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Stand der Technik
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Die
Erfindung betrifft ein Schieberventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs
1 sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Schieberventils nach
den nebengeordneten Patentansprüchen.
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Schieberventile
zur hydraulischen Steuerung in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen
sind vom Markt her bekannt. Beispielsweise steuern sie hydraulisch
betätigte Kupplungen zum Wechseln der Gänge. Dabei
müssen die hydraulischen Schaltvorgänge nach vorgegebenen
Druckrampen mit einer hohen Präzision ausgeführt
werden, damit die Schaltvorgänge ruckfrei und für
den Kraftfahrer unmerklich ablaufen können. Für
diese Aufgaben werden insbesondere elektromagnetisch betätigte Druckregelventile
verwendet.
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Eine
verbreitete Ausführungsform solcher Druckregelventile sind
Schieberventile. Diese bestehen unter anderem aus einem Flansch
und einem Kolben, sowie aus einer elektromagnetischen Baugruppe
mit Spule und Anker. Die Kraftübertragung zwischen Anker
und Kolben erfolgt beispielsweise über einen Koppelstift,
welcher an einem Ende einen mechanischen Kontakt zum Anker und an
einem anderen Ende zum Ventilkolben herstellt (siehe bspw.
US 2006/0086396 A1 ).
An diesen Koppelbereichen treffen häufig unterschiedliche
Materialpaarungen aufeinander. Zum Beispiel besteht der zylinderförmige
Koppelstift aus gehärtetem Stahl und der Ventilschieber
aus Aluminium mit einer an seiner Oberfläche aufgebrachten
Anodisierungsschicht.
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Für
eine kostenoptimale Herstellung ist es erforderlich, dass die Oberflächenrauhigkeit
durch den Anodisierungsprozess möglichst wenig verändert
wird. Daher werden meist sehr dünne Schichten erzeugt.
Die Festigkeit des Grundwerkstoffs bleibt unverändert,
wodurch an der Koppelstelle infolge hoher Spannungen Verschleiß auftreten
kann. Dies ist auch bei dickeren Schichten, wie etwa bei Harteloxal, von
Bedeutung.
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Offenbarung der Erfindung
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Das
der Erfindung zugrunde liegende Problem wird durch ein Schieberventil
nach dem Anspruch 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung des Schieberventils
nach den nebengeordneten Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen sind in Unteransprüchen angegeben. Für
die Erfindung wichtige Merkmale finden sich ferner in der nachfolgenden Beschreibung
und in den Zeichnungen, wobei die Merkmale sowohl in Alleinstellung
als auch in unterschiedlichen Kombinationen für die Erfindung
wichtig sein können, ohne dass hierauf nochmals explizit
hingewiesen wird.
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Ein
Vorteil der Erfindung ist es, dass ein von einem Anker angetriebener
Koppelstift, welcher beispielsweise aus einem harten Material wie
Stahl besteht, auf einen Ventilschieber einwirken kann, welcher
beispielsweise aus einem weichen Material wie einer Aluminiumlegierung
besteht, ohne dass an der Koppelstelle eine besondere Verschleißgefahr
besteht. Auf diese Weise wird die Dauerfestigkeit eines Schieberventils
verbessert.
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Das
erfindungsgemäße Schieberventil weist in einem
Koppelbereich des Koppelstiftes mit dem Ventilschieber ein Koppelelement
auf, welches aus einem anderen Material als der Ventilschieber hergestellt
ist. Vorzugsweise ist das Material des Koppelelementes härter
als das Material des Ventilschiebers. Damit kann eine verschleißarme
Kraftübertragung selbst dann noch erreicht werden, wenn
die Kraftüberleitung zwischen dem Koppelelement und dem Koppelstift
näherungsweise punktförmig erfolgt.
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Es
wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement eine Kugel umfasst, welche
in einer axialen Vertiefung des Ventilschiebers angeordnet ist.
Durch Herstellen der axialen Vertiefung wird die Kugel formschlüssig
im Ventilschieber angeordnet oder gar verankert, und kann daher
bei einer Einleitung einer Druckkraft nicht seitlich ausweichen.
