DE102010021395B4 - Elektromagnetventil - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil. Dieses umfasst einen Magnetankerraum, einen Druckmittelraum mit jeweils daran angeschlossenem Druckmitteleinlasskanal und Druckmittelauslasskanal, einen Ventilsitz, ein Ventilschließglied, das bei Anlage am Ventilsitz die Verbindung zwischen dem Druckmitteleinlasskanal und dem Druckmittelauslasskanal sperrt, und eine zwischen dem Magnetankerraum und dem Druckmittelraum verlaufende Ventilführung zur längsbeweglichen Lagerung des Ventilschließglieds, sowie einen das Ventilschließglied umschließenden und an der Ventilführung abgestützten Dichtring, der den Magnetankerraum vom Druckmittelraum hydraulisch separiert und aus einem Polymerwerkstoff wie Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht. Dabei kontaktiert die Ventilführung den Dichtring mit einer Innenmantelfläche, die im wesentlichen die Oberflächenform eines sich zum Druckmittelraum hin erweiternden Kreiskegelstumpfs aufweist, und der Dichtring kontaktiert die Innenmantelfläche der Ventilführung mit einer Außenmantelfläche, die im wesentlichen die Oberflächenform einer sich zum Druckmittelraum hin erweiternden Kugelschicht aufweist.
- Hintergrund der Erfindung
- Bei einem derartigen Elektromagnetventil dient der Dichtring der Minimierung von unerwünschten Spaltleckageströmen durch die Spielpassung zwischen dem Ventilschließglied und der Ventilführung in Richtung des Magnetankerraums und mithin der hydraulischen Druckausgeglichenheit des Ventilschließglieds. Es ist bekannt, Elektromagnetventile gemäß der
DE 10 2005 049 122 A1 oder derDE 10 2005 061 509 A1 mit einem Dichtring aus Polytetrafluorethylen, nachfolgend kurz PTFE, zu versehen, dessen Kontaktfläche zur Ventilführung die Oberflächenform einer Kugelschicht aufweist. Unter dem Begriff Kugelschicht ist bekanntermaßen ein geometrischer Körper zu verstehen, der dadurch entsteht, dass von einer Kugel zwei parallel gegenüberliegend verlaufende Kugelabschnitte entfernt werden. Zweck dieser konstruktiven Ausgestaltung soll es sein, dass der Dichtring mit der im Kontakt kreiskegelstumpfförmigen Ventilführung ein Drehgelenk nach Art eines Kugelgelenks bildet, das dem Ventilschließglied einen möglichst widerstandsarmen, durch Bauteiltoleranzen bedingten Winkelausgleich am zentrierenden Ventilsitz erlaubt. - Praktische Erprobungen bei der Anmelderin haben jedoch gezeigt, dass es bei den bekannten Ausgestaltungen bezüglich des Dichtring-Ventilführung-Kontakts zu einer frühzeitigen Materialermüdung des PTFE-Dichtrings kommen kann. Folge der Ermüdung sind oberflächliche Materialausbrüche am Dichtring, die dessen erforderliche Dichtwirkung und somit die hydraulische Schaltfunktion des Elektromagnetventils erheblich beeinträchtigen. Ursache der Ermüdung ist, dass der tatsächliche Drehpunkt des vorstehend erwähnten Drehgelenks nicht, wie angenommen, ungefähr der Mittelpunkt der zur Kugelschicht gehörigen Kugel ist, sondern deutlich in Richtung des Magnetankerraums verschoben ist. Dies bewirkt, dass das sich am Ventilsitz winkelausrichtende Ventilschließglied den Dichtring seitlich verdrängt und mit dauerhaft unzulässig hohen Kräften gegen die Ventilführung presst.
- Ein gattungsgemäßes Ventil ist in
DE 103 32 345 A1 dargestellt. - Aufgabe der Erfindung
- Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Elektromagnetventil der eingangs genannten Art mit einer der erforderlichen Lebensdauer des Ventils entsprechenden Verschleißfestigkeit des Dichtrings anzugeben.
