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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilschließkörper und einem in Längsrichtung zum Ventilschließkörper angeordneten Ventilsitz für eine Kolbenpumpe. Ferner betrifft die Erfindung eine Kolbenpumpe mit einem solchen Ventil für ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils.
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Stand der Technik
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Ventile werden in vielfältiger Weise in Kolbenpumpen von Hydrauliksystemen, insbesondere von Fahrzeugbremssystemen verwendet (
DE 39 07 969 A1 und
DE 10 2006 048 903 A1 ). In diesen Bremssystemen steuern Kolbenpumpen nicht nur den Druck in Radbremszylindern, sondern dienen beim Antiblockiersystem (ABS) z. B. zur Rückförderung von Bremsflüssigkeit aus einem Radbremszylindern in einen Hauptbremszylinder. ABS wird häufig mit einer Antischlupfregelung (ASR) kombiniert, bei der ebenso ventilregulierte Kolbenpumpen eingesetzt werden. Auch das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das die Querdynamik des Fahrzeugs durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder positiv beeinflusst, verwendet ventilregulierte Kolbenpumpen.
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Die in Kolbenpumpen von Fahrzeugbremssystemen verwendeten Ein- und Auslassventile steuern die Flüssigkeitsströmungsrichtung durch die Pumpe und sind in der Regel als federbeaufschlagte Rückschlagventile ausgebildet. Sie umfassen einen Dichtkörper in Form einer Kugel und einen an die Kugelform des Dichtkörpers angepassten Ventilsitz. Erhöht sich der Druck in der Kolbenpumpe, öffnet sich das Ventil, indem die Kugel aus dem Ventilsitz gedrückt wird, und die Flüssigkeit strömt um die Kugel herum in eine dem Ventil nachgeschaltete Ventilkammer.
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Strömt Flüssigkeit durch das Ventil, erzeugen hohe Kompressions- und Expansionskräfte, die insbesondere in Hochdruckpumpen von Bremsanlagen wirken, aufgrund verschiedener Ursachen unerwünschte Schwingungen und Geräusche. Beispielsweise treten unerwünschte Geräusche beim Öffnen des Ventils auf, wenn sich Toleranzen der einzelnen Bauteile addieren, insbesondere durch ein räumliches Spiel des Ventilschließkörpers. Um diese Geräuschbildungen zu verringern, ist in der
DE 10 2006 027 555 A1 ein Auslassventil beschrieben, das einen Ventilschließkörper und ein separates Scheibenelement aufweist, an dem ein Ventilsitz angeordnet ist. Durch die Verwendung des Scheibenelements wird sichergestellt, dass Bauteiltoleranzen verschiedener Bauteile der Kolbenpumpe sich nicht negativ auf die Geräuschentwicklung beim Öffnen oder Schließen des Auslassventils auswirken können.
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Neben den Bauteiltoleranzen entstehen unerwünschte Schwingungen und Geräusche durch turbulente Strömungen um den Ventilschließkörper des geöffneten Auslassventils. Diese Strömungen lenken den Ventilschließkörper undefiniert in radiale Richtung, sodass er gegen die Innenwand der Ventilkammer stößt. Zudem entstehen beim Öffnen des Ventils Druckpulsationen, indem Druckwellen sich beim Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz fortpflanzen und in der Ventilkammer reflektiert werden. Diese Druckpulsationen versetzen den Ventilschließkörper nicht nur in Schwingung, sondern verursachen erhebliche Geräusche und belasten mechanisch die Kolbenpumpe und die mit ihr kommunizierenden hydraulischen Bauteile.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Ventil mit einem optimierten Schwingverhalten beim Öffnen und Schließen bereitzustellen, wodurch eine mechanische Belastung der kommunizierenden Bauteile verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe ist durch ein erfindungsgemäßes Ventil für eine Kolbenpumpe, eine erfindungsgemäße Kolbenpumpe für ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem und eine erfindungsgemäße Verwendung des Ventils zur Reduktion von Druckpulsationen und/oder Geräuschentwicklungen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben. In den Bereich der Erfindung fallen auch sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Erfindungsgemäß ist ein Ventil mit einem Ventilschließkörper und einem in Längsrichtung zum Ventilschließkörper angeordneten Ventilsitz für eine Kolbenpumpe geschaffen, wobei der Ventilschließkörper ein zylindrisches Führungselement und in Längsrichtung zum Führungselement ein zum Ventilsitz hin orientiertes kugelartiges Dichtelement aufweist, das vom Führungselement gehalten bzw. gehaltert ist.