DE19710869A1

DE19710869A1 - Dichtsitz für ein hydraulisches Schaltelement in einem Einbauraum, insbesondere für ein direkt gesteuertes Cartridge-Ventil in einer Einsteckbohrung

Info

Publication number: DE19710869A1
Application number: DE19710869A
Authority: DE
Inventors: Rainer Ottersbach; Andreas Dipl Ing Straus
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 1997-03-15
Filing date: 1997-03-15
Publication date: 1998-09-17
Also published as: US6089575A

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Dichtungsanordnung für ein hydraulisches Schalt element in einem Einbauraum, insbesondere für ein direkt gesteuertes Cartridge- Ventil in einer Einsteckbohrung, welches innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten einer Brennkraftmaschi ne angeordnet ist, wobei das Cartridge-Ventil ein einen Aktuator umschließen des, zylindrisches Gehäuse mit einem an einer Stirnseite angeordneten Dicht flansch aufweist, an dem sich ein hohlzylindrisches sowie ein axial bewegliches Steuerelement umschließendes Cartridge mit mehreren jeweils ringförmig angeordneten konzentrischen Radialöffnungen und mehreren an dessen Mantel fläche angeordneten Ringstegen anschließt, welche die Mantelfläche mit den Radialöffnungen in mehrere hydraulisch voneinander getrennte Ringabschnitte unterteilen und in Einbaulage zusammen mit der Bohrungswand der Einsteck bohrung in dieser mehrere Ringkammern bilden, die jeweils mit radial in die Einsteckbohrung mündenden Druckmittelzuleitungen verbunden sind.

Hintergrund der Erfindung

Direkt gesteuerte Cartridge-Ventile der oben genannten Art sind der Fachwelt allgemein als zu den Proportional-Wegeventilen gehörende spezifische Form hydraulischer Schaltelemente bekannt. Solche Cartridge-Ventile finden wegen ihrer platzsparenden Ausbildung und wenig aufwendigen Fertigung sowie wegen ihrer leichten Austauschbarkeit und hervorragenden Schalteigenschaften zunehmend auch Anwendung an Brennkraftmaschinen, die mit einer Vorrich tung zur Variierung der Ventilsteuerzeiten ausgebildet sind, innerhalb deren Hydrauliksystem sie den Motorölstrom von der Ölversorgungsstelle zur Verstell einheit und zurück in das Kurbelgehäuse der Brennkraftmaschine steuern. Dabei sind die Cartridge-Ventile zumeist in einer annähernd den gleichen Durch messer wie deren Ringstege aufweisenden Einsteckbohrung im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeordnet, in welche die Druckmittelzuleitungen radial einmünden und welche mit möglichst geringen Fertigungsanforderungen derart zu gestalten ist, daß zusammen mit den Ringstegen des Cartridges eine Ring spaltdichtung zwischen den einzelnen Ringkammern in der Einsteckbohrung entsteht.

Trotz genauer Fertigung der Einsteckbohrung und des Cartridges hat es sich jedoch gezeigt, daß das Radialspiel zwischen den Radialstegen des Cartridges und der Bohrungswand der Einsteckbohrung mitunter noch so groß ist, daß Leckagen bzw. hydraulische Kurzschlüsse zwischen den Ringkammern in der Einsteckbohrung entstehen und somit eine ausreichende hydraulische Einspan nung des Verstellkolbens der Verstelleinheit nicht mehr gewährleistet ist. Der Leckageeinfluß des Radialspiels ist zwar durch eine entsprechende Länge des Ringspaltes (breitere Ringstege) kompensierbar, jedoch erfordert eine solche Maßnahme ein bestimmtes Maß an axialem Einbauraum, der oft nicht in aus reichendem Maß zur Verfügung steht.

