DE102014225505A1

DE102014225505A1 - Stufenventil

Info

Publication number: DE102014225505A1
Application number: DE102014225505.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Courth; Christoph Voss
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Priority date: 2014-10-21
Filing date: 2014-12-11
Publication date: 2016-04-21

Abstract

Ein zweistufiges elektromagnetisch betätigbares Stufenventil besitzt eine zweite Ventilöffnung (15) und eine erste Ventilöffnung (26), die von einem Ventilkanal (25) in einem verschiebbaren Schließkörper (24) gebildet ist. In der geschlossenen Stellung des Stufenventils drückt eine Rückstellfeder (3) den Schließkörper (24) an die erste Ventilöffnung (26) im Boden eines inneren Ventilgehäuses (7), die nur noch mit dem Ventilkanal (25) kommuniziert, wobei das andere Ende des Ventilkanals (25) vom Magnetanker (19) eines Elektromagneten verschlossen ist, so dass letztlich beide Ventilöffnungen (15, 26) geschlossen sind. Wird der Magnetanker mit Betätigung des Elektromagneten zurückgezogen, wird die erste Ventilöffnung (26) und damit das Stufenventil geöffnet. Je nach dem, welche Druckdifferenz an den Anschlüssen A, B vorliegt, folgt der Schließkörper (24) entweder dem Magnetanker oder er verbleibt an der zweiten Ventilöffnung (15). Da ein Verschlusskörper (29) für die erste Ventilöffnung (26) begrenzt beweglich im Magnetanker (19) gelagert ist, erfolgt die Öffnung der ersten Ventilöffnung (26) erst, wenn der Luftspalt 22 zwischen dem Magnetanker (19) und dem Magnetkern (21) schon teilweise geschlossen ist und die erzeugte Magnetkraft maximiert worden ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Stufenventil mit einem Ventilanschluss A und einem Ventilanschluss B, bestehend aus einem ersten Ventil mit einer ersten zwischen einer offenen und einer Schließstellung schaltbaren Ventilöffnung und einem zweiten Ventil mit einem zweiten zwischen einer offenen und einer Schließstellung schaltbaren Ventilöffnung, wobei die beiden Ventilöffnungen parallel geschaltet sind und wobei der Querschnitt der ersten Ventilöffnung größer ist als der der zweiten Ventilöffnung; das Stufenventil weist einen Schließkörper in Form eines Kolbens auf, der zwei gegenüberliegende Wirkflächen besitzt, wobei die eine Wirkfläche vom Druck am Ventilanschluss A und die andere Wirkfläche vom Druck am Ventilanschluss B belastet ist, und der einen Ventilkanal aufweist, dessen eines Ende stets mit der zweiten Ventilöffnung korrespondiert, wobei in der geschlossenen Stellung des Stufenventils das andere Ende des Ventilkanals von einem Stellkörper, der mit dem Magnetanker eines Elektromagneten verbunden ist, geschlossen ist und dabei der Schließkörper von dem Stellkörper so an die zweite Ventilöffnung angelegt wird, dass diese ausschließlich mit dem einen Ende des Ventilkanals in Verbindung steht.
Ein solches Stufenventil ist aus der DE 10 2005 014 100 A1 bekannt. Bei einem nicht betätigten Stellkörper sind beide Ventilöffnungen geschlossen, so dass das Stufenventil als Ganzes geschlossen ist. Dabei wird die erste Ventilöffnung vom Stellkörper und die zweite Ventilöffnung vom Schließkörper verschlossen. Wird allerdings der Stellkörper zurückgezogen, so ist jedenfalls die erste Ventilöffnung offen. Je nach Druckdifferenz an den Ventilanschlüssen A, B schaltet auch das zweite Ventil und stellt ggf. einen größeren Durchflussquerschnitt zur Verfügung.
