DE102008021801B4

DE102008021801B4 - Druckunterstütztes Dichtungssystem für fluidische Wegeventile

Info

Publication number: DE102008021801B4
Application number: DE200810021801
Authority: DE
Inventors: Jörg Widera; Klaus-Dieter Sulzberger; Theo Paulus; Klaus Bergmann
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Aventics GmbH
Priority date: 2008-04-30
Filing date: 2008-04-30
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2028-05-01
Also published as: DE102008021801A1

Abstract

Pneumatisches Mehrwegeventil mit an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen (P, A, B, R, S), zwischen denen ein innenliegend angeordneter und axial verstellbarer Ventilschieber (2) Druckluftflüsse schaltet, wobei zur dynamischen Dichtung zwischen dem Ventilschieber (2) und dem Ventilgehäuse (1) axial voneinander beabstandete Dichtringe (4a–4f; 4a'–4f) angeordnet sind, die in je zugeordneten Haltenuten (3), diese berührend eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (4a–4f; 4a'–4f') durch eine zwischen jeder Haltenut (3, 3') mit parallelen Nutflanken (9a, 9b) und dem Dichtring (4a–4f; 4a'–4f) gebildete zumindest während des Schaltbetriebes mit Druckluft beaufschlagte Ringkammer (5) unter Vorspannung kommen, wobei die Ringkammer (5) zumindest teilweise mit einem Schmierstoff befüllt ist, um ein Schmierstoffdepot zu bilden.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein pneumatisches Mehrwegeventil mit an einem Ventilgehäuse angeordneten äußeren Anschlüssen, zwischen denen ein innenliegend angeordneter und axial verstellbarer Ventilschieber Druckluftflüsse schaltet.
Das Einsatzgebiet der vorliegenden Erfindung erstreckt sich auf pneumatische Schaltventile zur Steuerung von Druckluftströmen, welche nach dem Schieberprinzip ausgebildet sind. Diese kommen vornehmlich im Rahmen von Ventileinheiten vor, bei denen zur pneumatischen Steuerung eines pneumatischen Systems mehrere einzelne Mehrwegeventile zur einer blockartigen Einheit einandergereiht werden und zentral mit Druckluft versorgt werden. Pneumatische Mehrwegeventile existieren in unterschiedlichen Ventilfunktionen, insbesondere 3/2-, 2 × 3/2-, 4/2-, 5/2- oder 5/3-Ventilfunktionen.
Aus der DE 102 13 258 C1 geht ein der Gattung entsprechendes pneumatisches Schieberventil hervor. Das Schieberventil weist mehrere an einem Ventilgehäuse aus spritzgegossenem Kunststoff angeordnete äußere Anschlüsse auf, welche mittels eines innenliegenden Ventilschiebers schaltbar sind, in dem dieser in einer korrespondierenden Schieberbohrung axial verschiebbar angeordnet ist. Der Ventilschieber besitzt Umfangsnuten, in denen Dichtringe zur Bildung eines so -genannten außendichtendes Systems angeordnet sind. Dementsprechend kommen diese Dichtringe ventilgehäuseseitig mit der Innenwandung der Schieberbohrung in Kontakt. Speziell sind hier mehrere axial beabstandet voneinander und vom Kunststoff des Ventilgehäuses umspritzte Ventilbuchsen angeordnet, welche als verschleißresistente dynamische Dichtungspartner zu den am Ventilschieber befestigten elastomeren Dichtringen dienen.