- Zusammenfassung der Erfindung
- Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach soll der geometrische Kontaktpunkt zwischen der Innenmantelfläche der Ventilführung und der Außenmantelfläche des Dichtrings durch folgende Beziehungen vorgegeben sein:
- Unter dem Begriff geometrischer Kontaktpunkt ist der Berührpunkt zwischen Dichtring und Ventilführung zu verstehen, der sich bei Vernachlässigung der elastischen Werkstoffverformung im Kontaktpunkt einstellt. Wie es auch an einem später erläuterten Ausführungsbeispiel der Erfindung deutlich wird, ist es anders ausgedrückt vorgesehen, dass die Ventilführung den Dichtring in einem seitens des Druckmittelraums verlaufenden Winkelbereich der Kugelschicht, also radial weit außen abstützt.
- Das bei dieser Ausgestaltung des Dichtring-Ventilführung-Kontakts erheblich reduzierte Materialermüdungsrisiko des Dichtrings kann zudem noch weiter dadurch minimiert werden, dass die Innenmantelfläche des Dichtrings das Ventilschließglied mit einer Spielpassung umschließt. Diese Spielpassung ist einerseits so klein zu dimensionieren, dass der hydraulische Druckausgleich am Ventilschließglied nicht unzulässig beeinträchtigt wird, und andererseits so groß zu dimensionieren, dass das Radialspiel zwischen Ventilschließglied und Dichtring einen Verkippungsanteil des sich am Ventilsitz winkelausrichtenden Ventilschließglieds zumindest weitgehend absorbiert.
- Außerdem können Materialausbrüche an der Dichtringoberfläche dadurch verhindert werden, dass die das Ventilschließglied umschließende Innenmantelfläche des Dichtrings seitens des Magnetankerraums und/oder seitens des Druckmittelraums mit einer Fase oder einer Verrundung versehen ist. Eine Fase oder Verrundung seitens des Magnetankerraums bewirkt - wie das vergrößerte Radialspiel zwischen Ventilschließglied und Dichtring - eine Querkraftentlastung des Dichtrings, wenn sich das Ventilschließglied unter leichter Verkippung am Ventilsitz ausrichtet. Eine Fase oder Verrundung seitens des Druckmittelraums verhindert an der Innenmantelfläche des Dichtrings eine plastische Verformung in Form eines Materialaufwurfs, der durch Quer- und Längskräfte des hindurch gleitenden Ventilschließglieds erzeugt wird.
- Als bevorzugter Werkstoff für den Dichtring ist PTFE mit Anteilen von Glasfasern, Kohlenstoff oder Bronze vorgesehen.
- Figurenliste
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen die Erfindung näher erläutert ist. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Bauteile oder Merkmale mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
-
1 ein Elektromagnetventil im Längsschnitt; -
2 die Einzelheit Z gemäß1 ; -
3 eine geometrische Skizze eines bekannten Dichtring-Ventilführung-Kontakts; -
4 eine geometrische Skizze eines erfindungsgemäßen Dichtring-Ventilführung-Kontakts und -
5 die geometrische Skizze gemäß4 in weiterer Detaillierung. - Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt ein als 2/2-Wege-Sitzventil ausgeführtes Elektromagnetventil 1 im Längsschnitt. Das Elektromagnetventil 1 weist ein in Patronenbauweise ausgeführtes Ventilgehäuse 2 auf, das fertigungstechnisch als automatengerechtes Drehteil ausgebildet ist. Im Oberteil des Ventilgehäuses 2 ist ein rohrförmiger Magnetkern 3 eingesetzt, der mittels einer Außenverstemmung des Ventilgehäuses 2 flüssigkeitsdicht im Ventilgehäuse 2 fixiert ist. Auf den Magnetkern 3, der einerseits einen Magnetankerraum 4 und andererseits einen Druckmittelraum 5 begrenzt, ist eine dünnwandige, im Tiefziehverfahren hergestellte und ihrem im