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Diese Erfindung bezieht sich auf ein Entlüftungsventil, das z. B. zum Entlüften eines Getriebegehäuses eingesetzt werden kann, und auf eine Verschlussschraube, in der dieses Entlüftungsventil eingebaut ist. Sie bezieht sich ferner auf eine entsprechende Verwendung und ein Verfahren zum Entlüften.
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Entlüftungsventile sind für verschiedene Anwendungen bekannt, insbesondere für Getriebegehäuse. Sie dienen zum Abführen von Gasen ab einem bestimmten Innendruck, z. B. bei betriebsbedingter Erwärmung eines Getriebes, etwa eines Elektromotorengetriebes. In der Regel sind Entlüftungsventile hierzu in einer Verschlussschraube ausgebildet, die eine Öffnung im Getriebegehäuse verschließt.
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Ein einschlägiges Entlüftungsventil mit einer kombinierten Belüftungsfunktion zeigt das ältere Patent
DE 10 2007 058 160 B3 . Dort ist ein in Bezug auf ein Getriebe innenseitiger Teil eines beweglichen Ventilkörpers als ein becherartig geformter Elastomerkörper vorgesehen, welcher eine hohlzylindrische Form aufweist. Nach innen weisende Enden der Hohlzylinderwände sind außen angeschrägt und bilden in diesem angeschrägten Bereich eine Dichtfläche, die mit einer innenseitigen Schulter eines Ventilkanals in dem Ventil zusammenwirkt. Der Ventilkörper kann insgesamt durch einen inneren Überdruck gegen die Kraft einer Schraubenfeder von der Schulter angehoben werden, um das Getriebegehäuse zu entlüften. Bei einem einen bestimmten Schwellenwert überschreitenden äußeren Überdruck können außerdem die distalen Teile der zylindrischen Wandabschnitte des Elastomerkörpers radial nach innen, also senkrecht zu der Bewegung des Ventilkörpers, verformt werden, um einen kleinen Ringspalt zur Belüftung des Getriebegehäuses freizugeben.
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Dieses Patent diskutiert bereits die vorteilhafte Kombination der Belüftungsfunktion mit der Entlüftungsfunktion. So können insbesondere bei Betriebsunterbrechungen nach einer „Warmphase“ in einem Getriebegehäuse Unterdrücke entstehen und z. B. Wellendichtungen einem übermäßigen Anpressdruck aussetzen, wenn das Getriebe wieder angefahren wird. Der Unterdruck erklärt sich dadurch, dass das Getriebegehäuse zuvor wegen eines Überdrucks entlüftet wurde. Die Belüftung kann solche Situationen vermeiden helfen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein solches kombiniertes Entlüftungsventil weiter zu verbessern, insbesondere hinsichtlich einer einfachen und kompakten Bauform.
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Hierzu richtet sich die Erfindung auf ein Entlüftungsventil nach Anspruch 1, eine damit ausgestattete Verschlussschraube sowie eine Verwendung nach Anspruch 13 und ein Verfahren nach Anspruch 14.
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Das erfindungsgemäße Entlüftungsventil ist hinsichtlich Aufbau und Herstellung vereinfacht und kann außerdem kompakter realisiert werden, und zwar indem der in dem zitierten Stand der Technik relativ komplex geformte Elastomerkörper nicht mehr, wie dort, Teil des beweglichen Ventilkörpers ist und außerdem durch eine einfachere und (bezüglich der Bewegungsrichtung des Ventilkörpers) flachere Struktur ersetzt wird. Dementsprechend wird ein Ring als Elastomerdichtungselement eingesetzt und bildet nun den relativ zu dem Ventil feststehenden Dichtkragen. Dieser ist im zitierten Stand der Technik eine Schulter einer Wand im Ventilkanal (einer Laibungswand).
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Einen entsprechenden Dichtkragen im Sinn eines (vorzugsweise radial nach innen gerichteten) Vorsprungs an einer Wand im Ventilkanal gibt es also auch bei der vorliegenden Erfindung, allerdings in Form des Elastomerdichtungsrings. Dementsprechend kann sich dieser bei einem äußeren Überdruck ab einem gewissen Schwellenwert durch den Überdruck so verformen, dass ein Belüftungsschlitz zwischen dem Dichtungsring und dem beweglichen Ventilkörper frei wird.
