DE2239299A1 - Semistatisches fluidelement - Google Patents

Description

Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 31.o7.72

Gesellschaft mit BS61 Cz/bk

beschränkter Haftung, 7454 München

Semistatisches Fluidelement

Die Erfindung bezieht sich auf ein Fluidelement mit semistatischem Verhalten, welches eine Schaltkammer, zumindest einen in diese mündenden Versorgungseingang für ein Druckmittel, einen Auslaß sowie einen mit einem statischen Drucksignal beaufschlagbaren Steuereingang aufweist, und in dessen Schaltkammer ein Schaltelement angeordnet ist, das in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw. nicht vorhandenen Drucksignals am Steuereingang mit Hilfe der Strömung des

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Druckmittels in der Schaltkammer einmal in eine die Schaltkammer gegen den Auslaß und zum anderen in eine die Schaltkammer gegen den Steuereingang abdichtende Stellung bewegbar ist.

Derartige Fluidelemente sind beispielsweise aus MULTRUS, "Pneumatische Logikelemente und Steuerungssysteme¹·, Krausskopf-Verlag, Mainz, 197o, S. 126 ff, bekannt. Zu semistatischen Fluidelementen gehören außer den dort erwähnten Folienelementen, bei denen das Schaltelement dementsprechend eine in der Schaltkammer frei bewegliche Folie ist, auch Scheiben- oder Kugelelemente.

Bei solchen Fluidelementen kann das Schaltelement in der Schaltkammer allein durch Verschließen oder Öffnen des Steuereingangs umgeschaltet werden:

Ist der Steuereingang geöffnet, so wird das Schaltelement durch das aus dem Versorgungseingang in die Schaltkammer strömende Druckmittel gegen den Steuereingang gepreßt, wobei eine zur Funktion des Fluidelementes notwendige geringe Leckströmung durch den Steuereingang durch einen bewußt undichten Sitz des Schaltelementes aufrechterhalten wird.

Wird nun der Steuereingang verschlossen, so baut sich in diesem aufgrund der erwähnten Leckströmung innerhalb kurzer Zeit ein statischer Druck auf, der dem Versorgungsdruck entspricht. Auf die untere Seite des Schaltelementes wirkt aber lediglich der statische Versorgungsdruck vermindert um einen dynamischen Anteil und um innerhalb der Schaltkammer auftretende Reibungsverluste der Strömung. Sobald der statische Druck oberhalb des Schaltelementes dem auf der Unterseite herrschenden Druck entspricht, schaltet das Schaltelement in die den Auslaß des Fluidelementes verschließende Stellung. Der Versorgungseingang darf hierbei jedoch nicht vollständig

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verschlossen werden, damit das Druckmittel um das Schaltelement herumfließen und mit dem statischen Versorgungsdruck auf die Oberseite des Schaltelementes wirken kann, so daß dieses gegen den Auslaß gepreßt wird.

Um eine kurze Schaltzeit eines solchen Fluidelementes zu erreichen, sollte während der Schaltbewegung des Schaltelementes vom Auslaß zum Steuereingang das Druckmittel oberhalb des Schaltelementes rasch durch den Steuereingang gepreßt werden. Gleichzeitig sollte dabei nur ein möglichst geringer Teil des aus dem Versorgungseingang in die Schaltkammer strömenden Druckmittels um das Schaltelement herum ebenfalls aus dem Steuereingang fließen, um die Menge des aus dem Steuereingang abzutransportierenden Druckmittels nicht unnötig zu vergrößern.

Ebenso sollte, falls das Schaltelement sich in seiner zweiten Schaltstellung befindet und dabei den Steuereingang gegen die Schaltkammer abdichtet, die erwähnte Leckströmung nicht zu groß sein, damit das zum erneuten Umschalten erforderliche statische Drucksignal nicht eine unnötig hohe Strömungsenergie der Leckströmung überwinden muß.

Erfordert ein ungehindertes Abströmen des Druckmittels aus dem Steuereingang einen querschnittsgroßen Steuereingang, so kann es in speziellen Fällen auch gegeben sein, diesen Querschnitt klein zu halten. Wenn beispielsweise das Schalten des Fluidelementes durch einen äußeren den Steuereingang verschließenden Schaltkörper erfolgt, kann auf diese Weise dessen Haltekraft geringer sein. Aber auch hier gilt die Überlegung, zwischen Versorgungseingang und Steuereingang nur eine möglichst geringe Strömung aufrechtzuerhalten, um das durch den engen Steuereingang gedrosselt abfließende Druckmittel durch zusätzliches aus dem Versorgungseingang nachströmendes Druckmittel nicht noch zu vermehren.

