DE19823086C2 - Ventilsteuerung für strömungsmittelbetriebene schwungradlose Hubkolbenmaschine - Google Patents

Description

Es sind druckluftbetriebene, schwungradlose Pumpen für Luftlos-Lackiergeräte bekannt, die zur Erzielung eines gleichmäßigen Förderdruckes einen durch eine Kolbenstange fest mit dem doppelseitig wirkenden, in axialer Richtung hin- und herbewegten Antriebskolben verbundenen Pumpenkolben aufweisen. Um einen Ablauf mit nur kurzen und möglichst wenigen Unterbrechungen zu erzielen, wird eine schnelle Hubrichtungsumkehr sowie die Ausnutzung des gesamten Hubraumes angestrebt.

Aus der DE-OS 19 56 322 sowie der DE 24 13 531 B2 sind Steuerungen zur wechselseitigen Beaufschlagung des Antriebskolbens mit Druck bekannt, die bei Erreichen eines bestimmten Druckes im Arbeitsraum (bei bestimmungsgemäßem Betrieb am durch einen mechanischen Anschlag festgelegten Ende des Kolbenweges) die Hubrichtungsumkehr einleiten. Dieser liegt über dem der bewegten Last entsprechenden Druck und kann nicht zur Verkleinerung des Hub- bzw. Bauraumes oder zur Bewegung einer entsprechend größeren Last herangezogen werden, wodurch nur ein geringer Wirkungsgrad erreicht wird. Weiterhin verlängert sich die Hubrichtungsumkehr um die zum Erreichen dieses höheren Druckes in Anspruch genommene Zeit.

Ein besserer Wirkungsgrad kann durch den Einsatz von Steuerungen mit ortsfester, druckunabhängiger Hubrichtungsumkehr erzielt werden. Aus der US 2745386 und der US 4870891 sind symmetrisch aufgebaute Steuerungen dieser Art bekannt, deren Teile jedoch aufgrund der Symmetrie zumindest im Stillstand durch äußere Einflüsse (Erschütterungen usw.) in eine (Mittel-)Lage gebracht werden können, in der ein Wiederanlaufen unmöglich ist. Durch eine Erhöhung der Zahl beweglicher Steuerungsteile (US 4870891) kann zwar bei entsprechend erhöhtem Herstellungsaufwand die Wahrscheinlichkeit eines störungsfreien Anlaufens erhöht werden; Voraussetzung für ein zuverlässiges Anlaufen bei jeder beliebigen Lage der Steuerorgane ist jedoch ein unsymmetrischer Aufbau. Dieser wurde in der Vergangenheit bei dampfbetriebenen Pumpen (z. B. an Dampflokomotiven) angewandt. Aus diesem Bereich sind verschiedene Steuerungen bekannt, deren Steuerorgane mechanisch oder durch (Dampf-)Druck betätigt werden.

Bei Steuerungen mit mechanisch betätigten Teilen besteht häufig ein Nachteil darin, daß einige Teile zeitweise nur durch Reibung in ihrer Lage gehalten werden und ebenso wie bei symmetrisch aufgebauten Steuerungen in eine Lage gebracht werden können, in der ein Wiederanlaufen unmöglich ist. Weiterhin können die beim Umsteuervorgang an den Steuerungsteilen auftretenden Stöße nur schlecht gedämpft werden, wodurch die Lebensdauer dieser Teile verkürzt wird. Durch die mechanische Betätigung ist die Anordnung der Steuerorgane am Antrieb weitgehend festgelegt und kann nicht oder nur schlecht an bestehende Platzverhältnisse angepaßt werden. Sowohl mechanisch als auch durch Druck betätigte Steuerorgane sind häufig so ausgelegt, daß mehrere Öffnungs- bzw. Schließvorgänge möglichst gleichzeitig ablaufen müssen. Dadurch ergeben sich hohe Anforderungen an die genaue Einhaltung bestimmter Maße der steuernden Kanten über die gesamte Lebensdauer des Antriebes. Der zeitliche Ablauf sowie ggf. die Reihenfolge der resultierenden Druckänderungen hängt daneben stark von der Bewegungsgeschwindigkeit des jeweiligen Steuerorgans und von der zu bewegenden Fluidmenge sowie der dabei auftretenden Drosselung ab. Im Betrieb können diese Einflüsse durch die Nutzung der Massenträgheit der Steuerungsteile oder der Ausdehnung des unter Druck stehenden Fluids (Gas) weitgehend unterdrückt werden; beim Anlaufen können jedoch bei entsprechender Lage der Steuerorgane Störungen infolge von mangelhaftem Druckaufbau durch starke Drosselung in Verbindung mit Undichtigkeit oder Volumenabnahme, z. B. durch Kondensation, auftreten.

