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Die Erfindung betrifft eine Ventilvorrichtung für ein hydraulisches System in einem Getriebe, umfassend einen Ventilblock mit einer Mehrzahl an Verbindungskanälen und zumindest ein in dem Ventilblock eingesetztes Einbauventil, umfassend ein axial verstellbar gelagertes Ventilelement und eine Stelleinheit zum Verstellen des Kolbenschiebers.
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Ein Einbauventil ist ein Logikelement zum Einbau in einen hydraulischen Ventilblock, der auch als Steuerblock bezeichnet wird, das für Wege-, Druck-, Rückschlagfunktionen und Durchflusssteuerungen verwendet werden kann. Bei solchen Ventilen wird ein Ventilelement, wie z.B. ein Kolbenschieber, ohne explizites Gehäuse in eine Einbaubohrung eines Ventilblocks verstellbar gelagert eingebracht und mittels eines Flansches einer Stelleinheit fixiert. Der Kolbenschieber des Einbauventils ist in der Bohrung des Ventilblocks axial bewegbar und in mehrere Stellungen bringbar. Zur Verstellung des Kolbens sind mehrere Mechanismen bekannt, wie z.B. pneumatische, hydraulische, elektromagnetische, manuelle, piezoelektrische, etc. Der Kolbenschieber wird auch als Kolbenlängsschieber, Kolben, Steuerschieber oder Nachfolgeschieber bezeichnet. Zur Erfüllung der Anforderungen an Toleranz und Lebensdauer werden die Ventilblöcke aus metallischen Werkstoffen, insbesondere aus Aluminiumdruckguss oder Grauguss hergestellt.
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Eine solche Ventilvorrichtung lässt eine kompakte Bauweise zu und ermöglicht eine hohe Leistungsdichte und wird daher insbesondere in hydraulischen Steuerungen von Getrieben, insbesondere von Fahrzeuggetrieben, eingesetzt.
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Die allgemeine Entwicklung bei Ventilvorrichtungen ist auf eine Reduzierung der Kosten bei zumindest gleichbleibenden Anforderungen an Toleranz und Lebensdauer gerichtet. Diese wird bislang u.a. damit erreicht, das Bauvolumen der Ventilvorrichtung zu verringern und gleichzeitig die Durchflussmenge zu erhöhen, zumindest jedoch aufrechtzuerhalten. Ein Nachteil, der bei der Reduzierung des Bauvolumens entstehen kann, ist, dass die Reibkraft im Einbauventil steigt und damit auch die erforderliche Betätigungs-/Verstellkraft. Da die durch das Druckmedium erzeugte Betätigungs-/Verstellkraft proportional zum Quadrat des Durchmessers des Kolbenschiebers und die zu überwindende Reibkraft proportional zum Durchmesser einer Dichtlinie ist, sinkt bei einer Reduzierung des Bauvolumens die Betätigungs-/Verstellkraft schneller als die Reibkraft. Ein weiterer Nachteil ist, dass bei solchen Einbauventilen die Lebensdauer nicht oder nur selten erreicht wird.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die bekannte Ventilvorrichtung derart weiterzuentwickeln, dass sie unter Beibehalten des Bauvolumens einfach und kostengünstig herzustellen ist. Ein weiteres Ziel der Erfindung ist es, die Lebensdauer des Ventilblocks zu erhöhen und einen kostengünstig herstellbaren Ventilblock für das Einbauventil bereitzustellen.
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Erfindungsgemäß wird dieses Problem gelöst, indem das Einbauventil ein Gehäuse aus Metall mit einer Mehrzahl an Anschlussbohrungen, die zu der Mehrzahl an Verbindungskanälen korrespondiert, wobei das Gehäuse mit den Anschlussbohrungen zu den Verbindungskanälen ausrichtbar ist, umfasst und dass der Ventilblock aus Kunststoff ist.
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Das Einbauventil ist für die Montage in zumindest eine Bohrung eines Ventilblocks konzipiert und mittels eines Flansches einer Stelleinheit fixierbar. Nach der konstruktiven Gestaltung kann ein Schieberventil, insbesondere ein sogenanntes Kolbenschieberventil zum Einsatz kommen.
