DE19805478C2 - 3/3-Wegeventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 3/3-Wegeventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegebenen Gattung.

Mit einem solchen fluidischen Steuerventil sind in einem angeschlossenen Fluidverbraucher in den drei Steuerpositionen des Ventils die Steuerfunktionen "Druckhalten", "Druckerhöhen" und "Drucksenken" möglich. Solche 3/3-Wegeventile sind üblicherweise als Schieberventile, z. B. als Längsschiebeventile ausgebildet, bei denen ein Steuerkolben mit einer Mehrzahl von Nuteinstichen die Anschlußöffnungen in einer Zylinderbohrung wechselseitig be- und entlüftet. Für die Betätigung und Rückstellung des Längsschiebeventils sind sämtliche manuellen, mechanisch elektrischen und pneumatischen Betätigungsarten möglich. In der Ausführung solcher Steuerventile als Plattenschieberventile, die in der Regel nur hand- oder fußbetätigt sind, ist für die Umsteuerung des Ventils eine Drehbewegung des Schiebers erforderlich.

Solche Schieberventile erfordern - bedingt durch die Geometrie des Schiebers und der Ventilkammer, die üblicherweise als Gehäusebohrung ausgeführt wird - einen relativ hohen Fertigungsaufwand, nicht zuletzt auch wegen des genauen Einpassens des Schiebers in die Gehäusebohrung. Bedingt durch die geometrische Form des Schiebers und der Gehäusebohrung ist das Abdichten der einzelnen Kammerabschnitte gegeneinander in den drei Steuerpositionen des Steuerschiebers sehr schwierig.

Es ist bereits ein hydraulisches 2/2-Wegeventil bekannt (DD 24 986) bei dem die Ventilkammer durch einen Steuerkolben in zwei Kammerabschnitte unterteilt ist, die über eine Durchgangsbohrung im Steuerkolben miteinander verbunden sind. In dem einen Kammerabschnitt mündet eine Zuführleitung von einer Hydraulikquelle, und von dem anderen Abschnitt geht eine Speiseleitung zu einem Verbraucher ab. Die Anschlußöffnungen für Hydraulikquelle und Verbraucher sind so angeordnet, daß der Steuerkolben in seiner Grundstellung an der Stirnwand des einen Kammerabschnitts anliegt und die Anschlußöffnung zu dem Verbraucher verschließt und nach einem Steuerhub diese Öffnung freigibt, während die Anschlußöffnung für die Hydraulikquelle nicht gesteuert wird. Ein zweiter, mit dem Steuerkolben starr verbundener Kolben dichtet diese Anschlußöffnung gegenüber einem Leckageabfluß ab. Dadurch, daß der Steuerkolben in der Grundstellung an der Stirnwand des Kammerabschnitts anliegt und zugleich die Verbraucheröffnung abschließt, wird bei der Umsteuerung des Steuerkolbens keine Überdeckung benötigt, so daß der Steuerhub des Steuerkolbens sehr klein gemacht werden kann und ungefähr dem lichten Durchmesser der Anschlußöffnung entspricht. Dieser kleine Kolbenhub verkürzt die Umschaltzeit des Steuerventils sehr wesentlich. Das bevorzugte Einsatzgebiet des bekannten 2/2-Wegeventils sind hydraulische, digitale Rechengeräte.

Ein bekanntes Druckluftventil, das ein 4/2-Wegeventil darstellt (DE 40 40 797 A1), weist ein als Scheibe mit einem umlaufenden Dichtungsring ausgebildetes Steuerglied auf. Die Scheibe verläuft in einer zur Ventilkammerachse schrägen Ebene und sitzt drehfest auf einer mit der Kammerachse koaxialen Drehwelle. Jeweils zwei axial zueinander versetzte Ventilanschlußöffnungen, die als Radialbohrungen ausgeführt sind, sind auf diametralen Seiten der Ventilkammer eingebracht, und zwar so gegeneinander axial versetzt, daß jeweils ein Öffnungspaar in einem der durch die Scheibe voneinander getrennten Kammerabschnitte der Ventilkammer mündet. In der einen Steuerposition des Steuerglieds sind jeweils die Öffnungen des in einem Kammerabschnitt mündende Öffnungspaars miteinander verbunden und in einer dagegen um 180° gedrehten zweiten Steuerposition sind in jedem Kammerabschnitt jeweils zwei einander diametral gegenüberliegenden Öffnungen miteinander verbunden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein 3/3-Wegeventil der eingangs genannten Art in Hinblick auf eine Reduzierung seiner Fertigungskosten zu verbessern.

