen
erstreckenden kreisringförmigen
Schulterfläche
zusammengesetzt. Vorteilhafterweise sollte sich die Schulterfläche ausgehend
von der Grundfläche
schräg
radial nach außen
erstrecken, derart, dass sich im Querschnitt gesehen ein stumpfer
Winkel zwischen Grundfläche
und Schulterfläche
ergibt. Diese Maßnahme
unterstützt
die Dichtwirkung des Dichtrings bei Beaufschlagung der Steuerkammer, so
dass sich eine bessere dynamische Abdichtung ergibt. Denn die Kontaktpresskraft
verhält
sich proportional zum Steuerdruck.
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Gemäß einer
die Erfindung verbessernden Maßnahme
sollte die Steuerkammer an der dem Ventilschieber gegenüberliegenden
Ende von einem vorzugsweise flachen Deckel verschlossen sein, zwischen
welchem und der benachbarten Stirnseite des Ventilschiebers ein
Axialspalt in der Endlagenposition des Steuerschiebers verbleibt,
der vom Querschnitt des Dichtrings erzeugt wird. Hierdurch kann der
Dichtring den Aufprall des Ventilschiebers an dessen Endlage im
Sinne einer Funktionsintegration abdampfen. Zusätzlich kann die Steuerluft
hierdurch ungehindert durch einen vorzugsweise im Deckel ausgebildeten
Versorgungskanal in die Steuerkammer einströmen.
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Gemäß einer
anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahmen vorgeschlagen, zwischen
dem Außendurchmesser
des Ventilschiebers im Bereich des Absatzes und dem Dichtring einen
Radialspalt zuzulassen, der vom Dichtring überbrückend abgedichtet wird. Hierdurch
wird vorteilhafterweise die Pressung des Dichtringes minimiert,
und dadurch auch die Reibung. Darüber hinaus gestattet der Radialspalt
auch großzügigere Toleranzen
von Dichtring, Ventilgehäuse
und im Bereich des Absatzes am Ventilschieber.
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Ferner
kann gemäß einer
anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme auch zwischen dem Ventilschieber
und dem Dichtring eine kreisringförmige Scheibe angeordnet werden.
Diese Scheibe verhindert ein Festkleben des Dichtrings im Bereich
des Absatzes des Ventilschiebers und über dessen Breite lässt sich
auch bei Verwendung eines standardgemäßen Dichtrings die Breite des
Axialspalts einstellen.
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Vorzugsweise
wird als Dichtring ein einfacher O-Ring aus Elastomermaterial verwendet.
Insoweit erfordert die erfindungsgemäße Lösung nicht einen aufwendigen
Radiallippendichtring und dergleichen.
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Gemäß einer
anderen, die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen,
im Bereich des Absatzes des Ventilschiebers Mittel zum losen Halten
des Dichtrings gegenüber
dem Ventilschieber vorzusehen. Diese Mittel können dabei beispielsweise eine
an die Stirnseite des Ventilschiebers angrenzen und sich radial
nach außen
erstreckende zweite Schulterfläche
umfassen. Diese ermöglicht
im Zusammenwirken mit dem Absatz einen lockeren Halt des Dichtrings,
der vor der Montage als Verliersicherung dient, und der den Dichtring
bei unbetätigtem Schieberventil
in der Ausgangsposition hält,
so dass mechanische Vibrationen keinen negativen Einfluss auf die
Lage des Dichtrings haben. Ferner könnte zusätzlich noch ein Zentrierungssystem
in Form eines Zapfens direkt am Ventilschieber vorgesehen werden,
sofern diese Maßnahme
nicht die erfindungsgemäß vorgesehene
unbefestigte und schwimmende Lagerung des Dichtrings am Absatz des
Ventilschiebers beeinträchtigt.
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Weitere,
die Erfindung verbessernde Maßnahmen
werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten
Ausführungsbeispiels
der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
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1 einen
Längsschnitt
eines vorgesteuerten pneumatischen Schieberventils mit einer 5/2
monostabilen Ventilfunktion,
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2 einen
Längsschnitt
eines vorgesteuerten pneumatischen Schieberventils mit einer 5/2
bistabilen Ventilfunktion,
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3 ein
Detaillängsschnitt
im Bereich der Steuerkammer von 1,
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4 ein
Detaillängsschnitt
im Bereich der Steuerkammer nach 1 mit Veranschaulichung von
Kräften
im Ruhezustand,
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5 ein
Detaillängsschnitt
im Bereich der Steuerkammer nach 1 mit Veranschaulichung von
Kräften
im Betriebszustand, und
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6 einen
Detaillängsschnitt
im Bereich der Steuerkammer von 1 in einer
anderen Ausführungsform.
