DE4227201C2 - Modulsystem für lineare pneumatische oder elektro-pneumatische Stellventile - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Modulsystem für lineare pneumatische oder elektropneumatische Stellventile mit einem auf einer Grundplatte montierten, mit bearbeiteten Anschlußflächen verse­ henen modularen Hauptkörper, mindestens einem in einer Vertei­ lerbuchse des Hauptkörpers verstellbaren Schieberkolben zur Steuerung eines Arbeitsmediums und einem mit dem Hauptkörper verbundenen Pilotkopf, der als Modularkörper ausgebildet ist und einen abgedichtet herausgeführten Stellbolzen aufweist, der mit einer Einrichtung zur Verbindung mit dem Schieberkolben versehen ist.

Bei einem aus DE-OS 19 21 330 bekannten Modulsystem der vorge­ nannten Art können im Zuge der Stell- und Mitnahmebewegungen des Stellbolzens am Schieberkolben radiale Kräfte entstehen, aus denen zusätzliche Reibungskräfte zwischen der Verteiler­ buchse und dem darin geführten Schieberkolben resultieren, was zu erhöhtem Verschleiß, zu Abdichtungsproblemen und zu einem Verlust an Empfindlichkeit beim Aufsuchen des Gleichgewichtszu­ standes führt.

Aufgabe der Erfindung ist es, bei einem Modulsystem der vor­ genannten Art das Auftreten radialer Kräfte zwischen Vertei­ lerbuchse und Schieberkolben und die daraus entstehenden Nach­ teile zu reduzieren.

Gelöst wird die Aufgabe gemäß einer ersten Ausführung der Er­ findung dadurch, daß

• - die Verbindungseinrichtung aus einem am Schieberkolben des Hauptkörpers angeordneten Anschlußkopf mit einer umlaufenden Ringnut und einem am Stellbolzen angeordneten Anschlußkopf besteht, der mit Spiel in die Ringnut eingreifende Klauen auf­ weist, und
• - der Stellbolzen einen zu seinem freien Ende hin konisch ver­ jüngten Abschnitt aufweist, der einer konischen Ausnehmung der den Schieberkolben führenden Verteilerbuchse angepaßt ist.

Mit Hilfe dieser Maßnahmen werden von einem sich aufgrund unge­ nügender Führung oder äußerer Kräfte außerhalb seiner axialen Fluchtstellung befindlichen Stellbolzen keine oder nur geringe radiale Kräfte auf den Schieberkolben übertragen, wodurch auch die Reibungskräfte zwischen dem Schieberkolben und der Vertei­ lerbuchse reduziert werden. Zusätzlich entsteht eine zen­ trierende Wirkung auf den Stellbolzen.

Gemäß einer zweiten Ausführung der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß

• - die Verbindungseinrichtung aus einem am Schieberkolben des Hauptkörpers angeordneten Anschlußkopf mit einer umlaufenden Ringnut und einem am Stellbolzen angeordneten Anschlußkopf be­ steht, der mit Spiel in die Ringnut eingreifende Klauen auf­ weist,
• - der Anschlußkopf des Schieberkolbens eine achszentrisch vor­ stehende Kugel und der Anschlußkopf des Stellbolzens eine der Kugel gegenüberliegende Stirnseite aufweist, und
• - der Schieberkolben durch eine Druckfeder so vorgespannt ist, daß die Kugel an der Stirnfläche des Stellbolzens anliegt.

Das aufgrund der Abmessungen und Lage der Klauen und Ringnut bestimmte Spiel bewirkt, daß im Falle der an der Stirnseite an­ liegenden Kugel die Klauen den Anschlußkopf nicht berühren. Durch diese Maßnahmen wird die Übertragung radialer Kräfte re­ duziert, insbesondere werden bei drehender Betätigung des Stellbolzens nur Kräfte in Achsrichtung des Schieberkolbens übertragen, aber keine Torsionskräfte. Die mit Hilfe der in die Ringnut eingreifenden Klauen formschlüssig gesicherte Verbin­ dung von Schieberkolben und Stellbolzen ist wenigstens in den Fällen zweckmäßig, in denen große Druckänderungen schnelle Be­ wegungen erzeugen, zu deren Nachführung die Federkraft allein nicht ausreicht.

