DE102014201604A1

DE102014201604A1 - Schieberventil einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung

Info

Publication number: DE102014201604A1
Application number: DE102014201604.5A
Authority: DE
Inventors: Rainer Novak; Tobias Pfleger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2014-01-30
Filing date: 2014-01-30
Publication date: 2015-07-30

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Schieberventil (1.4, 1.5, 1.6) einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung, mit einem in einer Ventilbohrung (3; 34) eines Ventilgehäuses (2; 33) axialbeweglich angeordneten Ventilschieber (4; 31), welcher mindestens einen zylindrischen Lagerabschnitt (5, 7; 32) aufweist, bei dem der mindestens eine zylindrische Lagerabschnitt (5, 7; 32) in einem von unterschiedliche Drücke führenden Druckkammern (11, 12, 13, 14, 15; 36, 37) begrenzten oder unterbrochenen Bohrungsabschnitt (9, 10; 35) der Ventilbohrung (3; 34) radial geführt ist, und bei dem der Ventilschieber (4; 31) zum Druckausgleich mit mehreren Ringnuten (39, 40, 41, 39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) versehen ist. Zur Erzielung einer koaxial zentrierten Lage des Ventilschiebers (4) in der Ventilbohrung (3) des Ventilgehäuses (2) ist vorgesehen, dass die Ringnuten (39, 40, 41, 39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) abhängig von der Richtung der durch das jeweils zwischen zwei Druckkammern (11, 12, 13, 14, 15; 36, 37) herrschende Druckgefälle getriebenen axialen Leckageströme (38; 57, 58, 59, 60) asymmetrisch ausgebildet sind und/oder asymmetrisch an dem Lagerabschnitt (5, 7; 32) des Ventilschiebers (4; 31) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft ein Schieberventil einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung, mit einem in einer Ventilbohrung eines Ventilgehäuses axialbeweglich angeordneten Ventilschieber, welcher mindestens einen zylindrischen Lagerabschnitt aufweist, bei dem der mindestens eine zylindrische Lagerabschnitt in einem von unterschiedliche Drücke führenden Druckkammern begrenzten oder unterbrochenen Bohrungsabschnitt der Ventilbohrung radial geführt ist, und bei dem der Ventilschieber zum Druckausgleich mit mehreren Ringnuten versehen ist.
Ein in einer Ventilbohrung eines Ventilgehäuses axialbeweglich angeordneter Ventilschieber weist häufig mehrere zylindrische Lagerabschnitte mit größerem Durchmesser und mehrere zylindrische Stegabschnitte mit kleinerem Durchmesser auf. Der Ventilschieber ist im Bereich der Lagerabschnitte spielbehaftet in entsprechenden Bohrungsabschnitten der Ventilbohrung radial geführt. Die Bohrungsabschnitte der Ventilbohrung sind durch weitgehend ringförmige Druckkammern, die jeweils mit einer Anschlussbohrung zur Zu- und Abfuhr von Druckmittel verbunden sind, begrenzt oder unterbrochen. Bei einer Steuerung oder Regelung eines hydraulischen oder pneumatischen Verbrauchers wird beispielsweise eine einen Arbeitsdruck führende Druckkammer abhängig von der Axialposition des Ventilschiebers über endseitige Steuerkanten der Lagerabschnitte mit mehr oder weniger großem Verbindungsquerschnitt mit einer einen hohen Versorgungsdruck führenden Druckkammer oder mit einer einen niedrigen Tankdruck führenden Druckkammer verbunden. Die dabei auf den Ventilschieber wirksamen statischen und dynamischen Druckkräfte sind idealerweise radial ausgeglichen, so dass der Ventilschieber zentral in der Ventilbohrung geführt und in dieser über das in den Ringspalten zwischen den Lagerabschnitten und den Bohrungsabschnitten befindliche Druckmittel schwimmend gleitgelagert ist.
Aufgrund geometrischer Abweichungen der Ventilbohrung oder der diese begrenzenden oder unterbrechenden Druckkammern von einer idealen rotationssymmetrischen Kontur kommt es in der Praxis jedoch häufig zu statisch und/oder dynamisch wirksamen radialen Querkräften, durch die der Ventilschieber in der Ventilbohrung radial verschoben oder gekippt wird. Als Ursachen dafür kommen beispielsweise die Ausbildung der Druckkammern mit radialen Entformungsschrägen, elastische Verformungen des Ventilgehäuses und/oder des Ventilschiebers, sowie radiale Anschlussbohrungen zur Zu- und Abfuhr des Druckmittels in die beziehungsweise aus den jeweiligen Druckkammern in Betracht. Die radialen Querkräfte führen zumeist im Bereich der Lagerabschnitte zu einem linienförmigen oder punktförmigen Kontakt des Ventilschiebers mit den benachbarten Bohrungsabschnitten der Ventilbohrung. Durch derartige Festkörperkontakte zwischen dem Ventilschieber und der Ventilbohrung wird die Funktion des Schieberventils ungünstig beeinflusst, was sich in einer mehr oder weniger ausgeprägten Hysterese des Schieberventils oder wegen einer Verklemmung des Ventilschiebers sogar in einem Ausfall des Schieberventils äußern kann.
In der DE 38 44 071 A1 ist eine Ventilanordnung mit einem Schieberventil und einem hydraulisch entlastbaren Sitzventil zum Steuern eines Hydraulikzylinders beschrieben. Bei dem Schieberventil mündet eine radiale Entlastungsbohrung axial benachbart zu einer Entlastungskammer in einen Bohrungsabschnitt der Ventilbohrung ein. Um eine dadurch verursachte Querkraft auf den Ventilschieber zu kompensieren, ist der Bohrungsabschnitt im Bereich der Einmündung der Entlastungsbohrung mit einer ringförmigen Kompensationskammer versehen, deren axiale Breite auf der der Entlastungsbohrung radial gegenüberliegenden Seite größer ist als auf der Seite der Entlastungsbohrung. Die Herstellung einer derartigen nicht rotationssymmetrischen Kompensationskammer in dem Bohrungsabschnitt der Ventilbohrung ist jedoch mit einem hohen Fertigungsaufwand verbunden. Zudem sind Abweichungen von einer vorgegebenen Geometrie nur schwer feststellbar. Ein weiterer Nachteil besteht in einer erhöhten Schmutzempfindlichkeit einer derartigen Konstruktion, da Schmutzablagerungen die Wirkung der Kompensationskammer reduzieren.
