DE19938884B4

DE19938884B4 - Wegeventil und Verfahren zur Optimierung von dessen Regelbarkeit und Bauaufwand

Info

Publication number: DE19938884B4
Application number: DE19938884A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1999-08-17
Filing date: 1999-08-17
Publication date: 2009-10-01
Anticipated expiration: 2019-08-18
Also published as: DE19938884A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Wegeventil mit einem Ventilgehäuse (1), in dem ein Ventilschieber (2) dichtend geführt ist, der mittels eines Proporzionalmagneten (3) gegen eine Druckfeder (7) axial verschiebbar ist. Die in üblichen Wegeventilen auftretenden Strömungskräfte erfordern entsprechend starke Proporzionalmagnete (3). Durch die erfindungsgemäße Geometrie von Ringnuten (12, 12') werden die Ölströme so geführt, dass die Strömungskräfte des Ventilschiebers (2) zwischen dessen Mittenlage und dessen stromloser Endlage überkompensiert und zwischen dessen Mittenlage und dessen voll bestromter Endlage zumindest teilkompensiert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Wegeventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
In der DE 25 39 483 C2 ist ein Wegeventil dargestellt, mit einem in einem Ventilgehäuse dichtend geführten, drehsymmetrischen Ventilschieber, der mittels eines Proporzionalmagneten gegen eine Druckfeder axial verschiebbar ist und der einen mittleren Steuerkolben und zwei Endsteuerkolben sowie Ringnuten zwischen diesen aufweist, wobei ein Druckanschluss P, zwei Kammeranschlüsse A, B und zwei Tankanschlüsse T des Ventilgehäuses von den Steuerkolben beherrscht sind.
Bei derartigen Wegeventilen treten am Ventilschieber insbesondere in dessen Endlagen (d. h., wenn der Proporzionalmagnet entweder stromlos oder voll bestromt ist) Strömungskräfte auf, die zur Mittellage des Ventilschiebers gerichtet sind. Das hat zur Folge, dass sich das Wegeventil mit dem in Richtung Endlagen steigenden Volumenströmen zunehmend von selbst drosselt und dadurch seine Regelbarkeit beeinflusst. Um das zu verhindern, muss die Druckfeder so stark gewählt werden, dass sie bei stromlosem Proporzionalmagneten den Steuerschieber allein in dieser Endlage hält. In der anderen Endlage muss der voll bestromte Proporzionalmagnet in der Lage sein, dieser Strömungskraft stand zu halten. Außerdem muss er die starke Druckfeder über den Ventilschieberhub zusammen drücken. Da der Proporzionalmagnet über 90% der Betriebszeit geregelt, d. h. bestromt ist, führt eine dauernde aber nur kurzzeitig erlaubte Überlastung eines zu kleinen Magneten zu dessen Durchbrennen. Deshalb ist ein starker Magnet erforderlich, der voluminös, schwer und teuer ist.
In der DE 23 59 022 C3 ist ein Wegeventil beschrieben, bei dem die Strömungskräfte durch flache, konische Übergänge zwischen den Steuerkolben und den zylindrischen Abschnitten der Ringnuten minimiert werden sollen, wobei die konischen Übergänge zusätzlich ein Gewinde tragen, das die Strömung turbulent machen soll. Hoher Strömungswiderstand und erheblicher Bauaufwand sind die Nachteile dieser Lösung.
Aus der US 4,220,178 A ist ein Wegeventil bekannt, bei dem das Druckmittel durch konische Abschnitte an dem Steuerkolben geleitet wird.
Die EP 0 200 182 beschreibt ein Wegeventil, bei dem die Steuerkanten der Steuerkolben sinusförmig ausgebildet sind. Dadurch wird zwar ein fein dosierbarer Beginn der Öldrucksteuerung bewirkt, jedoch bleiben gerade die bei vollem Hub großen Strömungskräfte des Steuerkolbens unbeeinflusst.
