DE4129774A1 - Druckausgeglichenes schaltventil - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein druckausgeglichenes Schaltventil für insbesondere hydraulische Druckmedien, mit mindestens einer in einer Verbindung zwischen zwei Druckan­ schlüssen angeordneten, aus einem Ventilsitz und einem mit diesem zusammenwirkenden Ventilkegel bestehenden Ventilan­ ordnung, wobei der Ventilkegel zwischen einer federkraft­ bedingten, an dem Ventilsitz liegenden Schließlage und einer gegen die Federkraft von dem Ventilsitz abgehobenen Öffnungslage in einer axialen Richtung beweglich geführt und hierzu mit einem axialen Betätigungsstößel verbunden sowie zusammen mit diesem durch Bildung und größenmäßige Abstimmung von in Bewegungsrichtung jeweils gegenüberlie­ genden, druckbeaufschlagten Flächen druckausgeglichen ist, und wobei auf den Betätigungsstößel ein Antriebselement wirkt.

Derartige Schaltventile werden bevorzugt überall dort ein­ gesetzt, wo ein insbesondere hydraulisches Druckmedium einer Druckeinrichtung, z. B. einem Druckzylinder, dosiert zugeführt oder dosiert abgelassen werden soll. Bei dieser Anwendung können wechselnde "Druck-Polaritäten" an den An­ schlüssen auftreten, so daß auch die Ventilanordnung in beiden Druckrichtungen sicher abdichten muß, ohne daß es hierbei zu druckbedingten Ventilbetätigungen kommt. Aus diesem Grund sind bei derartigen Schaltventilen der Ventil­ kegel und der mit diesem verbundene Betätigungsstößel durch Abstimmung der druckbeaufschlagten Flächen derart druckaus­ geglichen, daß im wesentlichen keine druckbedingten Kräfte in axialer Bewegungsrichtung entstehen.

Bei einem bekannten, gattungsgemäßen Schaltventil wirkt ein als Druckstift ausgebildetes Antriebselement auf den Betä­ tigungsstößel. Der Druckstift ist umfänglich abgedichtet durch eine Gehäuseöffnung in das Ventil hinein geführt. Aus diesem Grund wird nun aber der Druckstift stets stirnseitig von dem innerhalb des Ventils auf der Seite des Betäti­ gungsstößels herrschenden Druck beaufschlagt. Bei hohen Drücken von in Hydrauliksystemen bis zu 500 bar entsteht hierdurch eine gegen die Betätigungsrichtung auf den Druckstift wirkende Kraft, die zur Betätigung des Ventils zusätzlich überwunden werden muß. Da das bekannte Ventil mit Druckluft von nur ca. 5 bar betätigt wird, ist hier­ durch ein den Druckstift beaufschlagender Druckluftkolben mit sehr großem Querschnitt erforderlich, was zu einer großen Baugröße des Ventils führt.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de, ein gattungsgemäßes Schaltventil zu schaffen, welches bei kompakter Bauform mit sehr geringen Betätigungskräften geschaltet werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß das An­ triebselement unabhängig von dem mit dem Ventilkegel ver­ bundenen Betätigungsstößel druckausgeglichen ist. Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme, das Antriebselement für sich ebenfalls druckausgeglichen auszuführen, wird vor­ teilhafterweise vermieden, daß durch den innerhalb des Ventils herrschenden, insbesondere hydraulischen Druck eine in axialer Richtung auf das Antriebselement wirkende Kraftkomponente entsteht. Das Ventil läßt sich hierdurch mit äußerst geringen Kräften schalten; zum Öffnen braucht im wesentlichen nur noch die den Ventilkegel beaufschlagen­ de Federkraft überwunden zu werden. Hierdurch reicht vor­ teilhafterweise eine hinsichtlich ihrer Baugröße kompakte, das Antriebselement beaufschlagende Antriebsvorrichtung, wie z. B. eine Druckluft-Kolbenzylindereinheit, ein Elektro­ magnet oder dergleichen, ohne weiteres aus.

Vorteilhafte Ausgestaltungsmerkmale der Erfindung sind in den Unteransprüchen sowie der folgenden Beschreibung ent­ halten.

Anhand von zwei in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispielen soll die Erfindung im folgenden näher erläutert werden. Dabei zeigen

Fig. 1 einen Axialschnitt einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Schaltventils und

Fig. 2 eine zweite Ausführungsform des Schaltventils in einem zu Fig. 1 analogen Axialschnitt.