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Der Ventilblock weist eine Mehrzahl an Verbindungskanälen auf, die über den im Ventilgehäuse aufgenommenes axial verschiebbaren Kolbenschieber miteinander verbindbar und/oder schließbar sind, wobei das Ventilgehäuse Anschlussbohrungen aufweist die zu den Verbindungskanälen korrespondieren und die zu diesen ausrichtbar sind. Die Verbindungskanäle sind radial zur Bohrung in bestimmbaren Abständen angeordnet. Um eine Verstellbarkeit des Kolbenschiebers mit geringerem Kraftaufwand zu gewährleisten, kann eine radiale und/oder axiale Druckentlastung vorgesehen sein. Der Kolbenschieber ist durch eine Stelleinheit in eine Mehrzahl an Stellungen verstellbar und wird auch als Kolben, Kolbenlängsschieber, Steuerschieber oder Nachfolgeschieber bezeichnet. Er kann eine oder mehrere Eindrehungen besitzen. Die Anzahl der Anschlussbohrungen und Schaltstellungen des Einbauventils wird vor allem durch den Anwendungszweck bestimmt. In der Regel besitzen Kolbenschieberventile zwei oder mehrere Anschlussbohrungen und zwei oder drei Schaltstellungen.
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Das Einbauventil umfasst ferner eine in einem Federraum aufgenommene Druckfeder, welche den Kolben in Schließrichtung mit einer Druckkraft beaufschlagt. Ferner kann der Federraum über eine weitere im Ventilgehäuse oder im Kolbenschieber ausgebildete Bohrung entlüftbar und/oder entlastbar sein. Über die weitere Bohrung ist demnach eine ausreichende Entlüftung gewährleistet, welche die Funktionssicherheit des Ventils erhöht.
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Das Ventilgehäuse ist zweckmäßiger Weise zylinderförmig. Insbesondere kann es einen ersten zylinderförmigen Abschnitt, in dem die Druckfeder im Federraum und der Kolbenschieber aufnehmbar ist, und einen zweiten zylinderförmigen Abschnitt, in dem der Flansch der Stelleinheit aufnehmbar ist, umfassen, wobei die beiden zylinderförmigen Abschnitte zu zylinderförmigen Bohrungen im Ventilblock korrespondieren. Das Ventilgehäuse kann insbesondere einteilig ausgebildet sein.
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Die Erfindung zeichnet sich dadurch aus, dass sie den Kolben des Einbauventils körperlich vom Ventilblock trennt, wenn das Einbauventil in den Ventilblock eingebaut ist, das heißt, der Kolben ist in eingebautem Zustand nicht in Kontakt mit dem Ventilblock, sondern mit dem Gehäuse des Einbauventils. Dadurch wird erreicht, dass ein lebensdauerkritischer Verschleiß auf das einsetzbare Einbauventil „verlagert“ wird. Das Gehäuse des Einbauventils dient sozusagen als Schutzschicht zwischen Kolben und Ventilblock.
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Durch die „Verlagerung“ eines Verschleißes vom Ventilblock auf das austauschbare Ventilgehäuse ist in vorteilhafter Weise der Ventilblock aus Kunststoff herstellbar. Der Kunststoff kann insbesondere ein Kunststoff sein, der Temperaturen von dauerhaft bis zu 120°C und in der Spitze bis zu 170°C standhält und Drücken bis zu 25bar, Druckspitzen bis zu 50 bar, standhält. Kunststoffe bieten eine höhere Gestaltungsfreiheit und tragen zu einer erheblichen Gewichtsreduktion bei. Durch eine Integration von Funktionselementen lassen sich zusätzliche Montageschritte vermeiden und Bauteilkosten senken.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Ventilvorrichtung ist das Einbauventil ein Cartridgeventil. Dadurch wird eine größere Durchflussmenge und eine hohe Dynamik gewährleistet.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Ventilvorrichtung ist der Kunststoff aus einem glasfaserverstärkten Polyamid. Hierdurch wird gewährleistet, dass sowohl die Temperatur- und Druckanforderungen als auch eine Einsatzzeit von ca. 50.000 Betriebsstunden des Ventilblocks erfüllt werden. Damit eignet sich der Ventilblock aus glasfaserverstärktem Polyamid in vorteilhafter Weise für die Verwendung in Getrieben in Fahrzeugen.