Generelles Konstruktionsziel bei solchen Schieberventilen ist es, die Anzahl der dynamischen Dichtungen zwischen dem Schaltmittel und dem Ventilgehäuse möglichst gering zu halten, um hiervon verursachte Reibungskräfte zu minimieren. Da bei herkömmlichen Schieberventilen daneben auch eine elastische Vorspannung zwischen Dichtring und den dynamisch abzudichtenden Bauteilen herrschen muss, um die notwendige Dichtheit zu gewährleisten, treten recht hohe Reibkräfte auf. Diese werden herkömmlicherweise durch einen entsprechend angepassten Steuerdruck im Rahmen der pneumatischen Vorsteuerung kompensiert, um ein sicheres Schalten zu gewährleisten. Dies führt wiederum zu einer nachteilhaft recht großbauenden Dimensionierung der pneumatischen Vorsteuerung. Weiterhin erzeugen die auftretenden Reibkräfte auch einen Verschleiß zwischen den dynamisch zu dichtenden Bauteilen, was bei zu hohem Vorspannungen zu einem vorzeitigen Zerstören der Dichtung führen kann. Zu hohe Vorspannungen können dabei bereits durch Toleranzschwankungen bei der Fertigung der Ventilbauteile auftreten.
Die CH 472 609 A offenbart eine Abdichtungsanordnung zwischen Dichtringen und einem dem gegenüber dynamisch abzudichtenden Bauteil in Form einer Bohrung oder Stange. Die Dichtringe sind zur Aufbringung einer Vorspannung auf das Bauteil druckluftbeaufschlagt. Zusätzliche Schmierungsmaßnahmen werden hier nicht getroffen.
Die DE 92 15 605 U1 offenbart eine Anordnung für die Abdichtung bei einem Hydraulikzylinder, dessen Dichtelement ebenfalls druckunterstützt gegenüber dem abzudichtenden Bauteil zur Anlage kommt, um die Dichtwirkung zu erhöhen. Zusätzliche Schmierungsmaßnahmen sind hier deshalb nicht zu treffen, weil bei einem Hydraulikzylinder das Druckmittel selbst der Schmierung dient.
Die JP 580 685 46 A offenbart eine weitere technische Lösung für einen druckunterstützten Dichtring zur Erzeugung einer Vorspannung gegenüber dem abzudichtenden Bauteil. Diese Lösung wird jedoch nicht für ein pneumatisches Mehrwegeventil offenbart, sondern in Bezug auf einen in einem Zylinder untergebrachten Kolben.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein pneumatisches Mehrwegeventil in Schieberbauweise zu schaffen, dessen dynamisches Dichtungssystem reibungsminimal arbeitet, um die Lebensdauer zu maximieren.
Die Aufgabe wird ausgehend von einem pneumatischen Mehrwegeventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Die nachfolgenden abhängigen Ansprüche geben vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung wieder.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass zur dynamischen Dichtung zwischen dem Ventilschieber und dem Ventilgehäuse axial voneinander beabstandete Dichtringe angeordnet sind, die in je zugeordneten Haltenuten mit parallelen Nutflanken, diese berührend eingesetzt sind, und die durch eine zwischen jede Haltenut und dem Dichtring gebildete Ringkammer, die zumindest während des Schaltbetriebes mit Druckluft beaufschlagt ist, unter Vorspannung kommen.
Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass die dynamische Dichtung sich nur dann aktivieren lässt, wenn diese auch benötigt wird. Während Zeiträumen, in denen ein erfindungsgemäß ausgebildete Dichtring nicht benötigt wird, kann dieser drucklos geschaltet werden, so dass die druckunterstützte Vorspannung abfällt. Nach langen Stillstandszeiten eines erfindungsgemäßen pneumatischen Mehrwegeventils lässt sich dieses daher mit normaler anfänglicher Schaltkraft wieder in Betrieb setzen. Ansonsten auftretende Haftreibungserscheinungen, wie diese bei Mehrwegeventilen herkömmlicher Bauart problematisch sind, können hierdurch vermieden werden. Ein weiterer Vorteil der Erfindung resultiert daraus, dass der am Dichtring anstehende Druck zur Aufbringung der Vorspannung Bauteiltoleranzen ausgleicht, so dass das erfindungsgemäße dynamische Dichtsystem wenig toleranzempfindlich ist. Zudem können einfache, standardisierte O-Ringe aus geeigneten Elastomermaterial, wie Polyurethan (PU), zum Einsatz gebracht werden. Weiterhin liefert die erfindungsgemäße Lösung die Voraussetzung dafür, durch einen wählbaren Steuerdruck bei Fremdsteuerung die Vorspannung der Dichtringe und somit die Reibkraft eingestellt werden kann. Hierdurch entsteht ein adaptives dynamisches Dichtungssystem. In den meisten Fallen kann sogar auf einen separaten Antriebskolben im Rahmen der pneumatischen Vorsteuerung verzichtet werden, da die Stirnfläche des Ventilschiebers als Antriebskolben ausreicht, um die Verschiebekraft zum Umschalten des Schiebers aufzubringen. Ferner sei darauf hingewiesen, dass die erfindungsgemäße Lösung nicht allein für Ventilschieber mit kreisrundem Querschnitt eignet, sondern auch ovale oder polygone Querschnittsformen, welche unter Umständen Vorteile bezüglich höherer Durchflussraten des Mehrwegeventils bieten können, darstellbar sind.
