DE102014200074A1

DE102014200074A1 - Ventil

Info

Publication number: DE102014200074A1
Application number: DE102014200074.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Voehringer; Thomas Nierychlo
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2014-01-08
Filing date: 2014-01-08
Publication date: 2015-07-09
Also published as: WO2015104130A1

Abstract

Ventil (1), umfassend einen Ventilzylinder (3), einen innerhalb des Ventilzylinders (3) zwischen einer Schließstellung und Öffnungsstellung beweglichen Schließkolben (7), so dass in der Schließstellung das Ventil (1) geschlossen und in der Öffnungsstellung das Ventil (1) geöffnet ist, eine Zulauföffnung (8) zur Zuführung eines Fluides innerhalb eines von dem Ventilzylinder (3) eingeschlossenen Zylinderraumes (6), wenigstens eine Ablauföffnung (9) zur Abführung des in den Zylinderraum (6) eingeleiteten Fluides, ein mit dem Schließkolben (7) verbundenes elastisches Ventilelement (10), insbesondere Ventilfeder (11), mit welcher auf den Schließkolben (7) eine Schließkraft aufbringbar ist, die entgegengesetzt zu einer von dem Fluid auf den Schließkolben (7) aufbringbaren hydrostatischen Druckkraft ausgerichtet ist, wobei an dem Schließkolben (7) eine Prallfläche (12) ausgebildet ist, um mittels einer Geschwindigkeitsänderung an der Prallfläche (12) des durch die Zulauföffnung (8) einströmenden Fluides an dem Schließkolben (7) in einer Zwischenstellung und der Öffnungsstellung des Schließkolbens (7) auf den Schließkolben (7) eine Impulskraft aufzubringen und die Impulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement (10) auf den Schließkolben (7) aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist, so dass der Schließkolben (7) mittels der von dem elastischen Ventilelement (10) aufgebrachten Schließkraft und dem Fluid auf den Schließkolben (7) aufgebrachten hydrostatischen Druckkraft und/oder Impulskraft zwischen der Schließstellung der Öffnungsstellung bewegbar ist, wobei an dem Schließkolben (7) eine Zusatzprallfläche (14) ausgebildet ist, um auch bei einer gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens (7) von dem Fluid auf den Schließkolben (7) an der Zusatzprallfläche (14) eine Zusatzimpulskraft aufzubringen und die Zusatzimpulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement (10) auf den Schließkolben (7) aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist und/oder an dem Ventil (1) ein Anschlag (40) zur Begrenzung der Bewegung des Schließkolbens (7) ausgebildet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 und ein hydraulisches Hybridsystem gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 14.
Stand der Technik
Ventile weisen einen Schließkolben auf der zwischen einer Schließstellung und einer Öffnungsstellung beweglich an einem Zylinder gelagert ist. Durch eine Zulauföffnung kann Fluid, insbesondere Flüssigkeit, in das Ventil ein- und durch eine Ablauföffnung aus dem Ventil abgeleitet werden. Auf den Schließkolben wirkt einerseits der hydrostatische Druckkraft des Fluides und außerdem bringt eine Ventilfeder eine Schließkraft auf den Schließkolben auf, welche entgegensetzt zu der hydrostatischen Druckkraft ausgerichtet ist. Bei einer starken Stauchung der Ventilfeder kann es zu einer plastischen, die Ventilfeder beschädigenden Veränderung der Ventilfeder kommen. Der Schließkolben weist außerdem eine Prallfläche auf. An der Prallfläche wird das durch die Zulauföffnung einströmende Fluid umgelenkt, so dass dadurch die Geschwindigkeit als vektorielle Größe geändert wird, d. h. im Wesentlichen die Richtung des Fluides geändert wird, und dadurch eine Impulskraft auf den Schließkolben übertragen wird. Die Impulskraft bzw. ein Anteil der Impulskraft ist ebenfalls entgegengesetzt zu der Schließkraft der Feder ausgerichtet. In der Schließstellung des Schließkolbens ist die Zulauföffnung vollständig verschlossen und es strömt kein Fluid durch das Ventil, so dass nur die hydrostatische Druckkraft des Fluides und die Schließkraft der Feder auf den Schließkolben wirkt. Ab einem vorgegebenen Mindestdruck öffnet der Schließkolben.
Das Ventil als ein Druckbegrenzungsventil soll innerhalb eines durch das Ventil geleiteten Volumenstrombereiches, z. B. zwischen ca. 0 und 150 l/min, den Druck des Fluides, insbesondere der Flüssigkeit, an der Zulauföffnung konstant halten, d. h. einen durchflussunabhängigen konstanten Druck an der Zulauföffnung ermöglichen. Die von der Feder auf den Schließkolben aufgebrachte Schließkraft nimmt bei der Hubbewegung des Schließkolbens von der Schließstellung zu der Öffnungsstellung aufgrund des Hookeschen Federgesetzes zu. Um einen durchflussunabhängigen konstanten Druck an der Zulauföffnung zu erhalten ist es notwendig, dass der Anstieg der federverursachten Schließkraft bei der Hubbewegung des Schließkolbens im Wesentlichen durch die Impulskraft ausgeglichen wird, um ein Kräftegleichgewicht an dem Schließkolben für den durchflussunabhängigen konstanten Druck an der Zulauföffnung zu erhalten. Dies ist im Wesentlichen möglich, weil mit zunehmender Hubbewegung des Schließkolbens von der Schließstellung zu der Öffnungsstellung die für das Durchleiten zur Verfügung stehende Strömungsquerschnittsfläche zunimmt, d. h. auch der Volumenstrom zunimmt, und damit auch die Impulskraft aufgrund des Umlenkens des Fluides an der Prallfläche.
