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Die Erfindung betrifft ein hydraulisches Wegeschieberventil mit einem Elektromagneten als Betätigungselement für einen Steuerschieber mit einer Steuerkante, der innerhalb einer zylinderförmigen, hohlen Ventilhülse axial verschiebbar angeordnet ist, die eine im Bereich der Steuerkante angeordnete radiale Ventilhülsenbohrung aufweist, wobei eine Rückstellfeder auf die Stirnseite des Steuerschiebers drückt.
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Langsschieberventile sind in der Lage, hohe Drücke und große Volumenströme bei kleinem Bauvolumen mit relativ geringem Aufwand zu bewältigen.
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Solche Ventilanordnungen werden vorzugsweise als 2/2 Servo-Drosselventile (SDV) zur Unterstützung von Lenkbewegungen verwendet. Das Hydraulikmedium wird dabei stufenlos über die lineare Kraft/Strom Charakteristik des Magneten und der ebenfalls linearen Kraft-Weg-Charakteristik einer in der Ventilhülse an der dem Betätigungselement entgegensetzten Stirnseite des Steuerschiebers angeordneten Rückstellfeder gesteuert. Dadurch wird ein Kräftegleichgewicht zwischen Magnetkraft und Federkraft eingestellt und letztlich auch zwischen einem elektrischen Sollwert im Magneten und dem Volumenstrom des Hydraulikmediums. Durch die Auslenkung des Steuerschiebers wird der Steuerquerschnitt geschlossen und die Drosselwirkung erzielt.
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Ist der Volumenstrom konstant, entsteht je nach elektrischem Sollwert ein Steuerdruck, der zur Lenkunterstützung in einer Servolenkung dient. Das Ventil arbeitet stromlos offen, so dass sich bei geringem Steuerdruck nur eine geringe Lenkunterstützung ergibt.
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Ein derartiges SD-Ventil ist aus der Praxis allgemein bekannt und beispielsweise in dem Buch ”Elektromagnetische Aktoren-Physikalische Grundlagen, Bauarten, Anwendungen” von Klaus-Dieter Linsmeier, Achim Greis und Firma Thomas Magnete, Bibliothek der Technik Bd. 197, 3., aktualisierte Auflage, SV Corporate Media Verlag München 2005, auf Seiten 53 und 54 beschrieben.
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Der Aufbau eines derartigen bekannten Wegeschieberventils zur Lenkkraftunterstützung wird beispielsweise anhand der 1 gezeigt, in der ein hydraulisches Wegeschieberventil mit einem in einem Gehäuse 1 angeordneten nicht näher dargestellten Elektromagneten 2 als bekannten Ventilantrieb dargestellt ist, der mit einem elektrischen Anschluss 3 zu seiner Bestromung versehen ist.
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An dem Gehäuse 1 ist eine Ventilhülse 4 angebracht, in der ein Ventil- oder Steuerschieber 5 geführt ist. In die dem Elektromagneten 2 gegenüberliegende Öffnung der Ventilhülse 4 ist eine Einpresshülse 6 mit einer Bohrung 7 eingebracht, an der sich eine Druckfeder als Rückstellfeder 8 für den Ventil- oder Steuerschieber 5 abstützt, die auf die Stirnseite des Steuerschiebers 5 und damit diesen gegen den Ventilantrieb des Elektromagneten 2 drückt.
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Der Steuerschiebers 5 weist eine zentrische Bohrung 9, von der eine radiale Bohrung 10 zu einer Nut 11 führt. An der Nut 11 befindet sich im Bereich einer radialen Ventilhülsenbohrung 13 eine Steuerkante 12. An der Außenseite der Ventilhülse 4 sind zwei O-Ringe 14 als Dichtungen angeordnet, zwischen denen sich die Öffnung der radialen Ventilhülsenbohrung 13 befindet.
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Beispielsweise wird das Hydraulikmedium durch die Bohrung 7 der Einpresshülse 6 und die zentrische Bohrung 9 und umgelenkt über die radiale Bohrung 10 im Steuerschieber 5 zu der Nut 11 geführt. Von der Nut 11 gelangt das Hydraulikmedium über die radiale Ventilhülsenbohrung 13 an die Außenseite der Ventilhülse 4 zwischen die beiden O-Ringe 14, die das Hydraulikmedium seitlich abdichten, damit es an einen nicht dargestellten Abfluss zum Lenkgetriebe weitergeleitet werden kann.