Vorzugsweise wird die Kugel in die axiale Vertiefung eingepresst. Eine
zusätzliche Fixierung kann kostengünstig erreicht
werden, indem ein Anodisierungsprozess zur Verbesserung der Oberflächeneigenschaften
des Ventilschiebers erst nachfolgend vorgenommen wird, so dass die
Kugel durch die erzeugte Beschichtung mit fixiert wird. Weiterhin
weist die axiale Vertiefung beispielsweise einen flachen oder kegelförmigen
Boden auf, wodurch sich eine entsprechende Berührfläche
zwischen dem Ventilschieber und der Kugel ausbildet. Außerdem
wird durch die Verwendung einer Kugel erreicht, dass die Kraftübertragung
auf den Koppelstift nahezu punktförmig und weitgehend zentrisch
erfolgt und daher eine besonders genaue Betätigung des
Schieberventils ermöglicht wird, ohne dass eine präzise
Führung des Koppelstifts erforderlich ist. Ein weiterer
Vorteil ist, dass die Anforderungen an die Koppelfläche
des Kolbens geringer sind, also eine so genannte Entfeinerung möglich
ist. Dies betrifft etwa eine Butzenfreiheit oder eventuelle Senkungen.
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Alternativ
wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement einen Zylinder umfasst,
der wenigstens an der zum Koppelstift weisenden Stirnfläche eine
konvexe Wölbung aufweist. Ein Zylinder gestattet eine größere
Kontaktfläche zum Ventilschieber hin und weist – bei
konvexer Stirnfläche zum Koppelstift hin – die
gleichen Vorteile wie eine Kugel auf. Außerdem weist der
Zylinder eine vergleichsweise große Presslänge
auf, wodurch die Festigkeit erhöht wird. Allgemein ist
es möglich, das Koppelelement nicht nur als Kugel oder
Zylinder auszuführen, sondern auch als Vieleck oder mit
einem sternförmigen Umriss.
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Besonders
haltbar wird die Verbindung zwischen dem Ventilschieber und dem
Koppelelement, wenn das Koppelelement mit mindestens einem Verankerungsabschnitt
in einer axialen Vertiefung des Ventilschiebers angeordnet ist.
Auch wird hierdurch die Montage erleichtert, da eine Art Verliersicherung geschaffen
werden kann. Durch das Einbringen der axialen Vertiefung in den
Ventilschieber wird erreicht, dass das Koppelelement in fünf
von sechs orthogonalen Richtungen formschlüssig verankert
ist. Durch die Verwendung eines Verankerungsabschnittes wird zusätzlich
erreicht, dass das Koppelelement in allen Richtungen zumindest kraftschlüssig
verankert ist. Beispielsweise ist das Koppelelement eine Kugel, welche
in den Ventilschieber zuerst eingepresst, und danach durch eine
Verstemmung zusätzlich in axialer Richtung gesichert wird.
Alternativ oder ergänzend zu der Verstemmung kann das Koppelelement
vor einem Anodisierungsprozess des gesamten Kolbens eingepresst
und gegebenenfalls verstemmt werden. Der Anodisierungsprozess ist
ein Beschichtungsprozess, der die Oberfläche des Ventilschiebers
(Kolben) verbessert, und so einen im Betrieb auftretenden Verschleiß vermindert.
Dabei fixiert eine aufgebrachte Beschichtung das Koppelelement zusätzlich, indem
das Koppelelement mit einer sich ergebenden Schichtdicke eingebettet
wird. Beispielsweise erfolgt ein Schichtwachstum der Anodisierschicht
aus dem Grundwerkstoff.
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Eine
besonders günstige Ausführung der Erfindung ist
es, wenn die axiale Vertiefung des Ventilschiebers einen ringförmigen
Absatz aufweist, an dem das Koppelelement anliegt. Dabei kann der
ringförmige Absatz beispielsweise durch eine abgesetzte Bohrung
(Stufenbohrung) gebildet sein. Ein ringförmiger Absatz
weist den Vorteil auf, dass die Kraftübertragung zwischen
dem Koppelelement und dem Ventilschieber nicht punktförmig,
sondern ringförmig erfolgt. Dadurch wird eine sich praktisch
ausbildende Berührfläche vergrößert,
so dass Druckspannungen vermindert werden.
