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Stand der
Technik
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Die
Erfindung geht aus von einem pneumatischen Wegeventil nach der im
Oberbegriff des Anspruchs 1 näher
angegebenen Gattung.
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Es
ist schon ein solches pneumatisches Wegeventil bekannt, das als
monostabiles 5/2-Ventil ausgebildet ist, wobei dessen Längsschieber
von einem 3/2-Magnetventil vorgesteuert wird. Eine Umschaltung des
Längsschiebers
in eine Arbeitsstellung ist dabei nur solange wirksam, solange der
Magnet im Vorsteuerventil erregt ist und einen Betätigungskolben
mit größerem wirksamen
Durchmesser mit Druck beaufschlagt. Die Rückstellung des Längsschiebers
aus der Arbeitsstellung in seine stabile Ausgangsstellung erfolgt
nach Abschalten des Vorsteuerventils zwangsläufig durch eine Luftfeder, wozu
ein Rückstellkolben
mit kleinerem wirksamen Durchmesser ständig vom Zulaufdruck beaufschlagt wird.
Die Betätigung
des Längsschiebers
erfolgt somit durch einen Differentialkolben, wobei der Rückstellmechanismus
zur Erzielung einer monostabilen Funktion rein pneumatisch arbeitet.
Der zur Rückstellung
einwirkende Gegendruck bewirkt, daß bei solchen Wegeventilen
der Längsschieber
erst nach Überwindung
der Haftreibung von Betätigungskolben und Schieberdichtungen
sowie der Rückstellkräfte bewegt
werden kann. Bei solchen Wegeventilen können nun lange Stillstandszeiten
auftreten, wobei sich die Dichtungen in der Oberfläche verkrallen
und das vorhandene Fett an diesen Stellen verdrückt wird. Dies kann dazu führen, dass
zum anschließenden Schalten
des Wegeventils ein relativ hoher Losbrechdruck erforderlich ist.
Gerade bei kleinbauenden Ventilen kann diese Erscheinung besonders
stark auftreten und damit auch zu höheren Schaltzeiten führen. Um
solche Haftkräfte
sicher zu überwinden,
muss der Betätigungskolben
entsprechend groß in
Durchmesser ausgelegt werden, was gerade bei Kleinventilen ungünstig ist,
wo wenig Bauraum zur Verfügung steht.
Vor allem wirkt sich ein großer
Kolbendurchmesser auch ungünstig
auf die Schaltzeiten aus, da er ein großes Kolbenraumvolumen benötigt und
die Reibung der Kobendichtung zu berücksichtigen ist. Auch der ständige Druck
auf den Rückstellkolben und
die Kraft der Rückstellfeder
beeinflussen die Schaltzeiten nachteilig.
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Aus
der
DE 39 05 636 A1 ist
ein hydraulisches Wegeventil mit einem druckmittelgesteuerten Rückstellprinzip
eines Längsschiebers
bekannt, bei dem das Druckmittel ausgehend von einem bestimmten
Verbraucheranschluss zu einem zweiten Druckraum gelangt. Nachteilig
hierbei ist, dass der Ventilschieber mit den erforderlichen Steuerkanälen durch zusätzliches
Bohren oder dergleichen zu fertigen ist. Ferner sieht auch diese
bekannte Lösung
eine herkömmliche
Rückstellfeder
vor, welche einen wesentlichen Anteil an der Aufbringung der Rückstellkraft
für den
Ventilschieber hat.
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Es
ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein vollständiges druckmittelgesteuertes
Rückstellprinzip
für einen
pneumatisch betätigbaren Längsschieber
zu schaffen, welches sich fertigungstechnisch in einfacher Weise
umsetzen lässt.
