DE2436499C3

DE2436499C3 - Stellventil für Servomotorsysteme

Info

Publication number: DE2436499C3
Application number: DE19742436499
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl.-Ing. 7300 Esslingen Stoll
Original assignee: Festo Maschinenfabrik Gottlieb Stoll Firma
Current assignee: Festo Maschinenfabrik Gottlieb Stoll Firma
Priority date: 1974-07-29
Filing date: 1974-07-29
Publication date: 1981-08-06
Also published as: DE2436499A1; DE2436499B2

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellventil für Servomotor-Systeme von der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 angegebenen Gattung.

Ein Stellventil dieser Art ist aus der DE-AS 20 12 260 bekannt, bei der sich in einer Gehäusebohrung zwei verschiebbare, miteinander kraftschlüssige Kugeln gleichen Durchmessers als Wälzkörper befinden und Bohrungen für die Zu- und die Ausgangsluft in die Gehäusebohrung münden, wobei der Bohrungsabstand von Mitte zu Mitte gemessen ungefähr dem halben Kugeldurchmesser entspricht. Auf diese die Mündungen von Zu- und Abluftbohrungen in Abhängigkeit ihrer Lage mehr oder weniger stark verdeckenden Kugeln wirkt von einer Seite her die Kraft einer Feder, deren Vorspannung und damit die Lage der Kugeln über eine von außen betätigbare Gewindespindel einstellbar ist. So bewirkt eine Erhöhung der Federvorspannung einen Anstieg des Ausgangsdruckes.

Die Konzeption, den Verschiebeweg der steuerungsaktiven Teile linear zu gestalten, wie im bekannten Fall, ist in der Pneumatik nicht immer günstig, da ein solcher Verschiebeweg in der Regel mit einer Vergrößerung der Bauabmessungen einhergeht. Ferner ist im bekannten Fall aufgrund der Verschieblichkeit der Kugeln stets ein Spaltvolumen vorhanden, durch das insbesondere bei kleinen Öffnungsquerschnitten die gewünschte nichtlineare Abhängigkeit von einer Störgröße überlagert wird. Zudem tritt bei diesem Ventil auch im stationären Zustand ohne äußere Energieabgabe ein dauernder Verbrauch auf.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Stellventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 so weiterzubilden, daß die nichtlineare Abhängigkeit der Durchflußmenge von der Bewegung des Wälzkörpers unter Verbesserung der Exaktheit der Charakteristik erreicht wird, wobei die Bauabmessungen des Stellventils weiter zu verringern sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Hauptanspruchskennzeichen angegebenen Merkmale gelöst.

Die Dichtfläche des Wälzkörpers verschließt also in ihrer Schließstellung die Mündung vollständig und je nach dem, um welchen dem Stellweg entsprechenden Wälzwinkel der Wälzkörper durch die Betätigungseinrichtung auf der Fläche abgewälzt wird, ergibt sich ein größenmäßig verschiedener Öffnungsquerschnitt der Mündung, der auf nichtlineare Weise vom Stellweg abhängt und von keiner Störgröße überdeckt wird, da kein Spaltvolumen vorhanden ist. Da die Stellbewegung eine Wälzbewegung ist, baut das erfindungsgemäße Stellventil kleiner als die bekannten Stellventile mit linearen Stellbewegungen. Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen Stellventils ist darin zu sehen, daß nur eine sehr geringe Betätigungskraft notwendig ist, da zum Abwälzen des Wälzkörpers in jedem Zeitpunkt nur Haftreibung überwunden werden muß. Dies bewirkt

außerdem, daß bei dem erfindungsgemäßen Stellventil keine Unstetigkeiten im zeitlichen Verlauf der Betätigungskraft auftreten, die bei den bekannten Stellventilen zumindest zu Beginn der Verstellbewegung wegen der zu überwindenden Sitzhaftung vorhaiiden sind. Des weiteren ist der konstruktive Aufwand zur Herstellung des erfindungsgemäßen Stellventiles sehr gering. Das erfindungsgemäße Stellventil kann in vielen Anwendungsfällen eingesetzt werden, so insbesondere in Druckluftreglern für pneumatische Systeme und pneumatische Folgesteuerungen.

