DE102012213142A1

DE102012213142A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102012213142A1
Application number: DE201210213142
Authority: DE
Inventors: Volker Edelmann
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-08-17
Filing date: 2012-07-26
Publication date: 2013-02-21

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilkolben, der gegen eine Ventilfedervorspannkraft bewegbar ist. Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass die Ventilfedervorspannkraft von einem Federfluid bereitgestellt wird, dessen Zustand sich im Betrieb des Ventils zwischen flüssig und gasförmig ändert.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilkolben, der gegen eine Ventilfedervorspannkraft bewegbar ist. Die Erfindung betrifft des Weiteren ein Verfahren zum Betreiben eines derartigen Ventils.
Aus der deutschen Offenlegungsschrift DE 10 2007 031 290 A1 ist ein Schieberventil zur Regelung des hydraulischen Drucks an einem Arbeitsanschluss mit einem Ventilschieber bekannt, der durch eine Feder entgegen seiner Betätigungsrichtung mit einer definierten Kraft beaufschlagt ist. Aus der deutschen Patentschrift DE 28 19 822 C2 ist eine hydraulische Feder mit Federzylinder und Kolben bekannt, die gegen ein Flüssigkeitsvolumen federnd ineinander greifen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil mit einem Ventilkolben zu schaffen, der gegen eine Ventilfedervorspannkraft bewegbar ist, die relativ groß ist und nach dem Überschreiten eines Maximalwerts deutlich abfällt.
Die Aufgabe ist bei einem Ventil mit einem Ventilkolben, der gegen eine Ventilfedervorspannkraft bewegbar ist, dadurch gelöst, dass die Ventilfedervorspannkraft von einem Federfluid bereitgestellt wird, dessen Zustand sich im Betrieb des Ventils zwischen flüssig und gasförmig ändert. Gemäß einem wesentlichen Aspekt der Erfindung wird eine Zustandsänderung des Federfluids im Betrieb des Ventils von flüssig zu gasförmig genutzt, um ein Federsystem zu realisieren, das nach Überschreiten einer großen Vorspannkraft eine niedrige Federsteifigkeit aufweist.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federfluid in einem Federfluidraum angeordnet ist, der von einem Ende des Ventilkolbens begrenzt wird. Der Federfluidraum kann mit einer Einmalfüllung mit Federfluid gefüllt sein. Der Federfluidraum kann aber auch über eine Druckquelle, wie eine Pumpe, mit Federfluid gefüllt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Federfluidraum unterdruckdicht abgeschlossen ist. Zu diesem Zweck kann der Ventilkolben mit einem O-Ring ausgestattet sein. Wenn auf den Ventilkolben eine Zugkraft aufgebracht wird, dann bewegt sich der Ventilkolben zunächst so lange nicht, bis der in dem unterdruckdichten Federfluidraum entstehende Unterdruck unter den Dampfdruck des Federfluids fällt. Wird dieser Wert unterschritten, so verdampft das Federfluid und der Ventilkolben kann ohne groß weiter ansteigende Kraftaufbringung von dem Federfluid weg bewegt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass der Federfluidraum über ein Druckentlastungsventil mit einem Druckentlastungsraum in Verbindung steht. Über das Druckentlastungsventil kann überschüssiges Federfluid und/oder Gas, insbesondere Luft, aus dem Federfluidraum in den Druckentlastungsraum abgeführt werden.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Federfluid im Betrieb des Ventils mit einem Federfluidunterdruck beaufschlagt ist, der zur Darstellung der Federvorspannkraft einen Dampfdruck des Federfluids unter- und/oder überschreitet. Die von dem Federfluid ausgeübte Federvorspannkraft ist relativ groß, so lange der Federfluidunterdruck größer als der Dampfdruck ist. Wenn der Dampfdruck unterschritten wird, dann fällt die von dem Federfluid ausgeübte Federvorspannkraft stark ab.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Schieberventil ausgeführt ist. Das Ventil ist vorzugsweise als Längsschieberventil mit einem Längsschieber ausgeführt, an welchem der Ventilkolben angebracht ist. Der Ventilkolben ist vorzugsweise an einem Ende des Längsschiebers angebracht beziehungsweise ausgebildet.
Ein weiteres bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Ventils ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil als Hydraulikventil ausgeführt ist. Das Ventil dient zum Beispiel dazu, einen Hydraulikdruck und/oder einen Volumenstrom zu steuern beziehungsweise zu regeln.
Bei einem Verfahren zum Betreiben eines vorab beschriebenen Ventils ist die oben angegebene Aufgabe alternativ oder zusätzlich dadurch gelöst, dass der Druck des Federfluids zur Darstellung der Federvorspannkraft reduziert wird, bis das Federfluid von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergeht. Dabei wird als Federfluid vorzugsweise ein Hydraulikmedium verwendet. Bei dem Hydraulikmedium handelt es sich zum Beispiel um Hydrauliköl. Das Hydrauliköl hat nahe einem absoluten Druck von null bar vorzugsweise einen relativ konstanten Dampfdruck. Wird der Dampfdruck unterschritten, so steigt die Kraft, die von dem Dampfdruck und der Ventilkolbenfläche abhängt, auch bei einem relativ großen Kolbenweg nur noch leicht an.
Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel des Verfahrens ist dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben zur Darstellung der Ventilfedervorspannkraft im Betrieb des Ventils mit einer Zugkraft beaufschlagt wird, bis ein dadurch bewirkter Federfluidunterdruck unter den Dampfdruck des Federfluids absinkt. Der Ventilkolben wird durch die Zugkraft sozusagen aus dem Federfluidraum heraus bewegt, wodurch sich dessen Volumen vergrößert.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung, in der unter Bezugnahme auf die Zeichnung verschiedene Ausführungsbeispiele im Einzelnen beschrieben sind. Es zeigen:
1 eine vereinfachte Darstellung eines erfindungsgemäßen Ventils mit einem Federfluid in seiner flüssigen Phase;
2 das Ventil aus 1 mit dem Federfluid in einer flüssigen und einer gasförmigen Phase;
3 eine kartesisches Koordinatendiagramm, in dem der Druck beziehungsweise Unterdruck eines Ventilkolbens des Ventils aus den 1 und 2 über einem Ventilkolbenweg aufgetragen ist und
4 ein detailliertes Ausführungsbeispiel des Ventils aus den 1 und 2
In den 1 und 2 ist ein Ventil 1 mit einem Ventilgehäuse 2 vereinfacht dargestellt. In dem Ventilgehäuse 2 ist ein Ventilkolben 4 hin und her bewegbar geführt. Der Ventilkolben 4 begrenzt in dem Ventilgehäuse 2 einen Federfluidraum, der mit Federfluid 6 gefüllt ist. Durch einen O-Ring 8 ist der Federfluidraum druckdicht, insbesondere unterdruckdicht, gegenüber der Umgebung abgeschlossen. Durch ein Symbol 9 ist eine Druckquelle, zum Beispiel eine Pumpe, angedeutet, über die das Federfluid 6 in den Federfluidraum gelangt.
Durch einen Pfeil 10 ist angedeutet, dass im Betrieb des Ventils 1 eine Zugkraft auf den Ventilkolben 4 ausgeübt wird. Durch einen weiteren Pfeil 11 ist ein Weg angedeutet, um den sich der Ventilkolben 4 entgegen einer Federvorspannkraft, die von dem Federfluid 6 ausgeübt wird, in den 1 und 2 nach recht bewegen kann, also von dem Symbol 9 weg. Bei dem Federfluid 6 handelt es sich um Hydrauliköl, das im normalen Betriebstemperaturbereich des Ventils 1 einen relativ konstanten Dampfdruck nahe einem absoluten Druck von null bar aufweist.
In 1 ist angedeutet, dass sich der Ventilkolben 4 unter Ausübung einer ansteigenden Zugkraft 10 so lange nicht bewegt, wie der in dem Federfluidraum entstehende Unterdruck nicht unter den Dampfdruck des Hydrauliköls abfällt. Wenn der Unterdruck in dem Federfluidraum unter den Dampfdruck des Hydrauliköls abfällt, dann verdampft ein Teil des Hydrauliköls und der Ventilkolben 4 kann, wie in 2 angedeutet ist, nach rechts, also von dem Symbol 9 weg, bewegt werden, ohne dass dazu eine deutlich ansteigende Zugkraft benötigt wird. In 2 weist das Federfluid 6 eine flüssige Phase 14 und eine gasförmige Phase 15 auf.
In 3 ist ein kartesisches Koordinatendiagramm mit einer x-Achse 21 und einer y-Achse 22 dargestellt. Auf der x-Achse 21 ist der in den 1 und 2 durch den Pfeil 11 angedeutete Kolbenweg des Ventilkolbens in Millimeter aufgetragen. Auf der y-Achse 22 ist der Druck des Federfluids 6 in bar aufgetragen. Durch eine gestrichelte Linie 24 ist ein absoluter Druck von null bar angedeutet. Durch eine durchgezogene Linie 25 ist eine Druck-Weg-Kennlinie des Ventils 1 aus den 1 und 2 dargestellt. Wenn der Dampfdruck des Federfluids 6 unterschritten wird, dann steigt die Druck-Weg-Kennlinie 25 auch bei einem großen Kolbenweg nur noch leicht an. Die zugehörige Kraft ergibt sich aus dem Druck multipliziert mit der Ventilkolbenfläche.
In 4 ist ein Ventil 41 im Längsschnitt gezeigt, das ein Ausführungsbeispiel des Ventils 1 aus den 1 und 2 darstellt. Das Ventil 41 umfasst einen Ventilblock 42, in dem ein Ventilkolben 44 einen Federfluidraum begrenzt, der mit Federfluid 46 gefüllt ist. An dem Ventilkolben 44 ist ein O-Ring 48 angebracht, der dazu dient, den Federfluidraum mit dem Federfluid 46 unterdruckdicht abzuschließen.
Der Ventilkolben 44 ist an einem Ende eines Längsschiebers 50 ausgebildet. Der Längsschieber 50 umfasst zwei Kolbenstege 51, 52, die Anschlusslamellen 53, 54 in dem Ventilblock 42 zugeordnet sind. Die beiden Kolbenstege 51, 52 sind durch einen Verbindungsabschnitt 55 miteinander verbunden.
Der Verbindungsabschnitt 55 hat einen deutlich geringen Außendurchmesser als die Kolbenstege 51, 52. Der Federfluidraum steht über eine Entlastungsleitung 58, in der ein Druckentlastungsventil 60 angeordnet ist, über die Anschlusslamelle 53 mit einem Druckentlastungsraum, zum Beispiel einem Tank, in Verbindung.
Das Druckentlastungsventil 60 ist als Rückschlagventil ausgeführt. Über das Druckentlastungsventil 60 kann Luft und/oder überschüssiges Federfluid aus dem Federfluidraum in den Druckentlastungsraum abgeführt werden.
Eine Zustandsänderung des Federfluids 46 unterhalb und oberhalb dessen Dampfdrucks wird dazu genutzt, unterschiedliche Kräfte auf den Ventilkolben 44 auszuüben. Wenn der Ventilkolben 44 über den Längsschieber 50 mit einer Zugkraft beaufschlagt wird, dann bewegt er sich so lange nicht, bis der Unterdruck in den unterdruckdichten Federfluidraum unter den Dampfdruck des Federfluids abfällt.
Das Federfluid kann im gasförmigen Zustand ein deutlich größeres Volumen einnehmen als im flüssigen Zustand. Deshalb steigt die von dem Federfluid 46 ausgeübte Federvorspannkraft nach Unterschreiten des Dampfdrucks nur noch langsam an. Der Unterdruck des Federfluids 46 fällt dann nur noch leicht ab, bis maximal der absolute Druck von null bar erreicht ist.
Bezugszeichenliste

