DE102012009951A1

DE102012009951A1 - Schaltventil mit einer Ventilhülse aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102012009951A1
Application number: DE201210009951
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Petri; Ulrich Lotz; Frank Rommersbach; Holger Demmer; Michael Ermert; Christoph Flick
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2012-05-18
Filing date: 2012-05-18
Publication date: 2013-11-21

Abstract

Aufgabe: Ein Schaltventil mit zwei oder mehr Anschlüssen und zwei Schaltstellungen in einer Verstellpumpe für Schmieröl in einem Verbrennungsmotor soll aus Kostengründen mit einer Ventilhülse aus Kunststoff ausgestattet werden und durch Spaltdichtungen zur Einbaubohrung hin abgedichtet werden. Lösung: Das Schaltventil (1) ist als Sitzventil ausgeführt, wobei die Ventilhülse, die von einer Einbaubohrung (4) mindestens teilweise umfasst ist, aus einem hochfesten, gegen die Medien Motorschmieröl, Schmieröladditive, Motortreibstoffe, Treibstoffverbrennungsprodukte und Verschleißprodukte beständigen und für die üblichen Motoröltemperaturen geeigneten Kunststoff besteht und der Kunststoff spanabhebend bearbeitbar ist. Anwendung: Verstellung des Regeldrucks einer verstellbaren Schmierölpumpe in einem Verbrennungsmotor.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schaltventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Für druckgeregelte verstellbare Schmierölpumpen in Verbrennungsmotoren werden elektromagnetisch betätigte Schaltventile eingesetzt, um den Regeldruck umzuschalten, wie zum Beispiel in der Druckschrift EP1873363 beschrieben. Solche Schaltventile werden entweder als Schieberventile oder als Sitzventile ausgeführt.
Die Hersteller solcher Schaltventile stehen unter einem sehr starken Preisdruck, weil die Ventile in einem vertretbaren Preisverhältnis zu der kompletten Verstellpumpe stehen sollen, die Ventile in großen Stückzahlen hergestellt werden und der niedrige Druck es vermeidbar macht, die vergleichsweise teuren technischen Lösungen aus dem Gebiet der Hochdruckhydraulik zu verwenden.
Ein naheliegender Lösungsweg zur Kostenreduzierung besteht darin, aufwendige Bauteile des Schaltventils aus Kunststoff herzustellen, wie bereits in der Druckschrift DE1002581 aufgezeigt, und die Ventilhülse kommt dazu vorrangig in Betracht. Wenn es dabei auch gelingt, die Abdichtung zwischen der Ventilhülse und der zugehörigen Einbaubohrung ohne zusätzliche Elastomerdichtungen auszuführen, sind erhebliche Kostenreduzierungen möglich.
Spaltdichtungen, die Elastomerdichtungen ersetzen, sind bei metallischen Ventilhülsen verbreitet, allerdings mit Toleranzen des Außendurchmessers der Ventilhülse, die mit Kunststoff üblicherweise nicht hergestellt werden können. Dabei soll auch ein Presssitz der Ventilhülse in der Einbaubohrung ausgeschlossen werden, weil dieser die Montage und die Demontage erheblich behindern würde.
Es hat sich in Versuchen erwiesen, dass die Anforderungen an den Kunststoff in dieser Anwendung sehr hoch sind und daher die meisten handelsüblichen hochfesten Kunststoffe nicht erfolgreich zum Einsatz kommen können.
Der Kunststoff muss in allen im Motorschmierstoff vertretenen Flüssigkeiten beständig sein, und zwar in dem gesamten motortypischen Temperaturbereich. Dabei sind die Treibstoffe des Motors und ihre Reaktionsprodukte von besonderer Bedeutung, ein wichtiges Begleit- und Reaktionsprodukt des Treibstoffs ist Wasser, und viele hochfeste Kunststoffe nehmen leicht Wasser auf. Diese Wasseraufnahme führt zum Aufquellen und zur Änderung wichtiger Eigenschaften der Bauteile aus Kunststoff.
Die für die Spaltdichtung zwischen Ventilhülse und Einbaubohrung erforderlichen Toleranzen können je nach vorgegebener Spezifikation für den Druck- und die Leckage nur mit nachbearbeiteten Kunststoffteilen prozesssicher eingehalten werden, daher muss der Kunststoff spanabhebend, zum Beispiel durch Schleifen, nachbearbeitbar sein.
Die Anwendung in einem Ventil erfordert eine hohe Festigkeit des Kunststoffs bei niedrigen und hohen Temperaturen und eine angemessene Härte, weil eine hohe Beständigkeit der Funktionsflächen erwartet wird, die die Ventilfunktionen darstellen.
Außerdem sollte der Kunststoff schweißbar sein, zum Beispiel durch Vibrationsschweißen, damit Einbauteile oder Stopfen mit der Ventilhülse verbunden werden können.
