DE2519316A1

DE2519316A1 - Ventilhubmechanismus fuer ein fluessigkeitsregelventil

Info

Publication number: DE2519316A1
Application number: DE19752519316
Authority: DE
Inventors: Shin-Ichi Nagumo; Tatuhiro Yyuta
Original assignee: Nissan Motor Co Ltd
Current assignee: Nissan Motor Co Ltd
Priority date: 1974-05-11
Filing date: 1975-04-30
Publication date: 1976-01-15
Also published as: US3952995A; GB1469217A; JPS50144925A

Description

Dr.D.Thomsen PATENTANWALTS BÜRO W. Weinkauff telefon (οβ9> 530211

Dr. I. Ruch ^⁰²¹² 2519316

, Telex 5-24303 topat

Dr. H. Agular

PATENTANWÄLTE Manchen: Frankfurt/M.:

Dr. rer. nat D. Thomsen Dlpl.-Ing. W. Wetnkauff

Dr. rer. nat. I. Ruch (Fuchshohl 71) Dipl.- Ing. Dr. H. Agular

8000 München 2 Kalser-Ludwifl-Platze 30. April 1975

Nissan Motor Company, Limited Yokohama, Japan

Ventilhubmechanismus für ein Flüssigkeitsregelventil

Die Erfindung bezieht sich auf einen Hubmechanismus für federbelastete Ventile zur Fluidstromregelung und insbesondere auf ein mechanisches Gestänge, das als wesentlicher Teil eines Hubmechanismus dient.

Federbelastete Ventile des Normal-Offen-Typs sind in vielerlei Fluidkreislaufen weit verbreitet. In diesen Ventilen wird ein Ventilelement gewöhnlich durch einen Federdruck in Abstand von dem Ventilsitz gehalten. Der Ventilschluß wird durch Ziehen des Ventilelements gegen den Ventilsitz mittels einer Zugkraft, die größer ist als die Kompressionskraft der Feder, erreicht. Während die Zugkraft gewöhnlich von konstanter Größe ist, die Kompressionskraft aber in dem Maße ansteigt, wie die Feder bei

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• ob ·

der Bewegung des Ventilelements zusammengedrückt wird, übertrifft der Annullierungs-Effekt der Kompressionskraft die Zugkraft in dem Maße, wie sich das Ventilelement dem Ventilsitz nähert und wird zu einem Maximum, wenn das Schließen des Ventils erreicht wird. Solch ein Ansteigen des Annullierungs-Effekts bzw. dessen Abnehmen bei einer wirksamen Ventilschließkraft ist nachteilig für die Absperr-Charakteristik des Ventils.

Es ist deshalb die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Ventilhubraechanismus für die Betätigung eines federbelasteten Ventils des Normal-Offen-Typs durch einen Antrieb mit einer konstanten Kraftkapazität zu finden, bei dem die Hubkraft mit der Zunahme des Hubes bei variablem Verhältnis, das größer ist als das Zunahmeverhältnis (d. h. die verhältnismäßige Zunahme) der Kompressionskraft der Feder, ansteigt.

Die vorliegende Erfindung betrifft ein konventionelles Ventil zur Kontrolle eines Pluidstroms durch eine Leitung, wobei das Ventil besteht aus einem Ventilgehäuse, einem im Gehäuse ausgeformten Ventilsitz, einem auf einem axial bewegbaren Ventilschaft angeformten Ventilelement, wobei das eine Ende dieses Schafts aus dem Gehäuse herausragt, und einer Kompressionsfeder, die so angeordnet ist, daß das Ventilelement während einer auf den Schaft ausgeübten Kompressionskraft normalerweise in einem Abstand vom Ventilsitz gehalten wird.

