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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse, insbesondere Pumpengehäuse, mit einem Ventilsitz und einer Federlagerung zur Vermeidung von Verschleiß am Gehäuse in der Ventilbohrung.
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Stand der Technik
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Hydraulikrückschlagventile werden beispielsweise in Hydraulikpumpen verwendet, die aus einem Leichtbaumaterial wie Aluminium oder Kunststoff hergestellt sind. Solche Ventile besitzen üblicherweise eine Ventilbohrung, einen Ventilsitz, in dem eine Ventilkugel mit einer Feder gehalten wird, wobei die Feder an einem Anschlag am Ende der Ventilbohrung abgestützt wird. Im Betrieb wird die Kugel aus dem Ventilsitz herausgedrückt, um das Öl vorbeiströmen zu lassen. Dabei wird sowohl die Kugel als auch die Feder in der Regel in der Bohrung von den Seitenwänden im Gehäuse geführt. Durch die hohen Strömungsgeschwindigkeiten in Verbindung mit starken zeitlichen Änderungen der Durchflussmenge entstehen hinter der Kugel starke Wirbel. Aufgrund von Fertigungstoleranzen der Kugel und der Kugelführung besitzt die Kugel quer zur Strömungsrichtung Freiheitsgrade. Auch wenn diese nur in der Größenordnung eines Zehntel mm sind, erlaubt die bestehende Bewegungsfreiheit in Verbindung mit der Wirbelbildung eine Beschleunigung der Kugel quer zur Strömungsrichtung. Dies bewirkt einen ausgeprägten Verschleiß bei den konventionellen Lösungen, in dem das Gehäuse aus einem Leichtbauwerkstoff die Kugel führt. Die Kugel kann auch nicht aus einem anderen Material hergestellt werden, da dann die Kugel selbst verschleißen würde und das Ventil undicht würde.
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In der
DE 2 528 244 A1 ist beispielsweise ein solches herkömmliches Einsatzventil gezeigt. Die Kugel sitzt im Ventilsitz und wird beim Einströmen des Öls aus diesem herausgedrückt. Dadurch schlägt die Kugel dann aufgrund von Strömungswirbeln des vorbeifließenden Fluids an die Gehäusewand und verschleißt diese.
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Die
EP 1 953 430 A1 zeigt eine Lösung, bei der das gesamte Ventil als Einsatzbauteil ausgebildet ist. Dadurch erhöhen sich jedoch die Aufwand in der Herstellung und somit Kosten für die Ventile, zusätzlich zum dem Ventilsitz, der Kugel und der Feder plus Federlagerung am Bohrungsgrund auch das komplette Ventilgehäuse hergestellt werden muss.
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Die
US 6,675,823 B2 zeigt eine andere Ausführungsform eines Ventils aus dem Stand der Technik. Auch hier wird ein Ventilgehäuse verwendet, das dann in die Ventilbohrung eingesetzt wird, die sich beispielsweise in einem Pumpengehäuse befindet. Zwar offenbart dieses Dokument auch eine Kugellagerung, die an der Ventilfeder sitzt, und die die Kugel beim Einströmen des Fluids zentriert, jedoch wird nicht verhindert, dass die Kugellagerung selbst dann an die Seitenwände der Bohrung schlagen kann. Eine weitere Lösung wäre, das Gehäuse nicht aus einem Leichtbaumaterial herzustellen, sondern aus einem festen Werkstoff wie beispielsweise Stahl. Jedoch wird dies die Kosten für das Gehäuse unverhältnismäßig steigern.
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Aus der
WO 2013/102 471 A1 ist ein Rückschlagventil mit einem Ventilgehäuse und einem in dem Ventilgehäuse beweglich gelagerten, über ein Federelement belasteten Ventilkörper bekannt, wobei das Ventilgehäuse außenseitig mit einem Zapfen versehen ist, der Mittel zur Fixierung des Zapfens in einer Öffnung eines Bauteils aufweist. Es ist kein Gehäuse in Leichtbauweise verwendet, das stufenförmige Ausgestaltungen als Anschlagsflächen aufweist. Aus der
CA1162820 A ist ein Ventil bekannt, das in einer Rohleitung angebracht wird. Dabei gibt es keine Leichtbauweise und keine gestuften Anschlagsflächen.
