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Gebiet der
Erfindung
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Die
Erfindung betrifft ein Drosselventil, das insbesondere zur Aufrechterhaltung
eines Mindestöldrucks
in einem hydraulischen Kreislauf für Ventilabschaltungselemente
für Brennkraftmaschinen
dient.
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Hintergrund
der Erfindung
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Drosselventile
verändern
einen Flüssigkeitsstrom
durch Verengung oder Erweiterung des Durchflussquerschnitts, weswegen
ein Druckabfall erfolgt. Üblicherweise
dienen Drosselventile dazu, Menge, Druck und/oder Temperatur einer
sie durchströmenden
Flüssigkeit
zu beeinflussen.
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Aus
der Fluidmechanik sind viele Drosselventile bekannt. Die einfachste
Möglichkeit,
ein Drosselventil zu realisieren, besteht darin, eine Blende in ein
den Flüssigkeitsstrom
begrenzendes Gehäuse einzusetzen.
Die Blende zählt
zu den konstanten Drosseln und zeichnet sich durch eine besonders kurze
Drosselstrecke aus; idealerweise ist das Verhältnis Drosselstrecke zu Durchflussquerschnitt
null. Blenden arbeiten dann viskositätsunabhängig. Durch diese Eigenschaft
eignen sie sich besonders für
einen Einsatz in Brennkraftmaschinen, da in deren Ölkreisläufen große Temperaturunterschiede
auftreten können.
Blenden stellen eine kostengünstige
Möglichkeit
dar, eine Drosselstelle zu realisieren.
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Der
Druckabfall, der an einer Drosselstelle realisiert wird, ist proportional
zum hydraulischen Widerstand, der seinerseits proportional zum reziproken
Quadrat des Durchlassquerschnitts ist. Für einen großen Druckabfall muss also ein
kleiner Blendendurchmesser verwendet werden. Zu kleine Blendendurchmesser
haben aber den Nachteil, dass Schmutzpartikel oder andere Verunreinigungen
die Blende verstopfen können,
so dass der Durchfluss zum Erliegen kommt. Eine Lösung, dieses
Problem zu umgehen, ist es, mehrere Blenden mit einem ausreichend
großen
Durchmesser hintereinander anzuordnen. An jeder Blende erfolgt dann
ein Druckabfall, und der hydraulische Gesamtwiderstand ergibt sich aus
den Einzelwiderständen
der einzelnen Blenden.
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Um
eine möglichst
kompakte Anordnung der Blenden zu erreichen, sind zwischen den einzelnen Blenden
Umlenkeinheiten angeordnet. Sie bilden zusammen mit den Blenden
eine Vorrichtung, die in der Literatur als so genannte Labyrinthdrossel
bezeichnet wird. Eine solche ist beispielsweise aus dem Lehrbuch „Acţionari
hidraulice şi
pneumatice" (SI.
Ionescu, D. Catrina, AI. Doria, Editura Didactica şi pedagogicé, Bucureşti, 1980)
bekannt. Wegen deren Funktionsstabilität werden Labytinthdrosseln
in der Hydraulik bei kleinen Druckabfällen häufig eingesetzt.
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Drosselventile
lassen sich unterteilen in solche, bei denen der hydraulische Widerstand änderbar
ist, und solche, bei denen bei vorgegebener Durchflussmenge der
hydraulische Widerstand konstant ist. Letztere kann man beispielsweise
in einen Ölkreislauf
einsetzen, um hinter einem Ventil in diesem Kreislauf Druckspitzen
zu vermeiden oder um vor dem Ventil einen Mindestöldruck auf recht
zu erhalten. Für
eine Massenproduktion, insbesondere für den Einsatz in Brennkraftmaschinen,
ist ein möglichst
einfacher, robuster Aufbau von Vorteil.
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Aufgabe der
Erfindung
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Der
Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Drosselventil
insbesondere zur Aufrechterhaltung eines Mindestöldrucks in einem hydraulischen
Kreislauf zu konzipieren, das einen einfachen Aufbau besitzt und
damit besonders robust ist.