Bei einer nur gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens, d. h. einem geringen Abstand des Schließkolbens zu der Schließstellung, tritt an der Prallfläche aufgrund der Geometrie des Schließkolbens im Wesentlichen keine Umlenkung des Volumenstromes an Fluid auf, so dass das Ventil bei geringen Volumenströmen, z. B. im Bereich von 10% des maximalen Volumenstromes, keinen durchflussunabhängigen konstanten Druck an der Zulauföffnung ermöglicht, d. h. innerhalb des geringen Volumenstrombereiches bei Vergrößerung des Volumenstromes eine Vergrößerung des Druckes an der Zulauföffnung bedingt und umgekehrt. Bis zu dem geringen Volumenstrom von z. B. 15 l/min tritt kein konstanter Druck an der Zulauföffnung auf und erst ab ca. 15 l/min bis zu dem maximalen Volumenstrom mit konstantem Druck von 150 l/min ist ein konstanter Druck an der Zulauföffnung möglich. Dies kann zu Problemen bei Anwendungen führen, bei welchen auch bei einem geringen Volumenstrom ein konstanter Druck notwendig ist.
Die DE 10 2011 076 023 zeigt ein Ventil mit einem Ventilzylinder, einem Schließkolben und einer Ventilfeder, bei welchem der Schließkolben einen Dichtsitz aufweist, der in einer Schließstellung des Schließkolbens eine Zulauföffnung des Überströmventils verschließt.
Offenbarung der Erfindung
Vorteile der Erfindung
Erfindungsgemäßes Ventil, umfassend einen Ventilzylinder, einen innerhalb des Ventilzylinders zwischen einer Schließstellung und Öffnungsstellung beweglichen Schließkolben, so dass in der Schließstellung das Ventil geschlossen und in der Öffnungsstellung das Ventil geöffnet ist, eine Zulauföffnung zur Zuführung eines Fluides innerhalb eines von dem Ventilzylinder eingeschlossenen Zylinderraumes, wenigstens eine Ablauföffnung zur Abführung des in den Zylinderraum eingeleiteten Fluides, ein mit dem Schließkolben verbundenes elastisches Ventilelement, insbesondere Ventilfeder, mit welcher auf den Schließkolben eine Schließkraft aufbringbar ist, die entgegengesetzt zu einer von dem Fluid auf den Schließkolben aufbringbaren hydrostatischen Druckkraft ausgerichtet ist, wobei an dem Schließkolben eine Prallfläche ausgebildet ist, um mittels einer Geschwindigkeitsänderung an der Prallfläche des durch die Zulauföffnung einströmenden Fluides an dem Schließkolben in einer Zwischenstellung und der Öffnungsstellung des Schließkolbens auf den Schließkolben eine Impulskraft aufzubringen und die Impulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement auf den Schließkolben aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist, so dass der Schließkolben mittels der von dem elastischen Ventilelement aufgebrachten Schließkraft und dem Fluid auf den Schließkolben aufgebrachten hydrostatischen Druckkraft und/oder Impulskraft zwischen der Schließstellung der Öffnungsstellung bewegbar ist, wobei an dem Schließkolben eine Zusatzprallfläche ausgebildet ist, um auch bei einer gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens von dem Fluid auf den Schließkolben an der Zusatzprallfläche eine Zusatzimpulskraft aufzubringen und die Zusatzimpulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement auf den Schließkolben aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist und/oder an dem Ventil ein Anschlag zur Begrenzung der Bewegung des Schließkolbens ausgebildet ist. Die Prallfläche bringt auf den Schließkolben nur bei einem größeren durch das Ventil geleiteten Volumenstrom an Fluid, insbesondere Flüssigkeit, eine Impulskraft auf den Schließkolben auf. Mittels der Zusatzprallfläche kann auch bei einem kleinen durch das Ventil geleiteten Volumenstrom an Fluid und einer entsprechend zugeordneten gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens eine Zusatzimpulskraft auf den Schließkolben aufgebracht werden, so dass auch bei einem geringen Volumenstrom ein Kräftegleichgewicht einerseits zwischen der hydrostatischen Druckkraft und der Zusatzimpulskraft an der Zusatzprallfläche sowie auf der anderen Seite der von der Ventilfeder auf den Schließkolben aufgebrachten Schließkraft ein Kräftegleichgewicht vorliegt, so dass auch bei einem geringen Volumenstrom durch das Ventil ein durchflussunabhängiger konstanter Druck an der Zulauföffnung gewährleistet und ausgeführt werden kann. Die federverursachte Zunahme der Schließkraft kann damit auch bei einer Bewegung des Schließkolbens von der Schließstellung zu einer gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens mittels der Zusatzimpulskraft ausgeglichen werden. In der Öffnungsstellung des Schließkolbens wirkt auf den Schließkolben im Wesentlichen keine oder eine stark verminderte hydrostatische Druckkraft, weil im Wesentlichen keine oder eine stark verminderte Druckdifferenz zwischen der Zulauföffnung und der wenigstens einen Ablauföffnung auftritt.
