DE19823160A1 - Ventildichtungsmechanismus - Google Patents
VentildichtungsmechanismusInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Ventildich
tungsmechanismus, mit dem eine Abdichtung zwischen zwei
Anschlußöffnungen einer Fluiddruckvorrichtung geschaffen wird,
wenn die Fluidverbindung zwischen den Anschlüssen unterbrochen
wird.
Bisher werden Ventildichtungsmechanismen in Fluiddruckvor
richtungen, wie Druckreduzierventilen oder dergleichen,
verwendet.
Fig. 7 der beigefügten Zeichnung zeigt ein Druckreduzierven
til 10, das einen herkömmlichen Ventildichtungsmechanismus
aufweist. Das Druckreduzierventil 10 weist ein Ventil
gehäuse 18 mit darin ausgebildeten Primär- und Sekundär
anschlüssen 12, 14, eine an einem oberen Ende des Ventil
gehäuses 18 befestigte Kappe 22 und einen Handgriff 24 auf,
der drehbar an einem oberen Ende der Kappe 22 gehalten ist.
Eine Ventilführung 20 ist in ein unteres Ende des Ventil
gehäuses 18 eingesetzt und weist eine Ausnehmung 26 auf, in
die ein Ventilkörper 28 gleitend eingesetzt ist. Der Ventil
körper 28 wird durch eine Schraubenfeder 30 elastisch an der
Ventilführung 20 gehalten. Ein ringförmiges Dichtungspol
ster 32 aus elastischem Material ist an einem oberen Ende des
Ventilkörpers 28 angeordnet. Der Ventilkörper 28 trägt einen
stangenförmigen Stab 34, der zentral an seinem oberen Ende
befestigt ist. Der Stab 34 hat ein konisches oberes Ende.
Das Ventilgehäuse 18 weist eine darin ausgebildete, in
Verbindung mit dem Sekundäranschluß 14 stehende Kammer 36 auf,
durch die sich der Stab 34 erstreckt. Die Kammer 36 wird durch
eine im wesentlichen zylindrische Wand gebildet, deren unteres
Ende einen Sitz 38 aufweist, der mit dem Dichtungspolster 32
in Eingriff treten kann. Wie in Fig. 8 der beigefügten
Zeichnung dargestellt ist, weist der Sitz 38 eine äußere
Wandfläche auf, die radial nach innen in der durch den Pfeil A
angedeuteten Richtung geneigt ist, und eine innere Wandfläche,
die die Kammer 36 bildet und in der durch den Pfeil A
angedeuteten Richtung nach außen geneigt ist. Somit wird der
Sitz 38 zu seiner unteren Spitze hin zunehmend dünner. Wie in
Fig. 7 dargestellt ist, ist eine Membran 40 zwischen dem
Ventilgehäuse 18 und der Kappe 22 festgeklemmt. Die Membran
40 und eine in dem oberen Ende des Ventilgehäuses 18 ausge
bildete Aussparung legen gemeinsam eine Membrankammer 42 fest,
die über einen Durchgang 43 mit dem Sekundäranschluß 14 in
Verbindung steht. Ein Membranhalter 44 ist zentral an der
Membran 40 befestigt und weist eine darin zentral ausgebildete
Durchgangsöffnung 46 auf. Die zentrale Durchgangsöffnung 46
umfaßt eine sich nach unten erweiternde konische Öffnung 48,
die durch das konische obere Ende des Stabes 34 verschlossen
wird.
Ein Federsitz 45 ist an einer oberen Fläche der Membran 40 um
den Membranhalter 44 herum befestigt. Eine Druckregulierfe
der 40 weist ein unteres Ende auf, das auf dem Federsitz 45
aufsitzt, und ein oberes Ende, das auf einer Mutter 42
aufsitzt, die auf eine an dem Handgriff 24 befestigte
Schraube 54 geschraubt ist. Wenn der Handgriff 24 gedreht
wird, wird die Mutter 52 in der durch den Pfeil A oder B
angedeuteten Richtung axial verschoben.
Wenn der Druck eines Fluids in dem Sekundäranschluß 14 des
Druckreduzierventiles 10 auf einem voreingestellten Druck P2
gehalten wird, tritt die Spitze des Sitzes 38 in das Dichtpol
ster 32 ein und deformiert dieses elastisch, wodurch eine
Abdichtung zwischen dem Sitz 38 und dem Dichtungspolster 32
gebildet wird (vgl. Fig. 8). Dadurch werden die Primär- und
Sekundäranschlüsse 12, 14 voneinander getrennt. Es wird
angenommen, daß die Spitze des Sitzes 38 um eine Strecke L in
das Dichtungspolster 32 eintritt.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 14 von dem
Druck P2 um ΔP abfällt, sinkt der Druck in der Membrankam
mer 42, wodurch die Membran 40 in der durch den Pfeil A
angedeuteten Richtung verschoben wird, wie es in Fig. 9 der
beigefügten Zeichnung dargestellt ist. Der Stab 34 und damit
der Ventilkörper 28 werden entgegen der Vorspannung der
Schraubenfeder 30 um eine Strecke ΔL in Richtung des Pfeiles
A verschoben, woraufhin der Primäranschluß 12 mit der Kammer
36 in Verbindung tritt und das Fluid von dem Primäranschluß
12 zu dem Sekundäranschluß 14 fließen kann.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 14 auf den
Druck P2 ansteigt, erhöht sich der Druck in der Membrankam
mer 42, wodurch die Membran 40 in der durch den Pfeil B
angedeuteten Richtung verschoben wird. Der Sitz 45 steigt und
der Stab 34 wird in Richtung des Pfeiles B verschoben. Als
Folge hiervon wird das Dichtungspolster 32, wie in Fig. 8
dargestellt, gegen den Sitz 38 gehalten, der in das Dichtungs
polster 32 eintritt und dieses elastisch deformiert. Dadurch
werden die Primär- und Sekundäranschlüsse 12, 14 voneinander
getrennt.
