DE3742221A1 - Ventil mit pneumatischem antriebssystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit pneumatischem Antriebssystem mit einem in einem Zylindergehäuse angeordneten federbelasteten, verschiebbaren Kolben und mit einer am Kolben angeordneten Kolbenstange nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Das Ventil der vorliegenden Erfindung ist ein Ventil, welches entweder als Pneumatikventil oder als Hydraulikventil ausgebildet sein kann und dabei mit einem besonderen Kraftantriebssystem zusammenwirkt.

Alle Ventile benötigen ein Kraftantriebssystem zur Durchführung des Öffnungs- und Schließhubes.

Normalerweise werden bei solchen Ventilen große Dichtungskräfte benötigt, deshalb ist es notwendig, entsprechend groß dimensionierte Antriebssysteme aufzubauen.

Die von diesem Antriebssystem verlangte größte Kraft wird aber immer nur im Moment des Schließens benötigt, für den restlichen Hub, der je nach Nennweite zwischen 3 mm und 50 mm betragen kann, wird nur eine geringere Kraft gebracht. Bisher hat man aber derartige Antriebssysteme immer auf die größte verlangte Kraft ausgelegt, was mit dem Nachteil verbunden war, daß teure aufwendige Kraftantriebssysteme verwendet werden mußten.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Zylinder mit Kraftantriebssystem der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß bei gleich großen Dichtungskräften ein wesentlich geringer dimensioniertes Antriebssystem verwendet werden kann.

Zur Lösung der gestellten Aufgabe ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß zwischen dem Kolben und der Ventilstange ein Hebelübersetzungsorgan angeordnet ist, wobei eine vom Kolben erzeugte kleinere Schließkraft über das Hebelübersetzungsorgan in eine größere Ventilschließkraft übersetzt wird.

Mit der Zwischenschaltung eines Hebelübersetzungsorganes zwischen dem Kolben und der Ventilstange ergibt sich also der wesentliche Vorteil, daß kleine Kolbenkräfte große Ventilschließkräfte erzeugen und daß man damit das Kraftantriebssystem wesentlich geringer dimensionieren kann im Vergleich zu bisher bekannten Antriebssystemen und trotzdem die gleiche - wie bisher benötigte - Dichtungskraft erhält.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird es hierbei bevorzugt, wenn das Hebelübersetzungsorgan nur in Schließstellung des Ventils wirksam wird, jedoch in anderen Stellungen, insbesondere im Bereich des Öffnungs- oder Schließhubes nicht wirksam ist.

In einer anderen Ausführungsform könnte dieser Arretiermechanismus, welcher das Hebelübertragungsorgan einschaltet, auch vollständig entfallen, insbesondere in derartigen Ausführungsformen, wo nur kleine Schließ- und Öffnungshübe erforderlich sind; bei diesen Ausführungsformen könnte dann dieses Hebelübertragungsorgan dauernd eingeschaltet sein.

Ebenso ist es in einer Weiterbildung der vorliegenden Erfindung nicht notwendig, daß der gesamte Kolben über entsprechende Druckfedern federbelastet wird, sondern es wäre ebenso denkbar, den Kolben pneumatisch vorzuspannen oder hydraulisch.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher beschrieben.

Hierbei zeigt:

Fig. 1 schematisiert einen Längsschnitt durch ein Ventil mit Antriebssystem nach der Erfindung;

Fig. 2 zeigt ein vergrößertes Detail nach Fig. 1 und

Fig. 3 zeigt ein Prinzipschaltbild des Hebelübertragungsorgans.

Gemäß Fig. 1 besteht die gesamte Anordnung aus einem Antriebssystem 1 und einem davon beaufschlagten Ventil 2, welches im vorliegenden Ausführungsbeispiel als Pneumatikventil oder als Hydraulikventil ausgebildet sein kann.

Das Antriebssystem 1 wird im Ausführungsbeispiel mit Preßluft betätigt.

