DE102014012306A1

DE102014012306A1 - Steuerventil mit Bauteilen aus Kunststoff

Info

Publication number: DE102014012306A1
Application number: DE102014012306.5A
Authority: DE
Inventors: Julia Bieler; Michael Ermert; Christoph Flick; Achim Greis; Katrin Grimmer; Michael Hinn; Thomas Lütz; Wolfgang Petri; Willi Schäfer
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2014-08-19
Filing date: 2014-08-19
Publication date: 2016-02-25

Abstract

a. Aufgabe: Die Anwendung in diesem Ventil erfordert eine hohe Festigkeit der eingesetzten Kunststoffe 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 für die Ventilhülse schweißbar sein, zum Beispiel durch Vibrationsschweißen, damit Einbauteile oder Stopfen mit der Ventilhülse verbunden werden können. b. Lösung: Die Ventilhülse (3) besteht aus einem ersten Kunststoff, der in seinen Eigenschaften vor allem hinsichtlich einer guten Abformbarkeit, einer hohen Maßstabilität und einer ausreichenden Schweißbarkeit ausgewählt ist, und die Ventilstange (4) besteht aus einem zweiten Kunststoff, der in seinen Eigenschaften hinsichtlich einer sehr geringen Reibung und einem geringen Verschleiß ausgewählt ist. c. Anwendung: Die erfindungsgemäßen Schaltventile werden für die Verstellung des Regeldrucks von druckgeregelten Schmierölpumpen für Verbrennungsmotoren eingesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Steuerventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs. Steuerventile sind bekannt und weit verbreitet, sie werden beispielsweise zur Steuerung von verstellbaren Ölpumpen eingesetzt, wie in der Druckschrift DE 10 2012 009 951 A1 oder in der Druckschrift EP1873363 beschrieben. Hier wird das von der Pumpe geförderte Schmieröl zur Verstellung dieser Pumpe verwendet. Der Druck ist im Vergleich zu anderen Anwendungen hydraulischer Steuerventile recht niedrig, aber die maximale Betriebstemperatur ist recht hoch und die minimale Betriebstemperatur ist recht niedrig, was hohe Anforderungen an die Ausführung des Steuerventils und die verwendeten Werkstoffe stellt. Die bekannten Steuerventile weisen zumeist Ventilhülsen aus Metall oder Kunststoff und in den Ventilhülsen bewegliche Ventilstangen oder Kolben aus Metall auf.
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 und auch die Ventilstange aus Kunststoff herzustellen, 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 die Kunststoffe in dieser Anwendung sehr hoch sind und daher die meisten handelsüblichen hochfesten Kunststoffe nicht erfolgreich zum Einsatz kommen können. Die Kunststoffe müssen 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 soll der Kunststoff für die Ventilhülse 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 für die Ventilhülse 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 näher ausgeführt sind und durch weitere vorteilhafte Merkmale ergänzt werden. Die Unteransprüche 10 und 11 beschreiben Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Schaltventils. Der Aufbau des Ventils und die Eigenschaften der Kunststoffe der Ventilhülse und der Ventilstange sind im Abschnitt „beispielhafte Ausführung” beschrieben, dies soll hier nicht wiederholt werden.
Das erfindungsgemäße Schaltventil ist in der Großserienfertigung kostengünstig herzustellen, weil die Ventilhülse und die Ventilstange aus durch Spritzgießen verarbeitbaren Kunststoffen bestehen. Wenn der spezifizierte Druck sehr gering oder die zulässige Leckage hoch ist, kann die Ventilhülse an ihrem Außendurchmesser unbearbeitet durch Schleifen bleiben, anderenfalls ist eine Nachbearbeitung durch Schleifen notwendig und wegen der Eigenschaften des eingesetzten Kunststoffs auch möglich. Die Ventilstange braucht nicht geschliffen zu werden, weil sich der eingesetzte Kunststoff in ausreichend hoher Genauigkeit spritzen lässt. Da sie auch nicht geschweißt wird, kann ein nicht oder ungenügend schweißbarer Kunststoff gewählt werden, der besonders hohen Widerstand gegen Verschleiß aufweist. Die eingesetzten Kunststoffe ermöglichen durch ihre Festigkeit und Härte eine hohe Lebensdauer des Schaltventils und sie sind beständig gegen alle in dem Schmieröl vorkommenden Bestandteile und Verunreinigungen. Weil der Kunststoff der Ventilhülse schweißbar ist, können Einbauteile abdichtend eingefügt werden.
Anwendung finden die erfindungsgemäßen Schaltventile für die Verstellung des Regeldrucks von druckgeregelten Schmierölpumpen für Verbrennungsmotoren.
Bild: 1 zeigt das erfindungsgemäße Steuerventil im Schnitt
Beispielhafte Ausführung
Das erfindungsgemäße Steuerventil (1) besteht aus einem Elektromagneten (2), einer Ventilhülse (3), einer in der Ventilhülse beweglich angeordneten und mit dem Anker (5) des Elektromagneten in Wirkverbindung stehenden Ventilstange (4) und einer von der Ventilstange (4) beaufschlagten Kugel (8), die von einer Feder (9) in einen in der Ventilhülse (3) liegenden Sitz (10) gedrückt wird.
Die Ventilhülse (3) besteht aus einem ersten Kunststoff, der in seinen Eigenschaften vor allem hinsichtlich einer guten Abformbarkeit, einer hohen Maßstabilität und ausreichender Schweißbarkeit ausgewählt ist. In die Ventilhülse (3) ist eine Buchse (11) eingeschweißt.
Die Ventilstange (4) besteht aus einem zweiten Kunststoff, der in seinen Eigenschaften hinsichtlich einer sehr geringen Reibung und einem geringen Verschleiß ausgewählt ist, er muss nicht schweißbar sein.
Vorzugsweise ist der Werkstoff der Ventilhülse (3) ein PPS (Polyphenylensulfid) mit 40% Glasfaseranteil und mit 20% mineralischem Füllstoff. Die Kennzeichnung des Lieferanten DIC für diesen Werkstoff lautet FZ-6600-R1. Der Werkstoff zeichnet sich auch durch eine hohe Schweißfestigkeit aus.
Alternativ wird für die Ventilhülse (3) der Werkstoff PPS (Polyphenylensulfid) mit Kohlefasern verwendet, der Lieferant Luvocom bezeichnet diesen Werkstoff als Luvocom 1301-7896.
Für die Ventilstange (4) wird vorzugsweise als Werkstoff PEEK (Polyetheretherketon) ohne Glasfaseranteil verwendet.
Bevorzugt ist der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet.
Alternativ ist aber der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) nach dem Abspritzen durch Schleifen, sowie durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet.
Die Ventilstange (4) ist nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet.
Eine erste Funktion des Steuerventils wird erreicht, indem ein Absatz (6) an der Ventilhülse (3) und eine radial ausgerichtete Fläche (7) an der Ventilstange (4) abhängig von der Lage des Ankers (5) zusammenwirken und dabei eine variable Durchflussöffnung freigeben.
Eine zweite Funktion des Steuerventils wird erreicht, indem die Kugel (8) im Zusammenwirken mit dem Sitz (10) eine zweite von der Lage des Ankers (5) abhängige Durchflussöffnung freigibt.
Bezugszeichenliste

