[0001] 本
发明涉及一种
比例阀，尤其用于操纵
气动式配件(Armatur)，其中，阀具有操纵元件、用于连接压缩空气供给的压缩空气接头、工作接头和排气接头。
[0002] 这种阀以多样的方式由
现有技术已知。作为比例阀必须适用于在设置用于连接气动式配件的工作接头处提供尽可能精确的可调节的(空气)压
力。为此，通过借助操纵元件适当地操纵阀而实现通常不同的阀
位置，通过所述阀位置使工作接头选择性地与压缩空气供给或者排气装置
流体导通地耦连或者(为了保持工作接头处存在的压力)与两者脱耦。作为比例阀，在此也应实现在连接于工作接头上的配件的完全通
风和完全排气之间的中间位置。
[0003] 需要说明的是，气动式配件在此理解为任何的气动式操纵的调整元件，尤其是气动式
驱动器。
[0004] 前述类型的比例阀的构造方式和运行相对耗费。
[0005] 在此，在现有技术中通常使用所谓的
滑阀，其中，至少一个可线性滑移的阀元件根据其位置(完全或者部分地)开启或者封闭布置在阀元件侧面并且影响空气流的开口。然而，与中心阀不同，在此由于缺少有效
锁止流体流的
密封座而总是可能出现不利于精确应用情况的
泄漏，所述泄漏在本发明范围内应被有利地保持尽可能小或者说完全避免。
[0006] 由DE 10 2012 017 713 A1还已知一种本发明所述类型的形式为位置调节器的比例阀，其中，(通过用作操纵元件的前置级操纵的)功率级包括两个弹性预紧的中心阀作为压力-行程转换器，它们由共同的控制室被加载压力并且在控制室中存在的压力升高时被依次地操纵，以便实现不同的
开关状态。用于需要布置在共同控制室的不同侧面的中心阀，在DE 102012 017 713 A1中描述的位置调节器需要不可忽略的结构空间，所述结构空间应通过本发明进一步减小。
[0007] 由US 2,850,330已知一种用于在具有
挂车的
拖拉机的
制动系统中使用的阀组，其中在实现两个阀的情况下总共设置有三个依次连接的、能够分别沿轴向运动并且能级联式调节的阀元件。在此，借助第一阀可将用于挂车制动系统的第一工作接头选择性地排气或者与拖拉机侧的压缩空气接头相连，而通过第二阀可将用于挂车制动系统的第二紧急情况工作接头选择性地排气或者与拖拉机侧的第二紧急情况压缩空气接头相连。在第一阀元件的位置变化时，分别从相应的工作接头排气的第一开关状态过渡为第二开关状态，在所述第二开关状态中相应的工作接头与拖拉机侧的压缩空气接头相连。
[0008] 在此背景下，本发明所要解决的技术问题在于，提供一种本文开头所述类型的改进的比例阀，其尤其需要尽可能小的(侧向)结构空间并且在此能够尽可能可靠和精确地运行。
[0009] 所述技术问题通过按照
权利要求1所述的比例阀解决。这种阀的优选设计方案由
从属权利要求和以下说明得出。
[0010] 按照本发明的阀除了本文开头所述的特征之外的特征在于，阀具有三个依次连接并且能够分别沿轴向运动的阀元件，也就是
[0011] -通过操纵元件操纵的第一阀元件，
[0012] -通过第一阀元件操纵的第二阀元件，和
[0013] -通过第二阀元件操纵的第三阀元件，
[0014] 其中，在阀的基本位置中，第一阀元件与第二阀元件相间隔并且第二阀元件与第三阀元件相间隔，并且在第一阀元件与第二阀元件之间起作用的第一密封座和在第三阀元件与壳体之间起作用的第二密封座这样设计和布置在阀内部，使得在通过操纵元件改变第一阀元件的位置和由此能级联式实现的对第一、第二和第三阀元件的轴向位置的调节中，能调节形成用于使工作接头通过其与排气接头的连接进行排气、用于使工作接头通过其与压缩空气接头的连接进行
