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Die Erfindung betrifft ein Gehäuse für ein Ventil, aufweisend einen zylinderförmige Ausnehmung, an deren Innenseite eine Lauffläche ausgebildet ist, wobei die Ausnehmung zur Aufnahme eines entlang der Lauffläche verschiebbaren Ventilschiebers vorgesehen ist, und wobei das Gehäuse mehrere in der Ausnehmung mündende Fluidführungskanäle zum Anschluss von Druckräumen aufweist. Die Erfindung betrifft weiterhin ein Ventil mit einem solchen Gehäuse sowie ein Verfahren zur Fertigung eines solchen Gehäuses.
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Die Ausnehmung ist vorzugsweise als Bohrung ausgestaltet, wobei eine Bohrung jede Ausnehmung ist, die einen im wesentlichen runden Querschnitt aufweist.
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Ventile mit derartigen Gehäusen sind bereits aus dem Stand der Technik bekannt und werden etwa im Bereich von Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Da die relativ komplexe Geometrie mit mehreren Fluidführungskanälen und gegebenenfalls weiteren Verbindungskanälen in dem Gehäuse nur mit großem Aufwand mittels subtraktiven Fertigungsverfahren herstellbar wäre, werden die Gehäuse üblicherweise gegossen.
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Ein in das Gehäuse eingesetzter Ventilschieber ist üblicherweise so ausgebildet, dass er mit mindestens einem Sperrbereich eine Mündung eines Fluidführungskanals überdecken kann. In diesem Sperrbereich weist der Ventilschieber einen Durchmesser auf, der die Ausnehmung gänzlich ausfüllt, so dass lediglich ein schmaler Spalt zwischen Ventilschieber und Lauffläche verbleibt. Weiterhin weist der Ventilschieber mindestens einen Durchflussbereich auf, in dem sein Durchmesser deutlich geringer ist, so dass die Mündung des Fluidführungskanals nicht überdeckt ist. Münden in einem Durchflussbereich mehrere Fluidführungskanäle, so besteht eine von einem Fluid durchfließbare Verbindung zwischen diesen Fluidführungskanälen. Bei entsprechender Stellung des Ventilschiebers fließt dann etwa ein Fluid aus einem Fluidführungskanal, an dem ein Druck anliegt, durch den Durchflussbereich in einen Fluidführungskanal, an dem ein Arbeitsmittel angeschlossen ist, wobei das Arbeitsmittel etwa ein Zylinder zum Aktuieren eines Schaltelements in einem Fahrzeuggetriebe sein kann. Durch axiales Verschieben den Ventilschiebers sind unterschiedliche Mündungen jeweils verdeckt oder nicht verdeckt, so dass Verbindungen zwischen verschiedenen Fluidführungskanälen miteinander realisierbar sind.
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Ein Durchflussbereich, in den ein Fluidführungskanal mündet, ist von dem Fluid druckbeaufschlagt, bzw. zwischen mehreren solchen Durchflussbereichen, die durch einen Sperrbereich in axialer Richtung des Ventilschiebers voneinander getrennt sind, herrscht ein Differenzdruck. Diese Drücke bzw. Druckdifferenzen führen dazu, dass es zu einer Leckage kommt, dass also Fluid von einem Durchflussbereich in bzw. durch den Spalt in dem Sperrbereich fließt. Dabei strömt das Fluid üblicherweise nicht um den gesamten Umfang des Spalts mit gleicher Fließgeschwindigkeit durch den Spalt, was dazu führt, dass um den Umfang unterschiedliche Drücke entstehen, die radiale Kräfte auf den Ventilschieber ausüben und zu einem hinderlichen Anlegen des Ventilschiebers an die Lauffläche führen. Der Ventilschieber lässt sich dann nur schwer verstellen und ist dabei einem erhöhten Verschleiß unterworfen. Weiterhin erhöht sich bei einem nicht mehr zentral liegenden Ventilschieber der Leckverlust durch den Spalt deutlich bis zu einem Faktor von 2,5. Diese Probleme besteht insbesondere bei durch Gussverfahren hergestellten Gehäusen, da die Fluidführungskanäle bei solchen Gehäusen mit schrägen Flanken ausgebildet werden müssen, um das Gussstück nach dem Gießen ausformen zu können. Die Spalten weisen dann um den Umfang verteilt unterschiedliche Längen auf, was zu unterschiedlichen Fließgeschwindigkeiten und somit zu unterschiedlichen Drücken führt.
