DE19739412A1 - Vorgesteuertes Schieberventil - Google Patents

Description

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein vorgesteuertes Schieberventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Vorgesteuerte Schieberventile dieser Art sind beispielsweise aus dem Produktkatalog "Knowhow in Pneumatik" der Firma Mannesmann Rexroth Pneumatik GmbH (11/93, Seite 5.006) bekannt. Sie bestehen im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse mit mehreren Druckmittelanschlüssen und einem innenliegenden mit Bereichen größeren und kleineren Durchmessers versehenen Ventilschieber, der zum wahlweise druckmittelschlüssigen Verbinden der Druckmittelanschlüsse längsbeweglich gelagert ist. Außenradial am Ventilschieber sind zur Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse mehrere Dichtringe vorgesehen. Zur Bewegung des Ventilschiebers dient mindestens eine ebenfalls im Ventilgehäuse integrierte Kolben-Zylinder-Einheit, deren Kolben mit einem Ende des Ventilschiebers verbunden ist und die über ein am Schieberventil angeflanschtes elektropneumatisches Vorsteuerventil einseitig beaufschlagbar ist. Der Ventilschieber ist meist federrückgestellt.

Bei diesen vorgesteuerten Schieberventilen tritt das Problem auf, daß sich - insbesondere nach langer Standzeit - zwischen den Dichtringen des Ventilschiebers und dem Ventilgehäuse eine sehr hohe Haftreibung aufbaut. An den Berührungsstellen wird ein die Gleitfähigkeit gewährleistendes Schmiermittel verdrängt und es ist eine große Anfangskraft erforderlich, um den Ventilschieber aus der Ruheposition heraus anzufahren. Dieses Verhalten wirkt sich besonders negativ auf die Schaltzeit des Schieberventils aus.

Um die hohe Anfangs kraft bei vorgesteuerten Schieberventilen aufzubringen, kommen in der Praxis neben allgemein die Gleitfähigkeit erhöhenden Maßnahmen - wie ein Polieren der Zylinderflächen - insbesondere groß dimensionierter Einsatz, die über große Nennweiten verfügen und insoweit in der Lage sind, innerhalb kürzester Zeit einen hohen Druck im Zylinderraum der Vorsteuerung aufzubauen, so daß schnell eine genügend große Kraft zur Verfügung steht, um den Ventilschieber aus seiner Ruheposition heraus anzufahren.

Zum Schalten großer Nennweiten im elektromagnetischen Vorsteuerventil muß dieses wiederum über einen genügend starken Elektromagneten verfügen, der eine dementsprechend hohe Leistungsaufnahme aufweist. Nach dieser hohen Leistungsaufnahme muß die gesamte Ansteuerelektronik des Vorsteuerventils ausgelegt werden. Insgesamt ist hierfür eine kostenintensive Leistungselektronik erforderlich. Der Elektromagnet des Vorsteuerventils ist entsprechend großbauend, was zudem einen erhöhten Platzbedarf für das angeflaschte Vorsteuerventil am Schieberventil erfordert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vorgesteuertes Schieberventil zu schaffen, das bei kleiner Leistungsaufnahme und geringem Platzbedarf eine genügend große Anfangskraft zur Verstellung des Ventilschiebers zur Verfügung stellt.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem vorgesteuerten Schieberventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die Unteransprüche 2 bis 10 geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.

Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, daß eine Kolbenanordnung der Kolben-Zylinder-Einheit zum Antrieb eines Ventilschiebers aus einem größeren kurzhubigen Hohlkolben besteht, dessen Außenmantelfläche über ein dort gehaltenes ringförmiges Dichtelement dichtend an der Wandung eines Zylinderraumes der Kolben-Zylinder-Einheit zur Anlage kommt und dessen Innenmantelfläche einen Zylinder für einen kleineren langhubigen Schieberkolben bildet, der über ein am Schieberkolben gehaltenes ringförmiges Dichtelement gegenüber der Innenmantelfläche des Hohlkolbens abgedichtet ist, wobei der Schieberkolben mit dem Ventilschieber in Verbindung steht.

