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Strömungsmittel-Steuervorrichtung Die Erfindung betrifft eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung
und insbesondere eine wechselweise zwischen zwei Schaltstellungen in Abhängigkeit
von kurzzeitigen Druckbeaufschlagungen verschiebbare Steuervorrichtung.
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Es ist eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung bekannt (USA-Patentschrift
3.011.519), bei der an entgegengesetzten Enden eines Steuerschiebers gelegene Kammern
abwechselnd mit Luft beaufschlagt werden, wobei in dem Steuerschieber ein Kugelventil
angeordnet ist.
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F§r einen sicheren Betrieb dieser Vorrichtung ist es erforderlich,
daß das Strömungsmittel, insbesondere Druckluft, rasch genug zugeführt wird, um
daß sich vergrößernde Volumen der druckbeaufschlagten Kammer schnell aufzufüllen.
Wenn die Luftzufuhr zu langsam erfolgt, wird die am Kugolventil orforderliche Uruckdifferenz
nach einer teilweisen Bewegung des Steuerachlebers nicht
aufrechterhalten
und das Kugelventil kann sich von seinem Sitz abheben. Dabei besteht die Gefahr,
daß dann das entgegengesetzte Ende des Steuerschiebers mit Luftdruck beaufschlagt
wird, so daß der Steuerschieber seine Verstellbewegung nicht beenden kann. Um einen
einwandfreien Betrieb dieser Vorrichtung sicherzustellen, ist daher ein mechanisches
Gesperre vorgesehen, das den Steuerschieber in jeder seiner beiden Schaltstellungen
verriegelt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung
zu schaffen, die ohne Verwendung eines mechanischen Gesperres sicher arbeitet.
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Zur Lösung dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Strömungsmittel-Steuervorrichtung
mit einer ständig durckbeaufschlagten Zulauföffnung, einem zwischen zwei Schaltstellungen
verschieblichen Steuerschieber, einer ersten und einer zweiten druckbeaufschlagbaren
Kammer zum Verschieben des Steuerschiebers in die erste bzw.
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zweite Schaltstellung, einer abwechselnd mit der Zulauföffnung und
einer Entlüftungsöffnung verbindbaren Mittelkammer, die über einen Kanal mit der
ersten und zweiten Kammer verbunden ist, sowie einem Schaltventil, das in einer
ersten Stellung eine Strömungsmittelzufuhr zur ersten Kammer und in einer zweiten
Stellung eine Strömungsmittelzufuhr zur zweiten Kammer verhindert
und
in seine erste oder zweite Stellung in Abhängigkeit von der Bewegung des Steuerschiebers
in dessen erste oder zweite Schaltstellung gedrückt wird, die dadurch gekennzeichnet
ist, daß auf dem Steuerschieber ein erstes, unterschiedlich großes Druckangriffsflächen
umschließendes Dichtungspaar angeordnet ist, wobei entgegengesetzte Seiten des ersten
Dichtungspaares infolge der Bewegung des Steuerschiebers in die erste Schaltstellung
mit der Zulauföffnung verbunden sind und die durch die unterschiedlichen Durckangriffsflächen
erzielte Differenzkraft den Steuerschieber in der ersten Schaltstellung zu halten
sucht, und daß auf dem Steuerschieber ein zweites, unterschiedlich große Druckangriffsflächen
umschließendes Dichtungspaar angeordnet ist, wobei entgegengesatzes Seiten des zweiten
Dichtungspaares infolge der Bewegung des Steuerschiebers in die zweite Schaltstellung
mit der Zulauföffnung verbunden sind und die durch die unterschiedlichen Durckangriffsflächen
des zweiten Dichtungspaares erzielte Differenzkraft den stellung Steuerschiebar
in der zweiten Schalt/ zu halten sucht.
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Verzugsweise ist der Querschnitt der ersten Kammer derart bemessen,
daß ihre Druckbeaufschlagung von der Zulauföffnung her die Bewegung des Steuerschiebers
zur ersten Schaltstellung hin entgegen der durch die unterschiedlichen Druckangriffsflächen
des zweiten Dichtungspaares
erzielten Differenzkraft auslöst, und
das zweite Dichtungspaar ist vorzugsweise nach der Auslösung der Bewegung von der
Zulauföffnung getrennt, und somitist die durch das zweite Dichtungspaar erzielte
Differenzkraft aufgehoben, wodurch der Steuerschieber den restlichen Teil seines
Schaltweges zur ersten Schaltstellung hin verhältnismäßig rasch durchläuft. Weiterhin
ist der Querschnitt der zweiten Kammer vorzugsweise derart bemessen, daß ihre Durckbeaufschlagung
von der Zulaufffnung her die Bewegung des Steuerschiebers zur zweiten Schaltstellung
hin entgegen der durch die unterschiedlichen Durckangriffsflächen des ersten Dichtungspaares
erzielten Differenzkraft auslöst, und die gr5ßere Dichtung des ersten Dichtungspaares
ist nath Einleitung der Bewegung des Steuerschtebers vom Durck entlastet, wodurch
der Steuerschieber den restlichen Teil seines Schaltweges zur zweiten Schaltstellung
hin rasch durchläuft.