Nach der Erfindung ist ein Ventilhubmechanismus für solch ein Ventil vorgesehen, bestehend aus einem ersten Lenkerglied, welches an dem Ventilschaft befestigt ist und das gleichzeitig von dessen auslaufenden Ende in der gleichen axialen Richtung sich erstreckt, einem zweiten Lenkerglied, das mit seinem einen Ende an das auslaufende Ende des ersten Lenkerglieds angelenkt ist, einem dritten Lenkerglied, das mit seinem ersten Ende auf einem von einem stationären Glied getragenen Schaft

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drehbar befestigt ist, und dessen zweites Ende an das zweite Lenkerglied an einem zwischen den Enden dieses zweiten Lenkerglieds liegenden Punkt angelenkt ist, und einem Antriebsmittel, das eine Kraft auf das andere Ende des zweiten Lenkerglieds ausübt und dieses zweite Lenkerglied um beide Drehachsen für das erste und dritte Lenkerglied dreht.

Die Längsachse des vorerwähnten Schafts durchschneidet die Längsachse des ersten Lenkerglieds rechtwinkelig, und der vorerwähnte zwischenliegende Punkt liegt vorzugsweise in einer Entfernung von dem angelenkten Ende des zweiten Lenker— gliedes, welche Entfernung der Länge des dritten Lenkerglieds entspricht.

Ein Hubmechanismus nach der Erfindung hat den Vorteil, daß sowohl die auf das zweite Lenkerglied ausgeübte Zug- oder Druckkraft in einer auf den Ventilschaft ausgeübten Zugkraft resultiert, welche letztere Kraft im Vergleich zur linearen Anstiegsrate der Federkraft mit einer nichtlinearen und größeren Eate ansteigt.

Die Erfindung soll nun zum besseren Verständnis in der nachfolgenden ausführlichen Beschreibung eines bevorzugten Aus— führungsbeispiels in Verbindung mit den Zeichnungen näher erklärt werden. Darin zeigen:

Fig. 1 einen Schnitt durch eine Seitenansicht eines konventionellen federbelasteten Ventils des Normal-Offen-Typsj

Pig. 2 eine Seitenansicht teilweise im Schnitt desselben Ventils, das mit einem Hebemechanismus nach der Erfindung ausgerüstet und in Offen-Stellung gehalten ist;

Fig. 3 eine teilweise vergrößerte Ansicht desselben Hebe— mechanismus;

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Fig. 4 dasselbe Ventil wie in Fig. 2, jedoch, im geschlossenen Zustand}

Fig. 5 eine graphische Darstellung, die die Verbindungen der Zugkraft und der Druckkraft auf das Ventil der Fig. 2 während des Betriebs des Hebemechanismus der Fig. 2 verdeutlicht.

In Fig. 1 zeigt die Bezugsziffer 10 im allgemeinen ein konventionelles federbelasteiBSVentil des Normal-Offen-Typs, welches überall in verschiedenen Fluidkreislaufen Veiwendung findet. In einem Ventilgehäuse 14 ist ein konischer Ventilsitz 12 ausgebildet und auf dem schirmförmigen Kopfteil eines pilzförmigen Ventilschafts 18 ist eine Ventilsitzfläche 16 ausgeformt. Der Schaft 18 ragt aus dem Gehäuse 18 durch eine Schaftführung 20 heraus. Auf dem Ventilgehäuse 14 ist ein zylindrisches Federgehäuse 22 montiert, das den Ventilschaft 18 durchtreten läßt. Ein ringförmiger Federhalter 24 ist innerhalb des Federgehäuses 22 an dem Ventilschaft 18 befestigt, und zwischen dem Federhalter 24 und einem sich nach oben erstreckenden Ende des Federgehäuses 22 ist eine Druckfeder 26 angeordnet. Das sich nach oben erstreckende Ende des Schafts 28 ist mit einem Antrieb 28 verbunden. Die Druckfeder 26-und der Federhalter 24 sind so angeordnet, daß der Ventilschaft 18 im-Normalfall nach unten gedrückt wird, wie in Fig. 1 dargestellt, und daß die Ventilsitzfläche 16 bei einer voll geöffneten Stellung in einem Abstand von dem Ventilsitz 12 gehalten wird.« feelers rs sits ist die Feder 26 und der Federhalter 24 so ausge MIdSt₅ daß si© es der Yen= tilsitzfläch/3 16 ermöglichen;, in "/olllirorßsiensn Kontakt mit des Ventilsitz 12 au ko:n-sisn_? ~%emi der Seiiaft IS durch den Antrieb 28 angehoben wird. Der iuitrieio 28 mid das Senken und Anheben des Schaftes 18 sind tatsächlich so gestaltet, daß die Ventilsitzfläche 16 mit einer genügend ,großen Kraft