In den beiden Zeichnungsfiguren sind gleiche bzw. gleich­ wirkende Teile und Komponenten stets mit den gleichen Bezugsziffern bezeichnet und daher in der Regel jeweils nur einmal beschrieben.

Ein erfindungsgemäßes Schaltventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2 mit einem ersten Druckanschluß 4 und einem zweiten Druckanschluß 6. Der erste Druckanschluß 4 mündet in eine erste Gehäusekammer 8 und der zweite Druckanschluß 6 in eine zweite Gehäusekammer 10. Zwischen den beiden Gehäusekammern 8 und 10 ist eine Ventilanordnung 12 mit einem gehäuseseitigen Ventilsitz 14 und einem beweglich geführten Ventilkegel 16 angeordnet. Der Ventilkegel 16 ist dabei derart ausgerichtet, daß seine Konusfläche der zweiten Gehäusekammer 10 zugekehrt ist. Innerhalb der ersten Gehäusekammer 8 ist eine beispielsweise als Schrau­ benfeder ausgebildete Druckfeder 18 unter Vorspannung zwi­ schen dem Gehäuse 2 und dem Ventilkegel 16 angeordnet, so daß die Druckfeder 18 den Ventilkegel 16 mit einer in Schließrichtung wirkenden Federkraft (elastische Schließ­ kraft) beaufschlagt. Der Ventilsitz 14 ist bevorzugt von einem Ringeinsatz aus elastischem Material gebildet, der eine kreisförmige Dichtkante derart aufweist, daß in der Schließlage die Berührung zwischen dem Ventilkegel 16 und dem Ventilsitz 14 zumindest annähernd kreislinienförmig ist, d. h. es soll eine möglichst schmale, ringförmige Dichtfläche gebildet werden. Der Ventilkegel 16 ist ein­ stückig mit einem Betätigungsstößel 20 verbunden, der sich derart axial durch die zweite Gehäusekammer 10 erstreckt, daß letztere den Betätigungsstößel 20 mit ringförmigem Querschnitt umschließt. Auf seiner dem Ventilkegel 16 abgekehrten Seite besitzt der Betätigungsstößel 20 einen Kolbenabschnitt 22, der umfänglich abgedichtet in einem Bohrungsabschnitt 24 geführt ist und die zweite Gehäusekam­ mer 10 von einer Druckausgleichskammer 26 abteilt. Dabei besitzen der Kolbenabschnitt 22 und der diesen aufnehmende Bohrungsabschnitt 24 zumindest annähernd den gleichen Durchmesser A wie die ringförmige Dichtkante des Ventil­ sitzes 14, und die erste Gehäusekammer 8 ist mit der Druck­ ausgleichskammer 26 vorzugsweise über einen axial durch den Ventilkegel 16, den Betätigungsstößel 20 sowie den Kolben­ abschnitt 22 verlaufenden Kanal 28 druckmäßig verbunden. Durch diese Ausgestaltung ist die aus dem Ventilkegel 16 und dem Betätigungsstößel 20 einschließlich des Kolbenab­ schnittes 22 bestehende Einheit derart druckausgeglichen, daß durch eine Druckbeaufschlagung im wesentlichen keine in axialer Bewegungsrichtung wirkende Kraft entstehen kann, da jeweils in axialer Richtung paarweise einander gegenüber­ liegende Druckflächen gebildet sind, die je Paar aufgrund der Abstimmung des Durchmessers A jeweils gleich groß sind. Hierdurch kompensieren sich alle in axialer Richtung durch Druckbeaufschlagung entstehenden Kräfte, so daß die resul­ tierende Kraft zumindest annähernd gleich Null ist.

Zur Betätigung des Schaltventils 1 bzw. der Ventilanordnung 12 wirkt auf den Betätigungsstößel 20 bzw. auf dessen Kol­ benabschnitt 22 ein Antriebselement 30, welches nun erfin­ dungsgemäß unabhängig von der "Ventilkegel-Betätigungs­ stößel-Einheit" ebenfalls für sich gesondert druckausge­ glichen ist.