Die Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale im Patentanspruch 1 gelöst.

Das erfindungsgemäße 3/3-Wegeventil hat den Vorteil, daß dadurch, daß der Steuerkolben die Ventilkammer trotz der für die Dreiwegesteuerung erforderlichen drei Steuerpositionen nur noch in zwei Kammerabschnitte unterteilt und diese beiden Kammerabschnitte parmanent miteinander verbunden sind, nicht nur das Steuerglied fertigungstechnisch sehr viel einfacher konzipiert werden kann, sondern auch die Abdichtung des Steuerglieds gegenüber der Gehäusebohrung wesentlich unproblematischer ist, da das Steuerglied in allen Steuerpositionen nur noch die Ventilanschlußöffnungen abdecken muß, und zwar in zwei Steuerpositionen jeweils nur eine Ventilanschlußöffnung und in einer Steuerposition insgesamt zwei Ventilanschlußöffnungen, und nicht mehr mehrere Kammerabschnitte. In der Ausführung des Ventils als Längsschieberventil genügt als Steuerglied ein einfacher zylindrischer Verschiebekolben mit zentraler Kolbenstange zu seiner Betätigung, der in einer als Zylinderbuchse ausgeführten Ventilkammer des Ventilgehäuses verschieblich geführt ist. In der Ausführung des Ventils als Plattenventil ist das Steuerglied eine Scheibe mit Steuersegmenten, die plan an den Stirnflächen der die zylindrische Ventilkammer stirnseitig begrenzenden Deckelflächen anliegen. In beiden Fällen sind in aufeinanderfolgenden Steuerpositionen des Steuerglieds in dessen Betätigungsrichtung die gewünschten Steuerfunktionen "Druckhalten", "Druckerhöhen" und "Druckabsenken" möglich. Hohe Toleranzanforderungen an die Fertigung werden nicht gestellt. Die Abdichtung des Steuerglieds ist mittels Dichtungsringe möglich, die z. B. bei der Längsschiebervariante des Ventils als einfache O-Ringe ausgeführt werden, die in eine Ringnut am Umfang des Kolbens oder in Ringnuten in der Innenwand der Zylinderbohrung zwischen den drei Öffnungen einzulegen sind.

Vorteilhafte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen 3/3- Wegeventils ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen.

Die Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im folgenden näher beschrieben. Dabei zeigen jeweils in schematischer Darstellung:

Fig. 1 bis 3 jeweils einen Längsschnitt eines als Längsschieberventil ausgebildeten 3/3-Wegeventils in drei verschiedenen Steuerpositionen,

Fig. 4 einen Längsschnitt gemäß Linie IV-IV in Fig. 5 eines als Plattenschieberventil ausgeführten 3/3-Wegeventils,

Fig. 5 eine Draufsicht eines Steuerglieds im Plattenschieberventil gemäß Fig. 4, Fig. 6 eine Unteransicht des Steuerglieds in Fig. 5.

