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Die
Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen eines Ventils.
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Ventile
unterliegen starken Beanspruchungen, wenn sie Dauerbelastungen,
wie zum Beispiel in Hochdruckpumpen, ausgesetzt sind. Derartige
Beanspruchungen stellen sowohl hohe Anforderungen an das Material
des Ventils als auch an dessen Konstruktion. Gleichzeitig müssen von
derartigen Ventilen große
Kräfte
aufgenommen werden.
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Die
DE 102 00 275 A1 offenbart
ein Ventil für eine
Pumpe, umfassend einen mittels eines Federelements vorgespannten
Schließkörper. Der
Schließkörper kann
einen Durchlass an einem Ventilsitz freigeben oder verschließen. Weiterhin
umfasst das Ventil ein Führungselement
zum Führen
des Schließkörpers, wobei
der Schließkörper im
Führungselement
wenigstens an einem ersten Führungsbereich und
einem zweiten Führungsbereich
geführt
ist.
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Die
DE 26 44 091 A1 offenbart
ein Dichtungssystem für
Absperrorgane mit einem konischen Sperrglied oder Ventilkegel. Ein
ringförmiger,
dünnwandiger
Körper
ist in einem Gehäuse
mittels eines eine dichte Verbindung herstellenden Klemmrings befestigt.
Er weist auf einer gegen den Ventilkegel weisenden Seite Wellenabschnitte
auf, die in einer Schließstellung
an dem Sperrglied mit Linienberührung
anliegen.
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Die
US 2,973,008 A offenbart
ein Ventil mit einem Dichtsitz und einem Dichtelement, wobei das Dichtelement
eine kegelförmige
Ausnehmung aufweist, die derart ausgebildet ist, dass sich der Dichtsitz
und das Dichtelement linienförmig
berühren.
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Die
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Herstellung eines
Ventils zu schaffen, derart, dass das Ventil einem geringen Verschleiß unterliegt und
einen zuverlässigen
und präzisen
Betrieb ermöglicht.
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Die
Aufgabe wird gelöst
durch die Merkmale des unabhängigen
Anspruchs. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den
Unteransprüchen
gekennzeichnet.
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Die
Erfindung zeichnet sich aus durch ein Verfahren zum Herstellen eines
Ventils, mit den Schritten: Bereitstellen eines Gehäuses, das
aufweist eine Gehäuseausnehmung
mit einer Längsachse
und einen in einer Wand der Gehäuseausnehmung
ausgebildeten Absatz, einer Ventilfeder, eines Dichtelements, das
aufweist eine plane Dichtelementfläche mit einem Normalenvektor,
eines Dichtsitzes mit einer planen Dichtsitzfläche und eines Kraftübertragungselements,
Anordnen der Ventilfeder und des Dichtelements in der Gehäuseausnehmung
derart, dass nach dem Anordnen des Dichtelements der Normalenvektor
der planen Dichtelementfläche
im Wesentlichen parallel zu der Längsachse ausgerichtet ist,
und die Ventilfeder das Dichtelement in Richtung des Normalenvektors
vorspannt, Anordnen des Dichtsitzes in der Gehäuseausnehmung derart, dass
nach dem Anordnen des Dichtsitzes Abschnitte der planen Dichtsitz fläche an der
planen Dichtelementfläche
des Dichtelements und an dem Absatz anliegen, und Anordnen des Kraftübertragungselements
in der Gehäuseausnehmung
derart, dass auf den Dichtsitz eine derartige Kraft parallel zu der
Längsachse
hin gerichtet zu dem Dichtelement ausgeübt wird, dass die Dichtsitzfläche zwischen
den an der Dichtelementfläche
und an dem Absatz der Gehäuseausnehmung
anliegenden Abschnitten der Dichtsitzfläche elastisch verformt wird,
wodurch eine Sitzwinkeldifferenz ungleich 0° zwischen der Dichtsitzfläche und
der Dichtelementfläche
bewirkt wird.
