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Die Erfindung betrifft ein vorzugsweise elektromagnetisch betätigtes Ventil und insbesondere ein Niederdruckventil gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie es beispielsweise in einer Hydromaschine verbaut ist.
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Derartige ventilgesteuerte Hydromaschinen sind beispielsweise aus der
EP 1 537 333 B1 bekannt. Diese Druckschrift zeigt eine Hydromaschine in Axial- oder Radialkolbenbauweise, die im Prinzip als Motor oder als Pumpe betrieben werden kann, wobei das Förder- bzw. Schluckvolumen über die Ventilsteuerung verstellbar ist. Bei einem beschriebenen Ausführungsbeispiel ist die Hydromaschine als Axialkolbenmaschine ausgeführt, wobei eine Vielzahl von in einem Zylinder angeordneten Kolben an einer drehbar gelagerten Taumelscheibe abgestützt ist. Jeder Kolben begrenzt mit dem zugeordneten Zylinderraum einen Arbeitsraum, der über ein niederdruckseitiges Ventil und ein hochdruckseitiges Ventil mit einem Druckmittelzulauf oder einem Druckmittelablauf verbindbar ist.
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Bei der bekannten Lösung sind die beiden Ventile als elektrisch entsperrbare bzw. sperrbare Rückschlagventile ausgeführt, die über die Pumpensteuerung ansteuerbar sind, um den jeweiligen Arbeitsraum im „Full Mode”, im „Partial Mode” oder im „Idle Mode” zu betreiben. Dadurch kann das Förder- bzw. Schluckvolumen stufenlos von einem Maximalwert auf 0 verstellt werden. Über eine Steuereinheit wird die Hydromaschine nach einem Regelalgorithmus betrieben, um einen möglichst pulsationsarmen Summen-Fördervolumenstrom (Pumpe) oder Summen-Schluckvolumenstrom (Motor) zu erzielen. Die Volumenstromverstellung erfolgt häufig nach einer Phasenanschnittssteuerung, sie kann jedoch auch nach einer Phasenabschnitts- oder Phasenausschnittssteuerung durchgeführt werden.
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Hydromaschinen mit einem über die Ventilsteuerung veränderbaren Schluck/Fördervolumen nennt man auch Digital-Displacement-Units (DDU). Dabei sind grundsätzlich alle Verdrängerprinzipien anwendbar. Vorteilhaft sind jedoch Kolbenmaschinen, insbesondere in Radialkolbenbauweise, da diese es ermöglichen, den Eingang und Ausgang für jeden Verdrängen separat auszuführen und somit aktiv zu kontrollieren. Dabei kann es durchaus sinnvoll sein, zwischen Pumpen- und Motorbetrieb zu unterscheiden, so dass dann das Kontrollelement für den Nieder- bzw. Hochdruckanschluss unterschiedlich aussehen kann.
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Voraussetzung für die vorbeschriebene Art der Steuerung (DDU) ist, dass die niederdruck- und hochdruckseitigen Ventile mit hoher Dynamik geschaltet werden können, so dass die vorbeschriebenen Druckmittelströmungspfade sehr schnell abgesperrt oder zum Durchströmen frei gegeben werden können. Die niederdruckseitigen oder hochdruckseitigen Kontrollelemente können beispielsweise als Schaltventile, vorzugsweise in Sitzbauweise ausgeführt sein, die vorzugsweise durch einen Magnetaktor betätigbar sind. An ein derartiges Ventil werden verschiedene, mitunter einander widersprechende Anforderungen gestellt. Eine im Hinblick auf den Bauraum minimierte Hydromaschine setzt ein in seinen Gesamtabmessungen kleines Ventil mit möglichst großem und somit widerstandsarmen Strömungsquerschnitt voraus. Ein derart großer Strömungsquerschnitt bedingt jedoch einen größeren Ventilhub, was der Forderung nach hoher Ventildynamik bei möglichst kleiner elektrischer Leistungsaufnahme widerspricht. Hinzu kommt, dass die Anforderungen an das Ventil mit unterschiedlichen Betriebspunkten der Hydromaschine variieren. Aus hohen Drehzahlen ergeben sich beispielsweise große Volumenströme und Forderungen nach kleinen Schaltzeiten, kleine Drehzahlen gehen mit langen Einschaltdauern für die Magnetspulen einher. Über den am jeweiligen Anschluss anliegenden Druck ändern sich auch die mechanischen Belastungen sowie die Anforderungen an das Dichtsystem.