Insbesondere ist an dem Schließkolben ein Schließzapfen ausgebildet und der Schließzapfen bildet das vordere Ende des Schließkolbens und/oder von dem Schließzapfen in der Schließstellung des Schließkolbens ist die Zulauföffnung verschlossen und/oder der Durchmesser des Schließzapfens kleiner ist als der maximale Durchmesser des Schließkolbens, insbesondere der Durchmesser des Schließzapfens kleiner ist als 80%, 70% oder 60% des maximalen Durchmessers des Schließkolbens und/oder die gering geöffnete Zwischenstellung eine Stellung des Schließkolbens ist bei welcher der Schließkolben weniger als 30%, 20%, 10% oder 5% des Differenzhubweges des Schließkolbens zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung von der Schließstellung entfernt ist.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Durchmesser des Schließkolbens an der Prallfläche größer als der Durchmesser des Schließzapfens, insbesondere ist der Durchmesser des Schließkolbens an der Prallfläche größer ist als das 1,2-, 1,5- oder 2-Fache des Durchmessers des Schließzapfens. Der größere Durchmesser des Schließkolbens an der Prallfläche im Vergleich zu dem Schließzapfen ist erforderlich, um eine ausreichend große Prallfläche für das Fluid, insbesondere die Flüssigkeit, zu erhalten.
In einer ergänzenden Ausführungsform ist in einem Längsschnitt des Schließkolbens parallel zu der Längsachse des Schließkolbens eine Tangente an der Prallfläche in einem Winkel zwischen 45° und 90° zu der Längsachse ausgerichtet und/oder in einem Längsschnitt des Schließkolbens nimmt der axiale Abstand der Prallfläche zu dem vorderen Ende des Schließkolbens mit zunehmenden radiale Abstand von der Längsachse ab. Aufgrund dieser Ausrichtung der Tangente an der Prallfläche, d. h. einer einem großen Teil der Prallfläche, kann ein besonders effektiver Impulsübertrag von dem Fluid auf den Schließkolben ausgeführt werden. Der axiale Abstand der Prallfläche nimmt mit zunehmendem radialen Abstand der Prallfläche zu, so dass an dem Schließkolben an der Prallfläche ein Hinterschnitt ausgebildet ist. Dies ermöglicht eine besonders effektive Impulsübertragung auf den Schließkolben.
Vorzugsweise ist der, vorzugsweise maximale, axiale Abstand der Zusatzprallfläche zu dem vorderen Ende des Schließkolbens kleiner als der, vorzugsweise maximale, axiale Abstand der Prallfläche zu dem vorderen Ende des Schließkolbens, insbesondere kleiner als das 0,9-, 0,8- oder 0,6-Fache des, vorzugsweise maximalen, axialen Abstandes der Prallfläche zu dem vorderen Ende des Schließkolbens. Die Zulauföffnung ist konzentrisch und koaxial zu der Längsachse des Ventils angeordnet und aufgrund dieser Ausrichtung der Prallfläche und der Zusatzprallfläche tritt das durch die Zulauföffnung in den Zylinderraum eingeleitete Fluid zuerst auf die Zusatzprallfläche und erst anschließend in der Öffnungsstellung oder nach einer Zwischenstellung des Schließkolbens auf die Prallfläche.
In einer Variante ist der, vorzugsweise maximale, radiale Abstand der Zusatzprallfläche zu der Längsachse des Ventils kleiner, als der, vorzugsweise minimale, radialen Abstand der Prallfläche zu der Längsachse des Ventils, insbesondere kleiner als das 0,9-, 0,8- oder 0,6-Fache des, vorzugsweise minimalen, radialen Abstandes der Prallfläche zu der Längsachse des Ventils.
Auch aufgrund des geringeren radialen Abstandes der Zusatzprallfläche zu der Längsachse als bei der Prallfläche trifft beim Einleiten des Fluides durch die Zulauföffnung bei der gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens das Fluid im Wesentlichen ausschließlich auf die Zusatzprallfläche auf. Bei einem weiteren Öffnen des Schließkolbens trifft das Fluid sowohl auf die Prallfläche als auch auf die Zusatzprallfläche, jedoch weist die Zusatzprallfläche eine geringere Abprallfläche auf, so dass in der Öffnungsstellung der Anteil der Zusatzimpulskraft vernachlässigbar ist bezüglich der Impulskraft.
Zweckmäßig ist die Zusatzprallfläche als eine ringförmige Stufe ausgebildet. Die ringförmige Stufe ermöglicht einerseits eine besonders effektive Impulsübertragung auf den Schließkolben und kann andererseits besonders einfach spanabhebend an dem Schließkolben hergestellt werden.
In einer weiteren Variante ist die Zusatzprallfläche an dem Schließzapfen ausgebildet, insbesondere tritt an der Zusatzprallfläche eine Veränderung des Durchmessers des Schließzapfens auf.
Insbesondere ist in der Schließstellung des Schließkolbens die Zusatzprallfläche innerhalb des Zylinderraumes, insbesondere in einem axialen Abstand zu einem Ende der Zulauföffnung am dem Zylinderraum, ausgerichtet.
In einer weiteren Ausgestaltung ist der Anschlag für den Schließkolben an dem Ventilzylinder ausgebildet. Der Anschlag kann entweder einteilig an dem Ventilzylinder oder als ergänzendes Bauteil ausgebildet sein, welches an dem Ventilzylinder und/oder dem Ventilgehäuse form- und/oder kraft- und/oder stoffschlüssig befestigt ist.
In einer ergänzenden Variante ist die axiale Ausrichtung des Anschlages dahingehend ausgebildet, dass der Differenzhubweg des Schließkolbens zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung mit Kontakt des Schließkolbens zu dem Anschlag zwischen 50% und 10%, insbesondere zwischen 40 % und 20%, des Durchmessers, insbesondere des maximalen Durchmessers, der Zulauföffnung beträgt. In der Öffnungsstellung des Schließkolbens an dem Anschlag tritt einerseits somit eine geringe elastische Verformung des elastischen Ventilelementes, insbesondere der Ventilfeder, auf, so dass dadurch eine plastische und beschädigende Verformung der Ventilfeder im Wesentlichen ausgeschlossen ist und andererseits tritt in der Öffnungsstellung des Schließkolbens bereits der im Wesentlichen maximale durch das Ventil leitbare Volumenstrom auf.