Bei einem geöffneten Stellventil, bei dem der Stellkörper den Schließkörper freigibt, ist das eine Ende des Ventilkanals offen, wobei die Lage des Schließkörpers von der Druckdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B bestimmt wird. Entweder liegt der Schließkörper an der zweiten Ventilöffnung an, so dass für die Durchflussrate der Querschnitt des Ventilkanals von Bedeutung ist, oder er befindet sich in einer von der zweiten Ventilöffnung entfernten Stellung, so dass der Querschnitt der zweiten Ventilöffnung für die Durchflussrate relevant ist.
Eine solche Anordnung lässt sich am einfachsten dadurch realisieren, dass der Schließkörper ein Kolben ist und der Stellkörper mit dem Magnetanker eines Elektromagneten verbunden oder einstückig mit diesem ausgeführt ist.
Der Kraftaufwand zum Öffnen eines solchen Ventils ist aber groß.
Die Erfindung beruht auf der Aufgabe, ein Ventilsystem zu schaffen, das für eine Durchflussrichtung einen kleineren und für die entgegengesetzte Durchflussrichtung einen größeren Öffnungsquerschnitt zur Verfügung stellt und ein Öffnen des Ventilsystems mit einem geringen Kraftaufwand ermöglicht.
Zur Lösung des Problems ist vorgesehen, dass der Stellkörper gegenüber dem Magnetanker 19 verschiebbar gelagert ist, wobei der Verschiebeweg des Stellkörpers in Bezug auf den Magnetanker des Elektromagneten kleiner ist als der Stellweg des Magnetankers in Bezug auf den Magnetkern des Elektromagneten.
Dies hat zur Folge, dass das Stufenventil erst dann öffnet, wenn der Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern schon relativ klein ist, so dass die magnetischen Haltekräfte relativ groß sind, um den bei einer Fluidströmung durch das Stufenventil auftretenden Strömungskräften entgegenwirken zu können.
Vorzugweise weist der Schließkörper einen Längskanal auf, der auf der einen Stirnfläche des Schließkörpers in einen ersten Ventilsitz mündet, der als Gummilochscheibe ausgeführt ist, und der auf der andere Stirnfläche des Schließkörpers in einen zweiten Ventilsitz mündet, der ebenfalls als Gummilochscheibe ausgeführt ist. Diese Maßnahme verringert die Entstehung von Ventilschließgeräuschen.
Um die Verschiebbarkeit des Stellkörpers zu realisieren, ist am Magnetanker ein Verschlusskörper für den ersten Ventilsitz in Schließrichtung begrenzt verschiebbar gelagert, wobei der maximale Verschiebeweg S₁ des Verschlusskörpers kleiner ist als der Luftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Magnetkern.
Eine Ausführung des Stufenventils sieht vor, dass der Verschlusskörper von einer Scheibe gebildet ist, die koaxial zu Achse des Magnetankers ausgerichtet am Boden einer Vertiefung des Magnetankers liegt, wobei am Rand der Vertiefung ein nach innen in die Vertiefung gerichteter Kragen verläuft, dessen Abstand zum Boden größer ist als die Dicke der Scheibe.
Eine andere Ausführung des Stufenventils sieht vor, dass in eine Vertiefung am Magnetanker ein Rohr eintaucht, wobei ein Flansch des Rohres an der Stirnseite des Magnetankers anliegt, wobei das in die Vertiefung eintauchende Ende des Rohres einen Abstand zum Boden der Vertiefung aufweist, und dass der Verschlusskörper an seinem dem Boden der Vertiefung zugewandten Ende einen Kragen aufweist, der in eine von dem Abstand gebildeten Nut hineinragt.
Um auch hier Anschlaggeräusche zu minimieren, ist weiterhin vorgesehen, dass der Verschlusskörper an seiner vom Magnetkern wegweisenden Stirnseite einen Gummikörper trägt, der zum Verschluss des ersten Ventilsitzes mit diesem zusammenwirkt.
Eine weitere Verbesserung des Öffnungsverhaltens wird erreicht, wenn der Schließkörper von einer Stellfeder in Schließrichtung des ersten Ventils beaufschlagt ist.