Endbereich topfförmig geschlossene Hülse 6 aufgesetzt, die im Endbereich eine massive Endscheibe 7 aufnimmt. Ein unterhalb der Endscheibe 7 beweglich in der Hülse 6 angeordneter Magnetanker 8 ist mit einem rohrförmigen Ventilstößel 9 verbunden, der mittels einer Presspassung im Magnetanker 8 fixiert ist. Zwischen dem Magnetanker 8 und der Endscheibe 7 befindet sich im Magnetankerraum 4 eine Rückstellfeder 11, die zur sicheren Ausrichtung abschnittsweise in einer Stufenbohrung 10 des Magnetankers 8 geführt ist. - Die aus Magnetanker 8 und Ventilstößel 9 bestehende Baueinheit dient zur Betätigung eines ebenfalls rohrförmigen Ventilschließglieds 12, dessen Außenmantelfläche ebenso wie die Außenmantelfläche des Ventilstößels 9 abschnittsweise in einer zentralen Durchgangsbohrung 13 des Magnetkerns 3 geführt ist. Die Durchgangsbohrung 13 ist hierzu als Stufenbohrung mit einem unteren, erweiterten Abschnitt ausgeführt, der zum einen als Aufnahme für eine darin eingepresste Buchse 14 zur Zentrierung und Führung des Ventilstößels 9 dient und zum anderen eine das Ventilschließglied 12 längsbeweglich lagernde Ventilführung 15 bildet (siehe
2 ). Die Einpresstiefe der Buchse 14 im Magnetkern 3 ist so gewählt, dass auf einfache Weise der gewünschte Hub für das Ventilschließglied 12 eingestellt werden kann. - Das Ventilschließglied 12 ruht unter der Wirkung einer Ventilfeder 16 in der offenen, elektromagnetisch nicht erregten Position an der Stirnfläche der Buchse 14. Die Ventilfeder 16 ist mittels eines von unten in die Öffnung des Ventilgehäuses 2 eingepressten Federanschlags 17 vorgespannt und dementsprechend auch einstellbar. Die im Innendurchmesser abgesetzte Rohrform des Ventilschließglieds 12 ermöglicht eine sichere, kompakte Aufnahme und Abstützung einzelner Windungen der Ventilfeder 16, ohne den Druckausgleich am Ventilschließglied 12 zu behindern. Das vom Ventilschließglied 12 abgewandte Windungsende ist mittels eines Mundstücks am kappenförmigen Federanschlag 17 gleichfalls zentriert, der mittels Tiefziehen von Dünnblech hergestellt ist.
- Oberhalb des Federanschlags 17 ist in das Ventilgehäuse 2 ein mit dem Ventilschließglied 12 zusammenwirkender Ventilsitz 18 in Form eines Kegeldichtsitzes eingepresst. Das Ventilschließglied 12 ist gemäß
2 mit Radialspiel gegenüber dem zylindrischen Abschnitt der Ventilführung 15 gelagert und kann sich in der geschlossenen Ventilschaltstellung vollständig am Ventilsitz 18 ausrichten. Somit können durch Bauteiltoleranzen bedingte Winkelfehler zwischen Ventilsitz 18 und zugehöriger Dichtfläche des Ventilschließglieds 12 zugunsten einer optimalen Dichtwirkung kompensiert werden. Das Ventilgehäuse 2 weist auf Höhe des Ventilschließglieds 12 und damit oberhalb des Ventilsitzes 18 einen Druckmitteleinlasskanal 19 auf, der in der darstellungsgemäßen offenen Ventilschaltstellung mit einem von unten vertikal in das Ventilgehäuse 2 einmündenden Druckmittelauslasskanal 20 über den Druckmittelraum 5 verbunden ist. - Zur Reduzierung des hydraulischen Widerstands ist der Magnetanker 8 parallel zu dessen Längsachse von Druckausgleichsbohrungen 21 durchdrungen. Das durch den Druckmittelraum 5 strömende Druckmittel kann somit ungehindert durch das Ventilschließglied 12, den Ventilstößel 9 und den Magnetanker 8 in den oberen Magnetankerraum 4 und damit zum Endbereich der Hülse 6 gelangen, so dass unabhängig von Druck- und Temperaturunterschieden des Druckmittels vorteilhaft eine nahezu gleichbleibende Schaltcharakteristik des Elektromagnetventils 1 gewährleistet ist.
