DE3613746A1 - Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 (in der Praxis als sog. "5/2-Wegeventil" bekannt, enthaltend fünf Anschlüsse und zwei Schaltstellungen).

Bei Ventilen dieser Art muß die wirksame Fläche des Steuerkolbens größer als die wirksame Fläche des Dichtungselementes sein, das in der einen Schaltstellung die Verbindung zwischen dem mit Druckmittel versorgten Verbraucher und dem zu­ gehörigen Anschluß zur Druckmittelabführung unter­ bricht. Nur dann kann nämlich der Steuerkolben, wenn er mit Druckmittel versorgt wird, die Kolben­ stange in die andere Schaltstellung bewegen.

Durch diese notwendige Dimensionierung des Steuerkolbens ergibt sich nun allerdings ein Problem, wenn aufgrund äußerer Einflüsse (etwa beim gleichzeitigen Entlüften mehrerer an eine gemeinse Abluftleitung angeschlossener Ventile) in der Gehäusekammer, die den gerade entlüfteten Verbraucher mit dem zugehörigen Anschluß zur Druck­ mittelabführung verbindet, ein momentaner Über­ druck auftritt. Würde dieser Druck auf die innere Stirnseite des benachbarten Steuerkolbens ein­ wirken,so würde hierdurch das Ventil ungewollt betätigt, d.h. eine Fehlbetätigung verursacht.

Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind bei den bis­ her bekannten Ventilen der eingangs genannten Art zwischen den Steuerkolben und den mit den An­ schlüssen zur Abführung des Druckmittels ver­ sehenen Gehäusekammern zwei Dichtungs- bzw. Druckausgleichskolben angeordnet, die je zwei Dichtungselemente tragen, die mit einer in das Ventilgehäuse eingepreßten Laufbuchse zusammen­ wirken.

Durch diese beiden zusätzlichen Dichtungs- oder Druckausgleichskolben wird vor allem die Bau­ länge des Ventiles in unerwünschter Weise ver­ größert. Nachteilig ist ferner die Vergrößerung der Zahl der Einzelteile des Ventiles, die Er­ schwerung der Montage sowie die Verkürzung der Lebensdauer.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art so auszu­ bilden, daß die Baugröße, insbesondere die Bau­ länge, wesentlich verringert, der konstruktive Aufbau - unter Beibehaltung einer zuverlässigen Funktion - erheblich vereinfacht, die Montage erleichtert und die Lebensdauer verlängert wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.

Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.

In der Zeichnung zeigen

Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung (bistabile Variante),

Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungs­ gemäßes Ventil in monostabiler Aus­ führung,

Fig. 3 und 4 Varianten mit bedingt bzw. vollständig überschneidungsfreier Umschaltung.

Das in Fig. 1 dargestellte 5/2-Ventil in bistabiler Ausführung enthält in einem Gehäuse 1 eine durch­ gehende Bohrung 2 (mit Achse 3) die an ihren Enden durch Gehäusedeckel 4 und 5 unter Zwischenfügung von Dichtungselementen 6 bzw. 7 abgeschlossen ist.

In die Bohrung 2 münden fünf Querbohrungen 8, 9, 10, 11 und 12, die folgende Anschlüsse bilden:

Die Querbohrung 8 einen Druckmittelanschluß P, die Querbohrungen 9 und 10 zwei Anschlüsse A bzw. B zur Zuführung des Druckmittels zu je einem Verbraucher, die Querbohrungen 11 und 12 zwei Anschlüsse R bzw. S zur Abführung des Druckmittels von den beiden Ver­ brauchern (Entlüftungsanschlüsse).

Die Bereiche der Bohrung 2, in die die Querbohrungen 8 bis 12 münden, bilden Kammern 13, 14, 15, 16 und 17.

Die zentrale Kammer 13 steht über eine weitere Quer­ bohrung 18 mit einem parallel zur Bohrung 2 ver­ laufenden Kanal 19 in Verbindung, der nahe seinen Enden durch Kugeln 20 bzw. 21 verschlossen ist. Bohrungen 22, 23 verbinden den Kanal 19 mit Vor­ steuerelementen 24 bzw. 25, die über Bohrungen 26 bzw. 27, die äußeren Bereiche 19 a, 19 b des Kanales 19 und Kammern 28 bzw. 29 mit den äußeren Stirnflächen von Steuerkolben 30, 31 in Verbindung stehen.