Im Folgenden wird anhand dreier Ausführungsbeispiele die Erfindung näher erläutert. Dazu zeigen:
1 einen hydraulischen Schaltplan eines erfindungsgemäßen Stufenventils,
2 einen Längsschnitt durch eine erste Ausführung des Stufenventils,
3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführung des Stufenventils und
4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführung des Stufenventils.
Zunächst wird auf die 1 Bezug genommen. Das Stufenventil besteht demnach aus einem ersten Ventil 1 und einem zweiten Ventil 2, die parallel geschaltet sind.
Jedes der beiden Ventile 1, 2 hat eine Schließstellung und eine Offenstellung, wobei in der Offenstellung des ersten Ventils 1 ein kleinerer Durchflussquerschnitt vorliegt als in der Offenstellung des zweiten Ventils 2.
Das erste Ventil 1 ist gegen die Kraft einer Rückstellfeder 3 elektromagnetisch betätigbar und hat eine mechanische Verbindung, die hier in Form eines Stößels 4 angedeutet ist, mit dem zweiten Ventil 2. In der geschlossenen Stellung des ersten Ventils 1 bewirkt die mechanische Verbindung, dass auch das zweite Ventil 2 in der Schließstellung gehalten wird.
Wird allerdings das erste Ventil 1 geöffnet, ist diese mechanische Verbindung aufgehoben, so dass das zweite Ventil 2 von der Druckdifferenz zwischen den Anschlüssen A und B betätigt wird.
Sollte der Druck am Ventilanschluss A größer sein als der am Ventilanschluss B, schaltet das zweite Ventil 2 um, so dass der größere Querschnitt des zweiten Ventils 2 zum Tragen kommt und der Durchfluss von Ventilanschluss A nach Ventilanschluss B maximiert ist. Im anderen Fall, wenn also der Druck am Ventilanschluss B größer ist als am Anschluss A, bleibt das zweite Ventil 2 geschlossen, so dass auch in offener Stellung der Querschnitt des ersten Ventils 1 wirksam ist.
Die 2 zeigt eine erste konkrete Ausführung eines solchen Stufenventils. Die folgenden Erläuterungen gelten zunächst auch für die beiden weiteren Ausführungen nach 3 und 4.
Das Stufenventil besteht aus einem Ventilgehäuse 5, das Teil eines so genannten Ventilblocks ist, in dem weitere Ventile angeordnet sind.
In diesem Gehäuse 5 befindet sich eine Aufnahmebohrung 6, in der sich ein inneres Ventilgehäuse 7 befindet. Dieses wiederum besteht aus einem Verschlussring 8, der in die Mündung der Aufnahmebohrung 6 in eine Seitenfläche des Ventilgehäuses 5 dichtend eingesetzt ist, wobei ein Kragen 9 des Verschlussringes 8 nach außen weist.
An der Innenseite des Verschlussringes 8 schließt eine Ventilhülse 10 mit einem Boden 11 an. An den Boden 11 schließt sich eine Verlängerung 12 an, die in eine in die Aufnahmebohrung 6 einmündende Anschlussbohrung 13 eintaucht und die von einem Längskanal 14 durchdrungen ist, der die zweite Ventilöffnung 15 bildet.
Die Anschlussbohrung 13 bildet dabei den Ventilanschluss A des Stufenventils.
Zwischen der inneren Mantelfläche der Aufnahmebohrung 6 und der äußeren Mantelfläche der Ventilhülse 10 befindet sich ein Ringraum 16, der über Seitenöffnungen 17 in der Ventilhülse 10 mit dem Innenraum der Ventilhülse 10 in Verbindung steht.
In die Aufnahmebohrung 6 mündet seitlich eine weitere Anschlussbohrung 18 ein, die den Ventilanschluss B des Stufenventils bildet.
In dem Kragen 9 ist ein kolbenförmiger Magnetanker 19 geführt, dessen eine Stirnfläche in den Innenraum der Ventilhülse 10 weist und dessen andere Stirnfläche über den Kragen 9 nach außen vorsteht.
