DE102019201371A1

DE102019201371A1 - Ventil und Ventilklappe mit Nutwange

Info

Publication number: DE102019201371A1
Application number: DE102019201371.6A
Authority: DE
Inventors: Marcus Häuser
Original assignee: Vitesco Technologies GmbH
Current assignee: Vitesco Technologies GmbH
Priority date: 2019-02-04
Filing date: 2019-02-04
Publication date: 2020-08-06
Anticipated expiration: 2039-02-05
Also published as: DE102019201371B4

Abstract

Es werden ein Ventil, eine Ventilklappe und ein Verfahren zur Herstellung einer Ventilklappe beschrieben. Das Ventil ist als Klappenventil ausgebildet und besitzt eine Ventilklappe, die durch das Drehen einer Antriebswelle geöffnet und geschlossen wird. Am Außenumfang der Ventilklappe befindet sich ein mit einem Ventilsitz zusammenwirkender Dichtungsring, der eine Nutwange belastet. Die Nutwange ist aus einem Material mit einer höheren Verschleißfestigkeit als der übrige Teil der Ventilklappe hergestellt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Ventil zum Verschließen und Öffnen eines runden Kanales mit einem an der Innenseite an der Kanalwand angeordneten Ventilsitz und einer damit zusammenwirkenden Ventilklappe, die durch eine winklig zur Kanalachse angeordnete drehbare Welle zum Öffnen und Schließen bewegbar ist, wobei die Ventilklappe an ihrem seitlichen Rand einen in einer durch eine Nutwange begrenzten Nut angeordneten Dichtungsring aufweist, der mit dem Ventilsitz zur Abdichtung zusammenwirkt.
Derartige Ventile werden beispielsweise zum Öffnen und Schließen eines Abgasrückführkanales bei Kraftfahrzeugen verwendet. Dadurch, dass die entsprechende Ventilklappe durch das Drehen einer winklig zur Kanalachse angeordneten Welle betätigt wird, wird die winklig zur Welle angeordnete Ventilklappe aus ihrer den Kanalquerschnitt verschließenden Stellung in eine Öffnungsstellung gedreht, in der der Kanalquerschnitt teilweise freigegeben wird. In der geschlossenen Stellung der Ventilklappe steht dabei ein am seitlichen Rand der Klappe angeordneter Dichtungsring mit dem Ventilsitz in Eingriff und sorgt dort für eine entsprechende Abdichtung. Dieser Dichtungsring ist innerhalb einer Nut am seitlichen Rand der Ventilklappe angeordnet, die von einer Nutwange begrenzt wird. Durch das Bewegen der Ventilklappe zum Öffnen und Schließen, durch Druckunterschiede im Kanal, in dem das Ventil angeordnet ist, und/oder durch den Dichtungsring ist diese Nutwange erhöhten Kräften ausgesetzt, die zu einem verstärkten Verschleiß der Nutwange führen.
Ein Ventil der eingangs beschriebenen Art ist aus der DE 10 2007 050 899 A1 bekannt. Auch bei diesem bekannten Ventil ist die Betätigungswelle der Ventilklappe winklig zur Klappenebene und zur Achse des zugehörigen Kanales angeordnet und steht ein am seitlichen Rand der Ventilklappe angeordneter Dichtungsring mit einem an der Innenseite der Kanalwandung angeordneten Ventilsitz in Eingriff. Der Dichtungsring ist dabei in einer durch zwei Nutwangen begrenzten Nut am seitlichen Rand der Klappe angeordnet. Derartige Ventilklappen werden momentan aus einem einheitlichen Material gefertigt, das sich besonders gut bearbeiten lässt, da hierfür umfangreiche herstellungstechnische Drehoperationen erforderlich sind. Es hat sich jedoch dabei im Betrieb dieser Klappenventile gezeigt, dass durch die hohen Anforderungen im Betrieb, beispielsweise bei der Verwendung als Abgasrückführventil in den Kraftfahrzeugen, die Ventilklappen häufig Verschleißerscheinungen aufweisen, die zu einem vorzeitigen Ausfall des Ventilmechanismus führen. Das verwendete Klappmaterial ist daher nicht mehr ausreichend beständig gegenüber einem Verschleiß. Die Verwendung eines verschleißbeständigeren Materiales ist teuer und hat den Nachteil, dass das Material wesentlich schlechter zu bearbeiten ist, was sich bei der Vielzahl der durchzuführenden Drehoperationen als besonders nachteilig erweist.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Ventil der eingangs beschriebenen Art zu schaffen, das sich bei geringen Kosten durch eine besonders hohe Verschleißfestigkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Ventil der angegebenen Art dadurch gelöst, dass die Nutwange einen mit der übrigen Ventilklappe verbundenen Ringabschnitt aus einem Material umfasst, das im Vergleich zum Material der übrigen Ventilklappe eine höhere Verschleißfestigkeit besitzt.
Durch den Einsatz eines verschleißfesteren Werkstoffes im Bereich der belasteten Nutwange kann der Großteil der Ventilklappe aus preisgünstigerem Werkstoff hergestellt werden. Die umfangreichen herstelltechnischen Drehoperationen an der Klappe liegen im Bereich des preiswerten Serienmaterials der Klappe. Lediglich die Nutwange wird als einfach drehtechnisch herstellbarer Ring aus dem in der Regel teureren verschleißbeständigen Werkstoff hergestellt. Die Nutwange und der restliche Teil der Ventilklappe können dann über ein geeignetes Verfahren miteinander verbunden werden.
