DE19739412C2 - Vorgesteuertes Schieberventil - Google Patents

Description

Der Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein vorge­ steuertes Schieberventil gemäß dem Oberbegriff des Patent­ anspruches 1.

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

Bei diesen vorgesteuerten Schieberventilen tritt das Pro­ blem auf, daß sich - insbesondere nach langer Standzeit - zwischen den Dichtringen des Ventilschiebers und dem Ven­ tilgehäuse eine sehr hohe Haftreibung aufbaut. An den Be­ rührungsstellen 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 Schieber­ ventilen aufzubringen, kommen in der Praxis neben allge­ mein die Gleitfähigkeit erhöhenden Maßnahmen - wie ein Polieren der Zylinderflächen - insbesondere groß dimensio­ nierter Einsatz, die über große Nennweiten verfügen und in­ soweit in der Lage sind, innerhalb kürzester Zeit einen ho­ hen 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 elektromagneti­ schen Vorsteuerventil muß dieses wiederum über einen ge­ nügend starken Elektromagneten verfügen, der eine dement­ sprechend hohe Leistungsaufnahme aufweist. Nach dieser hohen Leistungsaufnahme muß die gesamte Ansteuerelek­ tronik des Vorsteuerventils ausgelegt werden. Insgesamt ist hierfür eine kostenintensive Leistungselektronik erforder­ lich. Der Elektromagnet des Vorsteuerventils ist entspre­ chend großbauend, was zudem einen erhöhten Platzbedarf für das angeflaschte Vorsteuerventil am Schieberventil er­ fordert.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein vor­ gesteuertes Schieberventil zu schaffen, das bei kleiner Lei­ stungsaufnahme 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 Patentanspru­ ches 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkma­ len 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 An­ trieb 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-Ein­ heit zur Anlage kommt und dessen Innenmantelfläche einen Zylinder für einen kleineren langhubigen Schieberkolben bildet, der über ein am Schieberkolben gehaltenes ringför­ miges 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 überwun­ den. Das Durchschalten des Schieberventils übernimmt der kleine Schieberkolben mit seinem vollen Hub. Durch diese Anordnung läßt sich eine große Anfangskraft mit einem mi­ nimalen Hubvolumen kombinieren. Dem vom Vorsteuer­ ventil 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 Endlagenposi­ tion, so hat der Ventilschieber bereits einen kleinen Weg zu­ rückgelegt, der dafür ausreicht, die anfängliche Haftreibung der Dichtringe des Ventilschiebers am Ventilgehäuse zu überwinden. Nun kommt der kleinere langhubige Schieber­ kolben 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 ent­ weichen muß ist kleiner als bei Schieberventilen herkömm­ licher Bauart. Damit können Vorsteuerventile zum Einsatz kommen, die über nur kleine Nennweiten verfügen und da­ mit auch kleinere Elektromagneten mit geringer Leistungs­ aufnahme zum Schalten benötigen. Die erfindungsgemäße Kolbenanordnung ist so konstruiert, daß herkömmliche ein­ stückige Kolben bei Kolben-Zylinder-Einheiten von Schie­ berventilen 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 Schie­ berkolben im Eingriff steht. Diese Maßnahme bietet den Vorteil, daß der Ventilschieber unabhängig vom Schieber­ kolben im Verschleißfall austauschbar ist, was der Repara­ turfreundlichkeit des Schieberventils erhöht.

Der Hohlkolben ist erfindungsgemäß mit dem Schieber­ kolben derart in der Ausgangsposition angeordnet, daß der Hohlkolben an seiner der Stirnfläche des Zylinderraumes zugewandten Seite einen nach radial innengerichteten Kra­ gen 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 Grundboh­ rung, deren stirnflächenseitiger kreisringförmige Rand am Kragen des Hohlkolbens zur Anlage kommt. Diese Anord­ nung 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 weite­ ren Montageaufwand auskommt. Weiterhin weist das Ven­ tilgehäuse im Grenzbereich zwischen dem Zylinderraum und dem Ventilschieber vorzugsweise ein nach radial außen gerichteten Absatz auf, der einen Anschlag für den kurzhu­ bigen Hohlkolben in seiner Endposition bietet.