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In der
US 7,077,378 B2 ist ein niederdruckseitiges Ventil für eine derartige Hydromaschine offenbart, wobei eine ringförmige Durchströmungsöffnung durch ein etwa tassenförmiges Ventilelement geschlossen ist. Diese ringförmige Durchströmungsöffnung ist von einem inneren und einem äußeren Dichtsitz begrenzt, so dass die spezifische Flächenpressung an der Dichtkante gegenüber einem herkömmlichen Ventilkegel vergleichsweise gering ist. Bei der bekannten Lösung ist das teller- oder tassenförmige Ventilelement über eine Feder in eine Öffnungsstellung vorgespannt und lässt sich mittels eines Magnetaktors in seine Schließstellung verstellen, in der das Ventilelement auf den vorbeschriebenen Dichtsitzen aufliegt und die Durchströmungsöffnung versperrt. Bei der Durchströmung dieses Ventils kann das in seine Öffnungsrichtung vorgespannte tellerförmige Ventilelement mit in Schließrichtung wirksamen Strömungskräften beaufschlagt sein, so dass der Durchströmungsquerschnitt verringert und entsprechend der Druckverlust erhöht wird. Man könnte dieser unerwünschten Schließbewegung zwar durch eine stärkere Öffnungsfeder entgegenwirken, dadurch wäre allerdings die Dynamik des Ventils verschlechtert oder eine stärkere Magnetspule mit dazugehöriger Leistungselektronik notwendig. Zur Vermeidung dieses Nachteils wird gemäß der
US 7,077,378 B2 ein Permanentmagnet verwendet, der das Ventilelement in seiner Öffnungsstellung mit einer Magnetkraft beaufschlagt. Bei Bestromen des Magnetaktors wird das Feld des Permanentmagneten neutralisiert und zu dem eine in Schließrichtung wirksame Magnetkraft generiert. Bei einer derartigen Lösung ist somit ein entsprechend leistungsfähiger Magnetaktor erforderlich. Zudem zeigt auch diese Lösung nicht die gewünschte Dynamik, da zunächst das Feld des Permanentmagneten geschwächt werden muss, bevor das Ventilelement in Richtung seiner Schließstellung bewegt werden kann. Im übrigen ist eine relativ hohe Anpresskraft zwischen Ventilelement und Ventilsitz erforderlich, um eine ausreichende Dichtheit des Ventils im Schließzustand zu gewährleisten.
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Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Niederdruckventil dieser Gattung zu schaffen, das eine verbesserte Funktionalität aufweist. Des Weiteren soll eine damit ausgestattete Hydromaschine bereitgestellt werden.
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Diese Aufgabe wird mittels eines Niederdruckventils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und einer Hydromaschine gemäß dem Patentanspruch 11 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Erfindungsgemäß ist das elektromagnetisch betätigte Ventil der Niederdruckventilbauart mit einem einem Ventilsitz zugeordneten Ventilkörper ausgeführt, der in eine erste Richtung, vorzugsweise Öffnungsrichtung vorgespannt ist, und mittels eines Magnetaktors in eine zweite Richtung vorzugsweise Schließrichtung verstellbar ist. Das Ventil ist mit einem flachen, vorzugsweise Zweikant-Dichtsystem ausgerüstet. Dies bedeutet, dass am Ventilkörper eine flache, bzw. plane (ebene) ringförmige Aufstandsfläche ausgebildet ist, die mit dem ebenfalls planen (ebenen) Ventilsitz in dichtende Anlage bringbar ist. Die planen Kontaktflächen lassen sich einfach herstellen, gewährleisten einen fluiddichten Kontaktschluss zwischen Ventilkörper und Ventilsitz und reduzieren die Flächenpressung.
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Vorteilhaft ist es, die Aufstandsfläche des Ventilkörpers durch eine umlaufende (ringförmige) Nut radial in eine äußere und innere Dichtkante zu unterteilen. Diese Nut (Materialschwächung) bewirkt eine leichtere axiale Beweglichkeit der inneren Dichtkante (Dichtfläche) bezüglich der äußeren Dichtkante (Dichtfläche), sodass sich die beiden Dichtkanten leicht in axialer Richtung relativ zueinander bewegen können. Hierdurch kann die Dichtheit des Ventils verbessert wird.
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Eine bevorzugte Weiterbildung der Erfindung sieht vor, zwischen einem Ventilstößel oder Magnetanker und dem daran montierten Ventilkörper eine relative Kippbewegung zu ermöglichen. Dies wird konstruktiv dadurch erreicht, indem eine Bohrung im Ventilkörper gegenüber dem Ventilstößel oder Magnetanker ein radiales Übermaß hat, sodass der Ventilkörper auf/an dem Ventilstößel mit radialem Spiel gehalten ist. Auf diese Weise kann sich der Ventilkörper, bzw. dessen plane Aufstandsflächen auf dem (planen) Ventilsitz dichtend anlegen auch dann, wenn der Ventilsitz mit größeren Toleranzen zum Ventilstößel ausgerichtet ist. Dadurch läßt sich der Herstellungsaufwand weiter verringern.
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Gemäß einem gesonderten Aspekt der Erfindung ist der Ventilstößel mit nur einem Magnetanker ausgebildet oder versehen, wobei die Ventilsitzbuchse selbst eine Führungsbohrung zur axial verschieblichen Lagerung des Ventilstößels aufweist. Diese Führungsbohrung bildet die einzige Lagerung des Ventilstößels, sodass keine Toleranzketten, verursacht durch zur Lagerung des Ventilstößels herangezogene, aneinandergebaute Bauteile, entstehen. Hierdurch wird die Funktionsfähigkeit des Ventils verbessert und der Fertigungsaufwand reduziert.