In Fig. 1 ist hierfür eine erste Ausführungsform darge­ stellt. Hierbei ist das Antriebselement 30 als mehrstufi­ ger, druckausgeglichener Stößelkolben 32 ausgebildet. Dieser Stößelkolben 32 besteht aus drei Kolbenstufen 34, 36 und 38, wobei die erste Kolbenstufe 34 vorzugsweise in dem gleichen Bohrungsabschnitt 24 umfänglich abgedichtet ge­ führt ist, wie der Kolbenabschnitt 22 des Betätigungsstö­ ßels 20. Die erste Kolbenstufe 34 wirkt mechanisch gegen den Betätigungsstößel 20 bzw. dessen Kolbenabschnitt 22, und zwar vorzugsweise über einen im Querschnitt reduzier­ ten Zapfenansatz 40. Die erste Kolbenstufe 34 geht in die im Durchmesser vergrößerte, mittlere Kolbenstufe 36 über, die umfänglich abgedichtet in einem entsprechend im Durch­ messer erweiterten, mittleren Bohrungsabschnitt 42 geführt ist. An die mittlere Kolbenstufe 36 schließt sich dann die dritte Kolbenstufe 38 an, die über eine Ringstufenfläche 44 im Durchmesser wieder verringert und in einem entsprechen­ den dritten Bohrungsabschnitt 46 umfänglich abgedichtet ge­ führt ist, wobei dieser dritte Bohrungsabschnitt 46 gegen­ über dem mittleren Bohrungsabschnitt 42 über eine Boh­ rungsstufe 48 entsprechend der dritten Kolbenstufe 38 im Durchmesser reduziert ist. Zwischen der Ringstufenfläche 44 der mittleren Kolbenstufe 36 und der Bohrungsstufe 48 ist eine zweite Druckausgleichskammer 50 gebildet, die er­ findungsgemäß mit der ersten Druckausgleichskammer 26 druckmäßig verbunden ist, und zwar vorzugsweise über einen axial durch den Stößelkolben 32 verlaufenden Kanal 52, der über radiale Öffnungen 54 in die zweite Druckausgleichskam­ mer 50 mündet. Der Kanal 52 mündet in die erste Druckaus­ gleichskammer 26 einerseits über eine axiale Mündungsöff­ nung sowie vorzugsweise zusätzlich über radiale Öffnungen 56 im Bereich des Zapfenansatzes 40. Erfindungsgemäß ist hierbei nun eine der ersten Druckausgleichskammer 26 zuge­ kehrte, von dem Durchmesser A bestimmte Druckfläche zumin­ dest annähernd gleich groß ausgebildet wie die von ihrem Radius B bestimmte Ringstufenfläche 44 der mittleren Kol­ benstufe 36. Hierdurch kompensieren sich die durch Druck­ beaufschlagung entstehenden, entgegengesetzten Kräfte (Druckausgleich).

Aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung kann die der mittleren Kolbenstufe 36 abgekehrte Seite der dritten Kol­ benstufe 38 im wesentlichen drucklos, d. h. nur mit atmo­ sphärischem Druck beaufschlagt sein. Vorzugsweise ist hier eine Gehäusekammer 58 gebildet, in die eine axiale Öffnung 60 des Ventilgehäuses 2 mündet. Durch diese Öffnung 60 kann ein beliebiges Betätigungsorgan (nicht dargestellt) geführt werden, welches dann mechanisch auf das Antrieb­ selement 30 wirkt. Mit diesem Betätigungsorgan braucht vorteilhafterweise nur noch eine sehr geringe Betätigungs­ kraft erzeugt zu werden; im wesentlichen braucht nur noch die Federkraft der Druckfeder 18 überwunden zu werden.

Der Vollständigkeit halber sei noch erwähnt, daß auf der der zweiten Druckausgleichskammer 50 abgekehrten Seite der mittleren Kolbenstufe 36 innerhalb des mittleren Bohrungs­ abschnittes 42 ein Ringraum 62 gebildet ist, der ebenso wie die Gehäusekammer 58 im wesentlichen drucklos ist, d. h. auf Atmosphärendruck liegt.