Das in Fig. 1-3 in drei verschiedenen Steuerpositionen schematisch im Längsschnitt skizzierte 3/3-Wegeventil wird bevorzugt als pneumatisches Steuerventil zum Be- und Entlüften von Luftpolstern in orthopädischen Fahrzeugsitzen verwendet. Es besitzt ein Ventilgehäuse 10, in dem eine Ventilkammer 11, vorzugsweise als Zylinderbohrung, ausgebildet ist. In der Ventilkammer 11 ist ein Steuerglied 12 aufgenommen, das die Ventilkammer 11 in zwei Kammerabschnitte 111 und 112 unterteilt, die miteinander in Fluidaustauschverbindung stehen, so daß also bei dem pneumatischen Steuerventil in jedem Kammerabschnitt 111 und 112 der gleiche Luftdruck ausgesteuert ist. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 ist das Steuerglied 12 als einfacher Verschiebekolben 13 ausgeführt, der axial in der Ventilkammer 11 geführt ist und mittels einer Kolbenstange 14 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 15 in der Ventilkammer 11 verschiebbar ist, wobei die beiden Kammerabschnitte 111, 112 ihr Kammervolumen ändern. Innerhalb des Verschiebebereichs des Verschiebekolbens 13 sind in der Zylinderwand der Ventilkammer 11 mittig zwischen den beiden Kammerabschnitten 111, 112 drei in Bewegungsrichtung des Verschiebekolbens 12 nebeneinander angeordnete Öffnungen 16-18 radial eingebracht. Die Verbraucheröffnung 16 ist dabei über eine Speiseleitung 20 mit einem Verbraucher A und die Versorgungsöffnung 18 über eine Zulaufleitung 19 mit einer Fluidquelle P verbunden, während die zwischen Verbraucheröffnung 16 und Versorgungsöffnung 18 liegende Entlastungsöffnung 17 an einer Entlastungsleitung 21 angeschlossen ist. Im Falle der Verwendung eines flüssigen Fluids, z. B. Hydrauliköl, ist die Entlastungsleitung 21 eine zu einem Sammelbehälter führende Rücklaufleitung, und im Falle eines gasförmigen Fluids mündet die Entlastungsleitung 21 in der Atmosphäre. Bei dem angesprochenen Einsatz des 3/3- Wegeventils bei orthopädischen Fahrzeugsitzen ist die Zulaufleitung 19 an einer Druckluftquelle, z. B. einem Drucklufterzeuger und/oder Druckluftspeicher, und die Speiseleitung 20 an mindestens einem Luftpolster im orthopädischen Sitz angeschlossen. Die Entlastungsleitung 21 mündet in der Ventil- oder Sitzumgebung.

Die drei Öffnungen 16-18 sind mit auf die in Bewegungsrichtung gesehene Länge des Verschiebekolbens 13 abgestimmten Abständen voneinander angeordnet, wobei die Abstimmung so getroffen ist, daß der Verschiebekolben 13 in Bewegungsrichtung aufeinanderfolgend in seiner ersten Steuerposition die Verbraucheröffnung 16 und die Entlastungsöffnung 17 abdeckt, in seiner zweiten Steuerposition nur die Entlastungsöffnung 17 abdeckt und in seiner dritten Steuerposition nur die Versorgungsöffnung 18 abdeckt. Auf diese Weise ist in der ersten Steuerposition die Verbraucheröffnung 16 verschlossen, so daß der im Verbraucher A eingestellte Druck gehalten wird, und gleichzeitig die Entlastungsöffnung 17 verschlossen, so daß das von der Fluidquelle P über die Versorgungsöffnung 18 einströmende Fluid nicht über die Entlastungsöffnung 17 entweichen kann. In der zweiten Steuerposition ist die Verbraucheröffnung 16 mit der Versorgungsöffnung 18 verbunden, so daß Fluid aus der Fluidquelle P in den Verbraucher A einströmen kann, um hier den eingestellten Druck zu erhöhen. In der dritten Steuerposition sind Verbraucheröffnung 16 und Entlastungsöffnung 17 miteinander verbunden, so daß Fluid aus dem Verbraucher A über die Verbraucheröffnung 16 und die Entlastungsöffnung 17 abströmen kann, um den im Verbraucher A eingestellten Druck zu reduzieren. Die zweite und die dritte Steuerposition können auch tauschbar sein.