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gegen den Ventilsitz gedruckt wird. Die Feder 26 wird jedoch allmählich während des Anhebens der Ventilsitzfläche 16 zusammengepreßt und übt einen zunehmenden Druck auf den Federhalter 24 aus. Die auf den Ventilschaft 18 von Seiten des Antriebs 28 ausgeübte Zugkraft wird zu einem gewissen Grade, durch die Federkraft aufgehoben, und der Aufhebungseffekt nähert sich einem Maximum, wenn die Schließung zustande gekommen ist. Deshalb ist die Absperr-Charakteristik dieses Ventils 10 nicht voll befriedigend, wenn nicht der Antrieb 28 eine sehr große Kraftreserve aufweist.

In den Fig. 2 und 3» die eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung darstellen, ist das Ventil 10 mit einem mechanischen Gestänge (ohne Bezugsziffer) nach der Erfindung ausgerüstet, das zwischen dem Ventilschaft 18 und dem Antrieb 28 angeordnet ist. Im Federgehäuse 22 ist der Federhalter 24 an dem Schaft 18 befestigt und liegt bei der Druckbeauf— schlagung durch die Kompressionsfeder 26 normalerweise am unteren Ende (wie in Fig. 2 dargestellt) des Federgehäuses 22. Der Ventilschaft 18 ist im Vergleich mit grundsätzlich demselben Schaft 18 wie in Fig. 1 nunmehr verkürzt und innerhalb des Federgehäuses 22 in ein stabförmiges erstes Lenkerglied 30 mit Hilfe eines Haltebolzens 32 verbunden. Der Lenker 30 erstreckt sich entweder koaxial oder parallel zu dem Schaft 18. Es ist vorteilhaft, sowohl den Federhalter 24 als auch den Lenker 30 an dem Schaft 18 mittels eines einzigen Haltebolzens 32, wie in Fig. 2 gezeigt, zu befestigen. Das sich nach oben erstreckende Ende des Federgehäuses 22 ist mit einem rohrförmigen Ansatz 34 versehen, der es ermöglicht, daß der Lenker 30 entweder frei oder gleitend hindurchtritt. Es ist selbstverständlich, daß der Ventilschaft langer als der dargestellte sein kann, so daß er auch als erstes Lenkerglied 30 dienen kann. Der Lenker 30 ragt aus die-

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ser Führung 34 heraus und ist an seinem abstehenden Ende mittels eines Anlenkbolzens 38 an ein stabförmiges zweites Lenkerglied 36 angelenkt. Ein stabförmiges drittes Lenkerglied 40 ist mit seinem einen Ende an dem Schaft 42 drehbar gelagert, welcher Schaft 42 an dem rohrförmigen Ansatz 34 befestigt ist. Dieser Schaft ist zu dem Anlenkbolzen 38 parallel und durchbricht die Längsachse des ersten Lenkerglieds 30 im rechten Winkel. Das dritte Lenkerglied 40 ist gewöhnlich kurzer als das zweite Lenkerglied 36 j in der gezeigten Ausf ührungs form halb so lang wie das zweite Lenkerglied 36. Das andere Ende des dritten Lenkerglieds 40 ist an das zweite Lenkerglied 36 durch einen Anlenkbolzen 44 in der Mitte des letzteren angelenkt, so daß die Entfernung zwischen den Anlenkbolzen 38 und 44 der effektiven Länge des dritten Lenkerglieds 40 entspricht.