Auf diese Weise wird das Problem eines Nutwangenverschleißes gelöst. Da nur der Ringabschnitt der Nutwange aus teurem Material hergestellt wird, wird insgesamt trotz der besseren Verschleißfestigkeit eine Kostenersparnis erreicht. Ferner wird in Bezug auf die Herstellung des übrigen Klappenteils eine Kostenersparnis erzielt, da mit dem entsprechenden Material auf einfache Weise die erforderlichen Drehprozesse durchgeführt werden können, während nur die Nutwange aus dem schwierig zerspanbaren Material besteht bzw. dieses aufweist. Bei der erfindungsgemäßen Lösung umfasst der Ringabschnitt vorzugsweise eine den durch Überdruck belasteten Dichtungsring tragende Nutwange. Diese besonders verschleißfestes Material umfassende Nutwange trägt hierbei den mit dem Ventilsitz in Eingriff stehenden Dichtungsring, der durch den im Kanal herrschenden Überdruck gegen die Nutwange gepresst wird und diese daher unter Druck setzt, so dass hierdurch die Verschleißanfälligkeit erhöht wird.
Speziell ist der Dichtungsring zwischen zwei Nutwangen angeordnet, von denen eine den Ringabschnitt umfasst, der aus dem Material mit höherer Verschleißfestigkeit hergestellt ist.
Bei dem erfindungsgemäß ausgebildeten Ventil kann auch der Ventilsitz ein Material aufweisen, das im Vergleich zum Material des Ventilgehäuses eine höhere Verschleißfestigkeit besitzt. Bei dieser Ausführungsform wirken somit ein Ventilsitz aus einem Material mit höherer Verschleißfestigkeit und eine Nutwange der Ventilklappe aus einem Material mit höherer Verschleißfestigkeit zusammen, so dass sowohl auf den Ventilsitz als auch in Bezug auf die Ventilklappe eine Verringerung der Verschleißanfälligkeit erreicht wird.
Zur Herstellung der Ventilklappe wird der Ringabschnitt aus dem Spezialmaterial mit dem übrigen Teil der Ventilklappe, der aus normalem Material gefertigt ist, verbunden. Dies kann beispielsweise durch Presspassung erfolgen. Bei einer besonders bevorzugten Ausführungsform wird der Ringabschnitt mit der übrigen Ventilklappe durch Laserschweißen verbunden.
Bei dem Dichtungsring handelt es sich vorzugsweise um einen Ring aus federelastischem Material, der im eingebauten Zustand unter radiale Vorspannung gesetzt ist, so dass er in radialer Richtung mit dem Ventilsitz in Eingriff gepresst wird. Hierfür geeignete Materialien, insbesondere federelastische Metalle, sind dem Fachmann bekannt.
Wie bereits erwähnt, wird die Ventilklappe durch Drehen ihrer Betätigungswelle geöffnet und geschlossen, d. h. mit dem Ventilsitz in und außer Eingriff gebracht. Das Klappventil dient hierbei zum Absperren und Öffnen eines Kanales, der beispielsweise von einem Gas durchströmt wird. Hierbei kann es sich beispielsweise um Abgas eines Kraftfahrzeuges handeln, so dass das Ventil zum Öffnen oder Schließen einer Abgasrückführleitung ausgebildet ist.
Ferner betrifft die vorliegende Erfindung eine Ventilklappe zur Verwendung in einem Ventil der vorstehend beschriebenen Art.
Des Weiteren bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zur Herstellung einer Ventilklappe für ein Klappenventil mit einem runden Klappenkörper, der an seinem Außenumfang eine zum Tragen eines Dichtungsringes vorgesehene Nutwange aufweist. Das Verfahren ist dadurch gekennzeichnet, dass ein die Nutwange bildender Ring aus einem Material hergestellt wird, das eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als das Material des übrigen Klappenkörpers, und dass der Ring zur Bildung der Nutwange mit dem übrigen Klappenkörper verbunden wird.
Hierdurch wird die Verschleißfestigkeit der Ventilklappe verbessert, ohne dass die Kosten für das Herstellungsverfahren wesentlich erhöht werden müssen, da die Verwendung eines teuren besonders verschleißfesten Materiales auf die Ausbildung der Nutwange begrenzt wird.
Was die Verbindung des hergestellten Ringes mit dem übrigen Klappenkörper anbetrifft, so wird die Verbindung vorzugsweise durch Laserschweißen hergestellt. Ein anderes bevorzugtes Verfahren betrifft die Verbindung des Ringes mit dem übrigen Klappenkörper durch Presspassung.
Als Beispiele für Materialien für die Herstellung der Nutwange seien hitzefeste Spezialstähle (ferritische/austenitische Stähle) genannt, während der übrige Klappenkörper beispielsweise aus üblichen Edelstählen hergestellt werden kann.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispieles in Verbindung mit der Zeichnung im Einzelnen erläutert. Es zeigen:

1 einen Vertikalschnitt durch einen Ventilmechanismus;
2 eine Einzeldarstellung des Ventils des Mechanismus der 1 in räumlicher Ansicht;
3 eine Einzeldarstellung des Ventils der 1 im Vertikalschnitt; und
4 eine Unteransicht, Vertikalschnittansicht und Draufsicht auf eine Klappe des Ventilmechanismus.

Der in 1 dargestellte Ventilmechanismus betrifft ein Klappenventil, das in einer Abgasrückführleitung eines Kraftfahrzeuges angeordnet ist und zum Öffnen und Schließen eines Abgasrückführkanales 1 dient. Das von der Brennkraftmaschine eines zugehörigen Kraftfahrzeuges abgegebene Abgas gelangt hierbei in den Kanal 1 und strömt dabei in der Figur von oben nach unten. Mit dem vorgesehenen Ventilmechanismus kann der Durchsatz des rückgeführten Abgases gesteuert werden.
Hierzu weist der Ventilmechanismus eine Ventilklappe 4 auf, die rund ausgebildet ist und mit einem Ventilsitz 6 zusammenwirkt, der in der Innenwandung des Kanales 1 ausgebildet ist. Zum Bewegen der Ventilklappe 4 dient eine Antriebswelle 5, die hier mit der Ebene der Ventilklappe 4 einen spitzen Winkel und mit der Achse des Kanales 1 einen stumpfen Winkel bildet. Die Antriebswelle 5 ist in einem Gehäuse 2 gelagert und wird von einem geeigneten Antriebsmechanismus 7 angetrieben, dessen Einzelheiten hier nicht beschrieben werden, da sie für die Erfindung keine Rolle spielen.
Durch ein Drehen der Antriebswelle 5 wird die Ventilklappe 4 aus der dargestellten Schließstellung heraus in eine Öffnungsstellung bewegt. Wird die Antriebswelle 5 in entgegengesetzter Richtung gedreht, wird die Ventilklappe 4 geschlossen.
Die 2 und 3 zeigen das Klappenventil in Einzeldarstellung. 2 zeigt die Ventilklappe 4 mit zugehöriger Antriebswelle 5 und Ventilsitz 6. Durch Drehen der Antriebswelle 5 wird die Ventilklappe 4 geöffnet.
3 zeigt das Klappenventil im Vertikalschnitt, wobei der dargestellte Pfeil die Strömungsrichtung des in dem Kanal strömenden Gases angibt. Die Ventilklappe 4 besitzt an ihrem Außenumfang eine Nut 9 (in 4 dargestellt), die zwischen einer in 3 oberen Nutwange 10 und unteren Nutwange 8 angeordnet ist. In dieser Nut 9 befindet sich ein Dichtungsring 11, der unter radialer Vorspannung steht und somit gegen den Ventilsitz 6 gepresst wird, um den Strömungsquerschnitt abzudichten. Aufgrund der angedeuteten Gasströmungsrichtung in 3 von oben nach unten wird der Dichtungsring 11 durch den im Kanal herrschenden Druckunterschied in 3 von oben belastet und drückt gegen die untere Nutwange 8, die auf diese Weise einem höheren Verschleiß ausgesetzt ist als der übrige Teil der Ventilklappe 4.
4 zeigt weitere Einzelheiten des Ventils in einer Unteransicht (links), einem Vertikalschnitt (Mitte) und einer Draufsicht (rechts). Man erkennt die beiden Nutwangen 10 und 8 am Außenumfang der Ventilklappe 4, wobei hier der Dichtungsring in der Nut 9 nicht dargestellt ist. Dieser Dichtungsring drückt auf die Nutwange 8, da in der mittleren Darstellung der Ventilklappe links ein höherer Druck herrscht als rechts. Die Nutwange 8 ist daher einem besonders hohen Verschleiß ausgesetzt. Um dies zu vermeiden, ist sie aus einem verschleißfesteren Material hergestellt als der übrige Teil der Ventilklappe. Dabei wird so vorgegangen, dass zuerst ein der Nutwange entsprechender Ring aus dem verschleißfesteren Material hergestellt wird, der dann beispielsweise durch Laserschweißen mit dem übrigen Teil der Ventilklappe verbunden wird.
Der hier verwendete Begriff „Ventilsitz“ soll Ventilsitze im weitesten Sinne abdecken, d. h. beispielsweise auch eine gehärtete Wandung des Kanales, auf der der Dichtring der Ventilklappe läuft.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007050899 A1 [0003]