Die Strecke L, um die der Sitz 38 in das Dichtungspolster 32
eintritt, variiert in Abhängigkeit verschiedener Einflüsse,
einschließlich der Härte des Dichtungspolsters 32, der Last
auf der Schraubenfeder 30 (der Kraft, die auf die Schraubenfe
der 30 aufgebracht wird, wenn das Dichtungspolster 32 gegen
den Sitz 38 gehalten wird) und der Oberflächengestaltung des
Sitzes 38. Wenn die Strecke L variiert, variiert auch der
Abfall ΔP des Druckes in dem Sekundäranschluß 14, der
erforderlich ist, um den Sitz 38 von dem Dichtungspolster 32
abzuheben. Dies führt zu einer Änderung der Fluiddurchflußrate
in dem Druckreduzierventil 10. Wenn eine Vielzahl von
Druckreduzierventilen 10 hergestellt wird, ist es schwierig,
diese auf einem konstanten Qualitätsniveau zu halten.
Dementsprechend ist es auch schwierig, Fluiddrucksysteme, die
derartige Druckreduzierventile 10 enthalten, auf einem
konstanten Qualitätsniveau zu halten.
Es ist daher eine wesentliche Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, einen Ventildichtungsmechanismus zu schaffen, mit
dem es möglich ist, Fluiddruckeinrichtungen, die einen solchen
Ventildichtungsmechanismus aufweisen, auf einem konstanten
Qualitätsniveau zu halten.
Diese Aufgabe wird mit der Erfindung im wesentlichen dadurch
gelöst, daß an dem Sitz ein Steg vorgesehen ist, der in ein
Dichtungspolster eintritt, um eine Abdichtung zu schaffen und
dadurch zwei Anschlüsse voneinander zu trennen. Anschlag
flächen von an dem Sitz vorgesehenen Haltern liegen gegen das
Dichtungspolster an, um zu bewirken, daß der Steg um eine im
wesentlichen konstante Strecke in das Dichtungspolster
eintreten kann.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der
Steg und die Halter an dem Sitz voneinander durch eine Nut
getrennt, die durch zwischen den Haltern ausgebildete Nuten
in Verbindung mit einem Anschluß gehalten wird, um dadurch
eine konstante Dichtungsfläche zu schaffen und eine konstante
Fluiddurchflußrate zu erreichen.
Es ist Bestandteil der erfindungsgemäßen Lösung, einen
Druckreduziermechanismus oder ein solenoidbetätigtes Ventil
zu schaffen, das einen Ventildichtungsmechanismus, mit
konstanter Qualität und langer Lebensdauer aufweist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Weiterbildungen, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der
Erfindung ergeben sich auch aus der nachfolgenden Beschreibung
von Ausführungsbeispielen und der Zeichnung. Dabei bilden alle
beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für
sich oder in beliebiger Kombination den Gegenstand der
Erfindung, unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den
Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Druckreduzierventil,
das einen Ventildichtungsmechanismus gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung auf
weist,
Fig. 2 eine vergrößerte perspektivische Teilansicht eines
Sitzes des Druckreduzierventiles gemäß Fig. 1,
Fig. 3 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungs
mechanismus in dem Druckreduzierventil gemäß
Fig. 1,
Fig. 4 einen Längsschnitt, der darstellt, wie das Druck
reduzierventil gemäß Fig. 1 funktioniert,
Fig. 5 einen Längsschnitt eines solenoidbetätigten Venti
les, das einen Ventildichtungsmechanismus gemäß
einer anderen Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung aufweist,
Fig. 6 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungs
mechanismus in dem solenoidbetätigten Ventil gemäß
Fig. 5,
Fig. 7 einen Längsschnitt eines Druckreduzierventils mit
einem herkömmlichen Ventildichtungsmechanismus,
Fig. 8 einen vergrößerten Teilschnitt des Ventildichtungs
mechanismus in dem Druckreduzierventil gemäß
Fig. 7, und
Fig. 9 einen Teilschnitt, der die Funktion des Druck
reduzierventils gemäß Fig. 7 zeigt.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist ein Druckreduzierven
til 70 mit einem Ventildichtungsmechanismus 82 gemäß einer
Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ein Ventilgehäuse
76 mit darin ausgebildeten Primär- und Sekundäranschlüssen 72,
74, eine an einem oberen Ende des Ventilgehäuses 76 befestigte
Kappe 77 und einen Handgriff 78 auf, der drehbar an einem
oberen Ende der Kappe 77 gehalten ist.
Das Ventilgehäuse 76 weist eine darin ausgebildete Kammer 80
auf, die mit dem Sekundäranschluß 74 in Verbindung steht. Die
Kammer 80 wird durch eine im wesentlichen zylindrische Wand
gebildet, deren unteres Ende einen Sitz 84 des Ventildich
tungsmechanismus 82 aufweist. Wie in den Fig. 2 und 3
dargestellt ist, weist der Sitz 84 einen inneren ringförmigen
Steg 86 auf, dessen untere Spitze einen gekrümmten Querschnitt
aufweist, eine ringförmige Nut 88, die den ringförmigen
Steg 86 umgibt, und eine Vielzahl von Haltern 89a bis 89d, die
um die ringförmige Nut 88 angeordnet und winklig um gleiche
Umfangsabstände beabstandet sind. Die Halter 89a bis 89d
weisen jeweils untere Flächen auf, die als Anschlagflächen 90a
bis 90d dienen. Die Halter 89a bis 89d sind winklig durch
dazwischen angeordnete Nuten 92a bis 92d beabstandet. Die
Anschlagflächen 90a bis 90d sind ebenfalls winklig durch die
Nuten 92a bis 92d beabstandet und axial in Richtung des
Pfeiles A von dem Steg 86 zurückversetzt.
Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist das Ventilgehäuse 76 eine
Öffnung 94 auf, die in seinem unteren Ende unterhalb des
Sitzes 84 ausgebildet ist und in Verbindung mit der Kammer 80
gehalten wird. Die Öffnung 94 wird durch eine zylindrische
Wand gebildet, die ein Innengewinde aufweist. Eine Ventilfüh
rung 96 ist in die Öffnung 94 eingeschraubt und weist eine
Ausnehmung 98 auf, in der ein Ventilkörper 102 gleitend
eingesetzt ist. Der Ventilkörper 102 weist ein rohrförmiges
Element 103 und ein einstückig mit einem oberen Ende des
rohrförmigen Elements 103 ausgebildetes Ventilelement 105 auf.
