DE2740404A1

DE2740404A1 - Umschaltventil mit magnetventilsteuerung

Info

Publication number: DE2740404A1
Application number: DE19772740404
Authority: DE
Inventors: Seiji Kosugui
Original assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo KK
Current assignee: Shoketsu Kinzoku Kogyo KK
Priority date: 1976-10-09
Filing date: 1977-09-08
Publication date: 1978-03-16
Also published as: US4150695A; GB1530060A

Description

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Die Erfindung betrifft ein Umschaltventil mit Magnetventilsteuerung mit einem in einer zylindrischen, an einem Ende geschlossenen Ventilkammer eines Ventilgehäuses zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbaren und die Ventilkammer durch Dichtungsringe in Ringkammern unterteilenden Umschaltkörper mit durchgehender Axialbohrung sowie mit einer die Axialbohrung mit einer Ringkammer verbindenden Radialbohrung, wobei in der ersten Stellung ein Einlaß des Ventilgehäuses und dessen erster Auslaß innerhalb einer ersten Ringkammer strömungsmäßig verbunden sind, während ein zweiter Auslaß innerhalb einer benachbarten zweiten Ringkammer mit einem zweiten Ablaß in Strömungsverbindung steht, und wobei in der zweiten Stellung der Einlaß mit dem zweiten Auslaß und der erste Auslaß mit einem ersten Ablaß strömungsmäßig miteinander verbunden sind; mit einem einen axialen Kanal aufweisenden Steuerkolben an einem Ende des Umschaltkörpers, welcher in einer Steuerkammer die Steuerkammerwand dichtend verschiebbar ist und an seinem dem Umschaltkörper abgewandten Ende seiner axialen Bohrung einen Ventilsitz aufweist; und mit einem zur Dichtung des Ventilsitzes dienenden, innerhalb einer Magnetspule eines Magnetsteuerventils bewegbaren Magnetventilkegel, der bei nicht erregter Magnetspule von einer Feder gegen den Ventilsitz gepreßt ist und der bei erregter Magnetspule eine Ablaßöffnung verschließt.

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Es ist bereits ein derartiges Umschaltventil bekannt, das an einem Ende des Umschaltkörpers einen aufgeschraubten Steuerkolben trägt. Das andere Ende des Umschaltkörpers ist von einer Spiralfeder umgeben, die sich gegen einen Ventilgehäusedeckel abstützt. Die den Umschaltkörper durchsetzende Axialbohrung setzt sich durch den Steuerkolben fort und mündet in einen Ventilsitz, der von einem Magnetventilkegel eines Magnetsteuerventils verschließbar ist. Bei nicht erregtem Magnetsteuerventil ist der Magnetventilkegel von einer Spiralfeder auf den zugehörigen Ventilsitz gepreßt, wodurch die Axialbohrung des Umschaltkörpers verschlossen ist. Gleichzeitig ist dabei eine im Magnetsteuerventil vorgesehene Ablaßöffnung freigegeben. Bei Erregung der Magnetspule des Magnetsteuerventils wird der Magnetventilkegel angezogen und dadurch die Ablaßöffnung des Magnetsteuerventils verschlossen, während der der Ablaßöffnung axial gegenüberliegende Ventilsitz des Steuerkolbens freigegeben wird. Dadurch gelangt ein durch den Einlaß und die Radialbohrung in der Axialbohrung strömendes Fluid in eine vom Magnetventilkegel freigegebene Steuerkammer und drückt den Steuerkolben von einer ersten Stellung in eine den Einlaß mit einem zweiten Auslaß verbindende zweite Stellung .

Ein Nachteil des bekannten Umschaltventils liegt darin, daß der Magnetventilkegel beim Umschalten bzw. Verschieben des

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Umschaltkörpers/Steuerkolbens von einer zweiten Schaltstellung in eine erste Schaltstellung entlang einer beträchtlichen Wegstrecke bewegt werden muß, da sich der Steuerkolben dabei in seine größtmögliche Entfernung zum Magnetventilkegel gelangt. Dies erfordert eine beträchtliche Federkraft bzw. eine beträchtliche Magnetenergie für das Vordrücken bzw. Zurückziehen des Magnetventilkegels, so daß sich kleine und kompakte magnetgesteuerte Umschaltventile nur unter größten Schwierigkeiten herstellen ließen.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Umschaltventil mit Magnetventilsteuerung zu schaffen, bei dem die Rückstellung des Umschaltkörpers/Steuerkolbens beim Abschalten der Magnetspule automatisch schneller als die Rückstellung des Magnetventilkegels erfolgt.