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Vorteile der
Erfindung
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Das
erfindungsgemäße pneumatische
Wegeventil mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs
hat demgegenüber
den Vorteil, dass es bei solchen monostabilen Ventilen eine erhebliche
Reduzierung der Schaltzeit bei einfacher und kostengünstiger
Bauweise erlaubt. Der sonst übliche
Kolben auf der Betätigungsseite
mit größerem Durchmesser
als der Längsschieber
entfällt,
damit auch dessen Kolbenreibung. Der zugeordnete Gehäusedeckel
baut dadurch einfacher und billiger. Vor allem sorgt das kleinere
Kolbenraumvolumen für
kürzere
Schaltzeiten; dabei führt
das kleinere Hubvolumen am Betätigungskolben
auch zu einem schnelleren Druckabbau und damit zu einer kürzeren Rückschaltzeit
des Wegeventils. Die Rückstellfeder
entfällt
ebenso wie die ständige
Druckbeaufschlagung des Rückstellkolbens,
wodurch kürzere
Schaltzeiten begünstigt
werden. Ferner ermöglicht
das monostabile Wegeventil ein sicheres Schaltverhalten bei niedrigerem
Losbrechdruck. Durch die Wegnahme des Druckes auf den Rückstellkolben
während
der ersten Phase der Bewegung des Längsschiebers erfolgt diese
Auslenkung bereits bei einem niedrigeren anstehenden Druck am Betätigungskolben.
Nach Überwindung
der Haftkräfte
vor Bewegungsbeginn wird der Längsschieber
gegen die entsprechend niedrigeren erforderlichen Kräfte der
Gleitreibung und des Rückstellmechanismus
in Richtung Arbeitsstellung bewegt, wobei der Rückstellkolben erst im Verlaufe des
Hubes des Längsschiebers
mit Druck belastet wird.
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Durch
die in den Unteransprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Hauptanspruch
angegebenen Wegeventils möglich.
Eine besonders einfache und kostengünstige Bauweise läßt sich
erreichen, wenn der Betätigungskolben
und der Rückstellkolben
unmittelbar an den Enden des Längsschiebers
ausgebildet wird. Ferner ist es für eine sichere Arbeitsweise
des monostabilen Ventils besonders vorteilhaft, wenn der dem Rückstellkolben
zugeordnete zweite Druckraum ein größeres Volumen als der erste
Druckraum am Betätigungskolben
aufweist. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß sich der Rückstelldruck
während
der Schaltphase langsam aufbaut und somit während des gesamten Schieberhubes
immer ein Kraftüberschuß auf der
Betätigungsseite
besteht. Während
der Rückstellphase baut
sich der Rückstelldruck
langsam ab und der Längsschieber
kann sicher seine Ruhe- bzw. Ausgangsstellung erreichen. Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den übrigen Ansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung.
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Zeichnung
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Ein
Ausführungsbeispiel
der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert. Die
einzige Figur zeigt einen Längsschnitt
durch ein Ausführungsbeispiel
in vereinfachter Darstellung.
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Beschreibung
des Ausführungsbeispiels
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Die
Figur zeigt einen Längsschnitt
durch ein pneumatisches Wegeventil 10, das als vorgesteuertes,
monostabiles 5/2-Ventil ausgebildet ist. Das Wegeventil 10 weist
ein Ventilgehäuse 11 auf,
in dem eine durchgehende Schieberbohrung 12 einen dicht und
gleitend geführten
Längsschieber 13 aufnimmt. In
der Schieberbohrung 12 sind durch ringförmige Erweiterungen fünf Kammern
ausgebildet, von denen die mittig liegende als Zulaufkammer 14 dient,
zu deren beiden Seiten eine erste (15) bzw. zweite Verbraucherkammer
(16) liegt, während
nach außen
hin die erste und zweite Rücklaufkammer
(17 bzw. 18) sich anschließen. Diese Kammern 14 bis 18 sind
in entsprechender Weise mit einem Zulaufanschluß 19, einem ersten
bzw. zweiten Verbraucheranschluß 21, 22 sowie
einem ersten bzw. zweiten Rücklaufanschluß 23, 24 verbunden,
welche alle im Ventilgehäuse 11 nach
unten herausgeführt
sind.
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An
der linken Stirnfläche 25 des
Ventilgehäuses 11 ist
ein Gehäusedeckel 26 angebaut,
der die Schieberbohrung 12 verschließt und dabei einen der Betätigungsseite
zugeordneten ersten Druckraum 27 bildet. Ferner ist an
dem Gehäusedeckel 26 ein
zur Vorsteuerung dienendes 3/2-Magnetventil 28 befestigt.
An der anderen Stirnfläche 29 des
Ventilgehäuses 11 ist
ein Abschlußdeckel 31 angeordnet,
welcher die Schieberbohrung 12 verschließt und dabei einen zweiten,
der Rückstellseite
zugeordneten Druckraum 32 bildet.
