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Proportionalventil
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Die Erfindung betrifft ein Proportionalventil mit einem in einem Ventilgehäuse
verschiebbaren, zwischen zwei mit dem Ein- und dem Austrittsanschluß verbundenen
Ringräume gebildete Durchtrittswege steuernden Kolben.
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Verbreitet werden Proportionalventile benutzt, die als Schieberventile
ausgebildet sind, bei denen ein zwischen zwei Kolbenabschnitten vorgesehener Abschnitt
verringerten Durchmessers die Ringräume zu überbrücken vermag. Der bei solchen Ventilen
bis zum völligen öffnen erforderliche Hub ist im allgemeinen relativ gering, so
daß, insbesondere wenn bspw.
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noch Weggeber angeschlossen werden sollen, der Nutzhub als unvorteilhaft
gering betrachtet wird. Des weiteren erweist sich als nachteilig, daß während des
Betriebes vorzugsweise die bei geringer Ventilöffnung schmalen Uberstrombereiche
insbesondere im Gebiete ihrer Kanten erodiert werden, so daß die Durchtrittsquerschnitte
sich verändern bzw.
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die Hubbereiche sich verlagern. Insbesondere dann, wenn, wie es in
speziellen Fällen vorteilhaft oder gar erforderlich sein kann, als gesteuertes Medium
nicht eine übliche Hydraulikflüssigkeit, sondern Wasser vorzusehen ist, ergeben
sich bei dem üblichen Aufbau der Proportionalventile unzulässig starke Materialabtragungen
und damit Veränderungen des Ventiles durch Erosion sowie gegebenenfalls Kavitation.
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Die Erfindung geht daher von der Aufgabe aus, ein Proportionalventil
der bezeichneten Gattung zu schaffen, das bei leicht verfolgbarem Hube seines Kolbens
von Auswirkungen der Erosion bzw. Kavitation nur wenig beeinflußt wird und damit
selbst beim Betriebe mit Wasser über eine lange Standzeit verfügt.
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Gelöst wird diese Aufgabe, indem der Kolben in zwei gleichachsigen
Rohren verschiebbar ist, deren einander zugekehrte, mit axialer Komponente schräg
geführte Stirnflächen einen mindestens eine axiale Komponente aufweisenden Spalt
einschließen, indem einer der Ringräume den Spalt umfängt, und indem der Hub der
freien Frontfläche des Kolbens der axialen Erstreckung des Spaltes entspricht. Hiermit
wird erreicht, daß zwar die Abdeckung des Spaltes durch die Frontfläche des Kolbens
erfolgt, infolge des schrägen Schnittes des Spaltes jedoch die jeweils die Abdeckung
bewirkenden Bereiche entlang des Umfanges des Kolbens sich verlagern, so daß durch
diese Verteilung ein lokaler starker Verschleiß vermieden wird.
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Gleichzeitig wird jeweils nur eine durch die Breite des Spaltes bestimmte
Umfangsstrecke des Kolbens beansprucht, auch wenn durch Freigabe eines größeren
Teiles des Spaltes größere Uberströmungsquerschnitte zur Verfügung stehen. Durch
die Forn des gebildeten Spaltes wird nicht nur ein größerer, leicht und mit hohem
Auflösungsvermögen abtastbarer Hub des Kolbens erreicht, durch die Form des Spaltes
läßt sich auch die Abhängigkeit des Kolbenhubes vom übertrittsquerschnitt vorgegeben
gestalten.
