DE4321832C1 - 2/2-Wegesitzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein 2/2-Wegesitzventil mit direkter Ansteuerung gemäß Gattungsbegriff des Patentanspruchs 1.

Ein Ventil der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 41 35 865 A1 bekannt.

Weiterhin ist aus der CH 648 908 AS bekannt, einen Verteilerblock, der mit Ventilen verbunden wird, aus Kunstharz herzustellen. Darüber hinaus geht aus der DE 34 36 193 A1 hervor, einen Ventilfederteller aus kohlefaserverstärktem Kunststoff herzustellen.

Unter dem Begriff Wegeventile sind alle Ventile zusammengefaßt, mit deren Start, Stop und Änderung der Volumenstrom-Richtung eines Druckmediums gesteuert werden. Die Bezeichnung der Wegeventile erfolgt nach der Zahl der Nutzanschlüsse und Zahl der Schaltstellungen. Ein Ventil mit zwei Nutzanschlüssen und zwei Schaltstellungen wird demzufolge als 2/2-Wegeventil bezeichnet. Nach der Bauart unterscheidet man Wegeschieberventile, Wegesitzventile und Drehschieberventile. Der grundsätzliche Aufbau eines Wegesitzventils ist dem Buch der Hydraulik Trainer, Band 1, "(Grundlagen und Komponenten der Fluidtechnik, Hydraulik (10.91), Seite 203 f)" zu entnehmen. Für die Hochdruckanwendung wird üblicherweise das Gehäuse aus Stahl gefertigt, ebenso der Sitzkolben. Dies hat zur Folge, das beispielsweise ein aus vier 2/2-Wegesitzventilen bestehendes 4/4-Wegeventil gewichtsmäßig sehr schwer wird, was für die Anwendung im Flugzeugbau von großem Nachteil ist.

Nun ist bereits vorgeschlagen worden, das Gehäuse aus Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung zu fertigen und darin den bekannten Sitzkolben aus Stahl anzuordnen. Die Versuche haben ergeben, daß dies nicht oder nur unter erschwerten Bedingungen möglich ist, da durch die Paarung Stahl/Leichtmetall im Bereich des Dichtsitzes es zu Kaltaufschweißungen kommt bzw. die Sitzfläche vorzeitig verschleißt. In beiden Fällen verändern sich dadurch die Flächenverhältnisse, so daß die Kraft der Schließfeder nicht ausreicht, um die größer werdende Gegenkraft auszugleichen. Infolge davon entstehen Undichtigkeiten. Eine der Lösungsmöglichkeiten besteht darin, den Sitzflächenbereich im Leichtmetallgehäuse mit einer Stahlpanzerung zu versehen, was konstruktiv und fertigungstechnisch aber sehr aufwendig ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, für den Hochdruckbereich von größer 200 bar ein 2/2-Wegesitzventil der eingangs genannten Art anzugeben, das bei leckagefreier Funktion ein geringeres Gewicht aufweist als der bisherige Stand der Technik und für die Anwendung in der Flugzeughydraulik besonders geeignet ist.

Diese Aufgabe wird mit einem 2/2-Wegesitzventil entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird in einem an sich bekannten Gehäuse aus Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung ein Sitzkolben aus einem hochfesten kohlefaserverstärkten Kunststoff angeordnet. Vorzugsweise hat dieser Werkstoff eine Festigkeit von mehr als 240 N/mm². Um die Flächenpressung für die Paarung Kunststoff/Leichtmetall genau bestimmen zu können, wird die Dichtsitzfläche auf einen Betrag von weniger als 3 mm² begrenzt. Anders ausgedrückt beträgt die radiale Erstreckung der kegelförmigen Dichtsitzfläche weniger als 0,1 mm. Diese kleine Dichtsitzfläche erfordert aber zwingend eine genaue Führung des Sitzkolbens. Weiterbildend wird deshalb vorgeschlagen, drei um 60 Grad versetzt angeordnete Mantelflächenstege anzuordnen mit dazwischen liegenden Ausnehmungen, so daß keine Behinderung des Flusses des Druckmediums eintritt. Für kleine Sitzkolben werden die Ausnehmungen im Querschnitt durch eine Sekante begrenzt. Für große Sitzkolben, d. h. mit größerem Volumendurchsatz des Druckmediums weist die Ausnehmung im Querschnitt eine Begrenzung in Form eines zur Mitte liegenden Kurvenabschnittes auf. Dieser Kurvenabschnitt ist vorzugsweise ein Kreisbogenabschnitt, da dieser fertigungstechnisch einfach herzustellen ist. Damit der Sitzkolben bei seiner axialen Verschiebung nicht verkanten kann, reichen die für die Führung vorgesehenen Mantelstege bis dicht an die Kegelsitzfläche heran. Damit im Übergangsbereich vom Mantelsteg zur Kegelfläche des Sitzkolbens keine störende Kante gebildet wird, wird außerdem vorgeschlagen, in diesem Bereich eine Hohlkehle vorzusehen, die konturenmäßig so gestaltet ist, daß sie absatzlos in den Kegelflächensitzbereich des Sitzkolbens übergeht. Diese Anordnung hat den Vorteil, daß das für die Verschiebung des Sitzkolbens notwendige Spiel innerhalb der Bohrung des Gehäuses nicht durch eine Absatzkante behindert wird. Außerdem könnte diese Kante zu einem vorzeitigen Verschleiß der Dichtsitzfläche führen.