Wie bereits erwähnt, sind in allen Steuerpositionen des Verschiebekolbens 13 die beiden Kammerabschnitte 111, 112 stets miteinander verbunden. Diese ständige Verbindung der Kammerabschnitte 111 und 112 wird mittels einer Durchgangsbohrung 22 im Verschiebekolben 13 bewirkt. Alternativ oder zusätzlich kann aber auch die Verbindung der beiden Kammerabschnitte 111, 112 durch einen im Ventilgehäuse 10 ausgebildeten Verbindungskanal 23 hergestellt werden, der sich, wie in dem Ausführungsbeispiel der Fig. 1-3 dargestellt ist, an der Rückseite der Ventilkammer 11 erstreckt und über Bohrungen 24, 25 in der Zylinderwand der Ventilkammer 11 mit den beiden Kammerabschnitten 111, 112 in Verbindung steht.

Das in Fig. 4-6 in verschiedenen Darstellungen skizzierte Ausführungsbeispiel des 3/3-Wegeventils ist als Plattenschieberventil konzipiert, bei dem zur Umsteuerung des Ventils eine Drehbewegung notwendig ist. Das dosenartig ausgebildete Ventilgehäuse 10 ist aus einem Hohlzylinder 26 und zwei den Hohlzylinder 26 stirnseitig abschließenden Deckelflanschen 27, 28 zusammengesetzt. Die von dem Ventilgehäuse 10 eingeschlossene Ventilkammer 11 wird wiederum von dem hier als Scheibe 29 ausgebildeten Steuerglied 12 in zwei Kammerabschnitte 111, 112 unterteilt, die über die Durchgangsbohrung 22 in der Scheibe 29 miteinander in Fluidaustauschverbindung stehen. Die Scheibe 29 ist drehfest auf einem Drehzapfen 30 gehalten, der in einem Gleitlager 31 im Deckelflansch 28 gelagert ist. Der Drehzapfen 30 dient zugleich zur manuellen Umsteuerung des 3/3-Wegeventils, was durch die Drehung der Scheibe 29 um vorgegebene Drehwinkel bewirkt wird.

In dem Deckelflansch 27 ist die Vorsorgungsöffnung 18 zum Anschluß der Fluidquelle P und in dem Deckelflansch 28 ist sowohl die Verbraucheröffnung 16 zum Anschluß des Verbrauchers A als auch die Entlastungsöffnung 17 jeweils als Axialbohrung eingebracht. Die drei Öffnungen 16-18 sind in Drehrichtung des Steuerglieds 12 um gleiche Drehwinkel zueinander versetzt angeordnet. Während die Versorgungsöffnung 18 und die Entlastungsöffnung 17 auf dem gleichen Kreisbogen liegen, ist die Verbraucheröffnung 16 demgegenüber radial nach innen versetzt. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4-6 sind die drei Öffnungen 16-18 in Umfangsrichtung zueinander jeweils um 120° versetzt, doch können zur Erzielung kleinerer Stellwege des Ventils die Versatzwinkel auch wesentlich kleiner ausgeführt werden.