Eine Schraubenfeder 100 weist ein oberes Ende auf, das gegen
ein unteres Ende des Ventilelements 105 gehalten wird, und ein
unteres Ende, das auf einer unteren Oberfläche der Aus
nehmung 98 aufsetzt. Der Ventilkörper 102 wird normalerweise
durch die Schraubenfeder 100 in Richtung des Pfeiles B nach
oben gedrückt.
Wie in Fig. 3 dargestellt ist, ist ein ringförmiges Dichtungs
polster 106 aus einem elastomeren Material, wie Gummi, in
einen ringförmigen Schlitz 104 eingesetzt, der in einer oberen
Fläche des Ventilelements 105 ausgebildet ist. Der ringförmige
Schlitz 104 wird durch eine Wand 107 mit einem schwalben
schwanzförmigen Querschnitt gebildet. Das Dichtungspolster 106
weist eine abgeschrägte Fläche 109 auf, die an der Wand 107
angreift. Das Dichtungspolster 106 wird dadurch gegen
Entfernung in dem ringförmigen Schlitz 104 gehalten. Das
Dichtungspolster 106 kann in und außer Eingriff mit dem
Sitz 84 gebracht werden. Wie in Fig. 1 dargestellt ist, weist
ein stangenförmiger Stab 108 ein unteres Ende auf, das zentral
an dem Ventilelement 105 befestigt ist, und ein oberes
konisches Ende 110, das nach oben hin einen zunehmend
kleineren Durchmesser aufweist.
Eine Membran 114 ist zwischen dem Ventilgehäuse 76 und der
Kappe 77 festgeklemmt, wobei die Membran 114 und eine in dem
oberen Ende des Ventilgehäuses 76 ausgebildete Aussparung
gemeinsam eine Membrankammer 116 festlegen, die durch einen
Durchgang 118 mit dem Sekundäranschluß 74 in Verbindung steht.
Erste und zweite Membranhalter 120, 122, die die Membran 114
halten, sind jeweils zentral an unteren bzw. oberen Flächen
der Membran 114 befestigt.
Der erste Membranbehälter 120, der die untere Fläche der Membran
114 hält, weist ein zylindrisches Element 124 auf, das in eine
in der Membran 114 ausgebildete zentrale Öffnung eingesetzt
ist und nach oben von der Membran 114 vorsteht, und einen
Flansch 126, der sich radial nach außen von einem unteren Ende
des zylindrischen Elements 124 erstreckt und gegen die untere
Fläche der Membran 114 gehalten wird. Das zylindrische Element
124 weist eine darin durch eine Wand gebildete zentrale
Öffnung 128 auf, die eine sich nach unten erweiternde konische
Fläche 130 aufweist. Die Öffnung 128 ist geschlossen, wenn das
obere konische Ende 110 des Stabes 108 auf der konischen
Fläche 130 aufsetzt. Die Wand, die die Öffnung 128 festlegt,
umfaßt auch eine sich nach oben erweiternde konische Fläche.
Der zweite Membranhalter 122, der die obere Fläche der Membran
114 hält, weist ein zylindrisches Element 132 auf mit einer
Öffnung, in die das zylindrische Element 124 eingesetzt ist,
und einen Flansch 134, der sich von einem unteren Ende des
zylindrischen Elements 132 radial nach außen erstreckt und
gegen die obere Fläche der Membran 114 gehalten wird. Die
Membran 114 ist sandwichartig zwischen den Flanschen 126, 134
der ersten und zweiten Membranhalter 120, 122 aufgenommen.
Eine Druckregulierfeder 136 weist ein unteres Ende auf, das
auf dem Flansch 134 aufsetzt, und ein oberes Ende, das auf
einer Mutter 138 aufsetzt, die auf eine zentral an dem
Handgriff 78 befestigte Schraube 140 aufgeschraubt ist. Wenn
der Handgriff 78 und die Schraube 140 gemeinsam gedreht
werden, wird die Mutter 138 in Richtung der Pfeile A oder B
axial verschoben.
Eine Entlastungsöffnung 144 ist in dem oberen Ende des
Ventilgehäuses 76 ausgebildet, um ein Fluid aus dem Ventil
gehäuse 76 abzulassen.
Das Druckreduzierventil 70 funktioniert wie folgt:
Eine Druckluftquelle (nicht dargestellt) wird an den Primär anschluß 72 angeschlossen und eine gewünschte Fluiddruckvor richtung (nicht dargestellt), beispielsweise ein Pneumatik zylinder, wird an den Sekundäranschluß 74 angeschlossen. Der Handgriff 78 wird in eine Richtung gedreht, um einen Druck luftdruck einzustellen, der der Druckfluidvorrichtung zugeführt werden soll. Insbesondere werden in Fig. 1 der Handgriff 78 und die Schraube 140 gemeinsam gedreht, um die Mutter 138 in der Richtung des Pfeiles A axial zu verschieben, wobei die Feder 136 zusammengedrückt wird, um die Membran 114 in Richtung des Pfeiles A zu pressen. Der Stab 108 und der Ventilkörper 102 werden ebenfalls in Richtung des Pfeiles A verschoben, bis, wie in Fig. 4 dargestellt, das Dichtungspol ster 106 um eine Strecke von dem Sitz 84 beabstandet ist. Die Primär- und Sekundäranschlüsse 72, 74 stehen nun miteinander in Verbindung.