In Ausgestaltung der Erfindung besteht die Dichtplatte aus einem Streifen aus Metall, beispielsweise aus Federstahl, an der Seite der Abwälzplatte und aus einer weichelastischen Dichtungsschicht auf der anderen Seite.

Häufig ist eine exponentiell Kennlinie für die Durchflußcharakteristik erwünscht Um nun das erfindungsgemäße Stellventil so auszugestalten, daß es in guter Annäherung nach einer solchen Kennlinie arbeitet, kann die Abwälzplatte kreisbogenförmig gekrümmt sein. Die Abwälzplatte kann auch spiralförmig, zweckmäßigerweise nach Art einer logarithmischen Spirale gekrümmt sein, so daß der Abrollradius der Abwälzfläche mit zunehmendem Wälzwinkel in 2·\ Richtung der Aufsteuerung der Mündung der ersten Druckmittelleitung kleiner wird. Oberhaupt läßt sich die Krümmung der Abwälzplatte an jede gewünschte Abhängigkeit beliebig anpassen.

Die Betätigungseinrichtung bildet man zweckmä- in ßigerweise als einen Winkelhebel aus, dessen längerer Schenkel sich oberhalb der Abwälzplatte über deren gesamte Länge hinweg erstreckt und dessen kürzerer Schenkel an seinem freien Ende gehäusefest angelenkt ist. Diese Anordnung gewährleistet, daß die von der i^r> Betätigungseinrichtung auf den Wälzkörper ausgeübte Betätigungskraft zu Beginn der Abwälzbewegung von der Mündung einen kleineren Wert besitzt als anschließend mit zunehmendem Öffnungsquerschnitt, da der Wälzkörper selbst einen Kraftübertragungshebel m darstellt und sich das Momentanzentrum der Wälzbewegung des Wälzkörpers mit zunehmendem Öffnungsquerschnitt auf das Betätigungsende des Wälzkörpers hin verlagert. Infolge des losen Angreifens des Winkelhebels am Wälzkörper und da sich die Kraftübertragungsstelle zwischen diesem Hebel und dem Wälzkörper beim Abwälzen nur um geringfügig verschiebt, ist die an dieser Stelle auftretende Reibungskraft sshr gering und praktisch ohne Einfluß. Da sich der längere Schenkel des Winkelhebels über die gesamte Länge der Abwälzplatte hinweg erstreckt, dient der \Vinkelhebel als Anschlag für den Wälzkörper bei geöffneter Mündung.

Das erfindungsgemäße Stellventil läßt sich auch mit einem weiteren gleichen Stellventil zu einer ein Dreiwegeventil bildenden Einheit zusammenfassen, in der Weise, daß die beiden Stellventile in der einen Ebene zueinander parallel versetzt und in der anderen Ebene mit voneinander weggerichteten Winkelhebeln angeordnet sind, wobei zur Betätigung der beiden Winkelhebel eine gemeinsame Welle dient, an der die Winkelhebel mit ihrem kürzeren Schenkel befestigt sind, und wobei die zweite Dr jckmittelleitung des einen Stellventiles mit der ersten Druckmittelleitung des anderen Stellventils in offener Verbindung steht und zusammen mit dieser die zum Servomotor führende Druckmittelleitung bildet.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nun anhand der Zeichnung beschriebe;!. Es zeigt

F i g. 1 den Längsschnitt einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Stellventils und

F i g. 2 ein aus zwei Stellventilen gemäß F i g. 1 zusammengesetztes Dreiwegeventil in Draufsicht in geschnittener Darstellung.