In einer weiteren Variante ist die axiale Ausrichtung des Anschlages dahingehend ausgebildet, dass der durch das Ventil leitbare Volumenstrom an Fluid bei einer konstanten Druckdifferenz zwischen der Zulauföffnung und der wenigstens einen Ablauföffnung auch bei einer weiteren fiktiven, durch den Anschlag tatsächlich jedoch begrenzten Öffnungsbewegung des Schließkolbens nach dem Anschlag im Wesentlichen keine Erhöhung des Volumenstromes verursachen würde.
In einer weiteren Ausgestaltung ist das Ventil, insbesondere das elastische Ventilelement und der Schließkolben mit der Prallfläche und der Zusatzprallfläche, dahingehend ausgebildet, dass innerhalb eines durch das Ventil geleiteten Volumenstrombereiches der Druck des Fluides, insbesondere der Flüssigkeit, an der Zulauföffnung im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, konstant ist, so dass das Ventil ein Druckbegrenzungsventil bildet.
Erfindungsgemäßes hydraulisches Hybridsystem für ein Kraftfahrzeug, umfassend einen hydraulischen Motor zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, eine hydraulische Pumpe zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, einen Energiespeicher zur Speicherung von hydraulischer Energie, wobei das hydraulische Hybridsystem ein in dieser Schutzrechtsanmeldung beschriebenes Ventil umfasst.
Insbesondere sind der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe als eine Schrägscheibenmaschine ausgebildet und/oder der hydraulische Motor und die hydraulische Pumpe sind als ein hydraulisches Getriebe miteinander verbunden zur Kraftübertragung von einem Verbrennungsmotor zu einem Antriebsrad und das Ventil ist an Hydraulikleitungen des hydraulischen Getriebes angeordnet.
Vorzugsweise ist das elastische Ventilelement innerhalb des Zylinderraumes angeordnet.
Zweckmäßig ist die wenigstens eine Zulauföffnung in der Schließstellung des Schließkolbens von dem Schließkolben vollständig verschlossen und/oder in der Öffnungsstellung des Schließkolbens weist der Schließkolben den maximalen Abstand zu der Schließstellung auf und/oder der Schließkolben liegt an dem Anschlag auf.
In einer weiteren Ausgestaltung besteht das Ventil wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Metall, z. B. Stahl oder Aluminium, und/oder aus Kunststoff. Metall ist ein besonders beständiges und dauerhaftes Material für die Herstellung des Ventils. Kunststoff weist in vorteilhafter Weise ein geringes Gewicht auf, so dass dadurch das Ventil über ein geringes Gewicht verfügt. Vorzugsweise handelt es sich dabei bei einem Kunststoff um einen glasfaserverstärkten Kunststoff. Vorzugsweise bestehen der Ventilzylinder bzw. das Ventilgehäuse und/oder der Schließkolben wenigstens teilweise, insbesondere vollständig, aus Kunststoff.
Zweckmäßig ist der Schließkolben rotationssymmetrisch ausgebildet zu der Längsachse.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Im Nachfolgenden werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigt:
1 einen Längsschnitt eines Ventiles,
2 einen vergrößerten Teillängsschnitt des Ventiles gemäß 1 und
3 eine stark vereinfachte Darstellung eines hydraulischen Hybridsystems.
Ausführungsformen der Erfindung
In 1 und 2 ist ein Ausführungsbeispiel eines Ventils 1 als ein Druckbegrenzungsventil 2 für ein hydraulisches Hybridsystem 20 dargestellt. Das Ventil 1 verfügt über ein zweiteiliges Ventilgehäuse 4, 5 mit einem ersten Ventilgehäuse 4 und einem zweiten Ventilgehäuse 5. An dem zweiten Ventilgehäuse 5 als Ventilzylinder 3 ist eine Zylinderbohrung ausgebildet an welcher ein Schließkolben 7 mit einer Gleitlagerung axial beweglich in Richtung einer Längsachse 39 des Ventils 1 gelagert ist.
Das zweiteilige Ventilgehäuse 4, 5, insbesondere das erste Ventilgehäuse 4, schließt einen Zylinderraum 6 auf. In das Ventilgehäuse 4, 5 ist konzentrisch und koaxial zu der Längsachse 39 des Ventils 1 eine Zulauföffnung 8 eingearbeitet und ferner münden in den Zylinderraum 6 zwei Ablauföffnungen 9 zum Ausleiten des Fluides, insbesondere der Flüssigkeit, aus einem Zylinderraum 6 bei dem Schließkolben 7 in der Öffnungsstellung. In 1 ist eine Schließstellung des Schließkolbens 7 dargestellt. In der Schließstellung des Schließkolbens 7 schließt ein Schließzapfen 19 an dem Schließkolben 7 die Zulauföffnung 8 vollständig und fluiddicht ab, so dass lediglich auf den Schließzapfen 19 an der Zulauföffnung 8 die hydrostatische Druckkraft des Fluides an der Zulauföffnung 8 mündet. An dem Ventilgehäuse 4, 5, d. h. dem zweiten Ventilgehäuse 5, ist ein Anschlag 40 vorhanden und der Anschlag 40 begrenzt die Hubbewegung des Schließkolbens 9 zwischen der Schließstellung und einer Öffnungsstellung des Schließkolbens, bei welchem der Schließkolben 9 an dem Anschlag 40 aufliegt. In 2 ist eine gering geöffnete Zwischenstellung des Schließkolbens 7 dargestellt, bei welcher der Schließkolben 7 nur einen geringen Abstand von der Schließstellung entfernt ist. Ein Differenzhubweg 41 ist der Hubweg des Schließkolbens 7 zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung. In der gering geöffneten Zwischenstellung gemäß 2 des Schließkolbens 7 beträgt der axiale Abstand des Schließkolbens 7 in der Zwischenstellung von der Schließstellung ungefähr 10% des Differenzhubweges 41. In dem zweiten Ventilgehäuse 5 ist eine Aufnahmebohrung ausgebildet innerhalb dessen ein elastisches Ventilelement 10, nämlich die Ventilfeder 11 als Spiralfeder 11 aus Stahl, angeordnet ist. Die Ventilfeder 11 bringt auf den Schließkolben 7 gemäß der Darstellung in 1 und 2 eine nach unten gerichtete vertikale Schließkraft auf.