Die Steuerkolben 30, 31 sind an ihrem Umfang mit einem Dichtungselement 32, 33 versehen und tragen an ihrer inneren Stirnseite einen Ansatz 30 a, 31 a.

Über Führungsstifte 34, 35, die mit einer Führungs­ bohrung zusammenwirken, sind die Steuerkolben 30, 31 an einer Kolbenstange 36 axial begrenzt gleit­ beweglich geführt. Dabei können die Führungsstifte 34, 35 entweder fest mit der Kolbenstange 36 ver­ bunden sein und in Führungsbohrungen der Steuer­ kolben 30, 31 eingreifen oder umgekehrt. Die Steuer­ kolben 30, 31 sind damit relativ zur Kolbenstange 36 frei verschiebbar, und zwar zwischen einer äußeren Anschlagstellung, in der die Steuerkolben 30, 31 am Gehäusedeckel 4 bzw. 5 anliegen und einer inneren Stellung, in der die Steuerkolben 30, 31 in kraftschlüssigem Eingriff mit der Kolbenstange 36 stehen (indem sich der Ansatz 30 a bzw. 31 a an der benachbarten Stirnseite der Kolbenstange 36 anlegt).

Die Kolbenstange 36 trägt zwei identisch ausge­ bildete und spiegelbildlich angeordnete Dichtungs­ teile 37, 38, von denen im folgenden der Dichtungs­ teil 37 näher erläutert sei. Er besteht aus zwei Dichtungselementen 37 a, 37 b, die einstückig mit­ einander ausgebildet sind und mit je einem Ventil­ sitz 39 bzw. 40 zusammenwirken. In entsprechender Weise besteht der Dichtungsteil 38 aus Dichtungs­ elementen 38 a, 38 b, die mit Ventilsitzen 41, 42 zusammenwirken.

Die beiden gleich ausgebildeten Vorsteuerelemente 24, 25 enthalten in einem Gehäuse 43 einen ver­ schiebbaren Stößel 44, der durch eine Spule 45 betätigbar ist. in der einen (unteren) Endstellung verschließt der Stößel 44 mit einem Dichtungs­ element 46 die Verbindung zwischen den Bohrungen 22 und 26. In der anderen (oberen) Stellung ver­ schließt der Stößel 44 mit einem Dichtungselement 47 eine Entlüftungsbohrung 48. Für das Vorsteuer­ element 25 gilt entsprechendes.

Die Funktion des erfindungsgemäßen Ventiles ist folgendermaßen (wobei angenommen wird, daß als Druckmittel Druckluft Verwendung findet).

In der in Fig. 1 veranschaulichten Stellung gelangt Druckluft vom Anschluß P in die Kammer 15 und damit zum Anschluß B des einen Verbrauchers. Da die Kammer 17 entlüftet ist, wird das Dichtungselement 37 b auf den Ventilsitz 40 gedrückt. Das als flexible Membrandichtung ausgebildete Dichtungselement 37 b wölbt sich hierbei zur Kammer 17 hin durch und zieht über die Kolbenstange 36 das Dichtungselement 38 a auf seinen Sitz 41. Da der wirksame Durchmesser D ₂ des Dichtungselementes 37 b größer als der wirk­ same Durchmesser D ₁ des Dichtungselementes 38 a ist, wird das Ventil aufgrund der hierdurch gegebenen Querschnittsdifferenz selbsttätig in dieser Lage gehalten.