Die anfängliche Haftreibung des Ventilschiebers wird durch den großen Hohlkolben mit kleinem Hub überwunden. Das Durchschalten des Schieberventils übernimmt der kleine Schieberkolben mit seinem vollen Hub. Durch diese Anordnung läßt sich eine große Anfangskraft mit einem minimalen Hubvolumen kombinieren. Dem vom Vorsteuerventil bereitgestellte Druck steht in der Anfangsposition der Kolben-Zylinder- Einheit die gesamte Kolbenfläche von Schieberkolben und Hohlkolben zur Verfügung. Daher steht zunächst eine dementsprechend große Anfangskraft bereit. Kommt der kurzhubige Hohlkolben in seine Endlagenposition, so hat der Ventilschieber bereits einen kleinen Weg zurückgelegt, der dafür ausreicht, die anfängliche Haftreibung der Dichtringe des Ventilschiebers am Ventilgehäuse zu überwinden. Nun kommt der kleinere langhubige Schieberkolben zum Einsatz, der den eigentlichen Schaltvorgang des Schieberventils bei einem geringen Hubvolumen ausführt. Somit startet das Schieberventil den Einschaltvorgang auch entgegen einer großen Haftreibung schnell; es schaltet aber auch schnell zurück, da das die Rückstellkraft erzeugende Mittel - beispielsweise eine Druckfeder - nur den kleinen Schieberkolben gegen den abströmenden Druck bewegen muß.

Das Volumen, das aus der Vorsteuerkammer wieder entweichen muß ist kleiner als bei Schieberventilen herkömmlicher Bauart. Damit können Vorsteuerventile zum Einsatz kommen, die über nur kleine Nennweiten verfügen und damit auch kleinere Elektromagneten mit geringer Leistungsaufnahme zum Schalten benötigen. Die erfindungsgemäße Kolbenanordnung ist so konstruiert, daß herkömmliche einstückige Kolben bei Kolben-Zylinder-Einheiten von Schieberventilen mit Vorsteuerung auf einfache Weise durch die erfindungsgemäße Kolbenanordnung ersetzbar sind.

Vorzugsweise erfolgt die Verbindung zwischen dem Schieberkolben und dem Ventilschieber über eine am Ende des Ventilschiebers koaxial angeordnete Grundbohrung, die mit einem korrespondierenden koaxialen Ansatz am Schieberkolben im Eingriff steht. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß der Ventilschieber unabhängig vom Schieberkolben im Verschleißfall austauschbar ist, was der Reparaturfreundlichkeit des Schieberventils erhöht.

Der Hohlkolben ist erfindungsgemäß mit dem Schieberkolben derart in der Ausgangsposition angeordnet, daß der Hohlkolben an seiner der Stirnfläche des Zylinderraumes zugewandten Seite einen nach radial innengerichteten Kragen aufweist, der in der Ausgangsposition einen Anschlag für den Schieberkolben bildet. Der Schieberkolben besitzt auf seiner an den Zylinderraum angrenzenden Stirnseite eine koaxial zum Schieberkolben angeordnete Grundbohrung, deren stirnflächenseitiger kreisringförmige Rand am Kragen des Hohlkolbens zur Anlage kommt. Diese Anordnung des Anschlages für die Kolben-Zylinder-Einheit der Vorsteuerung stellt wegen der einfachen Herstellbarkeit - beispielsweise im Spritzgußverfahren - eine kostengünstige und zugleich funktionssichere Lösung dar, die ohne weiteren Montageaufwand auskommt. Weiterhin weist das Ventilgehäuse im Grenzbereich zwischen dem Zylinderraum und dem Ventilschieber vorzugsweise ein nach radial außen gerichteten Absatz auf, der einen Anschlag für den kurzhubigen Hohlkolben in seiner Endposition bietet.

Zur Rückstellung des Ventilschiebers, also bei nichtbetätigtem Vorsteuerventil und entlüftetem Zylinderraum der Vorsteuerung, kann eine Druckfeder vorgesehen werden, die zwischen dem der Kolben-Zylinder-Einheit abgewandten Ende des Ventilschiebers und der gegenüberliegenden Stirnseitenfläche des Ventilgehäuses angeordnet ist. Alternativ dazu kann zur Rückstellung des Ventilschiebers auch eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit am der ersten Kolben-Zylinder-Einheit abgewandten Ende des Ventilschiebers vorgesehen werden.

Vorzugsweise sind zur zusätzlichen Minimierung der Reibung die Zylinderlaufflächen der Kolben-Zylinder-Einheit poliert und wahlweise auch mit einem Gleitmittel beschichtbar. Ebenso trägt zur Minimierung der Reibung die Maßnahme bei, daß die Dichtelemente am Ventilschieber als Lippendichtringe ausgeführt sind.