Das Ventil 2 weist ein Ventilgehäuse 12 auf, in dem ein Ventilraum 11 angeordnet ist. Der Ventilraum 11 teilt hierbei zwei Leitungen 3, 4 voneinander ab, weil im Ventilraum 11 ein Dichtungsteller 7 fest an einer Ventilstange 10 angeordnet ist.

An der Unterseite des Dichtungstellers 7 ist eine ringförmige Dichtung 8 angeordnet, die in Verbindung mit der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses 12 den Dichtungssitz 9 definiert.

Das Ventil 2 ist in Schließstellung gezeichnet; daher ist nur in Öffnungsstellung z.B. ein Fluß von der Leitung 3 in Pfeilrichtung 5 in die Leitung 4 in Pfeilrichtung 6 möglich.

Selbstverständlich ist auch eine umgekehrte Strömungsrichtung des Arbeitsmediums möglich.

Das Ventil 2 ist hierbei über Dichtungen und Schrauben 13 an der Unterseite des Gehäuses 14 des Antriebssystem 1 angeflanscht.

Die Ventilstange 10 ist unmittelbar fest über ein entsprechendes Gewinde 16 fest mit einer Kolbenstange 15 verbunden. Die Kolbenstange weist an ihrem oberen Ende einen Kolbenstangenkopf größeren Durchmessers auf.

Auf der Kolbenstange verschiebbar und über entsprechende Dichtungen abgedichtet sitzt ein Kolben 17 , der mit radial außenliegenden Dichtungen 18 in einem Zylinderraum 19, 40 verschiebbar ist. Hierbei definiert der Kolben 17 einen oberen Zylinderraum 19 und einen unteren Zylinderraum 40.

Im oberen Zylinderraum 19 ist das Kraftantriebssystem für den Kolben 17 angeordnet, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel aus drei parallelgeschalteten Federn 30, 31, 32 besteht. Die Federn sitzen mit ihren oberen Enden in einer Stirnfläche 33 des Gehäuses 14 an, während die Unterseite dieser Federn 30, 31, 32 in einer Ausnehmung 29 des Kolbens 17 sitzt.

Die Verschiebung des Kolbens 17 in Öffnungs- und Schließrichtung erfolgt pneumatisch dadurch, daß über eine Anschlußbohrung 34 z.B. Preßluft in Pfeilrichtung 35 eingeführt wird. Die Preßluft gelangt über einen Kanal 36 zu einem Steuerventil 37, welches in nicht näher dargestellter Weise elektrisch angesteuert ist. In Öffnungsstellung des Steuerventils 37 gibt der nicht näher dargestellte Ventilkörper den Durchfluß der Preßluft zu einem Kanal 38 frei, der in axialer Richtung nach unten in einen Kanal 39 mündet. Dieser Kanal 39 ist luftleitend mit dem unteren Zylinderraum 40 verbunden.

Bei der Zuführung von Preßluft an der Anschlußbohrung 37 in Pfeilrichtung 35 und der Öffnung des Steuerventils 37 wird also der Kolben 17 in Pfeilrichtung 47 nach oben bewegt, wobei die Federn 30, 31, 32 komprimiert werden.

Die obere Öffnungsposition wird dadurch definiert, daß die obere Stirnseite des Kolbens 17 zunächst an der Unterseite des Kolbenstangenkopfes 41 anschlägt (hierbei wird die später noch zu beschreibende Arretieranordnung des Hebelübertragungsorgans entarretiert), wobei dieser Weg als Entriegelungshub bezeichnet werden kann und wobei nach Überwindung des Entriegelungshubes der Kolben 17 zusammen mit dem Kolbenstangenkopf 41, der Kolbenstange 15 und der Ventilstange 10 nach oben in Pfeilrichtung 47 bewegt wird, solange bis der Kolbenstangenkopf 41 an einem Absatz 48 des Gehäuses 14 anschlägt.

Im Bereich dieses Öffnungshubes wird eine relativ geringe Kraft aufgewendet, weil nur lediglich die Federn 30, 31, 32 komprimiert werden müssen.