- Diesbezüglich ist der hydraulische Druckausgleich des Elektromagnetventils 1 von besonderer Bedeutung. Wie es unter Einbeziehung von
2 deutlich wird, verläuft zu diesem Zweck zwischen der Ventilführung 15 und dem Ventilschließglied 12 ein Dichtring 22, der das Ventilschließglied 12 mit einer Spielpassung leckspaltartig umschließt und somit bei geschlossener Ventilschaltstellung den Magnetankerraum 4 vom Druckmittelraum 5 hydraulisch separiert. Der Dichtring 22, der aus PTFE mit 10% Kohlenstoffanteil in Form von Graphitkügelchen besteht, wird durch einen federbelasteten Federteller 23 in dichtendem Kontakt mit der Ventilführung 15 gehalten. - Die erfindungsgemäße konstruktive Ausgestaltung dieses Dichtkontakts ist nachfolgend anhand der
3 bis5 erläutert; Ausgangspunkt sei3 mit einem bekannten Dichtkontakt. Die Ventilführung 15' und der Dichtring 22' kontaktieren sich mit einer ventilführungsseitigen Innenmantelfläche 24', die im wesentlichen die Oberflächenform eines sich zum Druckmittelraum 5 hin erweiternden Kreiskegelstumpfs aufweist, und mit einer dichtringseitigen Außenmantelfläche 25', die im wesentlichen die Oberflächenform einer sich zum Druckmittelraum 5 hin erweiternden Kugelschicht aufweist. Der Öffnungswinkel des Kreiskegelstumpfs beträgt β', während die der Kugelschicht entsprechende Kugel den Durchmesser D' hat. Der punktförmig dargestellte Kontaktpunkt, der sich geometrisch, d.h. bei Vernachlässigung von elastischen Verformungen der Kontaktflächen 24' und 25' ergibt, liegt bei dem bekannten Kegelwinkel β' auf einem Kleinkreis der Kugelschicht, dessen Durchmesser d' bezüglich der erfindungsgemäßen Ausgestaltung des Dichtkontakts nach4 vergleichsweise klein ist. Der dort erheblich größere Kleinkreisdurchmesser d resultiert daraus, dass die Innenmantelfläche 24 der Ventilführung 15 einen gegenüber β' deutlich kleineren Öffnungswinkel β des Kreiskegelstumpfs aufweist. - Die auf diese Weise verbesserte Verschleißfestigkeit des durch dynamische Querkräfte beaufschlagten Dichtrings 22 wird zudem dadurch erhöht, dass zum einen die zylindrische Innenmantelfläche 26 des Dichtrings 22 das Ventilschließglied 12 (in den
3 bis5 nicht dargestellt) nunmehr mit einer Spielpassung umschließt. Dies ist in4 anhand der gepunktet dargestellten Querschnittskontur des bekannten Dichtrings 22' mit deutlich kleinerem Innendurchmesser 26' als Vergleich illustriert. Zum anderen ist die Innenmantelfläche 26 des Dichtrings 22 seitens des Magnetankerraums 4 und seitens des Druckmittelraums 5 jeweils mit einer Fase 27 bzw. 28 versehen. Wie eingangs erläutert, dienen die Fasen 27, 28 der verbesserten Verschleiß- und Formstabilität des Dichtrings 22 gegenüber Querkräften des Ventilschließglieds 12. - Wie in
5 als weitere Detaillierung von4 dargestellt, ist erfindungsgemäß der geometrische Kontaktpunkt zwischen der Innenmantelfläche 24 der Ventilführung 15 und der Außenmantelfläche 25 des Dichtrings 22 durch folgende geometrische Beziehungen vorgegeben: - Bei dieser konstruktiven Ausgestaltung des Dichtkontakts stützt die Ventilführung 15 den Dichtring 22 in einem nahe des Druckmittelraums 5 verlaufenden Winkelbereich der Kugelschicht, also radial weit außen ab. Ausgehend von der Darstellung liegt dann (mit abnehmendem β) ein verschleißgünstiger Winkelbereich für den Kontaktpunkt zwischen α1 und der Winkelhalbierenden zwischen α1 und α2, d.h. 0,5 (α1 + α2).
