DE102019107296A1

DE102019107296A1 - Mehrwege-Drehschieberventil

Info

Publication number: DE102019107296A1
Application number: DE102019107296.4A
Authority: DE
Inventors: Christoph Carle; Frank van Dinther
Original assignee: Swr Europe Van Dinther Antriebstechnik GmbH
Current assignee: Swr Europe Van Dinther Antriebstechnik GmbH
Priority date: 2019-03-21
Filing date: 2019-03-21
Publication date: 2020-09-24
Also published as: CN113795679A; EP3942207A1; US20220154833A1; WO2020188092A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Mehrwege-Drehschieberventil, bei welchem in den dem verdrehbaren Ventilkörper (2) zugewandten Anschlusskanälen (P, T, A, B) für eine Druckmittelquelle (P), einen Druckmitteltank (T), und Druckmittelverbraucher (A, B) Kompensationsdichthülsen angeordnet sind, die Gegendichtflächen aufweisen, die durch Federkraft und den Druckmitteldruck des durchtretenden Druckmittels gegen die Dichtfläche (3) des Ventilkörpers (2) angepresst werden. Um bei einem solchen weitestgehend leckölfrei arbeitenden, aber verhältnismäßig schwergängigem Mehrwege-Drehschieberventil eine automatische Betätigung zu ermöglichen, schlägt Erfindung vor, dass der Betätigungsmechanismus des Ventils mit einem elektromotorischen Antriebsmechanismus (11 versehen wird, welcher einen die jeweilige Drehstellung des Ventilkörpers (2) überwachenden Absolutwert-Drehgeber (17) aufweist, anhand von dessen Messdaten der elektromotorische Antriebsmechanismus (11) mittels Mikroprozessor steuerbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Mehrwege-Drehschieberventil mit einem in einem Ventilgehäuse um eine Drehachse verdrehbaren Ventilkörper, der eine Antriebswelle aufweist, die aus dem Ventilgehäuse herausgeführt ist und mit einem Antriebsmechanismus versehen ist, wobei in dem Ventilkörper einer oder mehrere Verbindungskanäle vorgesehen sind, die jeweils zwei Ausmündungen miteinander verbinden, die in einer senkrecht zur Drehachse verlaufenden Dichtfläche des Ventilkörpers angeordnet sind, und wobei in der der Dichtfläche des Ventilkörpers gegenüberliegenden Wand des Ventilgehäuses Anschlusskanäle für eine Druckmittelquelle (P), einen Druckmitteltank (T) und Druckmittelverbraucher (A, B) angeordnet sind, deren Ausmündungen mit den Ausmündungen des oder der Verbindungskanäle im Ventilkörper korrespondieren und jeweils mit Kompensationsdichthülsen versehen sind, die Gegendichtflächen aufweisen, die durch Federkraft und durch Druckmitteldruck des durchtretenden Druckmittels gegen die Dichtfläche des Ventilkörpers anpressbar sind.
Derartige Mehrwege-Drehschieberventile zählen im Prinzip seit Jahrzehnten zum Stand der Technik (vgl. z. B. DE-AS 1 775 434 ) und sind grundsätzlich auch für Hochdruck- Hydrauliksysteme geeignet, weil sie aufgrund der für die Abdichtung verwendeten Kompensationsdichthülsen - ähnlich wie sonst nur Sitzventile - auch bei sehr hohen Drücken praktisch leckölfrei arbeiten. Mehrwege-Drehschieberventile der angegebenen Art haben allerdings auch den Nachteil, dass sie verhältnismäßig schwergängig sind, d.h. dass für die Einleitung und die Durchführung der Verdrehung des Ventilkörpers ein verhältnismäßig großes Drehmoment in den Ventilkörper eingeleitet werden muss. Das gilt insbesondere bei hohem Druckmitteldruck und jeweils bei Beginn eines jeden Verdrehvorganges, weil dann immer zunächst die verhältnismäßig hohe Haftreibung zwischen der Dichtfläche des Ventilkörpers und den Dichtflächen der Kompensationsdichthülsen überwunden werden muss. Die unvermeidbaren Unterschiede im Reibungswiderstand erschweren auch die präzise Ansteuerung von bestimmten Schaltstellungen mittels eines den Ventilkörper verdrehend antreibenden motorischen Antriebes.