Zur Steuerung der drei Öffnungen 16-18 trägt die Scheibe 29 auf jeder Scheibenfläche ein bogenförmiges Scheibensegment 32 bzw. 33, das radial von der Scheibenfläche absteht, bis an den Deckelflansch 27 bzw. 28 reicht und dort an dessen Innenfläche dichtend anliegt. In dem auf der Oberseite der Scheibe 29 angeordneten Scheibensegment 32 sind dabei zwei bogenförmig Segmentabschnitte 321 und 322 ausgebildet, von denen der Segmentabschnitt 321 zur Steuerung der Verbraucheröffnung 16 und der Segmentabschnitt 321 zur Steuerung der Entlastungsöffnung 17 dient. Der radial nach innen versetzte Segmentabschnitt 321 ist dabei wesentlich kürzer, hier halb so groß, ausgebildet als der außenliegende Segmentabschnitt 322. Im Ausführungsbeispiel der Fig. 4-6 erstrecken sich entsprechend der Anordnung der Öffnungen 16-18 das Scheibensegment 33 zur Steuerung der Versorgungsöffnung 18 auf der Unterseite der Scheibe 29 über 120° Umfangswinkel, und zwar bezogen auf eine Grundstellung von 0° in Fig. 5 im Bereich von 0°-120°, der Segmentabschnitt 321 zur Steuerung der Verbraucheröffnung 16 auf der Oberseite der Scheibe 29 in dem gleichen Winkelbereich und der Segmentabschnitt 322 zur Steuerung der Entlastungsöffnung 17 auf der Oberseite der Scheibe 29 im Drehwinkelbereich zwischen 0° und 240°. Sind die drei Entlastungsöffnungen 16-18 um kleinere, aber um gleiche Drehwinkel am Umfang gegeneinander versetzt, sind das Scheibensegment 33 sowie die Segmentabschnitte 321 und 322 des Scheibensegments 32 entsprechend kürzer bemessen.

In Fig. 5 und 6 ist die Scheibe 29 in ihrer Grundstellung in Drauf- und Unteransicht dargestellt. Die im Deckelflansch 28 vorhandenen Öffnungen 16 und 17 sind strichliniert eingezeichnet, ebenso wie die im Deckelflansch 27 vorhandene Versorgungsöffnung 18. In der Grundstellung der Scheibe 29 befindet sich das Ventil in seiner ersten Steuerposition, in der von dem Scheibensegment 32 die Verbraucheröffnung 16 und die Entlastungsöffnung 17 abgedeckt sind, also der in den Verbraucher A eingesteuerte Druck gehalten wird. Die Versorgungsöffnung 18 ist von dem Scheibensegment 33 freigegeben. Wird die Scheibe 29 in Fig. 5 gegen Uhrzeigersinn verdreht, so wird nach einer 120°-Drehung die Verbraucheröffnung 16 freigegeben, während die Entlastungsöffnung 17 nach wie vor verschlossen und die Versorgungsöffnung 18 nach wie vor geöffnet bleibt, so daß nunmehr Fluid über die Versorgungsöffnung 18 und die Verbraucheröffnung 16 zum Verbraucher A fließen kann. Damit wird der Druck im Verbraucher A erhöht. Wird die Scheibe 29 weiter entgegen Uhrzeigersinn verdreht, so wird nach insgesamt 240°-Drehwinkel die Versorgungsöffnung 18 von dem Scheibensegment 33 abgesperrt und die Entlastungsöffnung 17 von dem Scheibensegment 32 freigegeben. Die Verbraucheröffnung 16 ist nach wie vor geöffnet, so daß nunmehr Fluid aus dem Verbraucher A über die Entlastungsöffnung 17 abströmen kann und damit der Druck im Verbraucher A gesenkt wird.

Zur Erzielung kleinerer Stellwege ist es vorteilhaft, die Drehwinkelabstände zwischen den Öffnungen 16-18 wesentlich kleiner als 120° zu machen, wobei entsprechend die Scheibensegmente 32, 33 gekürzt werden müssen. Dabei ist jedoch sicherzustellen, daß zwischen dem aufeinanderfolgenden Abdecken und Freigeben der Öffnungen 16-18 durch das Steuerglied 12 ein für die Abdichtung ausreichender Überdeckungsbereich verbleibt.

Claims (8)