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Eine relativ einfache Fertigung ergibt sich, wenn die Stirnflächen
mindestens eines der Rohre innerhalb zweier symmetrisch-schräger Ebenen liegen,
deren Schnittlinie normal auf der Achse des Ventiles steht. So können beide Stirnflächen
relativ einfach gefertigt werden. Es ist aber auch möglich, zumindest eine der Stirnflächen
so zu gestalten, daß die Breite te des Spaltes sich mit seiner axialen Komponente
ändert und
vorzugsweise von der Schnittlinie der Ebenen, der Firstlinie
an, ansteigt, so daß der Durchtrittswiderstand in bezug auf den Hub linearisiert
wird oder, bspw. exponentiell,ansteigt. Um ein sicheres Schließen des Ventiles in
der Ausgangsstellung zu erreichen hat es sich bewährt, die Frontfläche des Kolbens
mit einer Dichtung auszustatten, die sich beim Absperren des Spaltes dichtend auf
einen als Ventilsitz ausqebildeten Absatz des Rohrstutzens stützt. Eine Justierung
und gegebenenfalls Anpassung an unterschiedliche Verhältnisse läßt sich erreichen,
wenn mindestens eines der mit ihren einander zugekehrten Stirnflächen den Spalt
begrenzenden Rohre axial einstellbar ist.
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Bewährt hat es sich hierbei, eines der Rohre in einem Gewinde einer
drehbar gehaltenen Kappe zu führen.
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Eine deutliche Auftrennung der beiderseits des Kolbens anstehenden
Räume läßt sich erzielen, wenn dessen Schaft beidendig geführt und mit Dichtungen
ausgestattet ist, wobei der Schaft zwischen den Dichtungen auf einen geringeren
Durchmesser abgesetzt ist als der Kolben, und wenn in dem vom Abschnitt geringeren
Durchmessers bestrichenen Bereiche des Führunqsrohres eine Ringnut vorgesehen ist,
die mit einen Leckablauf verbunden ist. Zweckmäßig ist auch das Führungsrohr im
Ventilgehäuse beidendig abgedichtet, im Durchstoßbereiche der zum Leckablauf führenden
Bohrung wird die Innenwand des Ventilgehäuses und/oder die Außenwand des Führungsrohres
mit einer Ringnut versehen, und beidendig dieser Ringnut ist jeweils eine weitere
nichtung angeordnet.
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Zur reproduzierbaren Angabe der jeweiligen Kolbenstellung ist zweckmäßig
der Kolben mit einer axial vorgesehenen, die Stirnplatte mit einer Stopfbuchse durchstoßenden
Kupplungsstange für Wegaufnehmer ausgestattet.
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Zweckmäßig wird das Proportionalventil von dem der Stirnfläche des
Kolbens abgewandten Zylinderraum dieses Kolbens aus vorgesteuert. Hierbei wird zweckmäßig
die Vorsteuerung vermittels
einer üblichen Hydraulikflüssigkeit
bewirkt, während das durch den Kolben gesteuerte Druckmittel von dem der die Vorsteuerung
bewirkenden Zylinderkammer abweichen kann und aus Wasser bestehen kann.
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Im einzelnen sind die Merkmale der Erfindung anhand der folgenden
Beschreibung eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit-einer dieses darstellenden
Zeichnung erläutert.
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In der beigefügten Figur ist ein Ventilgehäuse 1 dargestellt, das
einseitig durch eine Stirnplatte 2 abgeschlossen ist, mit der gleichzeitig ein von
dieser Seite aus eingeschobenes Führungsrohr 3 fixiert wird: Eine Abdichtung der
Verbindung ist durch eine Dichtung 4 erreicht, während die Lage des eingespannten
Flansches des Führungsrohres 3 durch Stifte. 5 gesichert ist. Gegen das gegenüberliegende
Ende des Ventilgehäuses ist mittels eines deren Flansch übergreifenden Spannringes
6 eine drehbar gehaltene Kappe 7 gespannt, in deren Innengewinde ein Gewinde des
auf Gleitbolzen 8 geführten Ventilkörpers 9 eingreift. Im Bereiche eines Eintrittsanschlusses
10' weist der Ventilkörper 9 eine im Bereiche des Ringraumes 11 vorgesehene Querbohrung
auf, in die eine Längsbohrung 12 mündet, die sich mit einem einen Ventilsitz bildenden
Absatz 13 auf die Innenwandung eines Rohrstutzens 14 erweitert, dessen lichte Weite
der des gleichachsig angeordneten Führungsrohres 3 entspricht, so daß sie eine gemeinsame
zylindrische Führung- für einen Kolben 16 bilden. Die einander zugekehrten Stirnflächen
des Führungsrohres 3;und des Rohrstutzens 14 verlaufen hierbei jeweils in zwei sich
schneidenden symmetrischen Ebenen, deren Schnittlinien in kurzem Abstande und einander
parallel die Achse des Ventilgehäuses 1 durchdringen. Damit entsteht ein in der
dargestellten Seitenansicht V-förmiger Spalt 15 durchgehend gleicher Breite, dessen
Scheitel in der Ebene des Absatzes 13 liegt.