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Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung sind die Dichtflächenunterschiede
derart bemessen, daß einer Bewegung des Steuerschiebers während des ersten Teils
jedes Schaltweges der am entgegengesatzten Ende wirkende Druck entgegenwirkt; nachdem
jedoch die Schaltbewegung ausgelöst ist, wird diese Gegenkraft aufgehoben. Daher
wird ein Hängenbleiben des Steuerschiebers in einer Mittelstellung weitgehend ausgeschaltet.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den übrigen
Ansprüchen und der nachfolgenden Beschreibung, in der die Erfindung anhand der beiliegenden
Zeichnungen beispielsweise näher erläutert wird.
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Es zeigt: Fig.1 einen teilweise schematischen Schnitt durch eine erfindungsgemäße
Steuervorrichtung, wobei sich der Steuerschieber in der einen Schaltstellung befindet
und sowohl die Ausange- als auch die Steueröffnung entlüftet sind, Fig. 2 eine der
Fig. 5 ähnliche Darstellung, wobei Jedoch die Steuer- und Ausgangsöffnung durckbeaufschlagt
sind, Fig. 3 eine der Fig. 2 ähnliche Darstellung, wobei Jedoch die Steueröffnung
entlüftet ist, und Fig. 9 eine der Fig. 3 ähnliche Darstellung, wobei Jedoch der
Steuerschieber in die erste Schaltstellung zurückgekehrt, die Steueröffnung druckbeaufschlagt
und die Ausgangsöffnung entlüftet ist.
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Die Strömungsmittel-Steuervorrichtung 11 enthält ein Gehäuse 12, das
im wesentlichen kreisförmig und an beiden Enden
flach ausgebildet
ist, so daß es auf einfache W ise, beispielsweise zwischen einem solenoidbetätigten
Hilfsventil 13 und einem strömungsmittelbetätigten Motor 14, angebracht werden kann.
Das Hilfventil 13 und der Motor 14 sind schematisch in Fig. P gezeigt, wobei das
Hilfsventil 13 durch ein Solenoid 15 steuerbar ist, das beispielsweise im erregten
Zustand ftir eine Verbindung der druckbeaufschlagten Öffnung 16 mit der Steuerleitung
17 sorgt. Wenn das 801enoid 15 entregt ist, steht die Steuerleitung 17 mit der Entlüftungsöffnung
18 in Verbindung. Der Arbeitsraum 19 des Motors 14 wird von einem Eingang 21 her
versorgt und betätigt eine Kolbenstange 22, die beispielsweise mit einem Hauptventil
zusammenwirkt.
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Die Strömungsmittel-Steuervorrichtung hat den Zweck, den Arbeitsraum
19 des Motors bei aufeinanderfolgenden Druck impulsen In der Steuerleitung 17 abwechselnd
mit Druck zu beaufschlagen und zu entlüften. Ausgehend von einem Anfangszustand,
bei dem die Steuerleitung e7 entlüftet und der Arbeitsraum 19 ebenfalls entlüftet
ist wird beispielsweise die Kolbenstange 22 durch eine Feder 23 angehoben. Ein der
Steuerleitung 17 zugeführter Druckimpuls, beispielsweise infolge eines Schließens
des Schalters 24 in dem zum Solenoid führenden Stromkreis, bewirkt eine Druckbeaufschlagung
des Arbeitsraumes 19 und eine Abwärtabewegung der Kolbenstange. Bei Entlastung
der
Steuerleitung 17 vom Druckimpuls (durch Öffnen des Schalters 24) bleibt der Arbeitsraum
19 mit Druck beaurschlagt und die Kolbenstange 2? niedergedrückt. Diese Steuerdruckentlastung
kann unmittelbar nach dem Auftreten des Steuerdrucks erfolgen, da der Schalter 24
nur kurzzeitig geschlossen sein kann. Beim nächsten Verschließen des Schalters 24
und beim nächsten Steuerdrucksignal in der Steuerleitung 17 wird jedoch der Arbeitsraum
19 entlüftet und die Kolbenstange 22 zurückgezogen. Bei Entlastung der Steuerleitung
17 von diesem Steuersignal wird der Arbeitsraum 19 weiterhin entlüftet und die Kolbenstange
22 bleibt angehoben. Anschließend wiederholt sich dieser Arbeitszyklus.
