Baugruppe zur Ansteuerung von Stellgliedern

Abstract

 Eine Baugruppe aus einem Vorsteuerventil (10) und vier Schaltventilen (S), insbesondere zur Ansteuerung von Stellgliedern (1), ist dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (10) ein 4/3 - Wege-Ventil ist.

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine Baugruppe aus einem Vorsteuerventil und vier Schaltventilen, insbesondere zur Ansteuerung von Stellgliedern.

[0002] Eine solche Baugruppe kann ein 5/3- oder 4/3-Wege-Ventil bilden und ermöglicht es, als Stellglied beispielsweise einen doppeltwirkenden Hydraulikzylinder anzusteuern. Als Vorsteuerventile werden üblicherweise Schieberventile verwendet, insbesondere zwei elektromagnetische Vorsteuerventile, wobei die Schiebermittelstellung bei nicht erregten Vorsteuerventilen eingenommen wird und für die erste bzw. die zweite außermittige Schaltstellung des Schiebers das eine bzw. das andere Vorsteuerventil angesteuert wird. Ein ähnlich hoher oder sogar noch höherer Vorsteueraufwand besteht bei entsprechenden Membranventilen in 5/3- und 4/3-Wege-Ausführung. Insbesondere bei der Verwendung dieser Ventile in Ventilinseln aneinandergereihter Bauart ergibt sich ein hoher Aufwand für die Herstellung der elektrischen Verbindungen der Magnetspulenkontakte der Vorsteuerventile zu einer elektrischen Steueranschlußleiste.

[0003] Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Ansteuerung von fluidbetätigten 5/3- und 4/3-Wege-Ventilen derart zu vereinfachen, daß alle drei Schaltstellungen der Ventile durch eine einzige Magnetspule eines Vorsteuerventils geschaltet werden können.

[0004] Diese Aufgabe wird bei einer Baugruppe der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß das Vorsteuerventil ein 4/3-Wege-Ventil ist. Auf diese Weise reduzieren sich der Aufwand und das Bauvolumen für die beiden bisher vorgesehenen elektromagnetischen Vorsteuerventile auf den geringeren Aufwand und das geringere Volumen für ein einziges Vorsteuerventil. Dadurch erleichtert sich der Anbau der Ventile an Ventilinseln und das Zusammenschalten derartiger Ventile an eine gemeinsame elektrische Versorgungsleitung und eine Fluid-Versorgungsleitung.

[0005] Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

[0006] Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf verschiedene Ausführungsformen beschrieben, die in den beigefügten Zeichnungen dargestellt sind. In diesen zeigen:

• Figur 1 schematisch ein Stellglied mit verschiedenen Schaltungsvarianten;
• Figur 2 schematisch ein erstes Schaltschema für ein Stellglied;
• Figur 3 schematisch ein zweites Schaltschema für ein Stellglied;
• Figur 4 schematisch einen Teil eines Gehäuses eines Vorsteuerelementes mit Steuerkammer und darin angeordnetem Dichtteil;
• Figur 5 in einer schematischen Schnittansicht ein Vorsteuerelement;
• Figur 6 schematisch ein Betätigungsorgan, das bei den Vorsteuerelement von Figur 5 verwendet werden kann;
• Figur 7 in einer schematischen Draufsicht ein Schaltelement, das bei dem Vorsteuerelement von Figur 5 verwendet wird;
• Figur 8 einen schematischen Querschnitt durch die beiden Steuerkammern des Vorsteuerelements von Figur 5;
• Figur 9 schematisch das erste Schaltschema für ein Stellglied mit einem Vorsteuerelement gemäß einer ersten Ausführungsform;
• Figur 10 schematisch das erste Schaltschema für ein Stellglied mit einem Vorsteuerelement gemäß einer zweiten Ausführungsform;
• Figur 11 schematisch das zweite Schaltschema für ein Stellglied mit einem Vorsteuerelement gemäß einer ersten Ausführungsform;
• Figur 12 einen Schnitt durch eine Ventilinsel mit Vorsteuerelement; und
• Figur 13 in größerem Maßstab einen Ausschnitt aus der in Figur 12 gezeigten Ventilinsel.

[0007] Anhand von Figur 1 wird nun allgemein die Ansteuerung eines Stellgliedes beschrieben, das hier als doppeltwirkender Stellzylinder 1 gezeigt ist. Der Stellzylinder 1 weist einen Kolben 2 sowie eine Arbeitskammer 3 auf der linken Seite des Kolbens 2 und eine Arbeitskammer 4 auf der rechten Seite auf Die Arbeitskammer 3 ist mit einem Anschluß A versehen, und die Arbeitskammer 4 ist mit einem Anschluß B versehen.