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Eine derartige Druckdifferenz und eine entsprechende Leckage treten ebenfalls dann auf, wenn ein Sperrbereich einen druckbeaufschlagten Fluidführungskanal überdeckt. Die Leckage besteht dann zwischen der Mündung des druckbeaufschlagten Fluidführungskanals und einem Durchflussbereich, der an dem Sperrbereich angrenzt, oder einem anderen Fluidführungskanal, der ebenfalls von dem Sperrbereich überdeckt ist.
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Aus dem Stand der Technik ist es bekannt, unterschiedliche Drücke im Umfang des Spalts durch Entlastungsrillen an dem Ventilschieber auszugleichen. Solche Entlastungsrillen erstrecken sich in Umfangsrichtung an dem Ventilschieber oder der Lauffläche und gleichen die aus den unterschiedlichen Drücken um den Umfang resultierenden radialen Kräfte auf den Ventilschieber aus. Weiterhin reduzieren die Entlastungsrillen die kinetische Energie des durch den Spalt strömenden Fluids und tragen damit zum Druckabbau in axialer Richtung des Spalts bei bzw. reduzieren die Strömungsgeschwindigkeit des Fluids im Spalt. Üblicherweise werden Entlastungsrillen am Ventilschieber ausgebildet, da sie in diesen einfach eingebracht werden können. Ein Einbringen in die Lauffläche des Gehäuses wäre im Allgemeinen mittels subtraktiver Herstellungsverfahren zu aufwändig. Nachteilig ist das Einbringen der Entlastungsrillen in den Ventilschieber mit einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt und entsprechendem Aufwand verbunden.
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Ein Ventil mit an dem Ventilschieber ausgebildeten Entlastungsrillen ist beispielsweise aus der
EP 2 510 266 B1 bekannt.
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Unter dem Hintergrund des beschriebenen Standes der Technik ist es eine Aufgabe der Erfindung, ein Ventil zu schaffen, dass mit geringem Fertigungsaufwand herstellbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit einem Gehäuse mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Ventil mit den Merkmalen des Anspruchs 10 und durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 14 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Im Sinne der Erfindung wird als Druckraum jeweils ein Raum verstanden, in dem ein Druck vorliegt bzw. veränderlich oder veränderbar ist. Relativ zu einem anderen Druckraum herrscht dabei dann wahlweise ein höherer, ein gleicher oder ein niedrigerer Druck bzw. dieser wird erzeugt. Es kann sich bei einem Druckraum demnach also um eine Druckquelle oder eine Drucksenke handelt. Es kann sich weiterhin auch um einen Tank handeln, aus dem ein Druckmittel in ein System aus Druckräumen eingefüllt wird. Sind die Druckräume über ein Ventil bzw. über einen Durchflussbereich des Ventils miteinander verbunden, so gleicht sich der Druck zwischen den beiden Druckräumen aus bzw. es entsteht eine Strömung zwischen den Druckräumen entsprechend dem vorliegenden Druckgradienten. Als Druckmedium kann dabei prinzipiell jedes Fluid dienen, bevorzugt handelt es sich um ein Drucköl oder eine andere Flüssigkeit.
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Als eine sich um den gesamten Innenumfang erstreckende Entlastungsrille wird verstanden, dass die Entlastungsrille in sich ringförmig ausgebildet ist und in Umfangsrichtung der Lauffläche einmal gänzlich um diese umlaufend ausgebildet ist. Vorzugsweise ist die Entlastungsrille um den gesamten Umfang der Lauffläche mit dem gleichen Querschnitt ausgebildet.
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Die Fluidführungskanäle können in jeder beliebigen Richtung zur axialen Richtung der Ausnehmung verlaufen. Insbesondere ist mindestens ein in radialer Richtung der Ausnehmung verlaufender Fluidführungskanal vorgesehen.