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Die Steuerkante 12 der Nut 11 im Wegeschieberventil bewirkt, das bei Bestromung des Elektromagneten 2 der Durchfluss des Hydraulikmediums reduziert wird, so dass sich ein Steuerdruck aufbaut, der zur Unterstützung der Lenkbewegung dient.
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Das Hydraulikmedium wird also durch eine zentrische Bohrung 9 und eine radiale Bohrung 10 im Steuerschieber 5 zu einer Steuerkante 12 geführt, die durch einen Einstich im Steuerschieber 5 definiert ist.
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Durch die Anordnung der zentrischen Bohrung 9 im Steuerschieber 5 und der radialen Bohrung 10 muss das Hydraulikmedium mehrere Umlenkungen im Steuerschieber 5 ausführen, damit es an der radialen Ventilhülsenbohrung 13 austreten kann. Durch die mehrmaligen Umlenkungen im Ventil kommt es auf Grund der Strömungszustände zu einer erhöhten Geräuschentwicklung.
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Ferner zeigt sich die hydraulische Hysterese bei Wegeschieberventilen als problematisch. Bei den Wegeschieberventilen wird eine Druckunabhängigkeit vom Vorlaufdruck angestrebt. Durch den Innendruck von beispielsweise 135 bar in dem Ventil weitet sich der Steuerschieber 5 derart elastisch auf, so dass sich das Spaltmaß zwischen Steuerschieber 5 und Ventilhülse 4 reduziert und es zu einer verstärkten Reibung zwischen den beiden Bauelemente kommt. Dadurch weist ein derartiges Wegeschieberventil eine größere Hysterese auf.
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Eine mögliche Gegenmaßnahme auf Systemebene besteht in der Absenkung der Puls-Weiten-Modulations-Frequenz (PWM) von beispielsweise 400 Hz auf 150 Hz für die Ansteuerung des Elektromagneten 2. Dies bedingt jedoch eine Erhöhung der Stromamplitude, so dass sich die magnetische Kraft erhöht. Diese Maßnahme ist zwar wirksam, sie reduziert jedoch nicht die Ursache, die Reibung, sondern nur die Wirkung durch Krafterhöhung und führt zu einem schnelleren Verschleiß des Steuerschiebers 5.
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Eine mögliche Gegenmaßnahme auf Ventilebene zur Senkung der Hysterese besteht darin, den erhöhten Innendruck im Steuerschieber 5 durch eine Erhöhung der Wandstärke des Steuerschiebers 5, d. h. der mechanischen Festigkeit, zu kompensieren. Dadurch, dass das Hydraulikmedium durch die zentrische Bohrung 9 des Steuerschiebers 5 zur Steuerkante 12 geführt wird, muss jedoch diese Wandstärke relativ dünn ausgeführt sein, um eine Drosselwirkung durch die zentrische Bohrung 9 zu vermeiden, so dass ebenfalls die Hysterese sich in unerwünschter Weise erhöht.
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Die
DE 101 07 164 C1 offenbart zwar schon ein Proportional-Wegemagnetventil, bei dem die Steuerkante den vor der Stirnseite des Steuerschiebers befindlichen Raum begrenzt, so dass sich Verbesserungen im Hystereseverhalten ergeben, das Geräuschverhalten ist hier jedoch ebenfalls mangelhaft.
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Die Erfindung geht von der Aufgabe aus, ein Wegeschieberventil der eingangs genannten Art derart auszubilden, dass es gegenüber den bekannten Anordnungen ein verbessertes Geräuschs- und Hystereseverhalten aufweist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen angegeben.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass der Steuerschieber derart ausgebildet ist, dass dessen Steuerkante den vor der Stirnseite des Steuerschiebers befindlichen Raum der Rückstellfeder zur Ventilhülse hin begrenzt, und die radiale Ventilhülsenbohrung nach außen kegeligl erweitert ist. Durch die Anordnung der Steuerkante in den Federraum vor der Stirnseite des Steuerschiebers verbessert sich, wie an sich bekannt, insbesondere die Hysterese, da der Steuerschieber nicht mehr so stark gegen die Ventilhülse gepresst wird. Außerdem bewirkt die geänderte Strömungsführung eine Verringerung der Umlenkpunkte und damit eine Reduzierung der Geräuschbildung. Die Geräuschentwicklung wird jedoch noch weiterhin verbessert, wenn sich die radiale Ventilhülsenbohrung nach außen kegeligl erweitert, so dass die Geräusche hervorrufenden Strömungskanten entschärft sind. Dabei kann erfindungsgemäß die radiale Bohrung innerhalb einer Ringnut angeordnet sein.
