DE2900473A1

DE2900473A1 - Magnetisch betaetigtes bistabiles 3/2-wegeventil

Info

Publication number: DE2900473A1
Application number: DE19792900473
Authority: DE
Inventors: Johannes Ing Grad Tersteegen
Original assignee: Deutsche Forschungs und Versuchsanstalt fuer Luft und Raumfahrt eV DFVLR
Current assignee: Deutsches Zentrum fuer Luft und Raumfahrt eV
Priority date: 1979-01-08
Filing date: 1979-01-08
Publication date: 1980-07-10
Also published as: DE2900473C2; US4343331A

Description

Patentanwalt DipL-Ing. Harro Gralfs

Gruils Patentanwalt Am Büraerpark 8 D 3300 Braunschweig Gurmany

Am Bürgerpark 8 D 3300 Braunschweig, Germany Telefon 0531-74798 Cable patinarks braunsohweig

*». Januar 1979 G/Wi - D

Deutsche Porschungs- und
Versuchsanstalt für Luft-
und Raumfahrt e,V.
Linder Höhe

5000 Köln 90

Magnetisch betätigtes bistabiles 3/2-Wegeventil

Die Erfindung betrifft ein magnetisch betätigtes bistabiles 3/2-Wegeventil mit einer Kugel als VentilVerschlußglied, die durch einen durch den Magnetantrieb in Achsrichtung verschiebbaren Stößel von einem dem Rücklauf zugeordneten Ventilsitz abgehoben und gegen einen gegenüberliegenden, dem Zulauf zugeordneten Ventilsitz dichtend anpreßbar ist.

Wegeventile der genannten Art zeichnen sich durch extrem kurze Schaltzeiten aus, die beispielsweise kleiner sein können als 1 ms.

Mit Durchflußbohrungen im Bereich zwischen 0,8 und 2,5 mm Durchmesser werden Wegeventile der genannten Art dazu benutzt, kleinste Volumina zu dosieren und an einen Verbraucher, bei-

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spielsweise einen Stellzylinder abzugeben, der dann in jeweils vorgegebene Stellungen verfahren wird. Die Öffnungsdauer des Ventils liegt dabei wiederum in der Größenordnung von ms. Bei einem Ventil mit einer Durchflußbohrung von 0,8 mm werden als Ventilverschlußglieder Kugeln mit einem Durchmesser von 1,2 mm verwendet, während bei Durchflußbohrungen von 2,5 mm Kugeldurchmesser von 4 mm benutzt wer' in.

Voraussetzung für ein einwandfreies Arbeiten des Ventils ist es, daß die als Ventilverschlußglied arbeitende Kugel in ihrer Schließstellung den Zulauf lecksicher abdichtet, wobei für derartige Ventile die geforderte Lebensdauer bei über 5 x 10 Schaltspielen liegt.

Konstruktionsbedingt muß das Gehäuse eines gattungsgemäßen Wegeventils zwischen den Ventilsitzen geteilt sein, zwischen denen die Kugel hin und her bewegt wird. Bei den angegebenen Abmessungen sind fertigungsbedingt Abweichungen der Achsen der sich gegenüberliegenden Ventilsitze unvermeidlich. Diese Abweichungen können dabei im Verhältnis zu den Kugelabmessungen groß sein. Damit besteht die Gefahr, daß die Kugel unter dem Druck des an ihm angreifenden Stößels einseitig gegen den Ventilsitz angepreßt wird und nicht die endgültige Schließstellung erreicht mit der Folge, daß ein Leckölstrom auftritt.

Bei Inverterkugelelementen ist es bekannt, für die Kugel eine Kugelführung vorzusehen, in der diese bei ihrer Bewegung zwischen den einander gegenüberliegenden Ventilsitzen geführt ist. Diese topfartige und mit einem flanschartigen Boden versehene Kugelführung ist dabei im Ventilgehäuse entweder zu dem gegenüberliegenden Ventilsitz zentriert, oder aber schwimmend zwischen den beiden Gehäuseteilen gelagert. Diese

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Anordnung bedingt ein zusätzliches Bauelement und die Anordnung von Dichtungen für dieses Bauelement (Deutsche Luft- und Raumfahrt - Forschungsbericht 73/35, Braunschweig 1973, Verfasser: K.-H. Post - DE-OS 21 24 75©).

