DE1600933C3 - Kolbenschieberventil - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Kolbenschieberventil mit einem in dem Ventilgehäuse in axialer Richtung durch gegensinnig wirkende Betätigungseinrichtungen frei hin- und herverschiebbaren, mit einem oder mehreren zylindrischen Bunden versehenen Ventilkolben und einem Ventilgehäuse mit je nach Stellung des Ventilkolbens miteinander verbundenen bzw. voneinander getrennten Einlaß- und Steueranschlüssen für strömungsfähiges Medium und Einrichtungen zum Einführen von unter Druck stehendem Medium zwischen die Umfangsfläche des Kolbensteges und die den Kolben führende Innenfläche der Ventilgehäusebohrung.

Es sind bereits verschiedenste Versuche unternommen worden, um das bekannte Klemmen des Kolbenschiebers in derartigen Ventilen zu verhindern. Hierzu ist es bekannt, in der Umfangsfläche der Stege des Kolbenschiebers eine oder mehrere Ringnuten anzubringen (US-PS 5 25 462), um die auf den Kolbenschieber wirkenden seitlichen Kräfte auszugleichen. Es ist auch bekannt, in der Umfangsfläche der Stege von Kolbenschiebern Taschen für Druckmittel auszubilden, die über Kanäle mit der Hochdruckseite des Kolbenschiebers verbunden sind (DT-PS 9 19 679). Diese Taschen sollen mit dem sich niederdruckseitig anschließenden vollen Teil des jeweiligen Steges des Kolbenschiebers zum Zentrieren zusammenwirken. Ferner ist bekannt, bei Kolbenschiebern auf einen Teil der Steglänge Längsnuten anzubringen (DT-AS 10 74 346), die durch den am Kolbenschiebersteg vorbeifließenden Leckstrom mit unter Druck stehendem Medium gefüllt werden und verhindern sollen, daß sich das Ventilgehäuse zusammenzieht und den Kolbenschieber festklemmt.

Alle diese bekannten Maßnahmen zum Verhindern des Festklemmens arbeiten nach dem Prinzip, daß ein unvermeidlicher, möglichst klein zu haltender, axial über den Steg des Kolbenschiebers verlaufender Leckstrom von unter Druck stehendem Medium ausgeglichen oder zur Steuerung einer gegen die Bohrung des Ventilgehäuses gerichteten Druckwirkung ausgenutzt wird. In allen Fällen kann nur dann eine begrenzte Wirksamkeit solcher Einrichtungen erreicht werden, wenn ein sehr genauer Paßsitz des Kolbenschiebers in der Bohrung des Ventilgehäuses und eine sehr genaue Oberflächenbearbeitung am Steg des Kolbenschiebers und der Bohrungsfläche gewährleistet sind.

Schließlich ist es bekannt, an der Innenfläche einer Zylinderlaufbüchse für einen hin- und hergleitenden Kolben eine gewindeartige Nut anzubringen, die das Schmiermittel zurückhält bzw. beim Anlaufen den Eintritt von Schmiermittel zuläßt (US-PS 5 72 021). Hierdurch soll die metallische Berührung zwischen Zylinderbohrung und Kolben vermieden werden, jedoch dient eine solche bekannte Anordnung nicht zur wahlweisen Steuerung eines Druckmittels, so daß auch nicht die durch an einem Kolbenschieber eines Ventils auftretenden hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte hervorgerufenen Probleme bestehen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, neben einer Verbesserung der zentrischen Kolbenführung in der Schiebergehäusebohrung eine Verringerung der Stellkräfte zu bewirken, die zur Überwindung der am Kolbenschieber herrschenden hydrostatischen und hydrodynamischen Kräfte beim Steuervorgang erforderlich sind, ohne Rücksicht auf die Höhe des Mediumdrucks und ohne daß eine wesentlich höhere Präzision bei der Herstellung der Schieberbohrung und der Kolbenschieberoberfläche notwendig wäre.