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Darstellung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Gehäuse mit einem Ventil bereitzustellen, das gleichzeitig kostengünstig hergestellt werden kann und bei dem kein oder ein geringerer Verschleiß an der Ventilbohrung auftritt.
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Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere, die Erfindung ausgestaltende Merkmale, sind in den Unteransprüchen enthalten.
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Ein erfindungsgemäßes Gehäuse, insbesondere ein Pumpengehäuse, aus einem Leichtbauwerkstoff umfasst eine Ventilbohrung, einen Ventilsitz mit einem sich längs erstreckenden Hauptkörper, der in der Ventilbohrung angeordnet ist, wobei der Hauptkörper eine Durchgangsbohrung in Axialrichtung aufweist und insbesondere am Außenumfang eine umlaufende Nut für einen Dichtring hat, eine Kugel, die auf der Durchgangsbohrung des Ventilsitzes angeordnet ist, eine Feder, die zwischen der Kugel und einer Federlagerung angeordnet ist und eine Anschlagfläche am Ende der Ventilbohrung, an der sich die Federlagerung abstützt, wobei sich von einer Seite des Hauptkörpers des Ventilsitzes entlang seiner Axialrichtung mehrere Vorsprünge erstrecken, die insbesondere gleichmäßig um die Durchgangsbohrung umlaufend angeordnet sind und deren zur Bohrung gerichtete Bereiche von dieser nach außen beabstandet sind, so dass die Kugel zwischen den Vorsprüngen des Ventilsitzes aufgenommen ist und die Vorsprünge des Ventilsitzes in Axialrichtung mit ihrer Kontaktfläche an die Anschlagsfläche anschlagen. Der Ventilsitz ist dabei aus einem ähnlichen oder dem gleichen Material wie die Kugel ausgebildet (beispieslweise Stahl), so dass der Ventilsitz nicht durch das Anschlagen der Kugel an die Vorsprünge beschädigt wird. Durch die Vorsprünge wird verhindert, dass die Kugel an die Bohrungswand anschlagen kann und so die Ventilbohrung an der Innenseite verschleißt. Gleichzeitig sitzt der Ventilsitz fest in der Ventilbohrung, so dass auch dort kein Verschleiß durch andauernde Relativbewegung entstehen kann. Außerdem dienen die Vorsprünge zur Absicherung gegen ein Verkippen des Ventilsitzes entlang der Längsachse des Ventils.
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Bei dem Ventilsitz sind vorzugsweise auch die nach außen gerichteten Bereiche der Vorsprünge so ausgebildet, dass sie zur Außenseite des Hauptkörpers radial nach innen beabstandet sind. Dadurch wird auch der Kontakt der Vorsprünge mit der Außenwand der Bohrung vermieden, so dass weniger Verschleiß auftreten kann. Darüber hinaus erleichtert es ferner die Herstellung, da lediglich der Hauptkörper mit den angemessenen Toleranzen (bspw. eine Spielpassung) hergestellt werden muss, die Toleranzen für die Außenseite der Vorsprünge aber bei der Herstellung vernachlässigbar sind.
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Ferner sind vorzugsweise die Vorsprünge als Kreisringsegmente ausgebildet, wobei insbesondere die zwei Seiten eines Kreisringsegments miteinander fluchten (zwei Vorsprünge) oder zueinander senkrecht stehen (vier Vorsprünge). Dadurch kann ein sehr einfaches Herstellungsverfahren gewährleistet werden.