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Es hat sich nun gezeigt, daß insbesondere bei Fluideleroenten, die mit Druckluft und hierbei mit hohem Versorgungsdruck betrieben werden, und die als Schaltkörper eine Scheibe oder Folie besitzen, das Schaltverhalten unter Berücksichtigung der angeführten Überlegungen nicht zu optimieren ist.

Daher ist es Aufgabe der Erfindung, durch eine neue Form des Schaltelementes und der Schaltkammer die bei der Schaltung von Fluidelementen der eingangs erwähnten Art auftretenden Schwierigkeiten besser zu beherrschen und damit die Umschalteigenschaften zu verbessern.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß das Schaltelement und die Schaltkammer in ihrer Formgebung derart korrespondieren, daß zwischen Versorgungseingang und Steuereingang parallel zur Schaltrichtung des Schaltelementes zwischen diesem und der Schaltkammer ein Drosselkanal entsteht, dessen Länge seine Breite überwiegt.

Durch die mit der Erfindung angegebene Form von Schaltkammer und Schaltelement entsteht während des Umschaltvorganges ein Druckgefälle zwischen Versorgungseingang und Steuereingang, das durch die Länge des Drosselkanals und auch durch die Oberflächengestaltung von Schaltelement und Schaltkammer in dessen Bereich bestimmt ist. Der Strömung des Druckmittels vom Versorgungseingang zum Steuereingang wird somit ein Widerstand entgegengesetzt, so daß die Menge des um das Schaltelement herumströmenden Druckmittels im Gegensatz zu bekannten Fluidelementen klein gehalten ist.

Dies hat den Vorteil, daß unter Berücksichtigung der obigen Überlegungen ein gemäß der Erfindung ausgebildetes Fluidelement einen Steuereingang mit einem entsprechend dem Druckge-

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fälle geringeren Querschnitt aufweisen kann, als - bei ansonsten gleichbleibenden Dimensionen und Betriebsdaten ein Fluidelement, dessen Schaltelement lediglich eine Scheibe ist, ohne daß dadurch die Schaltzeit verlängert wird. In diesem Fall kann also die Haltekraft für einen den Steuereingang verschließenden äußeren Schaltkörper kleiner sein, so daß beispielsweise die den äußeren Schaltkörper haltenden Magnete mit schwächeren elektrischen Signalen betätigt werden können. Das hierbei als elektropneumatischer Wandler arbeitende Fluidelement erhält damit einen höheren Wirkungsgrad.

Bei gleichen Dimensionen der jeweiligen Steuereingänge wird bei einem Fluidelement gemäß der Erfindung dementsprechend gegenüber einem bekannten Fluidelement die Schaltzeit verkürzt. Zudem ist durch den von Schaltelement und Schaltkammer gebildeten Drosselkanal auch die erwähnte Leckströmung zwischen Versorgungseingang und Steuereingang geringer als bei bekannten Fluidelementen, .wenn das Schaltelement den Steuereingang verschließt. Zum Umschalten eines Fluidelementes gemäß der Erfindung braucht lediglich die geringe Strömungsenergie der Leckströmung überwunden zu werden, was insbesondere vorteilhaft ist, wenn das Fluidelement durch einen äusseren Schaltkörper geschaltet wird.

All diese Vorteile machen sich vor allem bei Fluidelementen bemerkbar, die mit Luft hohen Arbeitsdruckes betrieben werden· Während bei derart verwendeten herkömmlichen Fluidelementen die Leckverluste der Arbeitsströmung, bedingt durch die Form des Schaltelementes, die lediglich einen kleinen Drosselspalt zwischen dem Schaltelement und der Schaltkammer zuläßt, sehr groß werden, gewährleistet der Drosselkanal bei einem Fluidelement gemäß der Erfindung nur geringe Leckverluste.

Eine besonders günstige Form des Schaltelementes und der Schaltkammer ergibt sich, wenn das Schaltelement aus einer

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Scheibe besteht, deren beide Seiten jeweils als Sitzflächen für die Abdichtung der Schaltkammer gegen den Auslaß bzw. den Steuereingang ausgebildet sind, sowie aus einem damit verbundenen Hohlkörper, dessen Innenquerschnitt der Form der Scheibe entspricht, dessen Längsachse in Schaltrichtung des Schaltelementes' liegt und dessen Wände und zumindest deren Außenseiten zur Bildung des Drosselkanals parallel zu denen der Schaltkammer verlaufen.