Gemäß der Erfindung besteht die Lösung dieser Aufgabe in der Kombination der Merkmale:

a) Jeder Bund des Ventilkolbens ist in an sich bekannter Weise auf seiner Umfangfläche mit einer zwischen jeweils zwei benachbarten Ventilanschlüssen ständig offenen, als schraubenförmig in Art eines Gewindes um die zylindrische Umfangsfläche des jeweiligen Bundes geführter Kanal ausgebildeten Strömungsverbindung versehen und
b) die Außenkanten des Bundes sind zur Bildung von diametral gegenüberliegenden Düsen abgeschrägt. Durch die Erfindung wird nicht allein ein Festklemmen des Ventilkolbens in der Bohrung des Ventilgehäuses vermieden, sondern darüber hinaus auch die zum Bewegen des Ventilkolbens und Überwinden der am Ventilkolben auftretenden Bernoulli-Kräfte erforderliche Betätigungskraft wesentlich herabgesetzt. SoI-ehe Strömungskräfte oder Bernoulli-Kräfte beruhen auf der hohen Geschwindigkeit des Mediums, das von der Drucköffnung zu der Steueröffnung fließt, wenn das Ventil geöffnet ist und sind so gerichtet, daß sie das Ventil zu schließen bestrebt sind. An den an den Außenkanten des Bundes ausgebildeten Düsen werden durch das vorbeiströmende Medium Reaktionskräfte, d. h. Rückstoßkräfte erzeugt, die den Bernoulli-Kräften entgegenwirken, und zwar wie die Bernoulli-Kräfte zu-

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nehmend mit größer werdender Strömungsgeschwindigkeit bzw. größer werdendem Druck in dem durch das Ventil zu steuernden Medium.

In besonders vorteilhafter Ausführungsform der Erfindung sind die Bunde des Ventilkolbens mit zweigängigem Gewinde versehen, dessen beide Gewindegänge an diametral gegenüberliegenden Punkten des Bundumfanges beginnen, und die Düsen sind an den Gewindeanfangspunkten auf etwa 90° des Bundumfangs ausgebildet. Diese Ausführungsform zeichnet sich durch besonders günstigen symmetrischen Ausgleich der Druckverhältnisse in den schraubenförmigen Kanälen und der Reaktionskraftverhältnisse an den Düsen sowie durch relativ einfache technische Ausführung aus.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert; es zeigt

F i g. 1 ein Kolbenschieberventil als Richtungssteuerventil im Teilschnitt,

F i g. 2 einen vergrößerten Ausschnitt aus F i g. 1, geschnitten,

F i g. 3 einen Schnitt nach der Linie 3-3 der F i g. 2,

Fig.4 eine Teilschnittdarstellung in vergrößertem Maßstab eines Teils der F i g. 2 und

F i g. 5 Arbeitskurven eines Kolbenschieberventils im Vergleich zu einem herkömmlichen Ventil, wobei die erforderlichen Kräfte zum Bewegen des Kolbenschieberventils bei verschiedenen Zuführungsdrücken veranschaulicht sind.

F i g. 1 zeigt ein Ventil 10 mit Betätigungs-Elektromagnet 12 und eigentlichem Kolbenschieberventil 14. Das Kolbenschieberventil 14 weist ein Ventilgehäuse 26 mit zylindrischer Bohrung 28 auf, die mit einer Mehrzahl von Ringnuten in axialem Abstand versehen ist. Die eine Ringnut bildet die Druckkammer 42 des Kolbenschieberventils 14 und ist mit dem Einlaß 44 verbunden. In gleichen axialen Abständen zu jeder Seite dieser Druckkammer 42 sind Ringnuten vorgesehen, die Steuerkammern 46 und 48 bilden und mit im Ventilgehäuse 26 angebrachten Anschlüssen 50 bzw. 52 verbunden sind. Ein Paar von Rücklaufkammern 54 und 56 wird von axial außerhalb der Steuerkammern 46 und 48 in Abstand angeordneten Ringnuten gebildet. Diese Rücklaufkammern 54 und 56 stehen in Verbindung mit einem gemeinsamen Rücklaufanschluß 58 über einen Längskanal 60 und Querkanäle 62 bzw. 64. Die Kanäle 60, 62 und 64 sind von vorbestimmter Größe, um eine geringfügige Beschränkung der Strömung zwischen den Rücklaufkammern 54 und 56 und dem Rücklaufanschluß 58 zu bewirken.