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Das
Magnetventil 28 hat einen Druckanschluß 33, der über eine
Steuerleitung 34 mit der Zulaufkammer 14 im Ventilgehäuse 11 in
Verbindung steht. Ein Ablaufanschluß 35 des Magnetventils 28 steht über einen
Ablaufkanal 36 mit dem ersten Rücklaufanschluß 23 in
Verbindung. Ein Steueranschluß 37 des
Magnetventils 28 ist über
einen Längskanal 38 im
Gehäusedeckel 26 mit
dem ersten Druckraum 27 verbunden.
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Der
Längsschieber 13 ist
für eine
5/2-Funktion ausgebildet und weist zu diesem Zweck fünf Kolbenabschnitte 41 bis 45 auf,
wobei an dem mittig liegenden dritten Kolbenabschnitt 43 zwei
Dichtringe 46 angeordnet sind, während die anderen Kolbenabschnitte 41, 42 bzw. 44, 45 jeweils
einen gleichartigen Dichtring 46 aufweisen. Zwischen dem
mittleren Kolbenabschnitt 43 und dem links angrenzenden,
zweiten Kolbenabschnitt 42 weist der Längsschieber 13 eine
erste Ringnut 47 auf, über
welche in der gezeichneten Ausgangsstellung des Längsschiebers 13 der
erste Verbraucheranschluß 21 mit
dem ersten Rücklaufanschluß 23 verbunden
ist. Ferner hat der Längsschieber 13 zwischen
dem mittleren Kolbenabschnitt 43 und dem rechts angrenzenden,
vierten Kolbenabschnitt 44 eine zweite Ringnut 48, über welche in
der gezeichneten Stellung des Längsschiebers 13 der
Zulaufanschluß 19 mit
dem zweiten Verbraucheranschluß 22 in
Verbindung steht. Gleichzeitig ist mit der gezeichneten Ausgangsstellung
des Längsschiebers 13 der
zweite Rücklaufanschluß 24 durch
die Kolbenabschnitte 44 und 45 pneumatisch blockiert. Zugleich
bildet der erste Kolbenabschnitt 41 einen unmittelbar am
Längsschieber 13 ausgebildeten
Betätigungskolben 49,
der mit seiner wirksamen, ersten Druckfläche 51 den ersten
Druckraum 27 begrenzt. In entsprechender Weise bildet der
fünfte Kolbenabschnitt 45 einen
Rückstellkolben 52,
der mit seiner zweiten Druckfläche 53 den
zweiten Druckraum 32 begrenzt. Auf diese Weise sind die
beiden Kolben 49, 52 jeweils an den Enden des
Längsschiebers 13 ausgebildet,
so daß deren
zugeordnete Druckflächen 51, 53 untereinander
gleich groß sind
und dem Außendurchmesser
des Längsschiebers 13 entsprechen. Die
Kolbenabschnitte 42 bis 44 bilden mit ihren zugeordneten
Dichtringen 46 auf diese Weise Steuerkanten, um die Verbindungen
zwischen den Anschlüssen 19 bis 24 in
der für
die 5/2-Funktion geforderten Weise zu steuern.
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In
dem Längsschieber 13 ist
durch eine Längs-
und Querbohrung ein Steuerkanal 54 ausgebildet, welcher
von der Stirnseite des fünften
Kolbenabschnitts 45 ausgeht und in die erste Ringnut 47 mündet. Auf
diese Weise verbindet er den zweiten Druckraum 32 mit dem
ersten Verbraucheranschluß 21.
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Die
Wirkungsweise des Wegeventils 10 wird wie folgt erläutert:
Das
vorgesteuerte, monostabile 5/2-Wegeventil 10 ist in seiner
Ausgangsstellung darstellt, die auch als Ruhestellung bezeichnet
wird. Bei nicht erregetem Magnetventil 28 ist der Druckanschluß 33 abgesperrt.
Von dem im Zulaufanschluß 19 anstehenden Druck
wird zwar zur Steuerdruckversorgung über die Steuerleitung 34 Druckmittel
abgezweigt, dieser Druck ist jedoch im Druckanschluß 33 blockiert.
Zugleich entlastet das nicht erregte Magnetventil 28 den ersten
Druckraum 27 über
den Steueranschluß 37, den
Ablaufanschluß 35 und
den Ablaufkanal 36 zum ersten Rücklaufanschluß 23.
