DE4425393A1 - Ventil zum Steuern eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, insbesondere Wegeventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, insbesondere Wegeventil gemäß dem Oberbe­ griff des Patentanspruchs 1.

Die Erfindung ist daher nicht auf Wegeventile beschränkt, sondern betrifft Hydraulik-/Pneumatikventile aller Bereiche, also neben Wegeventilen auch Strom-, Absperr- und Drosselventile.

Die heute gebräuchlichen Ventile sind durch eine Reihe von Nachteilen gekennzeichnet. Zunächst einmal sind die großen Abmessungen der bekannten stößelgesteuerten Ventile zu nennen. Darüber hinaus erfordern diese Ventile mit Kolbenschieber einen hohen technischen Aufwand bei der Herstellung, da infolge der notwendigen Paßgenauigkeit das Fertigungsverfahren kompliziert und teuer ist. Durch die Hin- und Herbewegung des als Stößel ausgebildeten Steuerelements ergeben sich Probleme bezüglich der Dichtheit, die mit der Betriebsdauer abnimmt. Ein weiterer Nachteil liegt darin, daß die Steuerung derartiger Ventile meist druckunterstützt durch das Fluid über separate Steuer- Ölleitungen erfolgt. Da in den üblichen Ventilen zusätzlich zu den zu überwindenden Kräften, die sich aus den Drücken und den Federkräften ergeben, die Reibung zu überwinden ist, werden große Schalteinheiten benötigt, die das Gesamtbauvolumen der üblichen Ventile unvorteilhaft vergrößert.

Ein weiterer Nachteil liegt bei den üblichen Ventilen mit Kolbenschieber darin, daß es bei den Schaltvorgängen zu Pressungen und Verdrängungen des Fluids kommt, wodurch Temperaturerhöhungen auftreten, die das Fluid stark belasten und die Einsatzdauer des Fluids verkürzen.

Ein entscheidender Nachteil derartiger Ventile liegt jedoch darin, daß für jeden Einsatzzweck ein spezielles Ventil vorhan­ den sein muß, was die Übersichtlichkeit des Angebots vermindert und dazu führt, daß der Anbieter viele unterschiedliche Modelle auf Lager halten muß.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten Art so auszugestalten, daß trotz einfacherer Herstellung die Lebensdauer des Ventils erhöht wird und der Einsatzbereich erweitert wird.

Die Erfindung löst diese Aufgabe mit Hilfe der Merkmale des Pa­ tentanspruchs 1.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegen­ stand der Unteransprüche.

Beim erfindungsgemäßen Ventil erfolgt der Steuervorgang daher durch zu drehende Steuerelemente, die gemäß den Ansprüchen 3 bis 5 Scheiben, Walzen, Stangen oder Kugeln sein können. Darüber hinaus kann das Steuerelement auch aus mehreren hintereinander angeordneten Elementen bestehen. Insbesondere kann daran gedacht sein, das Steuerelement aus mehreren hintereinander angeordneten Scheiben auszuführen, wodurch sich der Einsatzbereich noch er­ weitert.

Je nach Einsatzzweck sind im Steuerelement unterschiedliche An­ zahlen von Bohrungen, Nuten oder Schlitzen vorgesehen, die so ausgelegt sind, daß sie in bestimmten Schaltzuständen, d. h. bei bestimmten Winkelstellungen des Steuerelements, Anschlußkanäle miteinander verbinden, so zum Beispiel den Pumpenanschluß mit Zylinderraum A eines Hydraulikzylinders, sowie Zylinderraum B des Hydraulikzylinders mit dem Tankanschluß. Hierbei kommt es durch die konstruktionsbedingte Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventiles zu keinen Pressungen und Verdrängungen des Fluids wie bei den bekannten Stößel-Ventilen, so daß keine Temperaturerhöhungen auftreten, die das Fluid belasten und die Einsatzdauer desselben verkürzen. Ebenfalls durch die konstruktive Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventils können dessen Abmessungen erheblich reduziert werden.