Zur Vermeidung der aus dem Radialspiel resultierenden Leckagen wurden deshalb für jeden Ringsteg am Cartridge-Ventil zwei zueinander beabstandete schmalere Ringstege angeordnet und in den Abstand zwischen den Ringstegen jeweils eine O-Ringdichtung eingelegt. Beim Einschieben des Cartridges in die Einsteckbohrung ergibt sich jedoch mit derart ausgebildeten Cartridge-Ventilen das Problem, daß die radial über die Ringstege überstehenden O-Ringdichtun gen im Bereich der radialen Druckmittelzuleitungen in der Einsteckbohrung durch die scharfkantigen Leitungsmündungen abgeschert werden können und somit wiederum keine Dichtheit zwischen den Ringkammern gewährleisten. Um dies zu vermeiden, werden die radialen Druckmittelzuleitungen in der Ein steckbohrung als Stufenbohrungen ausgebildet oder weisen am Übergang in die Einsteckbohrung eine Ansenkung auf. In beiden Fällen erfolgt der Übergang von der Einsteckbohrung in die radiale Druckmittelzuleitung kegelförmig, wodurch die Gefahr des Abscherens der O-Ringdichtung beim Einsetzen des Cartridge- Ventils in die Einsteckbohrung verringert wird. Die Fertigung einer Einsteckboh rung mit derart ausgebildeten Druckmittelzuleitungen erfordert jedoch einen erheblichen Aufwand, so daß die Herstellung entsprechend teuer ist.

Als Alternativlösung zur Vermeidung der hohen Kosten für die Stufenbohrungen wurde deshalb durch die DE-OS 44 34 142 ein Verfahren zur Montage eines in ein erstes Bauteil einzusetzenden zweiten Bauteils vorgeschlagen, bei dem die Dichtelemente zusammen mit dem zweiten Bauteil vor dessen Einbau in das erste Bauteil in der Aufnahme einer Kühlvorrichtung so stark verformt werden, wie sie auch in ihrer Einbaulage verformt sein würden. In diesem Zustand werden die Dichtelemente soweit abgekühlt, daß sie ihre elastisch verformte Lage vorübergehend beibehalten. Da die Dichtelemente somit nicht mehr über das zweite Bauteil überstehen, läßt sich das zweite Bauteil mit den Dichtele menten mühelos in das erste Bauteil einbauen. Nach dem Einbau erwärmen sich die Dichtelemente wieder, wodurch sie ihre elastischen Eigenschaften wieder erhalten.

