DE19532964A1 - Schaltventil, insbesondere für pneumatische Anwendungen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf Schaltventile, insbesondere für pneumatische Anwen­ dungen. Bei Einrichtungen, die mit Schaltventilen ausgerüstet werden ist es wün­ schenswert, in bestimmten Situationen den herrschenden Druck in kurzer Zeit abzu­ schalten. Beispielsweise kann es bei pneumatisch betätigten Kupplungen zu einer Überlastung im Antriebsstrang kommen, die von einer Sensorik, beispielsweise Dehn­ meßstreifen in kürzester Zeit erfaßt und von einer Steuerelektronik verarbeitet werden kann. Beim Abschalten derartiger Kupplungen muß derzeit noch eine erhebliche Ver­ zögerung infolge der Trägheit marktüblicher Pneumatikventile in Kauf genommen wer­ den.

Aus der OS DE 44 16 955 und aus der OS DE 44 20 623 sind Ventile nach dem Ober­ begriff des Patentanspruchs bekannt, bei dem der Ventilkolben auf dem Boden des Gehäuses aufsitzt und die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens durch Druckbeauf­ schlagung eines Ringraums unterhalb der Stirnseite des Ventilkolbens ausgelöst wird. Die in OS DE 44 16 955 aufgezeigte Lösung eignet sich gut für hydraulisch betätigte Ventile. Der Bau eines Pneumatikventils entsprechend der dortigen Erfindung ist dage­ gen mit ganz erheblichen Problemen verbunden.

Die Anpreßkraft des dortigen Ventilkolbens auf seine Sitzfläche ist zunächst sehr ge­ ring, da einerseits der Druck bei pneumatischen Anwendungen sehr viel geringer ist und weil andererseits gleichzeitig die Kraft der Ventilkolbenfeder sehr klein sein muß, um höhere Restdrücke zu vermeiden. Parallel zur geringeren Anpreßkraft des Ventil­ kolbens auf seine Sitzfläche steigt der Leckvolumenstrom unter die Stirnfläche des Ventilkolbens. Damit wird es schwierig, einen zuverlässigen Ventilsitz zu gewähr­ leisten, die Gefahr von Fehlschaltungen, insbesondere nach längerem Betrieb des Ventils, steigt erheblich an.

Ein weiterer Nachteil für bekannte Lösungen ist es, daß in der Anfangsphase der Öff­ nungsbewegung die Geschwindigkeit der Kolbenbewegung in erster Linie durch den Volumenstrom des Vorsteuerventils vorgegeben wird. Der Volumenstrom des Vor­ steuerventils ist aber extrem klein, da das Vorsteuerventil geringste Öffnungszeiten aufweisen muß (so kann beispielsweise für ein Ventil der Nenngröße 25 mm ein Vor­ steuerventil der Nenngröße 1 mm verwendet werden). Die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens wird bei einem Vorsteuerventil der Nenngröße 1 mm aber noch dadurch begrenzt, daß zum Initiieren des Öffnungsvorgangs des Ventils das gesamte Volumen unterhalb des Kolbens mit Fluid gefüllt werden muß. Der Volumenstrom, der seitlich von der Mantelfläche unter die Stirnfläche zu Beginn des Öffnungsvorgangs strömt, wird beim Durchfließen des vorhandenen, sehr kleinen Spaltes zu Beginn der Öff­ nungsbewegung des Ventils erheblich abgebremst.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Schaltventil für pneumatische Anwendungen so auszubilden, daß es schnell reagiert und gleichzeitig sehr zuverlässig arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die untere Stirnfläche des Ventilkolbens 4 mit einem Steuerring 9 gegen die Öffnung zur Umgebung 11 bzw. zum Tank abgedichtet ist, wobei über eine Ringnut 8a die untere Stirnfläche des Steuer­ rings 9 von einem Vorsteuerventil 14 mit Druck beaufschlagt ist, und daß die Öff­ nungsbewegung des Ventilkolbens 4 durch Druckentlastung der unterhalb des Steuerrings 9 liegenden Ringnut 8a initiiert wird.

Die Erfindung wird anhand von zwei Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Fig. 1 und Fig. 2 zeigen eine Ausführung des Ventils mit einem Steuerring 9, der un­ terhalb der unteren Stirnfläche des Kolbens 4, in die im Boden des Gehäuses 1 ange­ ordnete Ringnut 8a eingelassen ist. Im Ausgangszustand steht die Zuleitung 12a unter Druck. Das Vorsteuerventil 14 beaufschlagt die Ringnut 8a mit Druck, der an der Un­ terseite des Steuerrings 9 wirkt und den Steuerring 9 gemeinsam mit der Kraft der Fe­ der 6b gegen die Unterseite des Ventilkolbens 4 drückt. Über die Dichtfläche 13 bildet sich damit ein Druckverlauf aus, der ausgehend vom vorhandenen Druck in der Zulei­ tung 12a, der an der Mantelfläche des Kolbens 4 und damit an dem außen liegenden Teil der Dichtfläche 13 wirkt, bis auf fast Null am innen liegenden Teil der Dicht­ fläche 13 abfällt, da dieser Bereich über die Ringnut 8b und ausreichend dimen­ sionierte Spalte im Bereich zwischen der Ringnut 8b und der Öffnung 11 a druckent­ lastet ist. Auf die Dichtfläche 13 wirkt somit eine Kraft, die sich näherungsweise aus der halben Dichtfläche und dem herrschenden Druck in der Zuleitung 12a zuzüglich der Kraft der Feder 6b ergibt.