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Gemäß einem weiteren gesonderten Aspekt der Erfindung ist das mit einem flachen, vorzugsweise Zweikant-Dichtsystem ausgerüstete Niederdruck- bzw. Ablaufventil lediglich mit der Ventilsitzbuchse ohne äußeres Ventilgehäuse ausgebildet, wobei die Ventilsitzbuchse direkt in das Gehäuse der Hydromaschine eingeschraubt ist. D. h. in diesem Fall werden sämtliche, dem Niederdruckventil zugeordnete Fluidströmungskanäle, die bis dato im Ventilgehäuse bzw. der äußeren Ventilbuchse ausgebildet waren, nunmehr im Gehäuse der Hydromaschine ausgebildet. Hierdurch ist es möglich, die Strömungsquerschnitte im Ventil aufgrund des Wegfalls der äußeren Ventilbuchse zu vergrößern und damit einen erhöhten Volumenstrom zu realisieren. Das Ventil kann dabei den Mehrfach-Magnetankeraufbau oder den vereinfachten Einzel-Magnetankeraufbau aufweisen.
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Schließlich wird erfindungsgemäß eine Hydromaschine vorgeschlagen mit vorzugsweise aktiv steuerbaren niederdruckseitigen Ventilen sowie mit hochdruckseitigen Ventilen. Zumindest eines der niederdruckseitigen Ventile ist als Niederdruckventil gemäß einem der vorstehenden Aspekte ausgebildet.
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An dieser Stelle sei noch darauf hingeweisen, dass die aktive Steuerbarkeit der hochdruckseitigen Ventile nicht erforderlich ist, wenn ausschließlich ein Pumpenbetreib vorgesehen sein soll.
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Die Erfindung wird nachstehend anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
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1 einen Längsschnitt durch ein niederdruckseitiges Ventil einer Hydromaschine (beispielsweise eines Taumelscheibenkompressors oder Radialkolbenkompressors/-motors) im geöffneten Zustand als ein Referenzventil,
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2 ein Teillängsschnitt eines Ventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel in dem die zum Referenzventil unterschiedlichen Konstruktionsmerkmale dargestellt sind,
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3 eine Vergrößerung des Verbindungsabschnitts zwischen Schließelement und Ankerstößel des erfindungsgemäßen Ventils aus 2,
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4 einen Längschnitt durch ein niederdruckseitiges Ventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung und
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5 einen Längschnitt durch ein abgewandeltes Ventil gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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1 zeigt den Grundaufbau eines niederdruckseitigen Rückschlagventils als ein Referenzventil für den Erfindungsgegenstand, das bei einem Hydromotor dem Ablaufventil entspricht. Bei einer Pumpe wäre das Ventil das Zulauf- oder Saugventil.
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Gemäß 1 hat das Niederdruck- oder Ablaufventil 22 einen durch eine Feder 38 in eine Öffnungsstellung vorgespannten Ventilkörper 40, der mittels eines Magnetaktors 30 in eine Schließstellung gegen einen Ventilsitz 42 verstellbar ist, so dass ein ringförmiger Durchflussquerschnitt 44 abgesperrt ist. Das Ablaufventil 22 ist als so genanntes „Tellerventil” ausgeführt, wobei das Ventilelement 40 einen Stößel 46 hat, der an seinem in 1 unteren Endabschnitt einen etwa pilzförmigen Schließteller 48 trägt. Bei geöffnetem Durchflussquerschnitt 44 (Ansicht nach 1) ist eine Druckmittelverbindung zwischen einem zulaufseitigen Anschlusskanal A und einem in einem Arbeitsraum 8 der Hydromaschine mündenden Kanal B geöffnet, so dass Druckmittel vom Zulaufkanal A her in den Arbeitsraum 8 oder in umgekehrter Richtung, vom Arbeitsraum 8 zum Kanal A strömen kann. Bei einer Durchströmung von A nach B treten praktisch keine in Schließrichtung wirksamen Strömungskräfte auf, so dass der Ventilteller 48 im Prinzip durch die Kraft der Feder 38 alleine in seiner Öffnungsstellung gehalten werden könnte. Bei einer Strömung von B nach A wirken die aus der Druckmittelströmung resultierenden Kräfte in Schließrichtung, so dass die Feder 38 alleine nicht mehr ausreichend ist, um den Ventilteller 48 in seiner Öffnungsposition zu halten. Zur Fixierung der in 1 dargestellten Öffnungsstellung des Ventiltellers 48 ist der Betätigungsmagnet 30 erfindungsgemäß mit einer Hauptspule 50 und einer Nebenspule 52 ausgeführt, denen ein Hauptanker 54 bzw. ein Nebenanker 56 zugeordnet ist. Erfindungsgemäß wird der Ventilteller 48 durch Bestromen der Nebenspule 52 in seiner Öffnungsstellung gehalten. Diese erzeugt bei Bestromung ein in Magnetfeld, durch das – wie im Folgenden noch ausführlich erläutert – der Ventilteller 48 in seiner Öffnungsstellung gehalten wird.
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Erfindungsgemäß kann in der dargestellten Grundposition des Niederdruck- oder Ablaufventils 22 auch die Hauptspule 50 bestromt werden. Das dabei erzeugte Magnetfeld wirkt in Schließrichtung auf den Ventilteller 48 – in der dargestellten Relativposition ist die über die Spule 50 auf den Ventilteller 48 wirkende Kraft jedoch geringer als die über die Nebenspule 52 erzeugte Kraft, so dass der Ventilteller 48 bei gleichzeitig bestromten Spulen 50, 52 in der dargestellten Öffnungsstellung erhalten wird.