Ein solches Verfahren erfordert jedoch gesonderte Kühlvorrichtungen, die sich sowohl hinsichtlich ihrer Herstellungs-, Unterhaltungs- und Energiekosten als auch hinsichtlich der durch den Kühlvorgang verlängerten Montagezeiten negativ auf die gesamten Montagekosten auswirken.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen kostengünstigen Dichtsitz für ein hydraulisches Schaltelement, insbesondere für ein direkt gesteuertes Cartridge-Ventil in einer Einsteckbohrung, zu konzipieren, mit welchem bei Vermeidung von Stufenbohrungen für die Druckmittelzuleitungen und von Abscherungen der Dichtelemente die aus dem Radialspiel zwischen den Radialstegen des Cartridges und der Bohrungswand der Einsteckbohrung resultierenden Leckagen zwischen den einzelnen Ringkammern auf ein Mini mum reduzierbar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einem direkt gesteuerten Cartridge-Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart gelöst, daß die Ringstege an der Mantelfläche des Cartridges mit einem kleineren Durchmesser als die Einsteck bohrung ausgebildet und zusätzlich mit Ringnuten versehen sind, in welche ringförmige Dichtelemente aus einem gegen Abscherung resistenten Material derart einsetzbar sind, daß durch eine aus der Vorspannung der Dichtelemente resultierende statische Radialkraft und/oder durch eine aus Druckdifferenzen des hydraulischen Druckmittels zwischen den einzelnen Ringkammern resultierende dynamische Dichtkraft sowohl Leckagen zwischen den Dichtelementen und dem Cartridge als auch Leckagen zwischen den Dichtelementen und der Boh rungswand der Einsteckbohrung abgedichtet sind.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung gemäß Unteranspruch 2 sind die Dichtelemente dabei bevorzugt als geschlitzte Stahldichtringe mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet, deren Außendurchmesser unter Erzeugung einer Vorspannung mindestens auf den Innendurchmesser der Ein steckbohrung verringerbar ist. Vom Schutzumfang eingeschlossen sind jedoch auch Dichtringe aus anderen gegen Abscherung resistenten Materialien, wie Kunststoffe, Messing, Kupfer oder Legierungen derselben, die beim radialen Zusammenpressen der Schlitzenden eine gewissen Elastizität aufweisen bzw. eine eigene Vorspannung aufbauen. Als günstigste Form der Schlitze in den Dichtelementen haben sich dabei an sich bekannte, von einer Flanke zur anderen Flanke des Dichtrings schräg oder stufenförmig verlaufende Schlitze erwiesen, um auch Druckmittel-Leckagen über diese Schlitze zu vermeiden. Ebenso ist der quadratische oder rechteckige Querschnitt der Dichtelemente nur als bevorzugter Querschnitt anzusehen, der auch in jeder anderen möglichen Form ausgeführt werden kann; die geraden Umfangsflächen quadratischer oder rechteckiger Querschnitte bieten jedoch sowohl die effektivste Dichtfläche zur Bohrungswand der Einsteckbohrung als auch die effektivsten Druckangriffs flächen zur Erzeugung der dynamischen Dichtkraft der Dichtelemente durch das hydraulische Druckmittel.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weisen die Dichtelemente darüber hinaus ein Radial- und ein Axialspiel zur jeweiligen Ringnut auf, in dem diese auch unter Vorspannung mit einem größeren Innendurchmesser als der Nutin nendurchmesser ausgebildet sind und eine geringere Ringdicke als die Nutbreite aufweisen. Dieses Radial- und Axialspiel ist notwendig, um die Dichtelemente mit der genannten dynamischen Dichtkraft auszustatten, da der Druck des hydraulischen Druckmittels somit auch auf den in der Ringnut jedes Ringsteges angeordneten Teil der Flanken der Dichtelemente sowie auf die Innendurch messerfläche der Dichtelemente wirken kann. Dadurch dichten sich die Dicht elemente selbst je nach Druckrichtung gegen eine Radialwand der Ringnut und gegen die Bohrungswand der Einsteckbohrung ab.

Der erfindungsgemäße Dichtsitz für ein hydraulisches Schaltelement weist somit gegenüber dem Stand der Technik den Vorteil auf, daß mit einfachen fertigungs technischen Maßnahmen und geringem zusätzlichen Material eine kostengün stige Abdichtung eines Cartridge-Ventils in einer Einsteckbohrung geschaffen wurde, mit der die bei bekannten Abdichtungen aus dem Radialspiel zwischen den Radialstegen und der Bohrungswand resultierenden Leckagen des hydrauli schen Druckmittels annähernd vollständig vermieden werden. Eine Ausbildung der Druckmittelzuleitungen in der Einsteckbohrung als Stufenbohrungen ist mit dem erfindungsgemäßen Dichtsitz ebenfalls nicht notwendig, da für die Dicht elemente gegen Abscherung resistente Materialien eingesetzt werden können.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Cartridge-Ventils in einer Einsteckbohrung und

Fig. 2 die Einzelheit Z nach Fig. 1.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

In Fig. 1 ist deutlich ein in Einbaulage innerhalb einer Einsteckbohrung 23 angeordnetes, direkt gesteuertes Cartridge-Ventil 1 zu sehen, wie es innerhalb eines Hydrauliksystems für eine Vorrichtung zur Variierung der Ventilsteuerzei ten einer Brennkraftmaschine verwendet wird und der Fachwelt an sich bekannt ist. Dieses Cartridge-Ventil 1 weist ein zylindrisches Gehäuse 2 auf, welches einen in der Zeichnung nicht sichtbaren Aktuator umschließt und an einer Stirnseite 3 mit einem auf einer Stufe 25 innerhalb der Einsteckbohrung 23 aufliegenden Dichtflansch 4 ausgebildet ist, der zusammen mit einer über diesem angeordneten, nicht näher bezeichneten O-Ringdichtung die Einsteck bohrung 23 nach oben hin dichtend verschließt. Durch ein am Gehäuse 2 befestigtes, nicht näher bezeichnetes Stegblech und eine durch das Stegblech hindurchgeführte, ebenfalls nicht näher bezeichnete Gewindeschraube ist in der Zeichnung dabei angedeutet, wie das Cartridge-Ventil 1 in Einbaulage, beispiels weise am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine, befestigt ist.