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Gemäß 1 besteht
das vorgesteuerte pneumatische Schieberventil aus einem Ventilgehäuse 1 mit
fünf Anschlüssen. Der
hierin untergebrachte Ventilschieber 2 wird über eine
einseitige Steuerkammer 3 mit einem Steuerdruck beaufschlagt,
der nach Maßgabe
eines Vorsteuerventils 4 entsprechend dessen elektrischer
Ansteuerung erzeugt wird. Die Rückstellung
dieses monostabil arbeitenden Schieberventils wird durch eine am
anderen Ende der Steuerkammer 3 angeordneten Rückstellfeder 5 vollzogen,
wenn die Steuerkammer 3 nicht mit Steuerdruck beaufschlagt
ist. Der Ventilschieber 2 ist steuerkolbenlos ausgebildet
und zur dynamischen Abdichtung der Steuerkammer 3 wirkt
ein Dichtring 6, welcher als O-Ring ausgebildet ist, mit dem Ventilschieber 2 zusammenwirkt.
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Bei
dem in 2 dargestellten Ausführungsbeispiel sind im Ventilgehäuse 1 zwei
Steuerkammern 3, 3' beidseits
des Ventilschiebers 2 angeordnet, um eine bistabile Ventilfunktion
zu ermöglichen. Dementsprechend
sind auch zwei Vorsteuerventile 4, 4' vorhanden,
die die jeweils zugeordneten Steuerkammern 3, 3' nach Maßgabe der
elektrischen Ansteuerung abwechselnd mit einem Steuerdruck beaufschlagen.
Jedem Ende des Ventilschiebers 2 ist ein separater Dichtring 6, 6' zugeordnet.
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Gemäß 3 ist
zur Betätigung
des Ventilschiebers 2 die der Steuerkammer 3 zugewandte Stirnseite 7 des
Ventilschiebers 2 mit einem außenradialen Absatz 8 versehen.
Im Bereich des Absatzes 8 erfolgt die Unterbringung des
Dichtringes 6 in der Weise, dass dieser unbefestigt und
schwimmend gelagert am Ventilschieber 2 zur Anlage kommt.
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Die
Steuerkammer 3 ist über
einen Deckel 9 verschlossen. Durch den Deckel 9 verläuft ein
Kanal 10, welcher in der Steuerkammer 3 zur Beaufschlagung
derselben mit dem Steuerdruck mündet.
Zwischen dem Deckel 9 und der benachbarten Stirnseite 7 des
Ventilschiebers 2 verbleibt ein Axialspalt 11, welcher
vom Querschnitt des Dichtrings 6 erzeugt wird. Der Axialspalt 11 dient
der Endlagendämpfung durch
den Dichtring 6 und gewährleistet
gleichzeitig eine gleichmäßige Beaufschlagung
der Steuerkammer 3 bei Bewegung des Ventilschiebers 2 aus
seiner Anfangsposition.
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Weiterhin
ist zwischen dem Absatz 8 des Ventilschiebers 2 und
dem Innendurchmesser des Dichterings 6 ein Radialspalt 12 vorgesehen,
der in erster Linie die schwimmende Lagerung des Dichtrings 6 im
Bereich des Absatzes 8 ermöglichen.
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Gemäß 4 wird
der Absatz 8 am Ende des Ventilschiebers 2 aus
einer sich axial erstreckenden zylindrischen Grundfläche 13 mit
hieran angrenzender und sich radial nach außen erstreckenden Schulterfläche 14 gebildet.
Hierbei verläuft
die Schulterfläche 14 ausgehend
von der Grundfläche 13 schräg nach außen, so
dass sich im Querschnitt gesehen ein stumpfer Winkel zwischen Grundfläche 13 und
Schulterfläche 14 ergibt.
Durch diesen stumpfen Winkel ergeben sich in der dargestellten Ruheposition
des Ventilschiebers 2 besonders geringe Presskräfte, welche
symbolisch am Dichtring 6 angetragen sind.
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Gemäß 5 steht
die Steuerkammer 3 nun unter Steuerdruck. In dieser bestätigten Schaltposition
für den
Ventilschieber 2 drückt
sich der Dichtring 6 aufgrund der abgeschrägten Schulterfläche 14 dynamisch
abdichtend in den Spaltbereich zwischen Ventilschieber 2 und
Ventilgehäuse 1.
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Gemäß dem in 6 gezeigten
Ausführungsbeispiel
ist zusätzlich
im Bereich des Absatzes 8 des Ventilschiebers 2 eine
zweite Schulterfläche 15 angeformt.
Die Schulterfläche 15 erstreckt
sich radial nach außen
und dient dem losen Halten des Dichtrings 6 im Bereich
des Absatzes 8.
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- 1
- Ventilgehäuse
- 2
- Ventilschieber
- 3
- Steuerkammer
- 4
- Vorsteuerventil
- 5
- Feder
- 6
- Dichtring
- 7
- Stirnseite
- 8
- Absatz
- 9
- Deckel
- 10
- Kanal
- 11
- Axialspalt
- 12
- Radialspalt
- 13
- Grundfläche
- 14
- erste
Schulterfläche
- 15
- zweite
Schulterfläche