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Mittels einer Schraube 17 ist auf der r!,tflce des Kolbens 16 eine
Dichtung 18 gefallen, welche\ bi geschlussenclu Ventil den durch den Absatz 13 gebildeten
Dichtsitz abschließt.
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Der V-förmige Spalt 15 ist von einem Ringraum 19 umgriffen, der durch
den Spalt hindurchtretendes Druckmittel sammelt und über den Austrittsanschluß 20
abführ-t.
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In der Nähe der Stirnplatte 2 sind das Ventilgehäuse 1 und das Führungsrohr
durch eine gleichachsige, den Vorsteueranschluß 21 bildende Bohrung durchgriffen,
die in den der Frontfläche des Kolbens 16 gegenüberliegenden Zylinderraum 22 führt.
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Mit dem ihr zugewandten Ende des Schaftes 33 des Kolbens 16 ist eine
axial angeordnete Kupplungsstange 23 verbunden! welche durch eine in der Stirnplatte
2 gebildete Stopfbüchse nach außen geführt ist.
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Der Schaft 33 des Kolbens 16 ist beidendig im Führungsrohr 3 geführt
und in seinem wesentlichen mittleren Bereich auf einen geringeren Durchmesser abgesetzt.
Im von diesem abgesetzten Bereiche bestrichenen Abschnitt des Führungsrohres 3 ist
eine Ringnut 24 vorgesehen, die von einer Ringnut 25 des Ventilgehäuses 1 umgriffen
ist. Eine jeweils die Ringnute miteinander verbindende Bohrung ist in den Leckablauf
26 geführt.
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Das Führungsrohr 3 ist im Ventilgehäuse 1 beiderseits der Ringnut
25 durch Dichtungen 27 und 28 abgedichtet, der Ventilkörper 9 ist beidseitig des
Ringraumes 11 durch Dichtungen 29 und 30. im Ventilgehäuse 1 abgedichtet, und der
Kolben ist im Führungsrohr 3 beidendig seines Schaftes 33 durch Dichtungen 31 und
32 abgedichtet.
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Im Betriebe wird ein nicht dargestelltes Vorsteuerventil mit dem Vorsteueranschluß
21 verbunden, so daß der im Zylinderraum 22 herrschende Druck durch das Vorsteuerventil
bestimmt ist.
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Die Quelle des durch das Proportionalventil zu steuernden Druckmittels
wird mit dem Eintrittsanschiuß 10 verbunden, und das gesteuerte Druckmittel. wird
über den Austrittsanschluß 20 abgegeben. Der Leckablauf 26 wird mit einer Abflußleitung
ausgestattet.
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In der Zeichnung ist der Zylinderraum 22 mit so hohem Druck beaufschlagt,
daß der Kolben 16 nach unten gepreßt ist. Hierbei ist nicht nur der Spalt 15 in
seiner ganzen Ausdehnung durch den Mantel des Kolbens abgesperrt, zur Sicherung
ist noch der an der Mündung der Längsbohrung 12 durch den Absatz 13 gebildete Ventilsitz
durch die in die Frontfläche des Kolbens 16 eingelegte Dichtung 18 verschlossen,
so daß kein Druckmittel vom Ringraum 11 über die Querbohrung des Ven--tilkörpers,
die Längsbohrung 12 und den Spalt 15 in den Ringraum 19 überzutreten vermag.