Aufgabe der Erfindung ist es, Wegeventile der gattungsgemäßen Art mit sehr kleinen Durchflußbohrungen dahingehend zu verbessern, daß mit vereinfachter Fertigung eine zuverlässige Dichtung der stößelbetätigten Kugel möglich ist, und daß weiter die Reproduzierbarkeit der zeitabhängig vom Ventil durchgelassenen Kleinstvolumina verbessert und erleichtert wird.

Diese Aufgaben werden gemäß der Erfindung zunächst einmal dadurch gelöst, daß für die Kugel im Bereich des dem Zulauf zugeordneten Ventilsitzes eine im Ventilgehäuse feste, zum Ventilsitz konzentrische seitliche Kugelführung mit geringem Spiel vorgesehen ist, die sich vom Ventilsitz weg bis über den größten Durchmesser der Kugel in der Schließstellung erstreckt und daß die Kugel im Bereich des dem Rücklauf zugeordneten Ventilsitzes seitlich mit Spiel geführt ist, das größer ist als der maximale fertigungsbedingte Lagefehler. Als Führung können dabei wenigstens drei Führungsrippen vorgesehen sein.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe wird weiter als Antrieb ein bistabiles polarisiertes Drehmagnetsystem vorgesehen, dessen Ankerschenkel sich im wesentlichen in Achsrichtung der Stößel bewegen, und daß die Luftspalte durch verstellbare Anschläge an den Ankerschenkeln und/oder Stößeln unabhängig voneinander einstellbar sind.

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Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise veranschaulicht und im nachstehenden im einzelnen anhand der Zeichnung beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch ein zweistufiges 3/2-Wegeventil.

Fig. 2 zeigt ein Arbeitsdiagramm eines einstufigen 3/2-Wegeventils mit Erregerstrom, Ankerhub und Druck über die Zeit.

Fig. 3 zeigt in einer Ausschnittzeichnung die Führung der als Ventilverschlußglied wirkenden und durch den Stößel betätigten Kugel.

In Fig. 1 ist schematises ein zweistufiges 3/2-Wegeventil in einer erfindungsgemäßen Ausführung dargestellt. Ein einstufiges 3/2-Wegeventil würde dem Teil oberhalb der strichpunktierten Schnittlinie entsprechen.

Das dargestellte zweistufige 3/2-Wegeventil weist in seiner ersten Stufe zwei als Kugeln ausgebildete Ventilverschlußglieder 2, 4 auf. Die Kugeln sind jeweils in Kammern 6 angeordnet , die an ihrem in der Zeichnung oberen und unteren Ende jeweils einen Ventilsitz 8 und 10 aufweisen, zwischen denen die Kugel geschaltet wird. Der Ventilsitz 8 liegt am Anschluß der Rückleitung 1.2, während der Ventilsitz 10 am Anschluß der Druckleitung 14 liegt. Die Ventilkammer 6 ist weiter seitlich mit Leitungen 16, 18 verbunden, die zu den gleichfalls als Kugeln ausgebildeten Ventilverschlußgliedern 20, 22 führen, die wiederum in Kammern 24, 26 angeordnet sind, in denen sie wiederum zwischen zwei Ventilsitzen hin und her beweglich sind. Die Kammer 26 ist über einen seitlichen Anschluß mit der Arbeitsleitung 28 verbunden, mit der die Ventilkammer 24 über

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eine Leitung verbunden ist, die in dem unteren Ventilsitz für die Kugel 22 mündet. Die Ventilkammer 24 ist weiter mit einem seitlichen Druckanschluß versehen. Die kugelförmigen Ventilverschlußglieder 20, 22 werden durch die Flüssigkeitsströmung zwischen ihren Ventilsitzen hin und her bewegt. Die als Kugel ausgebildeten Ventilverschlußglxeder 2, 4 werden dagegen mechanisch über Stößel 30, 32 betätigt. Diese Stößel liegen im wesentlichen koaxial zu den Ventilsitzen der Ventilkammer 6. Sie sind abgedichtet aus dem Gehäuse nach außen geführt.

