DE10007687A1 - Wegeventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung geht aus von einem Wegeventil (10) mit einem Ventilgehäuse (12) in dem zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen Kanälen (18 bis 22) ein Ventilschieber (28) beweglich geführt ist. Letzterer weist Kolben (30a, b, c) und dazwischenliegende Koppeln (32a, b) kleineren Außendurchmessers auf. Zur Abdichtung der Kanäle (18 bis 22) wirken die Kolben (30a, b, c) mit Dichtkörpern (36) zusammen. Um beim Umschalten des Wegeventils (10) ein durch Druckunterschiede an den Flanken der Dichtkörper (36) bedingtes Herausdrücken dieser Dichtkörper (36) aus ihren Führungen und die Gefahr eines Abquetschens zu verhindern, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, wenigstens an den beim Umschalten wirksamen Stirnseiten der Kolben (30a, b, c) des Ventilschiebers (28) speziell ausgebildete Dichtungsauflaufzonen (56) auszubilden.

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Wegeventil entsprechend der Gattung des Anspruchs 1. Ein derartiges Wegeventil ist beispielsweise aus der DE 197 06 059 A1 bereits bekannt. Dieses Wegeventil besteht aus einem Gehäuse mit Zulauf-, Rücklauf- und Arbeitskanälen, in dem ein Ventilschieber beweglich in einer Schieberbohrung geführt ist. Dieser Ventilschieber weist Kolben und dazwischenliegende Koppeln kleineren Außendurchmessers auf. In Nuten der Kolbenabschnitte sind Dichtungskörper angeordnet, die in Wechselwirkung mit der Wandung der Schieberbohrung gegebenenfalls eine gegenseitige Abdichtung der Kanäle erlauben.

In der Praxis kommt es insbesondere bei einem langsamen Umschalten eines solchen Wegeventils unter maximaler Luftströmung vor, daß die Dichtkörper aus ihrer Nut herausgedrückt und im weiteren Verlauf der Bewegung des Ventilschiebers an gehäuseseitigen Kanten abgequetscht werden. Die dabei verursachten Beschädigungen an den Dichtkörpern können einen Totalausfall des Wegeventils hervorrufen. Das Herausdrücken aus der Nut wird ausgelöst durch ein abruptes Abdichten einer Druckmittelverbindung zwischen zwei Kanälen, verbunden mit einer dabei erfolgenden schlagartigen Druckerhöhung an einer Flanke der Dichtkörper. Zur Vermeidung dieses Effekts sind am bekannten Wegeventil speziell geformte Dichtkörper vorgesehen. Diese halten kurz vor dem endgültigen Abdichten der Druckmittelverbindung zwischen zwei Kanälen Ausnehmungen frei, über die ein weitgehender Druckausgleich erfolgen kann.

Das bekannte Wegeventil ist als sogenanntes außendichtendes System ausgeführt. Bei außendichtenden Systemen ist der Aufbau des Ventilschiebers relativ aufwendig, da eine Vielzahl von Ringnuten zur Aufnahme der Dichtkörper vorzusehen sind. Die Dichtungsmontage erfolgt manuell. Zudem muß die Schieberbohrung mit hoher Oberflächengüte hergestellt werden, um optimale Betriebsbedingungen für die Dichtungen zu gewährleisten. Alle diese Maßnahmen verteuern ein derartiges Wegeventil.

Diesbezüglich preisgünstigere Lösungen sind Wegeventile, die sogenannte innendichtende System bilden. Aus der DE 594 05 762 B1 ist auch ein derartiges Wegeventil bereits bekannt. Dieses weist an seinen, die Schieberbohrung begrenzenden Wandungen Ringnuten auf, in die die mit dem Ventilschieber zusammenwirkenden Dichtkörper eingesetzt sind. Der Ventilschieber ist ein Bauteil mit nutfreier Außenkontur. Maßnahmen, um beim Umschalten des Ventilschiebers ein Herausdrücken der Dichtungen zu vermeiden sind bei diesem Wegeventil keine realisiert. Somit besteht auch bei diesem Wegeventil eine Beschädigungsgefahr für die Dichtkörper.