Die Wand des rohrförmigen Ansatzes 34 und der Schaft 42 haben durchgehende Löcher 46 und 48, die in derselben Achse und rechtwinkelig sowohl zum Schaft 42 als auch zum ersten Lenkerglied 30 liegen. Ein Antriebstab 50 durchdringt gleitend diese Öffnungen und ist mit seinem einen Ende an das freie Ende des zweiten Lenkerglieds 36 durch den Anlenkbolzen 52 angelenkt. Das andere Ende dieses Stabs 50 ist mit dem Antrieb 28 verbunden. Das erste Lenkerglied 30 ist so angeordnet, daß es sich relativ zum Schaft 42 bewegen kann, ohne jedoch in einem tatsächlichen Kontakt mit dem Antriebstab 50 zu kommen. Z. B. weist das erste Lenkerglied 30 einen Führungsschlitz 54 auf, um dem Schaft 42 einen Durchtritt wie in Fig. 3 zu ermöglichen.

Ein Schließen des Ventils 10 wird in der folgenden Weise erreicht: der Antrieb 28 zieht den Antriebstab 50 nach rechts, wie in Fig. 2 gezeigt, und veranlaßt das zweite Lenkerglied 36 im Gegenuhrzeigersinn um den Anlenkbolzen 38 zu drehen.

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Während das zweite Lenkerglied auf einem in seinem mittleren Bereich liegenden Punkt mit einem dritten Lenkerglied 40 verbunden ist, das an einem feststehenden Schaft 42 befestigt ist, schickt sich das zweite Lenkerglied 36 an, im Gegenuhrzeigersinn um den Anlenkbolzen 44 zu drehen. Die letztere Drehbewegung des zweiten Lenkerglieds 36 veranlaßt den Anlenkbolzen 38 sich vertikal nach oben zu bewegen. Auf diese Weise werden das erste Lenkerglied 30 und der Ventilschaft 18 unter Überwindung des Widerstands der Kompressionsfeder 26 vertikal nach oben gezogen, bis die Ventilsitzfläche 16 auf den Ventilsitz 12 aufgesetzt und gegen diesen angedrückt wird. Fig. 4 zeigt, das Ventil 10 und das Gestänge von Fig. im geschlossenen Zustand.

Wie aus den Fig. 2 und 4 erkannt werden kann, wird mit dem Schaft 42 und den Anlenkbolzen 38, 52 als Scheitelpunkten immer ein rechtwinkeliges Schiebedreieck gebildet. Das erste Anlenkglied 30 und der Antriebstab 50 dienen als die beiden Seiten eines das Dreieck bildenden rechten Winkels. Während eine dieser zwei Seiten, z. B. das erste Lenkerglied 30 nur axial oder vertikal bewegbar ist, ist die Bewegung der anderen Seite bzw. des Antriebstab 50 beschränkt auf eine axiale oder horizontale Bewegung, insbesondere wenn das zweite Lenkerglied 36 eine Drehbewegung ausführt. Der Antrieb 28 kann deshalb festgehalten werden, wie das im Fall von Fig. 1 dargestellt wird. Es ist offensichtlich, daß der Antrieb 28 aus jedem konventionellen Antrieb-Typ bestehen kann; z. B. aus einem elektromagnetischen Typ oder einem Hydraulik-Zylinderkolben-Typ. Eine Handbetätigung kann ebenfalls als Antrieb 28 dienen.

Eine Ventilschließ- und hebekraft F bezüglich des Ventils 10 und der Hubmechanismus gemäß Fig. 2 und 3 sollen nachstehend mit Bezug auf die graphische Darstellung in Fig. 5 beschrieben werden.