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Eine
fertigungstechnisch günstige Ausgestaltung der Erfindung
sieht vor, dass die axiale Vertiefung Teil einer Durchgangsbohrung
ist. Dabei kann das Koppelelement zumindest kraftschlüssig
in der Durchgangsbohrung des Ventilschiebers verankert sein. Wird
die Durchgangsbohrung zu einer abgesetzten Bohrung erweitert, so
kann das Koppelelement in axialer Richtung zusätzlich formschlüssig verankert
sein.
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Weiterhin
wird ein Verfahren zur Herstellung eines Schieberventils vorgeschlagen,
das folgende Schritte umfasst: a) Einbringen einer axialen Vertiefung
in den Ventilschieber; b) Einsetzen, insbesondere Einpressen des
Koppelelementes in die axiale Vertiefung derart, dass ein Verankerungsabschnitt
in der Vertiefung angeordnet ist; c) Herstellen eines Materialabschnitts,
der den Verankerungsabschnitt in der Vertiefung fixiert. Dabei nimmt
die eingebrachte axiale Vertiefung das Koppelelement ganz oder teilweise auf
und verankert es in fünf von sechs orthogonalen Richtungen
formschlüssig. In dem zweiten Schritt wird das Koppelelement
in die axiale Vertiefung eingesetzt, beispielsweise eingepresst.
Dies geschieht so, dass der Verankerungsabschnitt des Koppelelementes
in der Vertiefung angeordnet ist. Das hat den Vorteil, dass die
entstehende Verbindung haltbarer ist, als wenn das Koppelelement
beispielsweise an einer axialen Stirnfläche des Ventilschiebers
(Kolben) in radialer Richtung nur kraftschlüssig verankert wäre.
Damit kann in dem dritten Verfahrensschritt (c) ein Materialabschnitt
hergestellt werden, um den Verankerungsabschnitt in der Vertiefung
zu fixieren. Auf diese Weise wird eine allseitige und zumindest
kraftschlüssige Verankerung des Koppelelementes in dem
Ventilschieber erreicht.
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Besonders
günstig ist es, wenn der Materialabschnitt durch Verstemmen
hergestellt wird. Ein solches Verstemmen ist fertigungstechnisch
einfach auszuführen und ergibt zugleich einen hohen Kraftschluss.
Ebenso ergibt sich damit eine Verbesserung, wenn das Material des
Ventilschiebers und das Material des Koppelelementes unterschiedliche
Temperaturausdehnungskoeffizienten aufweisen.
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Ergänzend
wird vorgeschlagen, dass das Koppelelement in einer Vertiefung des
Ventilschiebers durch eine Anodisierungsschicht gehalten ist bzw.
der Materialabschnitt durch ein Anodisierungsverfahren hergestellt
wird. Dies ist besonders kostengünstig, wenn der Ventilschieber
ohnehin einem Anodisierungsprozess ausgesetzt wird. Der Anodisierungsprozess
kann nachfolgend ausgeführt werden, wobei zusätzliche
Arbeitsschritte erspart bleiben. Das Anodisierungsverfahren kann
alternativ oder ergänzend zum Verstemmen des Koppelelementes
im Ventilschieber erfolgen. Daraus ergeben sich vielfältige
Möglichkeiten, um das Koppelelement im Ventilschieber anzuordnen
und zu fixieren. Bedarfsweise kann bei einer Fixierung durch Anodisierung
eine geringere Einpresskraft der Kugel gewählt werden.
