DE7440064U - Vorrichtung zur Verstärkung einer mechanischen Kraft - Google Patents

Description

Vorrichtung zur Verstärkung einer mechanischen Kraft

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstärkung einer mechanischen Kraft/ insbesondere der Schaltkraft eines magnetisch betätigten Kolbenventiles, bei dem ein in einem Gehäuse hin- und herbewegbarer Ventilkolben durch den beweglichen Magnetanker eines Elektromagneten entgegen einer Gegenkraft beaufschlagt wird.

Elektromagnetisch betätigte Kolbenventile sind bekannt. Bei ihnen ist in einem Gehäusre ein Ventilkolben beweglich angeordnet, der die verschiedenen Steueröffnungen des Ventiles öffnet und schließt. Der Ventilkolben wird beispielsweise einseitig in Richtung seiner Längsache durch eine Druckfeder belastet, während seine andere Stirnseite durch den Magnetanker eines Elektromagneten beaufschlagt wird, der z.B. in das Ventilgehäuse eingebaut oder an

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dieses angeflanscht ist.

Die Schaltkraft des Magneten, durch die der Ventilkolben beaufschlagt und betätigt wird, hängt von verschiedenen Einflußgrößen ab, beispielsweise der Art der Magnetwicklung, dem Hub und dem Luftspalt des Ankers * der Magnetkonstanten _f den Wirbel-Stromverlusten usw. . Optimiert man diese Einflußgrößen so läßt sich bei gegebenen Baumaßen für das Ventil und den Elektromagneten eine bestimmte begrenzte Schaltkraft erreichen.

Eine Optimierung kann ferner beim Ventil vorgenommen werden, d.h. es werden z.B. ein minimales Kolbenspiel, eine optimale Gestaltung des Ventilkolbens und des Gehäuses sowie optimale Zuström- und Abströmverhältnisse usw. angestrebt. Ferner kann zur Verbesserung der Schaltleistung die Feder hinsichtlich Federkraft und Federkonstanten an die Magnetkraft angepaßt werden.

In zunehmendem Maße wird nun die Forderung erhoben, die Leistung und damit die Schaltkraft derartiger Ventile zu steigern, wobei die Baumaße möglichst nur wenig geändert werden sollten.

Der Erfindung liegt "daher die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Verstärkung einer mechanischen Kraft, insbesondere der Schalt* kraft von elektromagnetisch betätigten Kolbenventilen anzugeben

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß zwischen dem Ventilkolben und de» Magnetanker direkt ein Kraftverstärker zwischengeschaltet ist. Zweckmäßigerweise ist hierbei dieser Kraftverstärker in der gemeinsamen Achse von Ventilkolben und Magnetanker angeordnet, wodurch die Baumaße sehr knapp gehalten werden können.

vorzugsweise besteht der Kraftverstärker aus wenigstens einer

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durch den Magnetanker verschiebbaren Schrägfläche, wenigstens ' einer gehäusefesten Schrägfläche und wenigstens einer Kugel,

die zwischen den beiden Schrägflächen und dem zu beaufschlagenden Ende des Ventilkolbens radial und axial beweglich angeordnet und abgestützt ist. Zwischen der Kugel (bzw. den Kugein) und dem Ventilkolben kann hierbei vorteilhafterweise ein Druckstück angeordnet sein=

Nach einer bevorzugten Ausführungsform wird in weiterer Ausge- · staltung der Erfindung vorgeschlagen, daß der Kraftverstärker aus einem mit einer zentralen Durchgangsöffnung versehenen Flansch besteht, der mit einer Innenkegelflache versehen ist, wobei in dem Flansch ein relativ zu ihm axial beweglicher Kegel mit einer Außenkegelflache, der von dem Magnetanker axial beaufschlagbar ist, sowie ein Druckring angeordnet sind, durch den der Ventilkolben axial beaufschlagbar ist, wobei ferner eine Mehrzahl von Kugeln zwischen den beiden Kegelflächen und einer Stirnfläche des Druckringes radial und axial beweglich angeordnet und abgestützt sind.

Die Kugeln können gegebenenfalls durch einen elastischen Käfig gehalten werden.

Der Öffnungwinkel des Kegels kann, gesehen in Achsrichtung, abschnittsweise unterschiedliche Größen haben, d.h. eine Mantellinie des Kegels besteht nicht aus einer einzigen geraden Linie, sondern aus mehreren Abschnitten, die einen Viinkel zueinander bilden. Hierdurch kann der Kraftverstärkungsfaktor während des Hubes des Magnetankers \erändert werden. Eine entsprechende Wirkung läßt sich dadurch erreichen, daß die Mantellinxen des Kegels, gesehen in Achsrichtung, nicht geradlinig sind, sondern eine gekrümmte Form haben, wobei durch diese Krümmung die Charakteristik der Kraft bzw. der Kraftverstärkung während des Hubes verändert und z.B. an die während des Schaltvorganges auf-

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tretenden Strömungskräfte angepaßt werden kann.