Vorteile der Erfindung

Demgegenüber weist ein Wegeventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 die Vorteil auf, daß es als preisgünstiges innendichtendes System, das heißt mit gehäuseseitig angeordneten Dichtkörpern, ausgeführt ist und Kolbenabschnitte mit besonders ausgebildeten Dichtungsauflaufzonen aufweist. Letztere wirken beim Umschalten des Wegeventils einem Herausdrücken der Dichtkörper aus ihren Führungen entgegen. Dahingehend besonders wirksam haben sich Dichtungsauflaufzonen erwiesen, die einen maßlich abgestimmten zylindrischen Bund und eine sich daran anschließende Einlaufphase haben.

Der erfindungsgemäße Ventilschieber kann preisgünstig spritzgußtechnisch aus Aluminium oder Kunststoff in ein- oder mehrteiliger Ausführung mit guter Oberflächenqualität hergestellt werden. Eine aufwendige Oberflächenbearbeitung der Schieberbohrung kann eingespart werden. Beim Herstellen des Ventilschiebers lassen sich zusätzliche Einrichtungen anformen, die beim Umschalten des Wegeventils einem schlagartigen Druckanstieg an den Dichtungsflanken entgegenwirken. Ovale oder elliptische Kolbenquerschnitte sind ohne Zusatzaufwand machbar. Ventilschieber aus Kunststoff sparen Gewicht und erlauben geringste Schaltdrücke bei hohen Schaltgeschwindigkeiten.

Weitere Vorteile oder vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In der Fig. 1 ist ein erfindungsgemäßes Wegeventil im Längsschnitt, in Fig. 2 ein Detail X dieses Wegeventils nach Fig. 1 vergrößert dargestellt. Weiterbildungen der Erfindung sind in den Fig. 3 und 4, die einen Dichtkörper in der Draufsicht und in der Seitenansicht zeigen, sowie in Fig. 5, die einen Ventilschieber in der Seitenansicht zeigt, abgebildet.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in der Fig. 1 dargestellte Wegeventil 10 ist aus einem Ventilgehäuse 12 und einer Vorsteuereinheit 14 aufgebaut, die an einer Stirnseite des Ventilgehäuses 12 verankert ist. Das Ventilgehäuse 12 weist eine in Längsrichtung verlaufende, durchgehende Schieberbohrung 16 auf, die in ihrem Innendurchmesser mehrfach abgesetzt ist. In die Schieberbohrung 16 münden ein Zulaufkanal 18, Arbeitskanäle 20 und Rücklaufkanäle 22 rechtwinklig ein. Alle Kanäle 18 bis 22 enden gemeinsam an der Unterseite 24 des Ventilgehäuses 12 und sind gegeneinander und zur Umgebung hin mittels Dichtungen 26 abgedichtet. Das der Vorsteuereinheit 14 gegenüberliegende Ende der Schieberbohrung 16 ist von einem Deckel 17 druckdicht verschlossen.

Zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen den Kanälen 18 bis 22 ist in der Schieberbohrung 16 ein Ventilschieber 28 beweglich geführt. Dieser Ventilschieber 28 weist exemplarisch insgesamt drei Kolben 30a, b, c auf, zwischen denen zwei Koppeln 32a, b angeordnet sind. Deren Außendurchmesser sind gegenüber denen der Kolben 30a, b, c zurückgenommen. Zur Abdichtung der Kanäle 18 bis 22 gegeneinander sind ringförmige Dichtkörper 36 vorgesehen, die mit den Kolben 30a, b, c des Ventilschiebers 28 zusammenwirken. Die Dichtkörper 36 werden von hohlkastenförmigen Stützkörpern 38, die von außen in die Kanäle 18 bis 22 eingeschoben sind, gehäuseseitig in Position gehalten. Diese Stützkörper 38 haben an ihren gegenüberliegenden Seitenflächen koaxial zueinander angeordnete Öffnungen, so daß sich vom Ventilschieber 28 durchdringbar sind.

An den beiden Enden des Ventilschiebers 28 sind Betätigungskolben 40a, b vorgesehen, die in Zylindern 42a, b des Ventilgehäuses 12 geführt sind. Zur Ausbildung der Zylinder 42a, b ist die Schieberbohrung 16 in ihrem Innendurchmesser entsprechend erweitert. Über die Vorsteuereinheit 14 sind diese Zylinder 36 pneumatisch beaufschlagbar, um den Ventilschieber 28 in zwei verschiedene Schaltstellungen umzuschalten. In Fig. 1 befindet sich der Ventilschieber 28 in einer Übergangsstellung zwischen diesen Schaltstellungen, in der sämtliche Druckmittelverbindungen zwischen den Kanälen 18 bis 22 unterbrochen sind. Demgegenüber ist in der ersten Schaltstellung der Zulaufkanal 18 mit einem der Arbeitskanäle 20 und der Rücklaufkanal 22 mit dem anderen Arbeitskanal 20 verbunden; in der zweiten Schaltstellung sind diese Verhältnisse entsprechend umgekehrt. Beim beschriebenen Wegeventil 10 handelt es sich demnach um ein vorgesteuertes, pneumatisches 5/2-Wege-Schaltventil.