1: Ventil
2: Ventilgehäuse
4: Ventilkolben
6: Federfluid
8: O-Ring
9: Symbol
10: Pfeil
11: Pfeil
14: flüssige Phase
15: gasförmige Phase
21: x-Achse
22: y-Achse
24: gestrichelte Linie
25: durchgezogene Linie
41: Ventil
42: Ventilblock
44: Ventilkolben
46: Federfluid
48: O-Ring
50: Längsschieber
51: Kolbensteg
52: Kolbensteg
53: Anschlusslamelle
54: Anschlusslamelle
55: Verbindungsabschnitt
58: Entlastungsleitung
60: Druckentlastungsventil

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

DE 102007031290 A1 [0002]
DE 2819822 C2 [0002]

Claims

Ventil mit einem Ventilkolben (4; 44), der gegen eine Ventilfedervorspannkraft bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilfedervorspannkraft von einem Federfluid (6; 46) bereitgestellt wird, dessen Zustand sich im Betrieb des Ventils (1; 41) zwischen flüssig und gasförmig ändert.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Federfluid (6; 46) in einem Federfluidraum angeordnet ist, der von einem Ende des Ventilkolbens (4; 44) begrenzt wird.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federfluidraum unterdruckdicht abgeschlossen ist.
Ventil nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Federfluidraum über ein Druckentlastungsventil (60) mit einem Druckentlastungsraum in Verbindung steht.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federfluid (6; 46) im Betrieb des Ventils (1; 41) mit einem Federfluidunterdruck beaufschlagt ist, der zur Darstellung der Federvorspannkraft einen Dampfdruck des Federfluids (6; 46) unter- und/oder überschreitet.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1; 41) als Schieberventil ausgeführt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1; 41) als Hydraulikventil ausgeführt ist.
Verfahren zum Betreiben eines Ventils (1; 41) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Druck des Federfluids (6; 46) zur Darstellung der Federvorspannkraft reduziert wird, bis das Federfluid (6; 46) von einem flüssigen Zustand in einen gasförmigen Zustand übergeht.
Verfahren nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass als Federfluid (6; 46) ein Hydraulikmedium verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkolben (4; 44) zur Darstellung der Ventilfedervorspannkraft im Betrieb des Ventils (1; 41) mit einer Zugkraft beaufschlagt wird, bis ein dadurch bewirkter Federfluidunterdruck unter den Dampfdruck des Federfluids (6; 46) absinkt.