Claims

Ventil zum Verschließen und Öffnen eines rundes Kanales mit einem an der Innenseite der Kanalwand angeordneten Ventilsitz und einer damit zusammenwirkenden Ventilklappe, die durch eine winklig zur Kanalachse angeordnete drehbare Welle zum Öffnen und Schließen bewegbar ist, wobei die Ventilklappe an ihrem seitlichen Rand einen in einer durch eine Nutwange begrenzten Nut angeordneten Dichtungsring aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Nutwange (8) einen mit der übrigen Ventilklappe (4) verbundenen Ringabschnitt aus einem Material umfasst, das im Vergleich zum Material der übrigen Ventilklappe (4) eine höhere Verschleißfestigkeit besitzt.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabschnitt eine den durch Überdruck belasteten Dichtungsring (11) tragende Nutwange (8) umfasst.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring zwischen zwei Nutwangen (8,10) angeordnet ist, von denen eine den Ringabschnitt umfasst.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (11) ein Material aufweist, das im Vergleich zum Material des Ventilgehäuses (2) eine höhere Verschleißfestigkeit besitzt.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabschnitt mit der übrigen Ventilklappe (4) durch Laserschweißen verbunden ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringabschnitt mit der übrigen Ventilklappe (4) durch Presspassung verbunden ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (11) unter radialer Vorspannung gesetzt ist.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtungsring (11) aus federelastischem Material besteht.
Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es als Ventil zum Öffnen und Schließen einer Abgasrückführleitung ausgebildet ist.
Ventilklappe zur Verwendung in einem Ventil nach einem der vorangehenden Ansprüche.
Verfahren zur Herstellung einer Ventilklappe für ein Klappenventil mit einem runden Klappenkörper, der an seinem Außenumfang eine zum Tragen eines Dichtungsringes vorgesehene Nutwange aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein die Nutwange (8) bildender Ring aus einem Material hergestellt wird, das eine höhere Verschleißfestigkeit aufweist als das Material des übrigen Klappenkörper, und dass der Ring zur Bildung der Nutwange (8) mit dem übrigen Klappenkörper verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring mit dem übrigen Klappenkörper durch Laserschweißen verbunden wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring mit dem übrigen Klappenkörper durch Presspassung verbunden wird.