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Bei einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse des Einbauventils zumindest ein zwischen zwei Anschlussbohrungen angeordnetes Dichtungselement auf. Somit kann eine Formveränderung des Kunststoffventilblocks insbesondere infolge hoher Druckunterschiede zwischen benachbarten Verbindungskanälen ausgeglichen werden, ohne eine Dichtigkeit zwischen Ventilblock und Ventilgehäuse negativ zu beeinflussen
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In einer darüber hinaus bevorzugten Ausführungsform weist das Gehäuse des Einbauventils zumindest eine Dichtungsfuge auf, um das zumindest eine Dichtungselement aufzunehmen. Durch die Dichtungsfuge wird gewährleistet, dass das Dichtungselement gehäusefest bleibt und nicht verrutschen kann, wie dies z.B. durch eine Montage in den Ventilblock möglich wäre.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn das Dichtungselement ein umlaufender Dichtungsring ist. Durch eine umlaufende Dichtung wird eine optimale Druckstandfestigkeit erzeugt.
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In einer weiter bevorzugten Ausführungsform ist die Stelleinheit ein Proportionalmagnet. So kann der Kolbenschieber, in Abgrenzung zu einem Zweipunktstellglied, stufenlos zwischen zwei Endstellungen in eine beliebige Anzahl an Zwischenstellungen verstellt werden.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Kolbenschieber aus Aluminium, Messing, Bronze, Kupfer, Edelstahl oder Stahllegierungen oder einer Kombination daraus hergestellt ist. Dadurch werden sehr hohe mechanische und/oder chemische und/oder thermische Belastungen ermöglicht. Auch sind dadurch in vorteilhafter Weise Kolbenschieber mit komplizierten Geometrien möglich.
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Darüber hinaus ist es bevorzugt, dass eine Oberfläche des Kolbenschiebers umgewandelt ist, insbesondere hartanodisiert ist. In Abgrenzung zur Oberflächenbeschichtung, wird bei der Oberflächenumwandlung eine Schutzschicht nicht auf dem Kolbenschieber abgeschieden, sondern durch Umwandlung einer obersten Metallzone z.B. ein Metalloxid oder Metallhydroxid erzeugt. Konstruktiv ist zu beachten, dass sich bei der Hartanodisation ein Maßzuwachs feststellen lässt, weil sich die Oxidschicht im Zuge einer elektrolytischen Behandlung aus dem Grundwerkstoff herausbildet. Ein Kolbenschieber mit einer hartanodisierten Oberfläche verhindert jedoch in vorteilhafter Weise ein Abplatzen der Schicht.
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Weiterhin ist es bevorzugt, dass der Ventilblock mittels Spritzgießverfahren hergestellt ist. Mittels Spritzgießverfahren können Ventilblöcke von unterschiedlichem Gewicht und von unterschiedlicher Größe in großer Stückzahl sehr kostengünstig hergestellt werden. Das Spritzgießverfahren eignet sich aufgrund einer großen Designfreiheit der Werkzeuge für diverse Formen und Oberflächen von Ventilblöcken.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine Ventilvorrichtung nach dem Stand der Technik in einer schematischen Querschnittsansicht und
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2 eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung in einer schematischen Querschnittsansicht.
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Die 1 zeigt in einer Querschnittsansicht eine Ventilvorrichtung 100 einer hydraulischen Steuerung eines Fahrzeuggetriebes nach dem Stand der Technik. Die Ventilvorrichtung weist einen Ventilblock 110 und ein Einbauventil mit einem Kolbenschieber 120, einer Druckfeder 130, einem Druckfederraum und einem Proportionalmagneten 150 auf. Das dargestellte Einbauventil ist als ein elektromagnetisch betätigbares 3/2-Wege-Ventil ausgebildet. Die Ventilvorrichtung 100 weist drei Arbeitsanschlüsse 111 bis 113 für einen Hauptdruck-, einen Schaltelementdruck und einen Entlüftungs-/Tankanschluss auf, die eine hydraulische Steuerung eines Arbeitsvolumenstroms ermöglichen. Zusätzlich kann ein Kanal 114 zur Entlüftung des Federraumes und ein Kanal 115 zur Druckrückführung des Schaltelementdrucks vorgesehen sein. Der Kolbenschieber 120 ist direkt in einer zylinderförmigen Ausnehmung 116 im Ventilblock verstellbar und an die Druckfeder 130 gelagert und ist mittels eines Proportionalmagnetenflansches 140 fixiert. Zur Bereitstellung einer Ventilfunktionalität weist der Kolbenschieber 120 eine zylinderförmige Ausnehmung 126 auf. Der Kolbenschieber 120 kann aus herkömmlichem Material, wie z.B. Aluminium oder Stahl ausgebildet sein.