Aus der DE 44 41 150 A1 ist ein Druckregelventil mit einem Ventilschließglied bekannt, das mittels eines Ringkolbens axialbeweglich in einer Gehäusebohrung geführt ist. Zur Verhinderung eines einseitigen Andrückens an die Bohrungswand ist der Ringkolben an seiner Mantelfläche mit mehreren Ringnuten versehen, die ein symmetrisches Profil aufweisen und in axial gleichem Abstand voneinander an dem Ringkolben angeordnet sind. Durch die Ringnuten fließt bei exzentrischer Lage des Ringkolbens Druckmittel von der Seite mit größerem Spaltabstand zu der gegenüberliegenden Seite mit geringerem Spaltabstand, wodurch der Ringkolben zentriert werden soll.
In der DE 10 2010 010 061 A1 ist ein als Schieberventil ausgebildetes Mehrwegeventil beschrieben, dessen Ventilschieber zwei axial außenliegende Lagerabschnitte sowie einen zwischen diesen angeordneten Steuerabschnitt mit jeweils größerem Durchmesser und zwei diese Abschnitte verbindende Stegabschnitte mit kleinerem Durchmesser aufweist. Zur Abschwächung einseitiger radialer Fluidkräfte sind die Lagerabschnitte des Ventilschiebers an ihrem Außenumfang jeweils mit mehreren Ringnuten versehen, die ein symmetrisches Profil aufweisen und in axial gleichem Abstand voneinander an den Lagerabschnitten angeordnet sind. Durch die Ringnuten fließt bei exzentrischer Lage der Lagerabschnitte Druckmittel von der Seite mit größerem Spaltabstand zu der gegenüberliegenden Seite mit geringerem Spaltabstand, wodurch der Ventilschieber zentriert werden soll.
Erfahrungsgemäß kommt es durch die Anordnung derartiger Ringnuten an den Lagerabschnitten eines Ventilschiebers zu einer deutlich symmetrischeren Ausbildung der radialen Druckfelder um die Lagerabschnitte und somit zu einer verbesserten Zentrierung des Ventilschiebers. Wie Untersuchungen gezeigt haben, wird das Problem einer radialen Verschiebung oder Verkippung des Ventilschiebers in der Ventilbohrung und eines damit verbundenen Reibkontaktes zwischen dem Ventilschieber und der Ventilbohrung dadurch jedoch nur reduziert, aber nicht vollständig verhindert.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Schieberventil einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung der eingangs genannten Bauart anzugeben, bei dem ein Reibkontakt zwischen dem Ventilschieber und der Ventilbohrung sowie die dadurch verursachte Verschlechterung der Steuerungseigenschaften des Schieberventils weitgehend verhindert werden.
Diese Aufgabe ist in Verbindung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass die Ringnuten abhängig von der Richtung der durch das jeweils zwischen zwei Druckkammern herrschende Druckgefälle getriebenen axialen Leckageströme asymmetrisch ausgebildet sind und/oder asymmetrisch an dem Lagerabschnitt des Ventilschiebers angeordnet sind.
Die Erfindung geht demnach von einem an sich bekannten Schieberventil einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung mit einem in einer Ventilbohrung eines Ventilgehäuses axialbeweglich angeordneten Ventilschieber aus. Der Ventilschieber weist mindestens einen zylindrischen Lagerabschnitt auf, der in einem von unterschiedliche Drücke führenden Druckkammern begrenzten oder unterbrochenen Bohrungsabschnitt der Ventilbohrung radial geführt und zum Druckausgleich mit mehreren Ringnuten versehen ist. Im Unterschied zu bekannten Schieberventilen, bei denen mehrere Ringnuten mit symmetrischem Profil und in axial gleichem Abstand voneinander an dem jeweiligen Lagerabschnitt des Ventilschiebers angeordnet sind, ist gemäß der Erfindung vorgesehen, dass die Ringnuten asymmetrisch ausgebildet und/oder asymmetrisch an dem jeweiligen Lagerabschnitt des Ventilschiebers angeordnet sind. Dabei sollen die asymmetrische Ausrichtung und/oder die asymmetrische Anordnung der Ringnuten jeweils abhängig von der Richtung der durch das jeweils zwischen zwei Druckkammern herrschende Druckgefälle getriebenen axialen Leckageströme erfolgen.
Anders als bislang bekannt werden die Ringnuten somit in Abhängigkeit von der lokalen Druck- und Strömungsverhältnisse ausgebildet und angeordnet, wodurch eine bessere Zentrierung des Ventilschiebers und somit verbesserte Steuerungseigenschaften des Schieberventils erreicht werden.
Bezüglich der asymmetrischen Anordnung der Ringnuten ist bevorzugt vorgesehen, dass die Ringnuten an dem Lagerabschnitt des Ventilschiebers auf der Zuströmungsseite des betreffenden Leckagestroms in größerer Anzahl und mit geringerem axialem Abstand angeordnet sind als auf der Abströmungsseite des Leckagestroms. Durch die größere Anzahl und den geringeren axialen Abstand der Ringnuten an der Zuströmungsseite des Leckagestroms am Lagerabschnitt werden die aufgrund des dort höheren Druckniveaus größeren umfangsseitigen Druckunterschiede wirkungsvoller ausgeglichen und der Ventilschieber besser in der Ventilbohrung zentriert. Das Profil der Ringnuten kann bei dieser Anordnung der Ringnuten wie üblich symmetrisch oder gemäß dem zweiten Aspekt der Erfindung auch asymmetrisch ausgebildet sein.
