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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Ventileinheit für eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs, auf eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs sowie auf ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Ventileinheit.
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Ventile können in Hydraulikanwendungen zur Steuerung und Regelung eines Volumenstroms oder eines Drucks eingesetzt werden. Eine solche Steuerung und Regelung kann beispielsweise durch ein sprunghaftes Öffnen und Schließen eines Schaltventils oder durch ein graduelles Öffnen und Schließen eines Proportionalventils erfolgen. Das Unterbinden des Volumenstroms kann in einem geschlossenen Zustand durch Abdichten realisiert sein.
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Gängige Bauformen sind beispielsweise Schieber- oder Sitzventile. Gängige Anwendungen sind beispielsweise Ventilscheiben für eine Ventilhydraulik in Baggern, Baggerladern oder Kränen. Ferner können solche Ventile in Bremssystemen oder als Teilkomponenten von Pumpen zum Einsatz kommen.
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Ventile weisen oftmals eine rotationssymmetrische Grundform auf, da runde Bauteile gute Festigkeitseigenschaften bei einer Druckbeaufschlagung aufweisen. Dies ermöglicht eine einfache Realisierung von Dichtsitz- und Schiebergeometrien sowie eine Herstellung mittels weitverbreiteter spanender Herstellungsverfahren wie etwa Drehen.
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Offenbarung der Erfindung
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Vor diesem Hintergrund werden mit dem hier vorgestellten Ansatz eine Ventileinheit für eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs, eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs sowie schließlich ein Verfahren zum Herstellen einer solchen Ventileinheit gemäß den Hauptansprüchen vorgestellt. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der vorliegende Ansatz schafft eine Ventileinheit für eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs, wobei die Ventileinheit folgende Merkmale aufweist:
zumindest zwei Trennplatten;
zumindest eine Zwischenplatte, die zwischen den Trennplatten angeordnet ist und zumindest eine Ventilkammeraussparung und zumindest eine Kanalaussparung aufweist, wobei die Ventilkammeraussparung durch die Trennplatten abgedeckt ist, um eine Ventilkammer zu bilden, wobei die Kanalaussparung durch die Trennplatten abgedeckt ist, um einen Kanal zum Leiten eines Fluids zwischen der Ventilkammer und einer Außenumgebung der Ventilkammer zu bilden; und
zumindest eine Ventilplatte, die in der Ventilkammer verschiebbar angeordnet ist, um den Kanal zu verschließen und/oder freizugeben.
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Unter einer Ventileinheit kann eine Einheit zum Regulieren eines Fluidstroms verstanden werden. Unter einer Steuervorrichtung kann eine Vorrichtung verstanden werden, die ausgebildet ist, um unter Verwendung zumindest einer Ventileinheit einen fluidischen Antrieb zu steuern. Unter einem fluidischen Antrieb kann beispielsweise ein hydraulischer oder pneumatischer Antrieb verstanden werden. Unter einer Trennplatte und einer Zwischenplatte kann je ein flächiges Bauelement verstanden werden, das beispielsweise aus Metall oder Kunststoff gefertigt sein kann. Die Trennplatten und die Zwischenplatte können unter Verwendung eines Fügeverfahrens wie etwa Schweißen, Löten oder Kleben in einem Plattenverbund miteinander kombiniert sein. Unter einer Ventilkammeraussparung kann eine durchgehende Öffnung in der Zwischenplatte verstanden werden. Unter einer Kanalaussparung kann eine durchgehende kanalförmige Öffnung in der Zwischenplatte verstanden werden. Beispielsweise können die Ventilkammer- und die Kanalaussparung mittels Stanzen, Fräsen oder Laserschneiden in der Zwischenplatte realisiert sein. Unter einer Ventilkammer kann ein durch die Trennplatten und die Ventilkammeraussparung begrenzter Hohlraum verstanden werden, durch den ein Fluid geleitet werden kann. Bei dem Fluid kann es sich etwa um eine Hydraulikflüssigkeit oder Druckluft handeln. Die Ventilkammer kann über einen Kanal mit einer Außenumgebung der Ventilkammer verbunden sein. Unter einem Kanal kann eine durch die Trennplatten und die Kanalaussparung begrenzte Leitung verstanden werden, durch die das Fluid zwischen der Außenumgebung und der Ventilkammer geleitet werden kann. In der Ventilkammer kann zumindest eine Ventilplatte verschiebbar angeordnet sein. Unter einer Ventilplatte kann ein im Wesentlichen flächiges Bauelement verstanden werden, das ausgebildet ist, um eine in die Ventilkammer mündende Öffnung des Kanals zu verschließen oder freizugeben.
