DE2828279A1 - Ventil - Google Patents

Description

y. 26. Juni 1978 D 5773 - ossp

Festo-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll 7300 Eßlingen/Neckar

Ventil

Die Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Ventile sind mit aus Gummi bestehenden O-Ringdichtungen an sich bekannt, haben jedoch in der Praxis nur beschränkt Verwendung gefunden, da die Reibung ewischen den Dichtungen und der Oberfläche des Ventilschiebere groß ist, so daß sum Bewegen des Ventilschiebere, insbesondere

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zum Überwinden der Haftreibung große Kräfte erforderlich sind. Dies ist insbesondere bei solchen Ventilen nachteilig, die zugleich auch für eine Durchsatzsteuerung gemäß der Amplitude der Schieberbewegung ausgelegt sind. Diesem Nachteil kann zwar zum Teil dadurch begegnet werden, daß für eine ausreichende Schmierung bei den Dichtringen gesorgt wird. Dies bedeutet aber insbesondere bei Ventilen für gasförmige Strömungsmittel erheblichen apparativen Mehraufwand, und zudem ist dies oft auch im Hinblick auf die Reinhaltung des Strömungsmittels nicht durchführbar. Es werden daher vorwiegend Ventile verwendet, bei welchen die Steuerbunde des metallischen Schiebers präzise auf die Maße einer geschliffenen Ventilbohrung geschliffen sind, so daß ohne zusätzliche Dichtringe eine ausreichende Abdichtung und zugleich eine leichte Bewegbarkeit des Ventilschiebers erhalten wird. Diese Ventile haben aber den Nachteil hoher Fertigungskosten. Außerdem wird es mit zunehmender Anzahl der Anschlüsse und Schaltstellungen des Ventiles immer schwieriger, die verschiedenen Dichtflächen in der Gehäusebohrung und auf dem Ventilschieber genau koaxial zu schleifen.

Durch die vorliegende Erfindung soll daher ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs Λ so weiter gebildet werden, daß die zum Bewegen des Schiebers benötigte Kraft ohne zusätzliche Schmierung vermindert ist.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß gelöst durch ein Ventil gemäß Anspruch 1.

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Materialien mit günstigen !Erockenlauf eigenschaft en, darunter insbesondere Kunststoffmaterialien wie Polytetrafluoräthylen, sind an sich "bekannt. Diese Materialien sind aber verhältnismäßig steif, und aus ihnen gefertigte Hinge können nicht elastisch aufgeweitet werden, wie aus Gummi gefertigte O-Ringdichtungen. Mit der im Anspruch 1 angegebenen besonderen Ausbildung eines Dichtringes mit mäanderförmig angeordneten Wandabschnitten ist aber auch bei verhältnismäßig harten Materialien ohne große Kraft ein radiales Aufweiten und - falls erforderlich auch ein radiales Zusammendrücken möglich, wobei die Wandabschnitte auf Biegung beansprucht werden, jedoch nicht auf Zug. Diese mäanderförmigen Dichtringe sind über zylindrische Schichten aus elastomerem Material an der Gehäusebohrung des Ventils abgestützt. Diese zylindrischen elastischen Schichten sorgen für eine elastische Vorspannkraft für die Dichtringe, durch welche die innen liegenden Dichtflächen der letzteren in Anlage an den Steuerbunden des Ventilschiebers gehalten werden. Zudem sorgen die elastischen Abstützschichten für eine unproblematische Abdichtung der Außenseiten der Dichtringe. Eine Präzisionsbearbeitung der Gehäusebohrung kann also völlig entfallen.

Bei dem erfindungsgemäßen Ventil erhält man durch die elastischen Abstützschichten und die radial "ataenden" Dichtringe einen weitgehenden Ausgleich auch größerer Fertigungstoleranzen und nicht absolut koaxialen Verlaufes der verschiedenen Steuerbunde des Ventilschiebers, da die Dichtringe sich selbst ausrichtende Führungen für den Ventilechieber darstellen. Dies ermöglicht ein· erhebliche Ver-

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minderung der Herstellungskosten.