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Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, die Steuerkante durch eine Ausdrehung der Außenfläche im Bereich der Stirnseite des Steuerschiebers zu bilden.
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Eine Verringerung der Geräuschbildung kann sich auch ergeben, wenn die Seitenwände der Öffnung der radialen Ventilhülsenbohrung elliptisch oder trompetentrichterförmig gebogen ausgebildet sind.
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Selbst wenn die Seitenwände der Öffnung der radialen Ventilhülsenbohrung stufenförmige Ansenkungen aufweisen verringert sich die Geräuschbildung, wobei sich die Geräuschbildung mit steigender Stufenzahl und/oder abnehmender Stufenhöhe und/oder Stufentiefe verbessert.
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Für den hohlzylinderförmigen Steuerschieber ergibt sich eine erhöhte Materialstärke, wenn der Steuerschieber eine axiale Druckausgleichs- Bohrung, z. B. eine zentrische Bohrung geringen Durchmessers zum Druckausgleich aufweist.
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In vorteilhafter Weise kann die Ausdrehung im Bereich der Steuerkante schräg auslaufen. Dadurch erfährt das Hydraulikmedium keine abrupte Umlenkung, so dass weniger Störgeräusche entstehen.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
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1 ein bekanntes hydraulisches Wegeschieberventil,
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2 ein erfindungsgemäßes hydraulisches Wegeschieberventil und
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3 das hydraulische Wegeschieberventil gemäß 2 mit dem Einbauraum des Ventils.
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Die 2 zeigt ein erfindungsgemäßes hydraulisches Wegeschieberventil, wobei gleiche Bauelemente mit den gleichen Bezugszeichen wie in 1 versehen sind.
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Der Steuerschieber 5 ist erfindungsgemäß von seiner Stirnseite her mit einer Ausdrehung 15 versehen, die die Steuerkante 12 im Bereich der radialen Ventilhülsenbohrung 13 bildet. Als weitere Maßnahme kann die radiale Ventilhülsenbohrung 13 mit einem Kegel 16 z. B. einer Ansenkung hergestellt durch einen Bohrerspitzenwinkel versehen sein, der in einer zwischen den beiden O-Ringen 14 angeordneten Ringnut 17 mündet.
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Anstelle der Führung des Hydraulikmediums durch die zentrische Bohrung 9 und die radiale Bohrung 10 des Steuerschiebers 5 wird dieses im von der Ventilhülse 4 umgebenen, von Einpresshülse 6 und Steuerschieber 5 begrenzten Federraum der Rückstellfeder 8 nach außen zur Ventilhülse 4 abgelenkt und durch die Ausdrehung 15 zur radialen Ventilhülsenbohrung 13 geführt.
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Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Steuerschiebers 5 wird erreicht, dass der Steuerschieber 5 nicht mehr nach außen gegen die Ventilhülse 4 gepresst wird, so dass sich die Reibung des Steuerschiebers 5 mit der Ventilhülse 4 verringert und damit die Hysterese verbessert. Durch den im Bereich der Steuerkante 12 gegebenenfalls schrägen Verlauf der Ausdrehung 15 werden Strömungsgeräusche des Hydraulikmediums verringert.
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Durch die Verringerung der radialen Länge der Ventilhülsenbohrung 13 durch eine Absenkung in Form einer kegeligen Öffnung beispielsweise mit Hilfe eines Bohrerspitzenwinkels, dem Kegel 16, reduzieren sich weiterhin die Geräusche des strömenden Hydraulikmediums. Durch diesen Kegel 16 wird dafür gesorgt, dass das Hydraulikmedium nicht schlagartig expandiert, sondern sich langsam ausdehnen kann, so dass die Verringerung der Geräuschentwicklung erreicht wird.
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Die Ausdrehung 15 bildet die Steuerkante 12 im Bereich der radialen Ventilhülsenbohrung 13. Anstelle der Ausdrehung 15 kann die Steuerkante 12 auch direkt von der eben ausgebildeten Stirnseite des Steuerschiebers 5 gebildet sein, wenn die Ventilhülsenbohrung 13 entsprechend weit vorne angeordnet ist.