Wegen dieser Schwergängigkeit und der damit verbundenen Schwierigkeiten haben sich derartige Mehrwege-Drehschieberventile in Hochdruck-Hydrauliksystemen nicht durchsetzen können. Dementsprechend sind diese Drehschieberventile praktisch nur als handbetätigte Ventile im Einsatz, bei denen der Ventilkörper mittels eines Handhebels verdreht wird. Solche mittels eines Handhebels betätigten Mehrwege-Drehschieberventile sind allerdings für alle Schaltvorgänge, die weitestgehend automatisiert eingeleitet durchgeführt und überwacht werden sollen, nicht verwendbar.
Aus den genannten Gründen haben sich weltweit für den leckölfrei arbeitenden und gut automatisierbaren Betrieb im Bereich der Hochdruckhydraulik Ventilsteuerungen durchgesetzt, die im Wesentlichen mit Sitzventilen arbeiten, d.h. mit Ventilen, die Absperrkörper enthalten, die in Durchflussrichtung des Druckmediums unter Einwirkung des Druckmediums in einen Ventilsitz gedrückt werden. Diese Sitzventile sind meistens als Magnetventile ausgebildet, die besonders einfach elektrisch ansteuerbar sind. Da ein solches Magnetventil allerdings in der Regel nur zwei Schaltstellungen kennt, nämlich die Durchfluss- oder die Sperrstellung, benötigt man für eine Mehrwegesteuerung mehrere solcher Sitzventile, die aufeinander abgestimmt angesteuert werden.
Für die Betätigung eines doppelt wirkenden Hochdruck-Hydraulikzylinders benötigt man beispielsweise eine Ventilsteuerung mit den Funktionen eines 4/3-Wegeventiles. Bei der Herstellung einer solchen Ventilsteuerung unter ausschließlicher Verwendung von Sitzventilen benötigt man zwei 3/2-Wege-Sitzventile mit elektromagnetischer Ansteuerung und zusätzlich ein 2/2-Wege Sitzventil mit elektromagnetischer Ansteuerung , die - um Platz zu sparen - in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet werden können. Das ändert aber nichts daran, dass eine solche Ventilsteuerung verhältnismäßig viele gegeneinander bewegliche Einzelteile und eine komplexe elektrische Ansteuerung für die drei in der Ventilsteuerung enthaltenen Elektromagnete benötigt, woraus sich eine Vielzahl von Fehlermöglichkeiten und außerdem ein erheblicher Aufwand für Fertigung und Wartung ergeben. Das gleiche gilt analog für alle Mehrwege-Ventilsteuerungen, die mit Kombinationen von elektromagnetisch betätigten Sitzventilen arbeiten. Alle derartigen Mehrwege-Ventilsteuerungen haben sehr viele Dichtkanten, O-Ring-Ablichtungen und Gestänge zur Ansteuerung. Sie bilden somit insgesamt einen verhältnismäßig komplizierten Mechanismus mit vielen möglichen Fehlerquellen.
Es ist Aufgabe der Erfindung, das Mehrwege-Drehschieberventil der eingangs genannten Art dahingehend weiterzubilden, dass es bei im Prinzip unverändertem Aufbau und unveränderter hydraulischer Funktionalität besser für den Einsatz in weitestgehend automatisierten Betriebsabläufen geeignet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von einem Mehrwege-Drehschieberventil der eingangs genannten Art vor, dass der Antriebsmechanismus elektromotorisch ausgebildet ist und einen die jeweilige Drehstellung des Ventilkörpers überwachenden Absolutwert-Drehgeber aufweist, anhand von dessen Messdaten der elektromotorische Antriebsmechanismus mittels Mikroprozessor steuerbar ist.