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Ein erfindungsgemäßes Gehäuse zeichnet sich dadurch aus, dass die Lauffläche mindestens eine sich über ihren gesamten Innenumfang erstreckende Entlastungsrille zum Ausgleich von um den Umfang des Ventilschiebers unterschiedlichen Drücken in einem Spalt zwischen Ventilschieber und Lauffläche aufweist und das Gehäuse mit der mindestens einen Entlastungsrille in einem additiven Fertigungsverfahren hergestellt ist. Auf diese Weise muss kein weiterer Fertigungsschritt zum Einbringen von Entlastungsrillen an dem Ventilschieber vorgesehen werden. Durch die Entlastungsrille wird der um den Umfang des Ventilschiebers unterschiedliche Druck, bzw. dessen Wirkung in radialer Richtung auf den Ventilschieber, ausgeglichen und der Ventilschieber somit zentriert. Weiterhin baut sich die kinetische Energie eines durch den Spalt zwischen Ventilschieber und Lauffläche fließenden Fluids an der Entlastungsrille ab. Die Entlastungsrille trägt darüber hinaus auch zum Druckabbau im Spalt in axialer Richtung bei.
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Als additives Fertigungsverfahren wird jedes Fertigungsverfahren verstanden, bei dem Material zum Herstellen eines Produkts sukzessiv hinzugefügt wird. Ein solches additives Fertigungsverfahren kann von einem Grundkörper ausgehen oder ein Bauteil von Grund auf neu aufbauen. Additive Herstellungsverfahren umfassen den 3D-Druck und Techniken, die als Rapid Prototyping bezeichnet werden. Additive Herstellungsverfahren umfassen beispielsweise auch Verfahren wie Lasersintern, direktes Metall-Lasersintern (DMLS), selektives Lasersintern (SLS) oder selektives Laserschmelzen (SLM). So fallen unter die additive Fertigung alle Verfahren, die ein additives Formgebungsprinzip anwenden und dadurch physikalische, dreidimensionale Geometrien durch sukzessives Hinzufügen von Material erzeugen. Für die vorliegende Erfindung eignen sich sowohl Verfahren der metallischen additiven Fertigung als auch der additiven Fertigung, die mit einem Kunststoff als Ausgangsmaterial arbeiten. Je besser die Auflösung und je geringer die geometrischen Einschränkungen des Verfahrens sind, desto geeigneter ist das Verfahren für die vorliegende Erfindung.
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Ein bevorzugter metallischer Werkstoff für das additiv hergestellte Gehäuse oder das additiv hergestellte Ventil ist AlSi10Mg. Ventilsteuereinheiten basieren typischerweise auf einer AISiXX-Legierung. Der Silicium-Anteil trägt hierbei maßgeblich für eine längere Dauerhaltbarkeit (Verschleißresistenz) bei. Je höher der Silicium-Gehalt ist, desto verschleißfester ist das Ventil bzw. Gehäuse. Dies geht jedoch gleichzeitig mit einer schlechteren Bearbeitbarkeit einher. Aluminium als Grundlage ist ein Leichtbauwerkstoff und führt zu einem akzeptablen Gewicht. Weiter ist AlSi10Mg besonders gut druckbar, es eignet sich also besonders gut für die metallische additive Fertigung. In Versuchen hat sich beispielsweise AISi10Mg in einem Verfahren des selektiven Laserschmelzens (SLM) als geeignet erwiesen, um beispielsweise ein Hydraulik-Ventilgehäuse oder einen Ventilblock für ein hydraulisches Steuergerät eines Kraftfahrzeuggetriebes additiv herzustellen. Für den Einsatz in der Pneumatik, bei denen die Belastungen insbesondere im Vergleich zum Einsatz in der Hydraulik geringer sind, können andere Metalle oder auch Kunststoffe zum Einsatz kommen. So hat sich ein Epoxidharz in einem Verfahren der Stereolithografie als geeignet erwiesen, um beispielsweise ein Pneumatik-Ventilgehäuse additiv herzustellen, beispielsweise für den Einsatz in der Medizintechnik. Je nachdem, in welchem technischen Gebiet das Ventil verwendet wird, welches das erfindungsgemäße Gehäuse umfasst, beispielsweise in der Hydraulik oder Pneumatik, können somit unterschiedliche Metalle oder Kunststoffe zum Einsatz kommen.
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In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Lauffläche mehrere Entlastungsrillen auf. Der Druckabbau über die Spaltlänge eines Spalts, der diese mehreren Entlastungsrillen überspannt, erfolgt dann stufenweise und die Zentrierungswirkung verteilt sich in axialer Richtung über den Ventilschieber. Insgesamt ist bei mehreren in axialer Richtung hintereinander angeordneten Entlastungsrillen innerhalb eines Spalts eine deutlich verbesserte Zentrierwirkung und ein gleichmäßiger Druckabbau zu beobachten. Besonders bevorzugt weisen die Entlastungsrillen in axialer Richtung der Ausnehmung jeweils einen gleichen Abstand zueinander auf.
