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Dokumentenidentifikation DE102005038621A1 01.03.2007
Titel Pneumatisches Wegeventil mit mindestens einem Ventilschieber
Anmelder Bosch Rexroth AG, 70184 Stuttgart, DE
Erfinder Widera, Jörg, 70839 Gerlingen, DE
Vertreter Maiwald Patentanwalts GmbH, 40221 Düsseldorf
DE-Anmeldedatum 16.08.2005
DE-Aktenzeichen 102005038621
Offenlegungstag 01.03.2007
Veröffentlichungstag im Patentblatt 01.03.2007
IPC-Hauptklasse F16K 11/22(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE
IPC-Nebenklasse F16K 11/06(2006.01)A, L, I, 20051017, B, H, DE   
Zusammenfassung Pneumatisches Wegeventil zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen (P, A, B, R, S) mittels mindestens eines Ventilschiebers (4a, 4b), der innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung (2) des Ventilgehäuses (1) axial verschiebbar angeordnet ist und über einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben (5a; 5b) axial bewegbar ist, wobei der mindestens eine Steuerdruckkolben (5a; 5b) einen rückwärtigen Abschnitt (8a, 8b) zum Verschließen eines zwischen zwei äußeren Anschlüssen (A, R; B, S) angeordneten Ventilsitzes (7a; 7b) aufweist, wobei die axiale Führung des mindestens einen Ventilschiebers (4a, 4b) an nur zwei Stellen derart erfolgt, dass die eine Stelle durch eine Schieberdichtung (9) zum Schalten des Druckluftflusses zwischen mindestens zwei äußeren Anschlüssen (A, P; A; R bzw. B, P; B, R) gebildet ist und dass die andere Stelle durch eine am Steuerdruckkolben (5a; 5b) angeordnete Kolbendichtung gebildet ist.

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft ein zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren, an einem Ventilgehäuse angeordneten äußeren Anschlüssen mittels mindestens eines Ventilschiebers, der innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung des Ventilgehäuses axial verschiebbar angeordnet ist und über einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben axial bewegbar ist.

Gewöhnlich werden im Rahmen einer Ventilbaureihe Wegeventile mit einer Palette von allen denkbaren Ventilfunktionen angeboten. In monostabiler oder bistabiler Variante sind u.a. 3/2-, 2 × 3/2-, 4/2-, 5/2-, oder 5/3-Wegeventile erhältlich. Die vorliegende Erfindung ist für 3/2- und 2 × 3/2-Wegeventile besonders geeignet.

Sind innerhalb eines pneumatischen Systems eine Vielzahl von einzelnen Ventilen zur Ansteuerung nachgeschalteter Druckmittelaggregate erforderlich, so werden diese meistens innerhalb einer kompakten Ventileinheit örtlich zusammengefasst. Alle Ventile einer solchen Ventileinheit können so einen gemeinsamen Speisedruck- und Entlüftungsanschluss nutzen. Die elektrische Ansteuerung der einzelnen pneumatischen Wegeventile lässt sich bei einer Ventileinheit mit minimalem Verdrahtungsaufwand bewerkstelligen.

Der Trend in der Technik geht mehr und mehr zu immer kompaktbauenderen Ventileinheiten, welche möglichst kleinbauende, pneumatische Wegeventile erfordern. Der zunehmenden Verkleinerung sind Grenzen gesetzt durch erforderliche Durchflussraten oder einem erforderlichen Vorsteuerdruck, welcher in der Lage sein muss, den innenliegenden Ventilschieber trotz Reibung sicher von einer Schaltposition in die andere Schaltposition zu bewegen.

Aus der DE 102 18 759 A1 geht ein pneumatisches Wegeventil hervor, das als monostabiles 5/2-Wegeventil ausgeführt ist. Es verfügt insoweit über fünf äußere Anschlüsse, von denen ein zentraler Speisedruckanschluss zur Druckluftversorgung vorgesehen ist. In der Längserstreckung der Schieberbohrung ist zum zentralen Speisedruckanschluss beidseits je ein Arbeitsanschluss benachbart angeordnet, zu welchen wiederum je ein Entlüftungsanschluss benachbart angeordnet ist. Bei dem so aufgebauten Wegeventil erfolgt in der ersten Schaltposition eine Entlüftung des einen Arbeitsanschlusses, wogegen der andere Arbeitsanschluss mit Speisedruck belüftet wird; in der anderen Schaltposition wird der erstgenannte Arbeitsanschluss belüftet, wogegen der zweitgenannte Arbeitsanschluss entlüftet wird.