Das Mehrwege-Drehschieberventil gemäß der Erfindung, welches leckölfrei arbeitet, hat gegenüber leckölfrei arbeitenden Mehrwege-Ventilanordnungen, die mit einer Vielzahl von Sitzventilen arbeiten, zunächst den Vorteil eines besonders einfachen Aufbaus mit nur wenigen bewegten Teilen. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass man auf einfache Weise Mehrwegeventile unterschiedlicher Funktionalität ohne wesentliche Änderung am Gesamtaufbau des Ventils dadurch herstellen kann, dass man in der äußeren Form identische drehbare Ventilkörper zum Einsatz bringt, die sich lediglich durch die Anordnung der Verbindungskanäle im Inneren des Ventilkörpers voneinander unterscheiden. Hierdurch verbessern sich die Möglichkeiten, in Großserie Mehrwege-Drehschieberventile mit unterschiedlicher Funktionalität herzustellen. Die eingangs erläuterten Probleme, die sich aus der Schwergängigkeit von leckölfrei arbeitenden Mehrwege-Drehschieberventilen ergeben, löst die Erfindung durch einen elektromotorisch ausgebildeten Antriebsmechanismus und einen die jeweilige Drehstellung des Ventilkörpers überwachenden Absolutwert-Drehgeber, anhand von dessen Messdaten der elektrische Antriebsmechanismus mittels Mikroprozessor steuerbar ist.
Der erfindungsgemäß verwendete Absolutwert-Drehgeber stellt jede aus unterschiedlichen Reibungsverhältnissen resultierende Fehlstellung des Drehkörpers fest und leitet unverzüglich über den entsprechend programmierten Mikroprozessor und den von diesem gesteuerten elektromotorischen Antrieb geeignete Korrekturmaßnahmen ein. Im Ergebnis arbeitet der derart angesteuerte und überwachte elektromotorische Antrieb des Ventilkörpers so genau, dass man das Verdrehen des Ventilkörpers in jeder Bewegungsphase genau steuern kann, und zwar so genau, dass das Mehrwege-Drehschieberventil gemäß der Erfindung zusätzlich die Funktion eines Proportionalventils übernehmen kann. Vorteilhaft ist schließlich noch, dass durch den verwendeten Absolutwert-Drehgeber jederzeit, d.h. auch nach einem Stromausfall , die volle Funktionalität erhalten bleibt, ohne dass zu deren Wiederherstellung ein Referenzwinkel angefahren werden müsste.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Mehrwege-Drehschieberventiles gemäß der Erfindung sieht vor, dass die Dichtfläche des Ventilkörpers und/oder die Gegendichtflächen der Kompensationsdichthülsen mit einer Gleitbeschichtung versehen sind. Diese Gleitbeschichtungen, die aus einem Metall oder aus einem geeigneten Polymer bestehen können, haften fest an der Dichtfläche des Ventilkörpers bzw. den Gegendichtflächen der Kompensationsdichthülsen und sorgen für möglichst geringe Reibungswiderstände (Haftreibung und Gleitreibung) beim Verdrehen des Ventilkörpers.
Weiterhin ist vorgesehen, dass der elektromotorische Antriebsmechanismus mit einem das Drehmoment erhöhenden Getriebe versehen ist. Dieses Getriebe ist so ausgelegt, dass mithilfe des elektromotorischen Drehantriebes das höchste zu erwartende Drehmoment zu Beginn und während des Verdrehens des Ventilkörpers mit ausreichender Sicherheit erreicht wird.
Vorzugsweise wird als Getriebe zur Erhöhung des Drehmoments ein Schneckengetriebe verwendet, welches bekanntlich besonders hohe Drehmomente erzeugen kann. Alternativ kann man für diesen Zweck allerdings auch ein Planetengetriebe verwenden.