Weiterhin ist aus Fig. 1 ersichtlich, daß sich an das Gehäuse 2 ein hohlzylin drisches Cartridge 5 mit einem zumeist kleineren Durchmesser als das Gehäuse 2 anschließt, welches ein ebenfalls in der Zeichnung nicht sichtbares axial bewegliches Steuerelement, beispielsweise einen Steuerkolben, umschließt und an seiner Mantelfläche 6 jeweils ringförmige angeordnete, konzentrische Radial öffnungen 7 in Form von tangential in die Mantelfläche 6 elektroerodierten Durchbrüchen aufweist. Darüber hinaus sind an der Mantelfläche 6 des Cart ridges 5 mehrere Ringstege 8, 9,10 angeordnet, welche die Mantelfläche 6 mit den Radialöffnungen 7 in mehrere hydraulisch voneinander getrennte Ring abschnitte 11, 12, 13 unterteilen und in der in Fig. 1 dargestellten Einbaulage des Cartridge-Ventils 1 zusammen mit der Bohrungswand 24 der Einsteckboh rung 23 in dieser mehrere Ringkammern 20, 21, 22 bilden, die jeweils mit radial in die Einsteckbohrung 23 mündenden Druckmittelzuleitungen 26, 27, 28 verbunden sind.

Zur Abdichtung der einzelnen Dichtkammern 20, 21, 22 in der Einsteckbohrung 23 sind die Ringstege 8, 9, 10 an der Mantelfläche 6 des Cartridges 5 nunmehr erfindungsgemäß mit einem kleineren Durchmesser als die Einsteckbohrung 23 ausgebildet und zusätzlich mit radial mittig eingearbeiteten Ringnuten 14, 15, 16 versehen, in welche Dichtelemente 17, 18, 19 aus einem gegen Abscherung resistenten Material eingesetzt werden. Diese Dichtelemente 17, 18, 19 sind dabei derart ausgebildet, daß sie durch eine aus einer eigenen Vorspannung resultierende Radialkraft und/oder durch eine aus Druckdifferenzen des hydrau lischen Druckmittels zwischen den einzelnen Ringkammern 20, 21, 22 resultie rende dynamische Dichtkraft sowohl Leckagen zwischen sich selbst und dem Cartridge 5 als auch Leckagen zwischen sich selbst und der Bohrungswand 24 der Einsteckbohrung 23 abdichten.

In der in den Fig. 1 und 2 beispielhaft dargestellten Ausführungsform sind die Dichtelemente 17, 18, 19 in am besten geeigneter Weise als geschlitzte Stahldichtringe mit einem rechteckigen Querschnitt ausgebildet, deren Außen durchmesser unter Erzeugung der oben genannten Vorspannung mindestens auf den Innendurchmesser der Einsteckbohrung 23 verringerbar ist. Aus Fig. 2 geht dabei deutlich hervor, daß die Dichtelemente sowohl ein Radialspiel als auch ein Axialspiel zur jeweiligen Ringnut 14, 15, 16 aufweisen, in dem diese auch unter Vorspannung mit einem größeren Innendurchmesser als der Nutinnen durchmesser ausgebildet sind und eine geringere Ringdicke als die Nutbreite aufweisen. Dadurch kann zu der aus der Vorspannung resultierenden statischen Dichtkraft der Dichtelemente 16, 17, 18 in Richtung Bohrungswand 24 zusätz lich noch eine in Fig. 2 durch Richtungspfeile angedeutete, aus dem Druck des hydraulischen Druckmittels resultierende dynamische Dichtkraft auf die Dichtelemente 16, 17, 18 in Richtung einer Radialwand der Ringnuten 14, 15, 16 sowie in Richtung der Bohrungswand 24 übertragen werden.

