DE102017000053B4

DE102017000053B4 - Ventil mit Kunststoffventilhülse

Info

Publication number: DE102017000053B4
Application number: DE102017000053.0A
Authority: DE
Inventors: Jochen Grünschlag; Michel Schneider
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2017-01-06
Filing date: 2017-01-06
Publication date: 2024-04-11
Anticipated expiration: 2037-01-07
Also published as: DE102017000053A1

Abstract

Ventil (1) zur Steuerung eines Fluidstroms, bestehend aus einem Elektromagneten (2) zur Betätigung, einer Ventilhülsenbaugruppe (11), einem Ventilschieber (4) und einer Rückstellfeder (5), wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) mindestens einen radialen Durchbruch (6) für eine von dem Hub des Ventilschiebers (4) abhängige Durchleitung eines Fluidstroms von einem ersten Anschluss (A) zu einem zweiten Anschluss (B) aufweist, wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) eine Ventilhülse (3) enthält, die aus Kunststoffmaterial im Spritzgussverfahren hergestellt ist, wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) in der Lauffläche (10) für den Ventilschieber (4) mindestens eine Nut (7) zum Druckausgleich aufweist, wobei die mindestens eine Nut (7) sich über einen Teil der Lauffläche (10) für die Lagerung des Ventilschiebers (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülsenbaugruppe (11) aus der Ventilhülse (3) aus Kunststoff und einer kraft- und/oder formschlüssig mit der Ventilhülse (3) verbundenen metallischen Hülse (12) besteht, die mindestens einen Teil der Bohrung der Ventilhülse (3) bedeckt, wobei die metallische Hülse (12) in dem Bereich der Lauffläche (10), in dem ein Druckausgleich erforderlich ist, Nuten (7) und/oder weitere Nuten (8) aufweist, und wobei die metallische Hülse (12) mindestens einen radialen Durchbruch (6) aufweist und wobei die metallische Hülse (12) bei dem Herstellverfahren der Ventilhülsenbaugruppe (11) als Einlegeteil eingespritzt ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Ventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Ventile mit einer Ventilhülse aus Kunststoff sind bekannt, insbesondere für den Einsatz bei niedrigen Drücken, beispielsweise bei Drücken unter 20 bar. Die Druckschriften DE 10 2012 009 951 A1 und DE 10 2012 010 986 A1 beschreiben derartige Ventile.
Wenn solche Ventile Schieberventile sind, enthalten sie einen Ventilschieber, der je nach dem Hub des Ventilschiebers einen Anströmquerschnitt freigibt oder verschließt.
Dieser hubabhängige Anströmquerschnitt wird entweder durch eine umlaufende Nut in der Ventilhülse oder durch mindestens einen radialen Durchbruch in der Ventilhülse bestimmt, im einfachsten Fall durch zwei runde Durchbrüche.
Die Anzahl und die Formen der Durchbrüche legen dann den hubabhängigen Verlauf der Kennlinie des Anströmquerschnitts als Funktion des Ventilschieberhubs fest. Sind unterschiedliche Formen der Durchbrüche in der Auslegung des Ventilschiebers nicht vorgesehen, bedeutet eine später erforderliche Änderung oder eine weitere gewünschte Variante des Ventils einen sehr großen Änderungsaufwand.
Wenn ein Druckausgleich für axial beabstandete Zonen des Ventils erforderlich ist, versieht man üblicherweise den Ventilschieber mit Bohrungen oder axial verlaufenden Nuten, die den Druckausgleich herstellen. Solche Bohrungen oder Nuten des Ventilschiebers erhöhen den Herstellaufwand des Ventilschiebers erheblich.
Die DE 42 28 045 A1 offenbart ein Magnetventil, insbesondere ein Proportionalmagnetventil, bei dem in einem becherförmigen Magnetgehäuse die Wicklung, ein Anker und Rückschlußteile eines Elektromagneten untergebracht sind, bei dem das Magnetgehäuse auf seiner offenen Seite mit einem Deckel aus Kunststoff verschlossen ist und das ein Ventilgehäuse zur Aufnahme eines vom Magnetanker steuerbaren Ventilkörpers aufweist.