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In diesem Sinn ist der bewegliche Ventilkörper auch bei der vorliegenden Erfindung in der Richtung, in der er durch die Feder beaufschlagt ist, durch einen Anschlag gesichert und bewegt sich bei der gerade erwähnten und der Belüftung dienenden Verformung des Dichtungsrings nicht mit.
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Außerdem ist der Dichtungsring deutlich flacher ausführbar als der in dem Stand der Technik beschriebene Elastomerbecher, dessen sich zur Belüftung verformende Wände eine radiale Verformungsbewegung (mit der axialen Richtung des Rings als Bewegungsrichtung des beweglichen Ventilkörpers) ausführen und daher in der axialen Richtung eine gewisse Erstreckung aufweisen müssen. Teile des erfindungsgemäßen Dichtungsrings verformen sich stattdessen im Wesentlichen in axialer Richtung und der Dichtungsring kann insoweit ziemlich flach bleiben. Das kommt einer Reduzierung der Baugröße in der axialen Richtung zugute.
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Außerdem kann die Herstellung schon wegen des Dichtungsrings wesentlich vereinfacht werden. Hinzu kommt, dass der bewegliche Ventilkörper, der nicht mehr den Randbedingungen in dem zitierten Stand der Technik (Halterung des Elastomerkörpers) unterliegt, vergleichsweise einfach und kompakt ausgeführt werden kann. Auch dies vereinfacht und verkleinert die Konstruktion.
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Der bewegliche Ventilkörper ist vorzugsweise aus einem festen, nicht elastisch reagierenden Material gebildet. Besonders bevorzugterweise kann es sich um eine Kugel handeln, die zum Beispiel von einer Schraubenfeder beaufschlagt werden kann, wobei die Schraubenfeder vorzugsweise ohne Zwischenelemente mit einem ihrer Enden unmittelbar auf die Kugel drücken kann. Dabei treffen sich eine Kugeloberfläche und eine ringähnliche Form und ergibt sich eine einfache, aber effektive Kopplung.
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Bevorzugte Materialien für den beweglichen Ventilkörper, insbesondere die Kugel, sind Keramik, Glas und PTFE („Teflon“). Diese Materialien haben den Vorteil einer geringeren Masse als Metall (Stahl). Dementsprechend ist der Ventilkörper bei vergleichbaren Abmessungen leichter und insoweit spielt seine Gewichtskraft eine geringere Rolle. Damit ist das Ventil weniger lageabhängig hinsichtlich der Entlüftungsfunktion, bei der, je nach Montagelage, die Gewichtskraft des beweglichen Ventilkörpers gegen die oder gleichwirkend mit der Federkraft oder senkrecht dazu ausgerichtet ist.
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Das rein theoretisch infolge der verringerten Masse des beweglichen Ventilkörpers schnellere Ansprechverhalten spielt bei Entlüftungsventilen, insbesondere bei Anwendungen für Getriebegehäuse, keine Rolle, weswegen im Stand der Technik mit Stahl gearbeitet wird.
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Der Elastomerdichtungsring hat vorzugsweise ein möglichst einfaches Schnittprofil (bezüglich einer die axiale Richtung enthaltenden Schnittebene, also ein Schnurprofil). Dies kann rechteckig oder, besonders bevorzugterweise, trapezförmig sein. Bei der Trapezform ist dann ein schlankerer Teil des Profils für die beschriebene Verformung bei äußerem Überdruck vorgesehen, so wie im Ausführungsbeispiel gezeigt. Diese schlankere Form zeigt vorzugsweise von einer radial nach innen gerichteten Wand des Ventilkanals nach innen. Eine solche Lage, also mit radial von außen nach innen auf den Ventilkörper zu gerichtetem Dichtungsring, ist auch unabhängig von der Trapezform bevorzugt.