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Das Ventil 22 hat eine Ventilbuchse/Patrone 58, die in eine entsprechende Bohrung eines Hydromaschinengehäuses 2 einschraubbar ist. Die Ventilbuchse 58 mündet axial über den Kanal B im Arbeitsraum 8 und hat des Weiteren einen im Kanal B mündenden Radialbohrungsstern 60. In die Ventilbuchse 58 ist eine Sitzbuchse 62 eingeschraubt, in deren Umfangswandung ein sich einerseits zum Kanal A und andererseits zum Ventilsitz 42 hin öffnender Ablaufkanal 64 ausgebildet ist. Im ventilsitzseitigen Endabschnitt des Ablaufkanals 64 sind eine Vielzahl von Verbindungsstegen 66 ausgebildet, die den ringförmigen Ablaufkanal 64 in Kreisringsegmente teilen. Die Mündungsbereiche dieser Kreisringsegmente bilden eine umlaufende innere Dichtkante 68 und eine äußere Dichtkante 70 aus, die jeweils schräg zur Ventilachse angestellt sind und auf denen bei geschlossenem Ablaufventil 22 umlaufende Dichtflächen 72, 74 des Ventiltellers 48 dichtend aufliegen, so dass der ringförmige Durchflussquerschnitt 44 abgesperrt ist.
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Gemäß der Darstellung in 1 ist der Ventilteller 48 pilzförmig ausgeführt, wobei die beiden Dichtflächen 72, 74 an der vom Arbeitsraum 8 abgewandten Rückseite ausgebildet sind. Der Ventilstößel 46 durchsetzt beim dargestellten Ausführungsbeispiel einen rückseitig vorspringenden Nabenvorsprung 76 des Ventiltellers 48 und ist dort drehfest aufgenommen. Beim dargestellten Ausführungsbeispiel erfolgt die Axialverbindung zwischen dem Stößel 46 und dem Ventilteller 48 über eine Spannfeder 78, die in einer Federaufnahme 80 des Federtellers 48 aufgenommen ist und über einen Federteller am Boden der Federaufnahme 80 abgestützt ist. Der davon entfernte Endabschnitt der Spannfeder 78 greift an einem an dem in 2 unteren Endabschnitt des Stößels 46 befestigten Federteller 82 an, der etwas axial beabstandet zur benachbarten Stirnfläche 84 des Federtellers 48 verläuft, so dass dieser durch die Kraft der Spannfeder 78 federelastisch am Stößel 46 gelagert ist.
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Der sich in 1 nach oben an den Nabenvorsprung 76 anschließende Teil des Stößels 46 ist axial verschiebbar in einer Führungsbuchse 86 eines mehrteiligen Spulenkörpers 88 aufgenommen, der mit Radialvorsprüngen in entsprechende Ausnehmungen der Sitzbuchse 62 eintaucht und dort über einen Federring 90 gesichert ist. Die Führungsbuchse 86 hat eine axiale Führungsbohrung 92 für den Stößel 46. In der Schließposition taucht der Nabenvorsprung 76 in eine Stirnausnehmung 94 der Führungsbuchse 86 ein.
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Radial außerhalb der Führungsbohrung 92 ist an der Führungsbuchse 86 eine ringförmige Ausnehmung 96 vorgesehen, in die die Nebenspule 52 abschnittsweise eingesetzt ist. Nach oben hin (1) ist die Nebenspule 52 durch einen magnetisierbaren Polring 98 überdeckt, an den sich in Axialrichtung ein Trennring 100 anschließt. Dieser Trennring 100 ist am Boden eines Mantelabschnitts 102 der Führungsbuchse 86 abgestützt, der in eine entsprechende Innenausnehmung 104 der Sitzbuchse 62 eintaucht. In diesen vom Mantelabschnitt 102 umgriffenen Bereich der Führungsbuchse 86 ist ein Spulenhalter 106 eingesetzt, der sich mit einem Axialvorsprung 108 nach unten, hin zum Boden der Führungsbuchse 86 erstreckt. Dieser Axialvorsprung 108 ist von der Hauptspule 50 umgriffen, die somit in den Ringraum zwischen dem Spulenhalter 106 und dem Mantelabschnitt 102 der Führungsbuchse 86 eingesetzt ist. Die in 2 unten liegende Stirnfläche der Hauptspule 50 ist über einen weiteren Polring 110 axial am Trennring 100 abgestützt.
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Auf Höhe des Trennrings 100 hat die Führungsbuchse 86 einen scheibenförmigen Abschnitt 87 aus einem paramagnetischen Material, zum Beispiel einem Edelstahl, der mit den beiden anderen, magnetfeldleitenden Teilen der Führungsbuchse 86 zum Beispiel durch Verschweißen verbunden ist und mit dazu beiträgt, dass die Magnetfelder der beiden Spulen 50 und 52 deutlich voneinander getrennt sind. Bei einer Bestromung der Spule tritt somit keine Kraftwirkung auf den Ventilkörper 40 in eine unerwünschte Richtung auf.