In Fig. 2 ist eine weitere, besonders vorteilhafte Ausfüh­ rungsform des erfindungsgemäßen Schaltventils 1 darge­ stellt. Hierbei besteht das Antriebselement 30 aus einem gegen den Betätigungsstößel 20 bzw. dessen Kolbenabschnitt 22 wirkenden, stiftförmigen Druckteil 66 und einem mit diesem verbundenen Anker 68 eines Elektromagneten 70. Bei dieser Ausführungsform wird das Ventil 1 folglich elektro­ magnetisch betätigt. Dabei sind der Anker 68 und das Druckteil 66 erfindungsgemäß in einem gemeinsamen, zum Teil von einem Ankerraum 72 des Elektromagneten 70 gebildeten, nach außen, d. h. gegen die Atmosphäre, abgedichteten Druck­ raum 74 angeordnet. Der übrigen Teil dieses Druckraums 74 wird von dem sich an den Betätigungsstößel 20 anschließen­ den Bereich des Bohrungsabschnittes 24 gebildet. Bei dieser Ausführungsform ist besonders vorteilhaft, daß unabhängig von der Raumform der aus Anker 68 und Druckteil 66 beste­ henden Einheit stets ein praktisch "automatischer" Druck­ ausgleich erreicht wird, da ja der Druck innerhalb des Druckraums 74 überall gleich groß ist. Da auch die einan­ der gegenüberliegenden, druckbeaufschlagten Flächen von Anker und Druckteil gleich groß sind, kompensieren sich auch hier alle in axialer Richtung entstehenden Kräfte derart, daß keine in einer der beiden Bewegungsrichtungen wirkende Kraftkomponente entsteht. Zudem ist hier vorteil­ hafterweise auch keine besondere Abdichtung von sich bewegenden Teilen nach außen, d. h. gegen die Atmosphäre, erforderlich.

Vorzugsweise besitzt das stiftförmige Druckteil 66 auf seiner dem Betätigungsstößel 20 zugekehrten Seite im Mün­ dungsbereich des Kanals 28 eine axiale Vertiefung 76, die über radiale Öffnungen 78 nach außen in den Druckraum 74 mündet. Hierbei ist zu bemerken, daß dieser Teil des Druckraums 74 mit der oben erwähnten, ersten Druckaus­ gleichskammer 26 identisch ist.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und be­ schriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausfüh­ rungsformen.

Claims (13)

1. Druckausgeglichenes Schaltventil für insbesondere hydraulische Druckmedien, mit mindestens einer in einer Verbindung zwischen zwei Druckanschlüssen an­ geordneten, aus einem Ventilsitz und einem mit diesem zusammenwirkenden Ventilkegel bestehenden Ventilanord­ nung, wobei der Ventilkegel zwischen einer federkraft­ bedingten, an dem Ventilsitz liegenden Schließlage und einer gegen die Federkraft von dem Ventilsitz abgeho­ benen Öffnungslage in einer axialen Richtung beweglich geführt und hierzu mit einem axialen Betätigungsstößel verbunden sowie zusammen mit diesem durch Bildung und größenmäßige Abstimmung von in Bewegungsrichtung je­ weils gegenüberliegenden, druckbeaufschlagten Flächen druckausgeglichen ist, und wobei auf den Betätigungs­ stößel ein Antriebselement wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (30) unabhängig von dem mit dem Ven­ tilkegel (30) verbundenen Betätigungsstößel (20) druckausgeglichen ist.

2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (30) als mehrstufiger, druckausge­ glichener Stößelkolben (32) ausgebildet ist.

3. Schaltventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößelkolben (32) eine erste, auf der dem Betätigungs­ stößel (20) zugekehrten Seite angeordnete Druckaus­ gleichskammer (26) von einer zweiten Druckausgleichs­ kammer (50) trennt, wobei der Stößelkolben (32) auf der Seite der ersten Druckausgleichskammer (26) eine in Bewegungsrichtung druckbeaufschlagte, erste Druck­ fläche aufweist, die zumindest annähernd gleich einer auf der Seite der zweiten Druckausgleichskammer (50) in entgegengesetzter Bewegungsrichtung druckbeauf­ schlagten, zweiten Druckfläche ist, und wobei die erste Druckausgleichskammer (26) und die zweite Druck­ ausgleichskammer (50) druckmäßig miteinander verbunden sind.

4. Schaltventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Druckausgleichskammer (26) mit der zweiten Druckausgleichskammer (50) über mindestens einen durch den Stößelkolben (32) verlaufenden Kanal (52) verbun­ den ist.