Zur optimalen Funktion der einseitig mit Druckmittel beaufschlagbaren Kolben- Zylinder- Einheit der Vorsteuerung ist ihr Kolbenrückraum mit einem an die Atmosphäre führenden Entlüftungskanal im Ventilgehäuse verbunden.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung anhand der einzigen Figur dargestellt:
Die Figur zeigt einen Längsschnitt eines vorgesteuerten Schieberventils mit angeflanschtem Vorsteuerventil.

Das Schieberventil besteht aus einem Ventilgehäuse 1, an dem fünf Druckmittelanschlüsse 2a bis 2e angeordnet sind, die zu innerhalb des Ventilgehäuses 1 angeordneten Druckräumen führen, zwischen denen ein Bereich unterschiedlichen Durchmessers aufweisende Ventilschieber 3, der mit außenradialen Dichtringen 4 versehen ist, druckmittelvermittelnd schaltet. Endseitig am Ventilschieber 3 befindet sich eine ebenfalls im Ventilgehäuse 1 integrierte Kolben- Zylinder-Einheit 5, die über einen Zylinderraum 6 verfügt, der durch einen Arbeitskanal 7 mit einem elektromagnetischen Vorsteuerventil 8 verbunden ist. Das Vorsteuerventil 8 ist auf das Ventilgehäuse 1 aufgeflanscht und verfügt über einen Signalanschluß 9 zur elektrischen Ansteuerung. Weitere Druckmittelkanäle 10 und 11 dienen der Speisedruckversorgung sowie der Entlüftung des Vorsteuerventils 8.

Eine Kolbenanordnung der Kolben-Zylinder-Einheit 5, die zum Antrieb des Ventilschiebers 3 dient, besteht aus einem größeren Hohlkolben 12, in dessen zylindrischen Hohlraum ein kleiner Schieberkolben 13 angeordnet ist, der wiederum mit dem Ventilschieber 3 in Verbindung steht.

Außenradial am Hohlkolben 12 ist ein ringförmiges Dichtelement 16 in Form eines Lippendichtringes angeordnet, der den Hohlkolben 12 gegenüber dem Zylinderraum 6 im Ventilgehäuse 1 abdichtet. Der Schieberkolben 13 besitzt ebenfalls ein außenradiales Dichtelement 17 in Form eines Lippendichtringes, der an der Innenmantelfläche des Hohlkolbens 12 zur Anlage kommt.

Der Hohlkolben 12 und der Schieberkolben 13 sind teleskopartig ineinander verschachtelt. Dafür trägt der Hohlkolben 12 an seiner der Stirnfläche des Zylinderraumes 6 zugewandten Seite, die gleichsam auch den Anschlag des Hohlkolbens 12 in der Ausgangsposition darstellt, einen nach radialinnen gerichteten Kragen 18. Der Kragen 18 bildet einen Anschlag für den Schieberkolben 13 in dessen Ausgangsposition. Der Schieberkolben 13 ist mit einer stirnseitigen Grundbohrung 19 versehen. Die Grundbohrung 19 läßt auf der Stirnseite des Schieberkolbens 13 einen kreisringförmigen Rand frei, der am Kragen 18 des Hohlkolbens 12 in der Ausgangsposition zur Anlage kommt. Das Ventilgehäuse 1 weist zwischen dem Zylinderraum 6 der Kolben-Zylinder-Einheit 5 und dem Ventilschieber 3 einen Absatz 20 auf. Der Absatz 20 bildet einen Endanschlag für den kurzhubigen Hohlkolben 12.

Ausgehend vom Absatz 20 verläuft im Ventilgehäuse 1 ein den Kolbenrückraum 21 mit der Atmosphäre verbindender Entlüftungskanal 22. Somit ist ein gegenkraftfreies Ausfahren der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit 5 sichergestellt. Zur Rückstellung des Ventilschiebers 3 und damit zur Positionierung der Kolben-Zylinder-Ein­ heit 5 der Vorsteuerung ist eine Druckfeder 23 vorgesehen. Die Druckfeder 23 stützt sich auf der einen Seite am Ventilgehäuse 1 ab und drückt auf der anderen Seite gegen die der Kolben-Zylinder-Einheit 5 abgewandten Stirnfläche des Ventilschiebers 3.

Die erfindungsgemäße Kolbenanordnung der Kolben-Zylinder-Einheit 5 erzeugt schnell eine genügend große Anfangskraft, um den haftreibungsbehafteten Ventilschieber 3 mittels des Hohlkolbens 12 aus seiner Ruhelage heraus zu bewegen, wobei ein klein dimensioniertes Vorsteuerventil 8 eingesetzt werden kann. Für den vom Schieberkolben 13 ausgeführten Schalthub ist ein nur geringes Druckmittelvolumen erforderlich.