An den Kragen 9 schließt sich eine Außenhülse 20 an, die von einem zylinderförmigen Magnetkern 21 verschlossen ist. Um die Außenhülse 20 herum befindet sich eine hier nicht dargestellte Spule, die an eine elektrische Stromversorgung angeschlossen wird. Der Magnetanker 19, der Magnetkern 21 und die Spule bilden einen Elektromagneten. Die beiden einander zugewandten Stirnflächen des Magnetankers 19 und des Magnetkerns 21 schließen einen Luftspalt 22 ein.
In einem Schacht 23 im Magnetanker 19 befindet sich die Rückstellfeder 3, die einerseits am Boden des Schachtes 23 und andererseits an der dem Luftspalt 22 zugewandten Seite des Magnetkerns 21 abgestützt ist.
Im Innenraum des inneren Ventilgehäuses 7 befindet sich zwischen einer Stirnseite des Magnetankers 19 und dem Boden 11 ein Schließkörper 24, der von einem Ventilkanal 25 durchdrungen ist, der die erste Ventilöffnung 26 bildet. Dabei ist der Querschnitt der ersten Ventilöffnung 26 kleiner als der Querschnitt der zweiten Ventilöffnung 15. An der dem Magnetanker 19 gegenüberliegenden Seite des Schließkörpers 24 befindet sich ein erster Ventilsitz 27, der, wenn er am Magnetanker 19 anliegt, diese Seite der ersten Ventilöffnung 26 verschließt.
Auf der dem Boden 11 zugewandten Seite des Schließkörpers 24 befindet sich ein zweiter Ventilsitz 28, der, wenn dieser an die zweite Ventilöffnung 15 angelegt ist, diese gegenüber dem Innenraum des inneren Ventilgehäuses 7 verschließt, aber die Verbindung zur ersten Ventilöffnung 26 offen hält.
Die 2 zeigt das Ventil in der geschlossenen Stellung. Wenn die Spule des Elektromagneten bestromt wird, werden der Magnetanker 19 und der Magnetkern 21 magnetisiert und gegen die Kraft der Rückstellfeder 3 gegeneinander gezogen, wobei zunächst die erste Ventilöffnung 26 geöffnet wird, so dass das Stufenventil als offen betrachtet werden kann. Welcher Querschnitt allerdings wirksam wird, hängt von der Druckdifferenz an den Anschlüssen A und B ab. Ist der Druck am Ventilanschluss B größer als der am Anschluss A, wird der Schließkörper 24 in der gezeigten Grundstellung gehalten, so dass die zweite Ventilöffnung 15 geschlossen ist und das vom Stufenventil zu schaltende Fluid zwangsweise durch die erste Ventilöffnung 26 fließen muss.
Ist allerdings der Druck am Ventilanschluss A größer als am Ventilanschluss B, bleibt der Schließkörper 24 in Anlage an den sich zurückziehenden Magnetanker 19, so dass die zweite Ventilöffnung 15 freigegeben wird und deren Querschnitt für die Durchflussmenge relevant wird.
Die Ausführung nach 3 unterscheidet sich von der nach 1 insbesondere darin, dass der erste Ventilsitz 27 nicht unmittelbar an der Stirnfläche des Magnetankers 19 angelegt ist, sondern an einen in dieser Stirnfläche angeordneten Verschlusskörper 29 in Form einer Scheibe, die in Bewegungsrichtung des Magnetankers 19 relativ zu diesem begrenzt bewegbar ist. Der Freigang hat die Größe S₁, die kleiner ist als der maximale Luftspalt S₂ zwischen dem Magnetanker 19 und dem Magnetkern 21. Des Weiteren ist der Schacht 23, in dem sich die Rückstellfeder 3 befindet, durchgehend ausgeführt, so dass der Verschlusskörper 29 druckausgeglichen ist.