An dem Schließkolben 7 sind eine Prallfläche 12 und eine Zusatzprallfläche 14 ausgebildet. Die Zusatzprallfläche 14 ist an dem Schließzapfen 19 und die Prallfläche 12 ist außerhalb des Schließzapfens 19 an dem Schließkolben 7 vorhanden. In dem Längsschnitt gemäß 2 mündet der Schließzapfen 19 zunächst in einen ungefähr kreissegmentförmigen Abschnitt der Prallfläche 12 und anschließend weist die vollständig umlaufend ausgebildete Prallfläche 12 an dem rotationssymmetrischen Schließkolben 7 bezüglich einer rotationssymmetrischen Achse, welcher der Längsachse 39 entspricht, einen ebenen Abschnitt auf. Eine Tangente 34 an diesen ebenen Abschnitt der Prallfläche 12 ist in einem Winkel α von ungefähr 50° zu der Längsachse 39 ausgerichtet. Mit zunehmenden radialen Abstand 35 der Prallfläche 12 zu der Längsachse 39 nimmt der axiale Abstand 17 der Prallfläche 12 zu einem vorderen Ende 13 des Schließkolbens 7 an dem Schließzapfen 19 ab. Außerdem ist der axiale Abstand 17 der Prallfläche 12 größer als der axiale Abstand 18 der Zusatzprallfläche 14 zu dem vorderen Ende 13, so dass bei dem in 2 eingezeichneten Strömungsweg des Fluides dieses zuerst auf die Zusatzprallfläche 14 und erst anschließend auf die Prallfläche 12 auftrifft. Ein maximaler axialer Abstand 37 der Prallfläche 12 zu dem vorderen Ende 13 tritt dabei an einem kreissegmentförmigen Hinterschnitt der Prallfläche 12 auf. Die Zuatzprallfläche 14 ist im Wesentlichen senkrecht, d. h. mit einer Abweichung von weniger als 30°, 20°, 10° oder 5° zu der Längsachse 39 ausgerichtet, so dass auch bei einer Zunahme des radialen Abstandes 36 der Zusatzprallfläche 14 der axiale Abstand 18 der Zusatzprallfläche 14 zu dem vorderen Ende 13 des Schließkolbens 7 im Wesentlichen konstant bleibt. Die Zusatzprallfläche 14 ist somit als eine ringförmige Stufe 38 ausgebildet. Ein maximaler Durchmesser 33 des Schließkolbens 7 an der Prallfläche 12 ist wesentlich größer als der Durchmesser 42, insbesondere der maximale Durchmesser 42, des Schließzapfens 19. Dadurch weist die Prallfläche 12 eine große Abprallfläche auf. Ein mittlerer Durchmesser 32 des Schließkolbens 7 an der Prallfläche 12 ist wesentlich größer als der maximale Durchmesser 42 des Schließzapfens 19 und kleiner als ein maximaler Durchmesser 31 des Schließkolbens 7, an welchem der Schließkolben 9 auf der Zylinderbohrung an dem ersten Ventilgehäuse 4 als Gleitlagerung aufliegt.
In der Schließstellung des Schließkolbens wirkt auf den Schließzapfen 19 außer der Schließkraft der Schließfeder 11 nur die hydrostatische Druckkraft der Flüssigkeit an dem Schließzapfen 19 innerhalb der Zulauföffnung 8. Bei einer Zunahme des hydrostatischen Druckes der Flüssigkeit an der Zulauföffnung 8 auf einen Öffnungsdruck wird die hydrostatische Druckkraft geringfügig größer als die Schließkraft der Ventilfeder 11, so dass dadurch der Schließkolben 7 entgegen der Schließkraft der Schließfeder 11 von der Schließstellung in eine gering geöffnete Zwischenstellung bewegt wird und während dieses Hubweges nimmt aufgrund des Hookeschen Gesetztes die Schließkraft der Ventilfeder direkt proportional zu dem Hubweg des Schließkolbens 7 zu. In der in 2 dargestellten gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 trifft die durch den Ringraum zwischen dem ersten Ventilgehäuse 4 an der Zulaufbohrung 8 und den Schließzapfen 19 einströmende Flüssigkeit im Wesentlichen ausschließlich auf die Zusatzprallfläche 14 auf und nicht auf die Prallfläche 12. Ohne dem Vorhandensein der Zusatzprallfläche 14 würde in der gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 gemäß 2 die Flüssigkeit auf keine Prallfläche auftreffen und dadurch auch keine Impulskraft oder im Wesentlichen keine Impulskraft von dem einströmenden Fluid in der gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 auf den Schließkolben 7 aufgebracht werden. In der gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 bringt somit das einströmende Fluid auf die Zusatzprallfläche 14 eine Zusatzimpulskraft auf. Diese Zusatzimpulskraft gleicht im Wesentlichen die Zunahme der Schließkraft aufgrund der Hubbewegung des Schließkolbens 7 von der Schließstellung in die gering geöffnete Zwischenstellung aus. In der in 2 dargestellten gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 tritt ein geringer Volumenstrom an Flüssigkeit, z. B. zwischen 7 und 15 l/min (Liter pro Minute) durch das Ventil 1 auf. Aufgrund der von der Flüssigkeit an der