Das in F i g. 1 in einem Längsschnitt dargestellte Stellventil besitzt ein aus einem Sockel 1 und einem Deckel 2 bestehendes Gehäuse, die beispielsweise mittels Schrauben fest miteinander verbunden sind. Im Sockel 1 und im Deckel 2 ist jeweils eine Ausnehmung 3 bzw. 4 vorhanden, die zusammen einen Hohlraum 5 bilden. Der Sockel 1 wird ferner von einer ersten Druckmittelleitung 6 durchdrungen, die in den Hohlraum 5 mündet Diese Mündung 7 ist in einer den Hohlraum 5 teilweise begrenzenden Fläche 8 enthalten und sie wird von einem Ventilglied beherrscht, von dessen Stellweg der Öffnungsquerschnitt der Mündung 7 auf nichtlineare Weise abhängt. Das Ventilglied besteht aus einem Wälzkörper 9, der aus einer Dichtplatte 10 und aus einer Abwälzplatte 11 zusammengesetzt ist. Dabei weist die Dichtplatte 10 eine der Fläche 8 zugewandte Dichtungsschicht 12 aus weichelastischem Material, die die Dichtfläche des Wälzkörpers 9 enthält, sowie einen der Abwälzplatte 11 zugewandten Streifen 13 od. dgl. aus Metall, beispielsweise aus Federstahl, auf. Die Dichtplatte 10 besteht also aus elastisch verformbarem Material und sie ist an sich in bezug auf die der Mündung 7 gegenüberliegenden Stellen mittels Schrauben 14 bzw. 15 einerseits an der Fläche 8 und andererseits an der Abwälzplatte 11 des Wälzkörpers 9 befestigt, so daß die Abwälzplatte 11 über die Dichtplatte 10 mit dem Sockel 1 verbunden ist. Die Abwälzplatte U erstreckt sich in Wälzrichtung der Dichtplatte 10 oberhalb dieser über die Mündung 7 hinweg, und die der Fläche 8 und der Dichtplatte 10 zugewandte Abwälzfläche 16 der Abwälzplatte 11 ist in bezug auf die Fläche 8 gekrümmt. Dem Wälzkörper 9 ist eine Betätigungseinrichtung zu seinem Abwälzen auf der Fläche 8 zugeordnet, wobei die Betätigungseinrichtung beim dargestellten Ausführungsbeispiel ein Winkelhebel 17 ist. Der längere Schenkel 18 des Winkelhebels 17 erstreckt sich über den gesamten Wälzkörper 9 hinweg und sein freies Ende 19 greift an dem Betätigungsende 20 der Abwälzplatte 11 lose an. Wie aus F i g. 1 ersichtlich ist, steht dabei das Betätigungsende 20 der Abwälzplatte 11 bei verschlossener Mündung 7 von der Fläche 8 nach oben hin ab, und die Angriffsstelle 21 des längeren Schenkels 18 an der Abwälzplatte 11 ist an der der Fläche 8 abgewandten Oberseite des Betätigungsendes 20 angeordnet. Der kürzere Schenkel 22 des Winkelhebels 17 geht von dem dem Betätigungsende 20 entgegengesetzten Ende des längeren Schenkels 18 in Richtung zur Fläche 8 hin ab und reicht in die Ausnehmung 3 des Sockels 1 hinein. Das freie Ende des kürzeren Schenkels 22 ist mittels einer den kürzeren Schenkel in Längsrichtung durchdringenden Schraube 23 mit einer Welle 24 verbunden, die parallel zur Fläche 8 und hierbei rechtwinklig zur Längsachse des Wälzkörpers 9 verläuft; die Welle 24 verläuft also rechtwinklig zur Zeichenebene aus dem Gehäuse heraus, wobei sie in Richtung des Doppelpfeiles 25 drehbar gelagert ist. Außer der ersten Druckmittelleitung 6 mündet von außen her noch eine zweite Druckmittelleitung 26 in den Hohlraum hinein. Wie schon erwähnt, befindet sich der Wälzkörper 9 in F i g. 1 in seiner Schließstellung, so daß kein Druckmittel von der zweiten Druckmittelleitung 26 her aus dem