Als Antrieb ist ein bistabiles, polarisiertes Drehmagnetsystem J>k vorgesehen mit dem Drehmagnetanker 36, der um die Drehachse 38 schwenkbar ist. Die Schenkelenden des Drehankers 36 wirken mit den außen liegenden Enden der Stößel 30, 32 zusammen, und zwar über verstellbare Anschläge, die hier als Stellschrauben ¹IO dargestellt sind, die auf verschiedene Weise arretierbar sind. Auf dem Drehanker 36 befinden sich Spulen Wl und W2, die über die Anschlußdrähte l\2, M wechselweise pulsförmig mit Strom beaufschlagt werden. Zwischen den Schenkeln des unteren Magnetjochs und den Schenkeln des Drehankers befinden sich Luftspalte 31 und 33-

Beim Umschalten des Ventils aus der Betriebsstellung nach der Zeichnung drückt der linke Arm des Magnetankers 36 den Stößel 32 nach unten und bewegt dabei die Kugel 4 aus der den Rücklauf absperrenden Stellung in die gegenüberliegende, den Zulauf absperrende Stellung. Gleichzeitig wird unter dem Systemdruck die Kugel 2 von ihrem Ventilsitz 10 abgehoben und mit dem Stößel zusammen nach oben bewegt, bis sie auf dem Ventilsitz 8 zur dichtenden Anlage kommt. Hierbei wird die Leitung l6 drucklos und die Leitung 18 steht unter dem System-

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druck. Dabei schalten die beiden Kugeln 20 und 22 um, so daß dann der Arbeitsanschluß 2 8 mit dem Rücklauf verbunden ist. Entsprechend wirkt das Ventil nach erneuter Umschaltung.

Ein einstufiges 3/2-Wegeventil besteht im wesentlichen aus den Bauelementen oberhalb der strichpunktierten Linie in Pi,.,. 1. Es arbeitet mit einem einzigen Ventilverschlußglied in Form einer Kugel, hier mit der Kugel 4. Bei dieser Ausführung kann man sich den oberen Abschnitt des Stößels 30 als festen Anschlag vorstellen, mit dem der darüber liegende Schenkel des Drehankers zusammenwirkt, wobei auch hier eine verstellbare Anschlagschraube 40 vorgesehen sein kenn, mit der die Endstellung des Drehankers variabel ist.

Ein ausgeführtes einstufiges 3/2-Wegeventil der beschriebenen Art hat folgende Daten:

Kugeldurchmesser Kugelhub

Leitungsdurchmesser im Bereich der ersten Stufe Durchfluß Q bei Δ ρ = 200 bar Gesamtschaltzeit T

Ein ausgeführtes zweistufiges 3/2-Wegeventil hat eine erste Stufe mit den vorstehend genannten Daten. 2. St u Iv:

Kuge1dur chme s s e r Kugelhub

Lextungsdurchmesser 2. Stufe Systemdruck Durchfluß Q bei Δ ρ = 200 bar Gesamtschaltzeit T