Die Länge des Hohlkörpers und dessen Anordnung an der Scheibe bestimmt somit die Länge des Drosselkanales· So kann beispielsweise der Querschnitt des Schältelementes ebenso wie der der Schaltkammer U-förmig sein, wobei die Schenkel des U dem Auslaß und einem ihm umgebenden und mit dem Versorgungseingang verbundenen Ringkanal oder aber dem Steuereingang zugewandt sind. Xm letzteren Falle kann die Länge des Drosselkanales, und damit auch das erwähnte Druckgefälle, annähernd verdoppelt werden, wenn die Wände der Schaltkammer auch parallel zu den Wandinnenseiten des Hohlkörpers verlaufen.

Der Druckabfall zwischen dem Versorgungseingang und dem Steuereingang während des Umschaltvorganges kann weiter dadurch verstärkt werden, daß die Oberfläche der Schaltkammer und des Schaltelementes in dem Bereich des Drosselkanales vergrößert wird, beispielsweise durch Anordnung von Rippen oder Einfräsungen auf dem Schaltkörper oder der Schaltkammer.

Weitere Erläuterungen der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit der Zeichnung gegeben· Xn dieser stellen dar:

Fig.l bis Fig. 4 jeweils einen Querschnitt durch ein lediglich schematisch dargestelltes Fluidelement gemäß vier verschiedenen Ausführungsbeispielen der Erfindung;

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Fig. 5 und 6 je eine Ansicht auf ein Schaltelement für ein Fluidelement gemäß der Erfindung.

Um die Beschreibung und die Figuren übersichtlicher zu gestalten, sind in den Figuren gleiche Bauteile durchwegs mit gleichen Bezugsziffern versehen·

Gemäß der Fig. 1 besteht ein Fluidelement aus einer Schaltkammer 2, in die seitlich ein Versorgungseingang 3 für ein Druckmittel mündet. Ein Auslaß 4 ragt zentrisch in die Schaltkammer 2 hinein, so daß,in der Zeichnung gesehen, sein oberes Ende oberhalb des Versorgungseinganges 3 liegt»

In der Schaltkammer 2 ist frei beweglich ein topfförmiges Schaltelement 5 vorgesehen, das einen U-förmigen Querschnitt aufweist und aus einer Scheibe 5^ und einem mit dieser verbundenen Hohlzylinder 5p besteht. Die Schaltkammer 2 und das Schaltelement 5 korrespondieren dabei in ihrer Form der~ art, daß zwischen dem Hohlzylinder 5~ des Schaltelementes und den Wänden der Schaltkammer 2 ein enger,als Ringspalt ausgebildeter Drosselkanal entsteht, der den ungehemmten Abfluß des Druckmittels zwischen dem Versorgungseingang 3 und einem auf der dem Auslaß 4 entgegengesetzten Seite der Schaltkämmer 2 angeordneten Steuereingang 7 verhindert«

Der Steuereingang 7 wird von einem äußeren Schaltkörper 8 geöffnet bzw. verschlossen, der seinerseits beispielsweise durch ein nichi/dargestelltes Magnetsystem betätigt wird.

Die Funktionsweise des beschriebenen Fluidelementes ist folgende:

Strömt durch den Versorgungseingang 3 ein Druckmittel, und ist der Steuereingang 7 nicht durch den äußeren Schaltkörper 8 verschlossen, so wirkt auf die dem Auslaß 4 zugewandte Seite der Scheibe 5. des Schaltelementes 5 der Ver-

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sorgungsdruck des Druckmittels, so daß das Schaltelement 5 in der Zeichnung gesehen nach oben bewegt wird und den Steuereingang 7 gegen die Schaltkammer 2 abdichtet.

Der Ringspalt zwischen dem Auslaß 4 und dem Hohlzylinder 5-des Schaltelementes 5 ist dabei so dimensioniert, daß das Druckmittel in dieser Stellung des Schaltelementes 5 annähernd ungehindert vom Versorgungseingang 3 aus dem Auslaß herausfließen kann. Die den Steuereingang abdichtende Sitzfläche der Scheibe 5.. des Schaltelementes 5 ist außerdem so gestaltet, daß auch in dieser Schaltstellung eine geringe Leckströmung zwischen dem Versorgungseingang 3 und dem Steuereingang 7 aufrechterhalten wird.