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Damit
kann ein dichtender Kontakt zwischen der Dichtsitzfläche und
der Dichtelementfläche
erreicht werden, der die Form einer Kreisringlinie hat. Dies hat
den Vorteil, dass ein definierter Durchmesser des Dichtungsbereichs
zwischen der Dichtsitzfläche
und der Dichtelementfläche
erreichbar ist. Dies wiederum ermöglicht einen definierten Öffnungsdruck
am Ventilsitz. Des Weiteren ist durch das Vorgehen eine kostengünstige Lösung zur
Herstellung des Ventils möglich,
unter Einsatz eines Dichtsitzes mit einer planen Dichtsitzfläche, die
erst durch das Aufbringen der Kraft über das Kraftübertragungselement
verformt wird.
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In
einer vorteilhaften Ausführungsform
wird das Kraftübertragungselement
so in der Gehäuseausnehmung
angeordnet, dass die ausgeübte Kraft
eine Sitzwinkeldifferenz zwischen der Dichtsitzfläche und
der Dichtelementfläche
von etwa 0,3° bewirkt.
Dies hat den Vorteil, dass ein definierter Durchmesser des Dichtungsbereichs
zwischen der Dichtsitzfläche
und der Dichtelementfläche
unter Vermeidung irreversibler plastischer Verformungen der Dichtsitzfläche oder
der Dichtelementfläche
erreichbar ist.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist das Kraftübertragungselement
ein Außengewinde
auf und die Wand der Gehäuseausnehmung weist
ein Innengewinde auf, und das Außengewinde ist derart in Eingriff
mit dem Innengewinde, dass durch eine Drehbewegung des Kraftübertragungselements
um die Längsachse
die Kraft parallel zu der Längsachse
hin gerichtet zu dem Dichtelement ausgeübt wird. Dies stellt eine einfache
und sichere Möglichkeit
dar, die Kraftausübung
vom Kraftübertragungselement
auf den Dichtsitz zu realisieren.
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Ausführungsbeispiele
der Erfindung sind im Folgenden anhand von schematischen Zeichnungen näher erläutert.
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Es
zeigen:
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1 eine
schematische Ansicht eines Pumpenzylinders mit einem Ventil in einem
Längsschnitt,
und
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2 eine
schematische Ansicht des Ventils in einem Längsschnitt.
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Elemente
gleicher Konstruktion oder Funktion sind figurenübergreifend mit den gleichen
Bezugszeichen gekennzeichnet.
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1 zeigt
einen Pumpenzylinder 10 einer Radialkolbenpumpe mit einem
Gehäuse 18.
In einer Bohrung in dem Gehäuse 18 des
Pumpenzylinders 10 ist ein Pumpenkolben 16 bewegbar
gelagert. An einem Ende des Pumpenkolbens 16 befindet sich
ein Druckraum 17.
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Um
den Druckraum 17 mit Fluid befüllen zu können, weist dieser eine Zulaufleitung 20 auf,
in der vorzugsweise ein als Einlassventil ausgebildetes Ventil 24 angeordnet
ist. Das als Einlassventil ausgebildete Ventil 24 erleichtert
die Befüllung
des Druckraums 17 und verhindert beim Befüllen das
Zurückströmen des
Fluids aus der Zulaufleitung 20. Der Druckraum 17 weist
weiter eine Ablaufleitung 22 auf, in der ein als Auslassventil
ausgebildetes weiteres Ventil 26 angeordnet ist. Damit
kann Fluid aus dem Druckraum 17 ausgestoßen werden.
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In 2 ist
ein Ausschnitt des Ventils 24 der 1 gezeigt.
In dem Gehäuse 18 des
Ventils 24 ist eine Gehäuseausnehmung 32 ausgebildet,
mit einer Längsachse
L und einer Wand 34. In der Wand 34 ist ein Absatz 36 ausgebildet.
In der hier gezeigten Ausführungsform
ist die Gehäuseausnehmung 32 zylindrisch
ausgebildet. Weiter ist der Absatz 36 an der Wand 34 vollständig umlaufend
ausgebildet. In der Wand 34 der Gehäuseausnehmung 32 ist
wenigstens abschnittsweise ein Innengewinde 38 ausgebildet.