1	,2	mm
0	,29	mm
0	,8	mm
4 5		enr/s
1		ms

4	mm
0,55	mm
2,5	mm
200	bar
470	crrr/s
1,6	ms

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Wie in dem Arbeitsdiagramm des einstufigen Ventils nach Pig. 2 dargestellt, folgt der Anker unmittelbar dem Anstieg des Erregerstroms. Der Druckabfall vom Systemdruck P =200+_l bar auf den Rücklaufdruck von 0 bar vollzieht sich innerhalb von 0,5 ms. Der Druckaufbau erfolgt bei der dargestellten Messung in etwa der gleichen Zeit. Der Gesamtdurchfluß während des dargestellten Öffnungshubes beträgt ~ 0,1 cm . über die verstellbaren Anschläge HO an den Schenkeln des Drehankers 36 lassen sich einmal die Ankerschenkel relativ zu den Stößeln justieren und zum andern die von den Luftspalten 31 und 33 abhängigen magnetischen Betätigungskräfte variieren. Hiermit lassen sich die Totzeit (Zeit vom Beginn des Erregerstromanstiegs bis zum Beginn der Ankerbewegung bzw. des Druckaufbaus) und die Zeit des Druckabfalls und Druckanstiegs innerhalb gewisser Grenzen variieren. Es ist dabei möglich, die Ventile auf eine vorgegebene Druckabfall- und Druckanstiegsflanke zu justieren. Eine Schaltzeitoptimierung des zweistufigen Ventils verlangt ein phasenverschobenes Schalten der Vorsteuerkugeln 2, 4. Auch die Phasenverschiebung ist durch Einstellung der Ankerluftipalte 31, 33 bzw. der Leerhübe der Stößel 30, 32 erreichbar.

Nagnetventil· der beschriebenen Art arbeiten mit öffnungs- und Schließzeiten 4m Bereich von ms und geben durch wiederholtet Offnen und Schließen, gegebenenfalls in Verbindung mit Xnderungen der Länge dsr Öffnungszeit, beispielsweise in einem Rechner, für einen vorgegebenen Verschiebeweg eines Kolbens in einem Zylinder in Einzelvolamina das verlangte Gesamtvolumen ab. Diese Arbeitsweise führt zu der Forderung, daß Ventile dieser Art für eine ungewöhnlich hohe Zahl von Arbeitsspielen auszulegen sind. Gefordert wird eine Lebensdauer von mindestens 5 x 10 Arbeitsspielen ohne Auftreten von Undichtigkeiten^

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Fertigungstechnisch bedinge müssen die Ventilkammern 6 mit einer Trennebene versehen aein. Bei den vorstehend genannten Abmessungen sind dabei Lageabweichungen zwischen den Achsen der beiden gegenüberliegenden Ventilsitze 8 und IO unvermeidlich. Der Ventilstößel läßt sieb fertigungstechnisch mit hoher Genauigkeit zentriscti zum Ventilsitz 8 führen. Das führt zu einem mittigen Stößelangriff an der Kugel 4, die dabei ausbalanciert auf der Stößelstirnseite geführt wird. Ist die Achse des Ventilsitzes 10 gegenüber der Stößelachse und damit der Achse des Ventilsitzes 8 versetzt, trifft die Kugel mit entsprechendem Versatz seitlich auf den Kugelsitz auf, wobei es dann leicht zu einem Einklemmen der Kugel zwischen dem Stößel und dem betreffenden Bereich des Ventilsitzes 10 kommt. Das Ventil leckt dann.

Die erfindungsgemäße Lösung dieses Problems ist in Fig. 3 veranschaulicht. Das Ventilgehäuse besteht hier aus zwei dichtend zusammengefügten Gehäuseteilen 46 und 48. Im Gehäuseteil 46 ist die zum Rücklauf führende Leitung 12 als Bohrung ausgebildet, an deren Ende der Ventilsitz 8 ausgebildet ist, der sich leicht konzentrisch zur Leitung 12 ausführen läßt. Axial in der Leitung 12 ist der Stößel 32 geführt. Im unteren Gehäuseteil 48 ist die Druckleitung 14 als Bohrung ausgebildet mit dem zugehörigen Ventilsitz 10. Die beiden Leitungen 12 und 14 und damit die Ventilsitze 8 und 10 haben fertigungs-r bedingt zueinander einen Lagefehler>x.