Der Ventilkolben 66 ist mit Bunden 68 und 70 versehen, die durch einen zylindrischen Abschnitt 72 geringeren Durchmessers voneinander getrennt sind. Jeder Bund 68 und 70 ist mit einem zweigängigen Gewinde 74 (F i g. 2) versehen, dessen beide Gewindegänge 96 an diametral gegenüberliegenden Punkten 76 und 78 auf dem Umfang eines jeden Bundes 68 und 70 beginnt. An diesen Anfangspunkten 76 und 78 der Gewindegänge % ist die Außenkante 80 des jeweiligen Bundes 68 bzw. 70 auf einen Bogenbereich von etwa 90° entfernt, so daß Düsen 82 und 84 gebildet sind. Die verbleibenden Teile 86 und 88 der Umfangskante 80 bleiben unversehrt als scharfe Kanten bestehen. Diese Ausbildung ist an jeder Außenkante 80 der Bunde 68 und 70 die gleiche. Die gestrichelten Linien 90 in F i g. 3 stellen den Gewindefußdurchmesser des zweigängigen Gewindes 74 dar.

Wie in Fig.4 gezeigt, ist der Gewindekamm jedes Gewindeteils des zweigängigen Gewindes 74 flach und bildet eine zylindrische Fläche, deren Durchmesser etwa gleich dem Steigungsdurchmesser des zweigängigen Gewindes ist. Die Breite des Gewindekamms 92 ist annähernd gleich der Hälfte des Abstandes zwischen zwei entsprechenden Punkten auf benachbarten Gewindegängen. Die Gewindegangnut 96 wird von den Flanken 98 und 100 benachbarter Gewindegänge des

ίο zweigängigen Gewindes 74 gebildet. Die Breite einer jeden Gewindegangnut 96 ist — gemessen an der zylindrischen Umfangsfläche der Bunde 68 und 70 — im wesentlichen gleich der Breite des Gewindekamms 92. Für einen Ventilkolben mit einem Bunddurchmesser von ungefähr 1,75 cm kann die Breite des Gewindekamms etwa 2 mm und die Tiefe etwa 1,7 mm betragen. Jeder Bund 68 und 70 besitzt an seinem Umfang eine Ringnut 102 bzw. 104, die den mit Gewinde 74 versehenen Umfangsteil jedes Bundes 68 und 70 in zwei gleiche Teile trennt. Dieses Merkmal ist für die Bearbeitung der Bundumfangsfläche günstig.

Befindet sich der Ventilkolben 66 in seiner in F i g. 1 gezeigten geschlossenen Mittellage, so decken die Bunde 68 und 70 die Steuerkammern 46 und 48 ab. Die Länge jedes Bundes 68 und 70 ist so, daß sich der Bund zu beiden Seiten über die Steuerkammern 46 und 48 hinaus in die Bohrung 28 erstreckt.

Der Ventilkolben 66 ist zu beiden Seiten der Bunde 68 und 70 mit Führungs- und Betätigungsstangen 106 und 108 versehen. Die Betätigungs- und Führungsstange 106 erstreckt sich in den Betäiigungs-Elektromagnet, während die sich auf der Seite des Bundes 70 befindende Führungs- und Betätigungsstange 108 zwei Federführungen 114 und 116 trägt, die mittels eines Schnappringes 118 auf der Führungs- und Betätigungsstange 108 gehalten sind. Zwischen diesen Federführungen 114 und 116 ist eine Druckfeder 120 angeordnet, während auf der Führungs- und Betätigungsstange 108 eine Abstandshalterhülse 122 sitzt, die die Federführung 114 in Abstand vom Kolben 70 hält. Die Druckfeder 120 steht unter Vorspannung, so daß sich die Federführung 114 an einem Absatz 124 der Bohrung 126 und die Federführung 116 gegen die Kappe 36 abstützt.

Im Betrieb wird ein unter Druck stehendes fließfähiges Medium in die Druckkammer 42 durch den Anschluß 44 eingeführt. Befindet sich der Ventilkolben 66 in seiner mittleren, in F i g. 1 dargestellten Schließstellung, so werden die Steuerkammern 46 und 48 von den Bunden 68 bzw. 70 hydraulisch abgeschlossen. In dieser Stellung werden die Kolbenbunde 68 und 70 hydrostatisch in konzentrischer Lage in bezug zur Ventilbohrung 28 gehalten. Das zugeführte Druckmedium tritt nämlich in die Nuten 96 des zweigängigen Gewindes 74 durch die Düsen 82 und 84 an dem Ende jedes Bundes 68 und 70 benachbart der Druckkammer 42 ein. Das Medium fließt fortlaufend von der Druckkammer 42 zu jeder der Steuerkammern 46 und 48 oder zu den Rücklaufkammern 54 und 56, und zwar in jeder der Nuten 96 des zweigängigen Gewindes 74 rund um den Umfang eines jeden Bundes 68 und 70. Diese Strömung ist von Natur aus ein Lecken, aber auf Grund des langen Fließweges, den die Nuten 96 rund um den Umfang der Bunde 68 und 70 bilden, nur von verhältnismäßig unbedeutender Menge. Solange wie in der Druckkammer 42 ein Zuführungsdruck herrscht, findet somit ein geringer Fluß in den Gewindenuten % statt unabhängig davon, ob der Ventilkolben sich in