[0008] In den Darstellungen a) bis c) von Figur 1 sind verschiedene Arten der Ansteuerung des Stellzylinders gezeigt. In jedem Beispiel wird ein 4/3-Wege-Ventil verwendet. Bei der jeweils linken Schaltstellung wird die Arbeitskammer 3 mit einem unter einem Druck P stehenden Fluid beaufschlagt, beispielsweise Druckluft, während die rechte Arbeitskammer 4 mit einem als Rücklauf dienenden Anschluß R verbunden ist. Der Kolben 2 wird somit nach rechts beaufschlagt. In der jeweils rechten Schaltstellung wird die Arbeitskammer 4 über den Anschluß B mit dem Druck P beaufschlagt, während die linke Arbeitskammer 3 mit der Rücklaufleitung R verbunden wird. Daher wird der Kolben 2 nach links beaufschlagt.

[0009] Die drei Schaltbeispiele unterscheiden sich jeweils hinsichtlich ihrer Mittelstellung. Bei der in Darstellung a) gezeigten Mittelstellung ist eine Schwimmschaltung realisiert, bei der die beiden Arbeitskammern 3, 4 mit der Rücklaufleitung R verbunden sind. Der Kolben 2 ist also frei beweglich. Das Schaltbeispiel in Darstellung b) realisiert in der Mittelstellung eine Sperrstellung, in der die beiden Arbeitskammern 3, 4 jeweils mit dem Druck P beaufschlagt werden. Der Kolben 2 ist also gegen eine Bewegung blockiert. Im Beispiel der Darstellung c) ist ebenfalls eine Sperrstellung realisiert, wobei hier die beiden Arbeitskammern 3, 4 jeweils abgesperrt sind, also geschlossen. Auch hier ist der Kolben 2 blockiert.

[0010] In Figur 2 ist nun ein Beispiel für die Ansteuerung eines Stellzylinders beschrieben, wobei hier als Vorsteuerventile Magnetventile M verwendet werden, die mit Schaltventilen S₁ und S₂ verbunden sind. Je nach der Zuordnung zur rechten oder zur linken Arbeitskammer des Stellgliedes sind die Magnetventile und Schaltventile mit dem Index L bzw. R versehen.

[0011] An die Magnetventile kann eine Erregungsspannung U angelegt werden. Die Schaltventile sind mit einem Druckanschluß P sowie einem Rücklaufanschluß R versehen.

[0012] In Abhängigkeit von der Ansteuerung der Magnetventile M lassen sich mit der in Figur 2 gezeigten Schaltung verschiedene Ansteuerungsarten für das Stellglied 1 erzielen. Die verschiedenen Möglichkeiten sind in der nachfolgenden Tabelle 1 angegeben.

Tabelle 1

	UL	UR	S1L	S2L	S1R	S2R	Betriebsart
1	0	0	Pzu	Roffen	Pzu	Roffen	Antrieb frei beweglich
2	L	0	Poffen	Rzu	Pzu	Roffen	Antrieb nach rechts
3	0	L	Pzu	Roffen	Poffen	Rzu	Antrieb nach links
4	L	L	Poffen	Rzu	Poffen	Rzu	Antrieb fixiert

[0013] Der Buchstabe P steht in der Tabelle für einen Druckanschluß, und der Buchstabe R steht für eine drucklose Rücklaufleitung.

[0014] Die in der Tabelle gezeigten Schaltzustände 1 bis 3 entsprechen der Schaltung aus Figur 1a). Die in der Tabelle gezeigten Schaltzustände 2 bis 4 entsprechen der Schaltung aus Figur 1b).

[0015] In Figur 3 ist eine andere Art der Schaltung des Stellgliedes 1 gezeigt. Die sich hierbei ergebenden Betriebsarten sind in der nachfolgenden Tabelle 2 gezeigt.

Tabelle 2

	UL	UR	S1L	S2L	S1R	S2R	Betriebsart
1	0	0	Pzu	Rzu	Pzu	Rzu	Antrieb fixiert
2	0	L	Pzu	Rauf	Pauf	Rzu	Antrieb nach links
3	L	O	Pauf	Rzu	Pzu	Rauf	Antrieb nach rechts
4	L	L	Pauf	Rauf	Pauf	Rauf	Antrieb fixiert

[0016] Die in Tabelle 2 gezeigten Schaltzustände 1 bis 3 entsprechen der Schaltung gemäß Figur 1c). Der in Tabelle 2 gezeigte Schaltzustand 4 entspricht einem Kurzschluß von P zu R.

[0017] Anstelle der Vorsteuerung durch Magnetventile, die den Einsatz von verschiedenen Magnetventilen erfordert, können dieselben Schaltungsarten durch ein einziges Vorsteuerelement erzielt werden, das als 4/3-Wege-Ventil ausgeführt ist.

