SE508979C2 - Ventilkägla, ventil och sätt att framställa en ventilkägla - Google Patents

Description

20 25 30 35 508 979 Denna sistnämnda kägla är genom sin asymmetri vin- kelkänslig och utsätts vid användning för sneda belast- ningar, vilket leder till förtida ventilslitage.

De ovan beskrivna ventilkäglorna uppvisar båda nack- delen att de har en komplicerad form, vilken leder till att de är komplicerade och dyra att tillverka. Den komp- licerade formen medför också att käglorna blir svåra att beräkna och dimensionera.

Dessutom är de båda ovan beskrivna ventilkäglorna avsedda att manövreras med tryckande stängning, varvid ventilspindeln utsätts för böjande spänningar när venti- len är stängd. Ju hårdare ventilen pressas mot sätet, desto större böjande spänningar åstadkommes. Detta leder efterhand till att spindeln kröks, varvid käglan kan bli ocentrerad i sätet och slita snett däri.

I EP-O 457 132 beskrivs en ventilkägla med V-for- miga, axiella spår med triangulärt tvärsnitt och olika längd. Ventilkäglan är avsedd för reglering av flöden av flytande föda och för att arbeta med sk tryckande stäng- ning.

Denna kägla uppvisar endast god reglerbarhet inom ett mycket begränsat intervall. Stora flöden genom de triangulära spåren tillåts ej.

I informationsblad från Hansen Technologies Corpora- tion, Burr Ridge, Illinois, USA, beskrivs en V-portsför- sedd ventil med fyra stycken V-formade urtagningar, vilka definierar en krona. Urtagningarna uppvisar vid kronans nederdel omedelbart ett relativt stort, radiellt djup.

Ventilspindeln är ansluten till kronans öppna ände och käglan är i motsats till de ovan beskrivna avsedd för dragande stängning. Med dragande stängning menas i sam- band med uppfinningen att ventilkäglan, när ventilen är stängd, medelst ett påverkningsorgan, t ex en Ventilspin- del, påverkas med en i riktning mot det stängda läget verkande dragkraft, i motsats till tryckande stängning.

Denna konstruktion har en komplicerad form och är därmed svår att beräkna och dyr att tillverka. Denna ut- 10 15 20 25 30 35 508 979 formning kan endast svårligen åstadkommas genom bearbet- ning. Gjutformning av en sådan ventilkägla medför flera nackdelar. Produktionen blir dyr, eftersom dyra verktyg krävs. Dessutom blir toleransspridningen stor vid ett sådant förfarande. Ändamål med uppfinningen Ett ändamål med uppfinningen är att åstadkomma en i förhållande till den ovan beskrivna, kända tekniken för- bättrad ventilkägla.

Ett särskilt ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en ventilkägla som ger god reglerbarhet inom ett stort intervall samtidigt som en särskilt god finregler- barhet erhålles för mycket små flöden.

Ett speciellt ändamål med uppfinningen är att åstad- komma en ventilkägla som är enkel och billig att fram- ställa.

Ytterligare ett ändamål med uppfinningen är därvid att åstadkomma en ventilkägla, vars funktion uppvisar låg känslighet mot tillverkningstoleranser.

Sammanfattning av uppfinningen Dessa och andra ändamål, som kommer att framgå av efterföljande beskrivning, har nu uppnåtts genom uppfin- ningen medelst en ventilkägla, en ventil och ett sätt att framställa en ventilkägla enligt patentkraven 1, 13 och 15.

Genom att ventilkäglans kägelkropp har en mot urtag- ningen kontinuerligt konkav gränslinje i ett tvärsnitt vinkelrätt mot kägelkroppen möjliggörs en förenklad di- mensionering, eftersom en kontinuerlig strömningsfördel- ning åstadkommes i urtagningens hela tvärsnitt. Dessutom åstadkommes genom avsaknaden av skarpa kanter en förenk- lad framställning av urtagningen genom att avverkande be- arbetning på ett enkelt sätt kan användas.

Eftersom bredden är större än djupet hos det parti av urtagningen som är beläget närmast det ändläge av ur- tagningen mot vilket urtagningens tvärsnittsarea minskar, garanteras mjuka förändringar av nämnda tvärsnittsarea. 10 15 20 25 30 35 508 979 Härigenom åstadkommes en mycket fin reglering av små flöden Tillsammans leder dessa båda särdrag till väsentliga förbättringar av reglerbarheten hos ventilkäglor samti- digt som dessa pà ett enkelt sätt kan framställas med förhållandevis grova toleranser under bibehållande av god reglerbarhet.