Bei dieser Ausführung wird der Verschlusskörper 29 von einer Scheibe 30 gebildet, die koaxial zur Achse des Magnetankers ausgerichtet am Boden einer Vertiefung 31 des Magnetankers 19 liegt, wobei am Rand der Vertiefung ein nach innen in die Vertiefung gerichteter Kragen 32 verläuft, dessen Abstand zum Boden größer ist als die Dicke der Scheibe 30.
Beim Betätigen des Elektromagneten wird daher der Verschlusskörper 29 zunächst in seiner Position am Boden der Vertiefung bleiben, so dass die beiden Ventilöffnungen 15, 26 geschlossen sind und erst dann geöffnet werden, wenn der Verschlusskörper 29 vom Kragen 32 am Magnetanker 19 mitgenommen wird. Der verbleibende Luftspalt 22 zwischen dem Magnetanker 19 und dem Magnetkern 21 beträgt dann S₂ – S₁ und hat damit einen Wert, bei dem hohe magnetische Haltekräfte erzeugt werden.
Dadurch wird erreicht, dass für den letzen Teilhub der Luftspalt 22 schon soweit verringert ist, dass bedingt durch die Kraft-Weg-Kennung des Elektromagneten mehr Kraft zur Verfügung steht, die es erlaubt, die zusätzlich wirksam werdende hydrostatische Kraft am ersten Ventilsitz 27 zu überwinden.
Die 4 zeigt eine weitere Abhandlung des Ventils: Der Schließkörper 24 besitzt einen Führungskragen 33, dessen äußere Mantelfläche an die innere Mantelfläche der Ventilhülse 10 des inneren Ventilgehäuses 7 gleitend geführt ist.
Zwischen dem Boden 11 des inneren Ventilgehäuses 7 und einem Absatz am Schließkörper 24 ist eine schwache Stellfeder 34 angeordnet.
Die schwache Stellfeder 34 bewirkt, dass schon bei einem kleinen Drucküberschuss am Ventilanschluss A die zweite Ventilöffnung 15 schneller geöffnet wird.
Der Verschlusskörper 29 ist als Kolben ausgeführt, in dessen dem Schließkörper 24 zugewandten Seite ein Gummikörper 35 eingelegt ist, der den ersten Ventilsitz 27 bildet.
Um den Weg des Verschlusskörpers 29 zu begrenzen, ist in einer Vertiefung 31 des Magnetankers 19 ein kurzes Rohr 36 eingeklemmt, dessen Flansch 37 an der Stirnfläche des Magnetankers 19 anliegt. Dabei weist das die Vertiefung 31 eintauchende Ende des Rohres 36 einen Abstand zum Boden der Vertiefung 31 auf. Ein Kragen 38 am Verschlusskörper greift in die von dem Abstand gebildeten Nut 39 ein. Die Nutbreite bestimmt im Verhältnis zur Kragendicke die Bewegungsfreiheit des Verschlusskörpers 29.
Das Rohr 36 bildet gleichzeitig eine Führung für den Verschlusskörper 29.