Die Abdichtung zwischen der inneren Mantelfläche des Steuerrings 9 und dem Boden des Gehäuses 1 erfolgt in gleicher Weise wie zwischen Steuerring 9 und der Unter­ seite des Ventilkolbens 4. Die Flächenpressung an der Dichtfläche 13 läßt sich bei Bedarf erhöhen, indem die Dichtfläche innen abgesetzt wird. Die Unterseite des Ventil­ kolbens 4 ist damit sehr zuverlässig gegen den Druck von der Zuleitung 12a abge­ schirmt. Selbst recht große Toleranzen, die sich durch die Fertigung oder infolge von Verschleißerscheinungen einstellen können, werden mit Hilfe des Steuerrings 9 pro­ blemlos ausgeglichen.

Die Öffnungsbewegung für den Ventilkolben 4 wird über das Vorsteuerventil 14 durch Entlasten der Ringnut 8a vom anstehenden Druck eingeleitet. Der auf die Oberseite des Steuerrings 9 anstehende Druck bewirkt, daß der Steuerring 9 nach unten gescho­ ben wird. Der Ventilkolben 4, der ursprünglich infolge der vorhandenen Druckverhält­ nisse zunächst kraftschlüssig mit dem Steuerring verkoppelt ist, kann dieser Bewegung nicht folgen, da er auf dem Steg 15 aufsitzt. Durch die Bewegung des Steuerrings 9 wird ein radialer Überströmquerschnitt zwischen Steuerring 9 und Ventilkolben 4 frei­ gegeben und die Ringnut 8b mit dem Druck aus der Leitung 12a beaufschlagt. Der damit an der Unterseite des Ventilkolbens 4 anstehende Druck bewirkt die Öffnungs­ bewegung des Ventilkolbens 4. Die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens 4 wird im oberen Bereich durch Einlaufen des Ventilkolbens 4 in den Dämpfungsraum 3 definiert abgebremst. Über die Bohrungen 7 kann das Fluid, insbesondere Druckluft, dann in die Umgebung bzw. zum Tank abströmen, der in der Leitung 12a anstehende Druck wird abgebaut. Die Öffnungsbewegung wird verbessert, wenn die Volumina der Ring­ nuten 8a und 8b klein gehalten werden. Aus Darstellungsgründen sind die Höhen der Ringnuten 8a und 8b vergrößert.

Nach dem Abbau des Druckes aus der Leitung 12a schiebt die Feder 6a den Ventilkol­ ben 4 wieder in seine untere Ausgangslage zurück, das erfindungsgemäße Ventil ist für den nächsten Zyklus bereit. Bei Beaufschlagung der Zuleitung 12a und der Ring­ nut 8a mit Druck werden der Ventilkolben 4 und der Steuerring 9 in der beschriebenen Weise wieder verkoppelt und die Verbindung zwischen Zuleitung 12a sowie der Öff­ nung 11 a ist dichtend unterbrochen, der Ausgangszustand ist wieder hergestellt.

Wegen der Kraft der Feder 6a verbleibt am Ende des Abströmens von Fluid aus der Öffnung 11 a noch ein geringer Restdruck, der in der Regel unschädlich ist, beispiels­ weise beim schnellen Abschalten überlasteter pneumatisch betätigter Kupplungen.

Prinzipiell kann das erfindungsgemäße Schaltventil auch so ausgelegt werden, daß es restdruckfrei wird. Beispielsweise kann die Feder 6a ersetzt werden durch einen Schaltmagneten, der beispielsweise über Stifte den Ventilkolben 4 zu Beginn der Druckbeaufschlagung des erfindungsgemäßen Ventils auf den Steg 15 und gegen den von den Federn 6b hochgehaltenen Steuerring 9 drückt. Zur Verminderung der zu be­ schleunigenden Massen kann der Magnet nach erfolgtem Kopplungsvorgang zwischen Ventilkolben 4 und Steuerring 9 zurückgezogen werden. Anstelle der Feder 6b kann zur Verminderung des Volumens der Ringnut 8 und bei Bedarf zur Vergrößerung der Federkraft für die dargestellte Spiralfeder ein wellenförmig gebogener Ring aus Fe­ derstahl verwendet werden.

Bezugszeichenliste

1 Gehäuse
2 Deckel
3 Dämpfungsraum
4 Ventilkolben
5 Führungskörper
6 Feder
7 Bohrungen
8 Ringnut
9 Steuerring
10 Sicherungsring
11 Öffnung zur Umgebungsluft bzw. zum Tank
12 Zuleitung für Druck
13 Dichtfläche zwischen Ventilkolben und Steuerring
14 Vorsteuerventil
15 Steg

Claims (4)

1. Schaltventil mit einem Ventilkolben, dessen Mantelfläche im Ausgangszustand von unter Druck stehendem Fluid umgeben ist, gekennzeichnet dadurch, daß die untere Stirnfläche des Ventilkolbens (4) mit einem Steuerring (9) gegen die Öffnung zur Umgebung (11) bzw. zum Tank abgedichtet ist, wobei über eine Ringnut (8a) die untere Stirnfläche des Steuerrings (9) von einem Vorsteuerventil (14) mit Druck be­ aufschlagt ist, und daß die Öffnungsbewegung des Ventilkolbens (4) durch Druck­ entlastung der unterhalb des Steuerrings (9) liegenden Ringnut (8a) initiiert wird.

2. Schaltventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ventilkolben (4) über einen Führungskörper (5) geführt wird und daß der Fluidaustritt über Bohrun­ gen (7) im Führungsrohr erfolgt.

3. Schaltventil nach Anspruch 1 gekennzeichnet dadurch, daß der Ventilkolben (4) mit Federn (6a) in seine Ausgangslage bewegt wird.

4. Schaltventil nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Ventilkolben (4) mit Hilfe eines Schaltmagneten in seine Ausgangslage bewegt wird.