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In der gezeigten Darstellung befindet sich der Kolbenschieber 120 in einer Schaltstellung, in der der Arbeitsanschluss 111 abgedichtet ist und die Arbeitsanschlüsse 112, 113 miteinander verbunden sind.
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Der Kolbenschieber 120 kann nach diesem Stand der Technik über zumindest eine Kontaktfläche 115 in Kontakt mit dem Ventilblock 110 sein. Wird der Kolbenschieber 120 von einer ersten zu einer zweiten Stellung verstellt, so kann es entlang der Kontaktfläche 115 zu einer Reibung zwischen Kolbenschieber 120 und Ventilblock 110 kommen. Der Ventilblock 110 muss daher aus einem Material wie z.B. Grauguss oder Aluminiumdruckguss bestehen, um eine Verschleißbeständigkeit sicherzustellen.
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In 2 ist eine bevorzugte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Ventilvorrichtung 200 in einer Querschnittsansicht schematisch dargestellt. Die Ventilvorrichtung 200 weist zusätzlich zur Ventilvorrichtung 100 der 1 ein im Ventilblock 210 eingebrachtes Ventilgehäuse 260 auf und wirkt somit wie ein Cartridgeventil. Eine Oberfläche eines Kolbenschiebers 220 ist hartanodisiert. Aus Gründen der besseren Verständlichkeit und Übersichtlichkeit wird darauf verzichtet, gleiche Elemente erneut zu bezeichnen.
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Das Ventilgehäuse 260 ist als einteiliger Hohlzylinder ausgebildet, der einen ersten und einen zweiten zylindrischen Abschnitt A bzw. B aufweist, und in einer entsprechenden ersten und zweiten zylinderförmigen Ausnehmung 216 bzw. 218 des Ventilblocks 210 angeordnet. Das Ventilgehäuse 260 weist entsprechend den Verbindungskanälen korrespondierende zylinderförmige Anschlussbohrungen auf. Der Kolbenschieber 220 und eine Druckfeder 230 ist im ersten zylinderförmigen Abschnitt A und ein Proportionalmagnetflansch 240 im zweiten zylinderförmigen Abschnitt B aufgenommen, wobei ein Innendurchmesser dBi der zweiten Ausnehmung 218 größer als ein Innendurchmesser dAi der ersten Ausnehmung 216 ist. Der Kolbenschieber 220 ist in einer zylinderförmigen Ausnehmung 217 des Ventilgehäuses 260 verstellbar und an der Druckfeder 230 gelagert. Der in 2 dargestellte Kolbenschieber 220 weist dieselbe Geometrie auf wie der Kolbenschieber 120 der 1. D.h., um bei sonst gleichen Abmessungen den Kolbenschieber 220 in einem Ventilgehäuse 260 aufnehmen zu können, ist der jeweilige Durchmesser dAi, dBi der Ausnehmungen 216, 218 des Ventilblocks 200 um einen jeweiligen zweifachen Wert einer ersten und zweiten Wandstärke des Ventilgehäuses 260 größer als ein jeweiliger Durchmesser der Ausnehmungen 116, 118 des Ventilblocks 100 der 1. Entsprechend sind die Ausnehmungen 216, 218 in eine axiale Richtung um einen jeweiligen einfachen Wert einer dritten und vierten Wandstärke größer als die Ausnehmungen 116, 118 des Ventilblocks 100 der 1. Der Wert der ersten und zweiten Wandstärke kann unterschiedlich groß sein aber auch gleich groß sein. Die Ausnehmung 217 des Ventilgehäuses ist demnach identisch mit der Ausnehmung 116 in der 1. Anders ausgedrückt, ist der in der 2 dargestellte Ventilblock 200 im Vergleich zum Ventilblock 100 der 1 an den Kolbenschieber 220 angepasst worden, und zwar insofern, dass die Ausnehmungen 216, 218 entsprechend der Größe des Ventilgehäuses 260 vergrößert wurden. Es ist aber auch denkbar, den Kolbenschieber 220 an die Ausnehmungen des Ventilblocks anzupassen, d.h. axial und radial entsprechend zu verkleinern.