Utformningen av ventilkäglan enligt uppfinningen åstadkommes med fördel genom det med uppfinningen anvisa- de sättet för framställning av en radiell urtagning medelst axiell fräsning i en enda fräsrörelse, vilket in- nebär synnerligen förenklad tillverkning jämfört med ti- digare använda tillverkningsmetoder för dylika ventiler. under bibehål- lande av god reglerbarhet hos den färdiga ventilkäglan, Vidare kan precisionen för fräsrörelsen, med detta tillverkningssätt tillåtas vara förhållandevis låg. Dessutom åstadkommes med minimal materialavverkning en ventilkägla som har god reglerbarhet inom ett mycket stort intervall.

Enligt en utföringsform av uppfinningen omfattar en ventilkägla två till fem axiella urtagningar, varvid en fördelning av flödet och de på käglan verkande radiella krafterna åstadkommes. Företrädesvis är urtagningarna lika långa och anordnade med regelbunden vinkeldelning utmed käglans omkrets. Härigenom garanteras en symmetrisk strömning kring och kraftpàverkan på käglan vid regle- ring.

Särskilt föredraget är antalet urtagningar fyra, vilket i praktiska försök har visat sig ge ett fördelak- tigt förhållande mellan urtagningarnas djup och bredd ut- med deras längd.

Enligt en annan utföringsform av uppfinningen är nämnda, kontinuerligt konkava gränslinje rundat konkav, företrädesvis elliptisk. Ju rundare gränslinjen är desto jämnare strömningsfördelning åstadkommes i urtagningens tvärsnitt. 10 15 20 25 30 35 508 979 Enligt en särskilt föredragen utföringsform har den elliptiska gränslinjen formen av en del av en cirkelperi- feri. I samband med uppfinningen betraktas en cirkel som ett extremfall av en ellips. Denna form är en stor fördel vid framställning av urtagningar i käglan medelst fräs- ning, eftersom urtagningarnas form på detta sätt motsva- rar ett segment av en parallellt med käglans längdaxel riktad fräs. Därmed behöver fräsen ej föras i omkretsled under tillverkningsförloppet, utan endast i axiell och radiell riktning.

Vid en speciell utföringsform ligger nämnda cirkel- sektors radie i intervallet 0.25-0.75 RI, Inom dessa radieförhållanden har vid prak- där Rl är käg- lans radie. tiska försök mycket god reglerbarhet erhållits. Synnerli- gen goda resultat har erhållits med en cirkelsektorarea i intervallet 0.50-0.64 Rl.

Enligt ytterligare en utföringsform av uppfinningen är ventilkäglan avsedd att arbeta med sk dragande stäng- ning, varvid ett påverkningsorgan, t ex en ventilspindel, utskjuter från den ände av käglans kropp som urtagningen sträcker sig fràn. I jämförelse med ventiler för dragande stängning förbättras härigenom funktionen hos påverk- ningsorganet och hos ventilen som helhet samtidigt som slitaget minskar och livslängden för de i ventilen ingå- ende delarna höjs.

Vid en utföringsform av uppfinningen är käglan an- ordnad att styras radiellt i ventilens säte, varvid ur- tagningen, vid den ände av käglans kropp som urtagningen sträcker sig från, i omkretsled omges av materialpartier, vilka har radiell utsträckning. Härigenom bildas en krona med vilken nämnda styrning àstadkommes när ventilen är i sitt maximalt öppna tillstànd. De urtagningen omgivande materialpartiernas radiella utsträckning i änden tillför- säkrar käglan god hàllfasthet i radiell riktning även när ventilen är helt öppen.

Enligt en annan särskilt föredragen utföringsform har urtagningen ett längdsnitt, i ett plan genom längd- l0 15 20 25 30 35 508 979 axeln, i vilket kroppens gränslinje mot urtagningen upp- visar en väsentligen kontinuerlig krökning, företrädesvis en konvex krökning. Med den kontinuerliga krökningen säkerställs en jämn strömning utmed hela urtagningen. En konvex krökning av nämnda gränslinje säkerställer dess- utom god reglerbarhet inom ett stort intervall tillsam- mans med en särskilt god reglerbarhet för små flöden.

Enligt en aspekt av uppfinningen omfattar den en ventil med en med ett ventilsäte samverkande ventilkägla enligt uppfinningen. Vid en föredragen utföringsform av ventilen är åstadkommes radiell styrning av ventilkäglan genom samverkan mellan ventilkäglans cylindriska yta och en ventilsätet tillhörande, mot ventilkäglans längdaxel vänd yta. Härigenom säkerställes en jämn styrning av ven- tilen i det område där belastningar uppkommer. Denna ut- föringsform kan med fördel kombineras med en ställspindel som är anordnad för dragande stängning.