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Vorzugsweise ist das Schnittprofil in Bezug auf eine zur axialen Richtung senkrechte Symmetrieebene spiegelsymmetrisch, sodass der Dichtungsring nicht falsch orientiert verbaut werden kann.
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Infolge einer einfachen und kompakten, z. B. kugelförmigen, Ausgestaltung des beweglichen Ventilkörpers und einer flachen Realisierung des Elastomerdichtungsrings kann das erfindungsgemäße Ventil in der axialen Richtung kompakter ausgeführt werden als im zitierten Stand der Technik. Insbesondere ist bevorzugt, die (in Bezug auf das zu entlüftende Volumen) innenseitige Baulänge von der Dichtflächenanlage (im geschlossenen Ventilzustand) ausgehend zu verringern und möglichst nicht, wie in dem zitierten Stand der Technik, innerhalb des (auch) dort mit dem Bezugszeichen 5 bezeichneten Einschraubgewindes noch allzu viel Totvolumen vorzusehen. Dementsprechend sind vorzugsweise von der Dichtflächenanlage aus nur noch maximal 40 % des Gewindedurchmessers eines Einschraubgewindes als Restbaulänge des Ventils vorhanden, besonders bevorzugterweise maximal 35 % oder sogar maximal 30 %. Im Fall des Ausführungsbeispiels liegt der Wert bei etwa 25 %, einschließlich der dort gezeigten Sperre für den Ventilkörper.
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Ein minimales Totvolumen dient auch zur Verringerung von Anhaftungen von z. B. Getriebeöl. Solche Anhaftungen können, wenn im Übermaß vorhanden, die Ventilfunktion beeinträchtigen, insbesondere weil ältere Ölreste zum Verkleben neigen können oder anderweitig stören können, insbesondere im Bereich der eigentlichen Dichtflächen.
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Trotz der angestrebten kompakten Bauform sieht das erfindungsgemäße Entlüftungsventil vorzugsweise einen Partikelschutzfilter vor, der z. B. außenseitig von der Feder angeordnet werden kann, vergleiche das Ausführungsbeispiel. Ein solcher Filter kann zum Beispiel aus Metalldraht (einem Textil oder Vlies daraus) oder aus zusammen gesinterten Metallpartikeln (etwa kleinen Kügelchen) bestehen. Er kann an einer Stelle mit ohnehin relativ großem Strömungsquerschnitt vorgesehen sein und damit strömungstechnisch quasi außer Betracht bleiben. Allerdings hat sich herausgestellt, dass durch die Kombination mit der Belüftungsfunktion grundsätzlich die Gefahr des Eindringens von kleinen Partikeln oder Staub aus der Umgebung in das zu entlüftende Volumen, etwa das Getriebegehäuse, besteht. Dem kann mit diesem Filter wirksam begegnet werden und insoweit eignet sich die Kombination besonders gut für die kombinierte Ent- und Belüftungsfunktion des Ventils.
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Wie bereits erwähnt, ist das Entlüftungsventil vorzugsweise in einer Verschlussschraube integriert, insbesondere zur Anwendung in einem Getriebe, etwa einem Elektromotorgetriebe. Eine solche Verschlussschraube kann ausgestaltet sein mit einem Unterteil und einem Oberteil, wobei der Ventilkörper zwischen diesen gehalten ist, das Unterteil mit einem Außensechskant und einem Einschraubgewinde versehen ist, das Oberteil einen kleineren Außendurchmesser als die Schlüsselweite des Außensechskants aufweist und Unterteil und Oberteil mittels Presssitz unter Ausbildung von Entlüftungsdurchtritten miteinander verbunden sind.
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Dabei ist vorzugsweise das Oberteil kappenförmig oder tellerförmig ausgebildet und trägt einen den Presssitz gewährleistenden Mittelstift, der in einer Bohrung des Unterteils im Eingriff ist, wobei entweder der Mittelstift Abflachungen aufweist oder die Bohrung als Mehrkant ausgebildet ist.