Zur Realisierung dieser Wegeventilfunktion ist innerhalb des Ventilgehäuses eine Schieberbohrung zur Aufnahme eines hierin axial bewegbaren Ventilschiebers vorgesehen. Zur Abdichtung gegenüber dem Ventilgehäuse und teilweise zur Ausführung der Schaltfunktion bedarf es hier insgesamt sieben Dichtringen, welche am Ventilschieber angeordnet sind.

Diese Vielzahl von einzelnen Dichtringen erzeugt eine recht hohe Haftreibung, welche zwecks Bewegen des Ventilschiebers durch den Vorsteuerdruck überwunden werden muss. Wird nun der Ventilschieber trendgemäß immer kleinbauender ausgeführt, so reicht ab einer gewissen Grenze die am Steuerdruckkolben zur Verfügung stehende Fläche nicht mehr aus, um den reibungsbehafteten Ventilschieber zuverlässig in eine andere Schaltposition zu überführen.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein pneumatisches Wegeventil der vorstehend beschriebenen Art dahingehend weiter zu verbessern, dass selbst ein sehr geringer Vorsteuerdruck ausreicht, um den Ventilschieber zuverlässig axial zu bewegen.

Die Aufgabe wird ausgehend von einem pneumatischen Wegeventil gemäß des Oberbegriffs 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 der mindestens eine Steuerdruckkolben einen rückwärtigen Abschnitt zum Verschließen eines zwischen zwei äußeren Anschlüssen angeordneten Ventilsitzes aufweist, wobei die axiale Führung des mindestens einen Ventilschiebers an nur zwei Stellen derart erfolgt, dass die eine Stelle durch eine Schieberdichtung zum Schalten des Druckluftflusses zwischen mindestens zwei äußeren Anschlüssen gebildet ist und dass die andere Stelle durch eine am Steuerdruckkolben angeordnete Kolbendichtung gebildet ist.

Der Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung liegt insbesondere darin, dass durch die Reduzierung der Anzahl der Dichtungen auch die Reibung zwischen Ventilschieber und Ventilgehäuse reduziert worden ist. Es reichen lediglich zwei Dichtungen zwischen Ventilschieber und Ventilgehäuse aus, welche sowohl die erforderliche Dichtfunktion als auch die Führungsfunktion des Ventilschiebers innerhalb der Ventilbohrung in funktionsintegrierter Weise erfüllen. Im Rahmen der vorliegenden Erfindung ist es natürlich möglich, die Schieberdichtung entweder ortsfest am Ventilschieber oder ortsfest am Ventilgehäuse anzuordnen. Vorzugsweise eignet sich die erfindungsgemäße Lösung zum Aufbau eines monostabilen 3/2-Wegeventils. Aufgrund der durch die erfindungsgemäße Lösung erzielten geringen Reibung kann der Durchmesser des Steuerdruckkolbens reduziert werden, so dass sich sehr schmalbauende Wegeventile mit relativ großem Durchfluss erzeugen lassen. Dementsprechend können auch Vorsteuerventile mit nur geringer pneumatischer Leistung verwendet werden, welche dementsprechend auch mit einer geringen elektrischen Leistung auskommen. Eine geringe elektrische Leistung wiederum lässt extreme Temperaturprobleme erst gar nicht aufkommen.

Die erfindungsgemäße Lösung eignet sich ganz besonders zur Bildung einer 2 × 3/2-Wege-Ventilfunktion, indem zwei Ventilschieber koaxial innerhalb der Schieberbohrung angeordnet sind, deren einander zugewandten Stirnseiten mit mindestens einer Rückstellfeder beaufschlagt sind, um jeweils eine monostabile Ventilfunktion zu realisieren. Durch diese Maßnahme können praktisch zwei unabhängig voneinander ansteuerbare 3/2-Ventile in einem einzigen Ventilgehäuse untergebracht werden, was eine besonders kompakte Bauweise ergibt.