In Ausgestaltung der Erfindung kann ein erster Pilotkopf eine vom Stellbolzen durchsetzte Membran enthalten, die an ihrer Frontseite mittels eines in einer Ausnehmung des Pilotkopfes aufgenommenen Bronzeringes eingespannt ist und im Pilotkopf eine abgeschlossene Kammer bildet. Der erste Pilotkopf ist so­ mit als Modul ausgebildet und an den Hauptkörper anschließbar, wodurch aus einem mechanisch betätigten ein pneumatisch be­ tätigbares Stellventil entsteht.

In weiterer Ausgestaltung des Modulsystems kann das durch die Verbindung von Hauptkörper und erstem Pilotkopf gebildete pneu­ matisch betätigbare Stellventil durch einen als elektropneuma­ tischer Signalwandler ausgebildeten und am Hauptkörper an­ schließbaren zweiten Pilotkopf zu einem elektropneumatisch be­ tätigbaren Stellventil erweiterbar sein, wobei der zweite Pilotkopf eine Auslaßöffnung aufweist, durch die er über einen im Hauptkörper vorgesehenen Kanal sowie eine von einer Dich­ tung, Grundplatte und/oder Hauptkörper gemeinsam gebildeten Leitung und durch einen im ersten Pilotkopf vorgesehenen Kanal mit der durch die Membran abgeschlossenen Kammer in pneuma­ tischer Verbindung steht. Unter Anwendung dieses Vorschlags kann mit dem zweiten modularen Pilotkopf das aus Hauptkörper und erstem Pilotkopf gebildete pneumatische Stellventil ohne aufwendige bauliche Maßnahmen zu einem elektropneumatischen Stellventil erweitert werden, da alle notwendigen Anschlüsse und Druckleitungen bereits in den modularen Komponenten ent­ halten sind.

Nachstehend wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht eines pneumatischen oder elektropneumatischen linearen Stellventils in Modul­ bauweise gemäß der Erfindung mit seinen Hauptbestandteilen, nämlich einen modularen Hauptkörper 1 und Pilotköpfen 2, 3, die in Montagestellung relativ zueinander sowie relativ zu einer Grundplatte 4 mit einer dazwischen angeordneten Dichtung 5 dargestellt sind;

Fig. 2 den Gegenstand der Erfindung von unten gesehen, wobei die Bauteile 1, 2, 3 und die Dichtung 5 zusammengebaut sind;

Fig. 3 einen Hauptkörper 1 und einen vollständigen Pilotkopf 2 in Montagestellung, während

Fig. 4a und 4b Einzelheiten der Stell- oder Mitnehmer­ vorrichtung in Montageposition bzw. in Arbeitsposition zeigen.

Die Modulbauweise für lineare, pneumatische oder elektro­ pneumatische Stellventile ist gleichermaßen bei durch lineare oder drehende Bewegung betätigten pneumatischen oder elektropneumatischen Stellventilen anwend­ bar. Eine Anwendung für lineare Stellventile ist in Fig. 3 schematisch dargestellt. Bei Anwendungen für drehende Stell­ ventile wird der Kopf c des Schiebers 9 am Kopf c′ montiert, der mit einem Ausgleichsarm versehen ist.

Entsprechend der gezeigten Ausführung umfaßt das Modulsystem für lineare pneumatische oder elektropneuma­ tische Stellventile einen Hauptkörper 1 oder Basismodul, der mit einer Dichtung 5 auf einer Grundplatte 4 befestigt ist und Pilotköpfe 2, 3 aufnimmt.

Ein wichtiges Merkmal der Erfindung besteht darin, daß es sich bei den Pilotköpfen 2, 3 um eigenständige Bauelemente handelt, die der Benutzer nach Bedarf mit dem Hauptkörper 1 vereinigt. Ausgehend vom Hauptkörper 1, kann man somit unter­ schiedliche Stellventile herstellen. Wird beispielsweise nur der Pilotkopf 2 montiert, erhält man ein lineares und pneuma­ tisches Stellventil; wird dagegen an der aus Hauptkörper 1 und Pilotkopf 2 bestehenden Baugruppe noch ein Pilotkopf 3 mon­ tiert, erhält man ein lineares und elektropneumatisches Stellventil.