Die geschilderten Anforderungen erfüllt ein Schaltventil, das die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs aufweist, wobei die Merkmale in den Unteransprüchen 2 bis 10 näher ausgeführt sind und durch weitere vorteilhafte Merkmale ergänzt werden.
Der Unteranspruch 11 beschreibt ein Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltventils.
Der Aufbau des Ventils und die Eigenschaften des Kunststoffs der Ventilhülse sind im Abschnitt „beispielhafte Ausführung” beschrieben, dies soll hier nicht wiederholt werden.
Das erfindungsgemäße Schaltventil ist in der Großserienfertigung kostengünstig herzustellen, weil die Ventilhülse aus einem durch Spritzgießen verarbeitbaren Kunststoff besteht. Wenn der spezifizierte Druck sehr gering oder die zulässige Leckage hoch ist, kann die Ventilhülse an ihrem Außendurchmesser unbearbeitet bleiben, anderenfalls ist eine Nachbearbeitung notwendig und wegen der Eigenschaften des eingesetzten Kunststoffs auch möglich. Der eingesetzte Kunststoff ermöglicht durch seine Festigkeit und seine Härte eine hohe Lebensdauer des Schaltventils und er ist beständig gegen alle in dem Schmieröl vorkommenden Bestandteile und Verunreinigungen. Weil der Kunststoff schweißbar ist, können Einbauteile abdichtend eingefügt werden.
Anwendung finden die erfindungsgemäßen Schaltventile für die Verstellung des Regeldrucks von druckgeregelten Schmierölpumpen für Verbrennungsmotoren.
Bilder:
1 zeigt ein erfindungsgemäßes Schaltventil.
Beispielhafte Ausführung
Das beispielhafte Schaltventil 1 mit zwei oder mehr Anschlüssen und zwei Schaltstellungen ist als Sitzventil ausgeführt und weist zur Betätigung der Mittel zum Schalten der Fluidstöme einen Elektromagneten 2 auf, wobei die Mittel zum Schalten der Fluidstöme sich im Inneren einer Ventilhülse 3 befinden, die von einer Einbaubohrung 4 mindestens teilweise umfasst ist und durch eine Mehrzahl von Spaltdichtungen 5 von der Einbaubohrung abgegrenzt ist. Die Spaltdichtungen dichten auch die Anschlüssen gegeneinander ab.
Die Ventilhülse 3 besteht aus einem hochfesten, gegen die Medien Motorschmieröl, Schmieröladditive, Motortreibstoffe, Treibstoffverbrennungsprodukte und Verschleißprodukte beständigen und für die üblichen Motoröltemperaturen geeigneten Kunststoff. Der Kunststoff ist spanabhebend bearbeitbar und schweißbar.
Vorzugsweise wird die Ventilhülse 3 beim Urformen im Bereich des dichtenden Außendurchmessers 6 mit ausreichender Genauigkeit für die Dichtfunktion der Spaltdichtungen und für die Erfordernisse der Montage hergestellt.
Alternativ wird die Ventilhülse beim Urformen im Bereich des dichtenden Außendurchmessers 6 mit Übermaß hergestellt und bei einer anschließenden spanabhebenden Bearbeitung auf das zur Montage und zur ausreichenden Abdichtung erforderliche Maß gebracht, zum Beispiel durch Schleifen.
In einer vorteilhaften Ausführung ist mindestens ein Einbauteil 7 mindestens teilweise in die Ventilhülse 3 eingeschoben und mit der Ventilhülse verschweißt.
Vorzugsweise besteht die Ventilhülse aus einem mit 40% Glasfaser verstärktem Kunststoff, in diesem Beispiel aus PPS.
Der Kunststoff der Ventilhülse ist ein hochfestes und temperaturbeständiges Material, das bei der Temperatur von 23°C eine Bruchfestigkeit von mehr als 190 MPa aufweist, und bei der Temperatur von 150°C noch eine Bruchfestigkeit von mehr als 60 MPa aufweist.
Um dem Kunststoff der Ventilhülse die Eignung als Dichtsitz für das Schalten von Fluidströmen mit geringem Druck zu verleihen, liegt bei 23°C die Härte nach Rockwell M zwischen 95 und 105.
Zur Verbesserung der Dichtwirkung ist mindestens um einen Dichtsitz 8 im Inneren des Ventils eine Ausnehmung 9 angeordnet, die eine geringere wirksame Wanddicke im kritischen Bereich bewirkt.
Die besonders gute Medienbeständigkeit des Kunststoffs drückt sich dadurch aus, dass die Wasseraufnahme sehr gering ist, in diesem Beispiel weniger als 0,025% bei 23°C.
Ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung einer Ventilhülse 3 eines Schaltventils 1 besteht darin, dass die Ventilhülse aus einem hochfesten und besonders gegen die Medien Motorschmieröl, Schmieröladditive, Motortreibstoffe, Treibstoffverbrennungsprodukte und Verschleißprodukte beständigen Kunststoff urformend hergestellt und danach spangebend am Außendurchmesser 6 bearbeitet wird und danach mit mindestens einem Einbauteil 7 versehen wird, das mindestens teilweise in die Ventilhülse eingeschoben und mit ihr verschweißt wird.
Bezugszeichenliste