Hinsichtlich der asymmetrischen Ausbildung der Ringnuten kann vorgesehen sein, dass die auf der Abströmungsseite des betreffenden Leckagestroms an dem Lagerabschnitt des Ventilschiebers angeordnete ausgangsseitige Seitenwand mindestens einer Ringnut flacher ausgerichtet ist als die auf der Zuströmungsseite des Leckagestroms an dem Lagerabschnitt angeordnete eingangsseitige Seitenwand der Ringnut. Durch die flachere Neigung der ausgangsseitigen Seitenwand der Ringnut wird das bei exzentrischer Lage des Lagerabschnitts in der Ringnut umfangsseitig von der Seite des größeren Ringspalts auf die Seite des kleineren Ringspalts strömende Druckmittel besser in Richtung des axialen Druckgefälles und des dadurch getriebenen Leckagestroms umgelenkt. Hierdurch wird der Lagerabschnitt des Ventilschiebers auf der Seite des kleineren Ringspalts von dem Bohrungsabschnitt der Ventilbohrung stärker abgehoben und der Ventilschieber somit wirkungsvoller in der Ventilbohrung zentriert.
Die Herstellung einer derartigen Ringnut mit asymmetrischem Profil ist nur unwesentlich aufwendiger als die Herstellung einer bekannten Ringnut mit einem Rechteckprofil oder einem leichten V-Profil und erfolgt zumeist durch ein entsprechendes Abdrehen des Ventilschiebers.
Die eingangsseitige Seitenwand der Ringnut weist gegenüber der Längsmittenachse des Ventilschiebers bevorzugt eine Neigung zwischen 70° und 90° auf und ist somit wie üblich stark geneigt oder radial ausgerichtet.
Bezüglich der Konturierung ist wegen der relativ einfachen Herstellung vorzugsweise vorgesehen, dass die eingangsseitige Seitenwand der Ringnut als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche oder als eine ebene Kreisringfläche ausgebildet ist.
Die ausgangsseitige Seitenwand der Ringnut weist gegenüber der Längsmittenachse des Ventilschiebers bevorzugt eine Neigung zwischen 30° und 50° auf und ist somit gegenüber bekannten Ringnuten besonders flach geneigt.
Bezüglich der Konturierung ist wegen der relativ einfachen Herstellung vorzugsweise vorgesehen, dass die ausgangsseitige Seitenwand der Ringnut als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet ist.
Alternativ dazu kann jedoch auch vorgesehen sein, dass die ausgangsseitige Seitenwand der Ringnut als eine konkav oder konvex gewölbte Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet ist.
Die eingangsseitige Seitenwand und die ausgangsseitige Seitenwand der Ringnut können ohne eine Bodenwand unmittelbar miteinander verbunden sein beziehungsweise ineinander übergehen.
Zur Erzielung einer größeren Querschnittsfläche und einer einfacheren mechanischen Herstellung der Ringnut ist es aber vorteilhafter, wenn die Ringnut eine zylindrische Bodenwand aufweist, über welche die eingangsseitige Seitenwand und die ausgangsseitige Seitenwand der Ringnut miteinander verbunden sind.
Zur weiteren Verdeutlichung der Erfindung ist der Beschreibung eine Zeichnung mit Ausführungsbeispielen beigefügt. In dieser zeigt
1 eine ideale Ausführungsform eines Schieberventils im teilweisen Längsschnitt,
2 eine von der Ausführungsform gemäß 1 abweichende Bauform eines Schieberventils in einem teilweisen Längsschnitt,
3 eine weitere von der Ausführungsform gemäß 1 abweichende Ausführung eines Schieberventils in einem teilweisen Längsschnitt,
4 ein Schieberventil in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem teilweisen Längsschnitt,
5 ein Schieberventil in einer ersten Ausführungsform gemäß der Erfindung in einem teilweisen Längsschnitt,
6a eine bekannte Ausführungsform einer Ringnut in einem vergrößerten Ausschnitt von 4,
6b eine erste Ausführungsform einer Ringnut gemäß der Erfindung in einem vergrößerten Ausschnitt von 5,
6c eine zweite Ausführungsform einer Ringnut gemäß der Erfindung in einem vergrößerten Ausschnitt,
6d eine dritte Ausführungsform einer Ringnut gemäß der Erfindung in einem vergrößerten Ausschnitt,
6e eine vierte Ausführungsform einer Ringnut in einem vergrößerten Ausschnitt, und
7 ein Schieberventil ähnlich wie das in 1 in einem teilweisen Längsschnitt, jedoch ausgebildet gemäß den Merkmalen der Erfindung.
Ein als Beispiel für eine ideale Ausführungsform eines Schieberventils in 1 in einem teilweisen Längsschnitt dargestelltes Schieberventil 1.1 einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung weist einen in einer Ventilbohrung 3 eines Ventilgehäuses 2 axialbeweglich angeordneten Ventilschieber 4 auf. Der Ventilschieber 4 weist zwei zylindrische Lagerabschnitte 5, 7 mit unterschiedlichen, jedoch größeren Durchmessern sowie einem diese beiden Lagerabschnitte 5, 7 verbindenden Stegabschnitt 6 mit kleinerem Durchmesser auf. Ein weiterer, als Axialanschlag wirksamer zweiter Stegabschnitt 8 mit kleinerem Durchmesser ist an dem freien Ende des zweiten Lagerabschnitts 7 angeordnet. Der erste Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 ist in einem ersten Bohrungsabschnitt 9 der Ventilbohrung 3 radial spielbehaftet gelagert. Der zweite Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 ist in einem zweiten Bohrungsabschnitt 10 der Ventilbohrung 3 radial spielbehaftet gelagert.