Wird nun das linke Vorsteuerelement 24 impulsweise betätigt, so bewegt sich der Stößel 44 nach oben, verschließt die Entlüftungsbohrung 48 und stellt über die Bohrungen 22, 26 eine Verbindung zwischen dem Druckmittelanschluß P und der Kammer 28 (an­ grenzend an die linke Stirnseite des Steuerkolbens 30) her. Der Steuerkolben 30 bewegt nun die Kolben­ stange 36 in ihre rechte Endstellung. Hierdurch wird das Dichtungselement 37 b vom Ventilsitz 40 abgehoben und das Dichtungselement 37 a auf den Ventilsitz 39 gedrückt, so daß der bisher über den Anschluß B belüftete Verbraucher nunmehr über den Anschluß S entlüftet wird. Das Dichtungselement 38 a wird vom Ventilsitz 41 abgehoben und das Dichtungselement 38 b auf den Ventilsitz 42 ge­ drückt. Der bisher über den Anschluß R entlüftete Verbraucher (Anschluß A) erhält nunmehr Druckluft vom Anschluß P.

Soll das Ventil dann aus der zuletzt genannten (rechten) Schaltstellung zurück in die in Fig. 1 dargestellte linke Schaltstellung bewegt werden, so wird das Vorsteuerelement 25 impulsweise be­ tätigt, so daß Druckluft über die Kammer 29 dem rechten Steuerkolben 31 zugeführt wird.

Es sei nun angenommen, daß sich das Ventil in der in Fig. 1 veranschaulichten Schaltstellung befindet und daß sich aus irgendwelchen äußeren Gründen (beispielsweise durch das gleichzeitige Entlüften von mehreren an eine gemeinsame Abluft­ leitung angeschlossenen Ventilen) in der Kammer 16 eine Druckspitze einstellt. Wäre der Steuer­ kolben 31 fest mit der Kolbenstange 36 verbunden, so bestünde die Gefahr, daß der Steuerkolben 31 durch den auftretenden Druckimpuls nach rechts bewegt und damit eine Fehlbetätigung des Ventiles verursacht wurde. Da jedoch der Steuerkolben 31 des erfindungsgemäßen Ventiles relativ zur Kolben­ stange 36 begrenzt axial verschiebbar ist, kann er in der angenommenen Situation bei einem Druck­ impuls in der Kammer 16 nach rechts ausweichen. Eine Fehlbetätigung des Ventiles ist auf diese Weise mit Sicherheit vermieden.

Zum Verständnis sei noch angemerkt, daß sich das oben geschilderte Problem einer Fehlbetätigung des Ventiles durch einen Druckimpuls in der ent­ lüfteten Gehäusekammer auch nicht dadurch lösen läßt, daß der Steuerkolben 31 denselben wirksamen Durchmesser wie das auf den Ventilsitz 41 ge­ drückte Dichtungselement 38 a (Durchmesser D ₁) erhält, da der Durchmesser des Steuerkolbens 31 größer als D ₂ sein muß, um eine Umsteuerung des Ventils bewirken zu können. Aus diesem Grunde sind bei den eingangs geschilderten bekannten Ventilen zwischen den Steuerkolben 30, 31 und den Kammern 16, 17 noch zusätzliche Dichtungs- oder Druckausgleichskolben vorgesehen.

Um bei der Umschaltung des Ventiles einen Schwebe­ zustand des Systemes zu vermeiden, wird die Symmetrie der Kammern 14 und 15 dadurch zerstört, daß die Dichtungselemente 37 b, 38 b einen etwas unter­ schiedlichen Durchmesser D ₃ erhalten oder das Ge­ häuse in den Kammern 14 und 15 mit unterschied­ lichem Durchmesser ausgeführt wird.

Das Ventil gemäß Fig. 1 zeichnet sich durch einen sehr gedrängten räumlichen Aufbau, insbesondere eine kurze Baulänge aus. Es besitzt ferner im Ver­ gleich zu den bekannten Ausführungen einen ver­ einfachten konstruktiven Aufbau und eine ver­ ringerte Zahl von Einzelteilen. Es läßt sich sehr einfach montieren und besitzt eine ver­ größerte Lebensdauer. Das in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist ein bistabiles Ventil. Es wird also durch einen dem Vorsteuerelement 24 oder 25 zuge­ führten Impuls in die eine oder andere Schalt­ stellung geführt.