1: Steuerventil
2: Elektromagnet
3: Ventilhülse
4: Ventilstange
5: Anker
6: Absatz
7: Fläche
8: Kugel
9: Feder
10: Sitz
11: Buchse

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 102012009951 A1 [0001]
EP 1873363 [0001]
DE 1002581 [0002]

Claims

Steuerventil (1) mit einem Elektromagneten (2), einer Ventilhülse (3) und einer in der Ventilhülse beweglich angeordneten und mit einem Anker (5) des Elektromagneten in Wirkverbindung stehenden Ventilstange (4) und mit einer von der Ventilstange (4) beaufschlagten Kugel (8), die von einer Feder (9) in einen in der Ventilhülse (3) liegenden Sitz (10) gedrückt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (3) aus einem ersten Kunststoff besteht, der in seinen Eigenschaften vor allem hinsichtlich einer guten Abformbarkeit, einer hohen Maßstabilität und einer ausreichenden Schweißbarkeit ausgewählt ist, und dass die Ventilstange (4) aus einem zweiten Kunststoff besteht, der in seinen Eigenschaften hinsichtlich einer sehr geringen Reibung und einem geringen Verschleiß ausgewählt ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Ventilhülse (3) ein PPS mit 40% Glasfaseranteil und mit 20% mineralischem Füllstoff ist.
Steuerventil nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Ventilhülse (3) ein PPS mit Kohlefasern ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Werkstoff der Ventilstange (4) ein PEEK ohne Glasfaseranteil ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) nach dem Abspritzen durch Schleifen, sowie durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilstange (4) nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet ist.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6 dadurch gekennzeichnet, dass ein Absatz (6) an der Ventilhülse (3) und eine radial ausgerichtete Fläche (7) an der Ventilstange (4) in ihrem Zusammenwirken eine erste von der Lage des Ankers (5) abhängige Ventilfunktion bilden.
Steuerventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (8) im Zusammenwirken mit dem Sitz (10) eine zweite von der Lage des Ankers (5) abhängige Ventilfunktion bildet.
Verfahren zur Herstellung eines Steuerventils nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilhülse (3) aus einem ersten Kunststoff, nämlich aus einem PPS mit 40% Glasfaseranteil und mit 20% mineralischem Füllstoff, hergestellt wird und dass die Ventilstange (4) aus einem zweiten Kunststoff, nämlich aus einem PEEK ohne Glasfaseranteil, hergestellt wird und dass der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) und die Ventilstange (4) nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet werden.
Verfahren zur Herstellung eines Steuerventils nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Ventilhülse (3) aus einem ersten Kunststoff, nämlich aus einem PPS mit Kohlefasern, hergestellt wird und dass die Ventilstange (4) aus einem zweiten Kunststoff, nämlich aus einem PEEK ohne Glasfaseranteil, hergestellt wird und dass der Außendurchmesser der Ventilhülse (3) und die Ventilstange (4) nach dem Abspritzen nur durch Bürsten oder Strahlen bearbeitet werden.