DE3312054C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein den Durchfluß eines Druckmittels steuerndes Umschaltventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Umschaltventile der genannten Art sind bekannt (DE-OS 31 19 049); sie sind bisher so konstruiert, daß die Steuervorrichtung für die Betätigung des Ventils einen aktiven, äußeren Antrieb aufweist, durch den die für die Bewegung des Ventilkörpers notwendige Energie geliefert wird. Für derartige Antriebe werden im allgemeinen pneumatische, hydraulische oder elektromagnetische Systeme, z. B. Hubmagnete, eingesetzt.

Werden die Steuersignale, durch die eine Bewegung des Ventils in der einen oder der anderen Richtung ausgelöst wird, durch elektronische Mittel erzeugt, so reicht die Energie des elektronischen Systems im allgemeinen nicht aus, um die Ventilbewegungen sicherzustellen. Es ist daher notwendig, die erwähnten zusätzlichen Steuerantriebe bereitzustellen und die elektronischen Steuermittel lediglich zum Auslösen dieser Antriebe einzusetzen. Durch die Notwendigkeit, aktive Antriebe für die Ventile bereitzustellen, erfordern derartige Steuersysteme einen erheblichen Aufwand und sind störanfällig.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein - elektronisch - gesteuertes Umschaltventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, für das kein zusätzlicher äußerer Antrieb erforderlich ist.

Diese Aufgabe wird entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 gelöst.

Dadurch treten in jeder der beiden Endlagen am Ventilkörper von dem zu steuernden Druckmittel hervorgerufene, resultierende Kräfte auf, die das Ventil aus der jeweiligen Endlage heraus in der gewünschten Richtung betätigen. Dabei wird die notwendige Bewegungsenergie dem Druckmittel selbst entzogen, das sehr häufig unter einem hohen Druck von beispielsweise 1000 bar steht. Ein zusätzlicher äußerer Antrieb für das Ventil wird auf diese Weise entbehrlich. Die Steuervorrichtung hat daher nur noch die Aufgabe, das Ventil in jeder der beiden Endlagen zu halten, wird also zu einem passiven Halteelement, das nicht mehr für die Bewegung des Ventils "aufkommen" muß.

Aus der US-PS 40 51 862 ist zwar ein Steuerventil bekannt, bei dem die vorstehend beanspruchten Relationen zwischen dem Schaftdurchmesser und den Ventilsitzen zufällig bereits verwirklicht sind. Mit dieser Konstruktion läßt sich die gestellte Aufgabe jedoch nicht lösen, da die Verbindung zwischen dem Zuführkanal und dem Steuerkanal zwar selbsttätig geöffnet, aber nicht wieder geschlossen werden kann. Ohne einen äußeren Antrieb ist dieses Steuerventil daher nicht funktionsfähig.

Die von der Steuervorrichtung bewirkte Halterung kann vorteilhafterweise direkt am Ventil bzw. seinem Schaft erfolgen, wenn eine in ihrem Aufbau einfache Konstruktion angestrebt wird, die darüber hinaus relativ kurze Schaltzeiten ermöglicht; eine direkte Halterung ist daher vor allem für kleine, schnelle Ventile geeignet.

Müssen relativ große Ventilkräfte beherrscht werden, so ist es zweckmäßig, die Steuervorrichtung über eine Ver­ riegelung indirekt auf den Ventilkörper bzw. seinen Schaft wirken zu lassen. Diese indirekte Halterung wird daher vor allem für große Ventile angewendet, die relativ langsam bewegt werden.

Im folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbei­ spielen näher erläutert.

Fig. 1 zeigt in einem Längsschnitt durch ein Ventil eine erste Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 2 gibt schematisch ein Beispiel für eine indirekte Halterung des Ventils mit Hilfe einer Ver­ riegelung wieder.