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Schließstellung oder einer Öffnungsstellung befindet. Zusätzlich zu der Strömung in den Gewindenuten 96 entsteht auch ein geringer Fluß des Druckmediums von jeder Nut 96 quer über den Gewindekamm 92 zu der benachbarten Gewindenut % auf Grund des geringen Druckabfalls, der zwischen den benachbarten Gewindegängen 96 besteht. Der Druck des durch die Gewindegänge rund um den zylindrischen Umfang der Bunde 68 und 70 fließenden Medium stellt ausgeglichene seitliche hydraulische Kräfte zwischen den Bunden 68 und 70 und der Innenfläche der Ventilbohrung 28 sicher. Diese hydraulischen Kräfte halten die Bunde 68 und 70 in konzentrischer Lage bezüglich der Ventilbohrung 28 und verhindern dabei ein hydraulisches Festklemmen ohne Rücksicht auf die Größe des Zuführungsdruckes.

Wird der Kolben 66 von seiner mittleren Schließstellung in eine seiner Offenstellungen bewegt, so werden zwei verschiedene hydraulische Kräfte auf den Kolben ausgeübt, die die Kolbenbewegung in die anfänglich betätigte Richtung unterstützen. Diese Kräfte gleichen im wesentlichen die Wirkung der entgegengesetzt gerichteten Bernoulli-Kräfte bzw. Strömungskräfte aus und verringern somit die Kraft, die erforderlich ist, um den Kolben in seiner Offenstellung zu betätigen. Wird beispielsweise der Kolben nach rechts bewegt, so bilden die abgeschrägten Düsen 82 und 84 der Außenkante 80 des Bundes 68 eine beschränkte Verbindung zwischen der Steuerkammer 46 und der Rücklaufkammer 54 schon bevor die Umfangskante 80 des Bundes 68 die Außenkante der Steuerkammer 46 erreicht. Diese beschränkte Verbindung hat die Wirkung eines Paares von Rückstoßdüsen zwischen der Steuerkammer 46 und der Rücklaufkammer 54. Die Medium-Strömung durch diese Düsen 82 und 84 erzeugt eine Düsenstrahl-Reaktionskraft, also eine Rückstoßkraft auf den Kolben 66, die die Betätigungskraft des Kolbens unterstützt.

Eine zusätzlich unterstützende Kraft wird durch die oben erwähnte vorbestimmte Querschnittsbeschränkung der Kanäle 62, 64 und 60 erzielt. Wenn beispielsweise der Ventilkolben 66 nach rechts bewegt wird, findet eine Rückströmung des Mediums von der Steuerkammer 46 zur Rücklaufkammer 54 statt, die sich durch die Kanäle 62 und 60 zum Rücklaufanschluß 58 fortsetzt. Dabei wird ein Druckabfall zwischen der Rücklaufkammer 54 und dem Rücklaufanschluß 58 erzeugt. Da die Rücklaufkammer 56 durch den Bund 70 verschlossen ist, kann keine entsprechende Strömung zwischen der Rücklaufkammer 56 und dem Rücklaufanschluß 58 stattfinden. Deshalb tritt auch kein Druckabfall ein. Somit ist der Flüssigkeitsdruck in der Rücklaufkammer 54 höher als in der Rücklaufkammer 56. Dieser Druckabfall erzeugt eine hydraulische Kraft, die auf das Ende des Bundes 68 wirkt, das der Rücklauf- j kammer 54 ausgesetzt ist. Wird der Ventilkolben in j entgegengesetzter Richtung bewegt, so wird eine gleichartige Wirkung jedoch in entgegengesetzter Richtung hervorgerufen. Diese hydraulische Kraft unterstützt noch die oben erläuterte Düsen-Rückstoßkraft beim Bewegen des Ventilkolbens 66 in einer Richtung anfänglicher Betätigung.

