[0001] Die Erfindung betrifft ein Ventil entsprechend dem Oberbegriff des Anspruches 1 (in
der Praxis als sog. "5/2-Wegeventil" bekannt, enthaltend fünf Anschlüsse und zwei
Schaltstellungen).
[0002] Bei Ventilen dieser Art muß die wirksame Fläche des Steuerkolbens größer als die
wirksame Fläche des Dichtungselementes sein, das in der einen Schaltstellung die Verbindung
zwischen dem mit Druckmittel versorgten Verbraucher und dem zugehörigen Anschluß
zur Druckmittelabführung unterbricht. Nur dann kann nämlich der Steuerkolben, wenn
er mit Druckmittel versorgt wird, die Kolbenstange in die andere Schaltstellung bewegen.
[0003] Durch diese notwendige Dimensionierung des Steuerkolbens ergibt sich nun allerdings
ein Problem, wenn aufgrund äußerer Einflüsse (etwa beim gleichzeitigen Entlüften mehrerer
an eine gemeinse Abluftleitung angeschlossener Ventile) in der Gehäusekammer, die
den gerade entlüfteten Verbraucher mit dem zugehörigen Anschluß zur Druckmittelabführung
verbindet, ein momentaner Überdruck auftritt. Würde dieser Druck auf die innere Stirnseite
des benachbarten Steuerkolbens einwirken, so würde hierdurch das Ventil ungewollt
betätigt, d.h. eine Fehlbetätigung verursacht.
[0004] Um diesen Nachteil zu vermeiden, sind bei den bisher bekannten Ventilen der eingangs
genannten Art zwischen den Steuerkolben und den mit den Anschlüssen zur Abführung
des Druckmittels versehenen Gehäusekammern zwei Dichtungs- bzw. Druckausgleichkolben
angeordnet, die je zwei Dichtungselemente tragen, die mit einer in das Ventilgehäuse
eingepreßten Laufbuchse zusammenwirken.
[0005] Durch diese beiden zusätzlichen Dichtungs- oder Druckausgleichskolben wird vor allem
die Baulänge des Ventiles in unerwünschter Weise vergrößert. Nachteilig ist ferner
die Vergrößerung der Zahl der Einzelteile des Ventiles, die Erschwerung der Montage
sowie die Verkürzung der Lebensdauer.
[0006] Die Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs genannten
Art so auszubilden, daß die Baugröße, insbesondere die Baulänge, wesentlich verringert,
der konstruktive Aufbau - unter Beibehaltung einer zuverlässigen Funktion - erheblich
vereinfacht, die Montage erleichtert und die Lebensdauer verlängert wird.
[0007] Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches
1 gelöst.
[0008] Zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
[0009] In der Zeichnung zeigen
Fig. 1 einen Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung (bistabile
Variante),
Fig. 2 einen Schnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in monostabiler Ausführung,
Fig. 3 und 4 Varianten mit bedingt bzw. vollständig überschneidungsfreier Umschaltung
[0010] Das in Fig. 1 dargestellte 5/2-Ventil in bistabiler Ausführung enthält in einem Gehäuse
1 eine durchgehende Bohrung 2 (mit Achse 3) die an ihren Enden durch Gehäusedeckel
4 und 5 unter Zwischenfügung von Dichtungselementen 6 bzw. 7 abgeschlossen ist.
[0011] In die Bohrung 2 münden fünf Querbohrungen 8, 9, 10, 11 und 12, die folgende Anschlüsse
bilden:
[0012] Die Querbohrung 8 einen Druckmittelanschluß P, die Querbohrungen 9 und 10 zwei Anschlüsse
A bzw. B zur Zuführung des Druckmittels zu je einem Verbraucher, die Querbohrungen
11 und 12 zwei Anschlüsse R bzw. S zur Abführung des Druckmittels von den beiden Verbrauchern
(Entlüftungsanschlüsse).
[0013] Die Bereiche der Bohrung 2, in die die Querbohrungen 8 bis 12 münden, bilden Kammern
13, 14, 15, 16 und 17.
