DE102011077252B4

DE102011077252B4 - Ventil zum Steuern eines Fluids

Info

Publication number: DE102011077252B4
Application number: DE102011077252.9A
Authority: DE
Inventors: Andreas Karl; Jens Norberg; Andreas Lechler
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2011-06-09
Filing date: 2011-06-09
Publication date: 2018-10-04
Anticipated expiration: 2031-06-10
Also published as: JP6073078B2; JP2012255547A; US20120313029A1; DE102011077252A1

Abstract

Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend:
- einen Schließkörper (2), der einen kalottenförmigen Endbereich (20) aufweist, und
- einen Ventilsitz (3), wobei der Schließkörper (2) am Ventilsitz (3) einen Durchlass (4) freigibt und verschließt,
- wobei der Schließkörper (2) an einem Lager (25) drehbar gelagert ist,
- wobei der Schließkörper (2) zumindest eine Konturierung aufweist, die auf einer Oberfläche des Schließkörpers (2) ausgebildet ist, und
- wobei die Konturierung eingerichtet ist, den Schließkörper (2) in Rotation zu versetzen, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Konturierung in einer Durchströmungsrichtung (S) nach einer Dichtlinie (5) am kalottenförmigen Endbereich (20) beginnt, und
- dass der Schließkörper (2) einen sich kontinuierlich erweiternden Bereich (27) aufweist, in welchem die Konturierung gebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Steuern eines Fluids mit einer gezielt auf einen Schließkörper aufgebrachten Rotationskraft.
Ventile zum Steuern eines Fluids sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden insbesondere z. B. als Einlassventile für Antiblockiervorrichtungen (ABS-Vorrichtungen) in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Je nach Betriebsbedingungen treten bei diesen Ventilen im Regelbetrieb jedoch Schwingungen am Schließkörper auf, die zu einem mechanischen Kontakt mit dem Ventilsitz führen können, woraus eine mechanische Belastung für den Schließkörper resultiert. Bei kontinuierlichem Kontakt an der gleichen Stelle können hierbei Beschädigungen des Schließkörpers auftreten.
Aus JP 2009-92 188 A , EP 2 469 136 A1 , US 2008/0282717 A1 , JP 2009-250 429 A , DE 690 25 466 T2 und US 2 771 902 A sind Ventile zum Steuern eines Fluids gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 bekannt.
Offenbarung der Erfindung
Das erfindungsgemäße Magnetventil zum Steuern eines Fluids mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass durch eine geometrische Gestaltung des Schließkörpers eine kontinuierliche Positionsänderung des Schließkörpers in Bezug zum Ventilkörper bewirkt wird. Dadurch wird verhindert, dass bei Schwingungen des Schließkörpers im Regelbetrieb immer die gleichen Stellen an dessen Umfang belastet werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass das Ventil einen Ventilsitz und einen Schließkörper mit einem kalottenförmigen Endbereich umfasst, wobei der Schließkörper am Ventilsitz einen Durchlass freigibt und verschließt. Ferner weist der an einem Lager drehbar gelagerte Schließkörper zumindest eine Konturierung auf, die auf einer Oberfläche des Schließkörpers ausgebildet ist und den Schließkörper bei geöffnetem Ventil in Rotation versetzt. Somit kann eine ggf. auftretende mechanische Belastung über den Umfang des Schließkörpers verteilt werden. Daraus resultiert eine deutlich erhöhte Lebensdauer des häufig aus einem temperaturabhängigen Kunststoffmaterial hergestellten Schließkörpers. Das Ventil ist vorzugsweise als Stellventil/Einlassventil bei Antiblockier-Vorrichtungen (ABS-Vorrichtungen) einsetzbar. Ferner beginnt die Konturierung in einer Durchströmungsrichtung nach einer Dichtlinie am kalottenförmigen Endbereich. Dadurch wird eine kontinuierlich betriebssichere Abdichtung zwischen Schließkörper und Ventilsitz gewährleistet. Zudem ist ein mechanischer Kontakt zwischen dem Ventilsitz und dem Schließkörper im Bereich der Konturierung hierdurch nicht möglich. Weiterhin weist der Schließkörper in Durchströmungsrichtung einen sich kontinuierlich erweiternden Bereich auf, in welchem die Konturierung gebildet ist. Hierdurch werden in Durchströmungsrichtung ansteigende Tangentialkräfte am Schließkörper erzeugt. Ferner wird hierdurch eine besonders strömungsgünstige, anliegende Umströmung des Schließkörpers erreicht, die einen präzisen und betriebssicheren Regelbetrieb ermöglicht.
Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Konturierung eine schraubenförmig umlaufende Vertiefung. Hierdurch fließt ein Teil der den Schließkörper umströmenden Fluidströmung in der schraubenförmig umlaufenden Vertiefung und erzeugt hierbei Rotationskräfte um eine Längsachse des Schließkörpers. Durch die Rotation des Schließkörpers treten ggf. auftretende schwingungsbedingte Kontakte am Ventilsitz im Regelbetrieb immer an unterschiedlichen Stellen am Umfang des kalottenförmigen Endbereichs auf.
Vorzugsweise weist die schraubenförmig umlaufende Vertiefung einen strömungsgünstig geformten Eintrittsbereich in die Vertiefung auf. Hierdurch wird ein möglichst widerstandsarmer bzw. verwirbelungsfreier Eintritt der Fluidströmung in die Vertiefung erreicht.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Konturierung eine schraubenförmig umlaufende Kante oder ein vom Schließkörper schraubenförmig umlaufendes, vorstehendes Profil, mit einer konstanten Steigung. Die auf die Kante beziehungsweise das Profil auftreffende Fluidströmung erzeugt hierbei Kräfte an der Kante bzw. Profiloberfläche. Ein jeweiliger tangential am Schließkörper wirkender Kraftanteil erzeugt dabei ein Drehmoment bezüglich der Längsachse des Schließkörpers, das dessen Rotation bewirkt.
Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Kante oder das Profil zumindest über 360° schraubenförmig umlaufend gebildet. Dadurch wird eine im Wesentlichen stabile Rotation des Schließkörpers weitestgehend ohne Ausschläge von dessen Mittelachsenrichtung erreicht.
Weiterhin bevorzugt ist ein Übergang von der Oberfläche des Schließkörpers zur Konturierung strömungsgünstig ausgebildet. Hierdurch wird eine anliegende widerstandsarme Fluidströmung mit geringer Wirbelbildung ermöglicht.
Weiterhin bevorzugt ist die geometrische Gestalt der Konturierung gleichbleibend und/oder weist die Konturierung eine konstante Steigung auf. Hierdurch werden im Wesentlichen symmetrische Kraftverhältnisse beziehungsweise Strömungsverhältnisse gewährleistet, die ein Taumeln des rotierenden Schließkörpers in der Fluidströmung im Regelbetrieb weitestgehend verhindern. Alternativ kann die Steigung der Konturierung auch variieren.
Vorzugsweise ist das Ventil ein stromlos offenes oder geschlossenes Ventil.
Figurenliste
Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:

1 eine schematische, teilweise geschnittene Darstellung des erfindungsgemäßen Ventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
2 eine Draufsicht auf einen Schließkörper des Ventils von 1,
3 eine schematische Ansicht des erfindungsgemäßen Ventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
4 eine schematische Schnittdarstellung des Ventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.

Ausführungsformen der Erfindung
Im Folgenden wird anhand der 1 und 2 ein Ventil 1 zum Steuern eines Fluids gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
1 zeigt das Ventil 1, das einen Schließkörper 2 und einen Ventilsitz 3 umfasst. Der Schließkörper 2 ist an einem Lager 25 drehbar gelagert und weist einen kalottenförmig ausgebildeten Endbereich 20 auf. Alternativ ist der Schließkörper in einem zylindrischen Ventileinsatz gelagert und geführt. Eine Mittelachse ist mit X-X bezeichnet. 1 zeigt das Ventil 1 in teilweise geöffneter Hubposition, bei der ein Fluid mit hohem Druck in Richtung der Mittelachse X-X zugeführt wird. Die Fluidströmung wird in einer durch Pfeile angedeuteten Durchströmungsrichtung S am Schließkörper 2 in einen freigegebenen ringförmigen Durchlass 4 zwischen dem Schließkörper 2 und dem Ventilsitz 3 umgelenkt.
Der Schließkörper 2 weist auf seiner Oberfläche eine Konturierung in Form einer schraubenförmig umlaufenden Vertiefung 21 auf, die in einem sich kontinuierlich erweiternden Bereich 27 des Schließkörpers 2 gebildet ist. Die schraubenförmig umlaufende Vertiefung 21 weist eine über den Bereich 27 konstante Steigung sowie eine gleichbleibende geometrische Gestalt auf. Die Vertiefung 21 beginnt in Durchströmungsrichtung S nach einer Dichtlinie 5 am kalottenförmigen Endbereich 20 und weist einen strömungsgünstig geformten Eintrittsbereich 26 auf, durch den eine durch Pfeile gekennzeichnete Teil-Fluidströmung ST einströmt und der Vertiefung 21 folgt.
Wie aus 1 weiter ersichtlich, ist die Vertiefung 21 über einen Winkelbereich von 540° (1,5 Umdrehungen) am Schließkörper 2 ausgebildet. Danach tritt die Teil-Fluidströmung ST an einem Austrittsbereich 28 wieder aus der Vertiefung 21 aus.
Aufgrund der schraubenförmig umlaufenden Formgebung der Vertiefung 21 werden, wie in 2 veranschaulicht, mittels der Fluidströmung ST in der Vertiefung 21 durch Pfeile gekennzeichnete tangentiale Kräfte F1, F2, F3, F4, F5 erzeugt. Die in Umfangsrichtung wirkenden Kräfte F1, F2, F3, F4, F5 bewirken eine durch einen Pfeil gekennzeichnete Rotation R des Schließkörpers 2 um die Mittelachse X-X im Uhrzeigersinn. Hierbei nimmt die Größe der tangentialen Kräfte F1, F2, F3, F4, F5 beginnend vom Eintrittsbereich 26 entlang des schraubenförmigen Verlaufs der Vertiefung 21 zu.
Das erfindungsgemäße Ventil 1 weist somit den Vorteil auf, dass durch die geometrische Formgebung bzw. äußere Gestalt des Schließkörpers 2 ein Teil der Fluidströmung gezielt auf den Schließkörper 2 wirkende, tangential bzw. in Umfangsrichtung wirkende Kräfte erzeugt. Dadurch wird der Schließkörper 2 im Regelbetrieb kontinuierlich in Rotation versetzt, sodass ein Anschlagen des schwingenden Schließkörpers 2 auf den gesamten Umfang des kalottenförmigen Endbereichs 20 verteilt wird. Somit kann die Belastung des Schließkörpers 2 und die Gefahr von Beschädigungen an der Oberfläche des Schließkörpers 2 und/oder des Ventilsitzes erheblich reduziert werden, woraus eine deutliche höhere Lebensdauer resultiert.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 3 ein Ventil 1 gemäß einem zweiten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Gleiche oder funktional gleiche Bauteile sind hier mit denselben Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet.
Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen ersten Ausführungsbeispiel ist hierbei anstelle der Vertiefung 21 eine Konturierung in Form einer vorstehenden Kante 22 vorgesehen, die am Schließkörper 2 mit konstanter Steigung und in einem Winkelbereich von 360° schraubenförmig umlaufend gebildet ist. Hierbei ist ein Übergang 25 in Durchströmungsrichtung S von der Oberfläche des Schließkörpers 2 zur Kante 22 strömungsgünstig ausgebildet. Beim Umströmen des Schließkörpers 2 erzeugt die Fluidströmung hierbei jeweils senkrecht zur Oberfläche der Kante 22 wirkende Kräfte, von denen hier beispielhaft lediglich eine Kraft F dargestellt ist. Wie weiter aus 3 ersichtlich, erzeugt hierbei ein tangentialer Kraftanteil FH der Kraft F die Rotation R des Schließkörpers 2 um die Mittelachse X-X.
Nachfolgend wird mit Bezug auf 4 ein Ventil 1 gemäß einem dritten erfindungsgemäßen Ausführungsbeispiel der Erfindung detailliert beschrieben. Gleiche oder funktional gleiche Bauteile sind hier mit denselben Bezugszeichen wie in den ersten und zweiten Ausführungsbeispielen bezeichnet.
Im Unterschied zum zweiten Ausführungsbeispiel ist hierbei am Schließkörper 2 anstelle der Kante 22 eine Konturierung in Form eines in einem Winkel von 360° schraubenförmig umlaufenden, vorstehenden Profils 23 vorgesehen. Zur Erzeugung der Rotation liegen hierbei am Profil 23 die gleichen Kraftverhältnisse wie beim zweiten Ausführungsbeispiel vor, sodass auf die obige Beschreibung verwiesen werden kann.

Claims

Ventil zum Steuern eines Fluids, umfassend: - einen Schließkörper (2), der einen kalottenförmigen Endbereich (20) aufweist, und - einen Ventilsitz (3), wobei der Schließkörper (2) am Ventilsitz (3) einen Durchlass (4) freigibt und verschließt, - wobei der Schließkörper (2) an einem Lager (25) drehbar gelagert ist, - wobei der Schließkörper (2) zumindest eine Konturierung aufweist, die auf einer Oberfläche des Schließkörpers (2) ausgebildet ist, und - wobei die Konturierung eingerichtet ist, den Schließkörper (2) in Rotation zu versetzen, dadurch gekennzeichnet, - dass die Konturierung in einer Durchströmungsrichtung (S) nach einer Dichtlinie (5) am kalottenförmigen Endbereich (20) beginnt, und - dass der Schließkörper (2) einen sich kontinuierlich erweiternden Bereich (27) aufweist, in welchem die Konturierung gebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung eine schraubenförmig umlaufende Vertiefung (21) ist.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die schraubenförmig umlaufende Vertiefung (21) einen strömungsgünstig geformten Eintrittsbereich (26) aufweist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturierung eine schraubenförmig umlaufende Kante (22) ist oder ein vom Schließkörper (2) schraubenförmig umlaufendes, vorstehendes Profil (23) ist.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet dass die Kante (22) oder das Profil (23) zumindest über 360° schraubenförmig umlaufend gebildet ist.
Ventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Übergang (25) von der Oberfläche des Schließkörpers (2) zur Konturierung strömungsgünstig ausgebildet ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die geometrische Gestalt der Konturierung gleichbleibend ist und/oder die Konturierung eine konstante Steigung aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil ein stromlos geschlossenes Ventil ist.