Der erste Bohrungsabschnitt 9 der Ventilbohrung 3 ist axial durch jeweils eine axial äußere Druckkammer 11 und durch eine axial innere Druckkammer 12 begrenzt sowie durch eine axial mittlere Druckkammer 13 unterbrochen. Diese drei Druckkammern 11, 12, 13 sind weitgehend ringförmig ausgebildet und enthalten jeweils ein unter einem bestimmten Druck stehendes Druckmittel, das über jeweils eine Anschlussbohrung zu- oder abgeführt wird. Das in der äußeren Druckkammer 11 des ersten Bohrungsabschnitts 9 befindliche Druckmittel steht unter einem Steuerdruck p_EDS, der über ein nicht näher dargestelltes Vorsteuerventil eingestellt wird. Das in der inneren Druckkammer 12 des ersten Bohrungsabschnitts 9 befindliche Druckmittel steht unter einem Arbeitsdruck p_A, der mittels des Schieberventils 1.1 eingestellt wird und zur Betätigung eines hydraulischen oder pneumatischen Verbrauchers dient. Das in der mittleren Druckkammer 13 des ersten Bohrungsabschnitts 9 befindliche Druckmittel steht unter einem Tankdruck p_T, der weitgehend dem Umgebungsdruck entspricht.
Der zweite Bohrungsabschnitt 10 der Ventilbohrung 3 ist ebenso axial durch jeweils eine Druckkammer 12, 14 begrenzt und durch eine weitere, mittlere Druckkammer 15 unterbrochen. Die axial innere Druckkammer 12 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 ist identisch mit derjenigen des ersten Bohrungsabschnitts 9. Die beiden anderen Druckkammern 14, 15 sind ebenfalls weitgehend ringförmig ausgebildet und enthalten jeweils ein unter einem bestimmten Druck stehendes Druckmittel, das über jeweils eine Anschlussbohrung zu- oder abgeführt wird. Das in der axial äußeren Druckkammer 14 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 befindliche Druckmittel steht ebenfalls unter dem Tankdruck p_T. Das in der mittleren Druckkammer 15 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 befindliche Druckmittel steht unter einem Systemdruck p_Sys, der von einer nicht näher dargestellten Druckversorgungseinrichtung bereitgestellt wird.
Die Höhe des Arbeitsdrucks p_A wird über die Axialposition des Ventilschiebers 4 eingestellt, wobei die axial innere Druckkammer 12 entweder zur Absenkung des Arbeitsdruckes p_A über eine an dem ersten Lagerabschnitt 5 angeordnete Steuerkante 16 des Ventilschiebers 4 über einen mehr oder weniger großen Öffnungsquerschnitt mit der den Tankdruck p_T führenden mittleren Druckkammer 13 des ersten Bohrungsabschnitts 9 oder zur Erhöhung des Arbeitsdruckes p_A über eine an dem zweiten Lagerabschnitt 7 angeordnete Steuerkante 17 des Ventilschiebers 4 über einen mehr oder weniger großen Öffnungsquerschnitt mit der den Systemdruck p_Sys führenden mittleren Druckkammer 15 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 verbunden wird. Die Axialposition des Ventilschiebers 4 wird über die an den Stirnflächen des ersten Lagerabschnitts 5 wirksame Druckdifferenz zwischen dem Steuerdruck p_EDS und dem Arbeitsdruck p_A sowie über die an den Stirnflächen des zweiten Lagerabschnitts 7 und des Stegabschnitts 8 wirksame Druckdifferenz zwischen dem Arbeitsdruck p_A und dem Tankdruck p_T eingestellt.
In der Ausführungsform des Schieberventils 1.1 gemäß 1 sind alle Druckkammern 11, 12, 13, 14, 15 im Bereich der Ventilbohrung 3 bezüglich deren Mittelachse 18 rotationssymmetrisch ausgeführt, so dass die auf die Lagerabschnitte 5, 7 des Ventilschiebers 4 wirksamen Druckkräfte zumindest statisch radial ausgeglichen sind. Demzufolge befindet sich der Ventilschieber 4 koaxial zentriert in der Ventilbohrung 3, so dass die Mittelachse 19 des Ventilschiebers 4 und die Mittelachse 18 der Ventilbohrung 3 koaxial übereinander liegen. Bei dieser idealen Ausführung des Schieberventils 1.1 ist der Ventilschieber 4 reibungsarm über das in den Ringspalten zwischen den Lagerabschnitten 5, 7 und den Bohrungsabschnitten 9, 10 der Ventilbohrung 3 befindliche Druckmittel schwimmend gleitgelagert. Hierdurch weist das idealisierte Schieberventil 1.1 sehr gute, insbesondere hysteresefreie Steuerungseigenschaften auf.
Ein in 2 in einem teilweisen Längsschnitt dargestelltes Schieberventil 1.2, dessen Aufbau weitgehend demjenigen des Schieberventil 1.1 gemäß 1 entspricht, ist beispielhaft mit zwei asymmetrisch ausgebildeten Druckkammern 13’, 15’ versehen. Aufgrund der Herstellung des Ventilgehäuses 2 als ein Spritzgussbauteil weisen die beiden mittleren Druckkammern 13’, 15’ der beiden Bohrungsabschnitte 9, 10 nun Entformungsschrägen auf, die bezüglich der Mittelachse 18 der Ventilbohrung 3 nicht rotationssymmetrisch verlaufen. Wegen der umfangsseitig unterschiedlich großen Wirkflächen, auf denen der erste Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 von dem Tankdruck p_T und der zweite Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 von dem Systemdruck p_Sys beaufschlagt werden, ergeben sich zwei resultierende radiale Querkräfte 20, 21, durch die der Ventilschieber 4 in 2 radial nach oben verschoben wird. Hierdurch kommt es zu einem linienförmigen Kontakt 22 zwischen dem zweiten Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 10 der Ventilbohrung 3. Zur Verstellung des Schieberventils 1.2 muss der Ventilschieber 4 nun durch eine erhöhte Stelldruckdifferenz erst aus der Haftreibung gelöst und dann gegen einen erhöhten Gleitreibungswiderstand axial verschoben werden. Durch den Reibkontakt zwischen dem Ventilschieber 4 und der Ventilbohrung 3 kommt es demzufolge zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Hysterese.