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Schwingungsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils zu minimieren, indem der Ventilschließkörpers beim Öffnen mittels des zylindrischen Führungselements definiert geführt wird. Durch die definierte Führung und das verringerte Schwingen des Ventilschließkörpers werden Druckpulsationen, Geräuschemissionen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil kommunizierenden hydraulischen oder pneumatischen Bauteile reduziert. Darüber hinaus kann das Führungselement durch seine Längserstreckung als Hubbegrenzung dienen, sodass der Verstellweg des Ventilschließkörpers bei jeder Öffnungsbewegung definiert und konstant ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil hat den Vorteil, dass es in der Herstellung kostengünstig ist. Das zylindrische Führungselement ist wahlweise als Kunststoffspritzteil oder Stahlumformteil in großer Stückzahl schnell und einfach und daher billig produzierbar. Mittels des Spritzgussverfahrens lassen sich wirtschaftlich direkt verwendbare Formteile herstellen, die nur geringfügig toleranzbehaftet sind. Das Dichtelement kann am Führungselement einfach montiert werden, indem es z. B. in eine Verasterung oder sonstige Halterung am Führungselement eingeklemmt wird. Aufgrund der kugelartigen Ausbildung des Dichtelements und der zylindrischen Form des Führungselements muss die Formgebung einer herkömmlichen Kolbenpumpe nicht verändert werden, um das erfindungsgemäße Ventil aufzunehmen. Durch die Zylinderform des Führungselements kann der Ventilschließkörper auf einfache Weise in ein gebohrtes oder gefrästes Sackloch oder einen Verschlussdeckel der Kolbenpumpe einfach integriert werden.
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Das kugelartiges Dichtelement, z. B. eine Kugel, ein Ellipsoid, ein Stößel oder ein eierförmiger Körper, weist zum Abdichten einer Öffnung eine Oberfläche auf, die zumindest abschnittsweise in zwei Dimensionen gewölbt ist. Die gewölbte Oberfläche wirkt mit dem z. B. als Innenkegelsitz ausgebildeten Ventilsitz so zusammen, dass bei am Ventilsitz anliegendem Dichtelement eine kreisringförmige Dichtfläche oder Dichtlinie erhalten wird.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist das kugelartige Dichtelement eine Kugel. Sie ist bezüglich jeder Achse durch den Mittelpunkt und jedes Drehwinkels drehsymmetrisch und weist – anders als ein Elliopsoid – in all ihren Orientierungen die zum Dichtsitz passende Rundung auf.
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Gemäß einer zweiten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils umgreift das Führungselement das Dichtelement nur teilweise. Dadurch wird das Dichtelement optimal fixiert, Material wird eingespart und der Ventilschließkörper weist eine geringe Masse auf.
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Der Ventilschließkörper kann zwar wie bisher aus Stahl gebildet sein, sodass er gut abdichtet und wenig Verschleißerscheinungen zeigt. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist das Dichtelement und/oder das Führungselement jedoch aus Kunststoff gestaltet, sodass die Masse des Ventilschließkörpers um ein Vielfaches verringert wird. Darüber hinaus wird durch ein Dichtelement aus Kunststoff das Verschleißverhalten am Ventildichtsitz verbessert.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung ist der Durchmesser des kugelartigen Dichtelements soweit reduziert, dass er nur noch geringfügig größer ist als der Durchmesser des Dichtsitzes. Dadurch wird die Masse des Ventilschließkörpers weiter verringert und Material eingespart.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung weist das Führungselement einen hohlzylindrischen Innenraum auf, in dem eine Rückstellfeder axial angeordnet ist. Die mit dem Ventilschließkörper zusammenwirkende Rückstellfeder liegt zumindest abschnittsweise innerhalb des Führungselements. Dadurch wird der Bauraum in einer Kolbenpumpe vom erfindungsgemäßen Ventil besser ausgenutzt, sodass die Größe der Kolbenpumpe reduziert oder der Bauraum anderweitig verwendet werden kann. Durch den hohlzylindrischen Innenraum des Führungselements wird die Masse des Ventilschließkörpers weiter verringert.
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Beim erfindungsgemäßen Ventil ist die Masse des Ventilschließköpers durch dessen Ausbildung aus Kunststoff, das vom Führungselement nur partiell umgriffene Dichtelement, den verkleinerten Radius des Dichtelements und/oder das hohlzylindrische Führungselement stark verringert. Der Öffnungsimpuls des leichteren Ventilschließkörpers wird beim Öffnen des Ventils stark reduziert, sodass ein Überschwingen des Ventilschließkörpers und Druckpulsationen durch reflektierte Stoßwellen verhindert werden. Plötzliche Kraft- und Druckänderungen im Antriebsstrang einer Kolbenpumpe und die daraus folgenden Geräuschemissionen, die sich als Körperschall auf tragende Bauteile fortpflanzen und schwierig zu dämpfen sind, werden durch den leichten Ventilschließkörper vermieden. Eine mechanische Belastung der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile wird durch das verbesserte Schwingungsverhalten des Ventils reduziert.