1: Schaltventil
2: Elektromagnet
3: Ventilhülse
4: Einbaubohrung
5: Spaltdichtung
6: Außendurchmesser der Ventilhülse
7: Einbauteil (Stopfen)
8: Dichtsitz
9: Ausnehmung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

EP 1873363 [0002]
DE 1002581 [0004]

Claims

Ein Schaltventil (1) mit zwei oder mehr Anschlüssen und zwei Schaltstellungen ist als Sitzventil ausgeführt und weist zur Betätigung der Mittel zum Schalten der Fluidstöme einen Elektromagneten (2) auf, wobei die Mittel zum Schalten der Fluidstöme sich im Inneren einer Ventilhülse (3) befinden, die von einer Einbaubohrung (4) mindestens teilweise umfasst ist und die gemeinsam mit der Einbaubohrung eine Mehrzahl von Spaltdichtungen (5) ausbildet dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse aus einem hochfesten, gegen die Medien Motorschmieröl, Schmieröladditive, Motortreibstoffe, Treibstoffverbrennungsprodukte und Verschleißprodukte beständigen und für die üblichen Motoröltemperaturen geeigneten Kunststoff besteht und dass der Kunststoff spanabhebend bearbeitbar ist.
Schaltventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse beim Urformen im Bereich des dichtenden Außendurchmessers (6) mit ausreichender Genauigkeit für die Dichtfunktion und für die Erfordernisse der Montage hergestellt ist.
Schaltventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse beim Urformen im Bereich des dichtenden Außendurchmessers (6) mit Übermaß hergestellt ist und bei einer anschließenden spanabhebenden Bearbeitung auf das zur Montage und zur ausreichenden Abdichtung erforderliche Maß gebracht ist.
Schaltventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Ventilhülse (3) schweißbar ist und dass mindestens ein Einbauteil (7) mindestens teilweise in die Ventilhülse eingeschoben und mit der Ventilhülse verschweißt ist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse aus einem mit 40% Glasfaser verstärktem PPS besteht.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Ventilhülse bei der Temperatur von 23°C eine Bruchfestigkeit von mehr als 190 MPa aufweist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Ventilhülse bei der Temperatur von 150°C eine Bruchfestigkeit von mehr als 60 MPa aufweist.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Ventilhülse eine Härte aufweist, die ihm die Eignung als Dichtsitz für das Schalten von Fluidströmen mit geringem Druck verleiht, wobei die Härte nach Rockwell M bei 23°C zwischen 95 und 105 liegt.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff der Ventilhülse sich durch eine sehr geringe Wasseraufnahme auszeichnet, beispielsweise weniger als 0,025% bei 23°C.
Schaltventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9 dadurch gekennzeichnet, dass um mindestens einen Dichtsitz (8) im Inneren des Ventils eine Ausnehmung (9) angeordnet ist.
Verfahren zur Herstellung einer Ventilhülse (3) eines Schaltventils (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse aus einem hochfesten und besonders gegen die Medien Motorschmieröl, Schmieröladditive, Motortreibstoffe, Treibstoffverbrennungsprodukte und Verschleißprodukte beständigen Kunststoff urformend hergestellt und danach spangebend am Außendurchmesser (6) bearbeitet wird und danach mit mindestens einem Einbauteil (7) versehen wird, das mindestens teilweise in die Ventilhülse eingeschoben und mit ihr verschweißt wird.