Die erfindungsgemäße Lösung lässt sich sowohl zur Bildung eines außendichtenden Systems als auch eines innendichtenden Systems verwenden. Ersterenfalls sind die druckunterstützten Haltenuten im Ventilschieber ausgebildet. Anderenfalls sind diese im Ventilgehäuse ausgebildet, so dass die hierin eingesetzten Dichtringe mit ihrem Innenradius gegen den dichtringlosen Ventilschieber zur Anlage kommen.
Vorzugsweise besitzt der Dichtring gegenüber dem benachbarten Ventilbauteilen insgesamt drei dynamische Dichtstellen. Hiervon sind zwei einander gegenüberliegende Dichtstellen mit je einer der beiden Nutflanken ausgebildet und eine der Ringkammern gegenüberliegende Dichtstelle ist mit dem Ventilgehäuse bzw. dem Ventilschieber ausgebildet, je nach dem ob es sich um ein außendichtendes oder innendichtendes System handelt. Stets müssen jedoch die beiden einander gegenüberliegenden Dichtstellen ebenfalls unter Vorspannung stehen, damit ein Druckaufbau innerhalb der Haltenut stattfinden kann.
Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass die Ringkammer der Haltenut zumindest teilweise mit einem Schmierstoff befüllt ist, um ein Schmierstoffdepot zu bilden. Hierzu eignen sich herkömmliche Schmierfette, die im Bereich der Pneumatik Anwendung finden. Alternativ hierzu ist es jedoch auch denkbar, ein Öl zu verwenden. Das Fett oder Öl kriecht seitlich am Dichtring vorbei, was langfristig für eine zuverlässige Schmierung der dynamischen Dichtstellen sorgt.
Gemäß einer anderen die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, dass der Speisdruck oder der Arbeitsdruck zur Druckbeaufschlagung jeder Ringkammer dient, wofür im Ventilgehäuse bzw. im Ventilschieberkanäle zwischen jeder Ringkammer und dem zugeordneten Anschluss verlaufen. Bei einem außendichtenden System verlaufen die Kanäle somit innerhalb des Ventilschiebers, wogegen bei einem innendichtenden System die Kanäle seitens des Ventilgehäuses einzubringen sind, um die gewünschte Druckluftbeaufschlagung der den Dichtringen zugeordneten Dichtkammern zu gewährleisten. Ausgehend von dieser Maßnahme ist es auch denkbar, verschiedene Dichtringe mit unterschiedlichen Druckluftunterstützungsquellen zu verbinden, um entsprechend unterschiedliche Druckluftunterstützungen zu schaffen. So können in der Ruhestellung des Ventilschiebers zur Aufrechterhaltung des Absperrwirkung diejenigen Dichtringe, welche eine Entlüftung verhindern, druckunterstützt werden, während andere Dichtringe, welche zur Druckluftbeaufschlagung abdichten sollen, drucklos bleiben können.