Eine in 3 in einem teilweisen Längsschnitt dargestellte weitere Ausführungsform eines Schieberventils 1.3, dessen Aufbau weitgehend demjenigen der Schieberventile 1.1, 1.2 gemäß den 1 und 2 entspricht, ist nun beispielhaft mit nur einer asymmetrisch ausgebildeten Druckkammer 13’ versehen. Aufgrund der Herstellung des Ventilgehäuses 2 als ein Spritzgussbauteil weist nur die mittlere Druckkammer 13’ des ersten Bohrungsabschnitts 9 der Ventilbohrung 3 Entformungsschrägen auf, die bezüglich der Mittelachse 18 der Ventilbohrung 3 nicht rotationssymmetrisch verlaufen. Aufgrund der umfangsseitig unterschiedlich großen Wirkflächen, auf der der erste Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 von dem Tankdruck p_T beaufschlagt wird, ergibt sich eine resultierende radiale Querkraft 20, durch die der Ventilschieber 4 in 3 im Uhrzeigersinn gedreht wird, wodurch es zu zwei punktförmigen Kontakten 23, 24 zwischen dem Ventilschieber 4 und der Ventilbohrung 3 kommt. Der erste punktförmige Kontakt 23 besteht auf der der Querkraft 20 radial gegenüberliegenden Seite zwischen dem ersten Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 und dem ersten Bohrungsabschnitt 9 der Ventilbohrung 3. Der zweite punktförmige Kontakt 24 besteht auf der der Querkraft 20 zugewandten Seite zwischen dem zweiten Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 und dem zweiten Bohrungsabschnitt 10 der Ventilbohrung 3. Zur Verstellung des Schieberventils 1.3 muss der Ventilschieber 4 durch eine erhöhte Stelldruckdifferenz erst aus der Haftreibung gelöst und dann gegen einen erhöhten Gleitreibungswiderstand axial verschoben werden. Durch diese punktförmigen Reibkontakte zwischen dem Ventilschieber 4 und der Ventilbohrung 3 kommt es zu einer mehr oder weniger ausgeprägten Hysterese. Die Schrägstellung des Ventilschiebers 4 und die hohe Flächenpressung im Bereich der punktförmigen Kontakte 23, 24 können jedoch auch zu einer Verklemmung des Ventilschiebers 4 in der Ventilbohrung 3 und damit zu einem Ausfall des Schieberventils 1.3 führen.
Nachfolgend wird anhand von zwei vereinfacht dargestellten Schieberventilen 1.4, 1.5 verdeutlicht, wie trotz einer asymmetrischen Ausbildung von Druckkammern oder einer aus anderen Gründen nicht rotationssymmetrischen Druckverteilung um den Ventilschieber gemäß dem Konstruktionsprinzip der Erfindung dennoch eine Zentrierung des Ventilschiebers in der Ventilbohrung erreicht werden kann.
Bei dem in 4 ausschnittweise in einem teilweisen Längsschnitt dargestellten Schieberventil 1.4 ist ein Lagerabschnitt 32 eines Ventilschiebers 31 radial spielbehaftet in einem Bohrungsabschnitt 35 einer in einem Ventilgehäuse 33 angeordneten Ventilbohrung 34 gelagert. Der Bohrungsabschnitt 35 ist axial beidseitig durch jeweils eine nicht rotationssymmetrische Druckkammer 36, 37 begrenzt. Das in der in 4 links abgebildeten Druckkammer 36 befindliche Druckmittel steht unter einem höheren Druck p₁, wogegen das in der in 4 rechts abgebildeten Druckkammer 37 befindliche Druckmittel unter einem niedrigeren Druck p₂ steht (p₁ > p₂). Aufgrund des Druckunterschiedes zwischen den beiden Druckkammern 36, 37 besteht ein axiales Druckgefälle 38 von der linken Druckkammer 36 zu der rechten Druckkammer 37, durch das sich in dem Ringspalt zwischen dem Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 und dem Bohrungsabschnitt 35 der Ventilbohrung 34 ein entsprechender Leckagestrom 38 einstellt.
Damit der Ventilschieber 31 trotz nicht rotationssymmetrischer Druckfelder um den Lagerabschnitt 32 dennoch koaxial zentriert wird, ist der Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 mit drei Ringnuten 39, 40, 41 versehen. Bei exzentrischer Lage des Ventilschiebers 31 strömt Druckmittel von der Seite mit dem größeren Ringspalt auf die Seite mit dem kleineren Ringspalt, wodurch der Ventilschieber 31 von der dortigen Wand der Ventilbohrung 34 in Richtung der Längsmittenachse 43 der Ventilbohrung 34 gedrückt und damit in der Ventilbohrung 34 zentriert wird. Im Gegensatz zu bekannten Schieberventilen, bei denen Ringnuten mit symmetrischem Profil in gleichem axialen Abstand auf den Lagerabschnitten angeordnet sind, sind die Ringnuten 39, 40, 41 vorliegend in Abhängigkeit von dem lokalen Druckgefälle und der Richtung des lokalen Leckagestroms 38 asymmetrisch an dem Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 angeordnet. So sind die Ringnuten 39, 40 auf der Zuströmungsseite des Leckagestroms 38, also nahe der den höheren Druck p₁ führenden linken Druckkammer 36, mit geringerem axialen Abstand an dem Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 angeordnet als die Ringnuten 40, 41 auf der Abströmungsseite des Leckagestroms 38, also nahe der den niedrigeren Druck p₂ führenden rechten Druckkammer 37. Hierdurch wird gegenüber einer axial gleich beabstandeten Anordnung von Ringnuten eine bessere Zentrierung des Ventilschiebers 31 in der Ventilbohrung 34 erreicht. Demzufolge liegt die Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 koaxial über der Längsmittenachse 43 der Ventilbohrung 34.
