DE3501277A1

DE3501277A1 - Durchflusssteuerventil mit proportionalsteuerung

Info

Publication number: DE3501277A1
Application number: DE19853501277
Authority: DE
Inventors: Logan Harold Southfield Mich. Mathis
Original assignee: Ross Operating Valve Co
Current assignee: Ross Operating Valve Co
Priority date: 1984-01-20
Filing date: 1985-01-16
Publication date: 1985-08-01
Also published as: JPS60159406A; CA1249200A; GB2153049B; IT1184845B; FR2558611A1; GB8500222D0; GB2153049A; IT8519161A0; SE8500229L; SE8500229D0

Description

BESCHREIBUNG

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Erzielen eines proportionalen Luftstromes sowie ein Durchflußsteuerventil mit proportionalem Durchfluß.

Wenngleich pneumatische und hydraulische Steuerungen bei gewissen Anwendungen austauschbar sind, hat das Fehlen von wirksamen und billigen "Proportionalventilen" für pneumatische Systeme die Anwendbarkeit von pneumatischen Steuerung beschränkt. D.h., die meisten pneumatischen Ventile sind Ein-Ausventile und liefern daher keinen proportionalen Durchfluß, was ihre Verwendbarkeit in Geräten wie z.B. industriellen Robotern oder dergleichen erlauben würde. Wenngleich Proportionalität durch die Verwendung variabler Regler oder dergleichen erzielt werden Kann, sind derartige Geräte sehr teuer, was die Anwendbarkeit von pneumatischen Steuerungen dort, wo

eine proportionale Steuerung erforderlich ist, beschränkt. 20

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Erzielen einer proportionalen Steuerung mittels eines pneumatischen Durchflußsteuerventils anzugeben.
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Die Erfindung sowie vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprüchen angegeben.

Die Erfindung zeichnet sich durch niedrige Kosten, Einfachheit und hohe Funktionssicherheit aus.

Anhand der einzigen Figur, die einen axialen Querschnitt durch ein erfindungsgemäß ausgebildetes Durchflußsteuerventil zeigt, wird die Erfindung näher erläutert. 35

Das in der Zeichnung gezeigte pneumatische Durchflußsteuerventil 11 mit proportionaler Steuerung besteht aus einem äußeren Gehäuse 12, das sich aus einem Hauptgehäuseteil 13 und Gehäusedeckeln 14,15 zusammensetzt, die am Hauptgehäuseteil 13 in bekannter Weise angebracht sind. Das Hauptgehäuseteil 13 ist mit einer durchgehenden Bohrung 16 versehen, die von mehreren öffnungen 17, 18,19,21 und 22 geschnitten wird. Die Öffnungen 17 bis 22 münden in entsprechenden Ringnuten 23,24,25,26 und 27, die sich um die Bohrung 16 herum erstrecken.

Eine Hülse 28 sitzt in der Bohrung 16 und hat eine kleinere Länge als die Bohrung 16. Die Hülse 28 wird durch zwei Abstandstücke 2 9,31 und Dämpfungsringe 32,33 axial

¹^¹ festgelegt,die an den entsprechenden Enden der Hülse 28 angeordnet sind und durch die Gehäusedeckel 14,15 axial festgelegt werden. Die Hülse 28 ist mit mehreren Umfangsnuten 34 versehen, in denen O-Ringe 35 sitzen, so daß zwischen der Hülse 28 und dem Hauptgehäuseteil 13 eine

Abdichtung vorgesehen ist, die die öffnungen 17,18,19,21 und 22 gegeneinander isoliert.