Ferner ist der zweite Druckraum 32 über den Steuerkanal 54 im
Längsschieber 13 mit
dem ersten Verbraucheranschluß 21 verbunden,
der seinerseits in dieser Ausgangsstellung zum ersten Rücklaufanschluß 23 entlastet
ist. Der druckausgeglichene Längsschieber 13 ist
somit in der gezeichneten Ausgangsstellung stabilisiert, wobei ihn
vor allem die Reibungskräfte
infolge der Dichtringe 46 in seiner Stellung halten.
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Beim
Betätigen
des Wegeventils 10 wird der Längsschieber 13 aus
der gezeichneten Ausgangsstellung nach rechts in eine nicht dargestellte
Arbeitsstellung verschoben. Zu diesem Zweck wird durch Erregung
der Spule das Magnetventil 28 umgeschaltet, wobei dessen
Druckanschluß 33 mit
dem Steueranschluß 37 verbunden
wird, während
die Verbindung zum Ablaufanschluß 35 unterbrochen
wird. Der vom Zulaufanschluß 19 abgezweigte
Druck kann sich nun über
die Steuerleitung 34 und das geöffnete Magnetventil 29 im
ersten Druckraum 27 aufbauen, wo er auf den Betätigungskolben 49 wirkt.
Die Kraft des Betätigungskolbens 49 überwiegt
die Kraft des Rückstellkolbens 52,
der anfänglich
noch zum Rücklaufanschluß 23 entlastet
ist, so daß der
Längsschieber 13 in
Richtung seiner Arbeitsstellung gedrückt wird. Dabei muß der Betätigungskolben 49 zu
Beginn dieser Bewegung die Haftreibung überwinden, die sich vor allem
durch die Dichtringe 46 am Längsschieber 13 ergibt.
Während
der ersten Phase dieser Bewegung des Längsschiebers 13 ist
kein Gegendruck im zweiten Druckraum 32 vorhanden, da dieser Druckraum 32 über den
Steuerkanal 54 zum ersten Rücklaufanschluß 23 entlastet
ist. Es kann daher diese Bewegung nach Überwindung der Haftreibung
bei einem relativ niedrigen, anstehenden Druck am Betätigungskolben 49 erfolgen.
Dies bedeutet mit anderen Worten, daß die Einleitung der Bewegung
des Längsschiebers 13 bei
einem niedrigen Losbrechdruck erfolgt. Nach dem Bewegungsbeginnn
muß der
Längsschieber 13 nur
gegen die relativ geringen Widerstände der Gleitreibung in Richtung
seiner Arbeitsstellung bewegt werden. Erst wenn der Längsschieber 13 etwa
die Hälfte
seines Weges von der Ausgangsstellung zur Arbeitsstellung zurückgelegt hat,
wird der im Zulaufanschluß 19 herrschende Druck
auf den Rückstellkolben 52 zugeschaltet
und wirkt dann der Kraft des Betätigungskolbens 49 bis zum
Hubende zunehmend entgegen. Bei dieser Schaltbewegung unterbricht
der zweite Kolbenabschnitt 42 mit seinem zugehörigen Dichtring 46 die Verbindung
vom ersten Verbraucheranschluß 21 zum
ersten Rücklaufanschluß 23,
während
gleichzeitig der mittlere, dritte Kolbenabschnitt 43 mit
seinem linken Dichtring 46 die Verbindung vom Zulaufanschluß 19 zum
ersten Verbraucheranschluß 21 aufsteuert.
Auf diese Weise kann sich der Zulaufdruck auch im ersten Verbraucheranschluß 21 aufbauen
und über
den Steuerkanal 54 im zweiten Druckraum 32 wirken.
Der erste Verbraucheranschluß 21 ist
somit wechselweise, je nach Schaltstellung des Längsschiebers 13, mit
dem Zulaufanschluß 19 oder
der Abluft 23 verbunden. Um dabei den Längsschieber 13 sicher
in seine Arbeitsstellung zu bewegen, ist es vorteilhaft, das Volumen
des zweiten Druckraums 32 relativ groß zu machen, insbesondere größer als
dasjenige des ersten Druckraumes 27. Auf diese Weise wird
gewährleistet,
daß sich der
Rückstelldruck
im zweiten Druckraum 32 während der Schaltphase langsam
aufbaut und somit während
des gesamten Schieberhubes immer ein Kraftüberschuß auf der Betätigungsseite
am Betätigungskolben 49 besteht.