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In einer weiteren Ausführungsform ist die Lauffläche durch mindestens eine Mündung eines Fluidführungskanals in mehrere Abschnitte unterteilt. Je nach Ausgestaltung des Ventils weist dann mindestens ein Abschnitt mindestens eine Entlastungsrille auf. Ist das Ventil so gestaltet, dass in verschiedenen Stellungen des Ventilschiebers unterschiedliche Abschnitte der Lauffläche mit dem Ventilschieber einen Spalt ausbilden, in dem ein Durchfluss zu beobachten ist, so weist in einer bevorzugten Ausführungsform jeder dieser Abschnitte mindestens eine Entlastungsrille auf. Besonders bevorzugt weist jeder dieser Abschnitte eine Mehrzahl von Entlastungsrillen auf, die weiterhin bevorzugt in gleichem Abstand zueinander in axialer Richtung über die Lauffläche verteilt angeordnet sind.
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In einer Ausführungsform ist die mindestens eine Entlastungsrille tiefer als der Spalt breit ist, also tiefer als die Differenz zwischen Radius der Ausnehmung und Radius des Ventilschiebers in einem Sperrbereich. Auf diese Weise ist ein großer Querschnitt der Entlastungsrille zu erzielen, der einen entsprechend großen Abbau der kinetischen Energie des den Spalt durchfließenden Fluids bedingt. Die Strömung durch den Spalt wird demnach durch eine tiefe Entlastungsrille besonders gut gebremst.
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Weiterhin bevorzugt ist es, die mindestens eine Entlastungsrille in einer Querschnittsform auszubilden, die zu einem großen Abbau von kinetischer Energie führt. Durch die Ausbildung der Entlastungsrille beim Herstellen des Gehäuses mittels additiver Fertigungsverfahren ist der Formgebung der Entlastungsrille kaum eine fertigungstechnische Grenze gesetzt. Die mindestens eine Entlastungsrille weist in verschiedenen Ausführungsformen etwa einen rechteckigen, ovalen, trapezförmigen, runden, tropfenförmigen oder dreieckigen Querschnitt auf.
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Besonders bevorzugt weist die mindestens eine Entlastungsrille am Übergang zwischen der Entlastungsrille und dem Spalt im Querschnitt eine geringere Breite als ihre maximale Breite auf. Die Entlastungsrille weitet sich demnach von ihrer spaltseitigen Mündung ausgehend in Richtung zu ihrer Bodenwandung auf. So kann ein gro-ßer Raum innerhalb der Entlastungsrille geschaffen werden, ohne dass eine zu große Länge des Spalts durch Mündungen von Entlastungsrillen unterbrochen ist. Vorteilhaft kann dann ein hoher Abbau der kinetischen Energie erzielt werden, während der Druckgradient in axialer Richtung zwischen den Druckräumen ebenfalls effektiv abgebaut wird. So trägt die Entlastungsrille zwar zum Abbau der kinetischen Energie des strömenden Fluids bei, der Spalt zwischen Ventilschieber und Lauffläche selbst trägt jedoch mehr als die Entlastungsrille zum Abbau des Drucks in axialer Richtung bei. Mit einer beschriebenen Form der Entlastungsrille kann somit neben dem Abbau der kinetischen Energie und der Druckunterschiede um den Umfang des Ventilschiebers auch ein gleichmäßiger Abbau der Druckunterschiede in axialer Richtung mit einem geringen Gradienten erreicht werden.
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Das Gehäuse ist in einer bevorzugten Ausführungsform aus einem metallischen Werkstoff, insbesondere aus einer Aluminiumlegierung, gefertigt. Mit metallischen Materialien lassen sich ausreichend feste und harte Gehäuse schaffen, die eine entsprechende Lebensdauer für eine Anwendungsumgebung etwa in einem Kraftfahrzeug aufweisen. Es ist für Anwendungsumgebungen, in denen geringere Anforderungen an das Gehäuse bestehen, auch möglich, das Gehäuse aus einem Kunststoffwerkstoff zu fertigen. Die Erfindung erstreckt sich dabei auf alle dem Fachmann bekannten additiven Fertigungsverfahren, mit denen das jeweilige Material additiv verarbeitet werden kann. Insbesondere bevorzugt sind etwa für Aluminiumlegierungen das Laser- Strahlschmelzen oder das Laser-Sintern.