Die maximal erforderliche Kraft zum Bewegen des Ventilkolbens eines oben beschriebenen Ventils von geschlossener Mittelstellung in eine Offenstellung ist in F i g. 5 schaubildlich dargestellt. Das Schaubild gibt diese erforderlichen Kräfte im Vergleich zu entsprechenden Kräften bei herkömmlichen Ventilen solcher Art wieder. Im Unterschied zu dem dargestellten Ventil enthielt das für die Erstellung der Kurve der F i g. 5 benutzte Testventil nicht die Feder 120, da die Federkraft eine äußere Konstante für jeden Ventilkolben darstellt.

Die Kurve A in F i g. 5 stellt die maximal erforderliche Kraft dar, um einen Ventilkolben 66 von der geschlossenen Mittelstellung in eine Offenstellung zu bewegen, wobei die zur Druckkammer 42 zugeführten Drücke verändert wurden. Die notwendigen Zuführungsdrücke, um verschiedene Strömungsmengen zu erhalten, bei denen die Maximalkraft vermerkt wurde, ist in Kurve C veranschaulicht. Beispielsweise wurde die Maximalkraft zum Bewegen des Kolbens bei Strömungsmengen im Bereich zwischen etwa 7,6 und 37,9 Liter pro Minute in Intervallen von etwa 3,8 Liter pro Minute gemessen sowie die notwendigen Drücke zur Erzeugung solcher Strömungsmengen. Die erforderliche Maximalkraft zum Bewegen des Kolbens überschritt — wie dabei festgestellt wurde — nicht und bei keinem Zuführungsdruck den Wert von 0,07 kg/cm². Wie Kurve A veranschaulicht, war die zum Bewegen des Ventilkolbens 66 erforderliche Kraft im wesentlichen konstant über den gesuchten Bereich des angelegten Mediumdruckes bzw. der erzeugten Strömungsmengen, woraus deutlich wird, daß die zum Bewegen des Ventilkolbens 66 erforderlichen Kräfte im wesentlichen von Veränderungen des Zuführungsdruckes unberührt bleiben.

Die Kurve B in F i g. 5 stellt die maximal erforderliche Kraft zum Bewegen eines Ventilkolbens eines in Auslegung und Konstruktion vergleichbaren herkömmlichen Ventils dar. Es wird aus Kurve B deutlich, daß die zum Bewegen des Ventilkolbens erforderliche Kraft ansteigt, wenn der Zuführungsdruck des zu steuernden Mediums höher wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

16 OO 933 Patentansprüche:

1. Kolbenschieberventil mit einem in dem Ventilgehäuse in axialer Richtung durch gegensinnig wirkende Betätigungseinrichtungen frei hin- und herverschiebbaren, mit einem oder mehreren zylindrischen Bunden versehenen Ventilkolben und einem Ventilgehäuse mit je nach Stellung des Ventilkolbens miteinander verbundenen bzw. voneinander getrennten Einlaß- und Steueranschlüssen für strömungsfähiges Medium und Einrichtungen zum Einführen von unter Druck stehendem Medium zwischen die Umfangsfläche des Kolbensteges und die den Kolben führende Innenfläche der Ventilgehäusebohrung, gekennzeichnet durch die Kombination folgender Merkmale:

a) Jeder Bund (68,70) des Ventilkolbens (66) ist in an sich bekannter Weise auf seiner Umfangsfläche mit einer zwischen jeweils zwei benachbarten Ventilanschlüssen (44, 50, 52, 62, 64) ständig offenen, als schraubenförmig in Art eines Gewindes um die zylindrische Umfangsfläche des jeweiligen Bundes geführter Kanal (96) ausgebildeten Strömungsverbindung versehen und

b) die Außenkanten (80) des Bundes sind zur Bildung von diametral gegenüberliegenden Düsen (82,84) abgeschrägt.

•2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bunde (68, 70) des Ventilkolbens (66, 106, 108) mit zweigängigem Gewinde (74) versehen sind, dessen beide Gewindegänge (96) an diametral gegenüberliegenden Punkten (76, 78) des Bundumfangs beginnen und die Düsen (82, 84) an den Gewindeanfangspunkten auf etwa 90° des Bundumfangs ausgebildet sind.