Das Profil der Ringnuten 39, 40, 41 ist am Beispiel der mittleren Ringnut 40 in 6a in einem vergrößert dargestellten Ausschnitt A von 4 zu erkennen. Bei dem Profil der Ringnut 40 handelt es sich um ein an sich bekanntes symmetrisches Rechteckprofil mit radial ausgerichteten, ebenen Seitenwänden 44a, 45a und einer diese verbindenden zylindrischen Bodenwand 46a.
Ein in 5 ausschnittweise in einem teilweisen Längsschnitt dargestelltes Schieberventil 1.5 unterscheidet sich von dem Schieberventil 1.4 der 4 nur durch eine asymmetrische Ausführung der an dem Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 angeordneten Ringnuten 39’, 40’, 41’. Das Profil dieser Ringnuten 39’, 40’, 41’ ist nun keilförmig ausgebildet und an der Richtung des axialen Druckgefälles zwischen den beiden Druckkammern 36, 37 sowie des durch diesen verursachten Leckagestroms 38 orientiert. So ist die auf der Abströmungsseite des Leckagestroms 38 an dem Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 angeordnete ausgangsseitige Seitenwand 45b der Ringnuten 39’, 40’, 41’ jeweils flacher ausgerichtet als die auf der Zuströmungsseite des Leckagestroms 38 angeordnete eingangsseitige Seitenwand 44b der Ringnuten 39’, 40’, 41’. Durch die flachere Neigung der ausgangsseitigen Seitenwand 45b wird das bei exzentrischer Lage des Lagerabschnitts 32 in der Ringnut umfangsseitig von der Seite des größeren Ringspalts auf die Seite des kleineren Ringspalts strömende Druckmittel besser in Richtung des axialen Druckgefälles und des dadurch getriebenen Leckagestroms 38 umgelenkt. Hierdurch wird der Lagerabschnitt 32 des Ventilschiebers 31 auf der Seite des kleineren Ringspalts von dem Bohrungsabschnitt 35 der Ventilbohrung 34 stärker abgehoben und der Ventilschieber 31 somit wirkungsvoller in der Ventilbohrung 34 zentriert.
Das Profil der Ringnuten 39’, 40’, 41’ ist am Beispiel der mittleren Ringnut 40’ in 6b in einem vergrößert dargestellten Ausschnitt B der 5 zu erkennen. Die eingangsseitige Seitenwand 44b der Ringnut 40’ ist radial ausgerichtet und als eine ebene Kreisringfläche ausgebildet. Die ausgangsseitige Seitenwand 45b der Ringnut 40’ ist gegenüber der Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 um etwa 40° geneigt und als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Die Seitenwände 44b, 45b der Ringnut 40’ sind über eine zylindrische Bodenwand 46b miteinander verbunden.
Eine mögliche, von der Kontur der Ringnut 40’ gemäß 6b abweichende Kontur einer anderen Ringnut 40’’ ist in 6c abgebildet. Dabei ist die eingangsseitige Seitenwand 44c der Ringnut 40’’ nicht mehr radial ausgerichtet, sondern gegenüber der Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 um etwa 85° geneigt ausgerichtet sowie als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Die ausgangsseitige Seitenwand 45c der Ringnut 40’’ ist wie zuvor gegenüber der Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 um etwa 40° geneigt und als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Die beiden Seitenwände 44c, 45c dieser Ringnut 40’’ sind wieder über eine zylindrische Bodenwand 46c miteinander verbunden.
Eine weitere mögliche, von den Konturen der Ringnut 40’ gemäß 6b und der Ringnut 40’’ gemäß 6c abweichende Kontur einer Ringnut 40* ist in 6d abgebildet. Während die eingangsseitige Seitenwand 44d der Ringnut 40* wieder radial ausgerichtet und als eine ebene Kreisringfläche ausgebildet ist, ist die ausgangsseitige Seitenwand 45d der Ringnut 40* nun konkav gewölbt und weist gegenüber der Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 eine mittlere Neigung von etwa 45° auf. Die ausgangsseitige Seitenwand 45d der Ringnut 40* ist somit als eine konkav gewölbte Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Die beiden Seitenwände 44d, 45d der Ringnut 40* sind auch hier über eine zylindrische Bodenwand 46d miteinander verbunden.
Eine mögliche andere Kontur einer Ringnut 40**, die sich durch eine andere Wölbung der ausgangsseitigen Seitenwand 45e von der Kontur der Ringnut 40* nach 6d unterscheidet, ist in 6e abgebildet. Während die eingangsseitige Seitenwand 44e der Ringnut 40** wieder radial ausgerichtet und als eine ebene Kreisringfläche ausgebildet ist, ist die ausgangsseitige Seitenwand 45e der Ringnut 40** nun konvex gewölbt und weist gegenüber der Längsmittenachse 42 des Ventilschiebers 31 eine mittlere Neigung von etwa 35° auf. Die ausgangsseitige Seitenwand 45e der Ringnut 40** ist somit als eine konvex gewölbte Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet. Die beiden Seitenwände 44e, 45e der Ringnut 40** stehen auch hierbei über eine zylindrische Bodenwand 46e miteinander in Verbindung.