Eine Druckluftquelle (nicht dargestellt) wird an den Primär anschluß 72 angeschlossen und eine gewünschte Fluiddruckvor richtung (nicht dargestellt), beispielsweise ein Pneumatik zylinder, wird an den Sekundäranschluß 74 angeschlossen. Der Handgriff 78 wird in eine Richtung gedreht, um einen Druck luftdruck einzustellen, der der Druckfluidvorrichtung zugeführt werden soll. Insbesondere werden in Fig. 1 der Handgriff 78 und die Schraube 140 gemeinsam gedreht, um die Mutter 138 in der Richtung des Pfeiles A axial zu verschieben, wobei die Feder 136 zusammengedrückt wird, um die Membran 114 in Richtung des Pfeiles A zu pressen. Der Stab 108 und der Ventilkörper 102 werden ebenfalls in Richtung des Pfeiles A verschoben, bis, wie in Fig. 4 dargestellt, das Dichtungspol ster 106 um eine Strecke von dem Sitz 84 beabstandet ist. Die Primär- und Sekundäranschlüsse 72, 74 stehen nun miteinander in Verbindung.
Anschließend wird die Druckluftquelle aktiviert, um unter
Druck stehende Luft von dem Primäranschluß 72 in das Druck
reduzierventil 70 einzuführen. Die zugeführte unter Druck
stehende Luft fließt durch die Kammer 80 in den Sekundär
anschluß 74, von dem sie der Druckfluideinrichtung zugeführt
wird. Ein Teil der dem Sekundäranschluß 74 zugeführten
Druckluft fließt durch den Durchgang 118 in die Membrankam
mer 116 und erzeugt eine Kraft, um die Membran 114 in Richtung
des Pfeiles B zu pressen. Die Membran 114 wird gemeinsam mit
dem Stab 108 verschoben, wodurch der Ventilkörper 102 in
Richtung des Pfeiles B verschoben wird, bis die auf die
Membran 114 wirkende Kraft und die Vorspannung der Feder 136
in Gleichgewicht miteinander gebracht werden.
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 bis zu einem
bestimmten Niveau aufgebaut ist, wird der Ventilkörper 102
weiter in Richtung des Pfeiles B verschoben. Wie in den Fig. 1
und 3 dargestellt ist, liegt das Dichtungspolster 106 gegen
den Sitz 84 an, um hierzwischen eine Abdichtung herzustellen
und die Verbindung zwischen den Primär- und Sekundäranschlüs
sen 72, 74 zu unterbrechen.
Im einzelnen tritt der Steg 86 an dem Ende des Sitzes 84 in
das Dichtungspolster 106 ein und deformiert dieses elastisch,
um die Verbindung zwischen den Primär- und Sekundäranschlüs
sen 72, 74 zu unterbrechen. Bei weiterer Verschiebung des
Ventilkörpers 102 in Richtung des Pfeiles B schlagen die
Anschlagflächen 90a bis 90d der Halter 89a bis 89d an dem
Dichtungspolster 106 an. Da die Anschlagflächen 90a bis 90d
an dem Dichtungspolster 106 auf einer großen Fläche anliegen,
wird das Dichtungselement 106 nicht deformiert, wenn es durch
die Anschlagflächen 90a bis 90d gepreßt wird, und der Steg 86
wird daran gehindert, weiter in das Dichtungspolster 106
einzutreten.
Zu diesem Zeitpunkt tritt der Steg 86 um eine Strecke i in das
Dichtungspolster 106 ein. Da die Strecke i von der Genauigkeit
abhängt, mit welcher der Sitz 84 bearbeitet wurde, unter
scheidet sich die Strecke i nicht in großem Maße von Sitz zu
Sitz. Dementsprechend haben die Druckreduzierventile 70, selbst
wenn sie in großen Stückzahlen produziert werden, eine im
wesentlichen konstante Strecke i.
Ein dynamischer Gleichgewichtszustand oder Äquilibrium, das
zwischen den Kräften in dem Druckreduzierventil 70 erreicht
wird, wird nachfolgend beschrieben.
Eine Fläche, über die der Druck des Fluids auf die Membran 114
aufgebracht wird, d. h. eine effektive Druckaufnahmefläche Ad,
wird ausgedrückt durch:
Ad = π × {(Dd + Da)/2}2/4 (1)
wobei Dd der Innendurchmesser einer Wand ist, die die
Membrankammer 116 bildet, und Da der Außendurchmesser des
zweiten Membranhalters 122 (vgl. Fig. 4). Eine Ventildich
tungsfläche Av ist eine Fläche der oberen Oberfläche des
Ventilkörpers 102, der von dem Ring 86 umgeben wird, wenn er
gegen das Dichtungselement 106 gehalten wird. Die Fläche wird
dargestellt durch:
Av = (π × Dv2)/4 (2)
wobei Dv der Durchmesser des Steges ist. Eine Ventilgleit
bereichsdichtungsfläche Ab ist eine Fläche der unteren
Oberfläche der Aussparung 98, die durch das rohrförmige
Element 103 des Ventilkörpers 102 verschlossen wird, welcher
gegenüber der Wand, die die Aussparung 98 festlegt, gleitet,
und wird festgelegt durch:
Ab = (π × Db2)/4 (3)
wobei Db der Durchmesser des rohrförmigen Elements 103 ist.
Es wird angenommen, daß die Feder 136 eine Federkonstante Ka
hat, daß die Größe der Biegung der Feder 136 (die Strecke, um
die die Feder 136 kontrahiert wird, wenn die Mutter 138 durch
Drehen des Handgriffs 78 axial verschoben wird) durch X
bezeichnet wird, daß der Fluiddruck in dem Primäranschluß 72
durch P1 bezeichnet wird, daß der Fluiddruck in dem Sekundär
anschluß 74 durch P2 bezeichnet, daß die Last auf der Schrau
benfeder 100 (die Kraft, die auf die Schraubenfeder 100
ausgeübt wird, wenn das Dichtungspolster 106 gegen den Sitz 84
gehalten wird) durch f1 bezeichnet wird, daß der Wirkungsgrad
(Federkonstante) oder eine durch die Deformation des elastome
ren Materials des Dichtungselements 106 erzeugte Reaktions
kraft durch k bezeichnet wird, und daß die Schraubenfeder 100
eine Federkonstante Kv hat. Wenn der Fluiddruck in dem
Sekundäranschluß 74 P2 und die Primär- und Sekundäranschlüs
se 72, 74 durch den gegen das Dichtungselement 106 gehaltenen
Sitz 84 getrennt sind, ergibt sich die Kraft Fa1, die den
Ventilkörper 102 in Richtung des Pfeiles A drückt, als:
Fa1 = Ka × X + k × i (4).