Der Pilotkopf 2 für pneumatische Steuerung umfaßt einen Körper 21, der mittels Verschraubung oder Verstiftung am Hauptkörper 1 befestigt wird. Entsprechend Fig. 3 ist die Unabhängigkeit des Pilotkopfes 2 dadurch erreicht, daß der Körper 21 eine ringförmige Ausnehmung 211 enthält, an deren Umfangsrändern eine balgartige Membran 22 mittels eines Bronzerings 23 festgespannt ist.

Der Körper 21 ist auf einem Anschluß- oder Spannbolzen 10 montiert, der üblicher Art sein kann oder in spezieller Ausgestaltung einen stumpfkonischen Kopf c′ aufweist, der zur besseren Anpassung und Aufnahme in der konischen Ansenkung der Buchse 8 dient, in welcher der Schieber 9 des Hauptkörpers 1 verstellbar ist. Am stumpfkonischen Kopf c′ sind Halteklauen oder -vorsprünge r vorgesehen, die mit dem Kopf c des Schiebers 9 in Eingriff kommen.

Der andere Pilotkopf 3 besteht aus einem Signalwandler, der ein empfangenes elektrisches Signal (veränderlicher Intensität) umwandelt und über den Pneumatikkreis 6 ein entsprechendes pneumatisches Drucksignal sendet. Der Pilotkopf 3 wird mit üblichen Haltemitteln, z. B. Schrauben, am Hauptkörper 1 ange­ bracht und ist ebenfalls ein eigenständiges Bauelement.

Der Pneumatikkreis 6 wird durch ein elektrisches Signal, d. h. mittels Erregung einer Spule im Pilotkopf 3 aktiviert/de­ aktiviert. Dieser Pneumatikkreis 6 ist ständig durch die Auslaßöffnung 63 definiert, über die eine Verbindung vom Pilotkopf 3 zu einer im Hauptkörper 1 befindlichen Leitung 61 hergestellt wird, die in die Dichtung 5 mündet. Anschließend kann die Luftführung entsprechend Fig. 2 und 3 zwischen Dichtung 5 und Grundplatte 4 oder Hauptkörper 1 erfolgen, wozu sie in einen Kanal 65 mündet, der in eine Zunge 66 der Dichtung 5 eingearbeitet ist, die in einer zugeordneten Ausnehmung 67 des pneumatischen Pilotkopfes 2 Aufnahme findet. Bezüglich des Kanals 65 verfügt die Dichtung 5 sowohl über eine mit der Leitung 61 im Hauptkörper 1 in Verbindung stehende Öffnung 61′, als auch in der Zunge 66 über eine Öffnung 62, die mit einem Kanal 62′ des Pilotkopfes 2 in Verbindung steht.

Mit dem Pilotkopf 2 lassen sich zwei Arbeitsvarianten durch­ führen: eine mit direkter Wirkung (indem das Pilotsignal erhöht wird, tritt der Stellbolzen des Zylinders aus diesem heraus) und eine, bei der das Stellventil in umgekehrter Richtung wirkt (indem das Pilotsignal erhöht wird, zieht sich der Stellbolzen in den Zylinder zurück).

Um zu einer elektropneumatischen Modulventileinheit zu gelan­ gen, braucht lediglich die aus modularem Hauptkörper 1 und Pilotkopf 2 bestehende Baugruppe um einen zweiten Pilotkopf 3 erweitert zu werden, so daß ein elektropneumatisches Steuer­ ventil entsteht, d. h. ein Ventil, das normierte elektrische Steuersignale empfängt. Dazu wird der Pilotkopf 3, bei dem es sich um einen elektrisch-pneumatischen (I/P) Signalwandler handelt, mittels zweier Schrauben an einer Seite des Hauptkörpers 1 befestigt.

Die Anwendung der Erfindung erstreckt sich sowohl auf pneuma­ tische als auch auf elektropneumatische Stellventile, gleich­ gültig, ob es sich um Ventile mit linearer oder drehender Stellbewegung handelt. Durch Verstellen dem Schiebers 9 in der Buchse (8) wird die Luft entsprechend der jeweiligen Schieber­ stellung verteilt.

Gemäß Fig. 4a und 4b trägt der Schieber 9 einen Kopf c, zwischen dem und dem übrigen Schieberkörper eine Nut 71 angeordnet ist. Somit entstehen zwei unterschiedliche Durchmesser, nämlich der Durchmesser d1 des Körpers im Auskehlungsbereich und der Durchmesser d3 des Kopfes c.