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Beschreibung
der Erfindung
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Erfindungsgemäß wird die
Aufgabe nach dem kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 gelöst. Dabei
werden mehrere Blenden mit relativ großer Öffnung durch Umlenkelemente
derart miteinander verbunden, dass die einzelnen Bauteile eine Vorrichtung
mit einem Strömungskanal
bilden, wobei der Strömungskanal
mäanderförmig verläuft.
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Um
die Vorrichtung möglichst
einfach zu konstruieren, wird lediglich eine bestimmte Blende verwendet.
Diese wird aus Blech ausgestanzt und besitzt eine Scheibenform.
Die spanlose Herstellung der Blende ist sowohl technisch besonders
einfach zu realisieren als auch besonders kostengünstig. Die Blende
weist eine Durchgangsausnehmung auf, die in ihrer Größe dem Verwendungszweck
angepasst ist. Dabei darf der kleinste Durchmesser dieser Durchgangsausnehmung
nicht zu klein sein, weil sonst Schmutzpartikel und andere Verunreinigungen die
Durchgangsausnehmung verstopfen könnten. Andererseits ist der
Druckabfall bei einem größeren Durchmesser
der Durchgangsausnehmung nicht so groß, und für einen vorgegebenen, gewünschten Druckabfall
müssten
viele Blenden verwendet werden, was sich in einem hohen Gewicht
und aufwendigerer Herstellung niederschlüge. Als optimal hat es sich
erwie sen, die Durchgangsausnehmungen kreisrund mit einem Durchmesser
von 0,8mm bis 1,2mm auszubilden. Weiterhin hat sich herausgestellt,
dass für
derartige Durchgangsausnehmungsdurchmesser ein Durchmesser der Blenden
und Umlenkelemente von ca. 10mm einen optimalen Kompromiss zwischen
Masse des Drosselventils und Stabilität der Blenden und Umlenkelemente
im Herstellungsprozess darstellt.
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Das
Drosselventil besteht aus mehreren, immer abwechselnd aufeinander
folgenden Blenden- und Umlenkelementen. Damit sich im Drosselventil die
Blenden und Umlenkelemente nicht gegeneinander verschieben, weisen
beide Bauteile Positioniervorrichtungen auf. Diese Positioniervorrichtungen sind
als aus der Blendenebene herausragende Stifte ausgebildet. Auf der
den Stiften gegenüberliegenden Seite
befinden sich Aufnahmeaussparungen, in welche Positioniervorrichtungen
eines nachfolgenden Blenden- bzw. Umlenkungselements aufgenommen werden
können.
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Fertigungstechnisch
ist es von Vorteil, nur eine Blendenart zu verwenden. Die Blenden
im Drosselventil werden deshalb so angeordnet, dass die Durchgangsausnehmungen
zweier benachbarter Blenden um einen bestimmten Winkel versetzt
sind. Das zwischen den beiden Blenden liegende Umlenkelement verbindet
die jeweiligen Durchgangsausnehmungen miteinander. Ein Spezialfall
ist eine Anordnung, bei der zwei aufeinander folgende Blenden um 180° versetzt
angeordnet sind. In diesem Fall entsteht ein mäandrierender Strömungskanal.
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Die
Umlenkelemente werden im gleichen Verfahren wie die Blenden hergestellt.
Auch hier ist eine spanlose Herstellung besonders einfach und kostengünstig. Zweckmäßigerweise
weisen die Umlenkelemente die gleiche scheibenförmige Grundform auf wie die
Blenden. Aus diesem Umlenkelement wird ein Durchgangskanal ausgestanzt.
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Die
einzelnen scheibenförmigen
Bauteile werden durch z. B. Laserschweißen, Durchsetzfügen, Kleben,
Senknieten oder Senkschrauben oder durch Kombi nationen dieser Fügemethoden
miteinander verbunden. Auf diese Weise werden die Bauteile irreversibel
ineinander gefügt.