Gemäß einer die Erfindung verbessernden Maßnahme wird vorgeschlagen, bei der vorstehend erläuterten Ausführungsform jedem der beiden Ventilschieber eine eigene Rückstellfeder zuzuordnen, welche sich an dem einander zugewandten Ende beidseits an einem die Schieberbohrung durchquerenden und ortsfest zum Ventilgehäuse angeordneten Gehäusesteg abstützen. Alternativ hierzu ist es auch möglich, die einander zugewandten Stirnseiten der beiden Ventilschieber über eine einzige Rückstellfeder zu beaufschlagen, um auf beide Ventilschieber die Rückstellkraft aufzubringen. Allerdings hängt bei dieser Ausführungsform die Größe der Rückstellkraft ab von der aktuellen Stellung des jeweils anderen Ventilschiebers. Dieser Nachteil tritt bei der erstgenannten Ausführungsform mit Gehäusesteg nicht auf. Der Gehäusesteg kann zum Einen einstückig mit dem Ventilgehäuse ausgebildet sein oder auch als entfernbares Bauteil in die Schieberbohrung einbringbar ausgestaltet sein. Letzterenfalls lässt sich das Ventilgehäuse auch für einen durchgehenden Ventilschieber, beispielsweise zur Realisierung einer 5/2-Ventilfunktion, nutzen.

Das Ventilgehäuse und/oder der Ventilschieber sind vorzugsweise aus Kunststoff bestehend durch Spritzgießen hergestellt, was eine besonders einfache Fertigung gewährleistet. Dabei können die innerhalb der Schieberbohrung eingebrachten Ventilsitze im Zuge des Spritzgießens gleich mit angeformt werden. Insoweit entfallen separate von Kunststoff zu umspritzende Ventilsitzbuchsen.

Vorzugsweise ist die Kolbendichtung des Steuerkolbens nach Art einer Radiallippendichtung ausgebildet, deren Vorteil es ist, dass diese sich bei Beaufschlagung des Steuerdruckkolbens mit dem (Vor-) Steuerdruck an die Innenwandung der Steuerkammer mit ihren Dichtlippen anlegt und somit eine besonders zuverlässige Dichtwirkung erzeugt. Daneben ist es jedoch auch möglich, die Kolbendichtung des Steuerdruckkolbens – genauso wie die der Schieberbohrung zugeordnete Schieberdichtung – als Schieberdichtung auszubilden. Geringfügige Überströmverluste können insbesondere dann hingenommen werden, wenn benachbart zu der Schieberdichtung am Steuerdruckkolben der Entlüftungsanschluss des pneumatischen Wegeventils angeordnet ist, worin etwa überströmende Steuerluft dann ausgelassen werden kann, ohne dass diese den Arbeitsdruck beeinträchtigt. Gemäß einer weiteren die Erfindung verbessernden Maßnahme ist vorgesehen, dass zwischen dem Ventilsitz und dem hiermit zusammenwirkenden rückwärtigen Abschnitt des Steuerdruckkolbens ein entfernbarer Anschlagring mit radialem Durchbruch zum benachbarten äußeren (Entlüftung-) Anschluss einsetzbar ist. Mit dem Anschlussring lässt sich in einfacher Weise aus der NC- (normal-close) Ventilfunktion eine NO- (normal-open) Ventilfunktion realisieren. Weil der Anschlagringbereich des benachbarten Anschlusses einen Durchbruch aufweist, ist die Verbindung zu dem Anschluss gewährleistet. Der Anschlagring braucht keine Dichtsitzfunktion aufweisen, er soll lediglich verhindern, dass der rückwärtige Abschnitt des Steuerdruckkolbens auf den Ventilsitz zur Anlage kommt und die Verbindung zwischen dem Arbeitsanschluss und dem Entlüftungsanschluss verschließt. Der Anschlagring kann ebenfalls aus Kunststoff bestehen. Eine Lagefixierung gegenüber dem Ventilgehäuse kann durch Einpressen in die Steuerdruckkammer realisiert werden, welche die Schieberbohrung fortbildet und den Steuerdruckkolben aufnimmt.

Vorteilhafterweise sollte die Steuerdruckkammer über einen stirnseitig angeordneten Verschlussdeckel verschließbar sein, um die Montage der Ventilschieber zu gewährleisten. Der Verschlussdeckel kann lösbar über eine Schraubverbindung am Ventilgehäuse befestigt sein. Es ist jedoch auch denkbar, den Verschlussdeckel auf andere Weise am Ventilgehäuse zu fixieren.

