DE3742221C2

DE3742221C2 -

Info

Publication number: DE3742221C2
Application number: DE19873742221
Authority: DE
Inventors: Hubert Lustenau At Boesch
Original assignee: Individual
Current assignee: Vse Vakuumtechnik Lustenau At GmbH
Priority date: 1987-12-12
Filing date: 1987-12-12
Publication date: 1990-10-31
Also published as: DE3742221A1

Description

Die Erfindung betrifft einen Kolben/Zylinder-Antrieb nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein derartiger Kolben/Zylinder-Antrieb ist bereits aus der US-PS 42 88 059 bekannt, wobei Doppelhebel durch den Kolben betätigt werden und sich hierbei in Öffnungsrichtung eines Sperrschiebers am Gehäuse abstützen, so daß die vom Kolben erzeugte Kraft in eine auf den Sperrschieber wirkende größere Kraft übersetzt wird. Nachteilig hierbei weist die Kraft übertragung ausgehend vom Kolben auf das Ventil jedoch relativ große äußere Abmaße auf, wobei wegen der Vielzahl von Führungen, insbesondere aber wegen der Betätigung über zwei hochkant angeordnete Hebel ein Verkanten der Anordnung zu befürchten ist. Der bekannte Kolben/Zylinder-Antrieb er scheint daher störanfällig und insbesondere bei hohem auf tretendem Druck am Ventil kann nur eine geringe Betriebs sicherheit erwartet werden. Bei dem bekannten Kolben/Zylinder- Antrieb läßt sich auch nur der Öffnungshub mit vergrößerter Kraftwirkung durchführen, während bei dem an sich wichtigen Schließdruck das Kraftübersetzungsorgan ohne Wirkung ist.

Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Kolben/Zylinder-Antrieb der genannten Art so weiter zubilden, daß bei geringen äußeren Abmaßen eine große Be triebssicherheit bei der Ventilbetätigung erreicht wird.

Zur Lösung der Aufgabe sind die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Patentanspruchs 1 vorgesehen.

Eine Lösung dieser Aufgabe besteht gemäß Patentanspruch 6 auch darin, daß bei kleinen Schließ- und Öffnungshüben eine die Doppel hebel darstellende Scheibe am Umfang an einer festen Schulter des Gehäuses arretiert ist, während der Kolben über eine ringförmige Nase im zentralen Bereich der Scheibe an deren Oberseite angreift und die Ventilstange sich über die Druck scheibe mittels Ansätzen auf einem großen Hebelarm an der Unterseite der Scheibe abstützt. Bei dieser Ausführungsform stützt sich demnach die Scheibe direkt am Gehäuse ab, wodurch spezielle Sperrkugeln, die sonst den Arretiermechanismus herbeiführen, entfallen können.

Der technische Fortschritt der mit dem Kolben/Zylinder-Antrieb nach der Erfindung erzielt wird, liegt insbesondere darin, daß bei geringen äußeren Abmaßen der Kolbenventilanordnung eine große Betriebssicherheit bei der Betätigung eines Ventils erreicht wird, wobei insbesondere in Schließstellung des Ventils das Kraftübersetzungsorgan zwischen dem Kolben und der Ventilstange wirksam wird.

Besondere vorteilhafte Ausgestaltungen des Kolben/Zylinder- Antriebs ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen näher beschrieben, wobei sich aus der nachfolgenden Beschreibung weitere Vorteile der Erfindung ergeben.

Hierbei zeigt:

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

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

Fig. 3 zeigt eine Prinzipskizze des Hebelübertragungs organs.

Gemäß Fig. 1 besteht die gesamte Anordnung aus einem Antriebs system 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 mit einem Ventilraum 11 auf, in dem ein fest mit einer Ventilstange 10 verbundener Dichtungsteller angeordnet ist, mittels dem zwei Leitungen 3, 4 voneinander trennbar sind.

An der Unterseite des in seiner Schließstellung dargestellten Dichtungstellers 7 ist eine ringförmige Dichtung 8 angeordnet, die in Verbindung mit der gegenüberliegenden Fläche des Gehäuses 12 den Dichtungssitz 9 definiert und nur in der Offen stellung eine Strömung von der Leitung 3 in Pfeilrichtung 5 in die Leitung 4 in Pfeilrichtung 6 ermöglicht.

Selbstverständlich ist aber 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 Kolben stange 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 Zylinder verschiebbar ist. Hierbei definiert der Kolben 17 einen oberen Zylinder raum 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 stützen sich mit ihren oberen Enden gegen eine Stirnfläche 33 des Gehäuses 14 ab, während die Unterseite dieser Federn 30, 31, 32 in einer Ausnehmung 29 des Kolbens 17 sitzt.

Die Verschiebung des Kolbens 17 in Öffnungs- und Schließ richtung erfolgt pneumatisch dadurch, daß über eine An schlußbohrung 34 z. B. Preßluft in Pfeilrichtung 35 einge führt 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 Ventil körper 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 Zylinder raum 40 verbunden.

Bei der Zuführung von Preßluft an der Anschlußbohrung 34 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 Kraftüber setzungsorgans entarretiert), wobei dieser Weg als Entriege lungshub bezeichnet werden kann und wobei nach Überwindung des Entriegelungshubes der Kolben 17 zusammen mit dem Kolben stangenkopf 41, der Kolbenstange 15 und der Ventilstange 10 so lange nach oben in Pfeilrichtung 47 bewegt wird, bis der Kolbenstangenkopf 41 an einem Absatz 48 des Gehäuses 14 anschlägt.

Im Bereich dieses Öffnungshubes wird eine relativ geringe Kraft aufgewendet, weil 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 Kraft übersetzungssystem, welches in Verbindung mit den Fig. 2 und 3 näher dargestellt wird.