Steuerungen, die die genannten Nachteile vermeiden, müssen neben dem Kolben sowie dem Hauptsteuerorgan über mindestens ein weiteres bewegliches Teil verfügen, um ein sicheres Anlaufen in jeder möglichen Lage der beweglichen Teile zu gewährleisten. Im Fall genau eines weiteren (Hilfs-)Steuerorgans ändert dieses in der Regel bei einer Hubrichtungsumkehr seinen Zustand (Lage) kurz vor oder nach dem Umsteuern des den Arbeitszylinderdruck bestimmenden Hauptsteuerorgans und hindert dieses nach erfolgtem Druckwechsel im Arbeitszylinder an einem vorzeitigen erneuten Umsteuern.

Die Herstellung eines solchen Hilfssteuerorgans erfordert meist einen ähnlich hohen Aufwand wie die des Haupsteuerorgans. Aufgabe der Erfindung ist es, insbesondere zur Ausführung eines sehr kleinen und für den Einsatz kondensierender Fluide geeigneten Hubkolbenantriebes unter Verwendung nur eines aufwendig herzustellenden Schiebers die genannten Nachteile zu vermeiden. Diese Aufgabe wird durch die in den Patentansprüchen aufgeführten Merkmale gelöst.

Der grundlegende Aufbau der Steuerung ist in Fig. 1 dargestellt.

Der einteilige Schieber 3 verbindet, abhängig von seiner Lage, die beiden über und unter dem Kolben 1 liegenden Zylinderräume über die Leitungen 30 und 31 mit dem Einlaß 5 bzw. Auslaß 6 oder 7. Zu diesem Zweck ist er im mittleren Bereich so gestaltet, daß in seiner oberen Endlage der Kolben nur von oben, in der unteren Lage des Schiebers nur von unten und bei mittlerer Lage des Schiebers von beiden Seiten mit Druck beaufschlagt wird.

An beiden Enden des Schiebers befinden sich, entgegengesetzt gerichtet, je zwei unterschiedlich große Druckflächen 10, 11 und 12, 13, wobei nur die größeren zwei entgegengesetzt gerichteten Flächen 10 und 13 gleich groß sind. Unabhängig von der Lage des Schiebers ist jeder der vier Druckflächen 10, 11, 12, 13 je eine Bohrung 20, 21, 24, 25 im Schiebergehäuse 4 zugeordnet.

Der Kolben 1 ist fest mit der Kolbenstange verbunden und besitzt in geringem Abstand von seinen beiden Stirnflächen je eine Umfangsnut 14 und 15, die über ein oder mehrere Rückschlagventile 17, 18 mit der jeweils benachbarten Stirnfläche so verbunden ist, daß das Arbeitsfluid von dieser Stirnfläche zur Nut gelangen kann.

Der Zylinder 2 ist an beiden Enden durch die Leitungen 30 und 31 mit den Bohrungen 22 und 23 im Schiebergehäuse verbunden, die abhängig von der Lage des Schiebers mit dem Einlaß bzw. Auslaß in Verbindung stehen. Weiterhin sind zwei größere Bohrungen 26 und 27 am Umfang der Zylinderlauffläche sowie eine kleine Bohrung 16 vorhanden.