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Vorzugsweise weist der Ventilsitz zumindest zwei oder zumindest vier Vorsprünge auf. Die Anschlagsfläche, also die Fläche, mit der die Vorsprünge an der Anschlagsfläche am Ende der Ventilbohrung anliegen und die maximiert werden sollte, sind bei zwei Anschlägen oder vier Vorsprüngen am einfachsten auf die Form der Anschlagfläche Abzustimmen.
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Vorzugsweise weist die Anschlagsfläche drei radial nach innen vorstehende trapezähnliche Vorsprünge auf. Diese Vorsprünge sind zur Längsachse der Bohrung beabstandet, so dass Fluid sowohl zwischen den Vorsprüngen als auch in der Mitte der Bohrung hindurchfließen kann. Ferner weist die Anschlagsfläche bevorzugt einen in der Bohrung umlaufenden Steg auf, der sich von der Außenwand nach innen erstreckt. Dadurch kann vermieden werden, dass die an der Anschlagsfläche anliegenden Vorsprünge in den Zwischenraum von zwei Vorsprüngen verkanten, sondern es wird sichergestellt, dass die Anschlagsflächen zumindest immer am umlaufenden Steg aufliegen. Insbesondere sind sowohl die Anschlagsflächen des Bohrungsgrunds als auch die Kontaktflächen der Vorsprünge derart abgestimmt, so dass die tatsächliche Auflagefläche und/oder der Öffnungsquerschnitt für das Fluid unabhängig vom Drehwinkel des Ventilsitzes in Bezug auf die Ventilbohrung im Wesentlichen konstant ist. Im Wesentlichen bedeutet hier eine Toleranz von etwa +/–1 mm2, vorzugsweise höchstens +/–0,5 mm2 und weiter vorzugsweise +/–0,25 mm2.
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Die Anschlagsfläche des Gehäuses weist vorzugsweise einen ersten radial äußeren Anschlag und einen zweiten radial inneren Anschlag auf, die in Axialrichtung der Bohrung versetzt angeordnet sind, wobei der erste äußere Anschlag als Anschlag für die Vorsprünge und der innere Anschlag als Anschlag für die Federlagerung dient.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung ist eine Federführung. Die im Folgenden beschriebene Federführung kann mit jeder in dieser Anmeldung genannten Ausgestaltung des Ventilsitzes verwendet werden, aber auch mit einem Ventilsitz aus dem Stand der Technik, der keine Vorsprünge aufweist.
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Die Federlagerung kann vorzugsweise als ein im Wesentlichen zylindrisches Bauteil mit einer Kontaktfläche ausgebildet sein, die sich an der Anschlagsfläche des Ventils abstützt, insbesondere an der radial inneren Anschlagsfläche, und weist einen Bereich mit größerem Durchmesser, auf dem die Feder gelagert ist, und einen Bereich mit kleinerem Durchmesser, der sich an der der Kontaktfläche gegenüberliegenden Seite weg erstreckt. Der Bereich mit kleinerem Durchmesser ist dafür vorgesehen dass er sich innerhalb der Feder in Richtung der Kugel erstreckt und die Feder in radialer Richtung festlegt. Diese Federlagerung und Federführung kann zusammen mit dem Gehäuse aus einem Leichtbauwerkstoff, der Ventilbohrung, dem Ventilsitz mit einem sich längs erstreckenden Hauptkörper, der in der Ventilbohrung angeordnet ist und der eine Durchgangsbohrung in Axialrichtung aufweist, der Kugel, die auf der Durchgangsbohrung des Ventilsitzes angeordnet ist, der Feder, die sich zwischen der Kugel und der Federlagerung befindet, und der Anschlagsfläche am Ende der Ventilbohrung kombiniert werden, wobei die Vorsprünge am Ventilsitz nicht notwendig sind, aber selbstverständlich auch kombiniert werden können. Vorzugsweise ist der Bereich mit kleinerem Durchmesser der Federlagerung derart lang ausgestaltet, dass im Betrieb die zur Kugel gerichtete Seite beim Einströmen des Fluids als Anschlag für die Kugel dient.
