DE4119402A1 - Schieberventil - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft ein Schieberventil bestehend aus einem Gehäuse
mit einer Führungsbohrung und mindestens einem Druckmitteleingang sowie
mehreren seitlich durch das Gehäuse hindurch in die Führungsbohrung
hineinragenden Druckmittelleitungen, einem mit einem Antriebsmittel,
insbesondere Kolben verbundenen, in der Führungsbohrung axial
verschiebbaren Ventilglied.
Ein Ventil der gattungsgemäßen Art ist aus der DE 30 43 871 bekannt.
Hierbei besteht das Ventilglied und das Antriebsmittel aus einem
metallischen Werkstoff. Ventilglied und Antriebsmittel sind in
entsprechenden Zonen mit Dichtungen versehen ist, die die
Druckmittelleitungen untereinander und in entsprechenden
Schaltstellungen auch gegen die Druckmitteleingangsleitung abdichten.
Bei der Herstellung entsprechend paßgenauer Metallschieber ist man auf
aufwendige Herstell- bzw. Bearbeitungsverfahren angewiesen. Die
Tatsache, daß zusätzlich Dichtungsringe angebracht werden müssen, führt
dazu, daß ein solches bekanntes Schieberventil mit Metallschieber
entsprechend aufwendig sowohl in der Herstellung als auch in der Montage
ist.
In einem solchen bekannten Ventil sind Dichtungen in entsprechenden
Nuten auf dem Schieber anzubringen, wobei die Dichtungen an der
metallischen Innenwand der Führungsbohrung dichtend anliegen. Dabei
kommt es bezüglich der Dichtungen solcher Metallschieber auch zu einem
entsprechenden Verschleiß. Da diese Ventilanordnung jedoch auf eine
entsprechende Paßgenauigkeit angewiesen ist, führt der schon
geringfügige Verschleiß der üblichen Ringdichtungen zu Undichtigkeiten
und machen so eine Wartung innerhalb kurzer Standzeiten nötig.
Für den ständig wachsenden Bedarf an Ventilen kleiner Nennweite im
Einsatzbereich entsprechend kleinerer oder sogar miniaturisierter
Pneumatikanlagen ist ein Ventil mit Metallschieber ungeeignet, da die
Verwendung entsprechend kleiner Dichtungsringe den Montageaufwand
erheblich erhöht.
Ausgehend von diesem Stand der Technik stellt sich die Erfindung die
Aufgabe, ein Schieberventil der eingangs genannten Art derart
weiterzubilden, daß zum einen auf separate Dichtungselemente verzichtet
werden kann und zum anderen die Dichtigkeit über einen längeren
Betriebszeitraum gewährleistet ist.
Die gestellte Aufgabe wird bei einem Schieberventil der gattungsgemäßen
Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruches 1 gelöst.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen
dargestellt.
Die Anordnung eines axial in den Schieber hineinreichenden Sackloches,
welches zum einen an der mit dem Druckmitteleingang schlüssig
verbindbaren Ende geöffnet ist und des weiteren mit Durchgangsöffnungen
zum Schalten der einzelnen Druckmittelwege ausgestaltet ist, führt dazu,
daß sich das Ventilglied bei Druckbeaufschlagung bezüglich seines
Querschnittes derart verformt, daß es sich stärker an die entsprechend
zu dichtenden Stellen der Wandung der Führungsbohrung an denen die
Druckmittelanschlüsse der Arbeitsleitungen einmünden, anlegt. Daß in
einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der gesamte Ventilschieber
mitsamt des Kolbens einstückig und aus einem elastischen Werkstoff
hergestellt ist, führt dann dazu, daß insgesamt auf Dichtungen
verzichtet werden kann. Ventilglied, Kolben und Dichtungen sind somit
einstückig. Steigt aufgrund eines angelegten höheren Eingangsdruckes der
Druck innerhalb der Führungsbohrung, so muß die Bedingung erfüllt sein,
daß auch entsprechend stärker abgedichtet ist. Diese Abdichtung paßt
sich aufgrund der mechanischen Beaufschlagung des Sackloches durch das
Druckmittel sozusagen druckproportional an. Diese Funktion ist besonders
vorteilhaft durch die im Querschnitt ovale Ausbildung des Sackloches
gelöst. Das Oval ist dabei so ausgerichtet, daß die kurze Achse parallel
zu den Druckmittelleitungen liegt und die lange Achse dazu senkrecht. Da
sich der Druck immer allseitig ausbreitet bzw. auswirkt, strebt das
Sackloch bei entsprechender Druckbeaufschlagung dem optimalen
Querschnitt zu; nämlich der Kreisform. Hiermit ist eine ungleichförmige
Querschnittsveränderung des Ventilgliedes verbunden. Das heißt, das Oval
deformiert bzw. streckt sich parallel zur kurzen Achse stärker als in
der Richtung der langen Achse. Dies bewirkt bei der vorliegenden
Ausrichtung des Ovals bezüglich der Druckmittelanschlüsse der
Arbeitsleitungen, daß die Flächen, die an den Einmündungsstellen der
Druckmittelleitungen anliegen und die Funktion der Dichtung übernehmen,
stärker deformiert werden und somit dort eine stärkere Flächenpressung
entsteht, die die Dichtwirkung an diesen entscheidenden Stellen erhöht.