Eine andere die Erfindung verbessernden Maßnahme sieht vor, dass in die Kanäle zur Druckluftbeaufschlagung der Ringkammern mindestens eine Drossel eingesetzt oder ausgebildet ist. Diese Drossel kann im einfachsten Falle durch eine spritzgießtechnische Querschnittsverengung des Kanals ausgebildet werden. Je nach gewählten Drosselquerschnitt kann die Starke der Druckluftunterstützung an die gewünschte Vorspannung angepasst werden.
Zur fertigungstechnisch einfachen Herstellung der die erfindungsgemäßen Mittel zur Druckluftunterstützung enthaltenen Bauteile wird vorgeschlagen, diese – also den Ventilschieber und/oder das Ventilgehäuse – aus einem spritzgegossenem Kunststoff auszubilden.
Zusätzlich zu den wenigen dynamischen Dichtringen, welche dem Schalten des Druckluftflusses zwischen den äußeren Anschlüssen dienen, wird gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme vorgeschlagen, dass sofern eine Vorsteuerung vorhanden ist, der hierzu gehörige mindestens eine Steuerkolben des Ventilschiebers mit einem Dichtring mit druckunterstützter Umfangsnut ausgestattet ist. Für ein monostabiles Mehrwegeventil ist ein einziger derart modifizierter Steuerkolben vorgesehen, wogegen für eine bistabiles Mehrwegeventil beide endseits des Ventilschiebers vorhandenen Steuerkolben mit den erfindungsgemäßen Mitteln modifiziert sind.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnamen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:
1 einen schematischen Längsschnitt durch ein pneumatisches Wegeventil mit druckunterstützten Dichtringen nach dem außendichtenden Prinzip,
2 einen schematischen Längsschnitt durch ein pneumatisches Wegeventil mit druckunterstützten Dichtringen nach dem innendichtenden Prinzip, und
3 eine Detailansicht im Bereich eines Dichtrings von 1.
Gemäß 1 weist das pneumatische Mehrwegeventil ein Ventilgehäuse 1 mit einem zentralen äußeren Anschluss P zur Speisedruckversorgung, zwei beidseits benachbart hiervon angeordnete Anschlüsse A und B für Arbeitsleitungen sowie zwei äußere Anschlüsse R und S zur Entlüftung auf. Innerhalb des Ventilgehäuses 1 ist ein Ventilschieber 2 axial verstellbar untergebracht, um den Druckluftfluss zwischen den äußeren Anschlüssen P, A, B, R und S zu schalten. Sowohl das Ventilgehäuse 1 als auch der Ventilschieber 2 bestehen aus einem spritzgegossenem Kunststoff.
Zur Bildung eines außendichtenden Systems sind seitens des Ventilschiebers 2 Haltenuten 3 (exemplarisch) zur Unterbringung von insgesamt sechs Dichtringen 4a bis 4f angeordnet. Die Dichtringe 4a bis 4f dichten über ihren äußeren Umfang gegenüber dem Ventilgehäuse 1 ab.
Die Haltenuten 3 bilden rückwärtig der Dichtringe 4a bis 4f jeweils Ringkammern 5, die zumindest während des Schaltbetriebs des Mehrwegeventils über den Ventilschieber 2 verlaufende Kanäle 6a bzw. 6b mit Druckluft beaufschlagbar sind. Durch die Druckluftbeaufschlagung kommen die Dichtringe 4a bis 4f unter Vorspannung gegenüber dem Ventilgehäuse 1 zur Anlage, um zuverlässig dynamisch abzudichten.
Der Ventilschieber 2 ist hier an beiden Enden zu einem Steuerkolben einer Vorsteuerung ausgebildet, an denen ebenfalls je ein Dichtring 4a und 4f mit druckunterstützender Haltenut 3 angeordnet ist.
Gemäß 2 sind zur Bildung eines innendichtenden Systems die Haltenuten 3' seitens des Ventilgehäuses 1 ausgebildet. Innerhalb der Haltenuten 3' (exemplarisch) sind Dichtringe 4a' bis 4f eingesetzt, welche innenradial gegenüber dem Ventilschieber 2 abdichten.