Bei einer Abdichtung gemäß Anspruch 6 steigert sich die Dicht­ heit der Ventile mit der Betriebsdauer. Als Dichtelemente sind Schleißscheiben zwischen Ventilgehäuse und Steuerelement vorge­ sehen, die durch konstruktive Maßnahmen, so zum Beispiel durch O-Ringe gegen das Steuerelement gedrückt werden, sich dort bei den Schaltbewegungen einschleifen und dadurch die Dichtheit auch nach 2 bis 3 Millionen Schaltvorgängen gewährleisten.

Gerade diese einfache Art der Dichtung ist einer der Hauptvorteile der Erfindung. Auf Passungen und hochwertige Oberflächenbearbeitung im Inneren des Ventils kann weitestgehend verzichtet werden. Lediglich an der oberen und unteren Außenseite muß das Ventilgehäuse zur Gewährleistung einer guten Abdichtung nach außen hochwertig bearbeitet werden.

Der Selbstdichtungs-Effekt infolge des Selbsteinschleifens der Schleißscheibe(n) wird noch unterstützt, wenn gemäß Anspruch 8 die Schleißscheibe(n) dem zu steuernden Druckmedium auf der vom Steuerelement abgewandten Seite eine Fläche zur Druckbeaufschlagung bieten.

Fertigungstechnisch ist die Herstellung eines rotationssymmetrischen Steuerelements, wie es der Anspruch 2 vorschlägt, naturgemäß die einfachste Lösung. Die Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf derartig ausgebildete Steuerelemente. Je nach Einsatzzweck können diese Elemente auch anders geformt sein und dabei unabhängig von dieser Form um eine zentrische oder auch exzentrische Achse verdrehbar angeordnet sein.

Das erfindungsgemäße Ventil ist einfach aufgebaut. Es besteht aus einem mit einem Deckel verschließbaren Ventilgehäuse, wobei die Innenseite des Deckels gemäß Anspruch 11 als Auflager für das Steuerelement dient.

In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist nach Anspruch 12 die dem Deckel zugewandte Fläche des Steuerelements ballig ausgebildet, wobei der Krümmungsradius der balligen Fläche kleiner ist als der Krümmungsradius der entsprechenden Auflagerfläche im Deckel.

Somit ist die Berührungsfläche zwischen Steuerelement und Deckel minimiert, was zum einen die Reibungskräfte beim Verdrehen des Steuerelements reduziert. Zum anderen ergeben sich hierdurch aber fertigungstechnische Vorteile, da zwischen Deckel und Steuerelement keine besondere Passung erforderlich ist.

Dieser Bereich ist auch aus einem anderen Grunde unkritisch, da die Bohrungen, Nuten und Schlitze lediglich auf der dem Deckel abgewandten Seite des Steuerelements angeordnet sind ( Anspruch 15 ). Daher ist in diesem oben angesprochenen Bereich keine aufwendige Dichtung notwendig.

Eine besonders einfache und effiziente Ausführungsform der Erfindung ist Gegenstand des Anspruchs 14.

Es wird ein Ventil mit einem scheibenförmigen Steuerelement vorgeschlagen, wobei die Scheibe rotationssymmetrisch ausgebildet ist. Bei diesem Ausführungsbeispiel sind drei nutenförmige Aussparungen auf der dem Deckel abgewandten Seite des Steuerelements vorgesehen.

In der Mitte verläuft eine gerade ausgebildete Nut durch das Scheibenzentrum. Links und rechts von dieser geraden Nut befinden sich bogenförmige Nuten, wobei die eine als Spiegelung der anderen an der Mittellängsachse der geraden Nut angesehen werden kann . Durch Verdrehen der Scheibe um jeweils einen bestimmten Winkel können folgende Schaltstellungen mit ein und derselben Scheibe bei Anordnung der Anschlußkanäle an den Eckpunkten eines Kreuzes realisiert werden.

Bei Drehung der Scheibe um 45° aus der Sperrstellung ( Pumpe fördert direkt in den Tank - Zylinderraum A ist von Zylinderraum B getrennt ) im Uhrzeigersinn ist die Pumpe über eine der bogenförmigen Nuten mit dem Zylinderraum A und der Zylinderraum B über die andere bogenförmige Nut mit dem Tank verbunden.