Das Material für die Dichtringe kann aus einer Vielzahl vom Trockenlaufverhalten her zufriedenstellender Materialien im Hinblick auf weitere Eigenschaften wie Temperaturbeständigkeit, Korrosionsfestigkeit, Kosten, Verarbeitbarkeit usw. ausgesucht werden. Auch für die elastischen Abstüt ζ schicht en steht eine Vielzahl von den elastischen Eigenschaften her zufriedenstellender Materialen zur Auswahl.

Das erfindungsgemäße Ventil hat ferner den Vorteil sehr hoher Lebenserwartung bei unverän-dert guten Dichteigenschaften, da sich die Dichtringe unter der elastischen Vorspannung der elastischen Abstützschichten selbst nachstellen.

Da zum Bewegen des Ventilschiebers nur geringe Kräfte erforderlich sind, eignet sich das erfindungsgemäße Ventil insbesondere zur Verwendung als Servoventil, wobei nur ein schwacher Stellmotor benötigt wird. Dabei ist keinerlei zueät»liehe Schmierung durch ein Schmiermittel, z. B. durch. Zerstäuben von ül im gesteuerten Gasstrom erforderlich, was im Hinblick auf die Umweltverschmutzung und die Gefährdumc der Gesundheit von großem Vorteil ist.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in ühteransprüehen angegeben.

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Ein Ventil gemäß Anspruch 3 läßt sich besonders einfach herstellen und zusammenbauen, da die Gehäusebohrung glatt durchgehend ist. Die Eingnuf^zur Aufnahme der Dichtringe können einfach beim Herstellen des Einsatzes aus elastomerem Material mit eingepreßt werden, gleichermaßen die Durchgangsöffnungen.

Besteht der aus elastomerem Material besitzende Einsatz gemäß Anspruch 4 aus einer Mehrzahl von Segmenten, so läßt sich der Einsatz insbesondere bei komplizierteren Ventilen aus vorgegebenen ßtandardsegmenten aufbauen.

Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 5 i sichergestellt, daß !"ertigungstoleranzen im Durchmesser der Steuerbunde oder im Durchmesser der die Dichtringe aufnehmenden Ringnuten oder der Dichtringe selbst nie-ht zu großen Änderungen in der Normalkraft führen, mit welcher die Dichtringe auf den Steuerbunden aufsitzen.

Für gewisse Anwendungsfälle ist es wichtig, daß die radialen Abmessungen des Ventiles klein bleiben. In diesem Falle kann man einen durchgehenden dünnen Einsatz vorsehen, auf dessen Innenfläche die Dichtringe reibschlüssig aufgesetzt sind. Die radial außerhalb der Dichtringe im Gehäuse vorgesehenen Hingnuten erlauben dann ebenfalls ein radiales Aufweiten der Dichtringe, wobei dann das elastische Material nicht auf Druck sondern auf Zug beansprucht wird. In den Eingnuten des Gehäuses kann auch direkt die elastische AbetützBChicht in Fora eines Binges nit im wesentlichen rechteckigem Querschnitt eingesetzt werden.

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Mit der Weiterbildung der Erfindung gemäß Anspruch 7 wird erreicht, daß die Dichtringe auch schon bei nicht eingesetztem Ventilschieber durch die elastischen Abstützs,chichten fixiert sind.

Mit der Weiterbildung der Erfindungjgemäß Anspruch 8 wird erreicht, daß der aus dem Ventilgehäuse nach außen geführte Betätigungsabschnitt des Ventilschiebers nicht gesondert abgedichtet zu werden braucht. Damit kann der gesamte Ventilschieber in den sich selbst ausrichtenden Dichtringen radial fliegend gelagert werden. Ein weiterer Vorteil dieser Anordnung ist der, daß nur eine Art von Dichtringen im ganzen Ventil benötigt wird.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert. In dieser zeigen:

Pig. 1 einen axialen Schnitt durch ein Dreiwegeventil in der neutralen Stellung des Ventilschiebers;

3?ig. 2 einen axialen Schnitt durch einen Dichtring des in Pig. 1 gezeigten Ventiles in größerem Maßstab.