Zur Druckunterstützung der Dichtringe 4a' bis 4f' dienen Kanäle 6a' und 6b', welche mit Druckluft beaufschlagbar sind. Zur Steuerung des Drucks weisen die Kanäle 6a' und 6b' Drosseln 7 (exemplarisch) auf.
Nach 3 besitzt jeder Dichtring 4 drei dynamische Dichtstellen 8a bis 8c von denen zwei einander gegenüberliegende Dichtstellen 8a und 8b hier mit einer der zueinander parallel verlaufenden Flanken 9a und 9b der Haltenut 3 ausgebildet sind.
Die rückwärtig des Dichtrings 4 ausgebildete Ringkammer 5 ist mit einem Schmiermittel versehen und wird über den Kanal 6 Druckluft beaufschlagt, um dem Dichtring 4 eine Vorspannung zu verleihen. Dabei kommt die dynamische Dichtstelle 8c am Ventilgehäuse 1 zur Anlage.
Bezugszeichenliste

1: Ventilgehäuse
2: Ventilschieber
3: Haltenut
4: Dichtring
5: Ringkammer
6: Kanal
7: Drossel
8: Dichtstelle
9: Nutflanke

Claims

Pneumatisches Mehrwegeventil mit an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen (P, A, B, R, S), zwischen denen ein innenliegend angeordneter und axial verstellbarer Ventilschieber (2) Druckluftflüsse schaltet, wobei zur dynamischen Dichtung zwischen dem Ventilschieber (2) und dem Ventilgehäuse (1) axial voneinander beabstandete Dichtringe (4a–4f; 4a'–4f) angeordnet sind, die in je zugeordneten Haltenuten (3), diese berührend eingesetzt sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtringe (4a–4f; 4a'–4f') durch eine zwischen jeder Haltenut (3, 3') mit parallelen Nutflanken (9a, 9b) und dem Dichtring (4a–4f; 4a'–4f) gebildete zumindest während des Schaltbetriebes mit Druckluft beaufschlagte Ringkammer (5) unter Vorspannung kommen, wobei die Ringkammer (5) zumindest teilweise mit einem Schmierstoff befüllt ist, um ein Schmierstoffdepot zu bilden.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines außen dichtenden Systems die Haltenuten (3) im Ventilschieber (2) ausgebildet sind.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung eines innen dichtenden Systems die Haltenuten (3') im Ventilgehäuse (1) ausgebildet sind.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Dichtring (4a–4f) als ein O-Ring aus einem Elastomermaterial gefertigt ist.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (4) drei dynamische Dichtstellen (8a–8c) besitzt, von denen zwei einander gegenüberliegende Dichtstellen (8a, 8b) je mit einer der Nutflanken (9a, 9b) ausgebildet sind und eine der Ringkammer (5) gegenüberliegende Dichtstelle (8c) mit dem Ventilgehäuse (1) bzw. dem Ventilschieber (2) ausgebildet ist.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Speisedruck (P) oder ein Arbeitsdruck (A, B) zur Druckluftbeaufschlagung jeder Ringkammer (5) dient, wofür im Ventilgehäuse (1) bzw. im Ventilschieber (2) Kanäle (6a, 6b; 6a', 6b') zwischen jeder Ringkammer (5) und dem zugeordneten Anschluss (P, A, B) verlaufen.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass in die Kanäle (6a', 6b') mindestens eine Drossel (7) zur Steuerung der Druckunterstützung der Dichtringe (4a'–4f) eingesetzt oder ausgebildet ist.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (2) und/oder das Ventilgehäuse (1) aus einem spritzgegossenen Kunststoff besteht.
Pneumatisches Mehrwegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (2) an mindestens einem Ende zu einem Steuerkolben einer Vorsteuerung ausgebildet ist, an dem ebenfalls ein Dichtring (4a; 4f) mit druckunterstützender Haltenut (3) ausgebildet ist.