通风和用于通过使工作接头既与排气接头也与压缩空气接头隔离而保持工作接头上抵着的压力的不同开关状态。
[0015] 因此与之前已经提到的现有技术不同，在本发明的范围内不是两个中心阀作为各一个压力-行程转换器的组成部分通过共同的控制室中存在的压力操纵，而是在此进行对影响阀内部的流体流的阀元件的级联式调节，其中，第一阀元件通过操纵元件并且连接在第一阀元件之后的阀元件依次地、尤其是纯机械地通过相应在之前的阀元件操纵。显而易见的是，由于用于所有三个阀元件的轴向操纵方向，按照本发明的阀所需的结构空间、尤其是沿处于阀元件的轴向运动方向的侧向的结构空间可以特别紧凑。
[0016] 此外，通过在阀内部实现两个分别与至少一个阀元件共同作用的密封座，能够确保泄漏特别少或者无泄漏的运行，这尤其有利于保持工作接头处存在的压力并且将阀的气动
能量消耗保持最小。此外，按照本发明的阀能够以特别高的调节
质量成比例地运行。由于按照本发明的阀能够级联式地调节，可以有利地采取在“完全通风”和“完全排气”之间的(任意的)中间位置，这尤其在控制气动式的配件或者驱动器时可以实现较高的
定位精度。
[0017] 在此，按照本发明的阀的作用在第一阀元件上以操纵第一阀元件的操纵元件在本发明的相宜的设计方案中按照液压、气动或者机电的原理工作。
[0018] 然而，尤其为了实现整体上尽可能小的能耗(电动或者气动地)有利的是，操纵元件设计为气动式的
先导阀(Vorsteuerventil)，所述先导阀通过控制压力室与第一阀元件共同作用。在此，对于特别节能的运行方式有利的是，先导阀包括压电弯曲转换器，例如由示出了适当先导阀的EP 0 943 812 A1已知的那样。
[0019] 因此，按照本发明的阀可以视作气动式的位置调节器，其具有(尤其包括三个阀元件的)功率级，其中，第一阀元件通过用作操纵元件的先导阀操纵。先导阀可以特别有利地设计为(比例)二位三通阀(或称为二位三通换向阀)。
[0020] 在按照本发明的阀中，还可以在本发明的优选扩展设计中规定，第一阀元件由膜片盘构成，所述膜片盘包括沿轴向延伸并且具有轴向钻孔的膜片盘杆，其中，膜片盘沿指向控制压力室的方向弹性预紧并且为了调节其轴向位置与第一膜片有效连接，所述第一膜片在一侧被控制压力室中的(通过先导阀调节形成的)控制压力加载。
[0021] 因此，控制压力在控制压力室侧作用在第一膜片上，所述第一膜片随即与在第一膜片的两侧之间调节形成的压差相关地偏转，这最终导致(通过膜片盘与第一膜片耦连的)第一阀元件朝向第二阀元件被操纵、也就是轴向移动。
[0022] 此外，在本发明的另一优选设计方案中规定，第二阀元件由沿指向第一阀元件的方向弹性预紧的阀挺杆构成，所述阀挺杆根据第一阀元件的轴向位置与膜片盘杆相间隔或者贴靠在膜片盘杆上，其中，第一密封座设计在膜片盘杆与阀挺杆之间的
接触面中。在此相宜地，要么在膜片盘杆的指向阀挺杆的(自由)端部的侧面上、要么在阀挺杆的指向膜片盘杆的端部上设计有密封面，所述密封面和阀挺杆的或者膜片盘杆的与之对应的密封棱边共同形成密封座。
[0023] 关于第三阀元件，在本发明的范围内有利地规定，第三阀元件由底座元件构成，所述底座元件沿指向阀挺杆的方向弹性地在第二密封座上预紧并且能够通过贴靠在底座元件上的阀挺杆的轴向移动而脱离第二密封座。
[0024] 由此在总体上形成按照本发明的阀的级联式可调节性，其中，在尤其当控制压力室被排气时所处的基本位置中，第一阀元件(具有杆的膜片盘)与第二阀元件(阀挺杆)相间隔，并且第二阀元件(阀挺杆)也与第三阀元件(底座元件)相间隔。在按照本发明的阀运行时，通过操纵元件首先使第一阀元件(具有杆的膜片盘)克服其