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In
der Gehäuseausnehmung 32 sind
eine Ventilfeder 28 und ein Dichtelement 30 angeordnet. Das
Dichtelement 30 hat eine plane Dichtelementfläche 48 mit
einem Normalenvektor N. Die Ventilfeder 28 spannt das Dichtelement 30 in
Richtung der Längsachse
L vor, indem sie sich an der Wand 34 der Gehäuseausnehmung 32 oder
einer in der Gehäuseausnehmung 32 angeordneten
Hülse 31 (1) abstützt.
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Weiter
ist in der Gehäuseausnehmung 32 ein Dichtsitz 40 mit
einer Dichtsitzfläche 42 angeordnet. Die
Dichtsitzfläche 42 hat
Abschnitte 43a, die an dem Absatz 36 der Wand 34 anliegen.
Des Weiteren hat die Dichtsitzfläche 42 Abschnitte 43b,
die an der planen Dichtelementfläche 48 des
Dichtelements 30 anliegen. Durch das Anliegen der Abschnitte 43a der Dichtsitzfläche 42 an
dem Absatz 36 ist der Dichtsitz 40 stabil in der
Gehäuseausnehmung 32 verankert. Durch
das Anliegen der Abschnitte 43b der Dichtsitzfläche 42 an
der planen Dichtelementfläche 48 des Dichtelements 30 kann
ein fluiddichter Kontakt zwischen dem Dichtelement 30 und
dem Dichtsitz 40 hergestellt werden.
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In
dem Dichtsitz 40 ist eine Längsbohrung 50 und
eine Querbohrung 52 ausgebildet, in denen Fluid in einer
Strömungsrichtung
S durch den Dichtsitz 40 hindurchströmen kann. Die Längsbohrung 50 und
die Querbohrung 52 haben vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt,
wobei die Längsbohrung 50 einen
Durchmesser D hat.
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Am Übergang
von der Längsbohrung 50 zur Dichtsitzfläche 42 des
Dichtsitzes 40 ist eine innere Kante 54 ausgebildet.
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In
der Gehäuseausnehmung 32 ist
weiter ein Kraftübertragungselement 44 angeordnet,
mit dem eine Kraft F parallel zu der Längsachse L in Richtung auf
das Dichtelement 30 hin ausgeübt werden kann.
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In
der hier gezeigten Ausführungsform
hat das Kraftübertragungselement 44 ein
Außengewinde 46,
das im Eingriff mit dem Innengewinde 38 der Wand 34 der
Gehäuseausnehmung 32 ist.
Anders ausgedrückt
heißt
dies, dass das Kraftübertragungselement 44 in
der hier dargestellten Ausführungsform als
Schraube, bevorzugt als Madenschraube wie in 1 gezeigt,
ausgebildet ist.
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Im
Folgenden soll das Verfahren zum Herstellen des Ventils 24 im
Detail dargestellt werden:
Zunächst wird das Gehäuse 18,
die Ventilfeder 28, das Dichtelement 30, der Dichtsitz 40 und
das Kraftübertragungselement 44 bereitgestellt.
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Die
Ventilfeder 28 und das Dichtelement 30 werden
in der Gehäuseausnehmung 32 angeordnet. Diese
Anordnung erfolgt derart, dass nach dem Anordnen des Dichtelements 30 der
Normalenvektor N der planen Dichtelementfläche 48 im Wesentlichen parallel
zu der Längsachse
L ausgerichtet ist. Die Ventilfeder stützt sich an der Wand 34 der
Gehäuseausnehmung 32 oder
an der in der Gehäuseausnehmung 32 angeordneten
Hülse 31 ab
und spannt dabei das Dichtelement 30 in der Richtung des
Normalenvektors N vor.
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Danach
wird der Dichtsitz 40 in der Gehäuseausnehmung 32 angeordnet.