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Die Erfindung erstreckt sich auch auf ein Ventil mit einem beschriebenen Gehäuse. Insbesondere betrifft die Erfindung ein solches Ventil in der Ausführungsform als stetig verstellbares Ventil oder Schaltventil. Bei einem stetig verstellbaren Ventil wird durch die Entlastungsrillen insbesondere ein Anlegen des Ventilschiebers an die Lauffläche vermieden.
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Beispielsweise handelt es sich bei dem Ventil um ein solches, bei dem der Ventilschieber mehrere Sperrbereiche aufweist, in denen sein Durchmesser die Ausnehmung ausfüllt und zwischen Ventilschieber und Lauffläche ein Spalt gebildet ist, wobei am Ventilschieber zwischen den Sperrbereichen Durchflussbereiche angeordnet sind, in denen der Durchmesser des Ventilschiebers deutlich geringer ist als der Durchmesser der Ausnehmung. Bei einem solchen Ventil lassen sich die beschriebenen Entlastungsrillen besonders vorteilhaft einsetzen.
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In verschiedenen Ausführungsformen ist jeweils ein elektromagnetischer, hydraulischer, pneumatischer oder mechanischer Antrieb zum Verstellen des Ventilschiebers an dem Ventil vorgesehen. Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventils lässt sich unabhängig von der Antriebsart des Ventilschiebers zu den beschriebenen Vorteilen nutzen.
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In einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zur Fertigung eines beschriebenen Gehäuses für ein Ventil vorgeschlagen, bei dem das Gehäuse mittels eines additiven Fertigungsverfahrens gefertigt wird. Dabei wird das Gehäuse mit einer zylinderförmige Ausnehmung, an deren Innenseite eine Lauffläche ausgebildet ist, und mit mehreren in der Ausnehmung mündenden Fluidführungskanälen zum Anschluss von Druckräumen gefertigt, wobei an der Lauffläche mindestens eine sich über ihren gesamten Innenumfang erstreckende Entlastungsrille zum Ausgleich von um den Umfang des Ventilschiebers unterschiedlichen Drücken in einem Spalt zwischen Ventilschieber und Ausnehmung ausgebildet wird.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Figuren beschrieben, die verschiedene Ausführungsformen der Erfindung zeigen, wobei gleiche oder ähnliche Elemente mit dem gleichen Bezugszeichen versehen sind. Im Einzelnen zeigt:
- 1 einen Querschnitt eines Zwei-Wege-Ventils in einer aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsform;
- 2 einen Querschnitt eines erfindungsgemäßen Gehäuses bzw. Ventils in einer ersten Ausführungsform;
- 3 ein Diagramm, bei dem der Druckabbau in axialer Richtung über die Spaltlänge bei einem Spalt zwischen Lauffläche mit Entlastungsrillen und Sperrbereich des Ventilschiebers dargestellt ist;
- 4 einen Querschnitt einer Entlastungsrille bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse bzw. Ventil in einer ersten Ausführungsform;
- 5 einen Querschnitt einer Entlastungsrille bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse bzw. Ventil in einer zweiten Ausführungsform; und
- 6 einen Querschnitt einer Entlastungsrille bei einem erfindungsgemäßen Gehäuse bzw. Ventil in einer dritten Ausführungsform.
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1 zeigt ein Ventil 1 mit einem Gehäuse 2 und einem Ventilschieber 3 gemäß dem Stand der Technik. Das Gehäuse 2 weist mehrere Fluidführungskanäle 4a, 4b, 4c, 4d auf, wobei der Fluidführungskanal 4a an einer nicht dargestellten Druckquelle angeschlossen ist, der Fluidführungskanal 4b mit Arbeitsleitungen verbunden ist und der Fluidführungskanal 4c eine Verbindung zu einem Druckmitteltank herstellt. Der Anschluss 4d ist dabei ebenfalls mit der Arbeitsleitung verbunden, mit der auch der Anschluss 4b verbunden ist, wie später beschrieben wird. Die Fluidführungskanäle 4a, 4b, 4c und 4d erstrecken sich in radialer Richtung in dem Gehäuse 2 und sind mit schräg verlaufenden Wandungen versehen, die dazu dienen, dass das Gehäuse 2 nach dem Gießprozess, mit dem er hergestellt wird, ausgeformt werden kann. Das Gehäuse 2 weist weiterhin eine Ausnehmung 5 auf, deren Innenseite eine Lauffläche 5a für den Ventilschieber 3 bildet. Die Lauffläche 5a ist dabei durch die Fluidführungskanäle 4a, 4b, 4c und 4d in mehrere Abschnitte unterteilt.