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In der 3 ist das in 2 dargestellte hydraulische Wegeschieberventil in einem Einbauraum der Lenkung angeordnet. Über eine Zufuhrleitung 18 wird das Hydraulikmedium zugeführt, das durch die Öffnung 7 in das Ventil eintritt. Aus dem Kegel 16 strömt das Hydraulikmedium bei geöffnetem Ventil in einen von der Ringnut 17 gebildeten Zwischenraum 19, von dem es zum Abfluss 20 gelangen kann.
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Die Verbesserung des erfindungsgemäßen hydraulischen Wegeschieberventils ergibt sich durch eine gegenüber den bekannten Lösungen andere Strömungsführung des Hydraulikmediums in Form einer Umströmung des Steuerschiebers 5 und die Verlegung der Steuerkante 12 in den Federraum vor der Stirnseite des Steuerschiebers 5.
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Die Verbesserung der Strömungsführung erfolgt durch eine konstruktive Verlegung der Steuerkante 12 dahingehend, dass das zu steuernde Hydraulikmedium nicht mehr zur Drosselung den kompletten Steuerschieber 5 durchströmen muss, sondern am Steuerschieber 5 vorbei geführt wird. Hierzu weist der Steuerschieber 5 an seinem dem Elektromagneten 2 abgewandten Ende die sich in axialer Richtung erstreckende Ausdrehung 15 auf, so dass in diesem Bereich ein Zwischenraum zwischen dem Durchmesser des Steuerschiebers 5 und dem Innendurchmesser der Ventilhülse 4 auftritt. Die Steuerkante 12 wird im Gegensatz zu bekannten Anordnungen von der radialen Steuerschieberbohrung 10 in den Raum der Rückstellfeder 8 verlegt.
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Die axiale Länge der Ausdrehung 15 ist durch die Anordnung der radialen Ventilhülsenbohrung 13 festgelegt. Die Steuerkante 12 bildet das Ende der axialen Länge der Ausdrehung 15.
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Durch die Umströmung des Hydraulikmediums um den Steuerschieber 5 herum, kann die Wandstärke des Steuerschiebers 5 erheblich vergrößert werden, da eine mögliche zentrische Bohrung 9 nur für den Druckausgleich vorgesehen ist und keine wesentliche Durchströmung erfolgt. Die Erhöhung der Wandstärke hat darüber hinaus auch den Vorteil, dass damit das hydraulische Hystereseverhalten durch Überdruck im Steuerschieber 5 reduziert werden kann.
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Weiterhin wird das Geräuschverhalten durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung der Ventilhülse 4 zu einer optimalen Blendengeometrie verbessert, indem die radiale Länge der Ventilhülsenbohrung 13 durch eine Absenkung in Form einer kegeligen Öffnung verringert wird. Ansonsten sind alle Kegelwinkel entsprechend den Anforderungen möglich. Die minimale Länge der radialen Ventilbohrung ist durch die mechanische Festigkeit der Hülse bei der axialen Bewegung des Schiebers begrenzt.
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Auch ist es möglich, die Seitenwände der Öffnung der radialen Ventilhülsenbohrung 13 nicht gerade mit festem Winkel, sondern gebogen, beispielsweise elliptisch oder trompetentrichterförmig, auszubilden.
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Auch eine Ausbildung in mehreren, möglichst vielen, kleinen Stufen ist möglich.
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Als weitere vorteilhafte Maßnahme, insbesondere bezüglich der Geräuschminderung, wird eine Optimierung der Umströmung der Ventilhülse im Einbauraum des Ventils durch einen axialen Einstich in Form der umlaufenden Ringnut 17 in der Ventilhülse 4 zwischen den zwei Dichtungen 14 im Einbauraum vorgeschlagen. Durch diese Maßnahme wird der Ringkanal außen auf der Ventilhülse 4 vergrößert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Elektromagnet
- 3
- elektrischer Anschluss
- 4
- Ventilhülse
- 5
- Steuerschieber
- 6
- Einpresshülse
- 7
- Bohrung
- 8
- Rückstellfeder
- 9
- Bohrung
- 10
- radiale Bohrung
- 11
- Nut
- 12
- Steuerkante
- 13
- radiale Ventilhülsenbohrung
- 14
- O-Ringe
- 15
- Ausdrehung
- 16
- Kegel
- 17
- Ringnut
- 18
- Zufuhrleitung
- 19
- Zwischenraum
- 20
- Abfluss