Daß der Kolben einstückig mit dem Ventilglied verbunden ist und
ebenfalls aus einem elastischen Material besteht, hat unter anderem den
Vorteil der besonders einfachen Herstellung. Dies ist, wie bereits
erwähnt, besonders für Ventile kleiner Baugrößen bzw. kleiner Nennweiten
von großem Vorteil. Daß der Kolben hierbei ebenfalls aus einem
elastischen Material besteht, macht es somit möglich, daß auch im
Kolbenbereich auf separate Dichtungen verzichtet werden kann, indem am
Kolben eine Dichtung einstückig angeformt ist. Die am Ventilglied
angeordneten in entsprechenden Stellungen in Bereich der einmündenden
Druckmittelleitungen an der Wandung der Führungsbohrung anliegenden
Anformungen, in Verbindung mit Druckmittelleitungen die an diametral
gegenüberliegenden Seiten einmünden, ergeben den Vorteil, daß bei der
Druckbeaufschlagung eine optimale Anpressung im wesentlichen
Dichtbereich erzielt wird. Somit ist es damit auch möglich, daß im
übrigen Bereich des Ventilgliedes die Querschnittsfläche kleiner als der
Innenquerschnitt der Führungsbohrung ausgebildet sein kann. Wesentlich
ist dabei nur, daß in Bereich der zu dichtenden Stellen das Ventilglied
die Wandung der Führungsbohrung berührt und somit dort dichtet. Die
Abdichtung der Führungsbohrung zum Zylinderraum ist dann in sehr
vorteilhafter Weise durch die im Bereich des offenen Endes des
Sackloches des Ventilgliedes durch die dort angeordnete Dichtlippe
erreicht, die auf der vollen Innenquerschnittslinie der Führungsbohrung
anliegt. Somit ist ein Druckmittelkurzschluß zwischen Führungsbohrung
und Zylinderraum verhindert. Auch hierbei zeigt sich wiederum der
Vorteil, daß durch die Wahl des durchgängig elastischen Materials im
Bereich des Kolbens und des Ventilgliedes auf separate Dichtungen
verzichtet werden kann, weil die Dichtungen einstückig angeformt sind.