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Der in 1 oben liegende Endabschnitt des Stößels 46 durchsetzt eine Innenbohrung 112 des Spulenhalters 106. Diese ist in ihrem mittleren Bereich zu einem Federraum 114 für die Feder 38 erweitert. Diese ist einerseits an einer Ringschulter 116 des Federraums 114 abgestützt und greift andererseits an dem Hauptanker 54 an, der gemeinsam mit der benachbarten Stirnfläche des Axialvorsprungs 108 des Spulenhalters 106 einen Hauptarbeitsluftspalt 118 einer Hauptstufe des Magnetaktors 30 begrenzt. Zur Optimierung der Magnetkennlinie taucht der Hauptanker 54 mit einem Ankervorsprung 120 in eine Stirnausnehmung 122 des Axialvorsprungs 108 ein.
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Die in 1 unten liegende, vom Hauptarbeitsluftspalt 118 entfernte Stirnfläche des Hauptankers 54 liegt an einer Abstandsscheibe 124 an, über die der Nebenanker 56 in Axialrichtung zum Hauptanker 54 beabstandet ist. Der Nebenanker 52 greift mit seiner mit einem Ringvorsprung 126 ausgeführten Stirnfläche an einer radial vorspringenden Stützschulter 128 des Stößels 46 an, so dass die Kraft der Feder 38 über den Hauptanker 54, den Abstandsring 124 und den Nebenanker 56 auf den Stößel 46 übertragen wird und diesen nach unten (1) hin vorspannt, so dass der Federteller 48 durch die Federkraft in seiner dargestellten Öffnungsstellung gehalten wird. Zwischen der mit dem Ringvorsprung 126 versehenden Stirnfläche des Nebenankers 52 und der entsprechend ausgestalteten Stirnfläche der Führungsbuchse 86 ist ein Nebenarbeitsluftspalt 130 gebildet, der in der Öffnungsposition des Ablaufventils 22 minimal ist.
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Die Bestromung der beiden Spulen 50, 52 erfolgt über die an den mehrteiligen Spulenkörper 86 angesetzte Steuerelektronik 132.
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Bei bestromter Nebenspule 52 ist der Ventilteller 48 in seiner Öffnungsstellung magnetisch arretiert. Zum Schließen des Ventiltellers 48 werden, wie bereits vorstehend erläutert, in der dargestellten Öffnungsposition des Ablaufventils 22 zunächst beide Spulen 50, 52 bestromt, wobei der vorgenannte Nebenarbeitsluftspalt 130 minimal ist. In dieser Position ist der Hauptarbeitsluftspalt 118 maximal, so dass die auf den Hauptanker 54 wirkende Magnetkraft entsprechend gering ist, so dass der Ventilteller 48 durch die Kraft der Feder 38 und das von der Nebenspule 52 generierte Magnetfeld auch bei geringer Stromstärke weiter in seiner Öffnungsstellung arretiert ist. Wie aus der Darstellung gemäß 2 entnehmbar ist, bewirkt der aus paramagnetischem Material hergestellte Trennring 100, dass die Magnetfelder der beiden Spulen 52, 54 separiert sind. Ohne eine derartige Separation der Magnetfelder könnte das von der Hauptspule 50 erzeugte Magnetfeld den Nebenarbeitsluftspalt 130 oder das von der Nebenspule 52 erzeugte Magnetfeld den Hauptarbeitsluftspalt 118 durchfluten, so dass eine Magnetkraft in der unerwünschten Richtung generiert werden könnte. Demzufolge werden die Bauteile im Hinblick auf das Material so ausgewählt, dass eine Überlagerung der beiden Magnetfelder bei gleichzeitig bestromten Spulen 50, 52 nicht zu befürchten ist. Aus diesem Grund wird auch die Sitzbuchse 62 aus einem paramagnetischen Material hergestellt. Die Bauteile des Spulenkörpers 88 (Führungsbuchse 86, Spulenhalter 106, Polringe 98, 124 und Trennring 98) sind vorzugsweise kraftschlüssig miteinander verbunden und verhalten sich innerhalb der Ventilkonstruktion wie ein einziges Bauteil.
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Der Nebenanker 56 entwickelt aufgrund des bereits minimalen Nebenarbeitsluftspalts 130 schon bei einem geringen Stromniveau eine ausreichende Kraft, um das Ablaufventil 22 offen zu halten. Durch Variation des Stromniveaus kann die Verriegelungskraft an die Einsatzbedingungen angepasst werden. Dies kann beispielsweise bei höheren Drehzahlen der Hydromaschine erforderlich sein, wenn die Kolben 6 hohe Volumenströme durch das Ablaufventil 22 drücken.
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Sobald das Magnetfeld der Hauptspule 50 aufgebaut ist, wird die Nebenspule 52 zum Schließen stromlos geschaltet, so dass die in Öffnungsrichtung wirksame Magnetkraftkomponente entfällt und der Hauptanker 54 gegen die Kraft der Feder 58 einen Hub nach oben durchführt und dabei den Hauptarbeitsluftspalt 118 schließt. Dabei nimmt der Hautanker 54 den Stößel 46 mit, so dass der Nebenanker 52 in Axialrichtung nach oben bewegt wird und der Nebenarbeitsluftspalt 130 vergrößert wird. Der Ventilteller 48 führt einen entsprechenden Hub aus, bis die beiden Dichtflächen 72, 74 auf den Dichtkanten 78 bzw. 70 aufliegen und der Durchflussquerschnitt 44 verschlossen ist. Diese Schließkraft lässt sich ebenfalls wieder durch Variation des Stromniveaus zur Bestromung der Hauptspule 50 einstellen.