1. 3/3-Wegeventil mit einer in einem Ventilgehäuse (10) ausgebildeten Ventilkammer (11), die jeweils eine Anschlußöffnung (18, 16) für eine Fluidquelle (P) und einen Fluidverbraucher (A) sowie eine Entlastungsöffnung (17) aufweist, und mit einem in der Ventilkammer (11) relativ zu dieser in drei Steuerpositionen bewegbaren Steuerglied (12), in denen jeweils ein Druckhalten, ein Druckerhöhen sowie ein Drucksenken in dem Fluidverbraucher (A) bewirkt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (11) durch das Steuerglied (12) in zwei von diesem begrenzte Kammerabschnitte (111, 112) unterteilt ist, die miteinander in Fluidaustauschverbindung stehen, und daß die drei Anschlußöffnungen (16-18) so in abgestimmten Abständen voneinander angeordnet sind, daß das Steuerglied (12) in einer Steuerposition die Verbraucheröffnung (16) und die Entlastungsöffnung (17) (Druckhalten), in einer anderen Steuerposition nur die Entlastungsöffnung (17) (Druckerhöhen) und in einer weiteren Steuerposition nur die Versorgungsöffnung (18) (Drucksenken) abdeckt.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidaustauschverbindung zwischen den Kammerabschnitten (111, 112) durch eine Durchgangsbohrung (22) im Steuerglied (12) hergestellt ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Fluidaustauschverbindung zwischen den Kammerabschnitten (11, 12) durch einen im Ventilgehäuse (10) ausgebildeten Kanal (23) hergestellt ist.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (11) als Zylinderbohrung im Ventilgehäuse (10) und das Steuerglied (12) als ein in der Zylinderbohrung axial verschieblich geführter Verschiebekolben (13) mit Kolbenstange (14) ausgebildet ist, der mit seinen voneinander abgekehrten Stirnseiten die beiden Kammerabschnitte (111, 112) begrenzt und daß die drei Öffnungen (16-18) mittig zwischen den beiden Kammerabschnitten (111, 112) in Verschieberichtung des Verschiebekolbens (13) nebeneinander in der Bohrungswand angeordnet sind.

5. Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verschiebekolben (13) von einer Rückstellfeder (15) belastet ist, die ihn in einer Grundstellung hält, in der er die eine Steuerposition einnimmt.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilkammer (11) von einem Hohlzylinder (26) und von einem unteren und oberen Deckelflansch (27, 28) begrenzt ist, die stirnseitig auf den Hohlzylinder (26) aufgesetzt sind, daß in einem Deckelflansch (28) die Versorgungsöffnung (18) und in dem anderen Deckelflansch (27) die Verbraucher- und Entlastungsöffnung (16, 17) eingebracht sind, daß das Steuerglied (12) als eine mittels eines Drehzapfens (30) in einem Deckelflansch (28) gelagerte Scheibe (29) ausgebildet ist, die die Ventilkammer (11) in die beiden Kammerabschnitte (111, 112) unterteilt, und daß die Scheibe (29) zum Steuern der Öffnungen (16-18) auf jeder Scheibenfläche ein rechtwinklig abstehendes, an der Innenfläche des Deckelflansches (28 bzw. 27) dicht anliegendes, bogenförmig in Umfangsrichtung der Scheibe sich erstreckendes Scheibensegment (32, 33) trägt.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die drei Öffnungen (16-18) in Umfangsrichtung um gleiche Winkel zueinander versetzt angeordnet sind, daß die Verbraucheröffnung (16) und die Entlastungsöffnung (17) radial zueinander versetzt sind, daß ein die Entlastungsöffnung (17) steuernder Segmentabschnitt (321) des Scheibensegements (32) doppelt so lang ist wie ein die Verbraucheröffnung (16) steuernder Segmentabschnitt (322) des Scheibensegments (32) und daß das die Versorgungsöffnung (18) steuernde Scheibensegment (33) und der die Verbraucheröffnung (16) steuernde Segmentabschnitt (321) des Scheibensegments (32) sich über den gleichen Drehwinkelbereich auf der Scheibe (29) erstrecken.

8. Ventil nach einem der Ansprüche 1-7, gekennzeichnet durch seine Verwendung als pneumatisches Steuerventil zum Be- und Entlüften von Luftpolstern in orthopädischen Fahrzeugsitzen, indem die Versorgungsöffnung (18) an einer Druckluftquelle und die Verbraucheröffnung (16) an mindestens einem Luftpolster angeschlossen ist und die Entlastungsöffnung (17) frei in der Sitzumgebung mündet.