Bezugszeichenliste

1: erstes Ventil
2: zweites Ventil
3: Rückstellfeder
4: Stößel
5: Ventilgehäuse
6: Aufnahmebohrung
7: inneres Ventilgehäuse
8: Verschlussring
9: Kragen
10: Ventilhülse
11: Boden
12: Verlängerung
13: Anschlussbohrung
14: Längskanal
15: zweite Ventilöffnung
16: Ringraum
17: Seitenöffnung
18: Anschlussbohrung
19: Magnetanker
20: Außenhülse
21: Magnetkern
22: Luftspalt
23: Schacht
24: Schließkörper
25: Ventilkanal
26: erste Ventilöffnung
27: erster Ventilsitz
28: zweiter Ventilsitz
29: Verschlusskörper
30: Scheibe
31: Vertiefung
32: Kragen
33: Führungskragen
34: Stellfeder
35: Gummikörper
36: Rohr
37: Flansch
38: Kragen
39: Nut

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102005014100 A1 [0002]

Claims

Stufenventil mit einem Ventilanschluss A und einem Ventilanschluss B, bestehend aus einem ersten Ventil (1), mit einer ersten zwischen einer offenen und einer Schließstellung schaltbaren Ventilöffnung (26) und einem zweiten Ventil (2), mit einer zweiten zwischen einer offenen und einer Schließstellung schaltbaren Ventilöffnung (15), wobei die beiden Ventilöffnungen (15, 26) parallel geschaltet sind und wobei der Querschnitt der ersten Ventilöffnung (26) größer ist als der der zweiten Ventilöffnung (15); das Stufenventil weist einen Schließkörper (24) in Form eines Kolbens auf, der zwei gegenüberliegende Wirkflächen besitzt, wobei die eine Wirkfläche vom Druck am Ventilanschluss A und die andere Wirkfläche vom Druck am Ventilanschluss B belastet ist, und der einen Ventilkanal (25) aufweist, dessen eines Ende stets mit der zweiten Ventilöffnung (15) korrespondiert, wobei in der geschlossenen Stellung des Stufenventils das andere Ende des Ventilkanals (25) von einem Stellkörper, der mit dem Magnetanker (19) eines Elektromagneten verbunden ist, geschlossen ist und dabei der Schließkörper (24) von dem Stellkörper so an die zweite Ventilöffnung (15) angelegt wird, dass diese ausschließlich mit dem einen Ende des Ventilkanals (25) in Verbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellkörper gegenüber dem Magnetanker (19) verschiebbar gelagert ist, wobei der Verschiebeweg des Stellkörpers in Bezug auf den Magnetanker (19) des Elektromagneten kleiner ist als der Stellweg des Magnetankers in Bezug auf den Magnetkern (21) des Elektromagneten.
Stufenventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (24) einen Längskanal (25) aufweist, der auf der einen Stirnfläche des Schließkörpers (24) in einen ersten Ventilsitz (27) mündet, der als Gummilochscheibe ausgeführt ist, und der auf der anderen Stirnfläche des Schließkörpers (24) in einen zweiten Ventilsitz (28) mündet, der ebenfalls als Gummilochscheibe ausgeführt ist.
Stufenventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass am Magnetanker (19) ein Verschlusskörper (29) für den ersten Ventilsitz in Schließrichtung begrenzt verschiebbar gelagert ist, wobei der maximale Verschiebeweg (S₁) des Verschlusskörpers (29) kleiner ist als der Luftspalt (22) zwischen dem Magnetanker (19) und dem Magnetkern (21).
Stufenventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (29) von einer Scheibe (30) gebildet ist, die koaxial zur Achse des Magnetankers (19) ausgerichtet am Boden einer Vertiefung (31) des Magnetankers (19) liegt, wobei am Rand der Vertiefung (31) ein nach innen in die Vertiefung gerichteter Kragen (32) verläuft, dessen Abstand zum Boden größer ist als die Dicke der Scheibe (30).
Stufenventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass in eine Vertiefung (31) am Magnetanker (19) ein Rohr (36) eintaucht, wobei ein Flansch (37) des Rohres (36) an der Stirnseite des Magnetankers (19) anliegt, wobei das in die Vertiefung (31) eintauchende Ende des Rohres (36) einen Abstand zum Boden der Vertiefung (31) aufweist, und dass der Verschlusskörper (29) an seinem dem Boden der Vertiefung zugewandten Ende einen Kragen (38) aufweist, der in eine von dem Abstand gebildeten Nut (39) hineinragt.
Stufenventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verschlusskörper (29) an seiner vom Magnetanker (19) wegweisenden Stirnseite einen Gummikörper (35) trägt, der zum Verschluss des ersten Ventilsitzes (27) mit diesem zusammenwirkt.
Stufenventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schließkörper (24) von einer Stellfeder (34) in Schließrichtung des ersten Ventils beaufschlagt ist.