Im folgenden wird nun die Schließbewegung erläutert, wobei dargelegt werden wird, daß in Schließstellung des Ventils, d.h. beim Schließen der Dichtung 8 am Ventilsitz 9 , eine im Vergleich zur Kraft der Federn 30, 31, 32 überproportionale Kraft (vervielfachte Kraft) auf den Dichtungssitz 9 wirkt.

Grund für diese Vervielfachung der Federkraft ist ein zwischen dem Kolben 17 und der Kolbenstange 10 eingeschaltetes Hebelübertragungssystem, welches in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 noch näher dargestellt wird.

Das Hebelübertragungssystem besteht hierbei aus der Kolbenstange, die einen Absatz 28 aufweist, und auf der ein Druckring 26 sitzt. Dieser Druckring ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist lediglich an seinem oberen äußeren radialen Ende einen Ansatz 27 auf, welcher eine äußere obere Ringschulter definiert.

Dieser Druckring 26 sitzt unterhalb einer Scheibe 25 vergrößerten Durchmessers im Vergleich zum Druckring 26 auf und stützt diese Scheibe 25 von unten her ab.

Die Scheibe 25 vergrößerten Durchmessers trägt wiederum an ihrem äußeren radialen Ende einen weiteren Druckring 24, der seinerseits an seiner Oberseite mit Sperrkugeln 22 zusammenwirkt.

Wichtig ist hierbei die Kombination der Sperrkugel mit verschiedenen Ausnehmungen im Kolben und im Gehäuse 14.

Im Kolben 17 ist zunächst gemäß Fig. 2 eine erste radiale Ringnut 21 kleineren Durchmessers eingefräst, an der sich in axialer Richtung nach oben verlängert eine zweite Ringnut 20 größeren Durchmessers anschließt.

Zwischen den beiden Ringnuten 20, 21 im Kolben ist eine äußere Ringnut 23 im Zylinder 19 eingearbeitet.

Die Ringschulter 20 des Kolbens 17 und die Ringschulter 23 des Gehäuses 14 definieren zusammen eine erste Ausnehmung, in welche der Durchmesser der Sperrkugel 22 mit geringem Spiel hineinpaßt, wobei die Sperrkugeln 22 gleichmäßig radial am Umfang verteilt ringsum in dieser Ausnehmung zwischen der Ringschulter 20 und der Ringschulter 23 angeordnet sind.

Diese Stellung der Sperrkugeln 22 ist in Fig. 2 dargestellt und definiert die Schließstellung des Ventils, d.h. mit Hilfe der Sperrkugeln 22 in ihrer Stellung gemäß Fig. 2 wird das jetzt nachfolgend zu beschreibende Hebelübertragungsorgan eingeschaltet.

Das Hebelübertragungsorgan wird hierbei gebildet aus einer axial unten am Kolben 17 angeformten Nase 42 geringeren Durchmessers, die im Bereich des Umfangs der Ventilstange 15 auf die Scheibe 25 preßt.

Die Scheibe 25 gibt hierbei im Sinne eines zweiarmigen Hebels die von der Nase 42 auf sie in der Richtung der Längsmittenachse ausgeübte Kraft radial nach außen weiter, weil die Scheibe als Hebel- oder Drehpunkt radial auswärts auf dem Ansatz 27 des Druckrings 26 aufsitzt.

Radial auswärts des Ansatzes 27 des Druckringes 26 sitzt dann die Scheibe 25 an der Unterseite des Druckringes 24 an und der Druckring 24 stützt sich an der Sperrkugel 22 ab, weil diese in Sperrstellung gemäß Fig. 1 und Fig. 2 genau in der Ringnut 23 des Zylinders 19 einsitzt und damit nicht mehr in axialer Richtung verschoben werden kann.

Damit ist also ein Hebelübertragungsorgan definiert, wie es schematisiert in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt schematisiert nur die eine Hälfte dieses Hebelübertragungsorganes, die andere Hälfte ist genau symmetrisch gleich ausgebildet.

Hierbei ist dargestellt, daß auf die eine Seite der Scheibe 25 die Kolbenkraft 43 im Bereich der Nase 42 des Kolbens 17 wirkt.