De olika utföringsformerna kan med fördel kombineras med varandra eller med andra i det följande beskrivna särdrag hos utföringsformer av uppfinningen.

Kort beskrivning av ritningarna Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmre i det följande under hänvisning till bifogade ritningar, som visar ett icke begränsande utföringsexempel.

Pig l visar i perspektivvy en ventilkägla i enlighet med en föredragen utföringsform.

Fig 2 visar ventilkäglan enligt fig 1 i tvärsektion.

Fig 3 visar ventilkäglan enligt fig 2 i längdsek- tion.

Fig 4 visar schematiskt och delvis i sektion en ven- til enligt en utföringsform av uppfinningen.

Beskrivning av en utföringsform av uppfinningen I fig 1 visas en ventilkägla enligt uppfinningen, vilken är avsedd att användas i en ventil. Ventilkäglan 1 omfattar en cylinderformig kropp 1, företrädesvis cirku- lärcylindrisk, som sträcker sig utmed en längdaxel A.

Kroppen l är företrädesvis av metall och har en cylind- 10 15 20 25 30 35 508 979 risk yta 5 med fyra axiella urtagningar. Urtagningarna är likformiga och anordnade med regelbunden vinkeldelning kring omkretsen. En kring varje urtagning 3 sig sträckan- de, utåt konvex konturlinje 4 bildar gräns mellan respek- tive urtagning 3 och den cylindriska ytan 5.

Urtagningarna 3 sträcker sig mellan ett första ändläge vid en första, övre ände 10 av den cylinderformiga krop- pen 1 och ett andra ändläge 14 mellan kroppens första ände 10 och kroppens motsatta, andra ände 11. Urtagningen 3 har ett radiellt djup d och en bredd b i ett tvärsnitt i ett plan vinkelrätt mot längdaxeln A, och tvärsnittets area minskar gradvis fràn ett maximalt värde nära den första änden 10 i riktning mot det andra ändläget 14.

I kroppens 1 andra, nedre ände ll finns en ringfor- mig ansats, vilken är avsedd att täta mot ett ventilsäte.

Ansatsen bidrar dessutom till att definiera ett ändläge vid stängning av ventilen.

Ventilkäglans cylindriska yta 5 lämpar sig genom ventilkäglans form för att utgöra en i ett ventilsäte styrande yta. Vid den första änden 10 av den cylinderfor- miga kroppen 1 omges urtagningen 3 i omkretsled av mate- rialpartier 8, vilka har radiell utsträckning. Härigenom bildas en styrkrona på vars utsida den cylindriska ytan 5 sträcker sig för styrning av käglan i käglans maximalt öppna tillstånd.

Axiellt genom kroppen 1 sträcker sig ett centralt lopp 9, som är avsett att uppta en ventilspindel. Ven- tilspindeln kan anordnas åt valfritt håll i ventilkäglan, vilket är en stor fördel och gör ventilkäglan användbar i olika typer av ventiler. Föredraget är dock att ventil- spindeln anordnas så att den utskjuter från den ände 10 av kroppen 1 där urtagningarna 3 är som djupast, det vill säga vid kronan, för att arbeta med sk dragande stäng- ning.

I fig 2 visas käglans cylindriska kropp 1 i ett I detta tvärsnitt bildar kroppen 1 en mot var och en av urtagningarna 3 tvärsnitt vinkelrätt mot längdaxeln A. 10 15 20 25 30 35 508 979 kontinuerligt konkav gränslinje 12, dvs gränslinjen 12 är ej i någon enskild punkt konvex. Det är föredraget att gränslinjen är rundat konkav, dvs ej uppvisar nâgra skarpa språng.

I det visade utföringsexemplet är gränslinjen 12 el- liptisk och särskilt cirkulär med en konstant radie R2.

Vid de för uppfinningen föredragna radieförhàllandena är R2 minst 0.25 Rl, där R1 är radien av käglans cylindriska kropp 1, och ännu hellre minst 0.5 Rl. Gränslinjens 12 föredragna radie är vidare maximalt 0.75 R1 och ännu hellre maximalt 0.64 R1.

Som vidare framgår av fig 2 har urtagningarna 3 större bredd b än djup d. Vid den visade utföringsformens förhållande mellan R1 och R2 är bredden b betydligt större än djupet d i urtagningens 3 grundaste parti. Det är endast i urtagningens djupaste tredjedel som djupet d >O.5 b.