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Im Gehäuse 12 ist eine Bohrung 25 ausgebildet, die an entgegengesetzten
Enden durch Deckel 26 und 27 verschlossen ist, Durch die Deckel 26 und 27 sind zwei
becherförmige Teile 28 bzw. 29 in der Bohrung 25 befestigt. Ein Steuerschieber 31
ist in der Bohrung 25 und in durch die Teile 28 bzw. 29 gebildeten Kammern 32 bzw.
33 gleitend angeordnet Der Steuerschieber ist mit einer Bohrung 34 versehen, in
der ein Paar hohlzylindrischer Einsätze 35 und 36 angeordnet sind. Die Einsätze
sind gegenseitig auf Abstand gehalten und fluchtend mit den Enden des Steuerschiebers
angeordnet. In dem Raum zwischen den Eins-ätzen ist ein zylinderförmiges Schaltventil
37 angeordnet, das kürzer als
der Abstand zwischen den Einsätzen
ausgebildet ist. In den Kinsitzen 35 bzw. 36 ist ein Paar identischer Schraubendruckfedern
38 baw. 39 von gleicher unbelasteter Federlänge vorgesehen, wobei das eine Ende
Jeder Feder am Schaltventil und das andere am Teil 28 bzw. 29 anliegt.
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Das Schaltventil ist zwischen einer ersten Stellung (Fig. 1), in der
es eine Dichtung 41 am Einsatz 35 erfaßt, und einer zweiten Stellung (Fig.3) verschiebbar,
in der es eine Dichtung 42 am Einsatz 36 erfaßt.
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Eine Zulauföffnung 43 im Gehäuse 12 ist mit einer nahe dem Teil 28
gelegenen Kammer 44 verbunden, die eine Erweiterung der Bohrung 25 bildet. Anstelle
der inneren Zulauföffnung 43 kann wahlweise auch eine äußere Zulauf.
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Öffnung 43a verwendet werden. Am Steuerschieber 31 ist eine Dichtung
45 gleitend in der Kammer 32 und eine weitere Dichtung 46 größeren Durchmessers
gleitend in der Bohrung 25 angeordnet, wenn der Steuerschieber sich in in der/Fig.1
oder 4 gezeigten Schaltstellung befindet.
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In der Schaltstellung gemäß Fig.2 2 und 3 liegt die Dichtung 46 in
der erweiterten Kammer 114. In der Schaltstellung gemäß Fig.1 oder 4 jedoch beaufschlagt
der aus der Zulauföffnung 43 zugeführte Druck die Dichtungen 45 und 46 in entgegengesetzter
Richtung, und da die Dichtung 46 den größeren Durchmesser aufweist, entsteht eine
Differenzkraft, die den Steuerschieber 31 gemäß den Figuren nach unten zu drücken
sucht.
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Im Gehäuse 12 ist weiterhin eine Entlüftungsöffnung 47 vorgesehen,
die mit einer neben dem Teil 29 in der Bohrung 25 ausgebildeten Kammer 48 verbunden
ist, wenn der Steuerschieber die Schaltstellung gemäß Pig. 1 oder 4 einnimmt. Der
Steuerschieber 31 trägt eine Dichtung 49, die in der Schaltstellung gemäß den Fign.
2 und 3 mit einem Bund 51 der Bohrung 25 zusammenwirkt, der einen größeren Druchmesser
als der mit der Dichtung 46 zusammenwirkende aufweist. In dieser Lage trennt die
Dichtung 49 die Kammer 48 von der Entlüftungsöffnung 47. Gleichzeitig ist Jedoch
die Kammer 44 mit dea engeren Abschnitt der Bohrung 25, aus dem die Dichtung 46
entfernt wurde, verbunden. Dieser engere Abschnitt ist in Fig. 2 mit 52 bezeichnet
An dem in der Kammer 33 gelegenen Ende des Steuerschiebers 31 ist eine Dichtung
50 angeordnet. Die Fläche dieser Dichtung ist gleich der Fläche der Dichtung 45,
jedoch unten aus den / beschriebenen Gründen größer als die Flächendifferenz zwischen
den Dichtungen 45 und 46.