Dasselbe gilt für die EP 0 301 726 B1 , bei der die Steuerkanten der Steuerkolben kreisbogenförmige Aussparungen mit anschließenden konischen Schrägen aufweisen.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, ein Wegeventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 zu schaffen, das gute Regelbarkeit und geringen Bauaufwand aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1.
Darüberhinaus wird vorgeschlagen, dass in dem Ventilgehäuse in Höhe der einzelnen Ölanschlüsse je eine äußere Ringnut und eine innere Ringnut angeordnet sind, die durch mindestens zwei gleichmäßig verteilte Bohrungen verbunden sind.
Grundlage der Lösung ist eine Gleichung 1 mit der sich die beim Ein- und Ausströmen des Öls auf den Ventilschieber wirkenden Kräfte mit Hilfe des Impulssatzes berechnen lassen.
Dabei bedeuten:

F: = Strömungskraft auf den Ventilschieber,
ζ: = Dichte des Drucköls,
Q: = Volumenstrom,
v: = Ein- bzw. Ausströmgeschwindigkeit,
A: = Querschnittsflächen beim Ein- bzw. Ausströmen,
α: = Ein- bzw. Ausströmwinkel.

Die Kraft eines Ölstroms auf den Ventilschieber wird folgendermaßen berechnet: F = ϛ × Q × [νAus × cos(αAus) – νEin × cos(αEin)] (3)mit ν = Q / A gilt: F = ϛ × Q2 × [cos(αAus) ÷ AAus – cos(αEin) ÷ AEin] (4)
Aus den Gleichungen (1) bis (4) ist ersichtlich, dass die Strömungskraft F stark vom Volumenstrom Q abhängt, dass aber auch die Ein- und Ausströmgeschwindigkeit v_Ein, v_Aus, die Ein- und Ausströmwinkel α_Ein, α_Aus und die Ein- und Ausströmquerschnittsflächen A_Ein, A_Aus Einfluss haben.
Um die Strömungskraft F klein zu halten, muss der folgende Ausdruck minimiert werden: cos(αAus) ÷ AAus – cosαEin ÷ AEin
Da die Querschnittsflächen A_Aus und A_Ein durch die Lage der Steuerkanten des Ventilgehäuses und der Steuerkolben sowie durch den jeweiligen Ventilschieberhub weitgehend vorgegeben sind, verbleiben die Ein- und Ausströmwinkel α_Ein, α_Aus die einzigen Parameter zur Beeinflussung der Strömungskraft F.
Strömungsgünstige Gestaltung des Ventilschiebers bedeutet, dass sich eine laminare Strömung ausbildet, die sich entlang der Kontur des Ventilschiebers bewegt. Dadurch ist es möglich, dass Ölströme zwischen den Ölanschlüssen (P, A, B, T) durch die Kontur eines strömungsgünstig gestalteten Ventilschiebers geführt werden. Durch das Anlegen der Strömung an die Kontur der Ringnuten folgt sie deren Ein- und Ausströmwinkeln. Dadurch besteht die Möglichkeit, dass durch entsprechende Auswahl der Ein- und Ausströmwinkel (α₁, α₂, α₃, α₄) die Strömungskräfte von der Mittellage bis zur stromlosen Endlage des Ventilschiebers überkompensiert und von der Mittellage bis zur voll bestromten Endlage desselben zumindest teilkompensiert werden. Durch die Überkompensation der Strömungskräfte zwischen der Mittellage und der stromlosen Endlage des Steuerschiebers kann dieser allein durch die Strömungskräfte gegen den Anschlag des Proporzionalmagneten gedrückt werden. Die Druckfeder braucht dazu, wenn überhaupt, nur einen kleinen Beitrag zu leisten und kann entsprechend schwach ausgelegt werden. Das wiederum wirkt sich auf die Auslegung des Proporzionalmagneten aus, der auf dem Hubweg zum voll bestromten Endanschlag eine nur geringe Federkraft zu überwinden braucht. Das gilt umso mehr, als der Proporzionalmagnet eine bis zur Mittellage abnehmende Gegenkraft durch die überkompensierte Strömungskraft zu überwinden braucht.