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Sowohl das zylindrische Führungselement als auch der hohlzylindrische Innenraum des Führungselements können verschiedene Grundflächen aufweisen. Bevorzugt werden jedoch kreisförmige Grundflächen bevorzugt, die sich strömungstechnisch günstig auswirken und einfach bereitzustellen sind.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Führungselement mindestens einen Führungssteg zum Halten des Ventilschließkörpers aufweist. Die Führungsstege sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Führungselements verteilt und verlaufen in axialer Richtung des Führungselements. Zur stabileren Führung erstrecken sie sich vorzugsweise über die annähernd gesamte Axialerstreckung des Führungselements.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ventil ein Gehäuse auf, das den Ventilschließkörper aufnimmt, sodass sich zwischen einer Mantelaußenfläche des Führungselements und einer in Längsrichtung zum Führungselement orientierten Innenwand des Gehäuses ein Durchtritt ausbildet. Durch den Durchtritt strömt bei geöffnetem Ventil, also bei vom Ventilsitz abgehobenem Ventilschließkörper, Flüssigkeit in axialer Richtung am Ventilschließkörper und am Führungselements vorbei.
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Das Gehäuse weist eine Abströmöffnung in Fließrichtung hinter dem Ventil auf. Vorzugsweise ist die Abströmöffnung eine im Gehäuse eingeprägte radiale Nut, durch die Flüssigkeit aus dem Gehäuse ausströmen kann.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist das Führungselement in Längsrichtung länger als der größte Durchmesser des Dichtelements. Durch die verlängerte Führung des Ventilschließkörpers wird der Ventilschließkörpers stabiler gelagert und sein Überschwingen reduziert sich weiter, sodass Druckpulsationen, Geräuschentwicklungen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil korrespondierenden Bauteile weiter verringert werden.
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Die Erfindung betrifft ebenso eine Kolbenpumpe mit einem erfindungsgemäßen Ventil für ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem. Die Kolbenpumpe weist neben einem Kolben, einem Ventil, einem Zu- und einem Ablauf mindestens ein erfindungsgemäßes Ventil auf. Sie eignet sich vorzugsweise für Hochdrucksysteme und wird z. B. in Bremssystemen von Kraftfahrzeugen, wie ABS, ASP und ESP eingesetzt. Während eines Pumpenhubes der Kolbenpumpe wird der Ventilschließkörper aus dem Dichtsitz gehoben, sodass Hydraulikmedium aus einem Kompressionsraum der Pumpe entweicht, den Ventilschließkörper umströmt, dadurch in eine Ventilkammer gelangt und über eine Abströmöffnung aus der Ventilkammer entweichen kann.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils zur Reduktion von Druckpulsationen und/oder Geräuschentwicklungen, insbesondere in einem Hydraulik- oder Pneumatiksystem. Das Schwingungsverhalten des Ventilschließkörpers des erfindungsgemäßen Ventils wird minimiert, indem der Ventilschließkörper beim Öffnen mittels des zylindrischen Führungselements definiert geführt wird. Durch das verringerte Schwingen des Ventilschließkörpers werden Druckpulsationen, Geräuschemissionen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil kommunizierenden hydraulischen oder pneumatischen Bauteile reduziert. Das erfindungsgemäßen Ventil wird zur Reduktion von Druckpulsationen und/oder Geräuschentwicklungen bevorzugt in, Druck-, Saug-, und Kolbenpumpen und in Hochdrucksystemen, z. B. Bremssystemen von Kraftfahrzeugen, wie ABS, ASP und ESP verwendet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Figur näher erläutert. Es zeigt die Fig. einen Längsschnitt eines erfindungsgemäßen Ventils.
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Ein Ventilschließkörper 10 umfasst ein hohlzylindrisches Führungselement 12 und ein kugelförmiges Dichtelement 14. Die Führung des Ventilschließkörpers 10 ist in axialer Richtung durch das Führungselement 12 deutlich vergrößert und umgreift das Dichtelement 14 teilweise mittels einer Verasterung 16. Das Dichtelement 14 kann durch einen einfachen Montageschritt in das Führungselement eingerastet und fixiert werden. Durch eine Rückstellfeder 18, die in das offene Ende des Führungselements eintaucht, wird der Ventilschließkörper 10 gegen einen Dichtsitz 20, z. B. eines Pumpenzylinders (nicht dargestellt) vorgespannt.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3907969 A1 [0002]
- DE 102006048903 A1 [0002]
- DE 102006027555 A1 [0004]