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Der vorliegende Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass ein Ventil planar in Sandwichbauweise aus mehreren Schichten aufgebaut sein kann. Hierbei kann ein Ventilkörper des Ventils mit einem nicht kreisförmigen Querschnitt ausgeführt sein. Insbesondere in Hydraulikanwendungen mit moderaten Druckbelastungen bis etwa 250 bar können somit flache und platzsparende Bauformen des Ventils realisiert werden. Beispielsweise kann ein zur Verfügung stehender Bauraum sehr effizient ausgenutzt werden, indem mehrere Ventile übereinander angeordnet werden.
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Durch den planaren Aufbau kann eine mit einem herkömmlichen Ventil vergleichbare Funktion mit geringeren Herstellungskosten erreicht werden. Der Aufbau kann etwa mittels Stanzen oder Druckguss hergestellt werden.
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Ein solches Ventil bietet ferner den Vorteil einer großen Gestaltungsfreiheit innerhalb einer Ebene des Ventils. Somit kann beispielsweise eine hydraulische Effizienz durch eine spezielle Formgebung von Leitungen und eines Ventilraums im Vergleich zu herkömmlichen Bauweisen ohne einen nennenswerten Zusatzaufwand bei der Fertigung gesteigert werden.
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Wird die Gestaltungsfreiheit gemäß einer hier beschriebenen Ausführungsform genutzt, um bewegliche Teile des Ventils besonders leicht zu gestalten, so lassen sich schnelle Schaltzeiten und ein geringer Sitzverschleiß sehr kostengünstig realisieren. Durch eine geeignete Formung und Gestaltung eines Schließkörpers lässt sich auch eine Ventildichtheit, etwa unter Ausnutzung einer elastischen Verformung des Schließkörpers, lokal verstärken.
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Gemäß einer Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes können die Trennplatten und die Zwischenplatte innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs mit einer identischen Dicke ausgeführt sein. Unter einem vorgegebenen Toleranzbereich kann beispielsweise eine Abweichung von 1, 5 oder 10 Prozent zwischen einer Dicke der Trennplatten und einer Dicke der Zwischenplatte verstanden werden. Dadurch, dass die Trennplatten und die Zwischenplatte mit einer im Wesentlichen identischen Dicke gefertigt werden, können Fertigungskosten eingespart werden.
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Ferner kann die Ventilplatte ausgebildet sein, um entlang einer Haupterstreckungsebene der Trennplatten und/oder einer Haupterstreckungsebene der Zwischenplatte verschoben zu werden. Unter einer Haupterstreckungsebene der Trennplatten kann eine Ebene verstanden werden, die einer Richtung einer größten Ausdehnung der Trennplatten entspricht. Unter einer Haupterstreckungsebene der Zwischenplatte kann eine Ebene verstanden werden, die einer Richtung einer größten Ausdehnung der Trennplatten entspricht. Durch diese Ausführungsform kann die Ventileinheit möglichst flach gestaltet werden.
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Die Ventilplatte kann zumindest eine Aussparung zum Verringern eines Gewichts der Ventilplatte aufweisen. Dadurch kann die Ventilplatte im Vergleich zu einer Ausführungsform ohne die zumindest eine Aussparung schneller bewegt werden.
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Durch das verringerte Gewicht kann ferner ein Verschleiß der Ventilplatte oder beweglicher Teile, die mit der Ventilplatte gekoppelt sind, verringert werden.
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Die Ventileinheit kann mit einer Bewegungseinheit vorgesehen sein, die ausgebildet ist, um die Ventilplatte in der Ventilkammer zu verschieben. Unter einer Bewegungseinheit kann beispielsweise ein Magnetaktor, ein Piezoaktor oder ein elektroaktives Polymer verstanden werden. Mittels der Bewegungseinheit kann die Ventilplatte kontrolliert in der Ventilkammer verschoben werden.
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Hierbei kann die Bewegungseinheit zumindest teilweise in der Ventilkammer angeordnet sein. Dadurch kann eine besonders kompakte Bauform der Ventileinheit realisiert werden.