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Mit dem Eingang 21 des Motors 14 ist eine Ausgangsleitung 53 der erfindungsgemäßen
Steuervorrichtung 11 verbunden, wobei diese Ausgangsleitung zwei Ausgangsöffnungen
54 und 55 (Fig.2) aufweist. Die Ausgangsöffnung 54 ist mit dem Abschnitt 52 der
Bohrung verbunden, während die Ausgangs-Öffnung 55 mit der Kammer 48 verbunden ist.
Daher ist
beispielsweise in der in Fig. 1 gezeigten Schaltstellung
die Ausgangsöffnung 55 mit der Entlüftungsöffnung 47 verbunden, während in der in
Fig. 2 gezeigten Schaltstellung die Ausgangsöffnung 55 mit der Zulauföffnung 43
verbunden l8to Bei einer Bewegung in die in Fig. 2 gezeigte Schaltstellung wird
daher der Arbeitsraum 19 durch die Steuervorrichtung 11 vom entlüfteten in den druckbeaufschlagten
Zustand umgeschaltet.
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Die Steuerleitung 17 ist mit einer Steueröffnung 56 im Abschnitt 52
der Bohrung nahe einem verkleinerten Abschnitt 57 des Steuerschiebers 31 verbunden.
Dieser verkleinerte Abschnitt wird durch ein Dichtungspaar 58, 59 begrenzt, und
im Steuerschieber sind Radialkanäle 61 (Fig.2) ausgebildet, die, die Steueröffnung
56 mit der Bohrung 34 am Schaltventil 37 verbinden.
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Die Fläche der Dichtung 49 ist größer als die Fläche der Dichtung
58 oder 59. In der Schaltlage des Steuerschiebers gemäß Fig. 3, die weiter unten
im einzelnen beschrieben wird, wirkt der Eingangsdruck auf die Fläche der Dichtung
49 und drückt diese nach oben, sowie auf die Fläche der Dichtung 58, wobei er diese
nach unten drückt, derart, daß die Differenzkraft den Steuerschieber in der in Fig.
> gezeigten Schaltlage hält. Die Flache der Dichtung 45 ist Jedoch größer als
der Flächenunterschied der Dichtungen 49 und 58; daher bewegt sich der Steuerschieber
infolge
einer Druckbeaufschlagung der Kammer 32 nach unten in die
in Fig. 4 gezeigte Schaltlage.
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Nunmehr wird die Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Steuervorrichtung
beschrieben. Unter der Annahme, daß sich die Bauteile anfänglich in der in Fig.
1 gezeigten Lage befinden, wird die Kammer 52, die zu dieser Zeit nicht mit Druck
beaufschlagt ist, Uber die Bohrung 62 des Einsatzes 35 und die zur Steueröffnung
56 führenden Kanäle 61 entlüftet. Die Kraft der Feder 39 reicht nicht aus, das Schaltventil
3T entgegen dem Druck in der Kammer 32 gegen die Dichtung 41 anzudrücken.
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Die Ausgangsleitung 53 wird über die Ausgangsöffnung 55, die Kammer
48 und die Entlüftungsöffnung 47 entlüftet.
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Der Steuerschieber wird in der gezeigten Lage durch eine Kraft gehaltert,
die gleich der Flächendifferenz der Dichtungen 46 und 45 mal dem Strömungsmitteldruck
ist.
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Dies sind die einzigen beiden Dichtungen, die in der in Fig.1 gezeigten
Lage wirksam sind.
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Fig.2 zeigt die Bauteile in einer Stellung, die sie nach Druckbeaufschlagung
der Steueröffnungen 56 einnehmen.
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Das Schaltventil 37 wird gegen die Dichtung 41 gedrückt, um den zur
Kammer 32 führenden Kanal abzusperren. Die Kammer 33 wird über die Kanäle 61 und
den im Einsatz 36
ausgebildeten Kanal 63 unter Druck gesetzt. Der
Steuerschieber bewegt sich in die obere Schaltatellung, da die Fläche der Dichtung
50 größer als dt. Fläche der Dichtung 46 minus der Fläche der Dichtung 45 ist.
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Während den ersten Teiles dieser Aufwärtsbewegung wirkt die durch
die unterschiedlichen Druckangriffsflächen der Dichtungen 46 und 45 erzielte Kraft
dieser Bewegung des Steuerschiebers, d. h., der Schaltkraft entgegen. Dahor muß
die Schaltkraft bis zu einem beträchtlichen Wert aufgebaut werden, bevor die Bewegung
des Steuerschiebers ausgelöst wird. Wenn sich Jedoch der Steuerschieber bewegt,
wird die Dichtung 46 aus der Bohrung 52 herausgezogen, wodurch die Verriegelungskraft
aufgehoben und sonit die Verschiebung des Steuerschiebern während des restlichen
Teils des Schaltweges unterstützt wird.