Das Hebelübertragungssystem besteht hierbei aus der Kolben stange, die einen Absatz 28 aufweist, und auf der eine Druck scheibe sitzt. Diese Druckscheibe ist im wesentlichen zylindrisch ausgebildet und weist lediglich am äußeren Rand ihrer nach oben weisenden Fläche einen Ansatz 27 in Form einer Ringschulter auf.

Diese Druckscheibe 26 sitzt unterhalb einer Scheibe 25 mit größeren Durchmesser als dem der Druckscheibe 26 auf und stützt die Scheibe 25 von unten her ab.

Die Scheibe 25 trägt 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 gem. 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 Ausnehmung, in welche der Durchmesser der Sperrkugel 22 mit geringem Spiel hin einpaßt, wobei die Sperrkugeln 22 gleichmäßig radial am Um fang verteilt ringsum in dieser Ausnehmung zwischen der Ring schulter 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 gem. Fig. 2 wird das jetzt nachfolgend beschriebene Kraftübersetzungsorgan ein geschaltet.

Das Kraftübersetzungsorgan wird hierbei gebildet aus einer axial unten am Kolben 17 angeformten ringförmigen Nase 42 kleinen Durchmessers, die im Bereich des Umfangs der Ventil stange 15 auf die Scheibe 25 preßt.

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

Radial auswärts des Ansatzes 27 der Druckscheibe 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 Kraftübersetzungsorgan definiert, wie es schematisiert in Fig. 3 dargestellt ist.

Fig. 3 zeigt schematisiert nur die eine Hälfte dieses Kraft übertragungsorganes, 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 der Druckscheibe 26 angeordnet, 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 zweiarmigen Hebel ergibt sich im Bereich des Ansatzes 27 der Druckscheibe 26 eine große resultierende Ventilschließkraft 45 auf die Ventilstange 10. Damit wird in Schließstellung des Ventils 2 eine im Vergleich zur Feder kraft 43 überproportionale (nämlich vervielfachte) Ventil schließkraft 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 sich nun radial einwärts bewegt, außer Eingriff mit der zylinderseitigen Ringnut 23 gerät und der Kolben 17 sich frei nach oben in Pfeilrichtung 47 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, Hebelübertragungs organ einschließlich Druckring 26 und Ventilstange 10 nach oben.

Es wurde eingangs 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 an liegen würden. Auch damit würde die Funktion des Kraftüber setzungsorgans erreicht werden.

Statt der Sperrkugeln und der 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 Innen wandung der Ringnut 21 in Richtung zur Zylinderwandung etwas größer sein muß als der Durchmesser der Sperrkugeln 22, um zu gewährleisten, daß die Sperrkugeln 22 in diese Ringnut 21 gelangen, wenn 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 ein greift und andererseits aber in die zylinderseitige Ringnut 23 einpaßt, in der die Sperrkugel an der Zylinderwandung arretiert ist.

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

1. Kolben/Zylinder-Antrieb für ein Ventil, mit einem Kraftübersetzungs organ zwischen Kolben und Ventilstange in Form von sich am Gehäuse abstützenden Doppelhebeln, die eine vom Kolben in folge seiner Verschiebung erzeugte Kraft in eine größere Kraft auf die Ventilstange übersetzen, dadurch gekennzeichnet, daß die Doppelhebel als rotationssymmetrische, federelastische Scheibe (25) vorliegen, die sich bei großen Betätigungs schüben über verschiebbare Sperrkugeln (22) am Gehäuse (14) abstützt.

2. Kolben/Zylinder-Antrieb nach Anspruch 1, 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 den Sperrkugeln (22) in Eingriff stehen, derart, daß bei der Abwärtsbewegung des Kolbens (17) die Sperrkugeln (22) von der Ringnut (20) mit größerem Durchmesser in eine Ringnut (23) des Gehäuses (14) gezwungen werden, während bei der Aufwärtsbewegung des Kolbens (17) die Ringnut (21) mit kleinerem Durchmesser die Sperrkugeln (22) freigibt.

3. Kolben/Zylinder-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kolben (17) über eine ringförmige Nase (42) im Bereich des Ventilstangen-Umfangs an der Scheibe (25) angreift, während sich die Ventilstange (10) mit einem großen Hebelarm (49) über Ansätze (27) an einer Druckscheibe (26) auf der Unter seite der Scheibe (25) abstützt.

4. Kolben/Zylinder-Antrieb nach den Ansprüchen 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (25) sich am äußeren Durchmesser über einen Druck ring (24) an den Sperrkugeln (22) abstützt.

5. Kolben/Zylinder-Antrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheibe (25) nach Art einer extrem weichen Tellerfeder ausgebildet ist und von außen nach innen und umgekehrt sternförmige Einfräsungen aufweist.

6. Kolben/Zylinder-Antrieb für ein Ventil, mit einem Kraftübersetzungs organ zwischen dem Kolben und der Ventilstange, in Form von sich am Gehäuse abstützenden Doppelhebeln, die eine vom Kolben infolge seiner Verschiebung erzeugte Kraft über Hebelarme in eine größere Kraft auf die Ventilstange übersetzen, dadurch gekennzeichnet, daß bei kleinen Schließ- und Öffnungshüben eine die Doppelhebel darstellende Scheibe (25) am Umfang an einer festen Schulter des Gehäuses (14) arretiert ist, während der Kolben (17) über eine ringförmige Nase (42) im zentralen Bereich der Scheibe (25) an deren Oberseite angreift und die Ventil stange (10) sich über die Druckscheibe (26) mittels Ansätzen (27) auf einem großen Hebelarm (49) an der Unterseite der Scheibe (25) abstützt.