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Wenn die volle Kraft des Antriebs 28 mit F bezeichnet und das zweite Lenkerglied 36 mit dem Antriebstab 50 einen variablen Winkel θ bildet, dann kann eine axiale Zugkraft F auf den Ventilschaft 18 durch, die Formel

F_v = F_a . tan θ
dargestellt werden.

Der Winkel θ wird größer in dem Maße, wie das zweite Lenkerglied 36 dreht und das erste Lenkerglied 30 nach unten gezogen wird, was sich in einem nichtlinearen Anstieg des Wertes von tan Θ ausdrückt. Demgemäß steigt die Zugkraft F_v progressiv und nichtlinear wie der Ventilhub fortschreitet, an.

Andererseits steht der Schaft 18 unter dem Einfluß einer Kompressionskraft F . die durch die Druckfeder 26 vorgegeben ist. Da die effektive Hubkraft F ausgedrückt wird durch die Beziehung ( F - F_g ), steigt die Größe der Hubkraft F nichtlinear an, wenn F größer ist als F .

Dadurch wird die Ventxlsitzfläche 16 mit der Hubkraft F freigegeben, wobei die Anstiegsrate der Hubkraft, die der Kompressionskraft bzw. des Widerstands F übersteigt, so daß das Anheben sanft ausgeführt werden kann. Wenn die Ventilsitzfläche 16 bei maximalen Hub auf dem Ventilsitz 12 aufsitzt, wird die Ventxlsitzfläche 16 streng mit einer maximalen Hubkraft F gegen den Sitz 12 gedruckt.

Wenn der Antrieb 28 zwecks Rückkehr des Ventils 10 in die Offenstellung deaktiviert wird, wird der Federhalter 24 mit einer Kompressionskraft F_ der Feder 26 nach unten gedrückt (vgl. Fig. 4). Dann wird das erste Lenkerglied 30 nach unten bewegt und veranlaßt dabei das zweite Lenkerglied 36, eine Drehbewegung im Uhrzeigersinn um den Gelenkpunkt 38 auszu-

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führen. Als Folge davon wird der Antriebstab 50 in Fig. 4 nach links gezogen, bis der Federhalter 24 und das ganze Gestänge in die betreffende Position in Fig. 2 zurückkehren.

Aus der vorstehenden Beschreibung ist ersichtlich, daß das Gestänge nach der Erfindung nicht notwendigerweise in der in Fig. 2 dargestellten Art angeordnet sein muß. Das dritte Lenkerglied 40 kann eine wahlweise Länge in bezug zum zweiten Lenkerglied 36 haben. Der stationär angeordnete Schaft 42 kann in einer vertikalen Ebene abseits von der Längsachse des ersten Lenkerglieds 30 liegen, obgleich bei kürzerem Abstand eine Verbesserung bezüglich einer sanften Betätigung des Gestänges erreicht wird. Der Abstand zwischen den Anlenkbolzen 44 und 38 kann von der Länge des dritten Lenkerglieds 40 verschieden sein. Der Antriebstab 50 kann weggelassen werden, wenn der Antrieb 28 so angeordnet ist, daß das zweite Lenkerglied 36 direkt bewegt wird, oder bezüglich des ersten Lenkerglieds 30 schräg angeordnet ist. Die Anordnung nach Fig. 2 hat den Vorzug, daß der Antriebstab immer auf einer horizontalen Achse bewegt werden kann. Wenn der Antriebstab 50 zum ersten Lenkerglied 30 wie in Fig. gezeigt, im wesentlichen senkrecht angeordnet ist, ist es möglich, das dritte Lenkerglied 40 wegzulassen, vorausgesetzt, daß der Antriebstab 50 durch ein stationäres Führungsglied (nicht dargestellt) unterstützt wird, welches es dem Stab 50 erlaubt, sich ausschließlich längs seiner Achse zu bewegen.