Bezugszeichenliste

1

Cartridge-Ventil

2

Gehäuse

3

Stirnseite

4

Dichtflansch

5

Cartridge

6

Mantelfläche

7

Radialöffnungen

8

Ringsteg

9

Ringsteg

10

Ringsteg

11

Ringabschnitt

12

Ringabschnitt

13

Ringabschnitt

14

Ringnut

15

Ringnut

16

Ringnut

17

Dichtelement

18

Dichtelement

19

Dichtelement

20

Ringkammer

21

Ringkammer

22

Ringkammer

23

Einsteckbohrung

24

Bohrungswand

25

Stufe

26

Druckmittelzuleitung

27

Druckmittelzuleitung

28

Druckmittelzuleitung

Claims

1. Dichtsitz für ein hydraulisches Schaltelement in einem Einbauraum, insbeson dere für ein direktgesteuertes Cartridge-Ventil in einer Einsteckbohrung, welches innerhalb eines Hydrauliksystems einer Vorrichtung zur Variierung der Ventil steuerzeiten einer Brennkraftmaschine angeordnet ist, wobei das Cartridge-Ventil (1) ein einen Aktuator umschließendes, zylindrisches Gehäuse (2) mit einem an einer Stirnseite (3) angeordneten Dichtflansch (4) aufweist, an den sich ein hohlzylindrisches sowie ein axial bewegliches Steuerelement umschließendes Cartridge (5) mit mehreren, jeweils ringförmig angeordneten konzentrischen Radialöffnungen (7) und mehreren an dessen Mantelfläche (6) angeordneten Ringstegen (8, 9, 10) anschließt, welche die Mantelfläche (6) mit den Radialöff nungen (7) in mehrere hydraulisch voneinander getrennte Ringabschnitte (11, 12, 13) unterteilen und in Einbaulage zusammen mit der Bohrungswand (24) der Einsteckbohrung (23) in dieser mehrere Ringkammern (20, 21, 22) bilden, die jeweils mit radial in die Einsteckbohrung (23) mündenden Druckmittel zuleitungen (26, 27, 28) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringstege (8, 9, 10) an der Mantelfläche (6) des Cartridges (5) mit einem kleine ren Durchmesser als die Einsteckbohrung (23) ausgebildet und zusätzlich mit Ringnuten (14, 15, 16) versehen sind, in welche ringförmige Dichtelemente (17, 18, 19) aus einem gegen Abscherung resistenten Material derart einsetzbar sind, daß durch eine aus einer Vorspannung der Dichtelemente (17, 18, 19) resultie rende statische Radialkraft und/oder durch eine aus Druckdifferenzen des hydraulischen Druckmittels zwischen den einzelnen Ringkammern (20, 21, 22) resultierende dynamische Dichtkraft sowohl Leckagen zwischen den Dichtele menten (17, 18, 19) und dem Cartridge (5) als auch Leckagen zwischen den Dichtelementen (17, 18, 19) und der Bohrungswand (24) der Einsteckbohrung (23) abgedichtet sind.

2. Dichtsitz nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Dichtelemente (17, 18, 19) bevorzugt als geschlitzte Stahldichtringe mit quadratischem oder rechteckigem Querschnitt ausgebildet sind, deren Außendurchmesser unter Er zeugung einer Vorspannung mindestens auf den Innendurchmesser der Einsteck bohrung (23) verringerbar ist.

3. Dichtsitz nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicht elemente (17, 18, 19) bevorzugt ein Radial- und ein Axialspiel zur jeweiligen Ringnut (14, 15, 16) aufweisen, indem diese auch unter Vorspannung mit einem größeren Innendurchmesser als der Nutinnendurchmesser ausgebildet sind und eine geringere Ringdicke als die Nutbreite aufweisen.