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Vorteilhaft bei diesem Konzept ist, dass das Magnetfeld der Hautspule 50 vor dem Schließen des Ablaufventils 22 bereits vollständig aufgebaut ist und somit die maximal mögliche Kraft auf den Ventilteller 48 ausübt. Der Ventilteller 48 ist dann praktisch vorgespannt. Die vergleichsweise kleine Nebenspule 52 setzt das Ansteuersignal (unabhängig on/off) aufgrund ihrer deutlich kleineren Zeitkonstante verglichen mit der Hauptspule 50 wesentlich schneller um, so dass die Dynamik des Ventils erhöht wird.
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Zum Öffnen des Ventils wird die Hauptspule 50 stromlos geschaltet, so dass der Ventilteller 48 durch die Kraft der Feder 38 in seine Grundposition zurück bewegt wird. Diese Öffnungsbewegung kann durch Bestromen der Nebenspule 52 unterstützt werden, so dass die Rückstellbewegung des Ventiltellers 48 beschleunigt wird. Auf diese Weise ist sowohl in Schließrichtung als auch in Öffnungsrichtung des Ablaufventils 22 eine höhere Ventildynamik als bei den herkömmlichen Lösungen ermöglicht.
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Im Nachfolgenden wird anhand der 2 und 3 ein Ventil gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben. Dabei wird ausschließlich auf die zum Referenzventil gemäß der 1 unterschiedlichen Merkmale eingegangen, wobei alle übrigen konstruktiven Merkmale und Funktionen die Gleichen sind, wie beim Referenzventil. Insofern wird hinsichtlich der in 2 und 3 nicht ausdrücklich dargestellten und/oder beschriebenen Merkmale an dieser Stelle auf die vorstehende Beschreibung verwiesen.
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Die 2 ist eine Teillängsschnittansicht des Niederdruck- oder Ablaufventils 22 gemäß der Erfindung, welche den Ventilsitzabschnitt 42 samt zugehörigem Ventilkörper 40 zeigt.
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Auch beim ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der 2 ist der Ventilkörper 40 als ein pilzförmiger Ventilteller ausgeformt bestehend aus einem äußeren Dichtring 1, einer innere Ventilkörpernabe 2 und einer Anzahl von radial sich erstreckenden Stegen/Speichen 4, welche die Ventilkörpernabe 2 mit dem äußeren Dichtring 1 unter Ausbildung von Durchströmungsöffnungen 6 verbinden. Der radial äußere Dichtring 1 hat eine plane (flache) Aufstandsfäche 10, in die eine umlaufende Nut 12 eingearbeitet (eingefräst) ist. Hierdurch wird die Aufstandsfläche 10 in zwei durch die Nut 12 radial beabstandete Dichtlippen oder Dichtkanten 14, 16 unterteilt.
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Der Ventilsitz 42 auf Seiten der Sitzbuchse 62 ist ebenfalls durch eine plane Stirnfäche 18 der Sitzbuchse 62 gebildet, in der die von den Stegen 66 voneinander getrennten Durchflussquerschnitte 44 in einer umlaufenden Axialnut 45 ausmünden. Die radial voneinander beabstandeten Dichtkanten 14, 16 sind dabei so ausgerichtet, dass diese bei geschlossenem Ventil 22 gemäß der 2 dichtend auf der planen Stirnfläche 18 der Sitzbuchse 62 aufsitzen und somit die Axialnut 45 in der Stirnfläche 18 der Sitzbuchse 62 verschließen. Aufgrund der Nut 12 ist sowohl ein Anliegen der Dichtkante 14 als auch der Dichtkante 16 am Sitzkörper 62 sicher gewährleistet.
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Die innere Ventilkörpernabe 2 ist ähnlich gestaltet wie die Ventilkörpernabe gemäß der 1, d. h. mit dem Nabenvorsprung 76, in dem der Ventilstößel 46 gleitend geführt ist und der Federaufnahme 80, in die die Spannfeder 78 eingesetzt ist, welche den Ventilkörper 40 gegen den Ventilsitz 42 drückt. Im Unterschied zum Referenzventil ragt jedoch die Ventilkörpernabe 2 axial nicht über die Dichtkanten 14, 16 vor, sondern sie ist axial hinter die Dichtkanten 14, 16 zurückversetzt. Aus diesem Grund muss die plane Stirnfläche 18 der Sitzbuchse 62 mit keiner Stirnausnehmung wie im Referenzventil ausgebildet sein oder die Stirnausnehmung 94 kann als eine flache und ggf. plane Eindrehung ausgebildet sein, sodass die Führungsbohrung 92 in der Sitzbuchse 62 eine maximale Länge behält.
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Wie ferner aus der 2 zu entnehmen ist, stehen die beiden Dichtkanten 14, 16 im geschlossenen Zustand des Ventils 22 im Bereich des Ventilsitzes 42 radial in die Mündungsöffnungen der Kanäle 64 über, sodass nur ein radial äußerer bzw. innerer Teil jeder Dichtkante 14, 16 mit der Stirnfläche 18 der Sitzbuchse 62 in Anlage ist. Hierdurch pressen sich die Mündungsöffnungskanten in die Flachseiten jeder Dichtkante 14, 16 geringfügig hinein, wodurch ein fluiddichter Verschluss der Mündungsöffnungen erreicht wird.