Schließlich ist vorgesehen, dass dem elektromotorischen Antriebsmechanismus eine Einrichtung zur kurzzeitigen Spannungsüberhöhung zugeordnet ist. Diese Spannungsüberhöhung kommt zweckmäßig dann zum Einsatz, wenn mithilfe des Absolutwert-Drehgebers festgestellt wird, dass der Ventilkörper sich aufgrund von überhöhter Haftreibung nicht in Bewegung setzen lässt. In dieser Situation kann mithilfe der mittels Mikrocontroller ausgelösten Spannungsüberhöhung ein hohes Losbrechmoment erzeugt werden, welches den Ventilkörper unter Überwindung der Haftreibung in Bewegung setzt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: In Explosionsdarstellung schräg von unten die wesentlichen Teile eines Mehrwege- Drehschieberventiles gemäß der Erfindung;
2: In Explosionsdarstellung schräg von oben die wesentlichen Teile eines Mehrwege- Drehschieberventiles gemäß der Erfindung;
3: Das in den 2 und 3 dargestellte Mehrwege-Drehschieberventil im fertigmontierten Zustand;
4: Ein Mehrwege-Drehschieberventil ohne den Antriebsmechanismus im Schnitt;
5: Einen Längsschnitt durch eine in einer Ausmündung eines Druckmittelkanals angeordneten Kompensationsdichthülse (Detail A aus 4)
6: Eine Draufsicht auf das Gehäuseunterteil des in 1 dargestellten Mehrwege- Drehschieberventils;
7: Die Dichtflächen von drei verschiedenen Ventilkörpern mit unterschiedlich im Ventilkörper verlaufenden Verbindungskanälen zusammen mit den zugehörigen symbolischen Schaltbildern für die mit dem jeweiligen Ventilkörper erreichbaren Ventilfunktionen.

In der Zeichnung ist das Ventilgehäuse eines Mehrwege-Drehschieberventiles gemäß der Erfindung in seiner Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 bezeichnet. Dieses Ventilgehäuse 1 besteht aus einem Gehäuseoberteil 1a und einem Gehäuseunterteil 1b. Im Inneren des Gehäuses 1 ist ein Ventilkörper 2 um eine Drehachse D verdrehbar angeordnet, der eine ebene, senkrecht zur Drehachse D verlaufende Dichtfläche 3 aufweist.
Im Inneren des Ventilkörpers 2 sind eine oder mehrere Verbindungskanäle 4 vorgesehen, die jeweils zwei Ausmündungen 5 miteinander verbinden, die paarweise in der Dichtfläche 3 des Ventilkörpers 2 angeordnet sind. Weiterhin sind in einer der Dichtfläche 3 des Ventilkörpers 2 gegenüberliegenden Wand 6 des Gehäuseunterteiles 1b entlang einer Kreislinie um die Drehachse D des Ventilkörpers 2 herum vier gehäusefeste Ausmündungen von vier gehäusefesten Druckmittelkanälen P, T, A und B angeordnet.
In die gehäusefesten Ausmündungen der Druckmittelkanäle P, T, A und B sind jeweils Kompensationsdichthülsen 7 eingesetzt, die mittels O-Ringen 8 in diesen Ausmündungen abgedichtet sind und mit vergrößerten Gegendichtflächen 9 an der Dichtfläche 3 des verdrehbaren Ventilkörpers 2 anliegen. Diese Kompensationsdichthülsen 7 werden durch die Kraft von Tellerfedern 10 und vom jeweils in den Druckmittelkanälen herrschenden Druck in Richtung auf die Dichtfläche 3 des verdrehbaren Ventilkörpers 2 gedrückt und sorgen dort für eine weitestgehend leckölfreie Abdichtung, ohne übermäßig große Axialkräfte zu erzeugen.
Die Ausmündungen 5 der Verbindungskanäle 4 im Ventilkörper 2 einerseits und die Ausmündungen der Druckmittelkanälen P, T, A und B im Gehäuseunterteil 1b andererseits sind alle korrespondierend entlang einer Kreislinie um die Drehachse D des Ventilkörpers 2 herum angeordnet, und zwar derart, dass je nach der gewünschten Ventilfunktion die Druckmittelkanäle P, T, A und B durch Verdrehen des Ventilkörper 2 miteinander verbunden oder voneinander getrennt werden können.
Für das Verdrehen des Ventilkörpers 2 in die unterschiedlichen Schaltstellungen ist außen an dem Ventilgehäuse 1 elektromotorischer Antriebsmechanismus11 angebracht, der einen Elektromotor 12 und ein Untersetzungsgetriebe 13 (Schneckengetriebe oder Planetengetriebe) aufweist, dessen Abtriebswelle mit einer aus dem Ventilgehäuse 1 herausgeführten Antriebswelle 14 des Ventilkörpers 2 verbunden ist.