In der Vorderseite des Kopfes c ist eine Kugel 11 befestigt, die koaxial zum Kopf c und zum Schieberkörper 9 angeordnet ist. Die Betätigungsstange oder der Stellbolzen 10 andererseits verfügt über einen Kopf c′ mit einander diametral gegenüber­ liegenden Klauen r und einer Anschlagfläche P, wobei Klauen und Anschlagfläche ein seitlich und nach vorne offener Aufnahme­ raum 72 begrenzen. Durch diesen Kopf c′ werden zwei Abstände bestimmt: ein Abstand d2, der dem Innenabstand zwischen den Klauen r entspricht, und ein Abstand d4, der der (radialen) Weite des Aufnahmeraums 72 entspricht. Dabei müssen folgende Bedingungen erfüllt sein:

• - d1 < d2; insbesondere sollte d1 sehr wenig kleiner sein als d2, damit eine Verstellung ohne großes Spiel möglich ist;
• - d3 < d4; insbesondere sollte d3 nur wenig kleiner sein als d4, damit eine Verstellung ohne großes Spiel möglich ist.

Beim Zusammenbau wird entsprechend Fig. 4a und 4b der Kopf c in den Aufnahmeraum 72 eingesetzt, und die Klauen r befinden sich in der Nut 71. Die Kugel 11 bleibt am Stellbolzen 10 anliegend, indem die durch eine Feder gegen die Anschlagwand P gedrückt wird, wobei die Feder gegen das andere Ende des Schiebers 9 drückt. Der Stellbolzen 10, an dem sich der Kopf c des Schiebers 9 abstützt, hält die Bauteile des vorderen Pilot­ kopfes 2 zusammen.

Bei linear betätigten Stellventilen entstehen die Bewegungen des Stellbolzens 10 durch die Funktionsweise des Stellventils, die einen Ausgleich zwischen der durch den Pilotdruck auf die Fläche der Membran 22 erzeugten Kraft herbei führt und der Kraft, die durch die externe Feder des Stellventils auf den Schieber 9 ausgeübt wird.

Um das Entstehen radialer Kräfte am Schieber 9 zu vermeiden, die in axiale Reibungskräfte zwischen Schieber und Verteiler­ buchse umgewandelt werden und die sich in einem Verlust an Empfindlichkeit beim Aufsuchen des Gleichgewichtszustandes auswirken, ist an der gegenseitigen Abstütz- oder Anlagestelle eine Kugel angeordnet, mit der die Aufgabe der Verbindung ohne Reibung gelöst wird. Die Aktions- und Reaktionskräfte werden dadurch axial in der Achse des Schiebers 9 übertragen.

Mit demselben Ziel, die radialen Kräfte zwischen Verteiler­ buchse 8 und Schieber 9 zu verringern, befindet sich im hinteren Bereich des Schiebers eine Feder, deren Aufgabe darin besteht, die Anlage der Kugel 11 am Stellbolzen 10 aufrechtzu­ erhalten. Um sicherzustellen, daß die Mitnehmerbewegung zustandekommt und dies nicht ausschließlich durch die von der Feder ausgeübten Kraft geschieht, ist der Stellbolzen 10 mit zwei Klauen r versehen, für die im Kopf c des Schiebers 9 so eingerichtete Aufnahmen - Führungen 71 - vorgesehen sind, daß sie keinen Kontakt herstellen. Ein solcher Kontakt entsteht bei großen Druckänderungen, während hier das Zustandekommen der Mitnahmebewegung von Interesse ist.

Im Fall von Stellventilen mit drehender Stell- oder Betäti­ gungsbewegung, die einen ähnlichen Aufbau wie die linearbe­ tätigbaren Stellventile besitzen, beruht die Funktionsweise auf dem Ausgleich der Kräfte, die von der Membran 22 über einen den Kopf c′ tragenden Ausgleichsarm ausgeübt werden. Dabei ist der Kopf c des Schiebers 9 an dem genannten Ausgleichsarm abge­ stützt, und um Radialkräfte zu vermeiden, ist der Kopf c des Schiebers 9 ebenfalls mit der vorgenannten Kugel 11 versehen.