Bei dem Hubweg von der Mittellage zur voll bestromten Endlage ist eine teilkompensierte Strömungskraft gegenüber einer voll kompensierten vorteilhaft, weil diese die schwach ausgelegte Druckfeder bei der Rückführung des Ventilschiebers in dessen Mittellage unterstützt.
Durch die erfindungsgemäße Auslegung der Strömungskraft lässt sich der Ventilschieber besser regeln. Zudem verringert sich der Bauaufwand für den Proporzionalmagneten.
Die in Höhe der Kammeranschlüsse A bzw. B in den Ringnuten angeordneten ringförmigen Erhebungen dienen zur Strömungsführung der Ölströme von Druckanschluss P nach Kammeranschluss A oder B und der Ölströme von den Kammeranschlüssen A oder B zum Tankanschluss T. Die zwischen den Schrägen liegenden zylindrischen Bereiche dienen einer sanften, laminaren Umlenkung der Ölströme, während die Neigungswinkel der Schrägen die Ein- und Ausströmwinkel der Ölströme bestimmen.
Eine in beiden Strömungsrichtungen strömungsgünstige Form der ringförmigen Erhebungen wird dadurch erreicht, dass die ringförmigen Erhebungen einen dreieckigen Ringquerschnitt mit ersten und zweiten Schrägen aufweisen, die unter dem Einströmwinkel und dem Ausströmwinkel und mit einer gemeinsamen Kante angeordnet sind. Von Vorteil ist auch, dass in dem Ventilgehäuse in Höhe der einzelnen Ölanschlüsse (P, A, B, T) je eine äußere Ringnut und eine innere Ringnut angeordnet sind, die durch mindestens zwei gleichmäßig verteilte Bohrungen verbunden sind. Durch die äußeren und inneren Ringnuten und die gleichmäßig verteilten Bohrungen wird eine möglichst gleichmäßige Rundumbeaufschlagung der einzelnen Schrägen angestrebt, die einer laminaren An- und Abströmung dienlich ist. Die dazu förderliche größtmögliche Zahl der Bohrungen wird durch die erforderliche Festigkeit des Ventilgehäuses begrenzt.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:
1 ein Wegeventil im Längsschnitt mit Proporzionalmagnet;
2 das Wegeventil im Längsschnitt in vergrößerter Darstellung;
3 einen Steuerschieber;
4 ein Detail des Wegeventils mit dem Strömungsverlauf in einer Ringnut;
5 ein Diagramm der auf den Steuerschieber wirkenden Strömungskräfte über dessen Hub dargestellt.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Wegeventil mit einem Ventilgehäuse 1, einem Ventilschieber 2 und einem Proporzionalmagneten 3 dargestellt. Das Ventilgehäuse 1 ist mit dem Proporzionalmagneten 3 unlösbar verbunden. Es besitzt vier Ölanschlüsse. P ist der Druckanschluss von der Druckölquelle, A und B sind Kammeranschlüsse der Hydraulikkammern A und B und T sind Tankanschlüsse. Am freien Ende des Ventilschiebers 2 befindet sich eine durch einen Zapfen 9 geführte kegelige Druckfeder 7, die sich auf einem am freien Ende des Ventilgehäuses 1 angeordneten Sicherungs- oder Einstellring 8 abstützt. Sie drückt in 1 den Ventilschieber 2 mit dem stromlosen Proporzionalmagneten 3 gegen einen nicht dargestellten Anschlag in dessen stromloser Endlage. Um Hublänge des Ventilschiebers 2 von dieser entfernt befindet sich die voll bestromte Endlage des Proporzionalmagneten 3 bzw. des Ventilschiebers 2.
In 2 sind an dem Ventilgehäuse 1 jeweils in Höhe der Ölanschlüsse P, A, B, T äußere Ringnuten 4 und innere Ringnuten 5 dargestellt, die durch gleichmäßig verteilte Bohrungen 6 verbunden sind.