In dem Gehäuseteil 48 ist im Bereich der seitlichen Anschlußbohrung 16 die Ventilkammer 6 ausgebildet. Diese besteht aus einem oberen Abschnitt 50 mit einem Durchmesser D^, der wenigstens um den fertxgungsbedingten maximalen Lagefehler 2 χ größer ist als der Kugeldurchmesser und vorzugsweise so groß ist, daß die Kugel in ihm seitlich ungeführt beweglich ist. In dem an den Ventilsitz 10 angrenzenden Abschnitt 52

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hat die Ventilkammer 6 einen Durchmesser D-, der so gewählt ist, das in ihm die Kugel mit geringer Toleranz seitlich geführt ist. Die Höhe h ist so gewählte daß der größte Durchmesser der Kugel 4 in der Höhe h'-mit Sicherheit innerhalb der Führung liegt, wenn die Kugel auf dem Ventilsitz 10 aufsitzt. Die Führung innerhalb des Abschnitts 52 kann mit Hilfe von Führungsrippen erfolgen, von denen beispielsweise vier vorgesehen sind. Der Einlauf in den Abschnitt 5$ oberhalb h' kann abgeschrägt (konisch) oder abgerundet ausgeführt sein.

Wird bei der dargestellten Ausführungsform die sich in der strichpunktierten Stellung befindliche Kugel 4 durch den Stößel 32 mit dem Lagefehler χ geradlinig nach unten bewegt, trifft sie mit ihrem Umfang auf die Einlaufkante 56 des Abschnittes 52 der Ventilkammer 6 auf und wird damit mechanisch seitlich in die Flucht der Achse der Bohrung 14 und damit des Ventilsitzes 10 gedrängt. Die Kugel wird damit gegenüber der Stirnseite des Stößels 32 seitlich verschoben oder gekippt, bevor sie sich auf den zugehörigen Ventilsitz aufsetzt. Damit wird sichergestellt, daß die Kugel allseitig dichtend aufsitzt, auch wenn der Lagefehler χ relativ große ist.

In der umgekehrten Schaltrichtung wird die Kugel 4 unter dem Druck P₃ in der Leitung 14 nach oben gedrückt, wenn der Stößel 32 entlastet ist. Die Pressung zwischen dem Stößel und der Kugel geht gegen Ende der Kugelbewegung gegen 0, so daß sich die Kugel frei zum Ventilsitz 8 zentrieren kann.

Die unter Bezug auf Fig. 3 beschriebene Ausführung der Ventilkammer h&t den Vorteil, daß sie ohne zusätzliche Einsätze auskommt und der Innendurchmesser des Abschnittes 52 in einer Aufspannung mit dem Ventilsitz 10 fertig bearbeitet werden kann.

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Claims

Ansprüche

1,,Magnetisch betätigtes bistabil es 3/2-Wegeventil mit einer —" Kugel als Ventilverschlußglied, die durch einen in Achsrichtung verschiebbarem Stößel Jnit Magnetantrieb von einem dem Rücklauf zugeordneten Ventilsitz -abgehoben und gegen einen gegenüberliegenden, dem Zulauf zugeordneten Ventilsitz dichtend anpreßbar ist, dadurch gekennzeichnet ₃ daß für die Kugel (4) im Bereich des dem Zulauf <14) zugeordneten Ventilsitzes (1Ό) im Ventilgehäuse (H8) eine feste, zum Ventilsitz konzentrische seitliche Kugelführung (56) vorgesehen ist, die sich vom Ventilsitz bis über den größten Durehmesser der Kugel in der Schließstellung erstreckt, und daß die Kugel im Bereich des dem Rücklauf (12) zugeordneten Ventilsitzes (8) seitlich mit einem Spiel geführt ist, das größer ist als der maximale fertigungsbedingte Lagefehler.
2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Führung (56) wenigstens drei Führungsrippen vorgesehen sind.
3. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Antrieb (JM) ein bistabiles polarisiertes Drehmagnetsystem vorgesehen ist, dessen Drehanker (36) sich mit seinen Schenkeln im wesentlichen in Achsrichtung der Stößel (30,32) bewegt, und daß die Luftspalte (31,33) durch verstellbare Anschläge (40) an den Ankerschenkeln und/oder Stößeln unabhängig voneinander einstellbar sind.

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