Zur Lösung dieser Aufgabe dient ein Umschaltventil der eingangs erwähnten Art, welches dadurch gekennzeichnet ist, daß der Innendurchmesser der Ablaßöffnung mindestens 1,4-mal größer als der Innendurchmesser des Ventilsitzes des Steuerkolbens ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand der Figuren näher erläutert; es zeigen:

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Figur 1 einen schematischen Längsschnitt durch ein bekanntes Umschaltventil;

Figuren
2 und 3

schematische Längsschnitte durch ein Umschaltventil gemäß Erfindung in erster bzw. zweiter Schaltstellung; und

Figur 4 eine grafische Darstellung der Betriebsverhältnisse des erfindungsgemäßen Umschaltventils.

Die Figuren 2 und 3 zeigen ein erfindungsgemäßen Umschaltventil mit einem Ventilgehäuse 1 und einer im Ventilgehäuse 1 liegenden zylindrischen Ventilkammer 7, welche entlang ihrer Erzeugenden einen Einlaß 2, einen ersten Auslaß 3, einen zweiten Auslaß 4, einen ersten Ablaß 5 und einen zweiten Ablaß 6 aufweist, die alle mit der Ventilkammer 7 in Verbindung stehen. In der Ventilkammer 7 ist ein Umschaltkörper 8 verschiebbar angeordnet, der eine bestimmte Anzahl von Dichtungsringen 9 trägt.

Auf einem Ende des Umschaltkörpers 8 ist ein Steuerkolben 11 befestigt, der in einer Steuerkammer 10 verschiebbar ist. Die Steuerkammer 10 schließt außen an die Ventilkammer 7 an. Der Steuerkolben 11 besitzt einen axialen Kanal, der an seinem

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inneren Ende mit einer durch den Umschaltkörper 8 laufenden Axialbohrung 14 in Verbindung steht und an seinem äußeren Ende einen Ventilsitz 13 bildet. Der Ventilsitz 13 liegt an der Außenseite des Steuerkolbens 11 in der Steuerkammer 10. Das dem Steuerkolben 11 gegenüberliegende Ende des Ventilgehäuses 1 ist durch einen Deckel wasserdicht verschlossen, an dem sich eine das Ende des Umschaltkörpers 8 umgebende Rückstellfeder 15 abstützt und den Umschaltkörper immer in eine erste Schaltstellung drückt.

An die Steuerkammer 11 schließt eine Magnetventilkammer 12 mit einem darin axial verschiebbaren Magnetventilkegel 18 an. Der Magnetventilkegel 18 ist von einer Magnetspule 17 umgeben und bei nicht erregter Magnetspule 17 von einer Feder 19 gegen den Ventilsitz 13 des Steuerkolbens 11 gedrückt. Eine weiche Dichtung 21 dient zum Verschluß des Ventilsitzes 13. An seiner der Dichtung 21 axial gegenüberliegenden Seite weist der Ventilkegel 18 eine zweite weiche Dichtung 22 für den Verschluß der Ablaßöffnung 20 auf. Der Magnetventilkegel 18 ist ferner zu seiner leichteren Umströmung mit axialen Nuten 23 versehen.

Der Federweg der Feder 19 ist nur so lang, daß der Magnetventilkegel 18 auf den Ventilsitz 13 gepreßt ist, wenn sich der Steuerkolben 11 am äußersten Ende der Steuerkammer 10, also am nächsten zum Magnetventilkegel 18 befindet. In diesem Zu-

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sammenhang ist es wesentlich, daß der Innendurchmesser d~ der Ablaßöffnung 20 mindestens 1,4-mal größer als der Innendurchmesser d* des Ventilsitzes 13 des Steuerkolbens 11 ist.

Bei nicht erregter Magnetspule 17 ist der Umschaltkörper 18 in der ersten Schaltstellung gehalten, wobei der Einlaß 2 strömungsmäßig mit dem ersten Auslaß 3 verbunden ist, während der zweite Auslaß 4 gemäß Figur 2 mit dem zweiten Ablaß 6 in Verbindung steht. Der Umschaltkörper 8 wird von der Rückstellfeder 15 sowie von einem auf seine gegenüberliegenden Enden wirkenden Differentialdruck in der ersten Schaltstellung gehalten.

Bei Erregung der Magnetspule 17 wird der Magnetventilkegel 8 in den Figuren nach rechts gegen die Wirkung der Feder 19 angezogen und verschließt die Ablaßöffnung 20, während gleichzeitig der Ventilsitz 13 freigegeben wird und Fluid in die Magnetventilkainmer 12 gelangt. Dadurch erhöht sich der Fluiddruck in der Magnetventilkainmer 12 über den von der Rückstellfeder 15 ausgeübten Druck und verschiebt den Steuerkolben und den Umschaltkörper in den Figuren nach links in die zweite Schaltstellung, in der der Einlaß 2 mit dem zweiten Auslaß 4 strömungsmäßig verbunden ist, während der erste Auslaß 3 mit dem ersten Ablaß 5 in Verbindung gelangt.