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Der Ventilschieber 3 weist einen Durchflussbereich 3a und zwei Sperrbereiche 3b und 3c auf und ist in der zylinderförmigen Ausnehmung 4 des Gehäuses 2 gelagert.
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In dem Durchflussbereich 3a ist der Durchmesser des Ventilschiebers 3 deutlich geringer ausgebildet als der Durchmesser der Ausnehmung 5. In den Sperrbereichen 3b hingegen ist der Ventilschieber 3 in der Ausnehmung 5 eingepasst und lagert schwimmend in dieser. Der Ventilschieber 3 weist weiterhin eine Ausnehmung 3d auf, in der eine nicht dargestellte Feder gehalten ist, die zwischen dem Ventilschieber 3 und dem Gehäuse 2 wirkend angeordnet ist, um den Ventilschieber 3 in eine Richtung aus der Ausnehmung 5 heraus zu verstellen.
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Das in 1 gezeigte Ventil 1 ist dazu vorgesehen, dass an dem Fluidführungskanal 4a ein Druck anliegt, der etwa durch eine Pumpe erzeugt wird. Über den Durchflussbereich 3a ist der Fluidführungskanal 4a mit dem Fluidführungskanal 4b verbindbar, so dass der Druck dann an einem an dem Fluidführungskanal 4b angeschlossenen Arbeitsmittel anliegt. Der Fluidführungskanal 4c ist dazu vorgesehen, in Verbindung mit einem drucklosen Fluidtank zu stehen, aus dem das System bei Bedarf aufgefüllt werden kann. Dafür ist der Fluidführungskanal 4c über den Durchflussbereich 3a in einer entsprechenden Stellung des Ventilschiebers 3 mit dem Fluidführungskanal 4b verbindbar. Der Fluidführungskanal 4d steht mit der gleichen Arbeitsleitung in Verbindung wie der Fluidführungskanal 4b, so dass an beiden der gleiche Druck anliegt.
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Von der hier rechten Seite des Ventilschiebers 3 greift ein nicht dargestellter Verstellmechanismus an dem Ventilschieber 3 zu dessen Verstellung in die Ausnehmung 5 hinein an. In die entgegengesetzte Richtung aus der Ausnehmung 5 heraus ist die nicht dargestellte Feder, die in die Ausnehmung 3d eingreift, vorgesehen. Weiterhin ist an dem Ventilschieber 3 eine Schulter 3e vorgesehen, auf die der an dem Fluidführungskanal 4d anliegende Druck angreift, um zusätzlich zu der Federkraft ein Verstellen des Ventilschiebers 3 aus der Ausnehmung 5 heraus zu ermöglichen. An der Schulter 3e liegt dann der gleiche Druck an, wie an der in der Figur linken Seite des Durchflussbereiches 3a durch den Fluidführungskanal 4b anliegt.
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In den Sperrbereichen 3b, 3c sind zwischen Gehäuse 2 und Ausnehmung 5 im Querschnitt kreisförmige Spalte 7a, 7b ausgebildet, deren Länge je nach Position um den Umfang der Ausnehmung 5 unterschiedlich ist. So ist etwa ein zwischen den Fluidführungskanälen 4a und 4d gebildeter Spalt 7a im oberen Bereich des gezeigten Querschnitts länger als im unteren Bereich, da vorliegend die Fluidführungskanäle 4a und 4d jeweils keilförmig ausgebildet sind. An den Fluidführungskanälen 4a und 4d liegen unterschiedliche Drücke an, wobei ein Leckstrom durch Spalt 7a entsteht, dessen Strömungsgeschwindigkeit um den Umfang der Ausnehmung 5 herum auf Grund der unterschiedlichen Spaltlängen variiert. Der Ventilschieber 3 wird auf Grund der dabei entstehenden unterschiedlichen Drücke tendenziell an eine Seite der Ausnehmung 5 herangesogen. Dabei unterscheiden sich die Drücke insbesondere in ihren dynamischen Anteilen. Um die aus den Druckunterschieden resultierenden radialen Kräfte auszugleichen, sind an dem Ventilschieber 3 Entlastungsrillen 8 vorgesehen.