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Mit
wenigen, idealerweise zwei, Bauteilen lässt sich erfindungsgemäß eine einfache
und kostengünstige,
weitestgehend viskositätsunabhängig arbeitende
Drossel realisieren, die sehr robust ist. Dadurch eignet sie sich
für den
Einsatz in Brennkraftmaschinen. Durch die vorgestellte Stanzpaketiertechnologie
entfällt
ein aufwändiger
Spanprozess, und durch die hohe Gleichteileanzahl ist das Herstellungsverfahren
massenproduktionstauglich.
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Kurze Beschreibung
der Zeichnungen
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert und
in den dazugehörigen
Zeichnungen schematisch dargestellt. Es zeigen:
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1 eine
perspektivische Explosionsdarstellung eines erfindungsgemäßen Drosselventils
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2a einen
Längsschnitt
des Drosselventils in der Ebene des Strömungskanals,
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2b einen
gegenüber
dem Längsschnitt in 2a um
90° versetzten
Längsschnitt
des Drosselventils,
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3a eine
perspektivische Darstellung einer in einem ersten Verfahrensschritt
hergestellte Scheibe,
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3b einen
Querschnitt der Scheibe aus 3a,
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4a eine
perspektivische Darstellung der Scheibe, aus der in einem zweiten
Verfahrensschritt Positioniereinrichtungen ausgebildet werden,
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4b einen
Querschnitt der Scheibe aus 4a,
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5a eine
perspektivische Darstellung der Scheibe, aus der in einem dritten
Verfahrensschritt eine Blende wird, indem eine Durchgangsausnehmung
ausgebildet wird,
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5b einen
Querschnitt der Blende aus 5a,
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6a eine
perspektivische Darstellung der Scheibe aus 3a, aus
der in einem vierten Verfahrensschritt ein Umlenkelement wird, indem
ein Durchgangskanal ausgebildet wird,
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6b einen
Querschnitt des Umlenkelements aus 6a
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Ausführliche
Beschreibung der Zeichnungen
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Aus
den 1, 2a und 2b geht
hervor, dass das Drosselventil 1 aus einzelnen Scheiben 2,
nämlich
Blenden 3 und Umlenkelementen 4, besteht, wobei
sich jeweils Blenden 3 mit Umlenkelementen 4 abwechseln.
Die Blenden 3 weisen Durchgangsausnehmungen 5 auf,
und die Umlenkelemente 4 besitzen Durchgangskanäle 6.
Zwei aufeinander folgende Blenden 3 sind dabei um 180° versetzt
angeordnet, so dass eine erste Blende 7, ein erstes Umlenkelement 8,
eine zweite Blende 9 und ein zweites Umlenkelement 10 eine
Grundeinheit 11 bilden. Die Durchgangsausnehmung 5 der
ersten Blende ist dabei derart angeordnet, dass sie sich mit der
Durchgangsausnehmung 5 einer um 180° gedrehten, hypothetisch direkt
hinter der ersten Blende 7 angeordneten zweiten Blende 9 nicht überdeckt,
so dass ein dazwischen angeordnetes Umlenkelement 4 mit
einem entsprechend angepassten Durchgangskanal 6 notwendig
ist, um eine Verbindung der Durchgangsausnehmungen 5 zu
schaffen. In der Grundeinheit 11 bilden so die Durchgangsausnehmungen 5 mit
den Durchgangskanälen 6 einen
Strömungskanal 12 (2a).
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Das
Drosselventil 1 ist aus mehreren, aber einem nicht notwendigerweise
ganzzahligen Vielfachen, Grundeinheiten 11 aufgebaut. Sowohl
die Blenden 3 als auch die Umlenkelemente 4 weisen Positioniervorrichtungen 13 auf,
die in korrespondierende Aufnahmeaussparungen 14 der nächsten Scheibe 2 eingreifen.
Besonders zweckmäßig ist
es, die Positioniervorrichtungen 13 durch Tiefziehen aus den
Scheiben 2 selbst herzustellen. Denn durch dieses Verfahren
ergeben sich automatisch entsprechend geformte Aufnahmeaussparungen 14 für die jeweils
benachbarte Scheibe 2. Die einzelnen Scheiben 2 werden
dann durch Pressen, Schweißen,
Fügen,
Kleben oder sonstigen Fügemethoden
miteinander fest zum Drosselventil 1 verbunden.