In einem Ventilgehäuse 1 (Fig. 1) ist ein Zuführkanal 2 für ein hydraulisches Druckmedium vorgesehen, der an eine nicht gezeigte Druckmittelquelle angeschlossen ist. Der Kanal 2 endet in einer domartigen Kammer 3, die nach unten offen und durch einen tellerartigen Ventilkörper 4 ver­ schlossen ist. Dieser sitzt am unteren Ende eines Ventil­ schaftes 5, der durch eine Bohrung 6 nach oben aus dem Ventilgehäuse 1 herausragt. Der Durchmesser des Schaftes 5, der im Bereich der Kammer 3 reduziert ist, ist mit s be­ zeichnet. Weiterhin hat der Schaft 5 etwa auf halber Höhe eine zweite ringförmige Einschnürung 7, die über horizontale Bohrungen 8 mit einer Längsbohrung 9 verbunden ist, die zur vom Schaft 5 abgewandten Seite des Ventilkörpers 4 führt. Der Strömungsweg 7, 8, 9 dient der Abfuhr von Druck­ mittel-Leckage.

Der Ventilkörper 4 befindet sich in einer wannenartigen Ausnehmung 10 eines Bodens 11, der an das Ventilgehäuse 1 von unten angesetzt ist. Von der Ausnehmung 10 gehen ein Steuerkanal 12 und ein Ablauf 13 aus. Im Steuerkanal 12 wird das hydraulische Druckmedium einem nicht dargestellten, zu betätigenden Organ, beispielsweise einem Einspritz­ ventil einer Brennkraftmaschine, zu- und von diesem wieder zurückgeführt, wobei es durch den Ablauf 13 zu einer nicht gezeigten Auffangeinrichtung abfließt.

Der Ventilkörper 4 öffnet bzw. schließt dabei zum einen den Strömungsweg von der Kammer 3 zum Strömungskanal 12, wobei er auf einem Ventilsitz 14 aufliegt, dessen Durch­ messer demjenigen der Kammer 3 entspricht und mit D be­ zeichnet ist. Zum anderen verschließt bzw. öffnet er im Zusammenwirken mit einem Ventilsitz 15 den Abfluß des Druckmittels aus dem Steuerkanal 12 in den stets druck­ losen Ablauf 13; der Durchmesser dieses Ventilsitzes 15 ist d.

Aufgrund der unterschiedlichen Durchmesser D und s wirkt in der oberen Stellung des Ventilkörpers 4, bei der der Ventilsitz 14 aufliegt, eine resultierende Kraft nach unten, die dem Produkt des Druckmitteldruckes mit der Ringfläche F _D -F _s entspricht, wobei F _D die Querschnitts­ fläche des Ventilsitzes 14 und F _s die Querschnittsfläche des Ventilschaftes 5 sind.

Umgekehrt erfolgt der Antrieb des Ventils beim Aufliegen des Ventilkörpers 4 auf dem Ventilsitz 15 durch eine resultierende Kraft, die dem Druckmitteldruck multipliziert mit der Ringfläche F _s -F _d entspricht (F _d = Querschnitts­ fläche des Ventilsitzes 15). In beiden Bewegungsrichtungen erfolgt eine Dämpfung der Bewegung des Ventilkörpers 4 dabei durch die Gegenkraft des hydraulischen Druckmediums jeweils automatisch bei der Annäherung an die Ventilsitze 14 bzw. 15.

Die vom Druckmedium angetriebene Betätigung des Ventils wird gesteuert von einer Magnetanordnung 16, die in einem eigenen Gehäuse 17 auf dem Ventilgehäuse 1 untergebracht ist. Sie besteht aus zwei Permanentmagneten 18, 19, deren magnetische Kraftfelder durch ringförmige Kerne oder Pol­ schuhe 20, 21 und 26, 27 bis auf einen Luftspalt 22 ge­ schlossen sind. In diesem Luftspalt 22 ist ein beweglicher Anker 23 vorgesehen, der am aus dem Ventilgehäuse 1 her­ ausragenden Ende des Ventilschaftes 5 befestigt ist. Der Anker 23 wird in einer oberen Stellung vom Magneten 18 und in einer unteren Stellung vom Magneten 19 gegen die geschilderten, resultierenden Kräfte am Ventilkörper 4 gehalten.

In den ringförmigen Kernen 20, 21 und 26, 27 untergebrachte Spulen 24 und 25 sind mit einer nicht gezeigten Stromquelle derart verbunden, das ein durch sie fließender Strom ein Magnetfeld aufbaut, das demjenigen des zugehörigen Permanentmagneten 18 bzw. 19 entgegengerichtet ist. Das Feld des Permanentmagneten 18 bzw. 19 wird bei einem Strom­ stoß daher so weit geschwächt, daß der Anker 23 freige­ geben wird und aus der einen "gehaltenen" Lage in die andere "schwingt".