Zusatzprallfläche 14 aufgebrachten Zusatzimpulskraft kann somit auch bei einem geringen durch das Ventil 1 geleiteten Volumenstrom an Fluid bzw. Flüssigkeit ein durchflussunabhängiger konstanter Druck an der Zulauföffnung 8 eingestellt werden. Mit einem zunehmenden Öffnen des Schließkolbens 7 trifft die Flüssigkeit auf die Prallfläche 12 auf und in der Öffnungsstellung oder bei einer Stellung des Schließkolbens 7 kurz vor der Öffnungsstellung des Schließkolbens 7 ist die an der Prallfläche 12 aufgebrachte Impulskraft wesentlich größer als die auf die Zusatzprallfläche 14 aufgebrachte Zusatzimpulskraft, so dass die Zusatzimpulskraft bezüglich der Impulskraft vernachlässigbar ist. Der maximale bei dem konstanten Druck durch das Ventil 1 leitbare Volumenstrom liegt bei ungefähr 150 l/min. Bei größeren Volumenströmen im Bereich zwischen 15 und 150 l/min wird das erforderliche Kräftegleichgewicht überwiegend von der Impulskraft an der Prallfläche 12 aufgebracht. Aufgrund der konstruktiven Ausbildung der Zusatzprallfläche 14 weist das Druckbegrenzungsventil 2 somit im gesamten Volumenstrombereich zwischen 0 und 150 l/min eine im Wesentlichen durchflussunabhängigen konstante Drucksteuerung des Druckes an der Zulauföffnung 8 auf.
Die Hubbewegung des Schließkolbens 7 zwischen der Öffnungsstellung und der Schließstellung ist an der Schließstellung von dem ersten Ventilgehäuse 4 an der Zulauföffnung 8 begrenzt und an der Öffnungsstellung von dem Anschlag 40. In der Öffnungsstellung liegt ein oberes Ende des Schließkolbens 7 an dem Anschlag 40 auf. Der Differenzhubweg 41 zwischen der Schließung und Öffnungsstellung des Schließkolbens 7 beträgt dabei ungefähr ein Viertel des Durchmessers 43 der Zulauföffnung 8. Auch bei einem weiteren Öffnen des Schließkolbens 7, d. h. einer Bewegung des Schließkolbens 7 gemäß der Darstellung in 1 und 2 nach oben ohne dem Anschlag 40, würde bei dieser weiteren Bewegung des Schließkolbens 7 bei einer konstanten Druckdifferenz zwischen der Zu- und Ablauföffnung 8, 9 auch keine weitere Erhöhung des Volumenstromes an dem Ventil 1 auftreten. Aufgrund dieser Begrenzung des Hubweges des Schließkolbens 7 mit dem Anschlag 40 weist auch in der Öffnungsstellung des Schließkolbens 7 die Ventilfeder 11 eine geringe elastische Stauchung auf, so dass dadurch in vorteilhafter Weise ein Schaden an der Ventilfeder 11, z. B. aufgrund einer plastischen Verformung der Ventilfeder 11 aufgrund einer sehr großen Stauchung der Ventilfeder 11, vermieden werden kann.
In 3 ist ein hydraulisches Hybridsystem 20 dargestellt. Das hydraulische Hybridsystem 20 umfasst einen Verbrennungsmotor 21 und zwei Wellen 22. Mit dem Verbrennungsmotor 21 und der Welle 22 wird die hydraulische Pumpe 24 angetrieben und dadurch Hydraulikflüssigkeit von der hydraulischen Pumpe 24 zu dem hydraulischen Motor 23 gefördert. Der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 sind dabei jeweils als Schrägscheibenmaschinen 25 ausgebildet. Dadurch kann mittels der Hydraulikleitungen 26, welche den hydraulischen Motor 23 mit der hydraulischen Pumpe 24 jeweils fluidleitend verbinden, die Welle 22 an dem hydraulischen Motor 23 angetrieben und von der Welle 22 wird ein Differentialgetriebe 27 angetrieben. Mit dem Differentialgetriebe 27 sind zwei Radwellen 29 sowie jeweils ein Antriebsrad 28 an den Radwellen 29 verbunden. Dadurch können Antriebsräder 28 des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch einen hydraulischen Antriebsteilstrang mit dem hydraulischen Motor 23 und der hydraulischen Pumpe 24 angetrieben werden. Aufgrund der Ausbildung des hydraulischen Motors 23 und der hydraulischen Pumpe 24 als Schrägscheibenmaschine 25 dient der hydraulische Motor 23 und die hydraulische Pumpe 24 auch als stufenloses hydraulisches Getriebe 30. An einer Hydraulikleitung 26 ist das Ventil 1 als ein Druckbegrenzungsventil 2 angeordnet. Bei einem an dem Antriebsrad 28 erforderlichen schnell ansteigenden Drehmoment, z. B. beim Hochfahren an einer Bordsteinkante, würde ohne dem Druckbegrenzungsventil 2 der Druck in den Hydraulikleitungen 26 stark ansteigen, was zu einem Schaden der Schrägscheibenmaschinen 25 und/oder einem Abwürgen des Verbrennungsmotors 21 führen kann. Zweckmäßig weist das hydraulische Hybridsystem 20 auch einen mechanischen Antriebsteilstrang auf zur ausschließlichen mechanischen Kraftübertragung von dem Verbrennungsmotor 21 zu den beiden Antriebsrädern 28 (nicht dargestellt).