Die Kraft Fb1, die den Ventilkörper 102 in Richtung des
Pfeiles B drückt, ergibt sich als:
Fb1 = Ad × P2 + (P1 - P2) × (Av - Ab) + f1 (5).
Da diese Kräfte Fa1, Fb1 im Gleichgewicht miteinander gehalten
werden, ergibt sich die folgende Gleichung aus den Gleichungen
(4) und (5):
Ka × X + k × i = Ad × P2 + (P1 - P2) × (Av - Ab) + f1
Ka × X - Ad × P2 - (P1 - P2) × (Av - Ab) - f1 + k × i = 0 (6).
Ka × X - Ad × P2 - (P1 - P2) × (Av - Ab) - f1 + k × i = 0 (6).
Wenn der Fluiddruck in dem Sekundäranschluß 74 von dem
Druck P2 um ΔP abfällt, fällt der Fluiddruck in der Mem
brankammer 116 ab, was eine Verschiebung der Membran 114 in
Richtung des Pfeiles A und eine Verschiebung des Ventilkör
pers 102 um eine Strecke ΔL bewirkt (vgl. Fig. 4). Wenn die
Strecke ΔL kleiner ist als die Strecke i, d. h., wenn das
Dichtungspolster 106 und der Sitz 184 gegeneinander gehalten
werden, dann ergibt sich die Kraft Fa2, die den Ventilkör
per 102 in Richtung des Pfeiles A preßt, wie folgt:
Fa2 = Ka × (X - ΔL) + k × (i - ΔL) (7).
Die Kraft Fb2, die den Ventilkörper 102 in Richtung des
Pfeiles B preßt, ergibt sich als:
Fb2 = Ad × (P2 - ΔP) + (P1 - P2 + ΔP) × (Av - Ab) + f1 + Kv × ΔL) (8).
Da diese Kräfte Fa2, Fb2 im Gleichgewicht miteinander gehalten
werden, ergibt sich die folgende Gleichung aus den Gleichun
gen (7) und (8):
Ka × (X - ΔL) + k × (i - ΔL) = Ad × (P2 - ΔP) + (P1 - P2 + ΔP)
× (Av - Ad) + (f1 + Kv × ΔL)
Ka × (X - ΔL) - Ad × (P2 - ΔP) - (P1 - P2 + ΔP) × (Av - Ab) - (f1 + Kv × ΔL) + k × (i - ΔL) = 0 (9).
Ka × (X - ΔL) - Ad × (P2 - ΔP) - (P1 - P2 + ΔP) × (Av - Ab) - (f1 + Kv × ΔL) + k × (i - ΔL) = 0 (9).
Durch Subtrahieren der Gleichung (9) von der Gleichung (6)
ergibt sich folgende Gleichung:
Ka × ΔL - Ad × ΔP + ΔP × (Av - Ab) + Kv × ΔL + kΔL = 0
(Ka + Kv + k) × ΔL - (Ad - Av + Ab) × ΔP = 0 (10).
Eine kleine Verschiebung ΔL ergibt sich durch:
ΔL = {(Ad - Av + Ab)/(Ka + Kv + k)} × ΔP (11).
Wenn ΔL < i, werden der Sitz 84 und das Dichtungspolster 106
gegeneinander gehalten. Wenn ΔL < i, werden der Sitz 84 und
das Dichtungspolster 106 voneinander getrennt und die Primär- und
Sekundäranschlüsse 72, 74 miteinander verbunden. Durch
Substituieren der Gleichung (11) in die Randbedingung ΔL = i,
ergibt sich die Strecke i wie folgt:
i = {(Ad - Av + Ab)/(Ka + Kv + k)} × ΔP0 (12)
wobei ΔP0 die Reduktion des Fluiddruckes in dem Sekundär
anschluß 74 ist. Die Druckreduktion ΔP0 wird ausgedrückt
durch:
ΔP0 = {(Ka + Kv + k)/(Ad - Av + Ab)} × i (13).
Daher werden, wenn die Reduktion ΔP des Fluiddruckes in dem
Sekundäranschluß 74 größer wird als die Reduktion ΔP0, der
Sitz 84 und das Dichtungspolster 106 voneinander getrennt und
Fluid wird dem Sekundäranschluß 74 zugeführt.
Wie aus der Gleichung (13) erkennbar ist, würde sich bei einer
Änderung der Strecke i auch die Druckreduktion ΔP0 ändern, was
zu einem Fehler in der Durchflußratencharakteristik des
Druckreduzierventiles 70 führen würde. Somit würden in großen
Stückzahlen produzierte Druckreduzierventile 70 kein kon
stantes Qualitätsniveau aufweisen. Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist jedoch, da sich die Strecke i nicht ändert, die
Druckreduktion ΔP0 konstant und die Durchflußrate des Fluids
in dem Druckreduzierventil 70 ist konstant. Als Folge hiervon
haben auch als Massenteile produzierte Druckreduzierventile 70
ein konstantes Qualitätsniveau.
Die Nut 88 steht mit dem Primäranschluß 72 durch die Nuten 92a
bis 92d in Verbindung, wenn die Anschlagflächen 90a bis 90d
gegen das Dichtungspolster 106 gehalten werden. Daher liefern
nicht die Anschlagflächen 90a bis 90b die Abdichtung, sondern
lediglich der Steg 86 sorgt für die Abdichtung. Unabhängig
davon, ob die Anschlagflächen 90a bis 90d gegen das Dichtungs
polster 106 gehalten werden oder nicht, ist die durch die
Gleichung (2) ausgedrückte Ventildichtungsfläche Av konstant,
was eine Änderung der Reduktion ΔP0 des Fluiddrucks in dem
Sekundäranschluß 74 verhindert (vgl. Gleichung (13)).
Dementsprechend besteht keine Gefahr einer Änderung der
Durchflußratencharakteristiken des Druckreduzierventiles 70.