Genauso wie bei der vorher beschriebenen Ausführung ist der Ausgleichsarm mit zwei Klauen r versehen, die in Aufnahmen - Nut 71 - des Schiebers 9 eingreifen, was bei entsprechenden Bewegungen die Mitnahmebewegung der Baugruppe ermöglicht.

Claims (4)

1. Modulsystem für lineare pneumatische oder elektropneuma­ tische Stellventile, mit einem auf einer Grundplatte mon­ tierten, mit bearbeiteten Anschlußflächen versehenen modu­ laren Hauptkörper, mindestens einem in einer Verteilerbuchse des Hauptkörpers verstellbaren Schieberkolben zur Steuerung eines Arbeitsmediums und einem mit dem Hauptkörper verbundenen Pilotkopf, der als Modularkörper ausgebildet ist und einen abgedichtet herausgeführten Stellbolzen aufweist, der mit einer Einrichtung zur Verbindung mit dem Schieberkolben versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Verbindungseinrichtung aus einem am Schieberkolben (9) des Hauptkörpers (1) angeordneten Anschlußkopf (c) mit einer umlaufenden Ringnut (71) und einem am Stellbolzen (10) ordneten Anschlußkopf (c′) besteht, der mit Spiel in Ringnut (71) eingreifende Klauen (r) aufweist, und
• - der Stellbolzen (10) einen zu seinem freien Ende hin konisch verjüngten Abschnitt aufweist, der einer konischen Ausnehmung der den Schieberkolben (9) führenden Verteiler­ buchse (8) angepaßt ist.

2. Modulsystem für lineare pneumatische oder elektropneuma­ tische Stellventile, mit einem auf einer Grundplatte mon­ tierten, mit bearbeiteten Anschlußflachen versehenen modu­ laren Hauptkörper, mindestens einem in einer Verteilerbuchse des Hauptkörpers verstellbaren Schieberkolben zur Steuerung eines Arbeitsmediums und einem mit dem Hauptkörper verbundenen Pilotkopf, der als Modularkörper ausgebildet ist und einen abgedichtet herausgeführten Stellbolzen aufweist, der mit einer Einrichtung zur Verbindung mit dem Schieberkolben versehen ist,
dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Verbindungseinrichtung aus einem am Schieberkolben (9) des Hauptkörpers (1) angeordneten Anschlußkopf (c) mit einer umlaufenden Ringnut (71) und einem am Stellbolzen (10) angeordneten Anschlußkopf (c′) besteht, der mit Spiel in die Ringnut (71) eingreifende Klauen (r) aufweist,
• - der Anschlußkopf (c) des Schieberkolbens (9) eine achszentrisch vorstehende Kugel (11) und der Anschlußkopf (c′) des Stellbolzens (10) eine der Kugel (11) gegenüber­ liegende Stirnseite (P) aufweist, und
• - der Schieberkolben (9) durch eine Druckfeder so vorgespannt ist, daß die Kugel (11) an der Stirnfläche (P) des Stellbolzens (10) anliegt.

3. Modulsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, da­ durch gekennzeichnet, daß ein erster Pilotkopf (2) eine vom Stellbolzen (10) durchsetzte Membran (22) enthält, die an ihrer Frontseite mittels eines in einer Ausnehmung (211) des Pilotkopfes (2) aufgenommenen Bronzeringes (23) eingespannt ist und im Pilotkopf (2) eine abgeschlossene Kammer bildet.

4. Modulsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das durch die Verbindung von Hauptkörper (1) und erstem Pilotkopf (2) gebildete pneuma­ tisch betätigbare Stellventil, durch einen als elektropneu­ matischer Signalwandler ausgebildeten und am Hauptkörper (1) anschließbaren zweiten Pilotkopf (3), zu einem elektropneu­ matisch betätigbaren Stellventil erweiterbar ist, wobei der zweite Pilotkopf (3) eine Auslaßöffnung (63) aufweist, durch die er über einen im Hauptkörper (1) vorgesehenen Kanal (61) sowie eine von einer Dichtung (5), Grundplatte (4) und/oder Hauptkörper (1) gemeinsam gebildeten Leitung (65) und durch einen im ersten Pilotkopf (2) vorgesehenen Kanal (62′) mit der durch die Membran (22) abgeschlossenen Kammer in pneuma­ tischer Verbindung steht.