[0014] Die zentrale Kammer 13 steht über eine weitere Querbohrung 18 mit einem parallel
zur Bohrung 2 ver laufenden Kanal 19 in Verbindung, der nahe seinen Enden durch Kugeln
20 bzw. 21 verschlossen ist. Bohrungen 22, 23 verbinden den Kanal 19 mit Vorsteuerelementen
24 bzw. 25, die über Bohrungen 26 bzw. 27, die äußeren Bereiche 19a, 19b des Kanales
19 und Kammern 28 bzw. 29 mit den äußeren Stirnflächen von Steuerkolben 30, 31 in
Verbindung stehen.
[0015] Die Steuerkolben 30, 31 sind an ihrem Umfang mit einem Dichtungselement 32, 33 versehen
und tragen an ihrer inneren Stirnseite einen Ansatz 30a, 31a.
[0016] Über Führungsstifte 34, 35, die mit einer Führungsbohrung zusammenwirken, sind die
Steuerkolben 30, 31 an einer Kolbenstange 36 axial begrenzt gleitbeweglich geführt.
Dabei können die Führungsstifte 34, 35 entweder fest mit der Kolbenstange 36 verbunden
sein und in Führungsbohrungen der Steuerkolben 30, 31 eingreifen oder umgekehrt.
Die Steuerkolben 30, 31 sind damit relativ zur Kolbenstange 36 frei verschiebbar,
und zwar zwischen einer äußeren Anschlagstellung, in der die Steuerkolben 30, 31 am
Gehäusedeckel 4 bzw. 5 anliegen und einer inneren Stellung, in der die Steuerkolben
30, 31 in kraftschlüssigem Eingriff mit der Kolbenstange 36 stehen ( indem sich der
Ansatz 30a bzw. 31a an der benachbarten Stirnseite der Kolbenstange 36 anlegt).
[0017] Die Kolbenstange 36 trägt zwei identisch ausgebildete und spiegelbildlich angeordnete
Dichtungsteile 37, 38, von denen im folgenden der Dichtungs teil 37 näher erläutert
sei. Er besteht aus zwei Dichtungselementen 37a, 37b, die einstückig miteinander
ausgebildet sind und mit je einem Ventilsitz 39 bzw. 40 zusammenwirken. In entsprechender
Weise besteht der Dichtungsteil 38 aus Dichtungselementen 38a, 38b, die mit Ventilsitzen
41, 42 zusammenwirken.
[0018] Die beiden gleich ausgebildeten Vorsteuerelemente 24, 25 enthalten in einem Gehäuse
43 einen verschiebbaren Stößel 44, der durch eine Spule 45 betätigbar ist. in der
einen (unteren) Endstellung verschließt der Stößel 44 mit einem Dichtungselement
46 die Verbindung zwischen den Bohrungen 22 und 26. In der anderen (oberen) Stellung
verschließt der Stößel 44 mit einem Dichtungselement 47 eine Entlüftungsbohrung 48.
Für das Vorsteuerelement 25 gilt entsprechendes.
[0019] Die Funktion des erfindungsgemäßen Ventiles ist folgendermaßen (wobei angenommen
wird, daß als Druckmittel Druckluft Verwendung findet).
[0020] In der in Fig. 1 veranschaulichten Stellung gelangt Druckluft vom Anschluß P in die
Kammer 15 und damit zum Anschluß B des einen Verbrauchers. Da die Kammer 17 entlüftet
ist, wird das Dichtungselement 37b auf den Ventilsitz 40 gedrückt. Das als flexible
Membrandichtung ausgebildete Dichtungselement 37b wölbt sich hierbei zur Kammer 17
hin durch und zieht über die Kolbenstange 36 das Dichtungselement 38a auf seinen Sitz
41. Da der wirksame Durchmesser D₂ des Dichtungselementes 37b größer als der wirksame
Durchmesser D₁ des Dichtungselementes 38a ist, wird das Ventil aufgrund der hierdurch
gegebenen Querschnittsdifferenz selbsttätig in dieser Lage gehalten.