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Nachfolgend
werden beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung unter
Bezugnahme auf die Zeichnung erläutert. In der Zeichnung
zeigen:
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1 eine
Schnittdarstellung einer ersten Ausführungsform eines Schieberventils
mit einem Ventilschieber und einem Koppelstift;
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2 einen
vergrößerten Schnitt durch einen Koppelbereich
zwischen dem Ventilschieber und dem Koppelstift des Schieberventils
von 1;
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3 den
Koppelbereich nach 2 mit einer Beschichtung durch
eine Anodisierung;
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4 eine
Darstellung ähnlich zu 2 für eine
zweite Ausführungsform eines Schieberventils;
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5 eine
Darstellung ähnlich zu 2 für eine
dritte Ausführungsform eines Schieberventils; und
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6 eine
Darstellung ähnlich zu 2 für eine
vierte Ausführungsform eines Schieberventils.
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Es
werden für funktionsäquivalente Elemente und Größen
in allen Figuren auch bei unterschiedlichen Ausführungsformen
die gleichen Bezugszeichen verwendet.
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1 zeigt
ein Schieberventil 10, wie es für die Steuerung
einer hydraulischen Kupplung in einem Automatikgetriebe in einem
Kraftfahrzeug eingesetzt werden kann, in einer Schnittdarstellung. Dargestellt
ist ein gehäuseartiger Ventilflansch 12, in dem
ein zylindrischer Ventilschieber 14 axial gleitend beweglich
ist. Im in der Zeichnung linken Teil des Schieberventils 10 befindet
sich eine Schraubenfeder 16, die zwischen Ventilschieber 14 und
Ventilflansch 12 angeordnet ist und auf Druck beansprucht wird.
Im rechten Teil der 1 befindet sich eine elektromagnetische
Betätigungseinrichtung 18. Diese besteht in der
Hauptsache aus einem Anker 20 und einer Ankerwicklung 22.
Dabei ist der Anker 20 über einen auf Druck beanspruchten
Koppelstift 24 mit dem Ventilschieber 14 gekoppelt.
Der Koppelstift 24 gleitet in einer flanschseitigen Führung 25 und
ist am ankerseitigen Endbereich mittels einer Koppelkugel 27 mit
dem Anker 20 gekoppelt. Die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 18 ist
in nicht näher erläuterte Gehäuseteile 26 eingebettet.
Am Ventilflansch 12, im linken Teil der 1,
sind mehrere Einlass- und Auslassöffnungen 28 angeordnet.
Der innenliegende Ventilschieber 14 weist dazu einen durch
eine radiale Einschnürung gebildeten Steuerabschnitt 30 auf.
Ein Kreis bezeichnet in 1 einen Koppelbereich 32 zwischen
dem Koppelstift 24 und dem Ventilschieber 14.
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Im
Betrieb wird bei einer stromlosen Ankerwicklung 22 der
Ventilschieber 14 mittels der Schraubenfeder 16 in
der Darstellung der 1 nach rechts geschoben. Wird
die elektromagnetische Betätigungseinrichtung 18 bestromt,
so wird durch die Kraft des Magnetfeldes der Anker 20 in
der Figur nach links gegen die Kraft der Schraubenfeder 16 gedrückt.
Dabei sorgt der verbindende Koppelstift 24 dafür,
dass eine Bewegung des Ankers 20 sich unverändert
auf eine Bewegung des Ventilschiebers 14 übertragen
kann. Der Koppelbereich 32 wird im Wesentlichen auf Druck
beansprucht, entsprechend der Wirkung der Schraubenfeder 16 und
des Ankers 20. Entsprechend den erreichten Stellungen des
Ventilschiebers 14 bei entweder stromloser oder bestromter
Ankerwicklung 22, werden Einlass- und Auslassöffnungen 28 (Hydraulikkanäle),
die an dem Ventilflansch 12 angeordnet sind, miteinander
verbunden, beziehungsweise voneinander getrennt. In der Darstellung
der 1 ist eine mittlere Stellung des Ankers 20,
beziehungsweise des Ventilschiebers 14 gezeichnet.
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Nachfolgend
wird das Koppelelement 36 auch als eine Kugel 36 oder
ein Zylinder 36 bezeichnet.
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2 zeigt
eine Schnittansicht des Koppelbereichs 32 aus 1.