Wenngleich die beschriebene Ventilgehäuse- und Hülsenanordnung unterschiedliche Anschlüsse zuläßt, bildet bei

dem dargestellten Ausführungsbeispiel die Öffnung 19 eine Einlaßöffnung, die an einer Hochdruckluft-Quelle (nicht gezeigt) angeschlossen werden kann. Die Öffnungen 18,21 sind Arbeitsöffnungen, die bei einer typischen

Anwendung mit den gegenüberliegenden Enden eines doppelt 30

wirkenden pneumatischen Zylinders (nicht gezeigt) verbunden werden können. Die öffnungen 17,22 sind Entlüftungsöffnungen und können entweder direkt zur Atmosphäre hin offen sein oder über ein geeignetes Entlüftungssystem. Die Hülse 28 ist mit mehreren Durchgangskanälen 36,37, 38,39 und 41 versehen, die für eine Verbindung zwischen

den Ringnuten 23,24,25,26 und 27 sowie einer inneren Bohrung 42 der Hülse 28 sorgen.

Ein Durchflußsteuerelement in Form eines Ventilschiebers 43 ist in der Bohrung 42 der Hülse 28 gleitend gelagert. Bei dem beschriebenen Ausführungsbeispiel besitzt der Ventilschieber 43 einen zentralen Bund 44 und zwei endseitige Bunde 45,46. Ein Abschnitt 47 verringerten Durchmessers ist zwischen den Bunden 44 und 45 vorgesehen, in 48/ ^y

^1U und ein entsprechender Äbschnitt/rerringerten Durchmessers befindet sich zwischen den Bunden 44 und 46. Die Bunde 45,46 sind mit in Umfangsrichtung verlaufenden Ausgleichsnuten 4 9 versehen.

¹^ In der in der Figur dargestellten neutralen Stellung bzw. Schließstellung unterbricht der Bund 44 die Verbindung der öffnung 38 mit der Bohrung 42, und die Abschnitte 47,48 verringerten Durchmessers sorgen für eine Verbindung zwischen den Öffnungen 36,37 bzw. 39,41.

Der zugehörige pneumatische Zylinder ist somit an seinen beiden Enden zur Entlüftungsseite hin offen, und der Zylinder wird in einer vorgegebenen Lage gehalten.

Eine Federanordnung hält den Ventilschieber 43 in seiner neutralen Stellung (Schließstellung) und setzt der Bewegung des Ventilschiebers 43 in beiden Richtungen einen erhöhten Widerstand entgegen, nachdem sich der Ventilschieber 43 aus seiner Schließstellung um einen vorgegebenen Betrag herausbewegt hat. Diese zentrieren-

de Federanordnung umfaßt zwei Federhalter 52, von denen jeder am entsprechenden Ende des Ventilschiebers 43 angreift. Die Federhalter 52 sind mit einer Bohrung 53 versehen, in der ein Ende einer relativ schwachen

zentrierenden Feder 54 angeordnet ist. Die gegenüber-35

liegenden Enden jeder der zentrierenden Feder 54 befinden sich in entsprechenden Bohrungen 55 in den Gehäusedeckeln 14,15. Die Federn 54 sind vorgespannt und drücken den Ventilschieber 43, wie erwähnt, in seine Schließstellung. Die Federn 54 haben jedoch eine relativ niedrige Federkonstante, und jegliche Betätigungskraft, die auf den Ventilschieber 43 ausgeübt wird, bewegt einen der Federhalter 52 in axialer Richtung und komprimiert die zugehörige Feder 54.

Eine wesentlich stärkere zweite Feder 56 befindet sich an jedem Ende des Ventilschiebers 43. Die Federn 5 6 sitzen in Gegenbohrungen 57 der Federhalter 52 und greifen an den entsprechenden Gehäusedeckeln 14,15 an. Die Federn 56 sind geringfügig kürzer als der normale Abstand zwischen den Gehäusedeckeln 14,15 und den entsprechenden Enden der Gegenbohrungen 57 der Federhalter 52, so daß die Federn 56 völlig entlastet sind, wenn sich der Ventilschieber 43 in seiner neutralen Stellung (Schließstellung) befindet.