Für den Einsatz eines solchen erfindungsgemäß vorgeschlagenen
Schieberventils für größere Nennweiten oder größere Baugrößen erweist es
sich aus Gründen der Stabilität als vorteilhaft, das Ventilglied
mindestens im Bereich der Tiefe des Sackloches mit Armierungselementen
zu versehen. Diese Armierungselemente sind dabei so in das Ventilglied
einzubringen, daß die oben dargestellte Verformbarkeit des Ventilgliedes
unter Druckmittelbeaufschlagung zur Erzielung einer erhöhten
Dichtwirkung unbeeinflußt bleibt, aber die sich in axialer Richtung
erstreckende Stabilität des Ventilgliedes erhöht wird. Da die
Anformungen des Ventilgliedes nur den zu dichtenden Bereich der
Druckmitteleingänge abdecken soll, wobei diese Anformung je nach
angesteuerter Stellung des Ventilgliedes absolut reproduzierbar
einstellbar sein muß, ist es von Vorteil, den Kolben gegen Verdrehung zu
sichern. Dies geschieht in vorteilhaft einfacher Weise dadurch, sowohl
den Kolben wie auch den Zylinderinnenraum im Querschnitt oval
auszugestalten. In letzter vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung
sind die Druckmitteleingänge als Buchsen ausgestaltet, die bei der
Montage in das Ventilgehäuse durch Bohrungen einzuschieben sind. Dies
hat den Vorteil, daß die zur Führungsbohrung innerhalb des Ventils
hinweisenden Öffnungen der Druckmitteleingänge vor Einbau der Buchsen
entgratet werden können. Eine solche Entgratung wäre nicht möglich, wenn
die Druckmitteleingänge gleich bei der Herstellung des Ventilgehäuses
einstückig mit eingebracht wären. Das Entgraten der
Druckmitteleingangsöffnungen ist jedoch deshalb von großem Vorteil, weil
dadurch das Ventilglied im Bereich der dichtenden Anformungen noch
weniger verschleißt.
Die Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und im nachfolgenden
näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 Ventil im Längsschnitt,
Fig. 2 Ventil im Querschnitt (Schnitt A-A).
Fig. 1 zeigt das gesamte Ventil im Längsschnitt mit dem darin
angeordneten Ventilglied 3, welches einstückig mit einem Kolben 4
verbunden ist. Das Sackloch 5 des Ventilgliedes 3 ist am dem Kolben 4
gegenüberliegenden Ende offen und derart innerhalb der Führungsbohrung 6
die entsprechend bodenseitig mit einer Druckmittelversorgungsleitung P
versehen ist, angeordnet, daß das Sackloch 5 in jeder Stellung
druckmittelschlüssig mit der Druckmittelversorgungsleitung P verbunden
ist. Das offene Ende des Ventilgliedes 3 ist dabei so angeformt, daß
sich eine umlaufende, an der gesamten Innenquerschnittslinie der
Führungsbohrung 6 anliegende Dichtlippe 32 ergibt, die einen
Druckmittelkurzschluß zwischen Führungsbohrung 6 und Zylinderraum 9
verhindert. Die Druckmittelleitungen 7,8, sowie die Entlüftungsleitung R
reichen seitlich durch das Ventilgehäuse 1 hindurch in die
Führungsbohrung 6 hinein. Die Leitungen 7 und 8 sind die zu schaltenden
Arbeitsleitungen, wodurch sich hierbei ein 3/2-Wegeventil ergibt. An
entsprechenden Stellen sind Durchgangsöffnungen 33, 34 am Ventilglied 3
angeordnet, die in entsprechender Stellung jeweils in die entsprechende
Arbeitsleitung münden bzw. fluchten und am anderen Ende in das Sackloch
5 einmünden. Das Sackloch 5 ist hierbei in jeder Betriebssituation an
der Hauptdruckmittelleitung P angeschlossen und schaltet somit je nach
Stellung diesen Druck entweder in die Arbeitsleitung 7 oder 8 durch,
oder entlüftet über die Entlüftungsleitung R. Im Bereich dieser
Durchgangsöffnungen 33, 34 sind dann die Anformungen 31, 31′ am
Ventilglied 3 angeordnet, die im Bereich der Eintrittsöffnungen der
Druckmittelleitungen 7, 8 dichtend an der Wandung der Führungsbohrung 6
anliegen. Der Kolben 4 ist hierbei einstückig mit dem Ventilglied 3
verbunden und ragt in einen dafür vorgesehenen Zylinderraum 9 hinein,
der über die Leitung Y mit Druckmittel beaufschlagbar ist. Über diese
Druckmittelbeaufschlagung wird der Kolben 4 betätigt und das Ventilglied
3 in die entsprechende Position verschoben, so daß ein Durchschalten der
Druckmittelhauptleitung P zu den entsprechenden Arbeitsleitungen oder
zur Entlüftung schaltbar ist. Der Kolben 4 ist mit einer einstückig
angeformten Dichtung 40 versehen, die umlaufend und druckmitteldicht
innerhalb des Zylinderraumes 9 an der Wandung anliegt. Das
Ventilgehäuse 1 ist an dem kolbenseitigen Ende mit einem Ventildeckel
2 verschlossen.