Zur Verankerung dieses Wegeventils 10 an einer nicht dargestellten Grundplatte, über die die elektrische Ansteuerung und die Druckmittelversorgung des Wegeventils 10 erfolgt, ist eine Befestigungsschraube 44 etwa in der Mitte des Ventilgehäuses 12 vorgesehen. Eine elektrische Kontaktierung des Wegeventils 10 erfolgt mittels eines abgedichteten Steckers 46; zur Zentrierung des Ventilgehäuses 12 ragt aus der Unterseite 14 des Wegeventils 10 ein Zapfen 48 hervor.

Die spezielle Formgebung des Ventilschiebers 28 ist anhand des in Fig. 2 dargestellten Details X nach Fig. 1 erkennbar. Dieses Detail X zeigt vergrößert das eine Ende eines in Wirkverbindung mit einem der Dichtkörper 36 stehenden Kolbens 30 des Ventilschiebers 28. Der Dichtkörper 36 liegt mit seiner dem Kolben 30 zugewandten Flanke an einer gehäuseseitigen Schulter 50 an, die sich aufgrund einer Durchmesseränderung der Schieberbohrung 16 ergibt. An der dazu gegenüberliegenden Seite bildet ein hohlkastenförmiger Stützkörper 38 eine zweite Anlage für den Dichtkörper 36.

Der Dichtkörper 36 selbst ist einteilig ausgeführt und besteht aus zwei massiven, konzentrisch ineinanderliegenden und über einen Verbindungssteg 52 miteinander verbundenen Dichtringen 54a, b. Der dem Ventilschieber 28 zugewandte und den Innendurchmessern des Ventilkörpers 36 bestimmende innere Dichtring 54a ist damit aus Gründen einer wirksameren Abdichtung relativ beweglich zu dem den Außendurchmesser bildenden äußeren Dichtring 54b. Die Außenkontur des Dichtkörpers 36 als Ganzes entspricht im wesentlichen der Kontur einer Acht.

Unter Verweis auf die Fig. 1 ist davon auszugehen, daß die der gehäuseseitigen Schulter 50 zugewandte Flanke des Dichtkörpers 36 nach Fig. 2 vom Druck im Zulaufkanal 18 und die dem Stützkörper 38 zugewandte Flanke des Dichtkörpers 36 vom Druck des Arbeitskanals 20 beaufschlagt ist. Die Bewegungsrichtung des Ventilschiebers 28 ist durch den Richtungspfeil R angedeutet. Sobald der Ventilschieber 28 den zunächst offenen Strömungsquerschnitt zwischen beiden Kanälen 18 und 20 mit zunehmender Annäherung an den Dichtkörper 36 verschließt, entstehen, insbesondere beim langsamen Umschalten des Wegeventils 10 bei maximaler Durchströmung, Druckunterschiede an den beiden Flanken des Dichtkörpers 36. Auf der, der Schulter 50 zugewandten Seite des Dichtkörpers 36 baut sich aufgrund strömungsdynamischer Effekte ein höherer Druck als auf der dem Stützkörper 38 zugewandten Flanke auf. Dieser Druckunterschied kann ein Herausdrücken des Dichtkörpers aus seiner von der Schulter 50 und dem Stützkörper 38 gebildeten Führung hervorrufen, wobei mit fortgesetzter Bewegung des Ventilschiebers 28 der Dichtkörper 36 beschädigt werden kann. Um dies zu verhindern, ist die mit dem Dichtkörper 36 in Wirkverbindung tretende Stirnfläche des Kolbens mit einer erfindungsgemäßen Dichtungsauflaufzone 56 versehen. Diese Dichtungsauflaufzone 56 wird von einem zylindrischen Stützabschnitt 58 und einer sich daran, entgegen der Bewegungsrichtung des Ventilschiebers 28, anschließenden Einlaufphase 60 gebildet. Die Einlaufphase 60 stellt einen Übergang vom Außendurchmesser des Stützabschnitts 58 zu dem des Kolbens 30 her und geht mit einer imaginären Waagerechten einen Winkel von maximal 20° ein. Der größte Außendurchmesser des Stützabschnitts 58 entspricht maximal dem kleinstmöglichen Innendurchmesser, den der Dichtkörper 36 im eingebauten Zustand annehmen kann. Ferner ist die axiale Ausdehnung des Stützabschnitts 58 so bemessen, daß dieser sich zu einem Zeitpunkt, zu dem die Einlaufphase 60 am Dichtkörper 36 anliegt, bis über die Mittelachse 62 dieses Dichtkörpers 36 hinaus erstreckt. Mit dieser Ausgestaltung des Ventilschiebers 28 kann der Dichtkörper 36 nur noch minimal, das heißt bis zur Anlage am Stützabschnitt 58, aus seiner Führung herausgedrückt werden. Die beschriebene Gefahr des Abscherens des Dichtkörpers 36 ist damit minimiert.