Auf diese Weise läßt sich beim
Wegeventil 10 ein niedriger Losbrechdruck erzielen, der
zudem auch zu kürzeren
Schaltzeiten des Wegeventils 10 führt. Damit verbunden kann auch der
wirksame Durchmesser des Betätigungskolbens 49 klein
ausgelegt werden, indem er vorzugsweise dem Außendurchmesser des Längsschiebers 13 entspricht.
Dies wiederum führt
zu einem stark reduzierten Kolbenraumvolumen am Betätigungskolben 49, was
einen schnellen Druckabbau und damit auch kürzere Rückschaltzeit des Ventils ermöglicht.
Die Reibung an der Kolbendichtung eines zusätzlichen Differentialkolbens
kann damit entfallen, ebenso wie eine Rückstellfeder. Der Längsschieber 13 verbleibt in
seiner Arbeitsstellung, solange das Magnetventil 28 erregt
ist, wobei der zweite Verbraucheranschluß 22 über die
zweite Ringnut 48 mit dem zweiten Rücklaufanschluß 24 verbunden
ist. Der Längsschieber 13 ist
in seiner Arbeitsstellung im wesentlichen druckausgeglichen und
wird von Reibungskräften
in seiner Stellung gehalten.
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Zum
anschließenden
Umschalten des Wegeventils 10 wird der Strom am Magnetventil 28 abgeschaltet.
Dadurch wird der Druckanschluß 33 blockiert
und der erste Druckraum 27 zum ersten Rücklaufanschluß entlastet.
Der im zweiten Druckraum 32 aufgebaute Druck bewirkt, daß die Kräfte der
Rückstellung überwiegen
und den Längsschieber 13 wieder
in Richtung seiner Ausgangsstellung zurückbewegen. Dabei baut sich
während
der Rückstellphase der
Druck im zweiten Druckraum 32 nur langsam ab, so daß der Längsschieber 13 sicher
seine Ausgangsstellung erreicht. Nach etwa halbem Weg des Längsschiebers 13 wird
der mit dem Zulaufanschluß 19 verbundene
erste Verbraucheranschluß 21 mit
dem ersten Rücklaufanschluß 23 verbunden. Über die nun
aufgesteuerte Verbindung zur Abluftseite wird nun der Druck auf
den Rückstellkolben 52 während des
letzten Teils des Längsschieberhubes
bis auf den Druck am Rücklaufanschluß 23 abgesenkt.
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Mit
dieser wegabhängig
gesteuerten Druckbeaufschlagung des Rückstellkolbens 52 bei
einem monostabilen Wegeventil läßt sich
vor allem bei kleinbauenden Ventilen erreichen, daß auch nach langen
Stillstandszeiten oder nach sehr hohen Anzahlen von Schaltspielen
noch ein sicheres Betriebsverhalten erzielbar ist, wobei der Losbrechdruck
relativ niedrig liegt und relativ kurze Schaltzeiten erzielbar sind.
Die Art des Druckaufbaus bzw. des Druckabbaus kann dabei durch eine
nicht näher
gezeichnete Drosselstelle beeinflußt werden, die in die Verbindung
zwischen dem ersten Verbraucheranschluß 21 und dem zweiten
Druckraum 32 am Rückstellkolben 52 geschaltet
ist, und die insbesondere auch in den Steuerkanal 54 gelegt
werden kann.
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Selbstverständlich sind
an dem gezeigten Ausführungsbeispiel Änderungen
möglich,
ohne vom Gedanken der Erfindung abzuweichen. So läßt sich das
5/2-Wegeventil auch als 3/2-Wegeventil benutzen, indem der Verbraucheranschluß 21 oder 22 nicht
benutzt und somit blockiert wird. Ferner ist es auch möglich, anstelle
des im Längsschieber 13 angeordneten
Steuerkanals 54 dieselbe Verbindung in das Gehäuse 11 zu
legen, indem dort ein Kanal vom zweiten Druckraum 32 zur
ersten Verbraucherkammer 15 geführt wird.