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Bei Umschaltung in die in Fig. 2 gezeigte Schaltlage wird die Ausgangsleitung
53 unter Druck gesetzt, da der Eingangsdruck aus der Kammer 44 über die Bohrung
52 zur Ausgangsöffnung 54 geleitet wird.
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Wenn die Steueröffnung 56 durckentlastet ist, nehmen die Bauteile
die in Fig. 3 gezeigte Lage ein. Der Steuerschieber 31 verbleibt in seiner oberen
Schaltlage, das Schaltventil 37 hebt sich Jedoch von der Dichtung 41 ab und legt
sich gegen die Dichtung 42 an, und zwar unter der Kraft der Peder 38, die stärker
zusammengedrückt ist
als die der 39. Dies ist darauf zurückzuführen,
daß die Kammer 33 über die Kanäle 63 und 61 zur Steueröffnung hin entlüftet ist.
Die Feder 58 ist nicht stark genug, den Druck in der Kammer 33 aufrechtzuerhalten.
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Die Ausgangsleitung 53 bleibt infolge der oben beschriebenen Verbindung
zwischen Zulauföffnung 43 und Ausgangsöffnung 54 druckbeaufschlagt. Der Steuerschieber
wird in der in Fig.3 gezeigten Schaltstellung durch eine Kraft gehaltert, die gleich
der Flächendifferenz zwischen den Dirchtungen 49 und 58 mal dem Eingangsdruck ist.
Dies sei wie folgt erläutert: Die Kammer 48 steht von der Ausgangsleitung 53 und
der Ausgangsöffnung 55 her unter Eingangsdruck. Hierdurch wird der Steuerschieber
nach oben gedrückt. Die kleinere Dichtung 58 ist von oben her mit Eingangsdruck
beaufschlagt, wodurch der Steuerschieber mit einer jedoch geringeren Kraft nach
unten gedrückt wird. Der an der Dichtung 45 nach oben angreifende Eingangsdruck
wird durch den auf die Dichtung 50 nach unten einwirkenden Druck ausgeglichen, da
diese beiden Dichtungen die gleiche Druckangriffsfläche aufweisen.
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Bei der nächsten Druckbeaufschlagung der Steueröffnung 56 wird die
Kammer 32 über die Kanäle 61 und 62 unter Druck gesetzt. Der Steuerschieber bewegt
sich in seine untere Schaltstellung, da die Fläche der Dichtung 45 größer als die
Fläche der Dichtung 49 minus der Fläche der Dichtung 58 ist.
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Wie vorher wird anfangß eine Kraft erzeugt; die der Schaltkraft entgegenwirkt,
so daß sich in der Kammer 32 ein beträchtlicher Druck aufbauen muß, bevor sich der
Steuerschieber bewegt. Wenn jedoch die Schaltbewegung einmal eingeleitet ist, wird
die Dichtung 49 vom Bund 51 getrennt und die Kammer 48 mit der Entlüftungsöffnung
47 verbunden.
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Hierdurch wird die Verriegelungskraft aufgehoben, und eine neue Verriegelung
geschaffen, wenn die Dichtung 46 mit dem Abschnitt 52 der Bohrung zusammenwirkt.
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Bei einer Verschiebung in die in Fig, 4 gezeigte Schalt stellung wird
außerdem die Ausgangsleitung 53 an der Dichtung 49 vorbei entlüftet. Das Schaltventil
37 verbleibt in seiner unteren Stellung in Anlage an der Dichtung 42, so daß das
die Kammer 32 beaufschlagende Strömungsmittel nicht entweichen kann.
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Bei Druckentlastung der Steueröffnung kehren die Bauteile von der
in Fig.4 in die in Fig.1 gezeigte Lage zurück.
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Der Steuerschieber 31 verbleibt folglich in seiner unteren Schaltstellung,
wobei die Ausgangsleitung 53 entlüftet wird, führt jedoch / die Druckentlastung
des Schaltventils 37 dazu, daß die Feder 39 das Schaltventil in seine in Fig.1 gezeigt
obere Stellung verschiebt. Die Bauteile befinden sich dann in einer Lage, in der
sie einen neuen Schaltzyklus durchlaufen können.