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Druckunterschiede um den Umfang des Ventilschiebers 3 in den Spalten 7a, 7b, die den Ventilschieber 3 an die Lauffläche 5a heranziehen, können auch anderweitig entstehen, etwa durch Erschütterungen im Betrieb oder durch Fertigungsungenauigkeiten. Auch solche Druckunterschiede können durch die Entlastungsrillen 8 ausgeglichen werden. Insbesondere treten diese Druckunterschiede auch bei solchen Ventilen auf, die im Gegensatz zu dem in den Figuren gezeigten Ventil 1 keine keilförmig ausgebildeten Fluidführungskanäle 4a, 4b, 4c, 4d aufweisen, so dass auch bei solchen erfindungsgemäße Entlastungsrillen 8 sinnvoll einsetzbar sind.
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Weiterhin sind an dem Ventilschieber 3 Entlastungsrillen 8 in einem Bereich 3f vorgesehen, der sich im Betrieb zwischen dem Fluidführungskanal 4d und einer Bodenwandung 5b der Ausnehmung 5 bewegt. Zwischen Ventilschieber 3 und der Bodenwandung 5b ist ein Hohlraum 6 ausgebildet, dessen Größe beim Verschieben des Ventilschiebers 3 variiert. Um dabei einen gleichbleibenden Druck in dem Hohlraum 6 zu gewähren und somit sicherzustellen, dass ein Unter- oder Überdruck einem Verstellen des Ventilschiebers 3 nicht entgegensteht, ist der Hohlraum 6 über eine Ausgleichsbohrung 9 mit einem Fluidtank verbunden. Daan dem Fluidführungskanal 4d der gleiche Druck wie an dem Fluidführungskanal 4b bzw. 4a anliegt, besteht zwischen der Mündung des Fluidführungskanals 4d und dem Hohlraum 6 eine Druckdifferenz. Daher entsteht in dem Spalt 7b zwischen Ausnehmung 5 und dem Bereich 3d ebenfalls eine Leckageströmung, wobei der Spalt 7b wegen der Ausformschrägen des Fluidführungskanals 4d um den Umfang unterschiedlich lang ist. Durch die in dem Bereich 3f vorgesehenen Entlastungsrillen wird auf die bereits vorstehend erläuterte Weise sichergestellt, dass dieser Leckagestrom nicht zu einem Anliegen des Ventilschiebers 3 an der Lauffläche 5a führt.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes Gehäuse 12 und ein erfindungsgemäßes Ventil 11 mit einem Ventilschieber 13, wobei das Ventil 11 dem in 1 gezeigten Ventil 1 im Wesentlichen gleicht, und dass nach den gleichen, bereits beschriebenen Prinzipien funktioniert. Das Gehäuse 12 weist vier Fluidführungskanäle 14a, 14b, 14c, 14d auf und der Ventilschieber 13 weist einen Durchflussbereich 13a, zwei Sperrbereiche 13b und 13c, eine Ausnehmung 13d, eine Schulter 13e und den Bereich 13f auf. Ebenso ist zwischen Ventilschieber 13 und Bodenwandung 15b der Ausnehmung 15 ein Hohlraum 16 ausgebildet, an dem eine Ausgleichsbohrung 19 vorgesehen ist. Das Gehäuse 12 ist jedoch erfindungsgemäß mittels eines additiven Fertigungsverfahren hergestellt, wobei an einer in einer Ausnehmung 15 ausgebildeten Lauffläche 15a Entlastungsrillen 18 vorgesehen sind, wobei der Ventilschieber 13 keine Entlastungsrillen aufweist, sondern eine glatte Mantelfläche in diesem Bereich. Durch die Entlastungsrillen 18 ist die Wirkung der Strömungen in den betreffenden Spalten 17a, 17b zwischen den Fluidführungskanälen 14a und 14d derart ausgeglichen, dass der Ventilschieber 13 nicht mehr aus seiner zentralen Position herausgesogen wird. Die Entlastungsrillen 18 gemäß 2 sind gegenüber den Entlastungsrillen 8 gemäß 1 bereits beim additiven Fertigen des Gehäuses 12 eingebracht und nicht in einem zusätzlichen Bearbeitungsschritt.