Wenn Druckreduzierventile 70 in großen Stückzahlen produziert
werden, wird verhindert, daß sie unterschiedliche Durch
flußratencharakteristiken haben, und sie besitzen ein
konstantes Qualitätsniveau. Fluiddrucksysteme, die diese
massenproduzierten Druckreduzierventile 70 enthalten, haben
ebenfalls ein konstantes Qualitätsniveau.
Da die untere Spitze des ringförmigen Steges 86 einen
gekrümmten Querschnitt aufweist, beschädigt der Steg 86
außerdem das Dichtungspolster 106 nicht, wenn der Steg 86 in
das Dichtungspolster 106 eintritt. Daher hat das Druck
reduzierventil 70 eine lange Lebensdauer.
Der Ventildichtungsmechanismus 82 ist nicht auf die Verwendung
in dem Druckreduzierventil 70 beschränkt, sondern kann auch
in anderen Fluiddruckeinrichtungen zur Verbesserung der
Durchflußratencharakteristiken eingesetzt werden.
Die Fig. 5 und 6 zeigen ein solenoidbetätigtes Ventil 160, das
einen Ventildichtungsmechanismus gemäß einer anderen Aus
führungsform der vorliegenden Erfindung aufweist. Wie in
Fig. 5 dargestellt ist, weist das solenoidbetätigte Ventil 160
ein Ventilgehäuse 168 mit einer ersten Anschlußöffnung 162,
einer zweiten Anschlußöffnung 164 und einer dritten Anschluß
öffnung 166 auf. Das Ventilgehäuse 168 weist außerdem eine
zentrale Öffnung 170 auf, die mit dem ersten Anschluß 162, dem
zweiten Anschluß 164 und dem dritten Anschluß 166 in Verbin
dung steht. Ein Sitz 202 ist fest an einem unteren offenen
Ende der Öffnung 170 angeordnet.
Die Öffnung 170 wird durch eine Wand gebildet, die eine
Nut 172 aufweist, die mit dem zweiten Anschluß 164 in
Verbindung steht, und einen Sitz 176 (vgl. Fig. 6) eines
Ventildichtungsmechanismus 174 nahe der Nut 172. Der Sitz 176
weist einen ringförmigen Steg 178 auf, dessen oberes Ende
einen gekrümmten Querschnitt aufweist, und eine um den Steg
178 ausgebildete Nut 180. Der Sitz 176 weist außerdem eine
Vielzahl von Haltern 181a bis 181d (181b, 181d sind nicht
dargestellt) auf, die um die Nut 180 angeordnet sind und
jeweilige obere Anschlagflächen 182a bis 182d (182b, 182d sind
nicht dargestellt) aufweisen. Die Anschlagflächen 182a bis
182d werden durch Nuten 184a bis 184d (184b, 184d sind nicht
dargestellt), die zwischen den Haltern 181a bis 181d ausge
bildet sind, beabstandet.
Ein Ring 186 ist an der die Öffnung 170 festlegenden Wand
oberhalb der Nut 172 befestigt, und ein O-Ring 188 ist um den
Ring 186 angeordnet. Ein Ventildichtungsmechanismus 190 weist
einen Sitz 192 an einer unteren Fläche des Ringes 186 auf. Der
Sitz 192 weist einen ringförmigen Steg 194 auf, dessen unteres
Ende einen gekrümmten Querschnitt aufweist, und eine um den
Steg 194 angeordnete Nut 196. Der Sitz 192 weist außerdem eine
Vielzahl von Haltern 198a bis 198d (198b, 198d sind nicht
dargestellt) auf, die um die Nut 196 angeordnet sind und
jeweilige untere Anschlagflächen 199a bis 199d (199b, 199d
sind nicht dargestellt) aufweisen. Die Anschlagflächen 199a
bis 199d werden durch Nuten 200a bis 200d (200b, 200d sind
nicht dargestellt), die zwischen den Haltern 198a bis 198d
ausgebildet sind, beabstandet.
Wie in Fig. 5 dargestellt ist, ist ein Ring 201 an der die
Öffnung 170 festlegenden Wand nahe eines oberen offenen Endes
der Öffnung 170 befestigt, und ein O-Ring 203 ist um den
Ring 201 angeordnet. Eine Nut 205 ist in der die Öffnung 170
festlegenden Wand zwischen den Ringen 186, 201 ausgebildet und
steht in Verbindung mit dem dritten Anschluß 166.
Ein im wesentlichen zylindrischer Ventilkörper 206 ist axial
gleitend in der Öffnung 170 angeordnet. Der Ventilkörper 206
weist eine in seinem unteren Ende ausgebildete Ausnehmung 208
auf. Eine Schraubenfeder 204 weist ein oberes Ende auf, das
auf einem oberen Ende der Ausnehmung 208 aufsitzt, und ein
unteres Ende, das auf dem Sitz 202 aufsitzt. Daher wird der
Ventilkörper 206 normalerweise durch die Schraubenfeder 204
in Richtung des Pfeiles B gedrückt. Der Ventilkörper 206 weist
ein Paar axial beabstandeter konischer Oberflächen 210a, 210b
auf, deren Durchmesser in Längsrichtung zentral zunehmend
kleiner in einen eingeschnürten Abschnitt 212 übergeht. Der
eingeschnürte Abschnitt 212 weist einen radial nach außen
vorstehenden Steg 216 auf, der mit einer Dichtungshülse 214
(vgl. Fig. 6) aus einem elastomeren Material, beispielsweise
Gummi, bedeckt ist. Die Dichtungshülse 214 ist passend über
den eingeschnürten Abschnitt 212 gesetzt. Die Dichtungshülse
214 weist Dichtungsflächen 218a, 218b des Ventildichtungs
mechanismus 174, 190 auf, die gegen die Sitze 176 bzw. 192
gehalten werden können.