In lig. 1 ist ein insgesamt mit 10 bezeichnetes Dreiwegeventil dargestellt, dessen insgesamt mit 12

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bezeichnetes Gehäuse aus einem Rohrkörper 14 und auf dieses aufgeschraubten Stirnplatten 16, 18 besteht. In dem mittleren Abschnitt des Bohrkörpers 14 sind drei Anschlußöffnungen 20, 22, 24 ausgebildet, die z. B. mit einem einfach wirkenden Arbeitszylinder, einer Druckmittelquelle und einer Druckmittelsenke verbunden sein können, was aber in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

In den Rohrkörper 14 sind drei Einsatzsegmente 26, 28, 30 axial aneinanderstoßend reibschlüssig eingesetzt. Diese Einsatzsegmente bestehen aus Gummi und sind in üblicher Weise durch Pressen in einer Form hergestellt. Die Einsatzsegmente 26 und 30 sind identisch und können in unveränderter Form auch bei Ventilen Verwendung finden, die mehr oder weniger Schaltstellungen und/oder mehr oder weniger Anschlüsse aufweisen. Das mittlere Einsatzsegment 28 ist mit radialen Durchgangsöffnungen 32, 34, 36 versehen, welche mit den Anschlußöffnungen 20, 22 und 24 fluchten. Die axial a^ßen liegenden Einsatzsegmente 26, 30 haben jeweils eine innen liegende Ringnut 38 bzw. 40, in welcher ein Dichtring 42 bzw. 44 kraftschlüssig einsitzt. Das mittlere Einsatzsegment 28 hat zwei Ringnuten 46 und 48, welche in axialer Richtung gesehen zwischen den Durchgangsöffnungen 34 und 32 bzw. 32 und 36 liegen und in welchen Dichtringen 50 und 52 kraftschlüssig einsitzen. Die Dichtringe 50 und 52 stellen gehäuse-feste Steuerbunde dar. Die Dichtringe 42, 44, 50 und sind Preßformteile aus Polytetrafluoräthylen mit besonderer mäanderförmiger Gestalt, wie weiter unten noch, genauer b·-

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schrieben wird.

Im Innenraum der Einsatzsegmente 26, 28, 30 ist ein insgesamt mit 54 bezeichneter Ventilschieber angeordnet, der drei Bteuerbunde 56, 58, 60 trägt. Seren AußendurchmeBser ist etwas größer als der Innendurchmesser der in den Hingnuten einsitzenden Sichtringe. Beim Einführen der an den Enden abgerundeten oder abgeschrägten Steuerbunde in die Dichtringe werden diese unter elastischer Kompression der hinter ihnen liegenden Schicht aus elastischem Material in radialer Sichtung aufgeweitet und liegen strömungsmitteldicht, aber wegen des günstigen Reibungskoeffizienten ihres Materialee nur unter geringer Reibung an der Außenfläche der Steuerbunde an.

Sie axialen Abmessungen der außen liegenden Steuerbunde 56 und 60 sind größer als der Gesamtstellweg des Ventil- schiebers 54, so daß der Sichtring 42 stets am Steuerbund 56 und der Sichtring 44 stets am Steuerbund 60 anliegt. Surch die Stirnplatten 16 und 18 sind verminderten Durch- messsr aufweisende Endabschnitte 62 und 64 des Ventil schiebers unter Spiel durchgeführt. Gegebenenfalls ist zusätzlich eise in radialer Sichtung flexibel nachgiebige Abdeckung an den die Endabschnitte 62 und 64 aufnehmenden Öffnungen der Stirnplatte 16 und 18 vorgesehen, um ein Eindringen von Schmutz in das Gehäuseinnere zu verhindern. Sin solches Eindringen von Schmutz ist aber viel weniger kritisch als bei Ventilen mit auf fassung geschliffenen stationären und bewegbaren Bteuerbunden.