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Des Weiteren kann die Zwischenplatte zumindest eine weitere Kanalaussparung aufweisen. Hierbei kann die weitere Kanalaussparung durch die Trennplatten abgedeckt sein, um einen weiteren Kanal zum Leiten des Fluids zwischen der Ventilkammer und der Außenumgebung der Ventilkammer zu bilden. Die Ventilplatte kann zumindest zwischen einer Öffnung des weiteren Kanals und einer Öffnung des Kanals verschiebbar angeordnet sein, um den weiteren Kanal und den Kanal fluidisch miteinander zu verbinden und/oder voneinander zu trennen. Somit kann die Ventilplatte beispielsweise als druckkraftkompensiertes Schieberventil fungieren.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform des vorliegenden Ansatzes kann zumindest eine zusätzliche Zwischenplatte vorgesehen sein, die zwischen den Trennplatten angeordnet ist und zumindest eine zusätzliche Kanalaussparung aufweist. Hierbei kann der Kanal ferner durch die zusätzliche Kanalaussparung gebildet sein. Dadurch können unterschiedliche Geometrien und Durchmesser des Kanals mit geringem Kostenaufwand realisiert werden.
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Hierbei kann die zusätzliche Kanalaussparung mit einem von einem Durchmesser der Kanalaussparung abweichenden Durchmesser ausgeführt sein. Dadurch können unterschiedliche Querschnitte des Kanals, insbesondere Querschnitte mit einer von einem Rechteck abweichenden Form, realisiert werden. Somit kann beispielsweise ein Strömungswiderstand innerhalb des Kanals niedrig gehalten werden.
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Der vorliegende Ansatz schafft zudem eine Steuervorrichtung zum Steuern eines fluidischen Antriebs, wobei die Steuervorrichtung zumindest zwei Ventileinheiten gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen umfasst. Eine solche Steuervorrichtung bietet im Vergleich zu herkömmlichen Steuervorrichtungen den Vorteil einer besonders kompakten und kosteneffizient zu realisierenden Bauform.
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Schließlich schafft der vorliegende Ansatz ein Verfahren zum Herstellen einer Ventileinheit gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
Bereitstellen zumindest zweier Trennplatten, zumindest einer Zwischenplatte und zumindest einer Ventilplatte;
Herstellen zumindest einer Ventilkammeraussparung und zumindest einer Kanalaussparung in der Zwischenplatte;
Einbringen der Ventilplatte in die Ventilkammeraussparung, wobei die Ventilplatte verschiebbar in der Ventilkammeraussparung angeordnet wird; und
Bilden eines Verbunds aus den Trennplatten und der Zwischenplatte, wobei die Zwischenplatte zwischen den Trennplatten angeordnet wird, wobei die Ventilkammeraussparung mit der Ventilplatte durch die Trennelemente abgedeckt wird, um eine Ventilkammer zu bilden, wobei die Kanalaussparung durch die Trennplatten abgedeckt wird, um einen Kanal zum Leiten eines Fluids zwischen der Ventilkammer und einer Außenumgebung der Ventilkammer zu bilden, und wobei die Ventilplatte ausgebildet ist, um den Kanal zu verschließen und/oder freizugeben.
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Der hier vorgestellte Ansatz wird nachstehend anhand der beigefügten Zeichnungen beispielhaft näher erläutert. Es zeigen:
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1a, 1b schematische Darstellungen einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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2 eine schematische Seitenansicht einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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3 eine schematische Seitenansicht einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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4a, 4b schematische Darstellungen einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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5a, 5b schematische Darstellungen einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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6 eine schematische Darstellung einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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7a, 7b schematische Querschnittsdarstellungen eines Kanals einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
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8 eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
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9 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen einer Ventileinheit gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung günstiger Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Figuren dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei auf eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente verzichtet wird.
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Die 1a und 1b zeigen schematische Darstellungen einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In 1a ist ein Querschnitt der Ventileinheit 100 entlang einer in 1b gezeigten Längsachse A-A der Ventileinheit 100 dargestellt.
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In 1b ist eine Seitenansicht der Ventileinheit 100 ohne die Trennplatten 105 dargestellt. Die Ventileinheit 100 umfasst zwei Trennplatten 105 und eine Zwischenplatte 110, die zwischen den Trennplatten 105 angeordnet ist. Die Zwischenplatte 110 weist eine Ventilkammeraussparung 115 und eine Kanalaussparung 120 auf. In der Ventilkammeraussparung 115 ist eine Ventilplatte 125 angeordnet. Die Ventilplatte 125 ist entlang der Längsachse A-A verschiebbar. Die Ventilkammeraussparung 115 und die Kanalaussparung 120 sind je als eine durchgehende Öffnung in der Zwischenplatte 110 ausgeführt. Die Ventilkammeraussparung 115 und die Kanalaussparung 120 sind durch die Trennplatten 105 fluiddicht abgedeckt. Somit ergibt sich aus der Ventilkammeraussparung 115 eine Ventilkammer 130 und aus der Kanalaussparung 120 ein Kanal 135.