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3 zeigt einen Verlauf des relativen Drucks in einem Spalt 17 zwischen zwei Druckräumen 21 und 22, wobei sich der Spalt zwischen Gehäuse 12 und Ventilschieber 13 befindet. Die beiden Druckräume 21, 22 sind etwa als ein Durchflussbereich des Ventilschiebers 13 und ein Fluidführungskanal ausgebildet. So liegt etwa an dem Druckraum 21 ein Arbeitsdruck an, während der Druckraum 22 mit einem Tank verbunden ist, so dass ein Umgebungsdruck anliegt. Das Gehäuse 12 weist im Bereich des Spalts 17 zwei Entlastungsrillen 18 auf, deren Mündungen sich in den mit gestrichelten Linien gezeigten Bereichen befinden. Wie sich aus dem Diagramm ergibt, wird die Druckdifferenz zwischen den Druckräumen 21, 22 in den Bereichen des Spalts 17, in denen sich keine Mündung einer Entlastungsrille 18 befindet, graduell abgebaut, währen in den Bereichen mit Mündungen der Entlastungsrillen 18 ein geringerer Druckabbau stattfindet. Es ist daher von Vorteil, wenn sowohl eine große Spaltlänge ausgebildet ist, in der sich die Druckdifferenz mit einem geringen Gradienten abbauen kann und gleichzeitig möglichst viele Entlastungsrillen 18 vorgesehen sind, die für einen Ausgleich der radialen Kräfte sorgen. Nichtsdestotrotz ist festzustellen, dass auch die Entlastungsrillen 18 zu dem Druckabbau beitragen.
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4, 5 und 6 zeigen mehrere Querschnitte von Entlastungsrillen 18, die am Gehäuse 12 ausgebildet sind und einen guten Kompromiss zwischen einer guten Entlastungswirkung und einer ausreichenden Spaltlänge ermöglichen. Sämtliche Querschnitte der Entlastungsrillen 18 weisen eine Tiefe 18t auf, die größer ist als die Breite des Spalts 17, so dass sich an der Entlastungsrille 18 jeweils Verwirbelungen einstellen können, die zum Abbau der kinetischen Strömungsenergie beitragen. Weiterhin weisen die Entlastungsrillen 18 gemäß 4 und 5 ihre maximale Breite 18b nicht im Bereich der Mündung auf, sondern in einem radial davon entfernten Bereich innerhalb der Entlastungsrille 18. So kann ein großer Innenraum der Entlastungsrille 18 gebildet werden, während die Lauffläche 15a bzw. die Spaltlänge nicht zu stark verkürzt wird. Es kann dann ein guter Kompromiss zwischen axialem Druckabbau und Ausgleich der radialen Kräfte durch die Entlastungsrillen 18 gebildet werden.
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Die Entlastungsrille 18 gemäß 4 weist einen trapezförmigen Querschnitt auf, wobei das Trapez vorliegend gleichschenklig ausgebildet ist. Die Entlastungsrille 18 gemäß 5 weist einen birnen- bzw. tropfförmigen Querschnitt auf, wobei die Mündung an der Lauffläche 15a schmaler als der im Gehäuse 12 ausgebildete Bereich ist. Die Entlastungsrille 18 gemäß 6 weist einen rechtförmigen Querschnitt auf, wobei die beiden inneren Ecken des Rechtecks vorliegend mit einem Radius abgerundet ausgebildet sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1, 11
- Ventil
- 2, 12
- Gehäuse
- 3, 13
- Ventilschieber
- 3a, 13a
- Durchflussbereich des Ventilschiebers
- 3b, 13b
- Sperrbereich des Ventilschiebers
- 3c, 13c
- Sperrbereich des Ventilschiebers
- 3d, 13d
- Ausnehmung an dem Ventilschieber
- 3f, 13f
- Bereich des Ventilschiebers
- 4a, 14a
- Fluidführungskanal
- 4b, 14b
- Fluidführungskanal
- 4c, 14c
- Fluidführungskanal
- 4d, 14d
- Fluidführungskanal
- 5, 15
- Ausnehmung des Gehäuses
- 5a, 15a
- Lauffläche
- 5b, 15b
- Bodenwandung der Ausnehmung
- 6, 16
- Hohlraum
- 7a, 17a
- Spalt
- 7b, 17b
- Spalt
- 8, 18
- Entlastungsrille
- 9, 19
- Ausgleichsbohrung
- 18b
- Breite der Entlastungsrille
- 18t
- Tiefe der Entlastungsrille
- 21
- Druckraum
- 22
- Druckraum
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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