Hohlraum 5 in die erste Druckmittelleitung 6 ausströmen kann. Dabei ist die Mündung 7 vollständig verschlossen, es ist also kein Spaltvolumen oder dergl. vorhanden. Verschwenkt man nun die Welle 24 im Uhrzeigersinn, so wirkt das freie Ende 19 des längeren Schenkels 18 auf das Betätigungsende 20 der Abwälzplatte 11 ein und verschwenkt dieses Ende in Richtung auf die Fläche 8. Hierdurch wälzt sich die Abwälzplatte 11 auf der Dichtplatte 10 ab, die von der Abwälzplatte in Richtung gemäß Pfeil 27 mitgenommen wird, wodurch die Mündung 7 geöffnet wird. Beim Abwälzen der Abwälzplatte 11 wirkt diese selbst als Kraftübertragungshebel, dessen Hebelarm stets dem Abstand zwischen der Angriffsstelle 21 und dem momentanen Drehzentrum der Abwälzplatte 11 entspricht, das mit zunehmendem Verschwenken der Abwälzplatte 11 in Richtung gemäß Pfeil 27 zum Betätigungsende 20 der Abwälzplatte hin wandert, so daß der Hebelarm im Verlaufe der Abwälzbewegung immer kürzer wird. Zu Beginn der Öffnungsbewegung des Wälzkörpers 9 wird also die an der Welle 24 aufgebrachte Betätigungskraft auf einen minimalen Wert reduziert, wobei die Betätigungskraft im Verlaufe der Wälzbewegung zunimmt. Während der Wälzbewegung verschiebt sich zwar die Angriffsstelle 21, diese Verschiebungen sind jedoch derart klein, daß nur vernachlässigbare Reibungskräfte auftreten. Zum Öffnen der Mündung 7 ist also, abgesehen von der Biegearbeit an der Dichtplatte 10, eine ansonsten nur von dem im Hohlraum 5 anstehenden Druck abhängige Betätigungskraft aufzubringen, die während des gesamten Abwälzvorgangs einen stetigen Verlauf besitzt. Der Wälzkörper 9 kann nicht beliebig weit gemäß Pfeil 27 verschwenkt werden, da er sich beim Abwälzen mit seinem dem Betätigungsende 20 abgewandten Ende dem längeren Schenkel 18 nähert und mit diesem Ende schließlich an den längeren Schenkel anschlägt. Bei dem dargestellten Stellventil hängt der öffnungsquerschnitt der Mündung 7 auf nichtlineare Weise vom Stellweg des Wälzkörpers 9. d. h. von dessen Wälzwinkel 28 ab. Dabei kann jede beliebige Abhängigkeit durch beliebige Formgebung der Ahwäbfläche 16 erreicht werden. Soll das Stellventil eine exponentiell Kennlinie haben, d. h. soll jeder Veränderung des Wälzwinkels 28 um einen konstanten Prozentsatz des gesamten Wälzwinkels eine Veränderung des den öffnungsquerschnitt der Mündung 7 durchströmenden Druckmittelflusses um ein konstantes Vielfaches des vor der Verstellung vorhandenen Dnickmittelflusses zugeordnet sein, so braucht man der Abwälzfläche 16 nur die Gestalt eines Kreisbogens zu geben, um für Wälzwinkel 28 kleiner als 10° eine gute Annäherung an die exponentielle Kennlinie zu erhalten. Diese Annäherung kann verbessert werden, wenn die Abwälzfläche 16 spiralförmig, zweckmäßigerweise nach Art einer logarithmischen Spirale gekrümmt ist, derart, daß der Abrollradius der Abwälzfläche mit zunehmendem Wälzwinkel 28 kleiner wird.

Ferner ist es auch möglich, in geometrischer Umkehr nicht den Wälzkörper, sondern die Gegenfläche mit einer Krümmung zu versehen, da auch in diesem Falle eine Abrollbewegung stattfinden kann.