Die DE 23 61 591 A1 offenbart ein Schieberventil zur Steuerung des Arbeitsdrucks eines Arbeitsmediums, mit einem Stellmagneten, durch dessen Anker über einen Stößel ein Steuerschieber bewegbar ist.
Die DE 102 13 834 A1 offenbart ein Solenoidventil, das einen Schieber (Tauchkolben) hat, der hin- und her bewegbar gestützt ist und weiterhin ein solenoidbetätigtes Öldruck-Steuerventil, das einen Öldruck von einer Öldruckquelle bezüglich einer Verzögerungsöldruckkammer und einer Vorrückungsöldruckkammer eines Einlass/ Auslassventilmechanismusses mit variabler Zeitgebung wahlweise zuführt oder aus diesen auslässt, der eine Ventilzeitgebung von zumindest einem Einlassventil oder einem Auslassventil einer Verbrennungskraftmaschine ändert.
Aufgabe:
Die vorliegende Erfindung soll beschreiben, wie der Aufwand für die Bohrungen oder die Nuten bei der Herstellung des Ventilschiebers vermieden werden kann, und in einer Weiterbildung, wie auf einfache Weise unterschiedliche Kennlinien für den Anströmquerschnitt als Funktion des Hubs erzeugt werden können.
Lösung:
Die Aufgaben werden durch die technische Lehre der Patentansprüche gelöst, der erste, zweite und dritte Patentanspruch behandeln den Druckausgleich und die weiteren Vorrichtungsansprüche behandeln die Kennlinienbeeinflussung während der Gestaltung.
Das Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms besteht aus einem Elektromagneten zu seiner Betätigung, einer Ventilhülsenbaugruppe, einem Ventilschieber und einer Rückstellfeder, wobei die Ventilhülsenbaugruppe mindestens einen radialen Durchbruch für eine von dem Hub des Ventilschiebers abhängige Durchleitung eines Fluidstroms von einem ersten Anschluss A zu einem zweiten Anschluss B aufweist.
Die Ventilhülsenbaugruppe besteht entweder nur aus einem Kunststoffbauteil mit der Bezeichnung Ventilhülse oder aus einem ebenso als Ventilhülse bezeichneten Kunststoffbauteil mit einer darin eingespritzten metallischen Hülse.
In einer Ausführung mit besonders hohem Verschleißwiderstand ist die Ventilhülse aus Kunststoff kraft- und/oder formschlüssig mit einer metallischen Hülse verbunden, die mindestens einen Teil der Bohrung der Ventilhülse bedeckt. In den Bereichen der metallischen Hülse, in denen ein Druckausgleich erforderlich ist, weist die metallische Hülse Nuten auf, und die metallische Hülse weist mindestens einen radialen Durchbruch auf. Bei dem Herstellverfahren der Ventilhülse ist die metallische Hülse als Einlegeteil eingespritzt. Die Durchbrüche in der metallischen Hülse und in dem Kunststoffteil sind dabei zueinander ausgerichtet. Die genannten Nuten in der metallischen Hülse können einen Teil der Hülsendicke oder die ganze Hülsendicke einnehmen, sie entarten dann zu Ausschnitten.
Die Ventilhülse ist aus Kunststoffmaterial im Spritzgussverfahren hergestellt und weist, wenn keine metallische Hülse vorgesehen ist, in der Lauffläche für den Ventilschieber mindestens eine Nut zum Druckausgleich auf.
Ein Druckausgleich ist beispielsweise zwischen einem Anschluss für das Fluid und einer Endzone der Ventilhülse erforderlich, oder zwischen einer Endzone der Ventilhülse und einem Abschnitt des Ventilschiebers.
Die Nut erstreckt sich axial über einen Teil der wirksamen Länge für die Lagerung des Ventilschiebers und hebt für den betreffenden Abschnitt des Ventilschiebers seine abdichtende Wirkung auf.
Vorzugsweise weist die Ventilhülse drei Nuten auf, die hinsichtlich ihres Lagewinkels gleichmäßig über die Bohrung der Ventilhülse verteilt sind.
Die Ventilhülse kann einen weiteren Satz Nuten aufweisen, der für einen anderen Bereich der Lauffläche einen Druckausgleich bewirkt.
In unterschiedlichen Ausführungen weist der radiale Durchbruch die Querschnittsform

- eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken,
- eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken,
- eines Dreiecks und eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken
- oder eines Kreises auf.

Vorzugsweise ist die Ventilhülse aus dem Werkstoff PPS (Polyphenylensulfid) hergestellt. Es können allerdings auch andere Werkstoffe verwendet werden, soweit sie eine hohe Festigkeit und eine gute Beständigkeit gegen die eingesetzten Arbeitsfluide aufweisen. Auch die Wasseraufnahme des Werkstoffs ist ein wichtiges Merkmal, sie muss sehr gering sein, denn fast alle technisch eingesetzten Arbeitsfluide enthalten auch Wasser, mindestens als Verunreinigung.
Vorteilhafterweise weist die Ventilhülse eine stoffschlüssig mit ihr verbundene Federlagerung auf, damit ist kein zusätzliches Bauteil mit der Bezeichnung Federlagerung erforderlich.
Zur Herstellung der Ventilhülse erfolgt bei dem Einspritzprozess das Einspritzen des flüssigen Kunststoffs vorteilhafterweise an einem Anspritzpunkt in der Mitte der Federlagerung, wobei die Federlagerung nach dem Einspritzen stoffschlüssig mit der Ventilhülse verbunden ist.
Zur Auslegung und Gestaltung einer Ventilhülsenbaugruppe für ein Ventil zur Steuerung eines Fluidstroms wird der teilweise von einem Ventilschieber freigegebene radiale Durchbruch durch die Ventilhülsenbaugruppe abhängig von den Erfordernissen für die Kennlinie Q = f (H, Δp) mit jeweils geeigneten Formen für den mindestens einen Durchbruch ausgestattet.
Dabei bedeuten:

Q: Durchfluss,
H: Hub des Ventilschiebers und
Δp: Druckdifferenz zwischen den Anschlüssen (A) und (B)

Als Anströmquerschnitt für den mindestens einen Durchbruch wird eine Form gewählt wird, die ausgewählt ist aus den folgenden Formen:

- Kreis
- Rechteck mit abgerundeten Ecken
- Dreieck mit abgerundeten Ecken
- aus einem Dreieck und einem Rechteck zusammengesetzte Form mit abgerundeten Ecken.

Zusätzlich werden die Abmessungen der Formen den Erfordernissen für die Funktion des Ventils angepasst.
Die Ventilhülse ist im dem Abschnitt, der die Durchbrüche aufweist, so gestaltet, dass bei einer erforderlichen Änderung der Form des Durchbruchs noch eine ausreichende Länge des Abschnitts zur Verfügung steht.
Das Bild 4 zeigt die Kennlinien der für den Durchfluss maßgebenden Summe der Anströmquerschnitte als Funktion des Hubs des Ventilschiebers.
Es werden dabei Kennlinien für die unterschiedlichen Formen und Abmessungen der Durchbrüche gezeigt, wie in der Legende des Bilds 4 bezeichnet.
Anwendung:
Ventile der beschriebenen Gattung werden für die Ansteuerung von Verstellpumpen, Kupplungen und Stellzylindern eingesetzt, vorrangig in Fahrzeugen und fahrenden Arbeitsmaschinen.
Bilder:

1 zeigt einen Ausschnitt der Ventilzeichnung
2 zeigt die Ventilhülse in der Ausführung ohne eine metallische Hülse
3 zeigt die Ventilhülsenbaugruppe mit einer eingespritzten metallischen Hülse
4 zeigt die Kennlinie der Summe der Anströmquerschnitte in Abhängigkeit vom Hub des Ventilschiebers

Beispielhafte Ausführung:
Ein Ventil (1) gemäß 1 zur Steuerung eines Fluidstroms besteht aus einem Elektromagneten (2) zu seiner Betätigung, einer Ventilhülsenbaugruppe (11), einem Ventilschieber (4) und einer Rückstellfeder (5), wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) mindestens einen radialen Durchbruch (6) für eine von dem Hub des Ventilschiebers (4) abhängige Durchleitung eines Fluidstroms von einem ersten Anschluss (A) zu einem zweiten Anschluss (B) aufweist.
In der Ausführung der Ventilhülsenbaugruppe gemäß 2 besteht die Ventilhülsenbaugruppe (11) nur aus der Ventilhülse (3), und diese ist aus Kunststoffmaterial im Spritzgussverfahren hergestellt und weist in der Lauffläche (10) für den Ventilschieber (4) mindestens eine Nut (7) zum Druckausgleich auf.
Die Nut (7) erstreckt sich über einen Teil der wirksamen Länge für die Lagerung des Ventilschiebers.
Vorzugsweise weist die Ventilhülse (3) drei Nuten (7', 7'', 7''') auf, die hinsichtlich ihres Lagewinkels gleichmäßig über die Bohrung der Ventilhülse (3) verteilt sind.
Vorteilhafterweise weist die Ventilhülse (3) einen weiteren Satz Nuten (8', 8'', 8''') auf, der für einen anderen Bereich der Lauffläche (10) einen Druckausgleich bewirkt. Diese zusätzlichen Nuten (8', 8'', 8''') sind in den Bildern 1, 2 und 3 nicht dargestellt.
In einer ersten vorteilhaften Ausführung weist der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf.
In einer zweiten vorteilhaften Ausführung weist der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken auf.
In einer dritten vorteilhaften Ausführung weist der radiale Durchbruch (6) die sich ergänzenden Querschnittsformen eines Dreiecks und eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken auf.
In einer vierten vorteilhaften Ausführung weist der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Kreises auf.
Vorzugsweise ist die Ventilhülse aus dem Werkstoff PPS (Polyphenylensulfid) hergestellt.
Vorteilhafterweise weist die Ventilhülse (3) eine stoffschlüssig mit ihr verbundene Federlagerung (9) auf.
In einer besonders verschleißfesten Ausführung der Ventilhülsenbaugruppe (11) gemäß 3 ist die Ventilhülse (3) aus Kunststoff kraft- und/oder formschlüssig mit einer metallischen Hülse (12) verbunden, die mindestens einen Teil der Bohrung der Ventilhülse (3) bedeckt. In den Bereichen der Lauffläche (10), in denen Druckausgleich erforderlich ist, weist die metallische Hülse (12) Nuten (7) und/oder zusätzliche Nuten (8) auf, und die metallische Hülse (12) weist mindestens einen radialen Durchbruch (6) auf. Bei dem Herstellverfahren der Ventilhülsenbaugruppe (11) ist die metallische Hülse (12) als Einlegeteil eingespritzt.
Zur Herstellung der Ventilhülsenbaugruppe (11) erfolgt bei dem Einspritzprozess das Einspritzen des flüssigen Kunststoffs an einem Anspritzpunkt in der Mitte der Federlagerung (9), wobei die Federlagerung nach dem Einspritzen stoffschlüssig mit der Ventilhülse (3) verbunden ist.
Liste der Bezugszeichen