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Ein typischer Ansprechdruck (Schwellenwert) für die Belüftungsfunktion ist ein Außenüberdruck zwischen zum Beispiel 0,10 und 0,20 bar.
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Ein bevorzugtes Material für das Elastomerdichtungselement ist Fluorkautschuk. Das Material zeigt insbesondere eine sehr gute Alterungsbeständigkeit, eine für viele Anwendungen, insbesondere im Getriebebereich, günstige Materialverträglichkeit und gut verwendbare elastische Eigenschaften.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, das sowohl im Hinblick auf die Vorrichtungskategorie (als Entlüftungsventil und als Verschlussschraube) als auch die Verwendungskategorie und die Verfahrenskategorie zu verstehen ist. Ergänzend wird auf die Erläuterungen (auch zu den Ausführungsbeispielen) in dem oben zitierten Stand der Technik verwiesen. Die Figur zeigt eine im Schnitt dargestellte Ansicht einer Verschlussschraube mit Entlüftungsventil.
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Die in der Figur dargestellte Verschlussschraube 1 weist ein Unterteil 2 und ein Oberteil 3 sowie einen dazwischen eingesetzten einstückigen gedrehten Ventilkörper 4 auf. Das Unterteil 2 ist mit einem Außengewinde 5 und einer in einer Aufnahmenut eingesetzten Ringdichtung 6 versehen. Mit dem Außengewinde 5 kann die Verschlussschraube 1 in ein Elektromotorgetriebe eingeschraubt werden, wobei die Ringdichtung 6 für einen dichten Abschluss sorgt. Dabei wird die Verschlussschraube über einen Außensechskant 7 gehandhabt, der von dem Außengewinde 5 durch eine Schulter 8 getrennt ist. Dazu kann auch ein Steckschlüssel verwendet werden, weil ein kappenförmiger Kopf 9 des Oberteils 3, der einen Flansch 10 des Unterteils von oben übergreift, einen ausreichend kleinen Durchmesser hat.
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Der Kopf 9 des Oberteils 3 deckt dabei nicht nur den Flansch 10, sondern eine zentrale und im Wesentlichen zylindrische Bohrung durch das gesamte Unterteil 2 ab. Die Bohrung führt im Betrieb Luft bzw. andere Gase und kann durch die Ventilwirkung, wie im Folgenden beschrieben, geöffnet und geschlossen werden.
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In der Bohrung, fast an deren unterem (inneren) Ende, befindet sich der kugelförmige Ventilkörper 4 aus z. B. Siliziumnitrid. Der obere Abschnitt des Ventilkörpers 4 steckt in einer Schraubenfeder 11, die ihrerseits in eine zentrale Bohrung eines in die Bohrung des Unterteils 2 hineingesetzten Mittelteils 17 gesteckt ist. Das Oberteil 3 ist durch einen Presssitz zwischen dem untersten und radial nach außen etwas verdickten Abschnitt seines ebenfalls in das Unterteil 2 reichenden Mittelstifts 12 einerseits und andererseits einen entsprechenden gegenüberliegenden Abschnitt der Innenmantelfläche 2 in der Bohrung durch das Unterteil 2 gehalten. Der Ventilkörper 4 wiederum ist in einem radial erweiterten unteren Bereich des Mittelteils 17 gefangen und damit axial gegen die Feder 11 beweglich.
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Andererseits stößt der Ventilkörper 4, wie die Figur zeigt, in seiner untersten Position zunächst an einen Elastomerdichtungsring 14 an. Dieser hat ein symmetrischtrapezförmiges Schnurprofil und ist mit dem nach außen weisenden „dickeren Ende“ dieses Schnurprofils zwischen einem unteren Absatz des Ventilkörpers und dem bereits erwähnten Mittelteil 17 gehalten. Dadurch ergibt sich eine ringförmige Dichtfläche zwischen der in der Figur nach innen und oben weisenden Kante des Dichtungsrings 14 und der Ventilkörperkugel 4.