[0018] Anhand der Figuren 4 bis 8 wird nun allgemein der Aufbau eines solchen Vorsteuerelements beschrieben. Das Vorsteuerelement 10 weist ein Gehäuse 12 auf, in welchem zwei nebeneinanderliegende, voneinander isolierte Steuerkammern 20, 30 ausgebildet, von denen in Figur 4 nur eine zu sehen ist. In jeder Steuerkammer münden ein Arbeitsanschluß und zwei Druckanschlüsse, wobei der Arbeitsanschluß mit A bzw. B bezeichnet ist und die Druckanschlüsse mit P bzw. R bezeichnet sind. Zwei der Anschlüsse in jeder Steuerkammer 20 bzw. 30 sind mit einem Dichtsitz 21, 22 bzw. 31, 32 versehen. Mit den Dichtsitzen 21, 22 und 31, 32 arbeitet ein allgemein mit dem Bezugszeichen 14 versehenes Schaltelement zusammen. Das Schaltelement 14 kann durch Einwirken auf einen Betätigungsfortsatz 15 aus einer Ruhestellung heraus in eine erste und eine zweite Stellung bewegt werden. Insgesamt sind also drei Stellungen des Schaltelementes 14 möglich. Zur Betätigung des Schaltelementes 14 ist ein Betätigungsorgan 16 vorgesehen (siehe insbesondere Figur 6), das beispielsweise als elektromagnetischer Antrieb mit einem polarisierten Antriebselement ausgeführt ist, dessen Dauermagnet im stromlosen Zustand einer Spule eine Mittelstellung des Betätigungsfortsatzes 15 hervorruft und bei Stromdurchfluß in Abhängigkeit von der Stromrichtung den Betätigungsarm entweder in Richtung des Pfeils 1 oder in Richtung des Pfeils 2 verstellt.

[0019] In Figur 6 sind die beiden Stellungen 1 und 2 eines am Betätigungsfortsatz 15 angebrachten Magneten 17 gezeigt. Die Spule des Betätigungsorgans ist mit dem Bezugszeichen 18 versehen, und die umschaltbare Spannungsquelle ist in Figur 6 mit dem Bezugszeichen 19 versehen.

[0020] Der grundsätzliche Aufbau des Schaltelements 14, das aus einem Kern 11 und einem diesen umgebenden Elastomer 13 besteht, sowie die Lagerung des Schaltelementes im Gehäuse 12 ist grundsätzlich aus dem deutschen Gebrauchsmuster 295 07 380 bekannt, auf das ausdrücklich Bezug genommen wird. Die Details der Ausgestaltung des Schaltelementes werden daher hier nicht weiter erläutert.

[0021] Anhand der Figuren 7 und 8 wird nun die Wirkungsweise des Vorsteuerelements genauer beschrieben. Das Schaltelement 14 ragt in jede Steuerkammer 20, 30 mit einem Dichtteil 24 bzw. 34 hinein. Die beiden Dichtteile 24, 34 sind fest mit dem Betätigungsfortsatz 15 verbunden und werden gleichzeitig mit dem Betätigungsfortsatz bewegt. Die beiden Dichtteile 24, 30 sind in unterschiedlichen Ebenen angeordnet, also gegeneinander verschränkt. Dagegen befinden sich die auf der oberen Seite der Steuerkammern 20, 30 angeordneten Dichtsitze 21, 31 sowie die auf der unteren Seite der Steuerkammern angeordneten Dichtsitze 22, 32 jeweils auf demselben Niveau.

[0022] Wenn ausgehend von der in Figur 8 gezeigten Ruhestellung die Dichtteile 24, 34 nach oben beaufschlagt werden, ergibt sich hinsichtlich der Steuerkammer 20 keine Änderung des Schaltzustandes, da sich das Dichtteil 24 elastisch verformt und weiterhin an dem Dichtsitz 21 anliegt, während das Dichtteil 34 in der Steuerkammer 30 vom Dichtsitz 32 abgehoben und gegen den Dichtsitz 31 gedrückt wird. Wenn dagegen die Dichtteile 24, 34 nach unten beaufschlagt werden, ergibt sich hinsichtlich der Steuerkammer 30 keine Änderung des Schaltzustandes, während das Dichtteil 24 der Steuerkammer 20 vom Dichtsitz 21 abgehoben und gegen den Dichtsitz 22 gedrückt wird. Es ist offensichtlich, daß abweichende Schaltzustände erzielt werden können, indem die Belegung der Anschlüsse geeignet vertauscht wird. Es ist außerdem möglich, anstelle der gegeneinander verschränkten Dichtteile solche zu verwenden, die in einer Ebene angeordnet sind, wenn gleichzeitig gegeneinander versetzte Dichtteile 21 und 31 bzw. 22 und 32 verwendet werden.