Wie erläutert, ist das Herausdrücken des Dichtkörpers 36 aus seiner Führung auf das Entstehen von Druckunterschieden an den beiden Flanken des Dichtkörpers 36 im Falle eines langsamen Umschaltens des Ventilschiebers 28 unter maximaler Druckmittelströmung zurückzuführen. Dieser Effekt kann zusätzlich zu den beschriebenen Maßnahmen am Ventilschieber 28 durch besonders ausgebildete Dichtkörper 36 abgemildert werden. Einen dahingehend weitergebildeten Dichtkörper 36 zeigt Fig. 3 in einer Draufsicht. Dieser Dichtkörper 36 weist zumindest an der in direkter Wirkverbindung mit dem Ventilschieber 28 stehenden Außenseite des den Innendurchmesser bildenden inneren Dichtrings 54a nutförmige Ausnehmungen 64 auf. Diese sind in regelmäßiger Anordnung über den Umfang des Dichtkörpers 36 verteilt und verlaufen in radialer Richtung. Aus der Seitenansicht des Dichtkörpers 36 gemäß Fig. 4 ist zu ersehen, daß die Ausnehmungen 64 in ihrer Tiefe zum Innendurchmesser hin abnehmen und kurz vor diesem Innendurchmesser enden. Sie erstrecken sich über die Wölbung des Dichtrings 54a hinweg und verlaufen geradlinig an dessen Außenflanke entlang, bis sie in den vom Verbindungssteg 52 gebildeten Raum zwischen Dichtring 54a und 54b rechtwinklig einmünden. Die Funktion dieser Ausnehmungen 64 besteht darin, Einrichtungen zu schaffen, die kurz vor dem Erreichen einer Stellung des Ventilschiebers 28, in der zwei Kanäle 18 bis 22 vollständig gegeneinander abgedichtet sind, eine Druckmittelverbindung zwischen diesen Kanälen 18 bis 22 offenhalten. Durch diese Druckmittelverbindung strömt Druckmittel ab, so daß sich allenfalls ein geringer Druckunterschied zwischen den beiden Flanken des Dichtkörpers 36 ausbilden kann. Die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in den Ausnehmungen 64 halten dieses Druckgefälle niedrig, wodurch die oben beschriebenen dynamischen Effekte nicht auftreten.

Dieselbe Wirkung ist auch mittels nutförmiger Ausnehmungen 66 erreichbar, die gemäß Fig. 5 anstelle an den Dichtkörpern 36 an den mit den Dichtkörpern 36 in Wechselwirkung stehenden Dichtungsauflaufzonen 56 des Ventilschiebers 28 ausgebildet sind. Diese Ausnehmungen 66 beginnen an der Stirnfläche des Stützabschnitts 58 und erstrecken sich bis kurz vor den Außendurchmesser der Kolben 30a, b, c des Ventilschiebers 28. Die Ausnehmungen 66 sind, vergleichbar zu den Ausnehmungen 64 an den Dichtkörpern 36 nach Fig. 3 und 4, über den Umfang des Ventilschiebers 28 verteilt angeordnet und verlaufen ebenfalls in radialer Richtung. Bei einer Herstellung eines Ventilschiebers 28 in Kunststoff sind diese Nuten 66 ohne nennenswerten Zusatzaufwand direkt anformbar. Auch diese Ausnehmungen 66 halten kurz vor dem endgültigen Abdichten einer Druckmittelverbindung zwischen zwei Kanälen 18 bis 22 eine Drosselverbindung offen, so daß die für die Haltbarkeit der Dichtkörper 36 kritischen strömungsdynamischen Effekte nicht im schädlichen Umfang entstehen können.