Eine beispielsweise Ausführungsform der Erfindung wird anhand der einzigen Figur der Zeichnung erläutert, die in Schnitt in vergrößertem Maßstab einen Kraftverstärker nach der Erfindung zeigt.

Die Erfindung wird änhan« eines durch einen Ele-fetiromagneten bestätigten Kolbenventiles erläutert, es liegt aber auf der Hatnd, daß die Erfindung für eine Vielzahl von Anwendungsfälle, in denen eine Kraftverstärkung erwünscht ist, eingesetzt werden kann, insbesondere dann, wenn keine oder nahezu keine Vergrößerung der Baumaße vorgenommen werden soll.

Die Figur zeigt ein nur angece^etes Ventilgehäuse 10, in welchem ein Ventilkolben 12 in Richtung seiner Längsachse 14 hin- und herbewegbar ist. Der Ventilkolben, von dem nur ein Ende dargestellt ist, ist in geeigneter Weise in dem Ventilgehäuse IO gelagert. Sein in der Zeichnung nicht dargestelltes Einde ist durch eine Gegenkraft, z.B. eine Druckfeder beaufschlagt.

In einem Gehäuse 16 ist ein Elektromagnet angeordnet, von dessen Magnetanker 18 nur das dem Ventilkolben 12 zugewandte Ende gezeigt ist«

Zwischen dem Ventilgehäuse 10 und dem Gehäuse 16, das den Elektromagneten enthält, ist ein Flansch 20 angeordnet, der geeignet mit den Gehäusen 10 und 16 verbunden und zusammengepaßt ist. Der Flansch 20 hat eine'· zentrale durchgehende Bohrung 22, deren Mittelachse ntit der Längsachse 14 des Vent.ilkolbens 12 praktisch zusammenfällt. Die Längsmittelachse des Magnetankers 18 fluchtet ebenfalls mit der Längsachse 14 des Ventilkolbens 12.

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% Xix der Bohrung 22 des Flansches 2O ist ein Kegel 24 angeordnet, f an dessen rückwärtigem Schaft 26 der Magnetanker 18 anstößt*
Die Kegelspitze 28 ist auf den Ventilkolben 12 zu gerichtet.

Der Flansch 2O ist in seinem Innern mit einem Innenkegel 3O ί

versehen, der sich vom Durchmesser D1 bis zum Durchmesser D2 |

der zentralen Bohrung 22 erstreckt. Ferner ist auf dem freien .%

Ende des ventilkolbens 12 ein Drackring 32 angeordnet. §

Zwischen dem Innenkegel 30, der Kegelspit2e 28 und dem Druck- H.

•I· ring 32 sind nun eine Mehr2ahl vcn Kugeln 34 angeordnet, die ff

ax.tal und radial beweglich sind und die sich am Druckring 32, f

am Innenkegel 3O und an der Kegelspitxe 28 abstützen. * Jf

Der halbe Spitzenwinkel der Kegelspit2e 28, d.h. der öffnungs- § winkel ist mit ^K bezeichnet und der Winkel zwischen dem Innen- I kegel 3O und einer Querebene 2ur Längsachse 14 ist mit A be- R

zeichnet. ,.

Der Kraftverstärker arbeitet folgendermaßen: I

Wenn sich der Magnetanker 18 bei eingeschaltetem Elektromagneten } aufgrund der magnetischen Kräfte in Richtung des Pfeiles P1 be- ι wegt, so bewegt sich der Kegel 24 und seine Kegelspitze 28 ■;.

in derselben Richtung und um das selbe Maß wie der Magnetanker $ 18. Durch die Oberfläche der Kegelspitze 28 werden die Kugeln 34 } aus der dargestellten Position radial nach außen gedrückt/ wo- ;

bei sie am Innenkegel 30 des Flansches 20 abrollen bzw. gleiten. * (Die Bewegung der Kugeln ist ein Gemisch aus RoIt- und Gleitbe- \ wegung)- Infolge der Neigung des Innenkegels 30 führen die
Kugeln 34 zusätzlich zu ihrer Radialbewegung eine Axialbewegung in Richtung des Pfeiles P1 aus, die auf den Druckring 32
und damit auf den Ventilkolben 12 übertragen wird. Die wirkliche Bewegung der Kugeln erfolgt in Richtung z.B. des Ffeiles
P2.

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1st der Weg des Magnetankers 18 gleich χ und der des Ventilkolbens 12 gleich y so ergibt: sich aus den geometrischen Verhältnissen die

y * χ « tan <λ tan
hieraus bestimmt, sich der Kraftverstärkungsfaktor zu ν =» 1/tan £?i tanJ

Die Kraftverstärkung hängt sonit nur von der wahl der Winkel C^ und Ä ab. In der Praxis haben sich jedoch Veretärkungsver- hältnisse von etwa 6:1 als zvecknäSig erwiesen»

Wird der Elektromagnet abgeschaltet, dann kehrt der Magnetanker i

I 18 in seine kräftefreie Ausgangsposition zurück. Die den Ventil- . I

kolben 12 an seines anderen nicht dargestellten Stirnende be- j

aufschlagende Kraft (z.3. eine Druckfeder) drückt diesen eben- j falls in seine Ausgangslage zurück« wobei diese Bewegung über j

den Druckring 32 und die Kugeln 34 auf den Kegel 24 übertragen wird, der dann ebenfalls in die Ausgangsposition zurückkehrt. Es ist hierbei darauf zu achten, daß der Winkel A über dem Winkel für die Selbsthemmung der Xugeln 34 liegt.