Die beiden größeren Bohrungen 26 und 27 sind so angeordnet, daß jeweils eine von ihnen mit den beiden Nuten 14 und 15 im Kolben in Verbindung steht, wenn dieser sich in seiner oberen bzw. unteren Endlage befindet.

Die kleine Bohrung 16 ist auf Höhe der oberen großen Bohrung 26 so angeordnet, daß sie beim Aufwärtshub des Kolbens von der zwischen dessen Nuten befindlichen Mantelfläche verdeckt wird, bevor die untere Nut 15 die größere Bohrung 26 erreicht. Die kleine Bohrung 16 bleibt während der Hubrichtungsumkehr verdeckt.

Die Bohrungen des Zylinders sind mit den Bohrungen des Schiebergehäuses über Leitungen so verbunden, daß bei in Mittellage befindlichem Kolben die beiden einander gegenüberliegenden großen Druckflächen 10 und 13 des Schiebers diesen infolge des dort herrschenden Druckes in seiner oberen bzw. unteren Endlage halten, während die kleinen Druckflächen 11 und 12 in umgekehrter Richtung mit Druck beaufschlagt werden.

Bewegt sich der Kolben in eine Endlage, dann stellt sich über die im Kolben befindlichen Rückschlagventile 17, 18 und Nuten 14, 15 in Verbindung mit den großen Bohrungen 26 bzw. 27 sowie die Leitungen 28 und 33 ein Druckausgleich an den großen Druckflächen 10 und 13 des Schiebers ein; durch die an den kleinen Druckflächen 11 und 12 wirkenden Drücke wird der Schieber aus seiner Endlage wegbewegt, und die Hubrichtungsumkehr wird eingeleitet.

Die bei der Hubrichtungsumkehr ablaufenden Schritte werden im folgenden für die obere und untere Endlage des Kolbens einzeln erläutert.

Befindet sich der Schieber in seiner oberen Endlage und der Kolben in Mittelstellung, so wirkt der Einlaßdruck über die Leitung 30 auf die obere Kolbenfläche sowie über die Leitungen 29 und 33 auf die obere kleine Schieberdruckfläche 11 und auf die untere große Schieberdruckfläche 13. Die untere Kolbenfläche ist über die Leitung 31 mit einem Auslaß verbunden, ebenso die untere kleine Schieberdruckfläche 12. Die obere große Schieberdruckfläche 10 ist über die Leitungen 28 und 31 ebenfalls mit einem Auslaß verbunden. Durch die Druckverhältnisse an den großen Druckflächen des Schiebers wird dieser in seiner oberen Endlage gehalten. Der Kolben bewegt sich nach unten.

Nachdem die untere Kolbenmantelfläche den unteren Rand der Bohrung 27 erreicht und diese damit vom unteren Zylinderraum getrennt hat, gibt die zwischen den Nuten befindliche Mantelfläche den oberen Teil der Bohrung 27 frei und verbindet so den oberen Zylinderraum über das obere Rückschlagventil 17 mit dieser Bohrung. Die untere Nut 15 ist ebenfalls noch mit dieser Bohrung verbunden; infolge des Druckes aus dem oberen Zylinderraum schließt jedoch das untere Rückschlagventil 18.

Ebenso wie die untere große Druckfläche 13 des Schiebers (über die Leitung 33), wird jetzt auch die obere große Druckfläche 10 über die Leitung 28 mit Druck beaufschlagt, so daß nun die Bewegung des Schiebers nur noch von den an den kleinen Druckflächen 11 und 12 wirkenden Drücken bestimmt wird.

Über die Leitung 29 wirkt auf die obere kleine Druckfläche der über dem Kolben herrschende Einlaßdruck. Der Schieber bewegt sich abwärts.