Dies erfolgt in einer Weise, dass nach dem Anordnen des Dichtsitzes 40 die
Abschnitte 43a der planen Dichtsitz fläche 42 an dem Absatz 36 der
Wand 34 anliegen. Des Weiteren liegen die Abschnitte 43b der
planen Dichtsitzfläche 42 an
der planen Dichtelementfläche 48 des
Dichtelements 30 an. Damit kann ein fluiddichter Kontakt zwischen
dem Dichtelement 30 und dem Dichtsitz 40 hergestellt
werden. Der Dichtsitz 40 mit der planen Dichtsitzfläche 42 und
das Dichtelement 30 mit der planen Dichtelementfläche 48 nehmen
nun Positionen ein, wie sie durch die durchgezogenen Linien der 2 gekennzeichnet
sind.
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Im
Folgenden wird nun das Kraftübertragungselement 44 in
der Gehäuseausnehmung 32 angeordnet.
Dies erfolgt so, dass das Kraftübertragungselement 44 auf
den Dichtsitz 40 eine Kraft F parallel zu der Längsachse
L in Richtung zu dem Dichtelement 30 hin ausübt, so dass
die zunächst plane
Dichtsitzfläche 42 zwischen
den an der Dichtelementfläche 48 anliegenden
Abschnitten 43a und den an dem Absatz 36 der Gehäuseausnehmung 32 anliegenden
Abschnitten 43b der Dichtsitzfläche 42 elastisch verformt
wird. Ist insbesondere der Absatz 36 im Wesentlichen vollständig an
der Wand 34 der Gehäuseausnehmung 32 umlaufend,
so führt
dies dazu, dass die ursprünglich
plane Dichtsitzfläche 42 kegelförmig verformt
wird. Der Dichtsitz 40 mit der kegelförmigen Dichtsitzfläche 42 und
das Dichtelement 30 mit der planen Dichtelementfläche 48 nehmen
nun Positionen ein, wie sie durch die gestrichelten Linien der 2 gekennzeichnet
sind.
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Durch
die kegelförmige
Verformung der Dichtsitzfläche 42 kommt
es zur Ausbildung einer Sitzwinkeldifferenz ALPHA zwischen der Dichtsitzfläche 42 und
der Dichtelementfläche 48,
wobei die Sitzwinkeldifferenz ALPHA ungleich 0 Grad ist. Die Sitzwinkeldifferenz
ALPHA zwischen der Dichtsitzfläche 42 und
der Dichtelementfläche 48 nimmt
bevorzugt einen Wert in einem Bereich zwischen 0,2 Grad und 0,5
Grad an. In diesem Fall ist ein definierter Durchmesser, insbesondere
ein wirksamer Dichtdurchmesser des kreisringlinienförmigen Dichtungsbereichs
zwischen der Dichtsitzfläche 42 und
der Dichtelement fläche 48 erreichbar.
Insbesondere ist ein Wert der Sitzwinkeldifferenz ALPHA in einem
Bereich von etwa 0,3 Grad bevorzugt. Für derartige Werte der Sitzwinkeldifferenz
ALPHA kann vermieden werden, dass die innere Kante 54 des
Dichtsitzes 40 derart in Kontakt mit der Dichtelementfläche 48 des
Dichtelements 30 gerät,
dass in der Dichtelementfläche 48 eine
dauerhafte plastische Verformung auftritt, die eine Undichtigkeit
zwischen dem Dichtelement 30 und dem Dichtsitz 40 verursachen könnte. Ebenso
kann vermieden werden, dass es zu einer irreversiblen plastische
Verformung der Dichtsitzfläche 42 im
Bereich der inneren Kante 54 kommt, die ebenso zu einer
Undichtigkeit zwischen dem Dichtelement 30 und dem Dichtsitz 40 führen könnte.
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Durch
die Ausbildung des Außengewindes 46 auf
dem Kraftübertragungselement 44 und
des Innengewindes 38 in der Wand 34 der Gehäuseausnehmung 32 kann
erreicht werden, dass durch eine Drehbewegung des Kraftübertragungselements 44 um
die Längsachse
L die Kraft F parallel zu der Längsachse
L hin gerichtet zu dem Dichtelement 30 ausgeübt wird,
und zwar derart, dass die Drehbewegung des Kraftübertragungselements 44 eine
langsame und stetige Veränderung
der Position des Dichtsitzes 40 relativ zu dem Gehäuse 18 erlaubt.