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Aus der Zeichnung ist ersichtlich, daß sich der Ventilschieber 54 sehr einfach herstellen läßt. Der Ventilschieber ist auch in allen Schaltstellungen des Ventiles dnckausgeglichen, ohne daß hierfür zusätzliche Vorkehrungen getroffen werden müßten. In radialer Eichtung ist der Ventilschieber über die sich selbst auf seine mit 66 bezeichnete Achse ausrichtenden Dichtringe fliegend gelagert. Eine präzise Ausrichtung der Ventilschieberachse auf die Achse des Ventilgehäuses ist daher nicht notwendig. Aufgrund der soeben beschriebenen Lagerung des Ventilschiebers führen zudem Erschütterungen und Vibrationen auch zu keiner Beschädigung der Steuerbunde.

ig. 2 zeigt einen axialen Schnitt eines gegenüber Pig. 1

um 90° gedrehten Dichtringes in vergrößertem Maßstäbe, wobei die in der Zeichnung linke gelegene Hälfte nur geetrichelt angedeutet ist. Um die räumliche Zuordnung zu erleichtern, ist in fig. 2 ebenfalls die Achse 66 des Ventilschiebere mit eingezeichnet. Der Dichtring hat mäanderförmige Gestalt und weist gegeneinander axial versetzte, senkrecht zur Achse 66 verlaufende vordere Wandabschnitte 68 und hintere Wandabschnitte 70 auf, welche über dazwischenliegende axiale Wandabschnitte 72 verbunden sind. Ein derartiger Dichtring IaBt sich in radialer Eichtung aufweiten oder zusammendrücken, auch wenn er aus verhältnismäßig steifem Material gefertigt ist. Hierbei werden die Wandabschnitte auf Biegung beansprucht, und nach einer solchen Verformung stehen die Wandabschnitte nicht mehr genau senkrecht aufeinander wie dies

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im unbelasteten Zustand der Fall ist, der in Fig. 2 gezeigt ist.

Zur Herstellung eines Ventiles mit anderen Schaltfunktionen braucht nur der mittlere Teil des Ventiles abgeändert zu werden. Ein Ventil mit dem oben beschriebenen Aufbau eignet sich also sehr gut für den Auioau einer weitgehend gleichen Ventilfamilie oder für modular aufgebaute Ventile. So kann man ohne weiteres den Rohrkörper 14 aus miteinander verschraubten Rohrsegmenten aufbauen, von denen die axial außen liegenden Rohrsegmente bei verschiedenen Ventilausführungen gleich sind. Versetzt man die Trennfläche der Rohrkörpersegmente gegen die Trennflächen der Einsatzsegmente in axialer Richtung, so sorgen die EinsatζSegmente zugleich für die Abdichtung der Rohrkörpersegmente gegeneinander, ihrlieh kann man auch den Ventilschieber aus miteinander verschraubten Ventilschiebersegmenten aufbauen, von denen jeweils die axial außen liegenden Standardteile sind, während die mittleren im Hinblick auf die jeweils gewünschten Schalfcfunktionen ausgewählt werden. Wird beim. .Zusammenschrauben der Ventilschiebersegmente kein einwandfrei koaxialer Vaiauf der verschiedenen Steuerbunde erreicht, so sorgen die sich selbst ausrichtenden Dichtringe für eine automatische Kompensation der Fehlfluchtung.

Der Einsatzkörper braucht sich auch nicht wie in der Zeichnung gezeigt über die gesamte Länge des Rohrkörpers 14 zu erstrecken. Wichtig ist bei "?>>m in erster Linie die radial

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elastische Abstützung der Dichtringe. Diese elastischen Abstützschichten müssen sich aber mindestens so weit in axialer Richtung erstrecken wie die zugeordneten Dichtringe. So kann man z. B. die radial elastische Abstützung der Dichtringe auch dadurch vornehmen, daß man in innen liegende Ringnuten des Ventilgehäuses rechteckigen Querschnitt aufweisende elastische Ringe einlegt und dann die Dichtringe in diese Ringnuten einsetzt.