Fig. 2 veranschaulicht demgegenüber eine monostabile Variante mit nur einem einzigen Vorsteuerelement 25. Der Kanal 19 steht hier unmittelbar mit der Kammer 28 auf der linken Stirnseite des Steuerkolbens 30 in Verbindung. Der Durchmesser des Steuerkolbens 30 ist kleiner als der des Steuerkolbens 31 gewählt. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel ge­ mäß Fig. 2 dem Ventil gemäß Fig. 1. Gleiche Teile sind demgemäß mit denselben Bezugszeichen versehen.

Die Funktion des Ventils gemäß Fig. 2 ist folgender­ maßen:

Fig. 2 zeigt das Ventil in der Schaltstellung, die man erhält, wenn das Vorsteuerelement 25 durch ein Signal betätigt wird. Der rechte Steuerkolben 31, dem die Druckluft vom Anschluß P über den Kanal 19, das Vorsteuerelement 25 und die Kammer 29 zugeführt wurde, hat hierbei die Kolbenstange 36 gegen die Wirkung des kleineren Steuerkolbens 30 nach links gedrückt.

Fällt nun das dem Vorsteuerelement 25 zugeführte Steuersignal weg, so entlüftet das Vorsteuer­ element 25 die Kammer 29. Nunmehr drückt der linke Steuerkolben 30 die Kolbenstange mit den Dichtungsteilen 37, 38 in die rechte Endstellung. Das Ventil kehrt somit beim Wegfall des Steuer­ signales in die rechte Schaltstellung zurück und verbleibt in dieser, bis ein neues Steuer­ signal eintrifft.

Auch bei diesem Ausführungsbeispiel begrenzen die Steuerkolben 30, 31 mit ihrer inneren Stirnseite die Gehäusekammern 16, 17, die mit den Anschlüssen R S zur Druckmittelabführung versehen sind. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind ferner auch bei der Variante nach Fig. 2 die beiden Steuerkolben 30, 31 in axialer Richtung relativ zur Kolbenstange 36 begrenzt frei ver­ schiebbar. Tritt nun in der in Fig. 2 veran­ schaulichten Schaltstellung in der Kammer 16 aufgrund eines äußeren Einflusses eine Druckspitze auf, so kann der Steuerkolben 31 nach rechts aus­ weichen, ohne daß die Kolbenstange 36 mitgenommen wird. Eine Fehlbetätigung des Ventiles wird daher vermieden.

Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 erfolgt die Umschaltung der Druckmittelversorgung zwischen den beiden Verbrauchern nicht überschnei­ dungsfrei; in einer Zwischenphase während der Um­ schaltung ist somit der eine Verbraucher noch entlüftet, während der andere Verbraucher schon entlüftet ist.

Wird demgegenüber eine überschneidungsfreie Um­ schaltung gewünscht, so kann die Ausführung gemäß Fig. 3 gewählt werden. Sie entspricht bis auf die Gestaltung der Dichtungsteile 37, 38 der Ausführung gemäß Fig. 1. Die Dichtungselemente 37 b, 38 b sind hierbei nicht (wie bei den Fig. 1 und 2) als Sitz­ dichtungen, sondern als Schiebedichtungen ausge­ bildet und wirken mit dem inneren Umfang 40 b, 42 b einer Buchse 40′ bzw. 42′ zusammen. Die Dichtungs­ elemente 37 b, 38 b bilden damit Lippenringdichtungen, die bei der Axialverschiebung der Kolbenstange 36 über einen gewissen Weg abdichten.

Wird die Kolbenstange 36 beispielsweise aus der in Fig. 3 veranschaulichten Stellung durch den Steuerkolben 30 nach rechts bewegt, so kommt zunächst das Dichtungselement 38 b in dichtende Berührung mit der Buchse 42′ und trennt damit den Anschluß A vom Anschluß R, ehe anschließend das Dichtungselement 37 b aus der Buchse 40′ aus­ tritt und damit eine Verbindung zwischen den An­ schlüssen B und S herstellt. Auf diese Weise wird eine überschneidungsfreie Umschaltung der Ent­ lüftungsanschlüsse R und S bewirkt, so daß auch während der Umschaltung stets mindestens einer der beiden Verbraucher mit Druckluft versorgt wird.