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Wird nunmehr durch das Vorsteuerventil der Druck im Zylinderraum 20
abgesenkt, so gleitet der Kolben 16 nach oben. Hierbei gibt nicht nur die Dichtung
18 den Absatz 13 frei, so daß nunmehr Druckmittel aus der Längsbohrung 12 überzutreten
vermag, die Frontfläche des Kolbens 18 gibt auch Teile des Spaltes 15 frei, so daß
das über den Eintrittsanschluß zugeführte Druckmittel durch den Spalt 1 5 in den
Ringraum 1 9 zu treten vermag und damit den Austrittsanschluß 20 erreicht.
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Vom im Zylinderraum 22 herrschenden Druck bzw. der dort anstehenden
Menge eines Druckmittels hängt es ab, wie weit der Kolben 16 angehoben wird und
welcher Anteil des Spaltes 15 hierbei für den Durchtritt freigegeben wird. In erster
Annäherung kann davon ausgegangen werden, daß der Hub des Kolben 16 proportional
der freigegebenen Fläche des Spaltes 15 und damit dem durchtretenden Mengenfluß
des Druckmittels ist. Um konstante im Ventil und gegebenenfalls dessen Zuleitungen
vorhandene Widerstände zu kompensieren, kann der Spalt so ausgebildet sein, daß
die Spaltbreite mit zunehmendem Hube
sich vergrößert. Hierbei könnte
die Stirnfläche des Führungsrohres 3 oder des Rohrstutzens 14 weiterhin durch zwei
sich schneidende Ebenen begrenzt sein und nach oben hin nur die Stirnfläche des
anderen der beiden Bauteile zurücktreten. In jedem dieser fälle macht es sich vorteilhaft
bemerkbar, daß der jeweils den wirksamen Teil des Spaltes begrenzende Abschnitt
des Umfanges der Frontfläche des Kolbens wandert: Bei minimalem Hube erfolgt die
Begrenzung des Druckmittelflusses an zwei einander gegenüberliegenden Bereichen
des Umfanges der unteren Frontfläche des Kolbens 16, die vor bzw. hinter der Mittelachse
liegen. Mit steigendem Hube erfolgt die Begrenzung durch jeweils zwei Abschnitte
des Umfanges der Frontfläche des Kolbens jeweils auf dessen Vor- und dessen Rückseite,
die sich entsprechend der Entfernung der beiden Äste des Spaltes auch voneinander
entfernen. So wird der beim betriebe des Ventiles entstehende Verschleiß durch Erosion
und gegebenenfalls Kavitation auf die Flanken des Spaltes und wechselnde Bereiche
des Umfanges der Stirnfläche des Kolbens verteilt, so daß sich an bestimmten lokalen
Stellen jeweils auch nur ein relativ geringer Teilverschleiß ergibt. Gleichzeitig
wird erreicht, daß sich in der Ausgangsstellung auch ein durch die Dichtungen 18
bewirkter vollkommener Verschluß ergibt. Vorteilhaft macht sich weiterhin bemerkbar,
daß nicht nur, wie bei üblichen Ventilen, ein geringer Hub von nur einigen Millimetern
vorliegt: Entsprechend der Form und dem Querschnitt des Spaltes 15 wird dessen voller
Durchtrittsquerschnitt erst bei relativ großem Hub erreicht, der damit mit hohem
Auflösungsvermögen über die Kupplungsstange 23 für Wegaufnehmer oder dergleichen
abfühlbar ist.
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Darüber hinaus ergibt sich eine relativ einfache Einstellbarkeit des
Spaltes zum Zwecke der Justierung des Proportionalventiles: Im dargestellten Ausführungsbeispiel
ist das Führungsrohr 3 im Ventilgehäuse 1 fest eingespannt.