Es sind Mittel (nicht gezeigt) zum Betätigen des Ventilschiebers 43 vorgesehen, die ihn in beide Richtungen aus seiner Schließstellung bewegen. Diese Mittel können ein Betätigungsmotor oder irgendein anderes üblicherweise benutztes Betätigungsmittel sein; so beispielsweise zwei Magnetwicklungen, die wahlweise so erregt werden, daß sie den Ventilschieber 43 in die eine oder andere axiale Richtung (je nachdem, welche Wicklung erregt wird) ziehen.

Die proportionale Steuerung wird im übrigen dadurch erzielt, daß aufeinanderfolgende Kraftimpulse auf den Ventilschieber 43 ausgeübt werden, die die Tendenz haben, ihn in der gewünschten Richtung zu bewegen. D.h., die zugehörigen Magnetwicklungen werden während kurzer Zeitspannen erregt, die sich mit Intervallen ohne Erregung abwechseln. Die proportionale Steuerung

BAD ORIGiNAL

kann dadurch erzielt werden, daß entweder die Frequenz der Erregung geändert wird oder daß die Dauer der Zeitspanne, während der die Magnetwicklungen erregt werden, vergrößert wird.

Wenn beispielsweise die dem Bund 45 zugeordnete Magnetwicklung erregt wird, übt sie eine Kraft aus, die den Ventilschieber 43 nach rechts zu ziehen sucht. Einer Bewegung nach rechts wird anfangs nur von der sehr schwachen Feder 54 ein Widerstand entgegengesetzt, und der Ventilschieber 43 hat die Neigung, sich rasch in diese Richtung zu bewegen, um die öffnung 38 des Einlasses 19 zu dem Abschnitt 48 auszurichten. Gleichzeitig wird die Verbindung der Entlüftungsöffnung mit der Arbeitsöffnung 37 erweitert. Druckluft strömt daher von der öffnung 38 zu der öffnung 39 und einem Ende des zugehörigen pneumatischen Zylinders,während das andere Ende entlüftet wird. Während dieser Bewegung wird die Entlüftungsöffnung 41 von dem Bund 46 verschlos-

sen.

Nach einer bestimmten Strecke, die von der relativen Län ge der Feder 56 festgelegt wird, erfaßt der Federhalter 52 die Feder 56 am rechtsseitigen Ende des Ventilschie-

bers 43 und sorgt für eine wesentlich größere Kraft, die einer weiteren Öffnungsbewegung des Ventilschiebers 43 in dieser Richtung einen Widerstand entgegensetzt. Diese zweistufige Federanordnung, gekoppelt mit der

proportionalen Betätigung des Ventilschiebers 43, lie-30

fert liefert eine proportionale Druckluftbeaufschlagung des Zylinders, was eine proportionale Betätigung erlaubt, wie sie bei so einfachen pneumatischen Ventilen bisher nicht möglich war.

Selbstverständlich erfolgt eine Betätigung des Ventilschiebers 4 3 in der entgegengesetzten Richtung, um die Arbeitsöffnung 37 mit der Einlaßöffnung 38 zu verbinden und die Entlüftungsöffnung 36 zu schließen, dadurch, daß die dem Bund 46 zugeordnete Magnetwicklung in der gleichen Weise erregt wird, wie dies in Verbindung mit einer Betätigung in der entgegengesetzten Richtung beschrieben wurde.

Aus der obigen Beschreibung dürfte deutlich geworden sein, daß das Durchflußsteuerventil und sein Betätigungsverfahren eine äußerst wirkungsvolle pneumatische Proportionalsteuerung bei relativ niedrigen Kosten ermöglicht. Wenngleich die Vorrichtung in Verbindung

¹^ mit einem Schieberventil beschrieben wurde, läßt sich das gleiche Prinzip bei Tellerventilen oder anderen pneumatischen Ventilen anwenden. Wenn ferner das erfindungsgemäße Prinzip in Verbindung mit zwei Federn erläutert wurde, sei darauf hingewiesen, daß auch mehr

als zwei Federn oder auch Federn mit nicht linearer Federcharakteristik eingesetzt werden könnten.