Weitere die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigt:

1 ein pneumatisches Wegeventil mit 2 × 3/2-NC/NC-Ventilfunktion und gemeinsamer Rückstellfeder,

2 ein pneumatisches Wegeventil mit 2 × 3/2-NO/NO-Ventilfunktion mit zwei getrennten Rückstellfedern,

3 ein pneumatisches Wegeventil mit 2 × 3/2-NO/NO-Ventilfunktion mit einer Schieberdichtung als Kolbendichtung, und

4 ein pneumatisches Wegeventil mit 2 × 3/2-NO/NO-Ventilfunktion und gemeinsamer Rückstellfeder.

Gemäß 1 weist das monostabile 2 × 3/2-Wegeventil ein Ventilgehäuse 1 auf, das von einer entlang der Längsachse des Ventilgehäuses 1 sich erstreckenden Schieberbohrung 2 durchzogen ist. Die Schieberbohrung 2 ist beidseits mit Verschlussdeckeln 3 – hier nur ein Verschlussdeckel exemplarisch bezeichnet – verschlossen. Innerhalb der Schieberbohrung 2 sind zwei koaxial hintereinander liegende und axial verschiebbare Ventilschieber 4a und 4b angeordnet, welche je von einer Stirnseite her mittels eines hieran angeformten Steuerdruckkolben 5a bzw. 5b durch Steuerdruck X, Y bewegbar sind. Jedem Steuerdruckkolben 5a und 5b ist eine Steuerdruckkammer 6a bzw. 6b zugeordnet, welche je endseitig der Schieberbohrung 2 angeordnet ist.

Im Übergangsbereich zwischen der Schieberbohrung 2 und den Steuerdruckkammern 6a und 6b ist jeweils ein Ventilsitz 7a bzw. 7b am Zylindergehäuse 1 angeformt. Die beiden Steuerdruckkolben 5a und 5b verschließen über einen jeweils rückwärtigen Abschnitt 8a bzw. 8b die zugeordneten Ventilsitze 7a bzw. 7b bei Beaufschlagung der Steuerdruckkammern 6a bzw. 6b mit Steuerdruck X bzw. Y. Bei Verschluss des Ventilsitzes 7a wird die Verbindung zwischen dem Arbeitsanschluss A und dem Entlüftungsanschluss R geschlossen, so dass Druckluft vom Speisedruckanschluss P an den Arbeitsanschluss A gelangen kann. Eine ebenfalls am Ventilschieber 4a angeordnete Schieberdichtung gibt im letztgenannten Fall die Verbindung zwischen dem Speisedruckanschluss P und dem Arbeitsanschluss A frei (analog dasselbe gilt für die Be- bzw. Entlüftung des anderen, vom Ventilschieber 4b betätigten Arbeitsanschlusses B über den Speisedruckanschluss P sowie den zugeordneten Entlüftungsanschluss S).

Bei beiden Ventilschiebern 4a und 4b erfolgt die axiale Führung gegenüber der Schieberbohrung 2 allein über die Schieberdichtung 9 sowie die Kolbendichtung am Steuerdruckkolben 5a bzw. 5b.

Die Rückstellung beider Ventilschieber 4a und 4b erfolgt über eine gemeinsame Rückstellfeder 10, welche zwischen den beiden einander zugewandten Stirnseiten der Ventilschieber 4a und 4b platziert ist.

Gemäß der in 2 dargestellten Ausführungsform sind im Unterschied zur vorstehend beschriebenen Ausführungsform zwei je zugeordnete Rückstellfedern 10a und 10b zur Rückstellung der Ventilschieber 4a und 4b vorgesehen, welche sich an einen die Schieberbohrung 2 durchquerenden und ortsfest zum Ventilgehäuse 1 angeordneten Gehäusesteg 11 abstützen.

In 3 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei welcher im Unterschied zur erstgenannten Ausführungsform am Steuerdruckkolben 5a (hier exemplarisch für beide Ventilschieber 4a und 4b) eine Schieberdichtung 12a als Kolbendichtung vorgesehen ist. Somit ist der Ventilschieber 4a über zwei Schieberdichtungen 9 und 12 geführt.