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Wird nun die Magnetspule 17 abgeschaltet, um den Umschaltkörper 8 in die erste Umschaltstellung zu bringen, dann wird der Magnetventilkegel 18 von der Feder 19 nach innen gedrückt, wobei die Ablaßöffnung 20 freigegeben wird. Da die Feder 19 jedoch nur einen kurzen Federweg hat, hält der Magnetventilkegel 18 an einer Zwischenstellung am Übergang von Steuerkammer und Magnetventilkammer an, ohne bereits den Ventilsitz 13 des Steuerkolbens 11 zu berühren. Da der Innendurchmesser d.. des Ventilsitzes 13 kleiner als der Innendurchmesser d_? der Ablaßöffnung 20 ist, strömt Fluid durch den Ventilsitz 13 langsamer als durch die Ablaßöffnung 20. Durch die Freigabe der Ablaßöffnung 20 sinkt der Druck in der Steuerkammer 10 und der Magnetventilkammer 20 somit schneller und weicht dem Druck der Rückstellfeder 15, die dadurch den Umschaltkörper 8 und den Steuerkolben 11 in die erste Schaltstellung zurückdrückt. Schließlich wird der Ventilsitz 13 von der am inneren Ende des Magnetventilkegels 18 liegenden Dichtung 21 verschlossen.

Gemäß Figuren 2 und 3 gilt für die den Steuerkolben 11 nach links drückende Kraft F.

₄ D₁F₂ , υ

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worin D. der Durchmesser der Steuerkammer 10 und P_ der Druck in der Steuerkammer 10 sind. Andererseits 1st die den Umschaltkörper 8 nach rechts drückende Kraft F„

^F2⁼T^D2^P1^+f2 ⁽²⁾

worin D₂ der Durchmesser des Umschaltkörpers 8, P. der Fluiddruck im Einlaß 2, und f~ die Federkonstante der Rückstellfeder 15 sind.

Beim Betrieb des erfindungsgemäßen Umschaltventils mit Druckluft als Druckfluid liegen die Fluidströmungsgeschwindigkeiten in den Öffnungen d. und d„ des Steuerkolbens bzw. des Magnetventils im Bereich der Schallgeschwindigkeit.

Die in und aus der Steuerkammer 10 strömenden Fluidmengen Q₁ und Q_ sind

Q₁ = Kd₁ (P₁ + 1,03) (3)

Q₂ = Kd₂ (P₂ + 1,03) (4)

worin K der Strömungsgeschwindigkeitskoeffizient ist.

Bei Q₁ = Q₂ für kontinuierliche Fluidströmungen ergibt sich für das Verhältnis d₂ zu d..

dl P + 1,03

d^ P₂ + 1,03

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Für die Rückstellung des Umschaltkörpers 8 in die Ausgangslage beim Abschalten der Magnetspule 17 muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

F₂ - F₁ -cL > 0 (6)

worin oL der Reibungswiderstand der Dichtungen von Umschaltkörper 8 und Steuerkolben 11 ist. Durch Einsetzen von Gleichung (1) und (2) in Gleichung (6) erhält man für den Steuerkammerdruck P„

< Λ ^P1 ⁺f ^₂-OL) (7)

Durch Einsetzen von Gleichung (7) in Gleichung (5) erhält man

4	>	2	P₁	+ 1	,03
2		^D2
^d1		°?		4 ₍
		^P1 ⁺	τ ⁽	2 - '°

Das Verhältnis von d₂ zu d₁ berechnet sich durch Einsetzen praktischer Werte in die Ungleichung (8), beispielsweise mit D₁ = 1,8 cm , D₂ = 1 cm , (f₂ - d ) =0,65 und P₁ = 7 bar, dies ergibt:

-4 > 1,998 = 2 (9)

^d1

Das Verhältnis von d₂ zu d.. ist also d₂/d₁> Ji = 1,4. Der In nendurchmesser d₂ der Ablaßöffnung 20 sollte somit 1,4-mal

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größer als der Innendurchmesser d.. des Ventilsitzes 13 sein. Dies haben auch durchgeführte Experimente bestätigt.

Figur 4 zeigt die Betriebseigenschaften des erfindungsgemäßen Umschaltventils. Der Fluiddruck P_ in der Steuerkammer 10 entspricht in seiner Größenordnung dem Einlaßdruck P₁ zur Zeit t_Q bei abgeschalteter Magnetspule 17. Wenn kein Fluid nach dem Abschalten der Magnetspule 17 durch den Ventilsitz 13 in die Steuerkammer 10 gelangt, dann baut sich der Steuerkairanerdruck P- gemäß Kurve (I) durch die Ablaßöffnung 20 ab.