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Der Kolbenschieber 220 ist nicht in Kontakt mit dem Ventilblock 210, sodass zwischen Kolbenschieber 220 und Ventilblock 210 bei einer Verstellung des Kolbenschiebers zwischen einer ersten und zweiten Endstellung mittels des Proportionalmagneten keine Reibung zwischen dem Kolbenschieber 220 und dem Ventilblock 210 entstehen kann.
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Das Ventilgehäuse 260 weist weiterhin fünf Dichtungselemente 261 bis 265 auf, wie z.B. Elastomerdichtungsringe, die in Umfangsrichtung des Ventilgehäuses 260 angeordnet sind und benachbarte Verbindungskanäle voneinander zumindest leckagearm abdichten.
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Die Dichtungselemente 261 bis 265 sind in der gezeigten Ausführungsform erforderlich, weil der Ventilblock 210 aus Kunststoff ist, z.B. aus einem glasfaserverstärkten Polyamid ist, und somit einen niedrigeren E-Modul als nach dem Stand der Technik eingesetzte Materialien aufweist und es bei hohen Druckunterschieden zwischen benachbarten Kanälen zu einer Verformung des Kunststoffes kommen kann. Der Ventilblock 210 aus Kunststoff ist mittels eines Spritzgussverfahrens herstellbar.
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Die erfindungsgemäße Funktionalität liegt darin, dass mit einer Ausbildung des Ventilblocks 210 aus glasfaserverstärktem Polyamid und der Verwendung eines Einbauventils mit einem Ventilgehäuse 260, das den Kolbenschieber 220 vom Ventilblock 210 trennt, ein wesentlich leichterer Werkstoff als z.B. Grauguss oder Aluminiumdruckguss für den Ventilblock 210 verwendet werden kann, der zudem einfacher und preiswerter herstellbar ist und gleichzeitig die Anforderungen an thermischer, chemischer und mechanischer Stabilität erfüllt.
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Die dargestellte Figur ist nur eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung. Es versteht sich, dass jede andere Ausführungsform denkbar ist, ohne den Rahmen dieser Erfindung zu verlassen.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Ventilvorrichtung nach Stand der Technik
- 110
- Ventilblock Stand der Technik
- 111
- erster Arbeitsanschluss, Systemhauptdruck
- 112
- zweiter Arbeitsanschluss, Schaltelementdruck
- 113
- dritter Arbeitsanschluss, Entlüftung/Sumpf
- 114
- Entlüftung Federraum
- 115
- Druckrückführung Schaltelementdruck
- 116
- Ausnehmung im Ventilblock
- 118
- Ausnehmung im Ventilblock
- 119
- Kontaktfläche
- 120
- Kolbenschieber
- 126
- zylinderförmige Ausnehmung des Kolbenschiebers
- 130
- Druckfeder
- 140
- Proportionalmagnetflansch
- 145
- Stößel
- 150
- Proportionalmagnet
- 200
- Ventilvorrichtung
- 210
- Kunststoffventilblock
- 211
- erster Arbeitsanschluss, Systemhauptdruck
- 212
- zweiter Arbeitsanschluss, Schaltelementdruck
- 213
- dritter Arbeitsanschluss, Entlüftung/Sumpf
- 214
- Entlüftung Federraum
- 215
- Druckrückführung Schaltelementdruck
- 216
- Ausnehmung im Ventilblock
- 217
- Ausnehmung im Ventilgehäuse
- 218
- Ausnehmung im Ventilblock
- 220
- Kolbenschieber
- 226
- zylinderförmige Ausnehmung des Kolbenschiebers
- 230
- Druckfeder
- 240
- Proportionalmagnetflansch
- 260
- Ventilgehäuse aus Metall
- 261–265
- Dichtungselemente