Zur Rückstellung des Ventilschiebers, also bei nichtbetä­ tigtem 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 Stirn­ seitenfläche des Ventilgehäuses angeordnet ist. Alternativ dazu kann zur Rückstellung des Ventilschiebers auch eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit am der ersten Kolben-Zy­ linder-Einheit abgewandten Ende des Ventilschiebers vorge­ sehen werden.

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

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

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung der bevor­ zugten 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 Druck­ räumen führen, zwischen denen ein Bereich unterschiedli­ chen Durchmessers aufweisende Ventilschieber 3, der mit außenradialen Dichtringen 4 versehen ist, druckmittelver­ mittelnd 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 elektromagneti­ schen Vorsteuerventil 8 verbunden ist. Das Vorsteuerventil 8 ist auf das Ventilgehäuse 1 aufgeflanscht und verfügt über einen Signalanschluß 9 zur elektrischen Ansteuerung. Wei­ tere Druckmittelkanäle 10 und 11 dienen der Speisedruck­ versorgung sowie der Entlüftung des Vorsteuerventils 8.

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

Außenradial am Hohlkolben 12 ist ein ringförmiges Dichtelement 16 in Form eines Lippendichtringes angeord­ net, 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 Hohl­ kolbens 12 zur Anlage kommt.

Der Hohlkolben 12 und der Schieberkolben 13 sind tele­ skopartig ineinander verschachtelt. Dafür trägt der Hohlkol­ ben 12 an seiner der Stirnfläche des Zylinderraumes 6 zuge­ wandten Seite, die gleichsam auch den Anschlag des Hohl­ kolbens 12 in der Ausgangsposition darstellt, einen nach ra­ dialinnen gerichteten Kragen 18. Der Kragen 18 bildet einen Anschlag für den Schieberkolben 13 in dessen Ausgangspo­ sition. Der Schieberkolben 13 ist mit einer stirnseitigen Grundbohrung 19 versehen. Die Grundbohrung 19 läßt auf der Stirnseite des Schieberkolbens 13 einen kreisringförmi­ gen 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 verbinden­ der Entlüftungskanal 22. Somit ist ein gegenkraftfreies Aus­ fahren der erfindungsgemäßen Kolben-Zylinder-Einheit 5 sichergestellt. Zur Rückstellung des Ventilschiebers 3 und damit zur Positionierung der Kolben-Zylinder-Einheit 5 der Vorsteuerung ist eine Druckfeder 23 vorgesehen. Die Druckfeder 23 stützt sich auf der einen Seite am Ventilge­ häuse 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-Zy­ linder-Einheit 5 erzeugt schnell eine genügend große An­ fangskraft, 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 Druckmittelvo­ lumen 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) integrierte 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) teleskopartig ausgebildet ist und 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, da­ durch 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 Hohlkol­ bens (12) in der Ausgangsposition zur Anlage kommt.

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

6. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Ven­ tilschiebers (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, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Rückstellung des Ven­ tilschiebers (3) eine zweite Kolben-Zylinder-Einheit an dem der ersten Kolben-Zylinder-Einheit (5) abgewand­ ten Ende des Ventilschiebers (3) vorgesehen ist.

8. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zur Minimierung der Rei­ bung in der Kolben-Zylinder-Einheit (5) die Zylinder­ laufflächen poliert und/oder mit einem Gleitmittel be­ schichtet sind.

9. Vorgesteuertes Schieberventil nach Anspruch 1, da­ durch 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 At­ mosphäre führenden Entlüftungskanal (22) im Ventil­ gehäuse (1) verbunden ist.