Die Ausführung gemäß Fig. 4 entspricht weitgehend der in Fig. 3. Die Dichtungsteile 37′, 38′ sind hierbei jedoch so gestaltet, daß statt der als Sitzdichtungen ausgeführten Dichtungselemente 37 a, 38 a Schiebedichtungen 37 c, 38 c vorhanden sind. Dabei öffnet während des Schaltens die Schiebe­ dichtung 38 c erst dann, wenn die Schiebedichtung 37 c schon geschlossen hat (und umgekehrt).

Claims (7)

1. Ventil, enthaltend

• a) einen Druckmittelanschluß (P), zwei Anschlüsse (A, B) zur Zuführung des Druckmittels zu je einem Verbraucher sowie zwei Anschlüsse (R, S) zur Abführung des Druckmittels von den beiden Verbrauchern,
• b) eine im Ventilgehäuse (1) zwischen zwei Schalt­ stellungen verschiebbare Kolbenstange (36),
• c) auf der Kolbenstange (36) angeordnete Dichtungs­ elemente (37 a, 37 b, 38 a, 38 b), die in der ersten Schaltstellung der Kolbenstange (36) den ersten Verbraucheranschluß (A) mit dem Druckmittelanschluß (P) und den zweiten Verbraucheranschluß (B) mit der zugehörigen Druckmittelabführung (S) verbinden und die in der zweiten Schaltstellung der Kolben­ stange (36) den zweiten Verbraucheranschluß (B) mit dem Druckmittelanschluß (P) und den ersten Verbraucheranschluß (A) mit der zuge­ hörigen Druckmittelabführung (R) verbinden,
• d) zwei im Bereich der axialen Enden der Kolben­ stange (36) angeordnete Steuerkolben (30, 31) zur Verschiebung der Kolbenstange (36) in die eine oder andere Schaltstellung,
• gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• e) Die beiden Steuerkolben (30, 31) begrenzen mit ihrer inneren Stirnseite die mit den An­ schlüssen (R, S) zur Druckmittelabführung versehenen Gehäusekammern (16, 17);
• f) die beiden Steuerkolben (30, 31) sind in axialer Richtung relativ zur Kolbenstange (36) begrenzt frei verschiebbar.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels eines Führungsstiftes (34, 35) und einer Führungsbohrung axial gleitbeweglich geführten Steuerkolben (30, 31) zwischen einer äußeren Anschlagstellung und einer inneren Stellung, in der sie in kraftschlüssigem Ein­ griff mit der Kolbenstange (36) stehen, relativ zur Kolbenstange (36) frei verschiebbar sind.

3. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die mit den Anschlüssen (A, B) zur Druckmittelzuführung versehenen Gehäusekammern (14, 15) jeweils zwei mit entsprechenden Dichtungsflächen (39, 40, 41, 42) zusammenwirkende Dichtungselemente (37 a, 37 b, 38 a, 38 b) enthalten, von denen das erste Dichtungselement (37 a, 38 a) die Ver­ bindung dieser Gehäusekammern (14, 15) mit dem Druckmittelanschluß (P) und das zweite Dichtungs­ element (37 b, 38 b) die Verbindung dieser Gehäuse­ kammern (14, 15) mit dem zugehörigen Anschluß (R, S) zur Druckmittelabführung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungs­ elemente (37 a und 37 b bzw. 38 a und 38 b) ein­ stückig ausgebildet sind.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Durchmesser (D ₂) des zweiten Dichtungselementes (37 b, 38 b) größer als der wirksame Durchmesser (D ₁) des ersten Dichtungs­ elementes (37 a, 38 a) ist.

5. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine nicht überschneidungsfreie Umschaltung des Druckmittelanschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungselemente (37 a, 37 b bzw. 38 a, 38 b) als Sitzdichtungen ausgebildet sind.

6. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine überschneidungsfreie Umschaltung des Druckmittel­ anschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß das erste Dichtungs­ element (37 a, 38 a) als Sitzdichtung und das zweite Dichtungselement (37 b, 38 b) als Schiebe­ dichtung ausgebildet ist.

7. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine überschneidungsfreie Umschaltung des Druckmittel­ anschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet, daß beide Dichtungs­ elemente (37 b, 38 b, 37 c, 38 c) als Schiebe­ dichtungen ausgebildet sind.