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Kurzbeschreibung der Figuren
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1a zeigt einen Querschnitt durch ein erfindungsgemäßes Ventil in einem Gehäuse;
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1b zeigt eine Draufsicht auf das Ventil;
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1c zeigt eine isometrische Ansicht der Ventilbohrung im Gehäuse;
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2a bis 2e zeigen verschiedene Ansichten eines erfindungsgemäßen Ventilsitzes;
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3a bis 3c zeigen verschiedene Ansichten einer erfindungsgemäßen Federführung;
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4 zeigt verschiedene Stellungen des Ventilsitzes in Bezug auf die Anschlagsfläche;
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5 zeigt ein Diagramm in dem die Teilflächen und die Gesamtfläche der Auflageflächen von Kontakt- und Anschlagsfläche in Abhängigkeit des Drehwinkels dargestellt ist;
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Beschreibung der bevorzugten Ausführungsformen
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Im Folgenden werden die Begriffe axial, radial und umfänglich verwendet. Diese beziehen sich auf die Längsachse der Bohrung, wie sie in 1 gezeigt ist. Axial bezeichnet dabei eine Richtung parallel zur Längsachse, radial eine Richtung senkrecht zur Längsachse und umfängliche eine Richtung umlaufend um die Längsachse.
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Die 1 ist ein Querschnitt eines Ventils in einem Pumpengehäuse 1 gezeigt. Das Gehäuse 1 ist aus einem Leichtbauwerkstoff wie beispielsweise Aluminium hergestellt. Es sind aber auch Gehäuse aus Kunststoff denkbar. Das Ventil 10 ist in einer Ventilbohrung 12 eingesetzt. Am Boden der Ventilbohrung 12 ist eine Anschlagfläche 14 vorgesehen, auf der eine Federlagerung 30 gestützt wird. In der vorliegenden Ausführungsform ist die Anschlagsfläche 14 zweigeteilt. Die beiden Teile 14a und 14b sind in Axialrichtung versetzt angeordnet, so dass die Federlagerung 30 tiefer in der Bohrung auf der Anschlagfläche 14b eingesetzt werden kann. Im Prinzip könnte jedoch auch nur eine Anschlagsfläche 14 für die Federlagerung und den nachfolgend beschriebenen Ventilsitz vorgesehen werden.
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Auf der Anschlagfläche 14 ist eine Federlagerung 30 vorgesehen, auf der sich eine Feder 29 abstützt. Am anderen Ende der Feder 29 ist die Kugel 18 gelagert, die von der Feder 29 gegen den Ventilsitz 20 gedrückt wird. Der Ventilsitz 20 ist am Eingang der Bohrung 12 des Ventils 10 angeordnet.
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Der Ventilsitz 20 besteht aus einem Hauptkörper 24, an dem Vorsprünge 22 angeordnet sind. Der Hauptkörper 24 weist eine Bohrung 28 auf, die mittig in diesem vorgesehen ist. Die innere Seite der Vorsprünge 22 ist von der Bohrung nach außen beabstandet, so dass der Abstand zwischen den Vorsprüngen 22 größer ist als der Durchmesser der Bohrung 28. In dieser Weise der Hauptkörper 24 die Kugel 18 lagern kann, die Kugel jedoch gleichzeitig zwischen den Vorsprüngen 22 aufgenommen ist. Die Vorsprünge 22 sind ferner auch von der Außenseite des Hauptkörpers 24 nach innen beabstandet, so dass die Außenseite der Vorsprünge 22 nicht mit der Innenwand der Bohrung 12 in Kontakt stehen.