Im Ventilgehäuse 1 ist der Ventilschieber 2 dichtend geführt. Er wird von dem Proporzionalmagneten 3 gegen die Kraft der Druckfeder 7 zwischen der unbestromten und der voll bestromten Endlage regelnd bewegt. Der Ventilschieber 2 weist einen mittleren Steuerkolben 10 und zwei Endsteuerkolben 11, 11'' auf. Zwischen diesen sind Ringnuten 12, 12' angeordnet, die durch ringförmige Erhebungen 13, 13'' in erste Abschnitte 14, 14' und zweite Abschnitte 15, 15' unterteilt sind. Die ringförmigen Erhebungen 13, 13' befinden sich bei Null-Lage des Ventilschiebers 2 in Höhe der Kammeranschlüsse A bzw. B.
3 zeigt den Ventilschieber 2 in vergrößerter Darstellung. Die ringförmigen Erhebungen 13, 13' besitzen einen dreieckförmigen Ringquerschnitt mit einer kreisförmigen Kante 16, 16', von der eine erste Schräge 17, 17' unter einem ersten Anströmwinkel α₁ und eine zweite Schräge 18, 18' unter einem zweiten Einströmwinkel α₃ ausgehen, die in erste und zweite zylindrische Bereiche 14, 14', 15, 15' auslaufen. Eine dritte Schräge 19, 19' geht unter einem ersten Einströmwinkel α₂ von dem mittleren Steuerkolben 10 und eine vierte Schräge 20, 20' unter dem zweiten Austrittswinkel α₄ von den Endsteuerkolben 11, 11' aus. Auch die dritte und vierte Schräge 19, 19', 20, 20' laufen in die ersten und zweiten zylindrischen Bereiche 14, 14', 15, 15' aus.
In 4 ist der erfindungsgemäße Verlauf der Strömung zwischen den Ölanschlüssen P und A bzw. B schematisch dargestellt. Der laminare Verlauf der Strömung und ihr Anliegen an der dritten Schräge 19 am ersten zylindrischen Bereich 14 und an der ersten Schräge 17 des Ventilschiebers 2 sind erkennbar. Durch die Umlenkung der Strömung gemäß den Neigungswinkeln der Schrägen werden die Strömungskräfte auf den Ventilschieber 2 nach Richtung und Größe bestimmt. Die zur gewünschten Umlenkung der Strömung erforderlichen Parameter sind in Anspruch 7 mit ihren Auslegungsbereichen aufgelistet.
Das erfindungsgemäße Wegeventil funktioniert folgendermaßen:
Der Proporzionalmagnet 3 verschiebt den Ventilschieber 2 im Ventilgehäuse 1 zwischen der stromlosen und der voll bestromten Endlage z. B. in Abhängigkeit von Last und Drehzahl eines Verbrennungsmotors. In 2 ist das Wegeventil der stromlosen Endlage dargestellt. Dabei gelangt Drucköl vom Druckanschluss P über dessen äußere Ringnut 4, dessen Bohrungen 6 und dessen innere Ringnut 5 dem Pfeil a folgend entlang einer Steuerkante des mittleren Steuerkolbens 10 und der anderen dritten Schräge 19' sowie dem anderen, ersten zylindrischen Bereich 14' und der anderen, ersten Schräge 17' dem Pfeil b folgend durch die entsprechenden Ringnuten 5, 4 und durch entsprechende Bohrungen 6 zum Kammeranschluss B. Gleichzeitig strömt Öl vom Kammeranschluss A dem Pfeil c folgend entlang der zweiten Schräge 18, dem zweiten zylindrischen Bereich 15 und entlang der vierten Schräge 20 dem Pfeil d folgend zum Tankanschluss T. Bei voll bestromter Endlage verläuft die Strömung analog von P nach A und von B nach T.