Der hohe magnetische Kraftfluß, der mit Hilfe der Permanent­ magneten 18 bzw. 19 erreicht werden kann, erlaubt es, einen relativ großen Spaltabstand zwischen den Polschuhen 20, 21 bzw. 26, 27 und dem Anker 23 einzuhalten, wodurch Herstellungstoleranzen und thermische Dehnungsunterschiede ausgeglichen werden können. Die Erregung der Spulen 24 und 25 zur Erzeugung eines magnetischen Gegenflusses und zur vorübergehenden Neutralisation der Wirkung der Permanentmagneten 18 bzw. 19 ist äußerst kurzzeitig, so daß durch den stoßartig auftretenden elektrischen Strom praktisch keine Erwärmung des Systems stattfindet.

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2, in der nur die Steuer­ vorrichtung skizziert ist, ist die Magnetanordnung 16 durch eine mechanische Verriegelung ersetzt. Diese besteht in einem konisch zulaufenden Verriegelungsstift 30, der mit ebenfalls konischen Verriegelungsflächen 31 und 32 zusammenwirkt; diese befinden sich auf einer Scheibe 33, die mit Abstand am stirnseitigen Ende des Ventilschaftes 5 befestigt ist.

Der Verriegelungsstift 30 ist Teil eines Ankers 37 eines Elektromagneten 36, der in einem auf dem Ventilgehäuse 1 angeordneten eigenen Gehäuse untergebracht ist. Bei einem Stromstoß durch die Spule 35 des Elektromagneten 36, die über Leitungen 34 an eine nicht dargestellte Stromversor­ gung angeschlossen ist, wird der Anker 33 von dem durch den Strom erzeugten und im wesentlichen durch den Kern 38 ge­ formten Magnetfeld gegen die Kraft einer Feder 39 angezogen, wodurch der Verriegelungsschaft 30 den Ventilschaft 5 frei­ gibt. Eine Entlüftungsöffnung am Gehäuse 37 des Magneten 36 ist mit 40 bezeichnet.

Selbstverständlich kann die mechanische Verriegelung auch auf andere Weise als durch einen Verriegelungsstift er­ folgen, sofern sie die erforderliche Unempfindlichkeit gegen Herstellungstoleranzen und thermische Dehnungen auf­ weist und - abgesehen vom aktivierten Zustand der Aus­ lösung - ständig eine gegen den "im Betrieb stehenden" Ventilsitz wirkende Kraft ausübt.

Claims (3)

1. Den Durchfluß eines Druckmittels steuerndes Umschaltventil, dessen an einem Schaft befestigter Ventilkörper sich, von einer Steuervorrichtung gesteuert, aus einer stabilen Endlage in eine zweite stabile Endlage bewegt, um entweder einen Druckmittelzuführkanal mit einem Druckmittelsteuerkanal zu verbinden und dessen Verbindung zu einem Druckmittelablauf zu sperren oder den Druckmittelsteuerkanal mit dem Druckmittelablauf zu verbinden und die Verbindung des Druckmittelsteuerkanals mit dem Druckmittelzuführkanal zu sperren, wobei der Ventilkörper in beiden Endlagen von der Steuervorrichtung auf je einem Ventilsitz gehalten und mindestens einseitig durch das Druckmittel belastet ist, dessen Zuführkanal auf der dem Ventilschaft zugewandten Seite des Ventilkörpers und dessen Ablauf auf der dem Ventilschaft abgewandten Seite des Ventilkörpers angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sitzdurchmesser (D) des Ventilsitzes (14) auf der dem Ventilschaft (5) zugewandten Seite größer und derjenige (d) des Ventilsitzes (15) auf der vom Ventilschaft (5) abgekehrten Seite kleiner als der Schaftdurchmesser (s) sind.

2. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (16) direkt auf den Ventilkörper (4) bzw. seinen Schaft (5) einwirkt.

3. Umschaltventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuervorrichtung (36) über eine Verriegelung (30 bis 33) indirekt auf den Ventilkörper (4) bzw. seinen Schaft (5) einwirkt.