In den Ventilschieber 14 ist eine abgesetzte Bohrung 34 (Stufenbohrung)
eingebracht, wobei in den Teil der Bohrung, welcher einen größeren
Radius aufweist, eine Kugel 36 eingepresst ist, die nach
rechts aus der Bohrung 34 herausragt. Ein Verankerungsabschnitt 37 kennzeichnet
einen Einpressbereich der Kugel 36 im Ventilschieber 14. Im
linken Teil der 2 liegt die Kugel 36 an
einem durch die abgesetzte Bohrung 34 erzeugten ringförmigen
Absatz 38 auf. Im rechten Teil der 2 ist ein Endbereich 40 des
Koppelstiftes 24 dargestellt. Vorliegend weist der zylinderförmige
Koppelstift 24 einen konisch geformten Endbereich 40 auf,
welcher an seinem äußersten Ende, also an der
Kontaktstelle zur Kugel 36, abgeflacht oder mit einem großen
Radius verrundet ausgeführt ist. Ein Pfeil 42 stellt
die hauptsächliche Kraftrichtung dar.
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Man
erkennt, dass eine von der Kugel 36 auf den Ventilschieber 14 übertragene
Druckkraft von dem durch den ringförmigen Absatz 38 gebildeten Bereich aufgenommen
wird. Dadurch werden punktförmige Druckspannungen vermieden
und eine lokale Flächenpressung reduziert. Außerdem
kann an der Berührstelle zwischen Kugel 36 und
Koppelstift 24 durch eine geeignete Form des äußersten
Endes des Koppelstiftes 24 die dortige Flächenpressung ebenfalls
reduziert werden.
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3 zeigt
bei einer zu der 2 gleichen Geometrie des Ventilschiebers 14 und
der abgesetzten Bohrung 34 eine schematische Darstellung
eines durch ein Anodisierungsverfahren hergestellten Materialabschnittes 44.
Man erkennt, wie eine durch die Anodisierung erzeugte Beschichtung 43 die
Außenfläche des Ventilschiebers 14 benetzt
und als Materialabschnitt 44 in den durch den Radius der
Kugel 36 und die abgesetzte Bohrung 34 gebildeten
Spalt eindringt. Auf diese Weise wird die Kugel 36 in der
abgesetzten Bohrung 34 des Ventilschiebers 14 verankert.
Bedarfsweise kann diese Verankerung ergänzend zu einer
vorangegangenen Verstemmung der Kugel 36 in der abgesetzten
Bohrung 34 erfolgen.
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4 zeigt
eine zu der 2 vergleichbare Darstellung,
wobei eine in den Ventilschieber 14 eingebrachte Bohrung 34 jedoch
nicht als Stufenbohrung ausgeführt ist und einen flachen
Boden aufweist. Dadurch kann beim Einpressen der Kugel 36 in den
Ventilschieber 14 ein sehr genaues Einpressmaß erreicht
werden.
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5 zeigt
eine Ausführung des Koppelelementes als Zylinder 36.
Dieser weist zum Ventilschiebers 14 hin eine im Wesentlichen
flache Stirnfläche 50 auf. Zum Koppelstift 24 hin
weist der Zylinder 36 jedoch eine Stirnfläche 52 mit
einer konvexen Wölbung auf. Vorliegend ist der der konvexen
Wölbung zugrunde liegende Radius größer
als ein Radius des Zylinders 36 gewählt. Der Zylinder 36 ist
in den Ventilschieber 14 eingepresst und beispielsweise
durch ein Verstemmen zusätzlich fixiert. Der Verankerungsabschnitt 37 wird
vorliegend im Grunde durch die gesamte Mantelfläche des
Zylinders 36 gebildet.
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6 zeigt
in einer nochmals alternativen Ausführung zur 2 eine
Bohrung 34 mit einem kegelförmigen Endbereich 54.
In einer zu der 2 vergleichbaren Weise erfolgt
ebenfalls eine ringförmige Kraftüberleitung der
Druckspannungen von der Kugel 36 auf den Ventilschieber 14.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - US 2006/0086396
A1 [0003]