弹簧预紧力朝向第二阀元件(阀挺杆)移动，直至第一阀元件与第二阀元件在形成第一密封座的接触面的区域内相互接触。在通过操纵元件使第一阀元件进一步移动时，第一和第二阀元件共同朝向第三阀元件移动，直至第二阀元件(阀挺杆)贴靠在第三阀元件(底座元件)上，因此最终在阀元件进一步移动时，第三阀元件还可以与相对其弹性预紧的第二密封座脱离。
[0025] 在此，以基本位置为出发点，工作接头与排气接头的流体连接有利地提供这样长时间，直至第一阀元件与第二阀元件密封地贴靠。从该轴向位置起所采取的、用于保持工作接头处存在的压力的开关状态在(通过第二与第三阀元件之间在基本位置中形成的距离)预设的移动路径上保持有效，直至第二阀元件贴靠在第三阀元件上并且第三阀元件与第二密封座脱离。然后所述阀采取用于使工作接头通风的开关状态。
[0026] 在本发明的优选设计方案中可以规定，为了调节泄漏率和/或为了改善调节性能，形成第一和/或第二密封座的和/或与之共同作用的表面由
聚合物材料构成，尤其是具有可能与密封配合件不同的弹性特性。由此尤其能够在为了阀的比例运行所需的中间位置方面实现特别精细的过渡。
[0027] 在本发明的范围内还优选规定，排气接头通入到阀的持续排气的排气室中，在膜片盘杆没有贴靠在阀挺杆上时，所述排气室通过膜片盘杆的轴向钻孔流体导通地与工作接头相连，并且在膜片盘杆紧密贴靠在阀挺杆上时，所述排气室与工作接头在流体上分隔开。
[0028] 此外可以优选规定，排气室由第一膜片和第二膜片限定边界，其中，(具有轴向钻孔的)膜片盘杆以其自由端部轴向地穿过第二膜片。由此，可以根据膜片盘杆的轴向钻孔是否由于与阀挺杆的间隔而打开或者由于紧密贴靠在阀挺杆上而关闭来建立或者封闭排气室与工作接头之间的流体导通的连接。
[0029] 此外有利地规定，与阀的工作接头相连的工作压力室由第二膜片和第二密封座限定边界，其中，工作压力室根据膜片盘、阀挺杆和底座元件的位置而流体导通地与压缩空气接头或排气接头相连或者与压缩空气接头和排气接头分隔开。
[0030] 为了弹性地预紧膜片盘和/或底座元件业已证明相宜的是，使膜片盘和/或底座元件预紧的弹簧元件分别
支撑在阀的壳体上。
[0031] 以特别有利的方式可以在此规定，膜片盘通过至少三个支撑在阀的壳体上的弹簧元件预紧，所述至少三个弹簧元件相对于膜片盘(和膜片盘杆)的
中轴线等距地布置并且相对彼此错移开成对相同的
角。在具有三个弹簧元件的情况下，这些弹簧元件有利地彼此分别错移开120°。在四个弹簧元件的情况下分别错移开90°，以此类推。
[0032] 此外，在本发明的范围内可以规定，第二膜片也有助于(轴向导引的)膜片盘杆的径向支承。因此，在按照本发明的阀的另一优选实施形式中规定，膜片盘尤其在膜片盘杆的区域内与第二膜片相连，其中，第二膜片实现了对轴向导引的膜片盘的径向支承。
[0033] 关于阀挺杆的弹簧预紧，在本发明的又一优选扩展设计中规定，阀挺杆通过支撑在底座元件上的弹簧朝向膜片盘杆预紧。这具有的优点是，当阀挺杆已经贴靠在底座元件上时，为进一步移动所有三个阀元件而不必对使阀挺杆预紧的弹簧元件进一步顶着其弹簧力进行镦压。因此，使阀挺杆预紧的弹簧不会有助于在第一、第二和第三阀元件进一步移动时需要克服的弹簧力的进一步升高。由此能够进一步改善按照本发明的阀的调节性能，因为由此为了使第三阀元件与第二密封座脱离，控制压力室中的控制压力的所需的上升量比在阀挺杆的弹簧支撑在壳体的情况下所需的上升量更小。