- Bezugszeichenliste
-
- 1
- Elektromagnetventil
- 2
- Ventilgehäuse
- 3
- Magnetkern
- 4
- Magnetankerraum
- 5
- Druckmittelraum
- 6
- Hülse
- 7
- Endscheibe
- 8
- Magnetanker
- 9
- Ventilstößel
- 10
- Stufenbohrung des Magnetankers
- 11
- Rückstellfeder
- 12
- Ventilschließglied
- 13
- Durchgangsbohrung des Magnetkerns
- 14
- Buchse
- 15
- Ventilführung
- 16
- Ventilfeder
- 17
- Federanschlag
- 18
- Ventilsitz
- 19
- Druckmitteleinlasskanal
- 20
- Druckmittelauslasskanal
- 21
- Druckausgleichsbohrung
- 22
- Dichtring
- 23
- Federteller
- 24
- Dichtkontaktfläche der Ventilführung
- 25
- Dichtkontaktfläche des Dichtrings
- 26
- Innendurchmesser des Dichtrings
- 27
- Fase
- 28
- Fase
Claims (4)
- Elektromagnetventil (1), umfassend einen Magnetankerraum (4), einen Druckmittelraum (5) mit jeweils daran angeschlossenem Druckmitteleinlasskanal (19) und Druckmittelauslasskanal (20), einen Ventilsitz (18), ein Ventilschließglied (12), das bei Anlage am Ventilsitz (18) die Verbindung zwischen dem Druckmitteleinlasskanal (19) und dem Druckmittelauslasskanal (20) sperrt, und eine zwischen dem Magnetankerraum (4) und dem Druckmittelraum (5) verlaufende Ventilführung (15) zur längsbeweglichen Lagerung des Ventilschließglieds (12), sowie einen das Ventilschließglied (12) umschließenden und an der Ventilführung (15) abgestützten Dichtring (22), der den Magnetankerraum (4) vom Druckmittelraum (5) hydraulisch separiert und aus einem Polymerwerkstoff wie Polytetrafluorethylen (PTFE) besteht, wobei die Ventilführung (15) den Dichtring (22) mit einer Innenmantelfläche (24) kontaktiert, die im Wesentlichen die Oberflächenform eines sich zum Druckmittelraum (5) hin erweiternden Kreiskegelstumpfs aufweist, und wobei der Dichtring (22) die Innenmantelfläche (24) der Ventilführung (15) mit einer Außenmantelfläche (25) kontaktiert, die im Wesentlichen die Oberflächenform einer sich zum Druckmittelraum (5) hin erweiternden Kugelschicht aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der geometrische Kontaktpunkt zwischen der Innenmantelfläche (24) der Ventilführung (15) und der Außenmantelfläche (25) des Dichtrings (22) durch folgende Beziehungen vorgegeben ist:
- Elektromagnetventil (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Innenmantelfläche (26) des Dichtrings (22) das Ventilschließglied (12) mit einer Spielpassung umschließt. - Elektromagnetventil (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die das Ventilschließglied (12) umschließende Innenmantelfläche (26) des Dichtrings (22) seitens des Magnetankerraums (4) und/oder seitens des Druckmittelraums (5) mit einer Fase (27, 28) oder einer Verrundung versehen ist. - Elektromagnetventil (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtring (22) aus PTFE und Anteilen von Glasfasern, Kohlenstoff oder Bronze besteht.
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