Eine Stange 220 weist ein unteres Ende auf, das an einem
oberen Ende des Ventilkörpers 206 befestigt und gleitend in
eine im wesentlichen zylindrische Führung 222 eingesetzt ist,
welche an einem oberen Ende des Ringes 201 befestigt ist. Die
Stange 220 weist ein oberes Ende auf, das in eine in einem
Verschiebungselement 224 ausgebildete Öffnung 226 eingesetzt
ist. Ein Flansch 228 an dem oberen Ende der Stange 220 greift
an eine Stufe 230 einer Wand an, die die Öffnung 226 festlegt,
wodurch die Stange 220 daran gehindert wird, von dem Ver
schiebungselement 224 entfernt zu werden. Eine Schraubenfe
der 232 weist ein unteres Ende auf, das auf dem Flansch 228
aufsitzt, und ein oberes Ende, das auf einem Sitz 234
aufsitzt, der an einem oberen Abschnitt der Wand befestigt
ist, die die Öffnung 226 festlegt. Die Stange 220 wird somit
durch die Schraubenfeder 232 normalerweise so vorgespannt, daß
sie in Richtung des Pfeiles C bewegt wird.
Das Verschiebungselement 224 ist axial gleitend in einer
Spule 240 einer Solenoidspule 238 angeordnet. Die Spule 240
trägt eine Windung 242 aus elektrisch leitendem Draht. Die
Solenoidspule 238 wird durch ein Gehäuse 244 abgedeckt, das
an seinem oberen Ende ein rohrförmiges Element 246 trägt, in
welchem die Führung 248 fest angebracht ist. Die Führung 248
weist eine darin zentral ausgebildete Öffnung 252 auf, die
eine Stufe 250 aufweist. Ein Stift 254, der fest an einer
oberen Fläche des Sitzes 234 angebracht ist, ist in die
Öffnung 252 eingesetzt. Der Stift 254 weist eine Stufe 256
auf, die mit der Stufe 250 der Führung 248 in Eingriff treten
kann. Ein oberes offenes Ende des rohrförmigen Elements 246
wird durch eine Kappe 258 verschlossen.
Das solenoidbetätigte Ventil 160 mit dem Ventildichtungsmecha
nismus 174, 190 funktioniert wie folgt:
Fluiddruckvorrichtungen (nicht dargestellt) einschließlich einer Druckluftquelle, einem Zylinder und einem Auslaßrohr sind mit ersten, zweiten bzw. dritten Anschlüssen 162, 164, 166 verbunden. Eine elektrische Stromzufuhr (nicht dar gestellt) ist mit der Windung 242 der Solenoidspule 238 verbunden.
Fluiddruckvorrichtungen (nicht dargestellt) einschließlich einer Druckluftquelle, einem Zylinder und einem Auslaßrohr sind mit ersten, zweiten bzw. dritten Anschlüssen 162, 164, 166 verbunden. Eine elektrische Stromzufuhr (nicht dar gestellt) ist mit der Windung 242 der Solenoidspule 238 verbunden.
Wenn die Solenoidspule 238 durch die elektrische Stromzufuhr
nicht erregt wird, ist der Ventilkörper 206 unter der
Vorspannung der Schraubenfeder 204 axial in der Richtung des
Pfeiles D verschoben. Der Steg 194 des Ventildichtungs
mechanismus 190 tritt in die Dichtungsfläche 218b der
Dichtungshülse 214 ein und bildet eine Abdichtung, wie in Fig.
6 dargestellt ist. Die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164
werden durch die Nut 172 in Verbindung miteinander gebracht,
und die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166 werden
voneinander getrennt. Unter Druck stehende Luft wird von der
Druckluftquelle, die mit dem ersten Anschluß 162 verbunden
ist, durch die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164 zu dem
mit dem zweiten Anschluß 164 verbundenen Zylinder geführt.
Zu dieser Zeit werden die Anlageflächen 199a bis 199d der
Halter 198a bis 198d gegen die Dichtungsfläche 218b gehalten,
was den Steg 194 daran hindert, über eine festgelegte Strecke
hinaus in die Dichtfläche 218b einzutreten. Somit wird die
Dichtungsfläche 218b an einer unerwünschten Deformation durch
den Steg 194 gehindert, so daß die Dichtungshülse 214 nicht
in unerwünschter Weise beschädigt oder beeinträchtigt werden
kann.
Wenn die Solenoidspule 238 durch die elektrische Stromzufuhr
erregt wird, wird das Verschiebungselement 224 axial in
Richtung des Pfeiles C verschoben, was bewirkt, daß die durch
die Führung 222 geführte Stange 220 den Ventilkörper 206 gegen
die Vorspannung der Schraubenfeder 204 verschiebt (vgl.
Fig. 5). Die Dichtfläche 218a des Ventildichtungsmechanis
mus 174 berührt den Steg 168, welcher bei weitergehender
Verschiebung des Ventilkörpers 206 in die Dichtfläche 218
eintritt und eine Abdichtung herstellt. Als Folge hiervon
werden die ersten und zweiten Anschlüsse 162, 164 voneinander
getrennt und die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166
werden in Verbindung miteinander gebracht. Dadurch wird unter
Druck stehende Luft von dem Zylinder abgelassen und fließt
durch die zweiten und dritten Anschlüsse 164, 166 in das mit
dem dritten Anschluß 166 verbundene Auslaßrohr.
Zu dieser Zeit werden die Anschlagflächen 182a bis 182d der
Halter 181a bis 181d gegen die Dichtfläche 218a gehalten, was
den Steg 178 daran hindert, über eine festgelegte Strecke
hinaus in die Dichtfläche 218a einzutreten. Somit wird eine
unerwünschte Deformation der Dichtfläche 218a durch den
Steg 178 verhindert und die Dichthülse 214 kann nicht in
unerwünschter Weise beschädigt oder beeinträchtigt werden.
Da die Dichthülse 214 durch den Eintritt der Stege 178, 194
nur einer minimalen Beschädigung oder Beeinträchtigung
ausgesetzt ist, hat das solenoidbetriebene Ventil 160 eine
relativ lange Lebensdauer.
Obwohl bestimmte bevorzugte Ausführungsformen der vorliegenden
Erfindung dargestellt und im Detail beschrieben wurden,
versteht es sich, daß Änderungen und Modifikationen möglich
sind, ohne den Rahmen der beigefügten Ansprüche zu verlassen.