Die F i g. 2 zeigt in der Draufsicht zwei Stellventile gemäß Fig. 1, die seitlich nebeneinander und hierbei spiegelbildlich zueinander angeordnet sind, wobei die beiden Stellventile 30, 31 zu einer ein Dreiwegeventil bildenden Einheit zusammengefaßt sind. In der Darstellung ist der beiden Stellventilen 30 und 31 gemeinsame Gehäusedeckel weggelassen worden, so daß vom Gehäuse nur der gemeinsame Sockel 32 sichtbar ist. Von jedem Stellventil 30 bzw. 31 ist der längere Schenkel 33 bzw. 34 des dem Winkelhebel 17 in F i g. 1 ■-, entsprechenden Winkelhebels sichtbar. Die Schrauben 35 bzw. 36 entsprechen der Schraube 23 des Stellventils gemäß F i g. 1, d. h. mittels der Schrauben 35 bzw. 36 sind die Winkelhebel der Stellventile 30 bzw. 31 mit der beiden Stellventilen gemeinsamen Welle 37 verbunden.

ίο Die sich unterhalb der längeren Schenkel 33 bzw. 34 befindenden Abwälzplatten 38 bzw. 39 sind ebenso wie die Schrauben 40 bzw. 41, die zum Befestigen der Dichtplatten 44 bzw. 45 an den Abwälzplatten 38 bzw. 39 dienen, gestrichelt eingezeichnet. Die Schrauben 42

Γι bzw. 43 entsprechen der Schraube 14 in F i g. 1, und sie dienen zum Verbinden der Dichtplatten 44 bzw. 45 mit dem gemeinsamen Sockel 32. Beide Stellventile 30 bzw. 31 weisen jeweils einen dem Hohlraum 5 entsprechenden Hohlraum 46 bzw. 47 auf, wobei in den Hohlraum 46

2ü des Stellventils 30 sowohl die von der Dichtplatte 44 beherrschte erste Druckmittelleitung 48 als auch die zweite Druckmittelleitung 50 und in den Hohlraum 47 des Stellvenlils 31 sowohl die von der Dichtplatte 45 beherrschte erste Druckmittelleitung 49 als auch die

2^r> zweite Druckmittelleitung 51 einmünden. Dabei ist die in den Hohlraum 46 mündende zweite Druckmitielleitung 50 des einen Stellventils 30 mit der ersten Druckmittelleitung 49 des anderen Stellventils 31 übei eine Verbindungsleitung 52 verbunden, so daß insge-

3» samt nur drei voneinander getrennte Leitungen vorhanden sind, nämlich die von der zweiten Druckmittelleitung 50 des einen Stellventils 30 zusammen mit der ersten Druckmittelleitung 49 des anderen Stellventils 31 gebildete und an einen Verbraucher anschließbare

κ Druckmittelleitung 53, die von der ersten Druckmittelleitung 48 des einen Stellventils 30 gebildete Entlüftungsleitung und die von der zweiten Druckmittelleitung 51 des anderen Stellventils 31 gebildete Zufuhrleitung. Infolge der spiegelbildlichen Anordnung der

4i) beiden Stellventile zueinander, aufgrund der sich die längeren Schenkel 33 und 34 nach entgegengesetzten Richtungen erstrecken, und dadurch, daß beide Winkelhebel gemeinsam auf einer einzigen Welle befestigt sind, ergibt sich, daß die Welle 37 mittels eines Betätigungs-

4Ί griff es 54 in zwei Endlagen verschwenkt werden kann, wobei in der einen Endlage die erste Druckmittelleitung 48 des Stellventils 30 verschlossen und die erste Druckmittelleitung 49 des anderen Stellventils 31 offen ist. während die Verhältnisse in der anderen Endlage

w umgekehrt sind. Daher kann in der einen Endstellung des Betätigungsgriffs 54 über die zweite Druckmittelleitung 51 des Stellventils 31 der Druckmittelleitung 53 ein Druckmittel zugeführt werden, wahrend in der anderen Endstellung des Betätigungsgriffes 54 die Druckmittel-

■" leitung 53 über die erste Druckmittelleitung 48 des Stellventils 30 entlüftet wird. Sowohl die Druckmittelzufuhr zur Druckmittelleitung 53 als auch deren Entlüftung hängen auf nichtlineare Weise vom Stellweg ab, so daß das in F i g. 2 dargestellte Dreiwegeventil als Dreiwege-