[0034] 本发明的另一优选设计方案规定，未被操纵的阀挺杆与贴靠在第二密封座上的底座元件相隔一定的移动路径。由此尤其可以将按照本发明的比例阀的设置用于保持工作接头上的特定压力的开关状态明确地与用于工作接头的通风和排气的其它两个开关状态区分开，这又改善了阀的调节性能。
[0035] 此外，业已证明在本发明的范围内有利的是，使膜片盘、阀挺杆和底座元件预紧的弹簧元件具有不同的并且相互协调的弹簧特征曲线，因为由此能够使阀的调节性能特别好地与相应的要求适配。在级联式调节方面特别相宜的是，使底座元件预紧的弹簧元件的弹簧刚性大于使阀挺杆预紧的弹簧元件的弹簧刚性，并且使阀挺杆预紧的弹簧元件的弹簧刚性大于使膜片盘预紧的弹簧元件的弹簧刚性。
[0036] 最后，在本发明的优选设计方案中还可以规定，按照本发明的阀具有用于调节先导阀的气动输入端处抵着的压力的压力调节器，其中，先导阀的输入端处抵着的压力尤其也可以由需要连接在压缩空气接头上的压缩空气供给中分支而来或者说获得。
[0037] 以下根据
附图详细阐述本发明的
实施例。在附图中：
[0038] 图1示出剖切按照本发明的阀的实施例得到的剖视图并且
[0039] 图2示出用于布置在按照图1的实施例中使第一阀元件预紧的弹簧元件的示意图。
[0040] 图1示出按照本发明的比例阀1的一个实施例，所述比例阀具有形式为气动式先导阀31的操纵元件2。先导阀31的构造在之后还会详细阐述。
[0041] 阀1还具有排气接头3、用于连接需要由阀1操纵的气动式配件(未显示)的工作接头4和用于具有例如8bar的预设空气压力的压缩空气供给的接头5。此外设有压力调节器6，通过所述压力调节器能够从接头5处的用于压缩空气供给的压力中获得相应较小的、例如1.2bar的压力作为用于充当操纵元件2的气动式先导阀的输入压力。因为这种压力调节器在现有技术中在多方面已知并且其具体设计方案对于本发明不重要，所以在此不对其工作方式作进一步描述。
[0042] 阀1还具有三个依次连接的并且能够分别沿轴向按照双向箭头R运动的阀元件7、8、9。
[0043] 在此，第一(图1中最上部的)阀元件7包括膜片盘10和具有轴向钻孔12的膜片盘杆11。
[0044] 膜片盘10与第一膜片13(在此通过机械耦连)有效连接，其中，在第一膜片13和膜片盘10上方形成控制压力室14。所述控制压力室14中的空气压力通过用作操纵元件2的先导阀2调节。此外，(通过膜片盘10以及膜片盘杆11形成的)第一阀元件7沿朝向控制压力室14的(轴向)方向弹性预紧。为此，在本实施例中总共设有三个支撑在阀1的壳体15上的弹簧元件(弹簧)16，其中在图1中只有一个弹簧元件(在中轴线M左侧)处于剖切平面中，而另两个弹簧元件(只有其中之一在图1中可见)处于剖切平面之前或者之后。这三个弹簧元件16分别相对于中轴线M等距地(也就是以相同的径向距离)布置并且在垂直于中轴线M的平面中(也就是围绕中轴线M)彼此错移开成对相同的120°的角α，从而形成了第一阀元件7朝向控制压力室14的相对于中轴线M完全对称的预紧。图2示出了在此总共三个弹簧元件16的对称布置。
[0045] 第二阀元件8在此由阀挺杆17构成，并且第三阀元件9由底座元件18构成。在此，阀挺杆17借助支撑在底座元件18上的弹簧19朝向第一阀元件7(＝膜片盘10和膜片盘杆11)预紧，而底座元件18本身借助支撑在壳体15上的弹簧20预紧。
[0046] 在阀1的图1所示的基本位置中，所有三个可轴向运动的阀元件7、8、9沿相同方向预紧，然而在此成对地相互间隔。