Bei einem Betrieb der hydraulischen Pumpe 24 kann ein Teil der Hydraulikflüssigkeit nicht zu dem hydraulischen Motor 23, sondern durch weitere nicht dargestellte Hydraulikleitungen 26 und nicht dargestellte Ventile von einem Niederdruckspeicher 16 als Energiespeicher zu dem Energiespeicher als Hochdruckspeicher 15 geleitet und gespeichert und dadurch hydraulische Energie in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden. Ferner kann in einem Rekuperationsbetrieb der hydraulische Motor 23 auch als hydraulische Pumpe 24 betrieben werden um dadurch in einem Rekuperationsbetrieb kinetische Energie des nicht dargestellten Kraftfahrzeuges durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit von dem Niederdruckspeicher 16 und durch den hydraulischen Motor 23, welcher als hydraulische Pumpe 24 fungiert, in den Hochdruckspeicher 15 gespeichert werden, weil die hydraulische Pumpe 24 von der Welle 22 und damit den Antriebsrädern 28 angetrieben ist. Durch das Leiten von Hydraulikflüssigkeit unter einem höheren Druck von dem Hochdruckspeicher 15, durch den hydraulischen Motor 23 und zu dem Niederdruckspeicher 16 kann das Kraftfahrzeug mit hydraulischer Energie aus dem Hochdruckspeicher 15 angetrieben werden.
Insgesamt betrachtet sind mit dem erfindungsgemäßen Ventil 1 als Druckbegrenzungsventil 2 wesentliche Vorteile verbunden. Auch bei einer gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 mit einem geringen, durch das Ventil 1 geleiteten Volumenstrom an Flüssigkeit wird von der Flüssigkeit an der Zusatzprallfläche 14 eine Zusatzimpulskraft auf den Schließkolben 7 aufgebracht, so dass dadurch bei der gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens 7 bzw. dem kleinen durch das Ventil 1 geleiteten Volumenstrom an Flüssigkeit die Zunahme der von der Ventilfeder 11 auf den Schließkolben 7 aufgrund der Hubbewegung des Schließkolbens 7 aufgebrachten Schließkraft von der Zusatzimpulskraft ausgeglichen werden kann und dadurch auch bei geringen Volumenströmen ein Kräftegleichgewicht für den durchflussunabhängigen konstanten Druck an dem Schließkolben 7 erreicht werden kann. Der Anschlag 40 begrenzt die Stauchung der Ventilfeder 11, so dass an der Ventilfeder 11 keine großen Stauchungen auftreten und Schäden an der Ventilfeder 11, insbesondere plastische Verformungen der Ventilfeder 11, vermieden werden können.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011076023 [0005]

Claims

Ventil (1), umfassend – einen Ventilzylinder (3), – einen innerhalb des Ventilzylinders (3) zwischen einer Schließstellung und Öffnungsstellung beweglichen Schließkolben (7), so dass in der Schließstellung das Ventil (1) geschlossen und in der Öffnungsstellung das Ventil (1) geöffnet ist, – eine Zulauföffnung (8) zur Zuführung eines Fluides innerhalb eines von dem Ventilzylinder (3) eingeschlossenen Zylinderraumes (6), – wenigstens eine Ablauföffnung (9) zur Abführung des in den Zylinderraum (6) eingeleiteten Fluides, – ein mit dem Schließkolben (7) verbundenes elastisches Ventilelement (10), insbesondere Ventilfeder (11), mit welcher auf den Schließkolben (7) eine Schließkraft aufbringbar ist, die entgegengesetzt zu einer von dem Fluid auf den Schließkolben (7) aufbringbaren hydrostatischen Druckkraft ausgerichtet ist, – wobei an dem Schließkolben (7) eine Prallfläche (12) ausgebildet ist, um mittels einer Geschwindigkeitsänderung an der Prallfläche (12) des durch die Zulauföffnung (8) einströmenden Fluides an dem Schließkolben (7) in einer Zwischenstellung und der Öffnungsstellung des Schließkolbens (7) auf den Schließkolben (7) eine Impulskraft aufzubringen und die Impulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement (10) auf den Schließkolben (7) aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist, so dass der Schließkolben (7) mittels der von dem elastischen Ventilelement (10) aufgebrachten Schließkraft und dem Fluid auf den Schließkolben (7) aufgebrachten hydrostatischen Druckkraft und/oder Impulskraft zwischen der Schließstellung der Öffnungsstellung bewegbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schließkolben (7) eine Zusatzprallfläche (14) ausgebildet ist, um auch bei einer gering geöffneten Zwischenstellung des Schließkolbens (7) von dem Fluid auf den Schließkolben (7) an der Zusatzprallfläche (14) eine Zusatzimpulskraft aufzubringen und die Zusatzimpulskraft entgegengesetzt zu der von dem elastischen Ventilelement (10) auf den Schließkolben (7) aufbringbaren Schließkraft ausgerichtet ist und/oder an dem Ventil (1) ein Anschlag (40) zur Begrenzung der Bewegung des Schließkolbens (7) ausgebildet ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Schließkolben (7) ein Schließzapfen (19) ausgebildet ist und der Schließzapfen (19) das vordere Ende (13) des Schließkolbens (7) bildet und/oder von dem Schließzapfen (19) in der Schließstellung des Schließkolbens (7) die Zulauföffnung (8) verschlossen ist und/oder der Durchmesser (42) des Schließzapfens (19) kleiner ist als der maximale Durchmesser (31) des Schließkolbens (7), insbesondere der Durchmesser (42) des Schließzapfens (19) kleiner ist als 80%, 70% oder 60% des maximalen Durchmessers (31) des Schließkolbens (7) und/oder die gering geöffnete Zwischenstellung eine Stellung des Schließkolbens (7) ist bei welcher der Schließkolben weniger als 30%, 20%, 10% oder 5% des Differenzhubweges des Schließkolbens (7) zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung von der Schließstellung entfernt ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser (32) des Schließkolbens (7) an der Prallfläche (12) größer ist als der Durchmesser (42) des Schließzapfens (19), insbesondere der Durchmesser (32) des Schließkolbens (7) an der Prallfläche (12) größer ist als das 1,2-, 1,5- oder 2-Fache des Durchmessers (42) des Schließzapfens (19).