Wird nun der Steuereingang 7 mit dem äußeren Schaltkörper 8 verschlossen, so baut sich durch die erwähnte über den Ringkanal 6 zu dem Steuereingang 7 fließende Leckströmung im Steuereingang 7 ein Entlastungsdruck auf, der in kurzer Zeit dem statischen Versorgungsdruck des Fluidelementes 1 entspricht. Da auf der Unterseite des Schaltelementes 5, wie in der Beschreibungseinleitung erwähnt, ein geringejyT)ruck herrscht, wird das Schaltelement 5 gegen den Auslaß bewegt, bis die dem Auslaß 4 zugewandte Sitzfläche der Scheibe 5.. den Auslaß vollständig versperrt.

Sobald der Steuereingang wiederum geöffnet wird, wird das Schaltelement 5 durch die Strömung in der Schaltkammer erneut gegen den Steuereingang 7 bewegt. Durch den Drosselkanal 6 ist nun der Druckabfall zwischen dem Versorgungseingang 3 und dem Steuereingang 7 durch die Formgebung von Schaltelement 5 und Schaltkammer 2 sehr groß. Damit ist die erwähnte Leckströmung nur gering, so daß, falls der Steuereingang 7 einen genügend großen Querschnitt besitzt, das Druckmittel oberhalb der Scheibe 5., des Schaltelementes 5 sehr rasch aus dem Steuereingang 7 abfließen kann. Den von

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dem Druckmittel auf die Unterseite der Scheibe 5^ wirkenden Kräften wird auf diese Weise nahezu kein Widerstand entgegengesetzt, so daß die Schaltzeit des Fluidelementes 1 sehr kurz ist.

Der Druckabfall im Drosselkanal 6 kann, wie die Fig. 2 zeigt, dadurch vergrößert werden, daß zwar die Schaltkammer 2 ebenso wie das Schaltelement 5, wie schon in der Fig. 1 gezeigt, einen U-förmigen Querschnitt aufweist, der Hohlzylinder 5p des Schaltelementes 5 jetzt jedoch dem Steuereingang zugewandt ist. Ist dann der Abstand zwischen dem Hohlzylinder 52 des Schaltelementes 5 und den Wänden der Schaltkaminer 2 auf beiden Seiten des Hohlzylinders 5 p genügend klein, so setzt sich der Drosselkanal 6 aus zwei etwa gleich langen Teilstücken 6^ und 6~ zusammen,so daß der Druckabfall im Drosselkanal bei gleichen Dimensionen des Schaltelementes 5 etwa doppelt so hoch wie bei einem Fluidelement gemäß Fig· I ist.

Bei einem Fluidelement gemäß der Fig«, 2 besteht zusätzlich noch die Möglichkeit, daß der äußere Schaltkörper 8 in die bei dieser Form der Schaltkammer entstehende Ausnehmung S des Fluidelementes 1 eingesetzt ist, und daß in dieser Ausnehmung 9 auch die hier nicht gezeigten Magnetsysteme zur Betätigung des äußeren Schaltkörpers 8 angeordnet sind. Das Fluidelement 1 kann demnach sehr kompakt gebaut sein.

In der Fig. 3 ist ein Fluidelement 1 gezeigt, bei dem sowohl die Schaltkammer 2 als auch das Schaltelement 5 einen H-förmigen Querschnitt haben. Auch damit wird der Drosselkanal 6 verlängert und ein entsprechend höherer Druckabfall erreicht. Wie schon in der Fig. 2 gezeigt, sind bei diesem Ausführungsbeispiel Auslaß 4 und"Versorgungseingang 3 konzentrisch zueinander angeordnet, was ebenfalls eine kompakte" Bauweise des Fluidelementes ermöglicht.

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In der Fig. 4 ist nun ein Fluidelement 1 dargestellt, bei dem sowohl der Versorgungseingang 3 als auch der Auslaß 4 auf der Unterseite einer im Querschnitt U-förmigen Schaltkammer 2 in diese einmünden. Form der Schaltkammer 2 und des Schaltelementes 5 sowie die Anordnung des Steuereinganges und des Schaltkörpers 8 entsprechen denen des in der Fig. gezeigten Fluidelementes. Wird bei diesem Fluidelement der Steuereingang 7 durch den äußeren Schaltkörper 8 verschlossen, so bewegt sich, wie oben beschrieben, das Schaltelement 5 gegen die untere Seite der Schaltkammer 2 und verschließt den Auslaß 4. Damit die oben erwähnte Leckströmung zwischen dem Versorgungseingang 3 und dem Steuereingang 7 weiterhin aufrechterhalten werden kann, ist es nötig, daß entweder das Schaltelement 5 aus einem elastischen Material gefertigt ist oder eine derartige Form aufweist, daß auch in der unteren Stellung des Schaltelementes 5 aus dem Versorgungseingang zumindest ein geringer Anteil des Druckmittels herausströmen kann.