Selbstverständlich sind Änderungen oder Ergänzungen an den beschriebenen Ausführungsbeispielen möglich ohne vom Grundgedanken der Erfindung abzuweichen.

Claims (10)

1. Wegeventil (10) mit einem eine Schieberbohrung (16) aufweisenden Ventilgehäuse (12), das einen Zulaufkanal (18), wenigstens einen Rücklaufkanal (22) und wenigstens einen Arbeitskanal (20) hat, die in die Schieberbohrung (16) einmünden, mit einem Ventilschieber (28) der zur Steuerung von Druckmittelverbindungen zwischen den Kanälen (18) bis (22) in der Schieberbohrung (16) beweglich geführt ist, der Kolben (30a, b, c) und dazwischenliegende Koppeln (32a, b) mit gegenüber den Kolben (30a, b, c) zurückgenommenen Außendurchmesser aufweist und der zur gegenseitigen Abdichtung der Kanäle (18, 22) mit Dichtkörpern (36) zusammenwirkt, wobei die Dichtkörper (36) in Aufnahmen des Ventilgehäuses (12) eingesetzt sind und wobei zumindest die beim Umschalten des Ventilschiebers (16) wirkenden Stirnseiten der Kolben (30a, b, c) mit Dichtungsauflaufzonen (56) ausgestattet sind, die wenigstens einen Stützabschnitt (58), dessen größter Außendurchmesser maximal dem kleinsten Innendurchmesser des Dichtkörpers (36) im eingebauten Zustand entspricht und wenigstens eine sich in Gegenrichtung zur Bewegungsrichtung (R) des Ventilschiebers (16) an den Stützabschnitt (58) anschließende Einlaufphase (60) für den Dichtkörper (36) aufweist, die einen Übergang vom Außendurchmesser des Stützabschnitts (58) zu dem des Kolbens (30a, b, c) schafft.

2. Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stützabschnitt (58) der Dichtungsauflaufzone (56) ein Zylinderabschnitt ist, dessen axiale Ausdehnung darauf abgestimmt ist, daß der Stützabschnitt (58) sich beim Anlegen der Einlaufphase (60) am Dichtkörper (36) bis über die Mittelachse (62) des Dichtkörpers (36) hinaus erstreckt.

3. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaufphase (60) mit einer gedachten Waagerechten einen Winkel von maximal 20° einschließt.

4. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (10) mit Einrichtungen (64, 66) ausgestattet ist, die beim Umschalten des Ventilschiebers (28) einem schlagartigen Druckanstieg an einer Flanke des Dichtkörpers (36) entgegenwirken, indem sie kurz vor dem Erreichen einer Stellung des Ventilschiebers (28), in der eine gegenseitige Abdichtung zweier Kanäle (18 bis 22) erfolgt, Druckmittelverbindungen zwischen diesen Kanälen (18 bis 22) schaffen.

5. Wegeventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (64, 66) nutförmige Ausnehmungen sind, die radial ausgerichtet an wenigstens einer der beiden Außenflanken der Dichtkörper (36) ausgebildet sind und daß sich die Ausnehmungen entlang dieser Flanke bis kurz vor den Innendurchmesser des Dichtkörpers (36) erstrecken.

6. Wegeventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtungen (64, 66) nutförmige Ausnehmungen sind, die radial ausgerichtet an wenigstens einer der beiden Stirnseiten der Kolben (30a, b, c) des Ventilschiebers (28) ausgebildet sind und sich bis kurz vor den Außenradius der Kolben (30a, b, c) erstrecken.

7. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Kolben (30a, b, c) und die Koppeln (32a, b) des Ventilschiebers (28) von separaten Bauteilen gebildet sind.

8. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kolben (30a, b, c) des Ventilschiebers (28) aus Kunststoff hergestellt sind.

9. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest die Kolben (30a, b, c) des Ventilschiebers (28) einen ovalen oder einen elliptischen Querschnitt haben.

10. Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß das Wegeventil (10) ein pneumatisches 5/2-Wege-Schaltventil ist.