Über den längeren Hebelarm 49 wird dabei diese Kraft auf die Lagerstelle der Scheibe 25 am Ansatz 27 des Druckrings 26 übertragen, wobei jenseits des Ansatzes 27 ein kürzerer Hebelarm 50 angeordnet ist, der im Bereich der Nase 46 am Druckring 24 eine resultierende Arretierkraft 44 auf die Sperrkugeln 22 ausübt.

Durch diesen zweiarmig gelagerten Hebel folgt daraus, daß im Bereich des Ansatzes 27 des Druckringes 26 eine große resultierende Ventilschließkraft 45 auf die Ventilstange 10 ausgeübt wird. Damit wird in Schließstellung des Ventils 2 eine im Vergleich zur Federkraft 43 überproportionale (nämlich vervielfachte) Ventilschließkraft 45 am Dichtungssitz 9 erzeugt.

Dieses Hebelübertragungsorgan nach Fig. 2 und Fig. 3 ist in Schließstellung gezeigt, wenn die Sperrkugeln also ihre arretierte Stellung einnehmen.

Zum Entarretieren der Sperrkugeln muß einfach ein Öffnungshub durchgeführt werden, d.h. der Kolben muß geringfügig über die an der Anschlußbohrung 34 angelegte Preßluft in Pfeilrichtung 47 nach oben bewegt werden. Dadurch gelangt die einen kleineren, radialen Durchmesser aufweisende Ringnut 21 in Gegenüberstellung zur Ringnut 23 im Zylinder 19, wobei die Sperrkugel 22 nun sich radial einwärts bewegt, außer Eingriff mit der zylinderseitigen Ringnut 23 gerät und der Kolben 17 sich frei nach oben in Pfeilrichtung 27 bewegen kann.

Es bewegt sich hier nicht nur allein der Kolben 17 nach oben, sondern nach Überwindung des Entriegelungshubes zwischen der oberen Stirnfläche 51 des Kolbens 17 und der Unterseite des Kolbenstangenkopfes 41 bewegt sich die gesamte Anordnung, bestehend aus Kolben 17, Kolbenstange 15, Hebelübertragungsorgan einschließlich Druckring 26 und Ventilstange 10 nach oben.

Es wurde eingangs bereits schon darauf hingewiesen, daß die Sperrkugeln nur bei großen Öffnungshüben eingesetzt werden, während bei geringen Ventilöffnungshüben der Druckring 24 an einem festen zylinderseitigen Anschlag des Zylinders 14 anliegen würde. Auch damit würde die Funktion des Hebelübertragungsorganes erreicht werden.

Statt der Sperrkugeln und der hier gezeichneten Ringnuten 20, 21, 23 ist auch ein anderer Sperrmechanismus möglich, der auf Kugeln verzichtet und stattdessen axiale Sperrklinken verwendet, die beispielsweise federbelastet in entsprechende Ausnehmungen des Zylinders eingreifen und nur in Schließstellung die feste Verbindung zwischen der Scheibe 25 und der Zylinderwand ermöglichen, während sie im Bereich des Öffnungshubes außer Eingriff mit der Zylinderwand gebracht werden und dann frei mit dem Kolben verschoben werden können.

Zur Dimensionierung der radial kleineren Ringnut 21 im Kolben 17 ist noch anzufügen, daß der Abstand zwischen der Innenwandung der Ringnut 21 in Richtung zur Zylinderwandung etwas größer sein muß als der Durchmesser der Sperrkugeln 22, um eben zu gewährleisten, daß wenn die Sperrkugeln 22 in diese Ringnut 21 gelangen, kein kraft- oder formschlüssiger Verbund mehr zur Zylinderwandung besteht.

Umgekehrt ist es mit der Dimensionierung der Ringnut 20 größeren Durchmessers, weil der Durchmesser hier so groß gewählt werden muß, daß die Sperrkugel 22 einerseits in die Ringnut 20 eingreift und andererseits aber in einer zylinderseitigen Ringnut 23 einpaßt, wo die Sperrkugel an der Zylinderwandung dann arretiert wird.