[0023] Die in Figur 9 gezeigte Schaltung basiert auf der in Figur 2 gezeigten Schaltung und verwendet anstelle der dort gezeigten Magnetventile M das aus den Figuren 4 bis 8 bekannte Vorsteuerelement. Die gezeigte Schaltung entspricht dem in Figur 1a) dargestellten Beispiel. In der in Figur 9 gezeigten Ausgangsstellung, in der die beiden Druckanschlüsse P des Vorsteuerelementes geschlossen sind, ist eine Schwimmschaltung realisiert, in der die beiden Arbeitskammern des Stellgliedes mit R verbunden sind.

[0024] In Figur 10 ist eine ähnliche Schaltung erzielt, wobei hier die Belegung der Anschlüsse des Vorsteuerelementes geändert wurde. Die erzielte Schaltung entspricht dem Beispiel aus Figur 1b). In der Ausgangsstellung des Ventilelementes, in der die beiden Rücklaufanschlüsse R gesperrt sind, ist der Kolben des Stellgliedes durch beidseitige Druckbeaufschlagung mit P blockiert.

[0025] In Figur 11 wird das aus Figur 9 bekannte Vorsteuerelement mit der aus Figur 3 bekannten Schaltung der Schaltventile kombiniert. Es ergibt sich die aus Figur 1c) bekannte Schaltung, wobei in der in Figur 11 gezeigten Ruhestellung, bei der die beiden Druckanschlüsse P des Vorsteuerelementes blockiert sind, sowohl die beiden Arbeitskammern des Stellgliedes als auch die Anschlüsse P, R gesperrt sind.

[0026] In den Figuren 12 und 13 ist schließlich ein Ventilblock gezeigt, der durch Kombination der Schaltventile S mit einem Vorsteuerelement gemäß den Figuren 4 bis 8 erzielt ist. Gut erkennbar ist der besonders kompakte Aufbau, der sich ergibt, da nur eine Vorsteuerspule erforderlich ist. Auf diese Weise ergibt sich eine besondere Eignung für die Verwendung in einem Ventilreihensystem mit durchgehender pneumatischer Versorgungsleiste und elektrischer Anschlußleiste für die Spannungsversorgung bzw. Ansteuerung der Spulen mit digitalen Impulsen aus der Feldbustechnik. Weiterhin ergibt sich eine hohe Durchflußleistung, da nur wenige Strömungsumleitungen erforderlich sind. Da alle Komponenten der Vorsteuerung und der Schaltventile reibungsfrei ausgeführt sind, ergibt sich eine besondere Eignung für den ungeschmierten Einsatz (ohne Grundschmierung mit trockener Druckluft) mit wenig Verschleiß und hoher Lebensdauer.

Ansprüche

1. Baugruppe aus einem Vorsteuerventil (10) und vier Schaltventilen (S), insbesondere zur Ansteuerung von Stellgliedern (1), dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil (10) ein 4/3- Wege-Ventil ist.

2. Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Vorsteuerventil ein Gehäuse (12) enthält, in dem zwei Steuerkammern (20; 30) gebildet sind, die gegeneinander isoliert sind und jeweils einen Arbeitsanschluß sowie zwei Druckanschlüsse aufweisen, wobei zwei der Anschlüsse mit jeweils einem Dichtsitz (21, 22; 31, 32) versehen sind, sowie ein Schaltelement (14), das bewegbar im Gehäuse (12) gelagert ist und in jeder Schaltkammer (20; 30) ein Dichtteil (24; 34) aufweist, das mit den Dichtsitzen (21, 22; 31, 32) derart zusammenwirken kann, daß diese geöffnet oder geschlossen sind, und ein Betätigungsorgan (16) für das Schaltelement (14), wobei das Betätigungsorgan (16) das Schaltelement (14) in drei Stellungen bringen kann.

3. Baugruppe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtsitze (21, 22; 31, 32) einer Steuerkammer (20; 30) einander gegenüberliegend auf der einen und der anderen Seite der Steuerkammer angeordnet sind und das in dieser Steuerkammer angeordnete Dichtteil (24, 34) entweder an dem einen oder dem anderen Dichtsitz anliegt.

4. Baugruppe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die in den beiden Steuerkammern angeordneten Dichtteile (24; 34) sich in unterschiedlichen Ebenen erstrecken und in der Ruhestellung eines der Dichtteile (24) an dem auf der einen Seite der entsprechenden Steuerkammer (20) angeordneten Dichtsitz (21) anliegt, während das andere Dichtteil (34) an dem auf der anderen Seite der anderen Steuerkammer (30) angeordneten Dichtsitz (32) anliegt.

5. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltventile (S) Membranventile sind.

6. Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltventile (S) eine Durchflußverstärkungsfunktion haben.

Zeichnung