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-Die Winkelage des Führun<jsrohres 3 zum Ventilkörper 9 ist durch
führende Stifte 5 sowie Gleitbolzen 8 bestimmt. Wird nun die Kappe 7 gedreht, so
zieht deren in ein Außengewinde des Ventilkörpers 9 eingreifendes Innengewinde je
nach Betrag und Sinn der Drehung den Ventilkörper axial um einen geringen Betrag
aus dem Ventilgehäuse 1 heraus oder schiebt es in dieses tiefer hinein. Hierbei
ändert sich die axiale Distanz der Stirnflächen des Führungsrohres 3 und des Rohrstutzens
14, so daß der zwischen diesen Stirnflächen gebildete Spalt eine Anderung erfährt
und der Durchflußwiderstand des Proportionalventiles entsprechend verstellt wird.
Der bei einer solchen Justierung ausgeführte Hub des Ventilkörpers läßt sich an
einem in diesen eingesetzten Meßbolzen 34 ablesen, dessen Meßstriche als ihn umlaufende
Rippen ausgeführt sind, die oberhalb der Außenfläche der Kappe 7 ablesbar sind.
Andererseits können auch, gegebenenfalls zusätzlich, der Spannring 6 und die Kappe
7 mit einer Meßmarke und einer Skala ausgestattet sein, die Drehungen der Kappe
genau anzuzeigen vermögen und damit die Feinjustierung erleichtern. Sind sowohl
ein Meßbolzen 34 sowie eine bspw. auf der Kappe 7 angeordnete Skala vorgesehen,
so lassen sich eine Grobjustierung anhand des Meßbolzens und eine Feinjustierung
anhand der Skala durchführen.
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Als wesentlich hat sich auch die weitgehende Abdichtunq der einzelnen
Bauteile gezeigt. So sind sowohl der mit dem vorsteuernden Druckmedium beaufschlagte
und der vom gesteuerten Druckmittel bestrichene Raum für sich jeweils sorgfältig
abgedichtet. Zwischen ihnen ist zusätzlich eine drucklose Zone geschaffen, die auf
den Leckablauf 26 geführt ist. Damit aber ist es möglich, in beiden Teilen des Proportionalventiles
unterschiedliche Druckmedien zu benutzen, ohne daß die Gefahr gegenseitiger Vermischung
besteht. Wenn tatsächlich eine geringe Menge eines der beiden Druckmedien die vorgesehenen
Dichtungen als Leckmenge zu überwinden vermag, so gerät sie in die zwischen den
beiden Bereichen gebildete "neutrale Zon'
und wird abgeführt: Die
zwischen der Bohrung des Ventilgehäuses 1 und dem Mantel des Ftihrungsrohres 3 austretenden
Leckverluste werden in der Ringnut 25 gesammelt, und die den Zylinderschaft passierenden
in der Ringnut 24; beide werden durch die Querbohrung zum Leckablauf geleistet.
Damit aber ist es möglich. für die Vorsteuerung übliche, einen nur geringen Verschleiß
bedingende Grundmedien vorzusehen, während das eigentliche Proportionalventil mit
beliebigen anderen Druckmedien, bspw. dem einen hohen Verschleiß bedingenden Wasser,
zu arbeiten vermag, ohne daß eine Durchmischung der beiden Druckmcdicn sta-ttfinden
kann. I,eckverluste wcrdengrundsätzlich abgeleitet und erhalten keine Gelegenheit,
in einen mit dem anderen Druckmedium betriebenen Bereich einzutreten. Damit aber
ist ein Proportionalventil geschaffen, das mit unterschiedlichen Druckmitteln betreibbar
ist, dessen Kolbenweg mit hohem Auflösungsvermögen durch Wegaufnehmer erfaßbar ist,
und das zur Steuerung von hocherodierenden Medien verwendet werden kann, und welches
schließlich nicht nur eine durch Ablesen verfolgbare Justierung zuläßt, sondern
dessen Durchflußwiderstand sich auch in gewünschter Abhängigkeit vom Kolbenhub halten
läßt.