Bei den vorgestellten Ausführungsvarianten der Ringnuten 39’, 40’, 41’ können die Konturen der eingangsseitigen Seitenwände 44b, 44c, 44d, 44e und der ausgangsseitigen Seitenwände 45b, 45c, 45d, 45e gemäß den 6b bis 6e in ihrer Neigung und Wölbung variiert sowie beliebig miteinander kombiniert sein. Ebenso können die Ringnuten 39’, 40’, 40’, 41’ ohne eine Bodenwand 46b, 46c, 46d, 46e ausgeführt sein, so dass die Seitenwände 44b, 44c, 44d, 44e, 45b, 45e dann jeweils unmittelbar miteinander in Verbindung stehen
In 7 ist eine auf der Bauform des Schieberventils 1.1 gemäß 1 basierende erfindungsgemäße Ausführung eines Schieberventils 1.6 abgebildet, bei dem der Ventilschieber 4 entsprechend den lokalen Druckgefällen und Leckageströmen 57, 58, 59, 60 mit asymmetrisch ausgebildeten und asymmetrisch auf den Lagerabschnitten 5, 7 des Ventilschiebers 4 angeordneten Ringnuten 51, 52, 53, 54, 55, 56 versehen ist.
Da der Steuerdruck p_EDS größer ist als der Tankdruck p_T besteht ein axiales Druckgefälle und ein entsprechender Leckagestrom 57 zwischen der in 7 äußeren Druckkammer 11 und der mittleren Druckkammer 13 des ersten Bohrungsabschnitts 9 der Ventilbohrung 3. Demzufolge sind in dem entsprechenden Bereich zwischen diesen beiden Druckkammern 11, 13 an dem ersten Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 zwei entsprechend ausgebildete Ringnuten 51, 52 angeordnet, deren Profil beispielhaft demjenigen der in 6b abgebildeten Ringnut 40’ entspricht.
Da der Arbeitsdruck p_A größer ist als der Tankdruck p_T besteht ein axiales Druckgefälle und ein entsprechender Leckagestrom 58 zwischen der inneren Druckkammer 12 und der mittleren Druckkammer 13 des ersten Bohrungsabschnitts 9 der Ventilbohrung 3. Demzufolge ist in dem Bereich zwischen diesen beiden Druckkammern 12, 13 an dem ersten Lagerabschnitt 5 des Ventilschiebers 4 eine entsprechend ausgerichtete Ringnut 53 angeordnet, deren Profil ebenfalls demjenigen der in 6b abgebildeten Ringnut 40’ entspricht. Auch bei dieser Ringnut 53 weist deren schräge Seitenwand zur mittleren Druckkammer 13 des ersten Bohrungsabschnitts 9.
Da der Systemdruck p_Sys größer ist als der Tankdruck p_T besteht ein axiales Druckgefälle und ein entsprechender Leckagestrom 59 zwischen der mittleren Druckkammer 15 und der inneren Druckkammer 12 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 der Ventilbohrung 3. Demzufolge ist in dem entsprechenden Bereich an dem zweiten Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 eine entsprechend ausgerichtete Ringnut 54 angeordnet, deren Profil ebenfalls demjenigen der in 6b abgebildeten Ringnut 40’ entspricht. Bei dieser Ringnut 54 weist deren schräge Seitenwand zur inneren Druckkammer 12.
Da der Systemdruck p_Sys größer ist als der Tankdruck p_T besteht ein axiales Druckgefälle und ein entsprechender Leckagestrom 60 zwischen der mittleren Druckkammer 15 und der äußeren Druckkammer 14 des zweiten Bohrungsabschnitts 10 der Ventilbohrung 3. Demzufolge sind zwischen diesen beiden Druckkammern 14, 15 an dem zweiten Lagerabschnitt 7 des Ventilschiebers 4 zwei entsprechend ausgebildete und ausgerichtete Ringnuten 55, 56 angeordnet, deren Profil auch demjenigen der in 6b abgebildeten Ringnut 40’ entspricht. Bei diesen beiden Ringnuten 55, 56 weist deren schräge Seitenwand jeweils zur äußeren Druckkammer 14 des zweiten Bohrungsabschnitts 10.
Durch die Ausbildung und Anordnung der Ringnuten 51, 52, 53, 54, 55, 56 an den Lagerabschnitten 5, 7 des Ventilschiebers 4 ist auch bei Vorliegen nicht rotationssymmetrischer Druckfelder um die Lagerabschnitte 5, 7 eine Zentrierung des Ventilschiebers 4 in der Ventilbohrung 3 sichergestellt.