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Der Kanal 135 ist ausgebildet, um eine fluidische Verbindung zwischen der Ventilkammer 130 und einer Außenumgebung der Ventilkammer 130 herzustellen. Durch ein Verschieben der Ventilplatte 125 kann der Kanal 135 verschlossen oder freigegeben werden. Somit kann ein Fluidstrom in der Ventilkammer 130 gesteuert werden.
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Die Trennplatten 105 und die Zwischenplatte 110 sind mit einer im Wesentlichen identischen Dicke ausgeführt. Beispielsweise beträgt eine jeweilige Dicke der Trennplatten 105 und der Zwischenplatte 110 5mm, 10mm oder 20mm. Hierbei können die Trennplatten 105 und die Zwischenplatte 110 unter Verwendung eines Fügeverfahrens zu einem Plattenverbund miteinander kombiniert sein.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung ist in der Zwischenplatte 110 eine weitere Kanalaussparung 140 ausgebildet. Die weitere Kanalaussparung 140 ist durch die Trennplatten 105 abgedeckt, um einen weiteren Kanal 145 zu bilden. Der weitere Kanal 145 umfasst einen ersten und einen zweiten Kanalabschnitt. Der erste und der zweite Kanalabschnitt sind beispielhaft rechtwinklig zueinander angeordnet. Der erste Kanalabschnitt verläuft entlang der Längsachse A-A und mündet in die Ventilkammer 130. Der zweite Kanalabschnitt ist beispielhaft parallel zu dem Kanal 135 angeordnet und wie der Kanal 135 fluidisch mit der Außenumgebung der Ventilkammer 130 verbunden. Beispielsweise kann ein Fluid über den weiteren Kanal 145 in die Ventilkammer 130 eingeleitet werden und über den Kanal 135 aus der Ventilkammer 130 ausgeleitet werden.
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Die Ventileinheit 100 umfasst optional eine Bewegungseinheit 150, die ausgebildet ist, um die Ventilplatte 125 entlang der Längsachse A-A zu verschieben.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Bewegungseinheit 150 in der Ventilkammer 130 angeordnet. Die Bewegungseinheit 150 kann ähnlich wie die Ventilplatte 125 plattenartig ausgeführt sein.
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Die Ventilplatte 125 weist in 1b beispielhaft einen stufenartigen Querschnitt mit einer ersten Stufe 155 und einer zweiten Stufe 160 auf. Hierbei entspricht eine Höhe der ersten Stufe 155 im Wesentlichen einer Höhe der Ventilkammer 130. Die zweite Stufe 160 weist eine deutlich geringere Höhe als die erste Stufe 155 auf und erstreckt sich parallel zur Längsachse A-A in einem der Öffnung des Kanals 135 gegenüberliegenden Bereich der Ventilkammer 130. Ein der Öffnung des weiteren Kanals 145 zugewandter Randbereich der zweiten Stufe 160 weist eine Schräge auf. Eine dem Randbereich gegenüberliegende Wandfläche der Ventilkammer 130 verläuft ebenfalls schräg zur Längsachse A-A. Um eine geeignete Dichtgeometrie zu realisieren, kann ein Neigungswinkel der Schräge der Ventilplatte 125 identisch mit einem Neigungswinkel der Wandfläche der Ventilkammer 130 sein, wie in 1b gezeigt.
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Mittels einer solchen treppenförmigen Ausführung der Ventilplatte 125 kann ein Querschnitt eines zwischen dem Kanal 135 und dem weiteren Kanal 145 befindlichen Fluiddurchflussbereichs der Ventilkammer 130 proportional zu einem Verschiebeweg der Ventilplatte 125 vergrößert oder verkleinert werden, um eine Fließgeschwindigkeit des Fluids zu steuern oder den Fluidstrom zu unterbinden.
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Ein einem Ventil zur Verfügung stehender Bauraum kann in vielen Hydraulikanwendungen beschränkt sein, etwa in der Mobilhydraulik. Dadurch ergeben sich Beschränkungen hinsichtlich eines Durchmessers oder einer Baulänge herkömmlicher Ventile.