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Längsschnitt des Schließkolbens (7) parallel zu der Längsachse (39) des Schließkolbens (7) eine Tangente (34) an der Prallfläche (12) in einem Winkel zwischen 45° und 90° zu der Längsachse (39) ausgerichtet ist und/oder in einem Längsschnitt des Schließkolbens (7) der axiale Abstand (17) der Prallfläche (12) zu dem vorderen Ende (13) des Schließkolbens (7) mit zunehmenden radiale Abstand (35) von der Längsachse (39) abnimmt.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, vorzugsweise maximale, axiale Abstand (18) der Zusatzprallfläche (14) zu dem vorderen Ende (13) des Schließkolbens (7) kleiner ist als der, vorzugsweise maximale, axiale Abstand (17, 37) der Prallfläche (12) zu dem vorderen Ende (13) des Schließkolbens (7), insbesondere kleiner ist als das 0,9-, 0,8- oder 0,6-Fache des, vorzugsweise maximalen, axialen Abstandes (17, 37) der Prallfläche (12) zu dem vorderen Ende (13) des Schließkolbens (7).
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der, vorzugsweise maximale, radiale Abstand (36) der Zusatzprallfläche (14) zu der Längsachse (39) des Ventils (1) kleiner ist, als der, vorzugsweise minimale, radialen Abstand (35) der Prallfläche (12) zu der Längsachse (39) des Ventils (1), insbesondere kleiner ist als das 0,9-, 0,8- oder 0,6-Fache des, vorzugsweise minimalen, radialen Abstandes (35) der Prallfläche (12) zu der Längsachse (39) des Ventils (1).
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzprallfläche (14) als eine ringförmige Stufe (38) ausgebildet ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Zusatzprallfläche (14) an dem Schließzapfen (19) ausgebildet ist, insbesondere an der Zusatzprallfläche (14) eine Veränderung des Durchmessers (42) des Schließzapfens (19) auftritt.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in der Schließstellung des Schließkolbens (7) die Zusatzprallfläche (14) innerhalb des Zylinderraumes (6), insbesondere in einem axialen Abstand zu einem Ende der Zulauföffnung (8) am dem Zylinderraum (6), ausgerichtet ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anschlag (40) für den Schließkolben (7) an dem Ventilzylinder (3) ausgebildet ist.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausrichtung des Anschlages (40) dahingehend ausgebildet ist, dass der Differenzhubweg des Schließkolbens (7) zwischen der Schließstellung und der Öffnungsstellung mit Kontakt des Schließkolbens (7) zu dem Anschlag (40) zwischen 50% und 10%, insbesondere zwischen 40 % und 20%, des Durchmessers (43), insbesondere des maximalen Durchmessers (43), der Zulauföffnung (8) beträgt.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die axiale Ausrichtung des Anschlages (40) dahingehend ausgebildet ist, dass der durch das Ventil (1) leitbare Volumenstrom an Fluid bei einer konstanten Druckdifferenz zwischen der Zulauföffnung (8) und der wenigstens einen Ablauföffnung (9) auch bei einer weiteren fiktiven, durch den Anschlag (40) tatsächlich jedoch begrenzten Öffnungsbewegung des Schließkolbens (7) nach dem Anschlag (40) im Wesentlichen keine Erhöhung des Volumenstromes verursachen würde.
Ventil nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1), insbesondere das elastische Ventilelement (10) und der Schließkolben (7) mit der Prallfläche (12) und der Zusatzprallfläche (14), dahingehend ausgebildet ist, dass innerhalb eines durch das Ventil (1) geleiteten Volumenstrombereiches der Druck des Fluides, insbesondere der Flüssigkeit, an der Zulauföffnung (8) im Wesentlichen, insbesondere mit einer Abweichung von weniger als 30%, 20% oder 10%, konstant ist, so dass das Ventil (1) ein Druckbegrenzungsventil (2) bildet.
Hydraulisches Hybridsystem (20) für ein Kraftfahrzeug, umfassend – einen hydraulischen Motor (23) zur Umwandlung von hydraulischer Energie in mechanische Energie, – eine hydraulische Pumpe (24) zur Umwandlung von mechanischer Energie in hydraulische Energie, – einen Energiespeicher (15, 16) zur Speicherung von hydraulischer Energie, dadurch gekennzeichnet, dass das hydraulische Hybridsystem (20) ein Ventil (1) gemäß einem oder mehrerer der vorhergehenden Ansprüche umfasst.
Hydraulisches Hybridsystem nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der hydraulische Motor (23) und die hydraulische Pumpe (24) als eine Schrägscheibenmaschine (1) ausgebildet sind und/oder der hydraulische Motor (23) und die hydraulische Pumpe (24) als ein hydraulischen Getriebe (30) miteinander verbunden sind zur Kraftübertragung von einem Verbrennungsmotor (21) zu einem Antriebsrad (28) und das Ventil (1) an Hydraulikleitungen (26) des hydraulischen Getriebes (30) angeordnet ist.