Gegebenenfalls kann aber auch ein elastischer Käfig für die Kugeln vorgesehen werden, beispielsweise ein elastisches Band, das um den Auflenunfang der Kugeln gelegt ist und diese radial nach innen zu drücken sucht«

Die Kegelspitze 28 braucht nicht durchgehend denselben öffnungswinkel zu haben. Sie kann, wie dargestellt, in mehrere Zonen z*B* 36, 38 unterteilt sein, deren öffnungswinkel V und </ sich vom Winkel (/* unterscheiden.

Anstatt die Kegelspitze in mehrere Zonen mit geraden Mantel-ΙίηίΞΐϊ zu unttÄEtfeÜes- können die MantelÜnien auch nach innen oder außen gebogen bzw« gekrümmt oder gewellt ausgeführt sein,

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wobei sich in diesem Fall der Öffnungswinkel (X , gesehen in Achsrichtung, ständig ändern würde. (Eine solche Ausführung kann auch an dem Innenkegel 3O vorgesehen werden, ist aber dort aus praktischen Gründen weniger zweckmäßig).

Durch die Änderung des Kegelwinkels in Längsrichtung des Kegels läßt sich eine Anpassung der Schaltkraft einerseits an die Magnetkraft-Kennlinie erreichen, insbesondere läßt sich aber durch diese Maßnahme die Schaltkraft as die während des Schaltvorganges in dem Ventil auftretenden Strömungskräfte anpassen, die über der Schaltzeit bzw. über den Schaltweg unterschiedlich sein können und sich in manchen Fillen stoßartig ändern.

Die Zahl der Kugeln wird nach praktischen und geometrischen Gesichtpunkten sowie unter Berücksichtigung der erforderlichen Festigkeit gewählt,

Anstelle eines Kegels könnte beispielsweise ein Keil iait zwei Schrägflächen verwendet werden und es könnte jeder Schrägfläche eine Kugel zugeordnet sein. Zweckmäßiger ist jedoch ein symmetrischer Kreiskegel mit einer Vielzahl von Kugeln.

Falls erforderlich oder gewünscht kann der Kegel 24 im Gehäuse bzw. im Flansch 20 geeignet geführt und im Bedarfsfall auch mit dem Magnetanker 18 fest verbunden sein.

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Claims (8)

Ansprüche

1. Vorrichtung zur Verstärkung einer mechanischen Kraft, insbesondere der Schaltkraft eines magnetisch betätigten Kolbenventiles, bei dem ein in einem Gehäuse hin- und.herbewegbarer Ventilkolben durch den beweglichen Magnetanker eines Elektromagneten entgegen einer Gegenkraft beauf

schlagt wird, dadurch gekennzeichnet , zwischen dem Ventilkolben (12) und dem Magnetanker (18) ein Kraftverstärker direkt zwiechengeschaltet ist.

2« Vorrichtung nach Anspruch 1> dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftverstärker in der gemeinsamen Achse (14) von VeatilJ-.olben (12) und Magnetanker (18) angeordnet ist.

3* Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Kraftverstärker aus wenigstens einer durch den Magnetanker verschiebbaren Schrägflache, wenigstens «iner gehäusefesten Schrägfläche und wenigsten« einer Kugel gebildet ist, die zwischen den beiden Schrägflächen und dem Zu beaufschlagenden Ende des Ventilkolben» radial und axial beweglich angeordnet ut»d abgestützt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Kugel (den Kugeln) und dem Ventilkolben ein Druckstück angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kraftverstärker aus einem mit einer zentralen Durchgangsöffnung (22) versehenen Flansch £2oi besteht _g der mit einem Innenkegel (30) versehen ist,

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j daß in dem Flansch ein relativ zu ihm axial beweglicher

} Kegel (24) mit einer Kegelspitze (28) sowie ein Druckring

(32) angeordnet sind und daß eine Mehrzahl von Kugeln (34) zwischen der Kegeispitze (28) dem Innenkegel (3O) und dem Druckring (32) radial und axial beweglich angeordnet und abgestützt sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß die Kugeln (34) durch einen elastischen Käfig ' gehalten sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß der öffnungswinkel ( C^) ^er Kegelspit2e (28), gesehen in Achsrichtung, abschnittsweise unterschiedliche

Werte (^L, J? , tf .) aufweist <

8. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekenrszeich net, daß die Mantellinien der Kegelspit2e (28), gesehen in Achsrichtung^ eine gekrümmte Form haben»

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