Bei Drehung der Scheibe um 45° entgegen dem Uhrzeigersinn ist die Konstellation umgekehrt.

Wird die Scheibe jedoch um 90° aus der Sperrstellung gedreht, sind Pumpe und Tank voneinander getrennt und die beiden Zylinderräume A und B über die mittige, gerade Nut miteinander in der sogenannten Schwimmstellung verbunden. Mit einer einzigen Scheibe lassen sich somit gleich 4 Schaltstellungen realisieren.

Wird eine Scheibe, bei der die mittige, gerade Nut weggelassen ist, eingesetzt, kann neben den beiden Arbeitsstellungen eine Stopstellung verwirklicht werden, wenn nämlich die Scheibe so verdreht wird, daß sowohl A von B als auch Tank von Pumpe getrennt ist. Der Kolben im Arbeitszylinder ( Verbraucher ) bewegt sich nicht mehr, auch nicht unter Krafteinwirkung. Diese Stellung ist besonders geeignet für Zwischenstopps mit exakter Positionsbestimmung.

Neben diesen Konstellationen sind andere denkbar, ebenso wie die Tatsache, daß zur Erweiterung des Einsatzbereichs mehrere Scheiben hintereinander oder auch andere geometrische Körper einzeln oder in Kombination miteinander eingesetzt werden können.

In jedem Fall zeichnet sich das erfindungsgemäße Ventil durch die Einfachheit seines Aufbaus und große Einsatzbreite aus. Das Ventil baut klein, die bewegten Massen sind gering, ebenso die zu überwindenden Reibungs- und durch andere Ursachen bedingten Kräfte. Daher benötigt dieses Ventil keine großen Schalteinheiten wie die bekannten Ventile. Zur Betätigung des Steuerelements reichen beispielsweise Elektromagnete aus, die die Baugröße des Ventils nicht entscheidend erhöhen.

Durch den prinzipiellen Aufbau: Gehäuse, Steuerelement, Deckel ist ein Austausch des Steuerelements einfach. Das Ventil kann entweder auf eine Anschlußplatte ( Adapter ) montiert werden, wie es üblich ist. Durch entsprechende Verstärkung des Ventilgehäusebodens ist aber auch ein Verzicht auf eine derartige Anschlußplatte möglich, da die Anschlußkanäle im Gehäuseboden so geführt werden können, daß ihre äußeren Mündungen mit den Anschlüssen am Verbraucher übereinstimmen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand lediglich eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 Ventil im Schnitt,

Fig. 2 Draufsicht des Ventils und

Fig. 3a-c einzelne Schaltstellungen des Steuerelements.

In der Fig. 1 ist ein 4/3 Wegeventil dargestellt und allgemein mit dem Bezugszeichen 1 versehen. Es besteht im wesentlichen aus einem Ventilgehäuse 2 mit einem Gehäuseboden 3, aufsteigenden Gehäusewänden 4, einem das Gehäuse 2 verschließenden Deckel 5 und einem im Gehäuse 2 angeordneten Steuerelement 6, das im vorliegenden Ausführungsbeispiel etwa die Form einer Kreisscheibe aufweist.

Der Deckel ist mit Schrauben 7 am Gehäuse 2 befestigt. Die in das Gehäuse 2 weisende Fläche 8 des Deckels 5 ist konkav ausgebildet. Mittig im Deckel 5 ist eine Durchführung 9 für die Antriebswelle 10 des Steuerelements 6 vorgesehen. Die Welle 10 ist bei 11 im Deckel in geeigneter Weise gelagert. Zur Abdichtung des Gehäuseinnenraums nach außen ist im Deckel 5 eine Ringnut 12 zur Aufnahme einer O-Ring-Dichtung 13 vorgesehen. Die zum Deckel 5 weisende Fläche 14 des Steuerelements 6 ist konvex bzw. ballig ausgebildet, wobei der Krümmungsradius der balligen Fläche 14 kleiner ist als der Krümmungsradius der konkaven Fläche 8 des Deckels. Auf der der balligen Fläche 14 entgegengesetzten Seite des Steuerelements 6 sind in demselben nutenförmige Ausnehmungen 15 bis 17 vorgesehen.