Eine zusätzliche Möglichkeit, den Druckabfall zwischen dem Versorgungseingang und dem Steuereingang während des Umschaltvorganges des Schaltelementes zu erhöhen, besteht, wie die Figuren 5 und 6 zeigen, darin, die Oberfläche des Schaltelemente» 5 künstlich zu vergrößern. So ist in der Fig. 5 ein Schaltelement 5 gezeigt, das um den Umfang laufende Rippen Io aufweist, in der Fig. 6 hingegen ein Schaltelement, in dem die Rippen 11 parallel zu der Längsachse des Schaltelementes 5 verlaufen. Selbstverständlich ist es auch möglich, diese Rippen an den Wänden der Schaltkamraer im Bereich des Drosselkanals 6 anzuordnen.

Patentansprüche :

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Claims (7)

1. Messerschmitt-Bölkow-Blohm Ottobrunn, 31.o7.72

   Gesellschaft mit BS61 Cz/bk

   beschränkter Haftung, ' 7454

   München

   Patentansprüche

   yFluidelement mit semistatischem Verhalten, welches eine Schaltkammer, zumindest einen in diese mündenden Versorgungseingang für ein Druckmittel, einen Auslaß sowie einen mit einem statischen Drucksignal beaufschlagbaren Steuereingang aufweist, und in dessen Schaltkammer ein Schaltelement angeordnet ist, das in Abhängigkeit eines vorhandenen bzw, nicht vorhandenen Drucksignals am Steuereingang mit Hilfe der Strömung des Druckmittels in der Schaltkammer einmal in eine die Schaltkammer gegen den Auslaß und zum anderen in eine die Schaltkammer gegen den Steuereingang abdichtende Stellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltelement (5) und die Schaltkammer (2) in ihrer Formgebung derart korrespondieren, daß zwischen Versorgungseingang (3) und Steuereingang (7) parallel zur Schaltrichtung des Schaltelementes (5) zwischen diesem und der Schaltkammer (2) ein Drosselkanal (6) entsteht, dessen Länge seine Breite überwiegt·
2. 2. Fluidelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltelement (5) aus einer Scheibe (5^) besteht, deren beide Seiten jeweils als Sitzflächen für die Abdichtung der Schaltkammer (2) gegen den Auslaß (4) bzw. den Steuereingang (7) ausgebildet sind, sowie aus einem damit verbundenen Hohlkörper (5p), dessen Innenquerschnitt der Form der Scheibe (5^,) entspricht, dessen Längsachse in Schaltrichtung

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   des Schaltelementes (5) liegt und dessen Wände und zumindest deren Außenseiten zur Bildung des Drosselkanals (6) parallel zu denen der Schaltkammer (2) verlaufen.
3. 3. Fluidelement nach einem der beiden Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltkammer (2) und das Schaltelement (5) jeweils einen U-förmigen Querschnitt besitzen, wobei das Schaltelement (5) mit seinem Hohlzylinder (5p) in dem den Schenkeln des U-förmigen Querschnitts entsprechenden Bereich der Schaltkammer (2) angeordnet ist, und der Hohlzylinder (5>) des Schaltelementes (5) dem Auslaß

   (4) zugewandt ist.
4. 4. Fluidelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Schaltkammer(2) und das Schaltelement (5) jeweils einen U-förmigen Querschnitt besitzen, wobei das Schaltelement (5) mit seinem Hohlzylinder (5~) in dem den Schenkeln des U-förmigen Querschnitts entsprechenden Bereich der Schaltkammer (2) angeordnet ist, und der Hohlzylinder (5p) dem Steuereingang zugewandt ist.
5. 5. Fluidelement nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Schaltelement

   (5) und die Schaltkammer (2) in ihrem Querschnitt etwa H-förmig sind.
6. 6. Fluidelement nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Oberfläche des Schaltelementes (5) und/oder der Schaltkammer (2) im Bereich des Drosselkanals (6) vergrößert ist.

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7. 7. Fluidelement nach Anspruch 6, dadurch g e k e η η -. zeichnet , daß das Schaltelement (5) zumindest im Bereich der äußeren Wandseiten des Hohlzylinders (52) Rippen (lo,11) aufweist.

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