Bestehen die Dichtringe aus sehr hartem Material und können sie somit trotz ihrer mäanderförmigen Gestalt in radialer Richtung nur verhältnismäßig schwach "atmen", so können die Trennflachen zwischen den einzelnen Einsatzsegmenten jeweils an ein Ende der die Dichtringe aufnehmenden Ringnuten gelegt werden. Man kann dann die Dichtringe in axialer Richtung in die nach außen offene stirnseitige ringförmige Ausnehmung der Eins at ζ segmente einsetzen und dann das nachfolgende Einsat ζ segment ansetzen.

Zusammenfassend kann der Werdegang der Erfindung nochmals kurz wie folgt geschildert werden:

Durch das immer stärker werdende Bewußtsein, Umweltverschmutzung zu vermeiden, wird bei Pneumatik-Steuerungen mehr und mehr versucht, die konventionelle ölnebelschmierung zu vermeiden und die Arbeitszylinder und Ventil· mit einer bei der Montage angebrachten Feststoffschmierung zu versehen«

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Hierdurch ist beim anschließenden Betrieb eine zusätzliche ölnebelschmierung nicht mehr notwendig. Aber die Frage der Schmierung und des Gleitens, d. h. der Führung des Kolbens steht in Zusammenhang mit dessen Dichtfunktion. Bislang wurden hauptsächlich Gummi materialien verwendet zur Dichtfunktion bei Kolben und Kolbenstangen und diese benötigen laufend Schmierung. Bei Änderung auf Kunststoffgleitmaterialien kann man auf ölnebelschmierung verzichten, jedoch ist die Dichtfunktion hierbei wesentlich vermindert, da Kunststoffe weniger elastisch sind, um z. B. Toleranzen am Bohrinnendurchmesser aufzunehmen. Die bisherigen Gummidichtsysteme hatten zusätzlich den Kachteil, daß sie nur Dichtfunktion hatten, jedoch keine Führungfunktion aufgrund ihrer nicht optimalen Gleiteigenschaften. Hier bringt der Verkstoff Kunststoff bessere Führungsfunktion mit sich, so daß der damit geführte Kolben und Kolbenstange auch seitliche Belastungen besser aufnehmen kann. Sowohl Führungs- als auch Dichtfunktion in einem Element kostengünstig zu vereinigen, ist nur dann möglich, wenn das ringartige Gebilde eine Expansionsmöglichkeit und damit flexible Anpassungsmöglichkeit an die Bohrwandung bzw. an den Stangenaußenumfang und an den innerhalb der Toleranzen variierenden Bohrinnendurchmesser bzw. Stangenaußendurchmesser hat. Diese Flexibilität wird erfindungsgemäß erzielt. Das Kunststoffmaterial kann hierbei so gewählt werden, daß es keiner Zusatz-Ölnebelsehmierung bedarf, gute Gleiteigen- sohaften gegenüber dem metallischen Zylinderrohr bzw. der metallischen Kolbenstange mit sich, bringt und höhere Lebene- dauererwartungen ergibt, als weicheres und damit verschleiß-

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anfälligeres Giimmimaterial. Hinzu kommt der Vorteil, daß ein Einheitsring für Dicht- -und Führungsfunktion kostengünstiger kommt, als zwei getrennte Ringe, d. h. ein Kunststoff -Führungsring und ein Gummiring.