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Ein herkömmliches Sitz- oder Schieberventil wird üblicherweise in mehreren spanenden Bearbeitungsschritten gefertigt. Prinzipbedingt können dabei die Gestaltungsmöglichkeiten eingeschränkt sein. Die Ventile sind idealerweise rotationssymmetrisch aufgebaut. Jede Abweichung, beispielsweise in Form von Kerben oder zusätzlichen Bohrungen in den Ventilschiebern, kann zusätzliche Bearbeitungsschritte notwendig machen. Hinterschnitte sind im Allgemeinen schwer zu realisieren und mit hohen Kosten verbunden. Diese Einschränkungen gelten sowohl für bewegliche Teile des Ventils als auch für ein Ventilgehäuse.
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Aufgrund dieser Einschränkungen werden bewegliche Dichtteile oft aus Vollmaterial hergestellt. Die Dichtteile können somit eine hohe Masse aufweisen. Dies kann sich wiederum auf die Schaltzeiten des Ventils auswirken.
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Wenn bei einem Schließvorgang ein Schließkörper in einen entsprechenden Sitz gedrückt wird, kann ein hoher Impuls der beweglichen Teile je nach Betriebssituation und Bauform einen erhöhten Sitzverschleiß bewirken.
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Um diese Einschränkungen zu umgehen, wird gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung statt eines rotationssymmetrischen Aufbaus eines herkömmlichen Ventils eine planare Geometrie eines Ventils 100 vorgeschlagen. Dabei ist eine für eine Funktion relevante Formgebung des Ventils 100 im Wesentlichen zweidimensional. Beispielsweise kann das Ventil 100 mittels 2-D-Extrusion geformt werden. Sofern die Gehäuseplatten 105, 110 und ein Ventilkörper 125, auch Ventilplatte genannt, aus annähernd gleichstarken Platten gefertigt werden, sind die dadurch realisierten Leitungs- und Ventilraumquerschnitte überwiegend rechteckig. Zwar kann dies einen adressierbaren Druckbereich einschränken, allerdings bietet dies den Vorteil eines geringeren Herstellungsaufwands sowie geringerer Herstellungskosten, insbesondere wenn die Formgebung in der dritten Dimension durch das Zusammenfügen von Einzelschichten 105, 110 zu einem Sandwich erreicht wird.
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Die Herstellung kann sich somit auf eine Bearbeitung von Metall- oder alternativ von Kunststoffplatten mittels Trennen und Spanen sowie auf ein nachträgliches Fügen zu einem Sandwich beschränken. Hierbei kann das Potenzial von Fertigungsverfahren zur Plattenbearbeitung ausgenutzt werden, um Kosten zu senken. Eine Fügung kann beispielsweise mittels Löten, Laserschweißen oder Kleben erfolgen. Werden zur Gestaltung des Gehäuses im Vergleich zur Ventilkörperstärke dünnere Platten verwendet, so können auch Leitungen mit nicht eckigen Querschnitten gestaltet werden, wie nachfolgend anhand von 7b beschrieben.
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Eine besonders konsequente Umsetzung des Konzepts ist in Sandwichbauweise möglich, da in diesem Fall sowohl eine Ventilfunktion als auch eine Verschaltung in Schichten gegliedert werden können. Mögliche Anwendungen einer solchen Planarbauweise sind beispielsweise Ventilscheiben der Mobilhydraulik. Ferner können mehrere Ventile 100 als Binärmodul verwendet werden, etwa um einen Volumenstrom gestuft zu- oder abzuschalten, wie nachfolgend anhand von 8 erläutert.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung umfasst ein Ventil 100 zum großen Teil flache Bauteile mit konstanter Dicke. Ein Ventilgehäuse besteht aus übereinander angeordneten und durch ein geeignetes Fügeverfahren miteinander verbundenen Blechen oder Platten 105, 110. Die einzelnen Schichten 105, 110 können mit kostengünstigen Fertigungsverfahren wie etwa Fräsen, Stanzen oder Laserschneiden gefertigt werden. Die Schichten 105, 110 können durch Fügen, beispielsweise durch Löten, Kleben, Punkt- oder Linienschweißen oder eine Kombination dieser Verfahren, zu einem Sandwich verbunden sein. Durch Ausschnitte 115, 120, 140 in einer oder mehreren Platten 110 zwischen einer oberen und unteren durchgehenden Deckschicht 105 entsteht ein Hohlraum, der von einem Fluid durchströmt wird. In demselben Hohlraum befindet sich ein ebenfalls planares Bauteil 125, das beweglich in der Ebene parallel zu den Schichten 105 gelagert ist. Das Bauteil 125 kann auch als Ventilplatte oder Schieber bezeichnet werden. Die Bewegung des Bauteils 125 wird durch einen geeigneten Aktor 150 hervorgerufen und dient zum Einstellen eines gewünschten Fluidvolumenstroms sowie je nach Anwendung zum Abdichten, wenn das Ventil 100 geschlossen ist.