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Wie in 1 dargestellt ist, wird der Ventilsitz mit den Vorsprüngen 22 voran in die Ventilbohrung eingesetzt. An der Außenseite des Hauptkörpers 24 ist eine Nut 25 vorgesehen, in der ein Dichtring 21 angeordnet wird. Die Vorsprünge 22 sind vorzugsweise in Art von Kreisringsegmenten ausgebildet und sind bevorzugt alle gleichförmig. Insbesondere sind zumindest zwei oder zumindest 4 Vorsprünge 22 vorgesehen. Wenn zwei Vorsprünge 22 vorgesehen sind, dann sind die nebeneinanderliegenden Flächen 23 der zwei Vorsprünge 22 jeweils parallel angeordnet, und die beiden Seitenflächen 23 eines einzelnen Vorsprungs fluchten miteinander. In 2 weist der Ventilsitz 20 vier Vorsprünge 22 auf, wobei die Seiten eines Vorsprungs 22 vorzugsweise aufeinander senkrecht stehen. Bei zwei nebeneinanderliegenden Vorsprüngen sind die zueinander gerichteten Seiten parallel, und die voneinander wegweisenden Seiten fluchten miteinander. In dieser Weise können die Aussparungen zwischen den Vorsprüngen auf eine einfache Art in zwei Verfahrensschritten gefräst werden.
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An der Oberseite der Vorsprünge 22 ist die Kontaktfläche 27 ausgebildet, die an der Anschlagsfläche 14a anstößt. Wie in 1a zu sehen ist, sind auch in der geöffneten Stellung des Ventils 10 die Vorsprünge zwischen Kugel 18 und Gehäuse 1 angeordnet, so dass trotz der Strömungswirbel die Kugel 18 nicht gegen das Gehäuse 1 schlagen kann, sondern immer zwischen den Vorsprüngen 22 verbleibt.
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Bei einem Ventilsitz 20 mit Vorsprüngen 22 wird die Auflagefläche im Vergleich zu einem als Scheibe ausgebildetem Ventilsitz verringert, da die Kontaktfläche nicht mehr mit dem Hauptkörper 24 am Gehäuse aufliegt, sondern mit den Kontaktflächen 27 der Vorsprünge 22. Daher ist es wichtig die Kontaktfläche zu maximieren, ohne dass dabei der Öffnungsquerschnitt im Bereich der Anschlagfläche 14 verringert wird. Da aber auch die Anschlagsfläche 14 nicht gleichmäßig radial nach innen vorsteht, sind sowohl die Anschlagsfläche 14 als auch die Kontaktfläche 27 idealerweise derart ausgebildet, dass eine drehwinkelunabhängige Montage eines Ventilsitzes ermöglicht wird. Das heißt, dass die entstehende Auflagefläche der Kontaktfläche 27 des Ventilsitzes 20 und die Anschlagsfläche 14 in der Summe über alle Vorsprünge im Wesentlichen immer gleich bleiben soll. Dies könnte durch eine gerichtete Montage entstehen, was jedoch komplexe Prozesse erfordert und sehr teuer ist. Andere geometrische Lösungen um die Einbaustellung des Ventilsitzes 20 festzulegen, könnten eine Drehsicherung umfassen, wobei dadurch der Ventilsitz komplizierter herzustellen wäre und ein erhöhter Fräsanteil entstehen würde. Im vorliegenden Fall sind die Vorsprünge 22 des Ventilsitzes 20 derart ausgestaltet, dass die Kontaktfläche mit dem Anschlag 14a im Wesentlichen immer konstant bleibt. Im Wesentlichen konstant bedeutet, dass die Toleranz in einem Bereich von +/–1 mm2, insbesondere +/–1/2 mm2 und weiter vorzugsweise +/–1/4 mm2 beträgt.