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Tatsächlich ist der Dichtungsring
14 in der dargestellten Situation ganz leicht durch den Ventilkörper
4 nach unten verformt und ist die Anlagefläche daher etwas verbreitert. Das verbessert die Dichtigkeit, während der Ventilkörper
4 gleichzeitig an eine Sperre
15, nämlich einen zentral und axial nach oben weisenden Zapfen einer im unteren Bereich der Figur die innere Mündung des Ventilkanals überspannenden Brücke anstößt. In der Figur ist diese Brücke
15 nicht schraffiert, obwohl sie in der Zeichenebene geschnitten ist, um zu symbolisieren, dass sie als quer verlaufende brückenartige Struktur nicht, wie die übrigen Bauteile, im Wesentlichen um die Achse rotationssymmetrisch ist (von Einzelheiten wie Entlüftungsschlitzen, dem Sechskant
7 und dem Gewinde
5 abgesehen). Dementsprechend ist der Ventilkanal über und unter der Zeichenebene frei und liegt die Sperre
15 nur über einen Teil seines Mündungsquerschnitts vor. Damit spielt die Sperre
15 im Wesentlichen die Rolle des schulterartigen Absatzes
15 in dem zitierten früheren Patent
DE 10 2007 058 160 B3 , ist aber viel weiter unten angeordnet und betrifft den untersten Teil des Ventilkörpers.
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Folglich kann sich der radial innere Teil des Dichtungsrings 14 bei einem äußeren (in der Figur oben) Überdruck etwas nach unten verbiegen, sodass sich die Anlage mit dem Ventilkörper 4 löst. Wie schon in dem beschriebenen Patent kann der Ventilkörper 4 nicht weiter nach unten folgen. Dementsprechend entsteht ein schmaler Spalt zwischen dem Dichtungsring 14 und dem Ventilkörper 4 zur Belüftung des Getriebes.
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Im Übrigen kommuniziert der bisher beschriebene untere Bereich des Ventilkanals (unter und um den Ventilkörper 4 herum) mit einem radial etwas schmaleren oberen Abschnitt des Mittelteils 17, in dem die Schraubenfeder 11 untergebracht ist und der nach oben über eine wiederum (wegen Abstützung der Schraube 11) etwas engere Öffnung mit dem Bereich über dem Mittelteil 17 kommuniziert. Dort ist zunächst ein Partikelfilter 16 aus gesinterten Metallkügelchen vorgesehen, der zwischen dem Mittelteil 17 und einem über dem Partikelfilter 16 angeordneten Mittelstift 12 des Oberteils 3 gehalten ist. Der Partikelfilter 16 verhindert den Eintrag kleiner Staubbestandteile in das ent- und belüftete Volumen, insbesondere das Getriebegehäuseinnere, und unterstützt damit die kombinierte Ent- und Belüftungsfunktion wirksam.
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Schließlich ist die dargestellte Lösung nicht nur einfach und effizient, sondern auch weniger störungsanfällig. Dazu trägt das minimierte Totvolumen unterhalb des Ventilkörpers 4 und sein Material Siliziumnitrid bei. Erfahrungsgemäß haftet sich verfestigendes Öl an einer glatten Keramikoberfläche weniger stark an als z. B. an einer Stahloberfläche. Alternativ könnte auch glattes Glas für die Kugel 4 verwendet werden oder PTFE. Wegen der relativ offenen Konstruktion der Sperre 15 und der minimalen Baulänge des Ventils unterhalb der Ventilkugel 4 (Totvolumen) neigt das dargestellte Ventil wenig dazu, im inneren Bereich Ölreste zu sammeln. Konkret beträgt die axiale Strecke zwischen dem unteren Rand des Ventilkörpers 4 und dem unteren Rand der die Sperre 15 tragenden Brücke etwa 25 % des Durchmessers des Gewindes 5 und damit ganz erheblich weniger als im Stand der Technik, wie schon der einfache Augenschein zeigt.
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Im Übrigen wird auf das zitierte ältere Patent Bezug genommen, dessen Inhalt auch weitgehend für die vorliegende Anmeldung gilt. Das betrifft insbesondere die Anwendungsmöglichkeiten.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007058160 B3 [0003, 0029]