Fig. 2 zeigt einen Querschnitt entlang des Schnittes A-A des
Schieberventils. Deutlich zu erkennen ist, daß das Ventilglied 3
bezüglich seiner von der Außenumfangslinie 30 umschlossenen
Querschnittsfläche kleiner als der Innenquerschnitt der Führungsbohrung
6 ausgebildet ist. Hierbei ist es nur nötig, daß im Bereich der zu
dichtenden Stellen die Anformungen 31, 31′ bis an die Wandung der
Führungsbohrung 6 reichen und dort dichtend an liegen. Eine
Verdrehsicherung des Kolbens 4 bewirkt, daß diese radiale Stellung bei
der Axialverschiebung stets beigehalten wird. Ebenfalls deutlich zu
erkennen ist der ovale Innenquerschnitt des Sackloches 5, sowie die
Ausrichtung dieses Ovals. Die kurze Achse des Ovals ist hierbei parallel
zu den Druckmittel- bzw. Arbeitsleitungen 7, 8 und die lange Achse des
Ovals dazu senkrecht. Da das Oval bei Druckmittelbeaufschlagung über das
offene Ende des Sackloches 5 einen kreisförmigen Querschnitt zustrebt,
also mit anderen Worten die kurze Achse des Ovals gestreckt wird,
entsteht eine elastische Materialverschiebung des Ventilgliedes 3 mit
einer Preßkrafterhöhung auf die Anformungen 31, 31′ des Ventilgliedes,
die an der Wandung der Führungsbohrung 6 anliegen. Damit werden die
Anformungen 31, 31′ also im Bereich der zu dichtenden Stellen bei
Druckmittelbeaufschlagung des Sackloches stärker angepreßt. Die dabei
erzeugten Anpreßkräfte sind, wie bereits erwähnt, dem Druck innerhalb
des Sackloches proportional. Dies bewirkt dann, daß bei einem
entsprechend höheren Druck auch eine entsprechend höhere Dichtwirkung an
den zu dichtenden Stellen erreicht wird. Die Tatsache, daß die
Außenumfangslinie 30 der Querschnittsfläche des Ventilgliedes 3 kleiner
als der Innenquerschnitt der Führungsbohrung 6 ist und nur die
Anformungen 31, 31′ an der Führungsbohrung anliegen führt dazu, daß das
Ventilglied relativ reibungsarm verschiebbar ist. Theoretisch wäre es
auch möglich, daß die gesamte Außenumfangslinie der Querschnittsfläche
des Ventilgliedes vollständig an der Führungsbohrungswandung anliegt.
Auch hierbei würde ein ebenso orientiertes im Querschnitt ovales
Sackloch die Wirkung erzielen, daß im Bereich der zu dichtenden Stellen,
d. h. im Bereich der Druckmittelleitungseingänge verstärkt angepreßt
wird. Eine vollständige Anlage des Ventilgliedes an der
Führungsbohrungswandung erzeugt jedoch eine erhöhte Reibung beim
Verschieben des Ventilgliedes. Dies kann man jedoch besonders bei der
Ausgestaltung extrem kleiner Ventile in Kauf nehmen. Ansonsten, d. h.
bei der Verwendung in Ventilen kleiner bis hin zu höheren Nennweiten ist
es jedoch von Vorteil, daß das Ventilglied nur im Bereich der
Anformungen an der Führungsbohrungswandung anliegt.
Es wäre jedoch auch denkbar, daß erfindungsgemäß vorgeschlagene
Schieberventil als Drehschieberventil zu verwenden, wobei nur das
Antriebselement dann entsprechend anders aussehen müßte. Auch hierbei
wäre dann das Ventilglied so auszugestalten, daß ebenfalls nur im
Bereich der zu dichtenden Stellen das Ventilglied über Anformungen an
der Führungsbohrung anliegen müßte. Bis auf die Ausgestaltung des
Antriebsmittels wären damit alle Merkmale des erfindungsgemäß
vorgeschlagenen Ventiles bezüglich seines Ventilgliedes zu verwenden.