Wenn er seine Mittellage erreicht hat, wird über die Leitung 31 auch die untere Kolbenfläche sowie über die Leitung 32 die untere kleine Schieberdruckfläche 12 mit Druck beaufschlagt, so daß nun an beiden Kolbenflächen sowie an allen vier Schieberdruckflächen der gleiche Druck herrscht. Da die untere kleine Druckfläche 12 jedoch kleiner als die obere kleine Druckfläche 11 ist, bewegt sich der Schieber weiter nach unten und verbindet schließlich über die Leitung 30 die obere Kolbenfläche mit dem Auslaß 6. Damit sinkt auch der Druck an der oberen kleinen Schieberdruckfläche 11 (über die Leitung 29) sowie an der unteren großen Schieberdruckfläche 13 (über die Leitung 33).

Über das in der unteren Nut 15 des Kolbens befindliche Rückschlagventil 18 sowie die Leitung 28 ist die obere große Schieberdruckfläche 10 weiterhin mit dem unter dem Kolben herrschenden Einlaßdruck verbunden; das obere Rückschlagventil 17 ist geschlossen. Der Schieber wird jetzt infolge der Druckverhältnisse an den großen Druckflächen in seiner unteren Endlage festgehalten. Der Kolben bewegt sich nach oben. Nachdem die obere Kolbenmantelfläche den oberen Rand der Bohrung 26 erreicht und die zwischen den Nuten befindliche Kolbenmantelfläche die kleine Bohrung 16 verschlossen hat, gibt diese mittlere Mantelfläche den unteren Teil der Bohrung 26 frei und verbindet so den unteren Zylinderraum über das untere Rückschlagventil 18 mit dieser Bohrung.

Die obere Nut 14 ist ebenfalls noch mit dieser Bohrung verbunden; infolge des Druckes aus dem unteren Zylinderraum schließt jedoch das obere Rückschlagventil 17.

Ebenso wie die obere große Druckfläche 10 des Schiebers (über die Leitung 28), wird jetzt auch die untere große Druckfläche 13 über die Leitung 33 mit Druck beaufschlagt, so daß nun die Bewegung des Schiebers nur noch von den an den kleinen Druckflächen 11 und 12 wirkenden Drücken bestimmt wird. Über die Leitung 32 wirkt auf die untere kleine Druckfläche 12 der unter dem Kolben herrschende Einlaßdruck. Die Leitung 29 sowie die obere kleine Druckfläche 11 sind drucklos.

Der Schieber bewegt sich aufwärts.

Um die obere kleine Druckfläche 11 bei evtl. vorhandenen Undichtigkeiten (z. B. im Bereich der oberen großen Druckfläche 10) drucklos zu halten, ist (entsprechend Patentanspruch 4) der Bereich der oberen kleinen Druckfläche über eine gegenüber den anderen Bohrungen sehr kleine Bohrung 8 (Drossel) mit dem Auslaß 6 verbunden.

Wenn der Schieber seine Mittellage erreicht hat, wird über die Leitung 30 auch die obere Kolbenfläche mit Druck beaufschlagt, so daß nun an beiden Kolbenflächen sowie an allen Schieberdruckflächen mit Ausnahme der oberen kleinen Druckfläche 11 der gleiche Druck herrscht.

Da die obere kleine Druckfläche weiterhin drucklos ist, bewegt sich der Schieber weiter nach oben und verbindet schließlich über die Leitung 31 die untere Kolbenfläche mit dem Auslaß 7. Damit sinkt auch der Druck an der unteren kleinen Schieberdruckfläche 12 (über die Leitung 32) sowie an der oberen großen Schieberdruckfläche 10 (über die Leitung 28).

Über das in der oberen Nut 14 des Kolbens befindliche Rückschlagventil 17 sowie die Leitung 33 ist die untere große Schieberdruckfläche 13 weiterhin mit dem über dem Kolben herrschenden Einlaßdruck verbunden; das untere Rückschlagventil 18 ist geschlossen.

Der Schieber wird jetzt infolge der Druckverhältnisse an den großen Druckflächen in seiner oberen Endlage festgehalten. Der Kolben bewegt sich nach unten.

Anschließend wiederholt sich der gesamte Ablauf wie beschrieben.

Die Fig. 2 zeigt eine weitere Ausgestaltung der Erfindung.