Die Erfindung versucht die Vorteile beider bekannten Systeme - der dichten Führung im metallischen Gehäuse mit Leckage oder der Verwendung von weichen Dichtelementen mit höherer Reibung und Losbrechkraft - zu kombinieren, also sowohl keine Leckage zu haben und andererseits keine Abnützung wie beim metallisch gedichteten Kolbenschieber, indem keine weichen Dichtelemente Verwendung finden, sondern halbharte Dichtelemente, wie z. B. Kunststoff. In normaler Bauweise, d. h. geschlossenen Kunststoffdichtring ist dies jedoch nicht möglich, weil diese Dichtringe keine radiale Expansionsmöglichkeit und damit Anpassung an variierenden Durchmesser vom Kolbenschieber bzw. vom Gehäuse ermöglichen. Erst durch die Entwicklung eines Kunststoffringes, welcher "atmet", kann die Fertigungstoleranz von Kolbenschieber und Gehäuse kompensiert werden und andererseits eine solche Vorspannung am Dichtring erzeugt werden, daß diese nicht zu hoch ist und damit zuviel Reibung erzeugen würde und andererseits nicht zu lose ist, d. h. eine zu geringe Vorspannung und damit keine leckagefreie Abdichtung mehr gewährleistet wäre. Durch dieses expandierende Prinzip können nunmehr folglich Vorteile erreicht werden: kein verteuernder Leckageverlust, geringer Ansprechdruck, minimale Reibung

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■und somit hohe Lebenserwartung, Notlauf eigenschaften, d. h. keine zusätzliche ülnebelschmierung notwendig und kostengünstig.

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Leerseite

Claims (8)

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   IPesto-Maschinenfabrik Gottlieb Stoll 7300 Eßlingen/Neckar

   Ventil

   Ansprüche

   M J Ventil mit einem Ventilgehäuse, in welchem e ire Gehäuse bohrung ausgebildet ist, in die eine Mehrzahl von Druckmittelkanälen einmündet, mit einem in der Gehäusebohrung unter Spiel verschiebbaren, Steuerbunde tragenden Ventilschieber und mit einer Mehrzahl von gehäusefesten Dicht-

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   ORIGINAL INSPECTED

   ringen, welche mit den Steuerbunden des Ventilschiebera zusammenarbeiten, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (42, 44, 50, 52) aus niederem Eeibungskoeffizienten aufweisendem Material gefertigt sind und mäanderförmig angeordnete Wandabschnitte (68, 70» 72) aufweisen, die abwechselnd in Ebenen liegen, welche im wesentlichen senkrecht auf der Schieberachse stehen bzw. die Schieberachse (66) enthalten, und daß die Dichtringe (42, 44, 50, 52) jeweils über eine im wesentlichen zylindrische Schicht aus elastomerem Material an der Gehäusebohrung abgestützt sind.
2. 2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (42, 44, 50, 52) aus einem Kunststoffmaterial niederer Reibung hergestellt sind.
3. 3. Venül nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtringe (42, 44, 50, 52) in Eingnuten (38, 40, 46, 68) eines im wesentlichen durchgehenden, in der Gehäusebohrung angeordneten Einsatzes (26, 28, 30) einsitzen, welcher mit den Druckmittelkanälen (20, 22, 24) fluchtende Durchgangsöffnungen (32, 34, 36) aufweist.
4. 4. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der

   an
   Einsatz aus/einander anstoßenden Einsatzsegmenten (26, 28, 30)

   besteht.
5. 5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeic-hnet, daß die Dicke der elastischen Abetützeiiichten

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   groß ist verglichen mit dem Unterschied zwischen dem Innendurchmesser der unbelasteten Dichtringe (42, 44, 50, 52)
   und dem Außendurchmesser der Steuerbunde (56, 58, 60) des
   Ventilschiebers (54).
6. 6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5» dadurch gekennzeichnet, daß die Innenwand des Gehäuses (12) in mit den
   Dichtringen (42, 44, 50, 52) axial fluchtenden Bereichen
   mit Eingnuten versehen ist.
7. 7· Ventil nach einem der Ansprüche Λ bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Außendurchmesser der unbelasteten Dichtringe (42, 44, 50, 52) etwas größer ist als der Innendurchmesser der zugeordneten elastischen Abstützschichten in unbelastetem Zustand.
8. 8. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet, daß die axial außen liegenden (56, 60) der Steuerbunde eine axiale Abmessung haben, die mindestens gleich dem Gesamtstellweg des Ventilechiebers (54·) ist, und daß diesen Steuerbunden ein die Abdichtung nach außen besorgender Dichtring (42, 44) zugeordnet ist.

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