[0047] 膜片盘杆11与第二膜片21耦连，所述第二膜片21密封地环绕包围膜片盘杆11并且将处于第一膜片13与第二膜片21之间的(持续排气的)排气室22(所述排气室导引至排气接头3)与导引至工作接头4的工作压力室23分隔开。第二膜片21在此可以同时用于径向支承膜片盘杆。由于在阀1的基本位置中在膜片盘杆11的自由端部与阀挺杆17之间产生距离，所以在图1所示的工作压力室23的阀位置中(并且因此也使连接在工作接头4上的气动式配件)排气。
[0048] 阀挺杆17在其指向膜片盘杆11的上侧具有用作密封面24的聚合物材料，膜片盘杆11的下棱边25可以贴靠在所述密封面24上以形成第一密封座。与聚合物的硬度相关地，这种较软的密封面实现了当在接触区域附近对阀进行调节时特别精确的比例精细调节。
[0049] 如果通过适当提高控制压力室14中存在的压力而使第一阀元件7移动直至膜片盘杆11的下棱边25密封地贴靠在阀挺杆17的上侧24上，则在排气室22与工作压力室23之间通过膜片盘杆11的轴向钻孔12形成的连接被闭锁，由此停止了之前在工作压力室23中进行的排气。
[0050] 在按照本发明的阀1的所示实施例中，第二密封座由相对壳体固定并且在图1向下指向的密封棱边26形成，用作第三阀元件9的底座元件18借助弹簧20在密封棱边26上预紧，其中，在此在底座元件侧又设有与密封棱边26共同作用以形成第二密封座的密封面27，所述密封面由聚合物材料制成。在第二密封座下方具有与用于压力供给的接头5相连的压力供给室28，因此在底座元件18以其上侧密封地贴靠在密封棱边26上时，压力空气室28准确地与工作压力室23流体分离。
[0051] 当通过借助操纵元件2适当操纵第一阀元件7而使第一阀元件7移动到使得第一阀元件7贴靠在第二阀元件8上并且第二阀元件8贴靠在第三阀元件9上时，控制压力室14中的控制压力的进一步提高才导致第三阀元件9(＝底座元件18)与第二密封座脱离，由此使工作压力室23与压力供给以流体方式相连。在操纵第三阀元件9的范围内有利的是，在阀挺杆17与底座元件18之间设计有较硬的止挡。
[0052] 按照本发明的阀的特别好的调节性能尤其也通过第一、第二和第三阀元件7、8、9之间在基本状态下形成的距离产生，因为由此可以特别好地区分并且简单地
控制阀的不同流体状态。
[0053] 业已证明，按照本发明的阀的调节尽管设计为级联式但在其余方面特别简单。为此可以在第一阀元件7上(例如在膜片盘边缘的区域中)设置
磁性元件29，从而通过应用适当的
传感器30能够精确地确定第一阀元件7的轴向位置。
[0054] 由于三个阀元件7、8、9的纯机械耦连并且由于不同的阀位置之间通过密封座的位置固定预设的移动路径，可以(只)通过利用能借助传感器30确定的第一阀元件7的(轴向)位置进行阀的控制。
[0055] 最后，图1还示出用作操纵元件2的气动式先导阀31。所述气动式先导阀在此设计为二位三通比例阀。
[0056] 先导阀31具有压力输入端33，其在此被馈送由压力调节器6提供的压缩空气。此外设置有(必要时与阀1的排气接头3相连的)先导阀排气接头32，以及设置有与阀1的控制压力室14流体相连的先导阀工作输出端34。借助可电动操纵并且由此能在其自由端部区域中按照双向箭头B翻转的压电弯曲转换器35，先导阀工作输出端34可以选择性地排气(也就是与先导阀排气室33流体连接)或者部分或全部地与先导阀31的压力输入端33处的压力相连。先导阀31能够以特别高的调节质量和低能量需求、如已经描述的那样、通过调节控制压力室14中存在的压力而用作按照本发明的阀1的第一阀元件7的操纵元件。