Wie sich aus der Draufsicht gemäß Fig. 2 ergibt sowie aus den Fig. 3a-c ist die Nut 16 gerade ausgebildet und verläuft radial durch den Scheibenmittelpunkt.

Die Nuten 15 und 17 dagegen sind bogenförmig ausgebildet und zueinander symmetrisch.

Die Nut 16 ist an beiden Enden kreisförmig aufgeweitet. Die Mittelpunkte beider Kreise 18 und 19 liegen auf dem Radius, der durch den Mittelbogen der bogenförmigen Nuten 15 und 17 verläuft.

Im Gehäuseboden 3 sind Anschlußkanäle 20 bis 23 vorgesehen, die im Gehäuseinnern auf dem Steuerelement 6 enden. Zur Abdichtung der Nuten 15 bis 17 geben das Gehäuse 2 sind Schleißscheiben 24 zwischen Steuerelement 6 und Gehäuseboden 3 angeordnet, wobei allerdings zwischen den Schleißscheiben 24 und dem Gehäuseboden 3 noch O-Ringe 25 vorgesehen sind, die die Schleißscheiben 24 gegen das Steuerelement 6 pressen. Der Durchmesser der O-Ringe 25 ist dabei geringer als die Breite der Stirnfläche der Schleißscheiben 24, so daß diese dem in den Anschlußkanälen 20 bis 23 bzw. in den Nuten 15 bis 17 befindlichen Druckmedium ( Hy­ draulikflüssigkeit oder Druckluft ) eine Fläche zur Druckbeaufschlagung bieten. Beim Betätigen des Steuerelements 6 schleifen sich die Schleißscheiben in das Material des Steuerelements 6 ein und bewirken hierdurch eine im Laufe der Zeit sich verbessernde Abdichtung.

In den Fig. 3a-c sind verschiedene Schaltzustände dargestellt, wobei in den Fig. 3a+b mit derselben Scheibe 6 gearbeitet wird, während in Fig 3c eine leicht abgewandelte Scheibe als Steuerelement 6 benutzt wird.

In den Fig 3a-c sind jeweils links und rechts die Arbeitsstellungen und in der Mitte jeweils eine Sonderstellung dargestellt.

Die links dargestellten Schaltstellungen zeigen den Zustand, in dem die Pumpe ( Anschluß 22 ) mit dem Zylinderraum A ( Anschluß 21 ) eines Arbeitszylinders und der Zylinderraum B ( Anschluß 23 ) dieses Arbeitszylinders mit dem Tank ( Anschluß 20 ) verbunden ist.

Die rechts dargestellten Schaltstellungen zeigen den Zustand, in dem die Pumpe 22 mit dem Zylinderraum B 23 und der Zylinderraum A 21 mit dem Tank 20 verbunden ist.

Die mittlere Darstellung in Fig. 3a zeigt die Sperrstellung, in der A von B getrennt ist und die Pumpe mit dem Tank verbunden ist. Die Pumpe fördert drucklos in den Tank. Der Einsatz eines Hydrospeichers ist daher nicht möglich. Der Kolben im Arbeitszylinder ist gesperrt.

Die mittlere Darstellung in Fig. 3b zeigt die Schwimmstellung. A und B sind über die gerade Nut 16 miteinander verbunden. Die Pumpe und der Tank sind jedoch voneinander getrennt. Der Kolben im Arbeitszylinder kann bewegt werden. Bei laufender Pumpe erreicht der Druck das Pumpenmaximum. Der Einsatz eines Hydrospeichers ist möglich.

In der Fig. 3c ist die als Steuerelement 6 dienende Scheibe leicht abgewandelt, indem die mittlere gerade Nut 16 weggelassen wurde. Mit dieser Scheibe ist eine Stopstellung möglich, wie sie in der mittleren Darstellung gezeigt ist.