[0021] Wird nun das linke Vorsteuerelement 24 impulsweise betätigt, so bewegt sich der Stößel
44 nach oben, verschließt die Entlüftungsbohrung 48 und stellt über die Bohrungen
22, 26 eine Verbindung zwischen dem Druckmittelanschluß P und der Kammer 28 (angrenzend
an die linke Stirnseite des Steuerkolbens 30) her. Der Steuerkolben 30 bewegt nun
die Kolbenstange 36 in ihre rechte Endstellung. Hierdurch wird das Dichtungselement
37b vom Ventilsitz 40 abgehoben und das Dichtungselement 37a auf den Ventilsitz 39
gedrückt, so daß der bisher über den Anschluß B belüftete Verbraucher nunmehr über
den Anschluß S entlüftet wird. Das Dichtungselement 38a wird vom Ventilsitz 41 abgehoben
und das Dichtungselement 38b auf den Ventilsitz 42 gedrückt. Der bisher über den
Anschluß R entlüftete Verbraucher (Anschluß A) erhält nunmehr Druckluft vom Anschluß
P.
[0022] Soll das Ventil dann aus der zuletzt genannten (rechten) Schaltstellung zurück in
die in Fig. 1 dargestellte linke Schaltstellung bewegt werden, so wird das Vorsteuerelement
25 impulsweise betätigt, so daß Druckluft über die Kammer 29 dem rechten Steuerkolben
31 zugeführt wird.
[0023] Es sei nun angenommen, daß sich das Ventil in der in Fig. 1 veranschaulichten Schaltstellung
befindet und daß sich aus irgendwelchen äußeren Gründen (beispielsweise durch das
gleichzeitige Entlüften von mehreren an eine gemeinsame Abluftleitung angeschlossenen
Ventilen) in der Kammer 16 eine Druckspitze einstellt. Wäre der Steuerkolben 31 fest
mit der Kolbenstange 36 verbunden, so bestünde die Gefahr, daß der Steuerkolben 31
durch den auftretenden Druckimpuls nach rechts bewegt und damit eine Fehlbetätigung
des Ventiles verursacht wurde. Da jedoch der Steuerkolben 31 des erfindungsgemäßen
Ventiles relativ zur Kolbenstange 36 begrenzt axial verschiebbar ist, kann er in
der angenommenen Situation bei einem Druckimpuls in der Kammer 16 nach rechts ausweichen.
Eine Fehlbetätigung des Ventiles ist auf diese Weise mit Sicherheit vermieden.
[0024] Zum Verständnis sei noch angemerkt, daß sich das oben geschilderte Problem einer
Fehlbetätigung des Ventiles durch einen Druckimpuls in der entlüfteten Gehäusekammer
auch nicht dadurch lösen läßt, daß der Steuerkolben 31 denselben wirksamen Durchmesser
wie das auf den Ventilsitz 41 gedrückte Dichtungselement 38a (Durchmesser D₁) erhält,
da der Durchmesser des Steuerkolbens 31 größer als D₂ sein muß, um eine Umsteuerung
des Ventils bewirken zu können. Aus diesem Grunde sind bei den eingangs geschilderten
bekannten Ventilen zwischen den Steuerkolben 30, 31 und den Kammern 16, 17 noch zusätzliche
Dichtungs- oder Druchausgleichskolben vorgesehen.
[0025] Um bei der Umschaltung des Ventiles einen Schwebezustand des Systemes zu vermeiden,
wird die Symmetrie der Kammern 14 und 15 dadurch zerstört, daß die Dichtungselemente
37b, 38b einen etwas unterschiedlichen Durchmesser D₃ erhalten oder das Gehäuse
in den Kammern 14 und 15 mit unterschiedlichem Durchmesser ausgeführt wird.
[0026] Das Ventil gemäß Fig. 1 zeichnet sich durch einen sehr gedrängten räumlichen Aufbau,
insbesondere eine kurze Baulänge aus. Es besitzt ferner im Vergleich zu den bekannten
Ausführungen einen vereinfachten konstruktiven Aufbau und eine verringerte Zahl
von Einzelteilen. Es läßt sich sehr einfach montieren und besitzt eine vergrößerte
Lebensdauer. Das in Fig. 1 veranschaulichte Ausführungsbeispiel ist ein bistabiles
Ventil. Es wird also durch einen dem Vorsteuerelement 24 oder 25 zugeführten Impuls
in die eine oder andere Schaltstellung geführt.