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In 4 sind verschiedene Stellungen des Ventilsitzes in Bezug auf die Anschlagfläche 14a für den Ventilsitz gezeigt. Die gestrichelten Bereiche sind die tatsächliche Auflagefläche der Kontaktfläche 27 des Ventilsitzes 20 auf der Anschlagfläche 14a. Wie man erkennt, weist die Anschlagfläche 14 trapezartige Vorsprünge auf bzw. einen Durchlass in einer Art Kleeblattform. In der vorliegenden Ausführungsform sind am Ventilsitz vier Vorsprünge 22 vorgesehen, die dann auf die drei Vorsprünge der Anschlagfläche 14 abgestimmt werden. Das gleiche ist jedoch auch möglich mit zwei Vorsprüngen. Ferner stehen nicht nur die Vorsprünge 15 in die Bohrung hervor, sondern es ist auch umlaufend an der Bohrungswand ein Steg 16 vorgesehen, so dass jeder Vorsprung 15 mit seiner Kontaktfläche unabhängig vom Drehwinkel immer auf der Anschlagfläche 14 mit zumindest einem Teil aufliegt. Dies ist in der Darstellung in 4 gezeigt (beispielsweise der linke Vorsprung im linken oberen Bild).
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In 5 ist ein Diagramm gezeigt, welches die Summen der Auflagefläche, also der tatsächlich aufliegenden Kontaktfläche 27 auf der Anschlagfläche 14 darstellt. Über den Drehwinkel des Ventilsitzes 20 in der Ventilbohrung 12 sind die Auflageflächen der einzelnen Vorsprünge 22 aufgezeichnet. Im oberen Bereich ist dann die Summe dieser Auflageflächen dargestellt und man sieht, dass diese unabhängig vom Drehwinkel im Wesentlichen gleich bleiben. Dies erleichtert zum einen die Montage, da der Einsetzwinkel des Ventilsitzes unerheblich ist, zum anderen wird auch eine gleichbleibend große Auflagefläche für die vier Vorsprünge bereitgestellt.
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In 1 ist die Federlagerung 30 im eingebauten Zustand zu sehen, in 3 als Einzelteil. Vorzugsweise ist die Federlagerung 30 nicht als flache Scheibe wie im Stand der Technik ausgebildet, sondern als ein im Wesentliches zylindrisches Bauteil, das auf einer Seite mit einer Kontaktfläche 33 versehen ist, die sich an der Anschlagfläche 14b des Ventils 10 abstützt, mit einem Bereich 32 mit größerem Durchmesser, und einem Bereich 34 mit kleinerem Durchmesser der sich auf der der Kontaktfläche 33 gegenüberliegenden Seite nach oben erstreckt. Die Feder 29 wird also auf den Bereich 34 mit kleinerem Durchmesser aufgeschoben und stützt sich dann auf dem Bereich 33 mit größerem Durchmesser ab. Der Bereich 34 mit kleinerem Durchmesser ist insbesondere rund ausgebildet und an die Größe der verwendeten Feder 29 angepasst, so dass die Feder 29 in radialer Richtung festgelegt ist. Ferner ist vorzugsweise der Bereich 34 mit kleinerem Durchmesser derart lang ausgestaltet, so dass die Kugel gegen die obere Fläche 35 der Federlagerung 30 anstößt, wenn Fluid durch das Ventil strömt. Dieser Zustand ist in 1 gezeigt. Im geschlossenen Zustand wird die Kugel 18 von der Feder 29 gegen den Ventilsitz gedrückt und verschließt so die Bohrung 28 des Ventilsitzes 20.
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Dadurch, dass die Kugel bei geöffnetem Ventil 10 an der Federführung 30 anschlägt, wird der Raum hinter der Kugel 18, in dem das Wirbelgebiet bei der Durchströmung des Ventils 10 entstehen würde, durch den Bereich 34 mit kleinerem Durchmesser eingenommen und es können keine Wirbel entstehen. Dadurch wirken weniger radiale Kräfte auf die Kugel 18. Eine solche Federlagerung 30 mit Anschlagfunktion könnte daher auch ohne ein Strömungsventil 20 mit Vorsprüngen 22 zu einem geringeren Verschleiß führen, da die Vermeidung der Strömungswirbel hinter der Kugel die Querkräfte auf die Kugel reduzieren würde.