Alle Systeme sind voneinander getrennt, also sowohl A von B als auch Tank von Pumpe. Auch hier erreicht der Druck bei laufender Pumpe das Pumpenmaximum. Der Kolben im Arbeitszylinder bewegt sich auch unter Krafteinwirkung nicht - insoweit ist dieser Fall mit der oben angesprochenen Sperrstellung zu vergleichen. Im Gegensatz zur Sperrstellung ist hierbei jedoch der Einsatz eines Hydrospeichers möglich.

Die einzelnen Schaltschritte ( im vorliegenden Fall um jeweils 45° ) werden durch einen oder mehrere an der Welle 10 angreifende Elektromagnet(e) bewirkt. Montiert wird das Ventil entweder an eine nicht dargestellte Anschlußplatte oder aber bei entsprechender Dicke des Gehäusebodens 3 direkt am Verbraucher.

Claims (15)

1. Ventil zum Steuern eines Gas- oder Flüssigkeitsstromes, ins­ besondere Wegeventil, bei dem in einem Ventilgehäuse ein Steuerelement derart bewegbar ist, daß je nach Stellung des Steuerelements im Ventilgehäuse vorgesehene Anschlußkanäle miteinander verbindbar bzw. absperrbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) aus mindestens einem um eine Achse verdrehbaren Körper besteht, der Bohrungen, Schlitze und Nuten (15 bis 17) aufweist, über die in Abhängigkeit von der Winkelstellung des Steuerelements (6) definierte Anschlußkanäle (20 bis 23) im Ventilgehäuse (2) miteinander verbindbar sind.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) ein rotationssymmetrischer Körper ist.

3. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) eine Scheibe ist.

4. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) eine Kugel ist.

5. Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) ein zylindrischer Körper ist.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß als Dichtung zwischen Steuerelement (6) und Ventilgehäuse (2) mindestens eine Schleißscheibe (24) vorgesehen ist, die mittels elastischer Elemente (25) auf die Dichtfläche des Steuerelements (6) anpreßbar ist.

7. Ventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das elastische Element ein O-Ring (25) ist.

8. Ventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Schleißscheibe (24) dem zu steuernden Druckmedium auf der vom Steuerelement (6) abgewandten Seite eine Fläche zur Druckbeaufschlagung bietet.

9. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Verdrehachse und die Symmetrieachse des Steuerele­ ments (6) parallel zueinander verlaufen.

10. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur Betätigung des Steuerelements (6) Elektromagnete vorgesehen sind.

11. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilgehäuse (2) durch einen Deckel (5) verschließbar ist, der als Auflager für das Steuerelement dient und eine Ausnehmung (9) zur Durchführung der Welle (10) zur Betätigung des Steuerelements aufweist.

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die dem Deckel (5) zugewandte Fläche (14) des Steuerelements ballig ausgebildet ist, wobei der Krümmungsradius der balligen Fläche (14) kleiner ist als der Krümmungsradius der entsprechenden Gegenfläche (8) im Deckel.

13. Ventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) im Ventilgehäuse (2) gegen ein anderes austauschbar ausgebildet ist.

14. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerelement (6) als rotationssymmetrische Scheibe ausgebildet ist, bei der Drehachse und Symmetrieachse übereinstimmen, wobei die Bohrungen, Schlitze und Nuten (15 bis 17) im Steuerelement derart ausgebildet sind, daß eine radial verlaufende Nut (16) vorgesehen ist, welche am Mittelpunkt der Scheibe gespiegelt ist und daß auf jeder Seite dieser geraden Nut (16) teilkreisförmig ausgebildete Nuten (15 und 17) im Steuerelement (6) vorgesehen sind, wobei die Längsachse der radial verlaufenden geraden Nut (16) die Symmetrieachse für die beiden bogenförmig ausgeführten Nuten (15 und 17) ist.

15. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Anschlüsse (21 und 23) für den Verbraucher und die Anschlüsse (22 und 20) für die Pumpe und das Reservoir auf derselben Seite des Ventilgehäuses (2) vorgesehen sind.