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Der Aktor 150 kann sich außerhalb oder innerhalb des Sandwichbauteils befinden. Bei genügend vorhandenem Raum oder bei einem externen Aktor 150 können herkömmliche Prinzipien wie beispielsweise Magnetspulen zur Anwendung kommen. Bei einer Verwendung innerhalb eines Hohlraums 130 in der Zwischenschicht 110 können, wie beispielhaft in den 1a und 1b gezeigt, Aktoren 150 mit flachem Querschnitt eingesetzt werden, beispielsweise elektroaktive Polymere (EAP) oder Piezoaktoren.
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In den 1a und 1b ist das Ventil 100 beispielhaft als Sitzventil realisiert.
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2 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den 1a und 1b weist die Ventilplatte 125 beispielhaft vier Aussparungen 200 auf, die der Gewichtsreduktion der Ventilplatte 125 dienen. Die Aussparungen 200 können beispielsweise rechteckig oder rund und unterschiedlich groß ausgeführt sein.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel, das durch eine planare Bauweise einfach umsetzbar ist, dient einer Gewichtsreduktion beweglicher Teile der Ventileinheit 100. Hierbei können große Teile aus einem Material der Ventilplatte 125 ausgeschnitten werden. Mittels solcher Aussparungen 200 können schnelle Schaltzeiten realisiert werden und eine Haltbarkeit eines Sitzbereichs bzw. eines Schieberanschlags erhöht werden. Beispielsweise kann eine derartige Ventilplatte 125 unter Verwendung eines Spritzgussverfahrens gefertigt werden, um Kraftflussstege mit konstanten Stärken zu erhalten.
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3 zeigt eine schematische Seitenansicht einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den 1a und 1b ist die in 3 gezeigte zweite Stufe 160 der Ventilplatte 125 mit Verrundungen 300 ausgeführt, die ausgebildet sind, um einen Strömungswiderstand in der Ventilkammer 130 zu reduzieren.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel sieht ein Minimieren hydraulischer Verluste in der Ventileinheit 100 vor. Während eine Höhe der Strömungskanäle 135, 145 in der planaren Bauweise konstant bleibt, etwa wenn eine Dicke der Gehäuseplatten 105 einer Dicke der Ventilkörperplatte 110 entspricht, lassen sich durch geeignete Fertigungsverfahren Umlenkungen sowie Fluidzu- und -abströmleitungen geometrisch frei gestalten und so verrunden, dass ein Strömungswiderstand minimal wird. Solche strömungsgünstigen Geometrien lassen sich auch auf den Ventilkörper 125 übertragen, etwa durch Anbringen von Staukanten zur Strömungskraftkompensation.
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Die 4a und 4b zeigen schematische Darstellungen einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Gegensatz zu 1b weist die Ventilkammer 130 in 4a einen rechteckigen Querschnitt ohne abgeschrägte Wandfläche auf. Ferner sind die Öffnungen der Kanäle 135, 145 je an einer einer Bodenfläche der Ventilkammer 130 gegenüberliegenden Wandfläche der Ventilkammer 130 ausgebildet.
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Im Gegensatz zu 1b weist die Ventilplatte 125 eine rechteckige Grundform auf. Ferner ist die Ventilplatte 125 beispielhaft mit zwei rechteckigen Ventilaussparungen 400 ausgeführt, wobei eine Ventilaussparung 400 der Wandfläche mit den Öffnungen der Kanäle 135, 145 zugewandt ist und eine Ventilaussparung 400 der Bodenfläche zugewandt ist. Die Ventilaussparungen 400 sind in einem Bereich zwischen den Öffnungen der Kanäle 134, 145 ausgebildet. Hierbei ist eine jeweilige Breite der Ventilaussparungen 400 geringfügig größer als ein Abstand zwischen den Öffnungen der Kanäle 135, 145. Beispielsweise sind die Ventilaussparungen 400 je um 1 mm, 5 mm oder 15 mm breiter als der Abstand zwischen den Öffnungen der Kanäle 135, 145.
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Durch ein Verschieben der den Kanälen 135, 145 zugewandten Ventilaussparung 400 kann der Querschnitt des Fluiddurchflussbereichs zwischen den Kanälen 135, 145 verändert werden, um den Fluidstrom zwischen den Kanälen 135, 145 zu steuern.