«<> ventil mit exponemiellem Charakter in beiden Richtungen ausgebildet werden kann. Erwähnt sei noch, daß mit 55 bzw. 56 Führungsrippen für die Wälzbewegungen der Dichtplatten 44 bzw. 45 bezeichnet sind. Die beiden Hohlräume 46 und 47 sind gegeneinander durch einen

h"> Dichtring 57 auf der Welle 37 abgedichtet die noch weitere Dichtringe 58,59 trägt, die zum Abdichten nach außen hin dienen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Stellventil für Servomotorsysteme, mit einem zum Auf- und Zusteuern der Mündung einer ersten Druckmittelleitung dienenden und mit Hilfe einer Betätigungseinrichtung verstellbaren Wälzkörper im von einem Sockel begrenzten Ventilgehäuse, in das außerdem eine zweite Druckmittelleitung führt, dadurch gekennzeichnet, daß der Wälzkörper eine gekrümmte Abwälzplatte (11) ist und daß zwischen dieser und der die Mündung (7) der ersten Druckmittelleitung (6) im Sockel (1) enthaltenden Fläche (18) eine Dichtplatte (10) aus elastisch verformbarem Material angeordnet ist, die — in Wälzrichtung der Abwälzplatte (11) gesehen — in ihrem einen Randbereich an der Abwälzplatte (11) und im gegenüberliegenden Randbereich am Sockel

(I) befestigt ist, derart, daß sich beim Abwälzen der Abwälzplatte (11) in Richtung auf deren von der Dichtplatte (10) freies Ende hin die Abwälzplatte

(II) von ihrem mit der Dichtplatte (10) verbundenen Ende ausgehend zunehmend an die Dichtplatte (10) anschmiegt und hierbei im Verbund mit der Dichtplatte (10) die Mündung (7) der ersten Druckmittelleitung (6) aufsteuernd sich von der diese Mündung (7) enthaltenden Fläche (8) abhebt.

2. Stell ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtplatte (10) aus einem Streifen (13) aus Metall, beispielsweise aus Federstahl, an der J0 Seite der Abwälzplatte (11) und aus einer weichelastischen Dichtungsschicht (12) auf der anderen Seite besteht.

3. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwälzplatte (11) kreisbo- -¹^ genförmig gekrümmt ist.

4. Stellventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwälzplatte (11) spiralförmig gekrümmt ist, derart, daß der Abrollradius der Abwälzfläche (16) mit zunehmendem Wälzwinkel (28) in Richtung der Aufsteuerung der Mündung (7) der ersten Druckmittelleitung (6) kleiner wird.

5. Stellventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abwälzplatte (11) nacn Art einer logarithmischen Spirale gekrümmt ist.

6. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Betätigungseinrichtung von einem Winkelhebel (17) gebildet wird, dessen längerer Schenkel (18) sich oberhalb der Abwälzplatte (11) über deren gesamte Länge hinweg erstreckt und dessen kürzerer Schenkel (22) an seinem freien Erde gehäusefest angelenkt ist.

7. Stellventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß es mit einem weiteren gleichen Stellventil (31) zu einer ein Dreiwegeventil bildenden Einheit zusammengefaßt ist, in der Weise, daß die beiden Stellventile (30, 31) in der einen Ebene zueinander parallel versetzt und in der anderen Ebene mit voneinander weggerichteten Winkelhebeln angeordnet sind, wobei zur Betätigung der beiden Winkelhebel eine gemeinsame Welle (37) dient, an der die Winkelhebel mit ihrem kürzeren Schenkel befestigt sind, und wobei die zweite Druckmittelleitung (50) des einen Stellventiles (30) mit der ersten Druckmittelleitung (49) des anderen Stellventils (31) in offener Verbindung steht und zusammen mit dieser die zum Servomotor führende Druckmittelleitung (53) bildet.