Dieser elektromotorische Antriebsmechanismus 11 ist über eine Halterung 15 mit einer Steuerungseinheit 16 verbunden, die einen Spannungswandler, einen programmierbaren Mikroprozessor und von diesem Mikroprozessor gesteuerte Schaltelemente für die Steuerung des Elektromotors 12 enthält. Diese Steuerungseinheit 16 ist erfindungsgemäß mit einem Absolutwert-Drehgeber 17 verbunden, der exakt die jeweilige Drehstellung des Ventilkörpers 2 ermittelt und an den Mikroprozessor der Steuerungseinheit 16 weitergibt, der gesteuert durch sein implantiertes Programm die korrekte Funktionalität des Mehrwege-Drehschieberventil des überwacht und in jeder Drehstellung des Ventilkörpers den nächsten Schritt für die Umschaltung und etwa erforderliche Korrekturmaßnahmen einleiten kann.
In 7 ist schließlich dargestellt, wie man allein durch die unterschiedliche Anordnung von Verbindungskanälen 4 im Ventilkörper 2 mit im Übrigen vollständig gleich bleibendem Aufbau Mehrwege-Drehschieberventile mit unterschiedlichen Funktionen herstellen kann, nämlich z. B. ein 2/2 -Wegeventil (links dargestellt), ein 4/3- Wegeventil mit Sperr-Mittelstellung (in der Mitte dargestellt) oder ein 4/3-Wegeventil mit Sperr-Mittelstellung und Neutralumlauf zwischen Pumpe und Tank (rechts dargestellt).
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 1775434 [0002]

Claims

Mehrwege-Drehschieberventil, mit einem in einem Ventilgehäuse (1) um eine Drehachse (D) verdrehbaren Ventilkörper (2), der eine Antriebswelle (14) aufweist, die aus dem Ventilgehäuse (1) herausgeführt ist und mit einem Antriebsmechanismus (11) versehen ist, wobei in dem Ventilkörper (2) einer oder mehrere Verbindungskanäle (4) vorgesehen sind, die jeweils zwei Ausmündungen (5) miteinander verbinden, die in einer senkrecht zur Drehachse (D) verlaufenden Dichtfläche des Ventilkörpers angeordnet sind und wobei in der der Dichtfläche (3) des Ventilkörpers (2) gegenüberliegenden Wand (6) des Ventilgehäuses (1) Anschlusskanäle (P, T, A, B) für eine Druckmittelquelle (P), einen Druckmitteltank (T) und Druckmittelverbraucher (A, B) angeordnet sind, deren Ausmündungen mit den Ausmündungen (5) des oder der Verbindungskanäle (4) im Ventilkörper (1) korrespondieren und jeweils mit Kompensationsdichthülsen (7) versehen sind, die Gegendichtflächen (9) aufweisen, die durch Federkraft und durch Druckmitteldruck des durchtretenden Druckmittels gegen die Dichtfläche (3) des Ventilkörpers (2) anpressbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmechanismus (11) elektromotorisch ausgebildet ist und einen die jeweilige Drehstellung des Ventilkörpers (2) überwachenden Absolutwert-Drehgeber (17) aufweist, anhand von dessen Messdaten der elektromotorische Antriebsmechanismus (11) mittels Mikroprozessor steuerbar ist.
Mehrwege-Drehschieberventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtfläche (3) des Ventilkörpers (2) und/ oder die Gegendichtflächen (9) der Kompensationsdichthülsen (7) mit einer Gleitbeschichtung versehen sind.
Mehrwege-Drehschieberventil nach den Patentansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektromotorische Antriebsmechanismus (11) mit einem das Drehmoment erhöhenden Getriebe (13) versehen ist.
Mehrwege-Drehschieberventil nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (13) als Schneckengetriebe ausgebildet ist.
Mehrwege-Drehschieberventil nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (13) als Planetengetriebe ausgebildet ist
Mehrwege-Drehschieberventil nach Patentanspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dem elektromotorischen Antriebsmechanismus (11) eine Einrichtung zur kurzzeitigen Spannungsüberhöhung zugeordnet ist.