I fig 3 visas ventilkäglans cylindriska kropp i ett längdsnitt, i ett plan genom längdaxeln A. Som framgår av figuren har kroppens 1 gränslinje 13 mot urtagningen en kontinuerlig, företrädesvis konvex krökning. Kröknings- radien är mycket stor vid det andra ändläget 14, och kan företrädesvis vara oändlig. Krökningsradien minskar där- efter med ökande avstånd till ändläget 14.

I fig 4 àskàdliggörs schematiskt en föredragen utfö- ringsform av ventilen, med en ventilkägla av ovan beskri- vet slag. Ventilen omfattar ett ventilhus 20 och en pack- box 22, genom vilken en ventilspindel 21 sträcker sig. I ventilhuset finns såsom stryporgan en i ventilspindelns 21 ena ände fäst ventilkägla, som är av ovan beskrivet slag. Centralt i ventilhuset 20 är ett ventilsäte 23 an- ordnat. Ventilkäglans cylindriska yta 5 styrs i sätet medelst en passande, invändigt cylindrisk yta. Den visade ventilen arbetar med dragande stängning. I ventilens stängda läge anligger den ringformiga ansatsen mot en passande yta på ventilsätet. Genom kombinationen av ven- tilkäglan enligt uppfinningen och styrning i både ventil- 10 15 20 25 30 35 508 979 sätet och packboxen samt ventilens arbetssätt med dragan- de stängning, har en ventil med såväl synnerligen goda regleregenskaper som lång livslängd och låg framställ- ningskostnad erhållits.

Vid sättet att framställa en ventilkägla enligt upp- finningen åstadkommes urtagningarna genom axiell fräsning i ett cylinderformigt ämne. Vid sättet används ett cirku- lärt bearbetande fräsverktyg, företrädesvis ett ändplans- bearbetande fräsverktyg.

Enligt det föredragna sättet spänns det cylindriska ämnet fast, varefter skärande bearbetning medelst en änd- plansfräs utförs från det cylindrisk ämnets första ände.

Det roterande fräsverktyget förs därvid axiellt framåt i ämnet samtidigt som det förs rakt utåt utmed en från äm- nets längdaxel sig sträckande linje. Denna bearbetnings- riktning har visat sig medge ett snabbt och okomplicerat fräsningsförfarande.

Vid ett föredraget sätt att framställa Ventilkäglan är fräsverktygets geometriaxel väsentligen parallell med det cylindriska ämnets längdaxel under fräsförloppet.

Detta har visat sig leda till en gynnsam form hos urtag- ningarna.

Var och en av urtagningarna bildas med en enda axi- ell-radiell fräsrörelse. Härigenom kommer urtagningarnas form att styras av fräsverktygets diameter, fräsverkty- gets vinkel och förhållandet mellan axiell och radiell rörelse.

Sättet att framställa ventilkäglan genomföres med fördel medelst en programmerbar fräs.

Ventilkäglan och ventilen enligt uppfinningen lämpar sig för att styra flöden av olika fluider. Ett särskilt lämpligt användningsområde är reglering av vätskor, fram- för allt reglering av vattenflöden, t ex vid värmeanlägg- ningar.

Avslutningsvis må påpekas att uppfinningen på intet sätt är begränsad till de utföringsexempel som beskrivits i det föregående, utan flera modifieringar av densamma är 10 15 10 508 979 möjliga inom den uppfinningstanke som kommer till uttryck i efterföljande patentkrav.

Ventilkäglan enligt uppfinningen kan, genom bearbetning av ett metallämne, åstadkommas genom ett gjutförlopp. Det är för olika tillämpningar även möj- ligt att utforma en ventilkägla enligt uppfinningen i ett istället för plastmaterial genom t ex formsprutning.

Det är t ex möjligt att åstadkomma lämpliga urtag- ningar medelst ett i sidoriktning bearbetande fräsverk- tyg, eller något kombinerat fräsverk- tyg, som bearbetar i både axiell riktning och i sidorikt- t ex en pinnfräs, ning.

Det är dessutom möjligt att, med ett något vinklat ändplansfräsvertyg och/eller ett i sidoriktning bearbe- tande fräsverktyg, åstadkomma urtagningar genom bearbet- ning i motsatt riktning i förhållande till det ovan be- skrivna, föredragna sättet.