Damit kann die Sitzwinkeldifferenz ALPHA zwischen der Dichtsitzfläche 42 und
der Dichtelementfläche 48 sehr
genau eingestellt werden.
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Durch
das offenbarte Vorgehen zum Herstellen des Ventils 24 können niedrige
Kosten erzielt werden, da im Ausgangszustand die plane Dichtsitzfläche 42 zum
Einsatz kommen kann, die beispielsweise durch ein Schleifverfahren
sehr einfach gefertigt werden kann.
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Im
Folgenden soll die Funktionsweise des Ventils 24 in Verbindung
mit der Funktion der Radialkolbenpumpe dargestellt werden:
Im
Ausgangszustand befindet sich der Pumpenkolben 16 in einer
Position in dem Pumpenzylinder 10, in der das Volumen des
Druckraums 17 ein Minimum aufweist (1).
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Der
Pumpenkolben 16 wird nun derart bewegt, dass sich das Volumen
des Druckraums 17 vergrößert. Dabei
wird der Druckraum 17 über
das als Ansaugventil ausgebildete Ventil 24 mit Fluid befüllt.
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Dabei
wird eine Druckkraft entgegen der Federkraft der Ventilfeder 28 auf
das Dichtelement 30 ausgeübt. Nimmt die Druckkraft einen
ausreichend großen
Wert an, so hebt das Dichtelement 30 von dem Dichtsitz 40 ab.
Nun strömt
Fluid in der Strömungsrichtung
S durch die Längsbohrung 50 und
die Querbohrung 52 des Dichtsitzes 40 hindurch
in den der Dichtsitzfläche 42 zugewandten
Bereich der Gehäuseausnehmung 32.
Der zum Abheben des Dichtelements 30 von dem Dichtsitz 40 erforderliche Öffnungsdifferenzdruck
ergibt sich als Funktion der Federkraft der Ventilfeder 28 und
dem Durchmesser D der ringkreisförmigen
inneren Kante 54 des Dichtsitzes 40, durch den
der Kontakt des Dichtsitzes 40 mit dem Dichtelement 30 vorgegeben
ist. Da der Durchmesser D der ringkreisförmigen inneren Kante 54 der kegelförmigen Dichtsitzfläche 42 den
Kontaktbereich des Dichtsitzes 40 mit dem Dichtelement 30 sehr
genau vorgeben kann, lässt
sich auch der Öffnungsdifferenzdruck,
der zum Abheben des Dichtelements 30 von dem Dichtsitz 40 erforderlich
ist, sehr genau festlegen. Damit kann durch die konusförmige Ausbildung
der Dichtsitzfläche 42 mit
der Sitzwinkeldifferenz ALPHA zwischen der Dichtsitzfläche 42 und
der Dichtelementfläche 48 erreicht
werden, dass der Öffnungsdifferenzdruck
zum Abheben des Dichtelements 30 von dem Dichtsitz 40 sehr
genau festgelegt ist, womit ein definiertes Öffnungsverhalten des als Einlassventil
ausgebildeten Ventils 24 erreicht werden kann. Damit kann
erreicht werden, dass der Füllgrad
des Pumpenzylinders 10 mit Fluid sehr genau definierte
Werte mit geringer Schwankungsbreite annimmt. Fluid strömt in der
Strömungsrichtung
S durch die Längsbohrung 50 und
die Querbohrung 52 des Dichtsitzes 40 hindurch.
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Anschließend wird
der Pumpenkolben 16 derart bewegt, dass sich das Volumen
des Druckraums 17 verkleinert. Das Fluid in dem Druckraum 17 des
Pumpenzylinders 10 wird dabei komprimiert, das als Einlassventil
ausgebildete Ventil 24 wird geschlossen und über das
als Auslassventil ausgebildete weitere Ventil 26 und die
Ablaufleitung 22 wird Fluid aus dem Pumpenzylinder 10 ausgestoßen. Damit
ist wieder der Ausgangszustand erreicht, in dem das Volumen des
Druckraums 17 ein Minimum aufweist.