Bezugszeichenliste

1.1–1.3: Schieberventil
1.4–1.6: Schieberventil (gemäß der Erfindung)
2: Ventilgehäuse
3: Ventilbohrung
4: Ventilschieber
5: Erster Lagerabschnitt von Ventilschieber 4
6: Erster Stegabschnitt von Ventilschieber 4
7: Zweiter Lagerabschnitt von Ventilschieber 4
8: Zweiter Stegabschnitt von Ventilschieber 4
9: Erster Bohrungsabschnitt von Ventilbohrung 3
10: Zweiter Bohrungsabschnitt von Ventilbohrung 3
11: Äußere Druckkammer von Bohrungsabschnitt 9
12: Innere Druckkammer von Bohrungsabschnitt 9, 10
13, 13’: Mittlere Druckkammer von Bohrungsabschnitt 9
14: Äußere Druckkammer von Bohrungsabschnitt 10
15, 15’: Mittlere Druckkammer von Bohrungsabschnitt 10
16: Steuerkante von Lagerabschnitt 5
17: Steuerkante von Lagerabschnitt 7
18: Mittelachse von Ventilbohrung 3
19: Mittelachse von Ventilschieber 4
20: Erste Querkraft
21: Zweite Querkraft
22: Linienförmiger Kontakt
23: Punktförmiger Kontakt
24: Punktförmiger Kontakt
31: Ventilschieber
32: Lagerabschnitt
33: Ventilgehäuse
34: Ventilbohrung
35: Bohrungsabschnitt
36: Linke Druckkammer
37: Rechte Druckkammer
38: Druckgefälle, Leckagestrom
39, 39’: Ringnut von Lagerabschnitt 32
40, 40’: Ringnut von Lagerabschnitt 32
40’’: Ringnut von Lagerabschnitt 32
40*, 40**: Ringnut von Lagerabschnitt 32
41, 41’: Ringnut von Lagerabschnitt 32
42: Längsmittenachse von Ventilschieber 31
43: Längsmittenachse von Ventilbohrung 34
44a: Eingangsseitige Seitenwand von Ringnut 40
44b: Eingangsseitige Seitenwand von Ringnut 40’
44c: Eingangsseitige Seitenwand von Ringnut 40’’
44d: Eingangsseitige Seitenwand von Ringnut 40*
44e: Eingangsseitige Seitenwand von Ringnut 40**
45a: Ausgangsseitige Seitenwand von Ringnut 40
45b: Ausgangsseitige Seitenwand von Ringnut 40’
45c: Ausgangsseitige Seitenwand von Ringnut 40’’
45d: Ausgangsseitige Seitenwand von Ringnut 40*
45e: Ausgangsseitige Seitenwand von Ringnut 40**
46a: Bodenwand von Ringnut 40
46b: Bodenwand von Ringnut 40’
46c: Bodenwand von Ringnut 40’’
46d: Bodenwand von Ringnut 40*
46e: Bodenwand von Ringnut 40**
51: Ringnut von Lagerabschnitt 5
52: Ringnut von Lagerabschnitt 5
53: Ringnut von Lagerabschnitt 5
54: Ringnut von Lagerabschnitt 7
55: Ringnut von Lagerabschnitt 7
56: Ringnut von Lagerabschnitt 7
57: Druckgefälle, Leckagestrom
58: Druckgefälle, Leckagestrom
59: Druckgefälle, Leckagestrom
60: Druckgefälle, Leckagestrom
p_A: Arbeitsdruck
p_EDS: Steuerdruck
p_Sys: Systemdruck
p_T: Tankdruck
p₁: Höherer Druck
p₂: Niedrigerer Druck

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 3844071 A1 [0004]
DE 4441150 A1 [0005]
DE 102010010061 A1 [0006]

Claims

Schieberventil (1.4, 1.5, 1.6) einer hydraulischen oder pneumatischen Steuerung, mit einem in einer Ventilbohrung (3; 34) eines Ventilgehäuses (2; 33) axialbeweglich angeordneten Ventilschieber (4; 31), welcher mindestens einen zylindrischen Lagerabschnitt (5, 7; 32) aufweist, bei dem der mindestens eine zylindrische Lagerabschnitt (5, 7; 32) in einem von unterschiedliche Drücke führenden Druckkammern (11, 12, 13, 14, 15; 36, 37) begrenzten oder unterbrochenen Bohrungsabschnitt (9, 10; 35) der Ventilbohrung (3; 34) radial geführt ist, und bei dem der Ventilschieber (4; 31) zum Druckausgleich mit mehreren Ringnuten (39, 40, 41, 39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnuten (39, 40, 41, 39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) abhängig von der Richtung der durch das jeweils zwischen zwei Druckkammern (11, 12, 13, 14, 15; 36, 37) herrschende Druckgefälle getriebenen axialen Leckageströme (38; 57, 58, 59, 60) asymmetrisch ausgebildet sind und/oder asymmetrisch an dem Lagerabschnitt (5, 7; 32) des Ventilschiebers (4; 31) angeordnet sind.
Schieberventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnuten (39, 40, 41, 39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) am Lagerabschnitt (5, 7; 32) des Ventilschiebers (4; 31) auf der Zuströmungsseite des betreffenden Leckagestroms (38; 57, 58, 59, 60) in größerer Anzahl und mit geringerem axialen Abstand an dem Lagerabschnitt (5, 7; 32) angeordnet sind als auf der Abströmungsseite des Leckagestroms (38; 57, 58, 59, 60).
Schieberventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Abströmungsseite des betreffenden Leckagestroms (38; 57, 58, 59, 60) angeordnete ausgangsseitige Seitenwand (45b, 45c, 45d, 45e) mindestens einer Ringnut (39’, 40’, 41’; 51, 52, 53, 54, 55, 56) flacher ausgerichtet ist als die auf der Zuströmungsseite des Leckagestroms (38; 57, 58, 59, 60) angeordnete eingangsseitige Seitenwand (44b, 44c, 44d, 44e) der Ringnut.
Schieberventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Seitenwand (44b, 44c, 44d, 44e) der Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) gegenüber der Längsmittenachse (42) des Ventilschiebers (31) eine Neigung zwischen 70° und 90° aufweist.
Schieberventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Seitenwand (44b, 44c, 44d, 44e) der Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche oder als eine ebene Kreisringfläche ausgebildet ist.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige Seitenwand (45b, 45c, 45d, 45e) der Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) gegenüber der Längsmittenachse (42) des Ventilschiebers (31) eine Neigung zwischen 30° und 50° aufweist.
Schieberventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige Seitenwand (45b, 45c) der Ringnut (40’, 40’’) als eine ebene Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet ist.
Schieberventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ausgangsseitige Seitenwand (45d, 45e) der Ringnut (40*, 40**) als eine konkav oder konvex gewölbte Kegelstumpfmantelfläche ausgebildet ist.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die eingangsseitige Seitenwand (44b, 44c, 44d, 44e) und die ausgangsseitige Seitenwand (45b, 45c, 45d, 45e) der Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) unmittelbar miteinander verbunden sind.
Schieberventil nach einem der Ansprüche 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) eine zylindrische Bodenwand (46b, 46c, 46d, 46e) aufweist, über die die eingangsseitige Seitenwand (44b, 44c, 44d, 44e) und die ausgangsseitige Seitenwand (45b, 45c, 45d, 45e) der Ringnut (40’, 40’’, 40*, 40**) miteinander verbunden sind.