In der Zeichnung wird anhand eines Ausführungsbeispiels das erfindungsgemäße 2/2-Wegesitzventil näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein erfindungsgemäßes 2/2-Wegesitzventil,

Fig. 2 einen Schnitt entlang der Linie A-A in Fig. 1,

Fig. 3 wie Fig. 2 jedoch eine andere Querschnittsform im Führungsbereich des Sitzkolbens,

Fig. 4 eine schematische Skizze zur Darstellung der Flächen- und Kräfteverhältnisse am Sitzkolben.

In Fig. 1 ist in einem Längsschnitt ein erfindungsgemäßes 2/2-Wegesitzventil dargestellt, das in diesem Beispiel von, Hand betätigt wird. Alternativ könnte es auch elektrisch oder hydraulisch angesteuert werden. Der Sitzkolben 1 ist erfindungsgemäß aus einem kohlefaserverstärkten Kunststoff gefertigt und mittels einer Dichtung 11 abgedichtet in der Bohrung 2 eines aus Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung hergestellten Gehäuses 3 axial verschiebbar angeordnet. Im Bereich der Bohrung 2 mündet der mittig angeordnete Zuflußkanal 4, der dann über einen zylindrisch ausgebildeten Zwischenabschnitt in den Sitzflächenbereich 5 des Gehäuses 3 übergeht. Dieser Sitzflächenbereich 5 wirkt zusammen mit einer entsprechenden Kegelfläche 6 des Sitzkolbens 1 (Einzelheiten dazu sind in Fig. 4 dargestellt). Die Schließfeder 7 stützt sich mit einem Ende auf den Sitzkolben 1 und mit dem anderen Ende auf ein Paßstück 8 ab, das mittels einer Dichtung 9 abgedichtet in einem einen größeren Innendurchmesser aufweisenden Gehäusebohrungsabschnitt 10 angeordnet ist. Die Betätigung des 2/2-Wegesitzventil erfolgt in diesem Beispiel über eine von Hand drehbare Nockenwelle 12, die hier nur ansatzweise dargestellt ist. Durch eine konturierte Ausnehmung 13 in der Nockenwelle 12 wird der als Kugel 14 ausgebildete Nocken betätigt und der Sitzkolben 1 nach rechts verschoben und damit die Sperrung für den Fluß des Druckmediums aufgehoben. Damit das Druckmedium ungehindert vom Zuflußkanal 4 zum benachbarten Raum 15 fließen kann, weist der Sitzkolben 1 im Bereich des Zuflußkanals 4 und der Sitzfläche 5 Ausnehmungen 16, 16′, 16′′ auf (Fig. 2). Die Ausnehmungen 16, 16′, 16′′ sind symmetrisch über den Umfang verteilt, wobei die Führung des Sitzkolbens 1 durch die um 60 Grad versetzt angeordneten Mantelstege 17, 17′, 17′′ erfolgt. Diese Führungen 17, 17′, 17′′ reichen bis in die Nähe der Kegelfläche 6 des Sitzkolbens 1. Damit eine genaue zentrische Führung des Sitzkolbens 1 gewährleistet, ohne daß der Fluß des Druckmediums in irgendeiner Weise behindert wird. Bei der geringen Kontaktfläche im Dichtsitzbereich 5, 6 von weniger als 0,1 mm in der radialen Erstreckung bzw. weniger als 3 mm als Fläche ausgedrückt, ist es unbedingt erforderlich, daß der Sitzkolben 1 genau geführt wird. Jedes noch so kleine Verkanten führt zu Undichtigkeiten, insbesondere unter Berücksichtigung der Hochdruckanwendung.