[0027] Fig. 2 veranschaulicht demgegenüber eine monostabile Variante mit nur einem einzigen
Vorsteuerelement 25. Der Kanal 19 steht hier unmittelbar mit der Kammer 28 auf der
linken Stirnseite des Steuerkolbens 30 in Verbindung. Der Durchmesser des Steuerkolbens
30 ist kleiner als der des Steuerkolbens 31 gewählt. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel
gemäß Fig. 2 dem Ventil gemäß Fig. 1. Gleiche Teile sind demgemäß mit denselben Bezugszeichen
versehen.
[0028] Die Funktion des Ventils gemäß Fig. 2 ist folgendermaßen:
[0029] Fig. 2 zeigt das Ventil in der Schaltstellung, die man erhält, wenn das Vorsteuerelement
25 durch ein Signal betätigt wird. Der rechte Steuerkolben 31, dem die Druckluft vom
Anschluß P über den Kanal 19, das Vorsteuerelement 25 und die Kammer 29 zugeführt
wurde, hat hierbei die Kolbenstange 36 gegen die Wirkung des kleineren Steuerkolbens
30 nach links gedrückt.
[0030] Fällt nun das dem Vorsteuerelement 25 zugeführte Steuersignal weg, so entlüftet das
Vorsteuerelement 25 die Kammer 29. Nunmehr drückt der linke Steuerkolben 30 die Kolbenstange
mit den Dichtungsteilen 37, 38 in die rechte Endstellung. Das Ventil kehrt somit beim
Wegfall des Steuersignales in die rechte Schaltstellung zurück und verbleibt in dieser,
bis ein neues Steuersignal eintrifft.
[0031] Auch bei diesem Ausführungsbeispiel begrenzen die Steuerkolben 30, 31 mit ihrer inneren
Stirnseite die Gehäusekammern 16, 17, die mit den Anschlüssen R S zur Druckmittelabführung
versehen sind. Ebenso wie bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 sind ferner auch
bei der Variante nach Fig. 2 die beiden Steuerkolben 30, 31 in axialer Richtung relativ
zur Kolbenstange 36 begrenzt frei verschiebbar. Tritt nun in der in Fig. 2 veranschaulichten
Schaltstellung in der Kammer 16 aufgrund eines äußeren Einflusses eine Druckspitze
auf, so kann der Steuerkolben 31 nach rechts ausweichen, ohne daß die Kolbenstange
36 mitgenommen wird. Eine Fehlbetätigung des Ventiles wird daher vermieden.
[0032] Bei den Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 und 2 erfolgt die Umschaltung der
Druckmittelversorgung zwischen den beiden Verbrauchern nicht überschneidungsfrei;
in einer Zwischenphase während der Umschaltung ist somit der eine Verbraucher noch
entlüftet, während der andere Verbraucher schon entlüftet ist.
[0033] Wird demgegenüber eine überschneidungsfreie Umschaltung gewünscht, so kann die Ausführung
gemäß Fig. 3 gewählt werden. Sie entspricht bis auf die Gestaltung der Dichtungsteile
37, 38 der Ausführung gemäß Fig. 1. Die Dichtungselemente 37b, 38b sind hierbei nicht
(wie bei den Fig. 1 und 2) als Sitzdichtungen, sondern als Schiebedichtungen ausgebildet
und wirken mit dem inneren Umfang 40b, 42b einer Buchse 40ʹ bzw. 42ʹ zusammen. Die
Dichtungselemente 37b, 38b bilden damit Lippenringdichtungen, die bei der Axialverschiebung
der Kolbenstange 36 über einen gewissen Weg abdichten.
[0034] Wird die Kolbenstange 36 beispielsweise aus der in Fig. 3 veranschaulichten Stellung
durch den Steuerkolben 30 nach rechts bewegt, so kommt zunächst das Dichtungselement
38b in dichtende Berührung mit der Buchse 42ʹ und trennt damit den Anschluß A vom
Anschluß R, ehe anschließend das Dichtungselement 37b aus der Buchse 40ʹ austritt
und damit eine Verbindung zwischen den Anschlüssen B und S herstellt. Auf diese Weise
wird eine überschneidungsfreie Umschaltung der Entlüftungsanschlüsse R und S bewirkt,
so daß auch während der Umschaltung stets mindestens einer der beiden Verbraucher
mit Druckluft versorgt wird.