1: Ventil
2: Elektromagnet
3: Ventilhülse
4: Ventilschieber
5: Rückstellfeder
6: Durchbruch
7: Nut
8: Nut
9: Federlagerung
10: Lauffläche
11: Ventilhülsenbaugruppe
12: Metallische Hülse
A: Anschluss
B: Anschluss

Claims

Ventil (1) zur Steuerung eines Fluidstroms, bestehend aus einem Elektromagneten (2) zur Betätigung, einer Ventilhülsenbaugruppe (11), einem Ventilschieber (4) und einer Rückstellfeder (5), wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) mindestens einen radialen Durchbruch (6) für eine von dem Hub des Ventilschiebers (4) abhängige Durchleitung eines Fluidstroms von einem ersten Anschluss (A) zu einem zweiten Anschluss (B) aufweist, wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) eine Ventilhülse (3) enthält, die aus Kunststoffmaterial im Spritzgussverfahren hergestellt ist, wobei die Ventilhülsenbaugruppe (11) in der Lauffläche (10) für den Ventilschieber (4) mindestens eine Nut (7) zum Druckausgleich aufweist, wobei die mindestens eine Nut (7) sich über einen Teil der Lauffläche (10) für die Lagerung des Ventilschiebers (4) erstreckt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülsenbaugruppe (11) aus der Ventilhülse (3) aus Kunststoff und einer kraft- und/oder formschlüssig mit der Ventilhülse (3) verbundenen metallischen Hülse (12) besteht, die mindestens einen Teil der Bohrung der Ventilhülse (3) bedeckt, wobei die metallische Hülse (12) in dem Bereich der Lauffläche (10), in dem ein Druckausgleich erforderlich ist, Nuten (7) und/oder weitere Nuten (8) aufweist, und wobei die metallische Hülse (12) mindestens einen radialen Durchbruch (6) aufweist und wobei die metallische Hülse (12) bei dem Herstellverfahren der Ventilhülsenbaugruppe (11) als Einlegeteil eingespritzt ist.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülsenbaugruppe (11) nur aus der Ventilhülse (3) besteht, die drei Nuten (7', 7'', 7''') aufweist, die hinsichtlich ihres Lagewinkels gleichmäßig über die Bohrung der Ventilhülse (3) verteilt sind.
Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülsenbaugruppe (11) einen weiteren Satz Nuten (8', 8'', 8''') aufweist, der für einen anderen Bereich der Lauffläche (10) einen Druckausgleich bewirkt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Dreiecks mit abgerundeten Ecken aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Durchbruch (6) sich ergänzende Querschnittsformen eines Dreiecks und eines Rechtecks mit abgerundeten Ecken aufweist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Durchbruch (6) die Querschnittsform eines Kreises aufweist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (3) aus dem Werkstoff PPS hergestellt ist.
Ventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ventilhülse (3) eine stoffschlüssig mit ihr verbundene Federlagerung (9) aufweist.