Claims (17)

10 15 20 25 30 35 11 508 979 PATENTKRAV

1. Ventilkägla omfattande en utmed en längdaxel (A) sig sträckande, cylinderformig kropp (1) med cylindrisk yta (5) och minst en i axiell riktning sig sträckande ur- (3), sig mellan ett första ändläge vid en första ände (10) av tagning vilken innanför en konturlinje (4) sträcker den cylinderformiga kroppen (1) och ett andra ändläge (10) och kroppens mot- har ett varvid urtagningen (14) mellan kroppens första ände andra ände (11), varvid urtagningen (3) radiellt djup (d) och en bredd (b), (3) har ett tvärsnitt, i ett plan vinkelrätt mot längd- (A), första ände (10) gradvis minskar i riktning mot det andra (14), vinkelrätt mot längdaxeln (A) satta, axeln vars area från ett maximalt värde nära nämnda ändläget och varvid kroppen (1) i nämnda tvärsnitt har en mot urtagningen (3) kontinuerligt konkav gränslinje (12), k ä n n e - t e c k n a d sträcker sig från det andra ändläget av att det parti av urtagningen (3) som (14) har större bredd än djup.

2. Ventilkägla enligt krav 1, vilken har 2-5 axiellt sig sträckande urtagningar (3).

3. Ventilkägla enligt krav 2, vilken har fyra urtag- ningar (3).

4. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid vilken kroppens (1) nämnda, kontinuerligt konkava gräns- linje (12) mot urtagningen (3) är rundat konkav.

5. Ventilkägla enligt krav 4, vid vilken nämnda kon- kava gränslinje (12) utgör del av periferin till en cir- kel med radien R2.

6. Ventilkägla enligt krav 5, vid vilken den cylin- har en radie R1, varvid radien R2 ligger i intervallet 0,25 R1-0,75 R1, R1-0,64 R1.

7. Ventilkägla enligt något av tidigare krav, vid derformiga kroppen (1) företrädesvis 0,50 vilken nämnda parti med större bredd (b) än djup (d) om- fattar minst halva urtagningens axiella utsträckning. 10 15 20 25 30 35 12 508 979

8. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid vilken en ringformig ansats (2) är belägen i den andra (ll)

9. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid änden av den cylinderformiga kroppen (1). vilken ett påverkningsorgan utskjuter från den första än- (10).

10. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid (10) i omkretsled omges av materi- den vilken urtagningen (3) vid den första änden av den cylinderformiga kroppen (1) alpartier (8), vilka har radiell utsträckning.

11. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid vilken urtagningens (3) konturlinje (4) är konvex utåt.

12. Ventilkägla enligt något av föregående krav, vid vilken urtagningen (3) har ett längdsnitt, (A), mot urtagningen (3) i ett plan genom längdaxeln (13) nuerlig krökning, i vilket kroppens (1) gränslinje uppvisar en väsentligen konti- företrädesvis en konvex krökning.

13. Ventil omfattande en med ett ventilsäte samver- kande ventilkägla k ä n n e t e c k n a d av att ventilen omfattar en Ventilkägla enligt något av föregående krav 1-12.

14. Ventil enligt krav 13, vid vilken radiell styr- ning av ventilkäglan åstadkommes genom samverkan mellan ventilkäglans cylindriska yta och en ventilsätet tillhö- rande, mot ventilkäglans längdaxel (A) vänd yta.

15. Sätt att framställa en cylinderformig ventil- (3), i ett plan vinkelrätt mot en längdaxel vilken har ett (Å), vars area från ett maximalt värde vid ett första ändläge (10) riktning mot ett andra ändläge (ll), - ett cylinderformigt ämne åstadkommes, kägla med minst en axiell urtagning tvärsnitt, nära en första ände av käglan gradvis minskar i (14) av att nära käglans andra ände k ä n n e t e c k n a t - urtagningarna (3) åstadkommes genom skärande bear- betning i ämnet medelst ett cirkulärt bearbetande fräs- verktyg, 10 15 13 508 979 - bearbetningen utförs i axiell riktning mellan ett första ändläge vid en första ände (10) av ämnet och ett andra ändläge (14) (ll), - fräsverktyget förs i radiell riktning under bear- nära ämnets motsatta ände betningen, och - var och en av urtagningarna utförs i en enda axi- ell-radiell fräsrörelse, varvid det parti av urtagningen som sträcker sig från det andra ändläget utformas med större bredd än radiellt djup.

16. Sätt enligt krav 15, vid vilket fräsverktyget har en geometriaxel kring vilken det roteras, varvid verktygets geometriaxel under bearbetningen hålles paral- lell med det cylinderformiga ämnets längdaxel (A), och varvid fräsningen sker i riktning från nämnda första ände mot den motsatta änden.

17. Sätt enligt krav 15 eller 16, vid vilket fräs- verktyget är ett ändplansbearbetande fräsverktyg.