Es wäre jedoch auch denkbar, das Ventilglied im Querschnitt
dreieckförmig auszubilden, wobei die Führungsbohrung dann einen
ebenfalls entsprechenden Querschnitt haben muß. Dabei wären dann die
Anformungen des Ventilgliedes an jeder der Seiten des Dreiecks
anzuordnen, wobei an den entsprechenden Stellen dann die
Druckmittelleitungen in die Führungsbohrung einmünden. Das Sackloch
könnte hierbei einen ebenfalls entsprechend parallel zu den
Dreieckseiten orientierten im Querschnitt dreieckförmigen Querschnitt
aufweisen. Bei einer entsprechenden Druckmittelbeaufschlagung würde auch
hier die dreieckförmige Querschnittsform des Sackloches der Kreisform
zustreben und so eine verstärkte Pressung an jeder Seite des Dreiecks
bewirken, wobei dann die entsprechenden Anformungen an die
entsprechenden Druckmitteleingänge verstärkt angepreßt würden, wie im
obigen Beispiel.
Claims (11)
1. Schieberventil bestehend aus einem Gehäuse mit einer
Führungsbohrung und mindestens einem Druckmitteleingang sowie
mehreren seitlich durch das Gehäuse hindurch in die
Führungsbohrung hineinragenden Druckmittelleitungen, einem mit
einem Antriebsmittel, insbesondere Kolben verbundenen, in der
Führungsbohrung axial verschiebbaren Ventilglied,
dadurch gekennzeichnet,
daß mindestens das Ventilglied (3) aus einem unter
Druckbeaufschlagung elastisch verformbaren Material besteht und mit
einem sich in axialer Richtung erstreckenden Sackloch (5) versehen
ist, welches zu der zum Antriebsmittel (4) abgewandten Seite hin
offen ist und daß der Druckmitteleingang (P) derart in die
Führungsbohrung (6) hineinragt, daß in jeder Stellung des
Ventilgliedes (3) eine druckmittelschlüssige Verbindung zum
Sackloch (5) besteht.
2. Schieberventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Antriebsmittel (4) aus einem mit dem Ventilglied (3)
einstückig verbundenen, ebenfalls aus einem elastischen Material
bestehenden druckmittelbeaufschlagbaren Kolben besteht.
3. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die seitlich zugeführten Druckmittelleitungen (7, 8) an
diametral gegenüberliegenden Seiten durch die Wandung des Gehäuses
(1) verlaufen.
4. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sackloch (5) einen ovalen Querschnitt aufweist und im
Querschnitt derart ausgerichtet ist, daß die kurze Achse des Ovals
in zu den Druckmittelleitungen (7, 8) paralleler Richtung verläuft
und die lange Achse des Ovals dazu senkrecht verläuft.
5. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die von der Außenumfangslinie (30) umschlossene
Querschnittsfläche des Ventilgliedes (3) kleiner als der
Innenquerschnitt der Führungsbohrung (6) ausgebildet ist und daß
das Ventilglied (3) bei entsprechender Stellung im Bereich der
einmündenden Druckmittelleitungen (7, 8) mit Anformungen (31, 31′),
die an der Wandung der Führungsbohrung (6) anliegen, versehen ist.
6. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventilglied (3) mit Durchgangsöffnungen (33, 34) versehen
ist, über die eine druckmittelschlüssige Verbindung zwischen den
Druckmittelleitungen (7, 8) und dem Sackloch (5) bei entsprechender
Ventilgliedstellung erreichbar ist.
7. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Sackloch (5) des Ventilgliedes (3) im Bereich des offenen
Endes derart aufgeweitet ist, daß sich eine Dichtlippe (32) ergibt,
die auf der vollen Innenquerschnittslinie der Führungsbohrung (6)
an derselben anliegt.
8. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das als Kolben (4) ausgebildete Antriebsmittel mit einer
einstückig angeformten umlaufenden Dichtlippe (40) versehen ist.
9. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß das Ventilglied (3) mindestens im Bereich der Tiefe des
Sackloches (5) mit Armierungselementen zur axialen Versteifung
versehen ist.
10. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Kolben (4) des Ventilgliedes (3) sowie der den Kolben
aufnehmende Zylinderraum (9) einen ovalen Querschnitt aufweisen.
11. Schieberventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
daß die Druckmitteleingänge (7, 8) als in das Ventilgehäuse seitlich
einzuführende Buchsen ausgebildet sind.
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