In der einfachsten Form sind die Ausnehmungen 16, 16′, 16′′ wie in Fig. 2 dargestellt, im Querschnitt durch eine Sekante, 18, 18′, 18′′ begrenzt. Bei noch größeren Abmessungen für das 2/2-Wegesitzventil und damit für größere Volumenströme ist es erforderlich, wie in Fig. 3 dargestellt, die Ausnehmungen 19, 19′, 19′′ querschnittsmäßig zu vergrößern. Dazu wird bei etwa gleichgroßen Mantelstegen 17, 17′, 17′′ die Begrenzung 23, 23′, 23′′ der Ausnehmungen 19, 19′, 19′′ nach innen gewölbt, wobei zur Vereinfachung der Herstellung diese Begrenzungen (Kurvenabschnitte) 23, 23′, 23′′ Teil eines Kreisbogens sind.

In Fig. 4 ist in einem vergrößerten Maßstab schematisch ein Teillängsschnitt des erfindungsgemäßen 2/2-Wegesitzventil dargestellt. Damit der Sitzkolben 1 in Schließstellung gehalten wird, muß die folgende Bedingung erfüllt sein:

F_Feder P_Medium (A_Kolben-A_sitz).

In Worten ausgedrückt: Die Federkraft muß mindestens gleich oder größer sein als die Kraft, die sich ergibt aus dem Produkt Druck des Mediums multipliziert mit der Differenz der Querschnittsfläche des Kolbens und des Sitzes. Die Flächendifferenz ist durch Pfeile 20 angedeutet, wobei die Pfeilspitzen entgegen der Federkraft gerichtet sind. Damit soll deutlich gemacht werden, daß die durch den Druck sich ergebende Kraft der Federkraft der Schließfeder 7 entgegensteht. Dieser Figur ist auch zu entnehmen, daß der Mantelsteg 17 nicht, absatzlos in die Kegelfläche 6 des Sitzkolbens 1 übergeht, sondern durch eine Hohlkehle 21 unterbrochen ist. Dies hat den Vorteil, daß der Sitzkolben 1 innerhalb des sich durch die Fertigungstoleranzen für den Sitzkolben 1 und der Bohrung 2 des Gehäuses ergebenden Spiel frei bewegen kann, ohne daß die Kegelfläche 6 durch eine Kante einem vorzeitigen Verschleiß in dem empfindlichen Dichtflächenbereich unterworfen wird. Die Kontur der Hohlkehle 21 wird so gewählt, daß sie absatzlos in die Kegelfläche 6 des Sitzkolbens 1 übergeht. Üblicherweise weist die Kegelfläche 6 einen Winkel im Bereich von 45 Grad auf. Im Unterschied zum Mantelsteg 17 geht die sekantenmäßig begrenzte Ausnehmung 16 im Bereich der Abrundung 22 abgerundet in den Dichtflächenbereich über, wobei die Abrundung 22 etwas unterhalb des Beginns der Kegelfläche 6 ausläuft.

Claims (7)

1. 2/2-Wegesitzventil mit direkter Ansteuerung bestehend aus einem Gehäuse und einem in der Gehäusebohrung abgedichtet verschiebbar angeordneten Sitzkolben, dessen Kegelfläche mit einer im Gehäuse angeordneten Sitzfläche zusammenwirkt und einer Schließfeder, die sich mit einem Ende im Gehäuse und mit dem anderen Ende auf dem Sitzkolben abstützt, dadurch gekennzeichnet, daß der aus einem hochfesten kohlefaserverstärkten Kunststoff bestehende Sitzkolben (1) in einem Gehäuse (3) aus Leichtmetall bzw. einer Leichtmetallegierung angeordnet ist.

2. 2/2-Wegesitzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelfläche (6) des Sitzkolbens (1) weniger als 3 mm² beträgt und die Kolbenführung des Sitzkolbens (1) bis fast an die Kegelfläche (6) heranreicht.

3. 2/2-Wegesitzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolbenführung drei um 60 Grad versetzt angeordnete Mantelstege (17, 17′, 17′′) aufweist mit dazwischenliegenden Ausnehmungen (16, 16′, 16′′ bzw. 19, 19′, 19′′).

4. 2/2-Wegesitzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (16, 16′, 16′′) im Querschnitt durch eine Sekante (18, 18′, 18′′) begrenzt wird.

5. 2/2-Wegesitzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausnehmung (19, 19′, 19′′) im Querschnitt durch einen zur Mitte gekrümmten Kurvenabschnitt (23, 23′, 23′′) begrenzt wird.

6. 2/2-Wegesitzventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß im Übergangsbereich zwischen Mantelsteg (17, 17′, 17′′) und Kegelfläche (6) eine Hohlkehle (21) vorgesehen ist, die absatzlos in die Kegelfläche (6) übergeht.

7. 2/2-Wegesitzventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Festigkeit des Sitzkolbens (1) größer 240 N/mm² ist.