Der Schieber unterscheidet sich von der in Fig. 1 beschriebenen Bauform durch die Anordnung der kleinsten Druckfläche 12, die in direkter Verbindung mit dem Einlaß 5 steht und daher ständig mit Druck beaufschlagt wird (Patentanspruch 5), wodurch die Bauhöhe des Schiebers im unteren Bereich verringert wird und die Bohrung 24 im Schiebergehäuse entfällt.

Darüber hinaus erfolgt in der unteren Lage des Schiebers die Verbindung des oberen Zylinderraumes mit dem Auslaß über Bohrungen 9 im Schieber, wodurch die Bauhöhe des Schiebers auch im oberen Bereich verringert wird.

Das einteilige doppelseitig wirkende Rückschlagventil 19 wird von dem auf der jeweils gegenüberliegenden Seite herrschenden Druck auf die Seite mit dem niedrigeren Druck bewegt.

Die Arbeitsweise entspricht der des in Fig. 1 gezeigten Antriebes. Da auch der dort gezeigte Schieber im Betrieb nie frei von aus Drücken resultierenden Kräften ist bzw. sein muß, wird die Funktion durch die jetzt ununterbrochene Beaufschlagung der kleinsten Druckfläche 12 mit Druck nicht nachteilig beeinflußt.

Zur Vermeidung von unbeabsichtigten Schieberbewegungen bei der Hubrichtungsumkehr ist ein entsprechendes Verhältnis der Strömungswiderstände im Ein- bzw. Auslaß und in den Verbindungen zwischen Schiebergehäuse und Zylinder anzustreben.

Claims (5)

1. Ventilsteuerung für strömungsmittelbetriebene, schwungradlose Hubkolbenmaschinen mit ausschließlich druckbetätigten Steuerorganen und festen Umkehrpunkten des in einem Zylinder (2) hin- und herbeweglichen Arbeistkolbens (1), mit einem Schieber (3), der in seinen Endlagen je eine Seite und in Mittelstellung beide Seiten des Arbeitskolbens (1) mit Druck beaufschlagt und über Leitungen (28 bis 33) selbst so mit den im Zylinder (2) herrschenden Drücken beaufschlagt wird, daß der Schieber (3) bei in Mittelstellung befindlichem Arbeitskolben (1) durch die Druckverhältnisse an einander gegenüberliegenden größeren Druckflächen (10, 13) in seiner Lage gehalten wird, während die aus den an einander gegenüberliegenden kleineren Druckflächen (11, 12) wirkenden Drücken resultierende kleinere Kraft in entgegengesetzter Richtung wirkt, gekennzeichnet durch im Arbeitskolben (1) angeordnete Rückschlagventile (17, 18), die bei der Hubrichtungsumkehr die zu deren Einleitung mit Druck beaufschlagte größere Druckfläche (10, 13) des Schiebers (3) über Bohrungen (26, 27) im Zylinder (2) zumindest solange mit dem jeweils größeren der im Zylinder (2) herrschenden Drücke verbinden, bis die Hubrichtungsumkehr abgeschlossen ist.

2. Ventilsteuerung nach Patentanspruch 1, gekennzeichnet durch eine Bohrung (16) im Zylinder (2), die mit der einer kleineren Druckfläche (11) des Schiebers (3) zugeordneten Steuerkammer verbunden ist und während der Hubrichtungsumkehr vom Arbeitskolben (1) verschlossen wird.

3. Ventilsteuerung nach den Patentansprüchen 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen Schieber (3) mit zwei unterschiedlich großen kleineren Druckflächen (11, 12).

4. Ventilsteuerung nach den Patentansprüchen 2 oder 3, gekennzeichnet durch eine Drossel (8), die zwischen der einer kleineren Druckfläche (11) des Schiebers (3) zugeordneten Steuerkammer und dem Auslaß (6) angeordnet ist.

5. Ventilsteuerung nach einem der Patentansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die kleinste Druckfläche (12) des Schiebers (3) ständig mit Druck beaufschlagt ist.