5. Schaltventil nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößelkolben (32) auf seiner dem Betätigungsstößel (20) abgekehrten Seite eine die zweite Druckaus­ gleichskammer (50) nach außen gegen die Atmosphäre abdichtende Kolbenstufe (38) aufweist.

6. Schaltventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste, der ersten Druckausgleichskammer (26) zugekehr­ te Kolbenstufe (34) des Stößelkolbens (32) in einem ersten Bohrungsabschnitt (24) umfänglich abdichtet geführt ist, hier gegen den Betätigungsstößel (20) wirkt und die erste Druckfläche aufweist, daß eine gegenüber der ersten Kolbenstufe (34) im Durchmesser erweiterte, mittlere Kolbenstufe (36) umfänglich abge­ dichtet in einem entsprechend erweiterten, mittleren Bohrungsabschnitt (42) geführt ist, und daß die die zweite Druckausgleichskammer (50) nach außen abdicht­ ende Kolbenstufe (38) als der ersten Kolbenstufe (34) abgekehrte, gegenüber der mittleren Kolbenstufe (36) über eine Ringstufenfläche (44) im Durchmesser redu­ zierte, dritte Kolbenstufe (38) ausgebildet und in einer gegenüber dem mittleren Bohrungsabschnitt (42) über eine Bohrungsstufe (48) entsprechend durchmesser­ reduzierten, dritten Bohrungsabschnitt (46) umfänglich abgedichtet geführt ist.

7. Schaltventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Druckausgleichskammer (50) zwischen der die zweite Druckfläche bildenden Ringstufenfläche (44) der mittleren Kolbenstufe (36) und der gegenüberliegenden Bohrungsstufe (48) mit ringförmigem Querschnitt gebil­ det ist.

8. Schaltventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der mittleren Kolbenstufe (36) abgekehrten Seite der dritten Kolbenstufe (38) eine Gehäusekammer (58) gebildet ist, in die eine axiale Öffnung (60) für ein beliebiges, mechanisch auf das Antriebselement (30) wirkendes Betätigungsorgan mündet.

9. Schaltventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß auf der der zweiten Druckausgleichskammer (50) abgekehrten Seite der mittleren Kolbenstufe (36) ein im wesentli­ chen druckloser Ringraum (62) gebildet ist.

10. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Antriebselement (30) aus einem gegen den Betätigungs­ stößel (20) wirkenden Druckteil (66) und einem mit diesem verbundenen Anker (68) eines Elektromagneten (70) besteht, wobei der Anker (68) und das Druckteil (66) in einem gemeinsamen, zum Teil von einem Anker­ raum (72) des Elektromagneten (70) gebildeten Druck­ raum (74) angeordnet sind.

11. Schaltventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Druckanschluß (4) in eine erste Gehäusekammer (8) mündet, in der eine den Ventilkegel (16) in Schließrichtung mit der Federkraft beaufschlagende Druckfeder (18) angeordnet ist, daß der zweite Druck­ anschluß (6) in eine auf der der ersten Gehäusekammer (8) abgekehrten Seite der Ventilanordnung (12) liegen­ de, den Betätigungsstößel (20) ringförmig umschließen­ de, zweite Gehäusekammer (10) mündet, und daß der Betätigungsstößel (20) an seinem dem Ventilkegel (16) abgekehrten Ende einen umfänglich abgedichtet in einem Bohrungsabschnitt (24) geführten, die zweite Gehäuse­ kammer (10) von der ersten Druckausgleichskammer (26) trennenden Kolbenabschnitt (22) aufweist.

12. Schaltventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Gehäusekammer (8) mit der ersten Druckaus­ gleichskammer (26) druckmäßig verbunden ist, und zwar insbesondere über mindestens einen durch den Ventilke­ gel (16) und den Betätigungsstößel (20) verlaufenden Kanal (28).

13. Schaltventil nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweils in der Schließlage und/oder der Öffnungslage einander gegenüberliegenden, in axialer Richtung mit Druck beaufschlagten, der ersten Gehäusekammer (8), der zweiten Gehäusekammer (10) bzw. der ersten Druck­ ausgleichskammer (26) zugekehrten Flächen des Ventil­ kegels (16) und des Betätigungsstößels (20) jeweils derart bemessen sind, daß sich alle durch Druckbeauf­ schlagung dieser Flächen entstehenden, axialen Kräfte gegenseitig zumindest annähernd kompensieren.