Werden andererseits der Ventilsitz 13 und die Ablaßöffnung 20 gleichzeitig freigegeben, wenn der Fluiddruck in der Steuerkammer dem öffnungsdruck entspricht, dann tritt in der Steuerkammer eine durch die Kurve (II) dargestellte Druckerhöhung P₂ auf.

Die aus der Summierung der Kurven (I) und (II) erhaltene Kurve (III) gibt den nach dem Abschalten der Magnetspule 17 in der Steuerkammer 10 vorherrschenden Druck P_ an. Der Druck P₂ versucht den Steuerkolben 11 mit einer Kraft gemäß Kurve (i) nach links zu verschieben, während die Rückstellfeder 15 den Umschaltkörper 8 mit einer durch die Kurve (ii) dargestellten Kraft nach rechts drückt.

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Figur 4 zeigt nun, daß nach dem Verstreichen einer gewissen Zeit t₁ nach dem Abschalten der Magnetspule die auf den Umschaltkörper 8 wirkende Federkraft den auf den Steuerkolben 11 entgegenwirkenden Fluiddruck überwindet. Hierauf beginnen sich der Umschaltkörper 8 und der Steuerkolben 11 zu bewegen und beenden die Verschiebung zur Zeit t~. Die Fluidströmung in die Steuerkammer 10 nimmt jedoch bei der Annäherung der Dichtung 21 des Magnetventilkegels 18 an den Ventilsitz 13 ab und ist vollständig unterbunden, wenn die Dichtung 21 auf dem Ventilsitz 13 aufliegt, so daß sich die Kurve (II) nach der Zeit t₁ gemäß dem Kurvenverlauf a„-b~ verändert und der in der Steuerkammer tatsächlich herrschende Druck den Wert a,-b, annimmt.

Es wird darauf hingewiesen, daß das erfindungsgemäße Umschaltventil den Umschaltkörper/Steuerkolben automatisch in die Ausgangsstellung zurückstellt, ohne daß dabei zunächst der Ventilsitz des Steuerkolbens vom Magnetventilkegel verschlossen ist. Der Magnetventilkegel braucht keine Feder mit langem Federweg. Dieser kurze Federweg ist äußerst vorteilhaft und vereinfacht den Bau und die Herstellung des erfindungsgemäßen Umschaltventils wesentlich.

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Claims

Shoketsu Kinzoku Kogyo (Prio: 8.
September 1976
Kabushiki Kaisha _{JA 51}__12O85O _ ₁₄₃₄₁₎
No. 13-12, Shinbashi 1-chome, Minato-ku, Tokyo / Japan
Hamburg,
6. September 1977

Umschaltventil mit Magnetventilsteuerung

Patentanspruch

Umschaltventil mit Magnetventilsteuerung mit einem in einer
zylindrischen, an einem Ende geschlossenen Ventilkammer eines
Ventilgehäuses zwischen einer ersten und einer zweiten Stellung axial verschiebbaren und die Ventilkammer durch Dichtungsringe in Ringkammern unterteilenden Umschaltkörper mit durchgehender Axialbohrung sowie mit einer die Axialbohrung mit
einer Ringkammer verbindenden Radialbohrung, wobei in der
ersten Stellung ein Einlaß des Ventilgehäuses und dessen erster Auslaß innerhalb einer ersten Ringkammer strömungsmäßig verbunden sind, während ein zweiter Auslaß innerhalb einer benachbarten zweiten Ringkammer mit einem zweiten Ablaß in Strömungsverbindung steht, und wobei in der zweiten Stellung der Einlaß

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mit dem zweiten Auslaß und der erste Auslaß mit einem ersten Ablaß strömungsmäßig miteinander verbunden sind; mit einem einen axialen Kanal aufweisenden Steuerkolben an einem Ende des Umschaltkörpers, welcher in einer Steuerkammer die Steuerkammerwand dichtend verschiebbar ist und an seinem dem Umschaltkörper abgewandten Ende seiner axialen Bohrung einen Ventilsitz aufweist; und mit einem zur Dichtung des Ventilsitzes dienenden, innerhalb einer Magnetspule eines Magnetsteuerventils bewegbaren Magnetventilkegel, der bei nicht erregter Magnetspule von einer Feder gegen den Ventilsitz gepreßt ist und der bei erregter Magnetspule eine Ablaßöffnung verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß der Innendurchmesser (d~) der Ablaßöffnung (20) mindestens 1,4-mal größer als der Innendurchmesser (d..) des Ventilsitzes (13) des Steuerkolbens (11) ist.

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