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2a zeigt
einen Längsschnitt
des Drosselventils 1 in der Ebene des Strömungskanals 12. Der
Strömungskanal 12 muss
nicht überall
einen konstanten Durchmesser aufweisen, insbesondere können die
Durchgangsausnehmungen 5 der Blenden 3 gegenüber den
Durchgangskanälen 6 verengt sein.
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2b zeigt
einen um 90° gegenüber 2a versetzten
Längsschnitt
des Drosselventils 1. Die oberste Scheibe 2 ist
dabei abweichend von den anderen Scheiben ausgeführt; ihr fehlen die Positioniervorrichtungen 13,
wiewohl dies für
die Funktion des Drosselventils nicht von Bedeutung ist.
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Die 3a und 3b zeigen
eine kreisförmige
Scheibe 2, die in einem ersten Schritt aus einem Blechmetall
ausgestanzt wird. Aus dieser entstehen im vorgestellten Verfahren
die Blenden 3 und Umlenkelemente 4. In einem zweiten
Schritt (4a und 4b) werden
beispielsweise durch Tiefziehen an einer Stirnseite 15 der
Scheiben 2 Positioniervorrichtungen 13 erzeugt
und auf der rückwärtigen Stirnseite 16 korrespondierende
Aufnahmeaussparungen 14.
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Im
dritten und vierten Schritt (5a und 5b)
werden aus den Scheiben 2 Blenden 3 und Umlenkelemente 4,
indem eine Durchgangsausnehmung 5 bzw. ein Durchgangskanal 6 aus
der Scheibe 2 ausgestanzt wird. Dabei erfolgen die Ausstanzungen
derart, dass ein Hintereinanderordnen von jeweils einer Blende 3 und
einem Umlenkelement 4 einen Strömungskanal 12 ergeben.
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Um
eine möglichst
große
Gleichteileanzahl zu erreichen, empfiehlt es sich, die Durchgangsausnehmungen 5 und
Durchgangskanäle 6 so
auszubilden, dass das Drosselventil 1 aus nur einer Blendenart 3 und
einer Umlenkelementart 4 besteht. Dies kann erreicht werden,
indem – wie
in den 3a bis 5a dargestellt – der Durchgangskanal 6 symmetrisch
ausgebildet ist, so dass eine erste Blende 7, ein erstes
Umlenkelement 8, dann eine zweite Blende 9, die
gegenüber
der ersten Blende um 180° verdreht angeordnet
ist, dann ein zweites Umlenkelement 10, das dem ersten
gleicht, hintereinander angeordnet werden. Diese vier Scheiben 2 bilden
eine Grundeinheit 11. Das Drosselventil 1 ist
aus mehreren, einer nicht notwendigerweise ganzzahligen Anzahl Grundeinheiten 11 aufgebaut.
Damit dieser Aufbau so realisiert werden kann, müssen dazu die Positioniervorrichtungen 13 symmetrisch
angeordnet sein. Die Schritte drei und vier des Verfahrens können parallel vorgenommen
werden, da sie sich nicht auf dieselbe Scheibe 2 beziehen.
Die Schritte zwei und vier bzw. drei und vier des Verfahrens können in
ihrer Reihenfolge auch vertauscht werden.
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Im
fünften
Schritt werden die Blenden 3 und Umlenkelemente 4 zusammen
gesteckt, sie werden dann in einem sechsten Schritt miteinander
fest verbunden. Dies kann durch Pressen, Schweißen, Fügen, Kleben oder sonstige Fügemethoden
realisiert werden.
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- 1
- Drosselventil
- 2
- Scheibe
- 3
- Blende
- 4
- Umlenkelement
- 5
- Durchgangsausnehmung
- 6
- Durchgangskanal
- 7
- erste
Blende
- 8
- erstes
Umlenkelement
- 9
- zweite
Blende
- 10
- zweites
Umlenkelement
- 11
- Grundeinheit
- 12
- Strömungskanal
- 13
- Positioniervorrichtung
- 14
- Aufnahmeaussparung
- 15
- Stirnseite
- 16
- rückwärtige Stirnseite