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In der 3 ist der Verbindungsbereich zwischen Ventilstößel 46 und Ventilkörpernabe 2 in Vergrößerung gezeigt.
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Demzufolge durchdringt der Ventilstößel 46 die Ventilkörpernabe 2 unter Ausbildung eines in 3 übergroß dargestellten Ringspalts 20 von vorzugsweise ca. 0,1 mm Spaltbreite. Hierdurch kann sich der pilzförmige Ventilkörper 40 gegenüber dem Ventilstößel 46 im Rahmen des maximalen Stellwegs der Spannfeder 78 nicht nur axial verschieben, um einen Überhub des Ventilstößels 46 zu kompensieren und eine ausreichend hohe Anpresskraft des Ventilkörpers 40 auf den Ventilsitz 42 zu erreichen, sondern auch bezüglich des Ventilstößels 46 geringfügig verkippen. Durch diese begrenzt zugelassene Kippbewegung paßt sich der Ventilkörper 40 bei in Anlage kommen mit dem Ventilsitz 42 quasi selbsttätig an Ausrichtungsabweichungen der Stirnfläche 18 der Sitzbuchse 62 an und gewährleistet auf diese Weise einen sicheren Dichtungssitz auf der Sitzbuchse 62. Unterstützt wird dies auch durch die relativ kurze Führung vom Ventilkörper 40 am Ventilstößel 46 (aufgrund des axial zurückgezogenen Nabenvorsprungs 76). Daher müssen Toleranzen z. B. auf Rechtwinkligkeit am Ventilsitz 42 und Ventilkörper 40 nicht so eng gewählt werden wie bei Referenzventil gemäß der 1, was die Fertigung der Bauteile vereinfacht und somit auch die Funktionalität verbessert.
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Darüber hinaus ist die Federaufnahme 80 in ihrem inneren Abschnitt mit einer radialen Verengung 24 ausgeformt, die zur Führung der Spannfeder 78 dient und somit den in der 1 gezeigten zusätzlichen Federteller am inneren Federsitz ersetzt, bzw. überflüssig macht.
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Die Funktionsweise des Ventils 22 gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ist die Gleiche wie beim Referenzventil gemäß der 1, sodass an dieser Stelle auf die entsprechenden Beschreibungstextstellen verwiesen werden kann. Entscheidend ist auch beim erfindungsgemäßen ersten Ausführungsbeispiel die doppelte Umströmung des Ventilkörpers 40 im Bereich des äußeren Dichtrings bzw. Schließglieds 1, welches im geöffneten Zustand des Ventils 22 zwei Durchflussquerschnitte (Umströmungsverläufe) zwischen sich und dem Ventilgehäuse bzw. der Ventilbuchse 58 freigibt.
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In der 4 ist ein zweites Ausführungsbeispiel eines Ventils 22 gemäß der Erfindung gezeigt. Auch in diesem Fall werden nur jene technischen Merkmale im Folgenden genauer beschrieben, die zum ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung unterschiedlich sind. Im übrigen wird auf die vorstehenden Beschreibungstextpassagen verwiesen, die auch für das zweite Ausführungsbeispiel gelten.
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Beim erfindungsgemäßen Ventil entsprechend der 2 wie auch beim Referenzventil entsprechend der 1 besteht der Magnetanker aus insgesamt vier einzelnen Bauteilen, nämlich
- – der Führungsstange bzw. Ventilstößel 46,
- – dem Hauptanker 54,
- – dem Nebenanker 56 und
- – dem Distanz- oder Abstandsring 124.
Dabei wird der Ventilstößel 46 in zwei weiteren Bauteilen geführt, nämlich
- – dem Spulenkörper 88 und
- – dem Deckel bzw. Spulenhalter 106.
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Diese Anordnung ist in soweit nachteilig, als dass zum Einen der Fertigungsaufwand zur Herstellung der vier genannten Bauteile mit besonders engen Toleranzen sehr hoch ist und zum Anderen die Montage mit großer Sorgfalt ausgeführt werden muss, um eine exakte axiale Ausrichtung der Bauteile für ein klemmfreies Bewegen des Ventilstößels zu erreichen. Außerdem müssen die Führungen im Spulenkörper 88 und im Spulenhalter 106 mit größerem Spiel gefertigt werden, um ein Verkanten des Magnetankers bzw. Ventilstößels 46 zu vermeiden.
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Im Ventil 22 gemäß der 4 ist der Magnetanker 134 aus einem einzigen Bauteil gefertigt. In anderen Worten ausgedrückt hat das Ventil 22 gemäß der 4 die Ventilsitzbuchse 62, an deren plane Sitzbuchsen-Stirnfläche 18 (wie in 2 und 3) der Ventilsitz 42 ausgeformt ist. In der Ventilsitzbuchse 62 ist eine Führungsbohrung 36 (unterschiedlich zur 2 und 3) zur unmittelbaren verschiebbaren Lagerung des Ventilstößels 46 in der Ventilsitzbuchse 62 ausgeformt. Haupt- und Nebenanker gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung wie auch dem Referenzventil sind durch den einzigen/einzelnen Magnetanker 134 ersetzt, der entweder auf den Ventilstößel 46 aufgesetzt oder einstückig mit diesem ausgebildet ist.