[0035] Die Ausführung gemäß Fig. 4 entspricht weitgehend der in Fig. 3. Die Dichtungsteile
37ʹ, 38ʹ sind hierbei jedoch so gestaltet, daß statt der als Sitzdichtungen ausgeführten
Dichtungselemente 37a, 38a Schiebedichtungen 37c, 38c vorhanden sind. Dabei öffnet
während des Schaltens die Schiebedichtung 38c erst dann, wenn die Schiebedichtung
37c schon geschlossen hat (und umgekehrt).
1. Ventil, enthaltend
a) einen Druckmittelanschuß (P), zwei Anschlüsse (A, B) zur Zuführung des Druckmittels
zu je einem Verbraucher sowie zwei Anschlüsse (R, S) zur Abführung des Druckmittels
von den beiden Verbrauchern,
b) eine im Ventilgehäuse (1) zwischen zwei Schaltstellungen verschiebbare Kolbenstange
(36),
c) auf der Kolbenstange (36) angeordnete Dichtungselemente (37a, 37b, 38a, 38b),
die in der ersten Schaltstellung der Kolbenstange (36) den ersten Verbraucheranschluß
(A) mit dem Druckmittelanschluß (P) und den zweiten Verbraucheranschluß (B) mit der
zugehörigen Druckmittelabführung (S) verbinden und die in der zweiten Schaltstellung
der Kolbenstange (36) den zweiten Verbraucheranschluß (B) mit dem Druckmittelanschluß
(P) und den ersten Verbraucheranschluß (A) mit der zugehörigen Druckmittelabführung
(R) verbinden,
d) zwei im Bereich der axialen Enden der Kolbenstange (36) angeordnete Steuerkolben
(30, 31) zur Verschiebung der Kolbenstange (36) in die eine oder andere Schaltstellung,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
e) Die beiden Steuerkolben (30, 31) begrenzen mit ihrer inneren Stirnseite die mit
den Anschlüssen (R, S) zur Druckmittelabführung versehenen Gehäusekammern (16, 17);
f) die beiden Steuerkolben (30, 31) sind in axialer Richtung relativ zur Kolbenstange
(36) begrenzt frei verschiebbar.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mittels eines Führungsstiftes
(34, 35) und einer Führungsbohrung axial gleitbeweglich geführten Steuerkolben (30,
31) zwischen einer äußeren Anschlagstellung und einer inneren Stellung, in der sie
in kraftschlüssigem Eingriff mit der Kolbenstange (36) stehen, relativ zur Kolbenstange
(36) frei verschiebbar sind.
3. Ventil nach Anspruch 1, bei dem die mit den Anschlüssen (A, B) zur Druckmittelzuführung
versehenen Gehäusekammern (14, 15) jeweils zwei mit entsprechenden Dichtungsflächen
(39, 40, 41, 42) zusammenwirkende Dichtungselemente (37a, 37b, 38a, 38b) enthalten,
von denen das erste Dichtungselement (37a, 38a) die Ver bindung dieser Gehäusekammern
(14, 15) mit dem Druckmittelanschluß (P) und das zweite Dichtungselement (37b, 38b)
die Verbindung dieser Gehäusekammern (14, 15) mit dem zugehörigen Anschluß (R, S)
zur Druckmittelabführung steuert, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dichtungselemente
(37a und 37b bzw. 38a und 38b) einstückig ausgebildet sind.
4. Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der wirksame Durchmesser (D₂)
des zweiten Dichtungselementes (37b, 38b) größer als der wirksame Durchmesser (D₁)
des ersten Dichtungselementes (37a, 38a) ist.
5. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine nicht überschneidungsfreie Umschaltung
des Druckmittelanschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet,
daß die beiden Dichtungselemente (37a, 37b bzw. 38a, 38b) als Sitzdichtungen ausgebildet
sind.
6. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine überschneidungsfreie Umschaltung
des Druckmittelanschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet,
daß das erste Dichtungselement (37a, 38a) als Sitzdichtung und das zweite Dichtungselement
(37b, 38b) als Schiebedichtung ausgebildet ist.
7. Ventil nach Anspruch 3, insbesondere für eine überschneidungsfreie Umschaltung
des Druckmittelanschlusses (P) zwischen den beiden Verbrauchern, dadurch gekennzeichnet,
daß beide Dichtungselemente (37b, 38b, 37c, 38c) als Schiebedichtungen ausgebildet
sind.