Zeichnungs-Legende

 1 Antriebssystem
 2 Ventil
 3 Leitung
 4 Leitung
 5 Pfeilrichtung
 6 Pfeilrichtung
 7 Dichtungsteller
 8 Dichtring
 9 Dichtungssitz
10 Ventilstange
11 Ventilraum
12 Gehäuse (Ventil 2)
13 Schraube
14 Gehäuse (Antriebssystem 1)
15 Kolbenstange
16 Gewinde
17 Kolben
18 Dichtung
19 Zylinderraum (obere)
20 Ringnut (Kolben 17)
21 Ringnut (Kolben 17)
22 Sperrkugel
23 Ringnut (Zylinder 19)
24 Druckring (klein)
25 Scheibe
26 Druckring (groß)
27 Ansatz (Druckring 26)
28 Absatz
29 Ausnehmung
30 Feder
31 Feder
32 Feder
33 Stirnfläche
34 Anschlußbohrung
35 Pfeilrichtung
36 Kanal
37 Steuerventil
38 Kanal
39 Kanal
40 Zylinderraum (unten)
41 Kolbenstangenkopf
42 Nase (Kolben 17)
43 Kolbenkraft
44 Arretierkraft
45 Ventilschließkraft
46 Nase (24)
47 Pfeilrichtung
48 Absatz
49 Hebelarm
50 Hebelarm
51 Stirnfläche

Claims (7)

1. Ventil mit pneumatischem Antriebssystem mit einem in einem Zylindergehäuse angeordneten federbelasteten, verschiebbaren Kolben und mit einer am Kolben angeordneten Kolbenstange, die mit einer Ventilstange in Eingriff steht, an deren Ende eine Dichtung an einem Dichtungssitz nach Art eines Ventils angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Kolben (17) und der Ventilstange (10) ein Hebelübersetzungsorgan angeordnet ist, wobei eine vom Kolben (17) erzeugte kleinere Schließkraft über das Hebelübersetzungsorgan in eine größere Ventilschließkraft übersetzt wird.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelübersetzungsorgan nur in Schließstellung des Ventils wirksam wird, während in anderen Stellungen, insbesondere im Bereich des Öffnungs- und Schließhubes, das Hebelübersetzungsorgan unwirksam ist.

3. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Hebelübersetzungsorgan aus einer federelastischen Scheibe (25) besteht, an deren Mittelpunkt die Druckkraft (43) des Kolbens (17) über eine ringförmige Nase (42) eingreift, wobei die Scheibe (25) am äußeren Durchmesser in axialer Richtung nach oben arretiert ist und an der Unterseite der Scheibe (25) mit einem großen Hebelarm (49) vom Mittelpunkt aus ein Druckring (26) mit Ansätzen (27) anliegt und der Druckring (26) mit der Ventilstange (10) verbunden ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der äußere Durchmesser der Scheibe (25) in axialer Richtung nach oben an einem Druckring (24) anliegt, der seinerseits in axialer Richtung nach oben an Sperrkugeln (22) arretiert ist, die bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (17) in einer Ringnut (23) des Gehäuses (14) anliegen.

5. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (17) am Umfang eine Ringnut (20) aufweist und in axialer Richtung darunter eine weitere Ringnut (21) kleineren Durchmessers, wobei die Ringnuten (20, 21) bei der Auf- und Abwärtsbewegung des Kolbens (17) wechselseitig mit Sperrkugeln (22) in Eingriff stehen, derart, daß bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (17) die Sperrkugeln (22) von der Ringnut (20) in eine Ringnut (23) des Gehäuses (14) gezwungen werden, während bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (17) die Ringnut (21) die Sperrkugeln (22) freigibt.

6. Ventil nach den Ansprüchen 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Schließ- und Öffnungshüben die Ringnuten (20, 21) und die Sperrkugeln (22) entfallen und vielmehr die federelastische Scheibe (25) bei der Schließstellung des Ventils an einer Schulter des Gehäuses (14) arretiert wird.

7. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die federelastische Scheibe (25) nach Art einer extrem weichen Tellerfeder ausgebildet ist und von außen nach innen und umgekehrt sternförmige Einfräsungen aufweist.