Bezugszeichenliste

1

Ventilgehäuse

2

Druckmittelanschlüsse

3

Ventilschieber

4

Dichtringe

5

Kolben-Zylinder-Einheit

6

Zylinderraum

7

Arbeitskanal

8

Vorsteuerventil

9

Signalanschluß, elektrisch

10

Kanal

11

Kanal

12

Hohlkolben

13

Schieberkolben

14

Grundbohrung

15

Ansatz

16

Dichtelement

17

Dichtelement

18

Kragen

19

Grundbohrung

20

Absatz

21

Kolbenrückraum

22

Entlüftungskanal

23

Druckfeder

Claims (10)

1. Vorgesteuertes Schieberventil mit einem Ventilgehäuse (1), an dem mindestens zwei Druckmittelanschlüsse (2a bis 2e) angeordnet sind, die jeweils mit ihnen zugeordneten und innerhalb des Ventilgehäuses (1) angeordneten Druckräumen in Verbindung stehen, zwischen denen ein Ventilschieber (3) mit außenradialen Dichtringen (4) druckmittelvermittelnd schaltbar angeordnet ist, der zumindest an einem Ende über eine ebenfalls im Ventilgehäuse (1) integrierten Kolben-Zylinder-Einheit (5) angetrieben ist, deren Zylinderraum (6) über einen Arbeitskanal (7) mit einem elektromagnetischen Vorsteuerventil (8) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kolbenanordnung der Kolben-Zylinder-Einheit (5) aus einem größeren kurzhubigen Hohlkolben (12) besteht, dessen Außenmantelfläche über ein dort gehaltenes ringförmiges Dichtelement (16) dichtend an der Wandung des Zylinderraumes (6) zur Anlage kommt und dessen Innenmantelfläche einen Zylinder für einen kleineren langhubigen Schieberkolben (13) bildet, der über ein am Schieberkolben (13) gehaltenes ringförmiges Dichtelement (17) gegenüber der Innenmantelfläche des Hohlkolbens (12) abgedichtet ist, wobei der Schieberkolben (13) mit dem Ventilschieber (3) in Verbindung steht.

2. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbindung zwischen dem Schieberkolben (13) und dem Ventilschieber (3) über eine an der Stirnflächenseite des Ventilschiebers (3) koaxial angeordnete Grundbohrung (14) erfolgt, die mit einem korrespondierenden koaxialen Ansatz (15) am Schieberkolben (13) im Eingriff steht.

3. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlkolben (12) an seiner der Stirnfläche des Zylinderraumes (6) zugewandten Seite einen nach radialinnen gerichteten Kragen (18) aufweist, der in der Ausgangsposition einen Anschlag für den Schieberkolben (13) bildet.

4. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Schieberkolben (13) auf seiner an den Zylinderraum angrenzenden Stirnseite eine koaxial zum Schieberkolben (13) angeordnete Grundbohrung (19) besitzt, deren stirnflächenseitiger kreisringförmiger Rand am Kragen (18) des Hohlkolbens (12) in der Ausgangsposition zur Anlage kommt.

5. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (1) im Grenzbereich zwischen dem Zylinderraum (6) und dem Ventilschieber (3) einen Absatz (20) aufweist, der einen Anschlag für den kurzhubigen Hohlkolben (12) in seiner Endposition bildet.

6. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Ventilschiebers (3) eine Druckfeder (23) vorgesehen ist, die die zwischen dem der Kolben-Zylinder-Einheit (5) abgewandten Ende des Ventilschiebers (3) und der Stirnseite des Ventilgehäuses (1) angeordnet ist.

7. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Ventilschiebers (3) eine zweite Kolben-Zylinder- Einheit an dem der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (5) abgewandten Ende des Ventilschiebers (3) vorgesehen ist.

8. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Reibung in der Kolben-Zylinder-Einheit (5) die Zylinderlaufflächen poliert und/oder mit einem Gleitmittel beschichtet sind.

9. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (4) und/oder das Dichtelement (16) und/oder das Dichtelement (17) als Lippendichtring ausgeführt ist.

10. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolbenrückraum (21) der Kolben-Zylinder-Einheit (5) mit einem an die Atmosphäre führenden Entlüftungskanal (22) im Ventilgehäuse (1) verbunden ist.