Falls eine manuelle Betätigung beabsichtigt ist, soll das zweite Lenkerglied 36 vorzugsweise so lang wie möglich gemacht werden, so daß eine vervielfachte Zugkraft auf das erste Lenkerglied 30 erzielt werden kann. Im Gegensatz zur zeichnerischen Darstellung kann sich der Antriebstab 50 bis auf die linke Seite des Anlenkbolzen 52 erstrecken, wenn ein Drücken des Antriebstabs bevorzugt zum Erzeugen einer Zugkraft vorgesehen wird, um das Schließen des Ventils 10 zu bewerkstelligen.

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Claims

Patentansprüche

C 1.J Ventilhubmechanismus für ein Durchfluß re gel ventil mit einem Ventilgehäuse, einem im Gehäuse ausgeformten Ventilsitz (12), einem an einen axial bewegbaren Ventilschaft (18) angeformten Ventilelement (16), wobei ein Ende des Schaftes (18) sich außerhalb des Gehäuses erstreckt, und einer Ventilfeder (26), die so angeordnet ist, daß das Ventilelement (16) entsprechend der auf den Ventilschaft (18) ausgeübten Kompressionskraft normalerweise in einem Abstand von dem Ventilsitz (12) gehalten wird, einem Hubmechanismus, bestehend aus einem ersten Lenkerglied (30), das an das herausragende Ende des Ventilschafts (18) befestigt ist und sich von diesem herausragenden Ende in derselben axialen Richtung erstreckt, einem zweiten Lenkerglied (36), das mit seinem einen Ende an das auslaufende Ende des ersten Lenkerglieds (30) angelenkt ist, einem dritten Lenkerglied (40), das mit seinem ersten Ende auf einem von einem stationären Glied getragenen Schaft (42) drehbar befestigt ist, und dessen zweites Ende an das zweite Lenkerglied (36) an einem zwischen den Enden dieses zweiten Lenkerglieds (36) liegenden Punkt (44) angelenkt ist, und einem Antriebsmittel (28), das eine Kraft auf das andere Ende (52) des zweiten Lenkerglieds (36) ausübt und dieses zweite Lenkerglied (36) um beide Drehachsen (38,44) für das erste (30) und das dritte (40) Lenkerglied dreht.
2. Ventilhubmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebsmittel aus einem Antriebstab (50) besteht, der an das andere Ende des zweiten Lenkerglieds (36) angelenkt ist und sich von dort aus erstreckt, und einem Antrieb (28) zum Bewegen dieses Stabs (50) in axialer Richtung.

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3. Ventilhubmechanismus nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Lenkachse des Schafts (42) die Längsachse des ersten Lenkerglieds (30) im rechten Winkel durchschneidet.
4. Ventilhubmechanismus nach einem der Ansprüche 1-3» dadurch gekennzeichnet, daß der Unterteilungspunkt in einer Entfernung, die der Länge des dritten Lenkerglieds (40) entspricht, vom einen Ende des zweiten Lenkerglieds (36) entfernt ist.
5. Ventilhubmechanismus nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Lenkerglied (36) zweimal so lang wie das dritte Lenkerglied (40) ist, und das Antriebsmittel aus einem Antriebstab (50) besteht, der an das andere Ende des zweiten Lenkerglieds (36) angelenkt ist und sich von dort aus erstreckt, um den Stab (50) in axialer Richtung zu bewegen.
6. Ventilhubmechanismus für ein Durchfluß regelventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hubmechanismus besteht aus einem ersten Lenkerglied (30), das an das herausragende Ende des Ventilschafts (18) befestigt ist und sich von diesem rausragenden Ende in derselben axialen Richtung erstreckt, einem zweiten Lenkerglied (36), das mit seinem anderen Ende an das ausladende Ende des ersten Lenkerglieds (30) angelenkt ist, und einem an das andere Ende des zweiten Lenkerglieds (36) angelenkten und davon sich erstreckenden Antriebstab (50) , der so angeordnet ist, daß die Längsachse die Längsachse des ersten Lenkerglieds (30) im wesentlichen senkrecht durchsetzt.

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