BAD ORIGINAL

- Leerseite -

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1. Verfahren zum Erzielen einer proportionalen Steuerung eines pneumatischen Ventils mit einem Durchflußsteuerelement, das zwischen einer Schließstellung, einer Zwischenstellung für gedrosselten Durchfluß und einer voll geöffneten Stellung für ungedrosselten Durchfluß beweglich gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine im wesentlichen konstante Betätigungskraft aufgebracht wird, um das Durchflußsteuerelement aus seiner Schließstellung in Richtung seiner Öffnungsstellung zu bewegen, daß die Betätigungskraft nacheinander während vorgegebener Zeitintervalle aufgebracht wird, während in den dazwischenliegenden Zeitintervallen keine Betätigungskraft aufgebracht wird, daß eine relativ schwache erste Vorspannkraft auf das Durchflußsteuerelement ausgeübt wird, um das Durchflußsteuerelement in Richtung seiner Schließstellung zu drücken ,,und daß eine wesentlich größere zweite Vorspannkraft auf das Durchflußsteuerelement ausgeübt wird, um einer weiteren öffnungsbewegung des Durchflußsteuerelementes einen Widerstand entgegenzusetzen, wenn das Durchflußsteuerelement sich um einen vorgegebenen Betrag von seiner Schließstellung wegbewegt hat.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerelement aus seiner Schließstellung in einer ersten Richtung beweglich ist, um den Durchfluß zu einem ersten Auslaß zu steuern, und daß es in einer entgegengesetzten zweiten Richtung beweglich ist, um den Durchfluß zu einem anderen Auslaß als dem ersten Auslaß zu steuern.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß

die Vorspannkräfte durch Federn unterschiedlicher Federkonstanten auf das Durchflußsteuerelement ausgeübt werden.

4. Pneumatisches Durchflußsteuerventil mit proportionaler Steuerung, gekennzeichnet durch ein Gehäuse (12) mit einer Einlaßöffnung (19) und einer Arbeitsöffnung (18), ein Durchflußsteuerelement (43) , das zwischen einer Schließstellung, in der die Verbindung zwischen diesen Öffnungen praktisch unterbunden ist, und einer Öffnungsstellung, in der eine praktisch ungedrosselte Verbindung zwischen diesen Öffnungen vorhanden ist, bewegbar ist, erste Vorspannmittel (54) , die das Durchflußsteuerelement (43) konstant in Richtung

ihrer Schließstellung drücken, und zweite Vorspannmittel (56), die einer Bewegung des Durchflußsteuer- \ elementes (43) in Richtung seiner voll geöffneten

α Stellung einen Widerstand entgegensetzen, wenn das

Durchflußsteuerelement (43) sich aus seiner Schließstellung um einen vorgegebenen Betrag in Richtung auf seine voll geöffnete Stellung bewegt, wobei die zweiten Vorspannmittel (56) eine wesentlich größere Vorspannkraft als die ersten Vorspannmittel (54) ausüben.

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5. Durchflußsteuerventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerelement (4 3) in eine zweite Richtung entgegen der Bewegung aus seiner Schließstellung in die Öffnungsstellung bewegbar ist, daß eine zweite Arbeitsöffnung (21) vorgesehen ist, die mit der Einlaßöffnung (19) verbunden ist, wenn sich das Durchflußsteuerelement (43) in eine seiner beiden Richtung bewegt, wobei eine Bewegung in die andere Richtung die Verbindung zwischen der Einlaß-Öffnung (19) und der erstgenannten Arbeitsöffnung (18) steuert, daß dritte Vorspannmittel (54) vorgesehen

sind, die das Durchflußsteuerelement (43) konstant in Richtung seiner Schließstellung in der entgegengesetzten Richtung vorspannen/ und daß vierte Vorspannmittel (56) vorgesehen sind, die einer Bewegung des Durchflußsteuerelementes (43) in Richtung seiner voll geöffneten Stellung in der entgegengesetzten Richtung einen Widerstand entgegensetzen, wenn das Durchflußsteuerelement (43) sich einen vorgegebenen Betrag aus seiner Schließstellung in der entgegengesetzten Richtung in Richtung auf seine voll geöffnete Stellung bewegt, wobei die vierten Vorspannmittel (56) eine wesentlich größere Vorspannkraft als die dritten Vorspannmittel (54) ausüben.

6. Durchflußsteuerventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannmittel aus Schraubenfedern (5 4,56) bestehen. j

7. Durchflußsteuerventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Durchflußsteuerelement ein Ventilschieber (4 3) ist, der in einer Bohrung (42) gleitend gelagert ist.

8. Durchflußsteuerventil nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Entlüftungsöffnung (17) vorgesehen ist und daß das Durchflußsteuerelement (43) eine Verbindung zwischen der Entlüftungsöffnung (17) und der Arbeitsöffnung (18) herstellt, wenn sich das Durchflußsteuerelement (43) in seiner Schließstellung befindet und die Verbindung der Arbeitsöffnung (18) mit der Entlüftungsöffnung (17) unterbricht, wenn sich das Durchflußsteuerelement (43) aus seiner Schließstellung herausbewegt.

9. Pneumatisches Durchflußsteuerventil mit proportionaler Steuerung, gekennzeichnet durch ein Ventilgehäuse (12) mit einer Einlaßöffnung (19), zwei Arbeitsöffnungen (18,21), die auf gegenüberliegenden Seiten der Einlaßöffnung (19) angeordnet sind, zwei Entlüftungsöffnungen (17,22), die auf gegenüberliegenden Seiten der Arbeitsöffnungen (18,21) und außerhalb der Einlaßöffnung (19) angeordnet sind, eine Bohrung (16) im Ventilgehäuse (12), die diese öffnungen schneidet, eine Hülse (28), die in der Bohrung (16) festgelegt ist und mehrere sich durch die Hülse erstreckende Kanäle (36-41) aufweist, die jeden der genannten öffnungen unabhängig mit einer Bohrung (42) der Hülse (28) verbinden, einen Ventilschieber (43), der in der Hülsenbohrung

(42) gleitend gelagert ist und einen zentralen

Bund (44) sowie zwei beabstandete stirnseitige ΐ

Bunde (45,46) aufweist, die jeweils mit dem zentra-

<, len Bund (44) durch einen Abschnitt (47,4 8) ver-

ringerten Durchmessers verbunden sind, wobei die Bunde (45,46) und Abschnitte (47,48) verringerten Durchmessers des Ventilschiebers (43) bezüglich der Kanäle (36-41) beabstandet sind, um die Verbindung des Einlaßkanals (38) mit der Hülsenbohrung (42) zu sperren und die Arbeits- und Entlüftungsöffnungen (36 , 41;37,39) jeweils miteinander zu verbinden, wenn sich der Ventilschieber

(43) in einer zentralen Stellung befindet, und daß der Einlaßkanal (38) mit einem der Arbeitskanäle (37,39) und den anderen der Arbeitskanäle

(37,39) mit seinem entsprechenden Entlüftungskanal (36,41) verbunden wird, wenn der Ventilschieber (43) aus seiner zentralen Stellung herausgeschoben ist, relativ schwache Zentrierfedern (54) , die an gegenüberliegenden Enden des Ventilschiebers (43)

angreifen, um den Ventilschieber (43) in seine zentrale Stellung zu drücken, und zwei stärkere Federn (56), die jeweils an einem entsprechenden Ende des Ventilschiebers (43) angeordnet sind und von dem Ventilschieber (43) erfaßbar sind, wenn sich der Ventilschieber (43) einen vorgegebenen Betrag aus seiner zentralen Stellung herausbewegt hat, um einer weiteren Bewegung des Ventilschiebers (4 3) einen Widerstand entgegenzusetzen, der wesentlieh größer ist als die Vorspannkraft der Zentrierfedern (5 4)