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Optional weist die Ventilplatte 125 eine Fräsnut 405 zur Drucksignalisierung auf. Die Fräsnut 405 ist ausgebildet, um eine fluidische Verbindung zwischen zwei durch die Ventilplatte 125 räumlich und fluidisch voneinander getrennten Teilbereichen der Ventilkammer 130 herzustellen.
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Die 5a und 5b zeigen schematische Darstellungen einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu den 1a und 1b zeigen die 5a und 5b ein Beispiel eines planaren Sitzventils 125 in Sandwichbauweise mit einem externen Aktor als Bewegungseinheit 150. Hierbei ist die Bewegungseinheit 150 in einem Gehäuse 500 integriert, das außerhalb der Ventilkammer 130 angeordnet ist. Die Bewegungseinheit 150 ist beispielsweise als Magnetaktor mit einem runden Querschnitt realisiert.
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Die Bewegungseinheit 150 umfasst eine Stange 505, die sich entlang der Längsachse A-A erstreckt. An einem der Ventilkammer 130 zugewandten Ende der Stange 505 ist die Ventilplatte 125 befestigt. Die Bewegungseinheit 150 ist ausgebildet, um die Stange 505 entlang der Längsachse A-A zu bewegen und somit die Ventilplatte 125 in der Ventilkammer 130 zu verschieben.
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Zudem umfasst die in den 5a und 5b dargestellte Ventileinheit 100 zwei Deckplatten 510, wobei je eine Deckplatte 510 angrenzend an je eine Trennplatte 105 angeordnet ist. Beispielsweise ist das Gehäuse 500 an den Deckplatten 510 angebracht.
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Durch eine planare Anordnung und dadurch ermöglichte kostengünstige Fertigungsverfahren kann innerhalb einer Ebene eine hohe Gestaltungsfreiheit für eine Ventilgeometrie erreicht werden. Damit lassen sich Funktionsprinzipien einer Vielzahl konventioneller Ventiltypen realisieren. Dazu zählen beispielsweise Schieber- und Sitzventile, die je sowohl als Proportionalventil wie auch als Schaltventil realisiert sein können. Ein Ausführungsbeispiel eines Sitzventils 100 ist in den 1a und 1b gezeigt. Ein Ausführungsbeispiel eines druckkraftkompensierten Schieberventils 100 ist in den vorangehend beschriebenen 4a und 4b schematisch dargestellt. Konstruktive Elemente zur Kompensation einer Strömungskraft sind leicht umsetzbar.
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6 zeigt eine schematische Darstellung einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu 1a umfasst die in 6 gezeigte Ventileinheit 100 neben der Zwischenplatte 110 beispielhaft zwei zusätzliche Zwischenplatten 600. Hierbei ist die Zwischenplatte 110 zwischen den zusätzlichen Zwischenplatten 600 angeordnet.
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In 6 sind ferner schematische Seitenansichten der Zwischenplatte 110 und der zusätzlichen Zwischenplatten 600 jeweils einzeln neben der Ventileinheit 100 abgebildet. Die zusätzlichen Zwischenplatten 600 weisen im Unterschied zur Zwischenplatte 110 lediglich die Ventilkammeraussparung 115 und die Kanalaussparung 120 auf.
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Je eine geschlossene Fläche der zusätzlichen Zwischenplatten 600 ist der weiteren Kanalaussparung 140 der Zwischenplatte 110 gegenüberliegend angeordnet. Die geschlossenen Flächen fungieren somit als Trennplatten, um den weiteren Kanal 145 zu bilden.
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Die in 6 gezeigten Konturen können aus mehreren Zwischenschichten 110, 600 ausgeschnitten sein und zu einem Sandwich mit eingeschlossenem Hohlraum gefügt sein.
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Die 7a und 7b zeigen schematische Querschnittsdarstellungen eines Kanals 135 einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Kanal 135 kann es sich um eine Zuström- bzw. Abströmleitung gemäß dem in 1b gezeigten Ausführungsbeispiel handeln.