Gemäß 4 ist im Unterschied zur erstgenannten Ausführungsform zwischen dem Ventilsitz 7a (hier exemplarisch für beide Ventilschieber 4a und 4b) und dem hiermit zusammenwirkenden rückwärtigen Abschnitt 8a des Steuerdruckkolbens 5a ein entfernbarer Anschlagring 13 vorgesehen. Der Anschlagring 13 besitzt einen radialen Durchbruch, um die Verbindung zum benachbarten Anschluss R zur Entlüftung zu gewährleisten. Der Anschlagring 13 stellt ein Zubehör dar, mit welchem dem Wegeventil eine NO-Ventilfunktion verliehen werden kann. Im übrigen entspricht diese Ausführungsform des erfindungsgemäßen pneumatischen Wegeventils der erstgenannten Ausführungsform.

1
Ventilgehäuse
2
Schieberbohrung
3
Verschlussdeckel
4
Ventilschieber
5
Steuerdruckkolben
6
Steuerdruckkammer
7
Ventilsitz
8
rückwärtiger Abschnitt
9
Schieberdichtung
10
Rückstellfeder
11
Gehäusesteg
12
Schieberdichtung
13
Anschlagring


Anspruch[de]
Pneumatisches Wegeventil zum Schalten eines Druckluftflusses zwischen mehreren, an einem Ventilgehäuse (1) angeordneten äußeren Anschlüssen (P, A, B, R, S) mittels mindestens eines Ventilschiebers (4a, 4b), der innerhalb einer korrespondierenden Schieberbohrung (2) des Ventilgehäuses (1) axial verschiebbar angeordnet ist und über einen an einer Stirnseite angeordneten Steuerdruckkolben (5a; 5b) axial bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mindestens eine Steuerdruckkolben (5a; 5b) einen rückwärtigen Abschnitt (8a, 8b) zum Verschließen eines zwischen zwei äußeren Anschlüssen (A, R; B, S) angeordneten Ventilsitzes (7a; 7b) aufweist, wobei die axiale Führung des mindestens einen Ventilschiebers (4a, 4b) an nur zwei Stellen derart erfolgt, dass die eine Stelle durch eine Schieberdichtung (9) zum Schalten des Druckluftflusses zwischen mindestens zwei äußeren Anschlüssen (A, P; A, R bzw. B, P; B, R) gebildet ist, und dass die andere Stelle durch eine am Steuerdruckkolben (5a; 5b) angeordnete Kolbendichtung gebildet ist. Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bildung einer 2 × 3/2-Wege-Ventilfunktion zwei Ventilschieber (4a, 4b) koaxial innerhalb der Schieberbohrung (2) angeordnet sind, deren einander zugewandten Stirnseiten mit mindestens einer Rückstellfeder (10; 10a, 10b) beaufschlagt sind, um jeweils eine monostabile Ventilfunktion zu realisieren (1). Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Ventilschieber (4a, 4b) eine eigene Rückstellfeder (10a, 10b) zugeordnet ist, welche sich an dem einander zugewandten Ende beidseits an einem die Schieberbohrung (2) durchquerenden und ortsfest zum Ventilgehäuse (1) angeordneten Gehäusesteg (11) abstützen (2). Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtung des Steuerdruckkolbens (5a, 5b) nach Art einer Radiallippendichtung ausgebildet ist (2). Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kolbendichtung des Steuerdruckkolbens (5a, 5b) nach Art einer Schieberdichtung (12a, 12b) ausgebildet ist (3). Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Ventilsitz (7a, 7b) und dem hiermit zusammenwirkenden rückwärtigen Abschnitt (8a, 8b) des Steuerdruckkolbens (5a, 5b) ein entfernbarer Anschlagring (13) mit radialem Durchbruch zum benachbarten äußeren Anschluss (R; S) einsetzbar ist, um eine NO-Ventilfunktion zu realisieren (4). Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schieberbohrung (2) ausgebildete Steuerkanten mit der außenradial am Ventilschieber (4a, 4b) angeordneten Schieberdichtung (9) dynamisch dichtend zusammenwirken. Pneumatisches Wegeventil nach Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Speisedruckanschluss (P) in der Längserstreckung der Schieberbohrung (2) beidseits von je einem Arbeitsanschluss (A; B) benachbart ist, welche wiederum je von einem Entlüftungsanschluss (R; S) benachbart sind. Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Steuerdruckkolben (5a, 5b) innerhalb einer die Schieberbohrung (2) fortbildenden Steuerdruckkammer (6a, 6b) untergebracht ist, die stirnseitig mit einem Verschlussdeckel (3) verschlossen ist. Pneumatisches Wegeventil nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (1) und/oder der Ventilschieber (4a, 4b) aus Kunststoff bestehend durch Spritzgießen hergestellt sind.






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