Claims (7)
1. Ventildichtungsmechanismus (82, 174, 190) mit:
einem Sitz (84, 176, 192),
einem Dichtelement (106, 214) aus einem elastomeren Material, wobei der Sitz (84, 176, 192) und das Dichtelement (106, 214) relativ zueinander verschiebbar sind, so daß sie aneinander anliegen, um einen Anschluß (72, 262, 266) von einem anderen Anschluß (74, 164) zu trennen,
wobei der Sitz (84, 176, 192) einen Steg (86, 178, 194) zum Pressen und elastischen Deformieren des Dichtelementes (106, 214) zur Schaffung einer Abdichtung dazwischen aufweist und eine Vielzahl von Haltern (98a bis 98d, 181a bis 181d, 198a bis 198d), die mit dem Dichtelement (106, 214) in Eingriff bringbar sind und jeweilige Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d) aufweisen,
wobei die Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d) von dem Steg (86, 178) in einer Richtung zu dem Dichtelement (106, 214) hin zurückversetzt sind,
wobei die Anordnung so ist, daß bei einer Verschiebung des Sitzes (84, 176, 194) relativ zu dem Dichtelement (106, 214) der Steg (86, 178, 194) in das Dichtelement (106, 214) eintritt, um eine Abdichtung dazwischen herzustellen, und an einem weiteren Eintreten in das Dichtelement (106, 214) durch die Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d), die bei weitergehender Verschiebung des Sitzes (84, 176, 192) gegen das Dichtelement (106, 214) gehalten werden, gehindert wird.
einem Sitz (84, 176, 192),
einem Dichtelement (106, 214) aus einem elastomeren Material, wobei der Sitz (84, 176, 192) und das Dichtelement (106, 214) relativ zueinander verschiebbar sind, so daß sie aneinander anliegen, um einen Anschluß (72, 262, 266) von einem anderen Anschluß (74, 164) zu trennen,
wobei der Sitz (84, 176, 192) einen Steg (86, 178, 194) zum Pressen und elastischen Deformieren des Dichtelementes (106, 214) zur Schaffung einer Abdichtung dazwischen aufweist und eine Vielzahl von Haltern (98a bis 98d, 181a bis 181d, 198a bis 198d), die mit dem Dichtelement (106, 214) in Eingriff bringbar sind und jeweilige Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d) aufweisen,
wobei die Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d) von dem Steg (86, 178) in einer Richtung zu dem Dichtelement (106, 214) hin zurückversetzt sind,
wobei die Anordnung so ist, daß bei einer Verschiebung des Sitzes (84, 176, 194) relativ zu dem Dichtelement (106, 214) der Steg (86, 178, 194) in das Dichtelement (106, 214) eintritt, um eine Abdichtung dazwischen herzustellen, und an einem weiteren Eintreten in das Dichtelement (106, 214) durch die Anschlagflächen (90a bis 90d, 182a bis 182d, 199a bis 199d), die bei weitergehender Verschiebung des Sitzes (84, 176, 192) gegen das Dichtelement (106, 214) gehalten werden, gehindert wird.
2. Ventildichtungsmechanismus (82, 174, 190) nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitz (84, 176, 194) eine
zwischen dem Steg (86, 178, 194) und den Haltern (89a bis 89d,
181a bis 181d, 198a bis 198d) ausgebildete Nut (88, 180, 196)
aufweist, wobei der Steg (86, 178, 194) und die Halter (89a
bis 89d, 181a bis 181d, 198a bis 198d) voneinander durch die
Nut (88, 180, 196) beabstandet sind, und daß eine Vielzahl von
Nuten (92a bis 92d, 184a bis 184d, 200a bis 200d) zwischen den
Haltern (89a bis 89d, 181a bis 181d, 198a bis 198d) ausge
bildet ist, wobei die Anordnung so ist, daß, wenn die
Halter (89a bis 89d, 181a bis 181d, 198a bis 198d) gegen das
Dichtelement (106, 214) gehalten werden, die Nut (88, 180,
196) durch die Nuten (92a bis 92d, 184a bis 184d, 200a bis
200d) mit dem einen Anschluß (72, 262, 266) oder dem anderen
Anschluß (74, 264) in Verbindung steht.
3. Ventildichtungsmechanismus (82, 174, 190) nach An
spruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Steg (86, 178, 194)
eine Spitze mit einem gekrümmten Querschnitt aufweist.
4. Ventildichtungsmechanismus (82) nach Anspruch 1 kombi
niert mit einem Druckreduzierventil (70) mit einem Primär
anschluß (72) als dem einen Anschluß und einem Sekundär
anschluß (74) als dem anderen Anschluß zur wahlweisen
Verbindung oder Trennung des Primäranschlusses (72) mit
beziehungsweise von dem Sekundäranschluß (74).
5. Ventildichtungsmechanismus (82) nach Anspruch 4, dadurch
gekennzeichnet, daß das Druckreduzierventil (70) einen
Ventilkörper (102) mit dem Dichtelement (106) und einer
Membran (114) aufweist, die verschiebbar ist, um den Ventil
körper (102) zu verschieben, wobei die Anordnung so ist, daß
bei einer Verschiebung der Membran (114) der Ventilkör
per (102) so verschoben wird, daß er den Primäranschluß (72)
und den Sekundäranschluß (74) wahlweise miteinander verbindet
oder voneinander trennt.
6. Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 1,
kombiniert mit einem solenoidbetriebenen Ventil (160) mit
einer Vielzahl von Anschlüssen (162, 164, 166) als dem einen
Anschluß und dem anderen Anschluß zur wahlweisen Verbindung
oder Trennung ausgewählter Anschlüsse (162, 164, 166)
miteinander bzw. voneinander.
7. Ventildichtungsmechanismus (174, 190) nach Anspruch 6,
wobei das solenoidbetriebene Ventil (160) einen Ventilkör
per (206) mit einem Dichtungselement (214) und eine Solenoid
spule (238) aufweist, die zum Verschieben des Ventilkör
pers (206) erregbar ist, wobei die Anordnung so ist, daß bei
einer Erregung der Solenoidspule (238) der Ventilkörper (206)
so verschoben wird, daß er wahlweise einzelne Anschlüsse der
Anschlüsse (162, 164, 166) miteinander verbindet oder
voneinander trennt.
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