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In 7a ist der Kanal 135 mit einem rechteckigen Querschnitt ausgeführt. Die in 7b gezeigte Ventileinheit 100 weist neben der Zwischenplatte 110 mit der Kanalaussparung 120 eine Mehrzahl zusätzlicher Zwischenplatten 700 mit je einer zusätzlichen Kanalaussparung 705 auf. Beispielhaft sind in 7b sieben zusätzliche Zwischenplatten 700 abgebildet. Die Zwischenplatten 110, 700, auch Gehäuseplatten genannt, sind je deutlich dünner als die in 7a gezeigte Zwischenplatte 110 ausgeführt. Die zusätzlichen Kanalaussparungen 705 und die Kanalaussparung 120 sind je einander gegenüberliegend angeordnet. In 7b ist die Zwischenplatte 110 in einer Mitte zwischen den zusätzlichen Zwischenplatten 700 angeordnet. Ein Durchmesser der Kanalaussparung 120 entspricht beispielhaft einem maximalen Durchmesser des Kanals 135. Die jeweiligen Durchmesser der zusätzlichen Kanalaussparungen 705 nehmen ausgehend von der Kanalaussparung 120 in Richtung der Trennplatten 105 stufenweise ab, wobei die äußersten zusätzlichen Kanalaussparungen 705 je einen minimalen Durchmesser des Kanals 135 repräsentieren. Somit ergibt sich ein annähernd kreisförmiger Querschnitt des Kanals 135.
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8 zeigt eine schematische Darstellung einer Steuervorrichtung 800 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Steuervorrichtung 800 umfasst die Ventileinheit 100 sowie beispielhaft zwei weitere Ventileinheiten 805. Bei den Ventileinheiten 100, 805 kann es sich beispielsweise um die in den 1a und 1b gezeigte Ventileinheit handeln.
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Die Ventileinheiten 100, 805 sind in einem Plattenverbund miteinander kombiniert.
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Die Steuervorrichtung 800 ist ausgebildet, um einen in 8 nicht dargestellten fluidischen Antrieb zu steuern. Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist die Steuervorrichtung 800 als Binärmodul zur diskreten Freigabe von Hydraulikpfaden realisiert. Die Hydraulikpfade können die jeweiligen Kanäle 135 der Ventileinheiten 100, 805 umfassen. In 8 ist der Kanal 135 der Ventileinheit 100 offen und die Kanäle 135 der weiteren Ventileinheiten 805 geschlossen. Hierbei ist ein geöffneter Zustand mit der Ziffer 1 und ein geschlossener Zustand mit der Ziffer 0 gekennzeichnet.
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9 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 900 zum Herstellen einer Ventileinheit 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 900 umfasst einen Schritt 905 des Bereitstellens zumindest zweier Trennplatten, zumindest einer Zwischenplatte und zumindest einer Ventilplatte. Ferner umfasst das Verfahren 900 einen Schritt 910 des Herstellens zumindest einer Ventilkammeraussparung und zumindest einer Kanalaussparung in der Zwischenplatte. Des Weiteren ist ein Schritt 915 des Einbringens der Ventilplatte in die Ventilkammeraussparung vorgesehen. Hierbei wird die Ventilplatte verschiebbar in der Ventilkammeraussparung angeordnet. Schließlich erfolgt ein Schritt 920 des Bildens eines Verbunds aus den Trennplatten und der Zwischenplatte. Hierbei wird die Zwischenplatte zwischen den Trennplatten angeordnet, die Ventilkammeraussparung mit der Ventilplatte durch die Trennelemente abgedeckt, um eine Ventilkammer zu bilden, und die Kanalaussparung durch die Trennplatten abgedeckt, um einen Kanal zum Leiten eines Fluids zwischen der Ventilkammer und einer Außenumgebung der Ventilkammer zu bilden. Die Ventilplatte ist dabei ausgebildet, um den Kanal zu verschließen und/oder freizugeben.
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Die beschriebenen und in den Figuren gezeigten Ausführungsbeispiele sind nur beispielhaft gewählt. Unterschiedliche Ausführungsbeispiele können vollständig oder in Bezug auf einzelne Merkmale miteinander kombiniert werden. Auch kann ein Ausführungsbeispiel durch Merkmale eines weiteren Ausführungsbeispiels ergänzt werden.
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Ferner können die hier vorgestellten Verfahrensschritte wiederholt sowie in einer anderen als in der beschriebenen Reihenfolge ausgeführt werden.
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Umfasst ein Ausführungsbeispiel eine „und/oder“-Verknüpfung zwischen einem ersten Merkmal und einem zweiten Merkmal, so ist dies so zu lesen, dass das Ausführungsbeispiel gemäß einer Ausführungsform sowohl das erste Merkmal als auch das zweite Merkmal und gemäß einer weiteren Ausführungsform entweder nur das erste Merkmal oder nur das zweite Merkmal aufweist.