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Des Weiteren endet der Ventilstößel 46 unterhalb des Spulenhalters 106, der im vorliegenden Ausführungsbeispiel an den Stegen 66 stirnseitig veschraubt ist. Somit hat der Spulenhalter 106 im Gegensatz zu dem vorherigen Ausführungsbeispiel gemäß der 2 keine Führungsfunktion. Die Passung zwischen Ventilstößel 46 und Ventilsitzbuchse 62 ist dabei sehr eng gewählt (im Wesentlichen spielfrei), um unter anderem ein Verkippen des Ventilstößels 46 möglichst gering zu halten. Falls es doch zu leichtern Verkippen kommt, übernimmt der weitere Polring 110 die Funktion einer zweiten Führung.
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Ein großer Vorteil dieser Anordnung gemäß dem zweiten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung besteht in einer einfacheren Fertigung und einer Verringerung der Toleranzketten. Außerdem verringert sich die Reibung des Magnetankers/Ventilstößels 46, was die Ventildynamik weiter erhöht.
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Schließlich ist in der 5 eine Abwandlung des zweiten Ausführungsbeispiels der Erfindung dargestellt.
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In diesem Fall handelt es sich um einen Einzel-Magnetankeraufbau, wie er vorstehend anhand der 4 beschrieben worden ist, wobei jedoch im Unterschied zum Ausführungsbeispiel gemäß der 4 keine Ventilbuchse/Ventilgehäuse vorgesehen ist. D. h. das Ventill 22 besteht ausschließlich aus der Ventilsitzbuchse 62, die unmittelbar in das Gehäuse der Hydromaschine eingeschraubt ist. In diesem Fall sind die im ersten und zweiten Ausführungsbeispiel in der Ventilsitzbuchse 62 ausgebildeten Fluidkanäle unmittelbar im Gehäuse der Hydromaschine ausgeformt. Auch befindet sich der den Ventilkörper 40 aufnehmende Arbeitsraum 8 im Gehäuse der Hydromaschine.
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Sämtliche weiteren konstruktiven Merkmale sind zum zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung gemäß der 4 identisch. Alternativ hierzu könnte aber auch das Ventil gemäß dem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung ohne die Ventilbuchse/Ventilgehäuse ausgebildet sein, um direkt in das Gehäuse der Hydromaschine eingeschraubt zu werden.
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Das erfindungsgemäße Konzept lässt sich sowohl bei niederdruckseitigen als auch bei hochdruckseitigen Ventilen einsetzen, die in unbestromtem Zustand geschlossen oder geöffnet sein können.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- äußerer Dichtring
- 2
- innere Ventilkörpernabe
- 4
- radiale Stege
- 6
- Durchströmungsöffnungen
- 8
- Arbeitsraum
- 10
- plane Aufstandsfläche
- 12
- umlaufende Nut
- 14
- radial äußere Dichtkante
- 16
- radial innere Dichtkante
- 18
- Sitzbuchsen-Stirnfläche
- 20
- Ringspalt
- 22
- Ablaufventil
- 24
- Verengung in Federaufnahme
- 26
- Magnetaktor
- 30
- Magnetaktor
- 34
- Steuereinheit
- 36
- Führungsbohrung
- 38
- Feder
- 40
- Ventilkörper
- 42
- Ventilsitz
- 44
- Durchflussquerschnitt
- 45
- Axialnut
- 46
- Stößel
- 48
- Ventilteller
- 50
- Hauptspule
- 52
- Nebenspule
- 54
- Hauptanker
- 56
- Nebenanker
- 58
- Ventilbuchse
- 60
- Radialbohrungsstern
- 62
- Sitzbuchse
- 64
- Ablaufkanal
- 66
- Steg
- 68
- Dichtkante
- 70
- Dichtkante
- 72
- Dichtfläche
- 74
- Dichtfläche
- 76
- Nabenvorsprung
- 78
- Spannfeder
- 80
- Federaufnahme
- 82
- Federteller
- 84
- Stirnfläche
- 86
- Führungsbuchse
- 87
- scheibenförmiger Abschnitt
- 88
- Spulenkörper
- 90
- Federring
- 92
- Führungsbohrung
- 94
- Stirnausnehmung
- 96
- Ausnehmung
- 98
- Polring
- 100
- Trennring
- 102
- Mantelabschnitt
- 104
- Innenausnehmung
- 106
- Spulenhalter
- 108
- Axialvorsprung
- 110
- weiterer Polring
- 112
- Innenbohrung
- 114
- Federraum
- 116
- Ringschulter
- 118
- Hauptarbeitsluftspalt
- 120
- Ankervorsprung
- 122
- Stirnausnehmung
- 124
- Abstandsring
- 126
- Ringvorsprung
- 128
- Radialschulter
- 130
- Nebenarbeitsluftspalt
- 132
- Steuerelektronik
- 134
- einzelner Magnetanker
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1537333 B1 [0002]
- US 7077378 B2 [0006, 0006]