Die Summe der durch die Umlenkung der Strömung im Ventilschieber 2 verursachten Strömungskräfte ist in 5 über dem Gesamthub des Ventilschiebers 2 aufgetragen. Je nach Auslegung der im letzten Anspruch aufgelisteten Parameter kann die im Stand der Technik unkompensierte Strömungskraft entweder teilkompensiert oder überkompensiert oder neutralisiert werden. Zum Erreichen eines kleinen, kostengünstigen Proporzionalmagneten 3 wird erfindungsgemäß die Strömungskraft von der Hubmittellage zur unbestromten Endlage überkompensiert und von der Hubmittellage bis zur voll bestromten Endlage teilkompensiert. Dadurch kann die Kraft der Druckfeder 7 in der unbestromten Endlage stark reduziert werden, da der Ventilschieber 2 allein schon durch die überkompensierte Strömungskraft gegen den Anschlag des Proporzionalmagneten 3 gedrückt wird. Auf Grund der geringen Federkraft der Druckfeder 7 kann diese mit geringem Kraftaufwand des Proporzionalmagneten 3 zum voll bestromten Endanschlag überdruckt werden. Da die zusätzliche Strömungskraft durch deren Teilkompensation gering ist und durch Neutralisation sogar ausgeschaltet werden könnte, reicht ein kleiner, kostengünstiger Proporzionalmagnet zur Funktionserfüllung aus. Das erfindungsgemäße Wegeventil zeichnet sich auf Grund der geringen Strömungskräfte auch durch gute Regelbarkeit aus.
Über die beschriebene Ausführung des Wegeventils hinaus, ist es denkbar, dass nur zwischen dem Druckanschluss P und den beiden Kammeranschlüssen A und B oder nur zwischen den Kammeranschlüssen A und B und den Tankanschlüssen T eine ringförmige Erhebung vorgesehen ist. Weiterhin ist es möglich, dass nur zwischen P und B oder zwischen P und A bzw. A und T oder B und T eine ringförmige Erhebung angebracht wird. Es können auch hohl gebohrte Schieber oder andere denkbare Ventilschieber, wie beispielsweise Ventilschieber der 5-Kammer-Bauart, mit ringförmigen Erhebungen versehen werden.

1: Ventilgehäuse
2: Ventilschieber
3: Proporzionalmagnet
4: äußere Ringnut
5: innere Ringnut
6: Bohrung
7: Druckfeder
8: Sicherungs- oder Einstellring
9: Zapfen
10: mittlerer Steuerkolben
11: Endsteuerkolben
11': anderer Endsteuerkolben
12: Ringnut
12': andere Ringnut
13: ringförmige Erhebung
13': andere ringförmige Erhebung
14: erster Abschnitt
14': anderer erster Abschnitt
15: zweiter Abschnitt
15': anderer zweiter Abschnitt
16: kreisförmige Kante
16': andere kreisförmige Kante
17: erste Schräge
17': andere erste Schräge
18: zweite Schräge
18': andere zweite Schräge
19: dritte Schräge
19': andere dritte Schräge
20: vierte Schräge
20': andere vierte Schräge
21: erster zylindrischer Bereich
21': anderer erster zylindrischer Bereich
22: zweiter zylindrischer Bereich
22': anderer zweiter zylindrischer Bereich
P: Druckanschluss
A: Kammeranschluss der Hydraulikkammer A
B: Kammeranschluss der Hydraulikkammer B
T: Tankanschluss
a: Einströmrichtung von P nach B
b: Ausströmrichtung von P nach B
c: Einströmrichtung von A nach T
d: Ausströmrichtung von A nach T
α₁: Neigungswinkel der ersten und der anderen ersten Schräge 17, 17'
α₂: Neigungswinkel der dritten und der anderen dritten Schräge 19, 19'
α₃: Neigungswinkel der zweiten und der anderen zweiten Schräge 18, 18'
α₄: Neigungswinkel der vierten und der anderen vierten Schräge 20, 20'
d: Durchmesser der Steuerkolben 10, 11, 11'
d₁: Durchmesser des Ansatzes der vierten und der anderen vierten Schräge 20, 20'
d₂: Durchmesser des zweiten und des anderen zweiten zylindrischen Bereichs 22, 22'
d₃: Durchmesser der Kante 16 und der anderen Kante 16'
d₄: Durchmesser des ersten und des anderen ersten zylindrischen Bereichs 21, 21'
d₅: Durchmesser des Ansatzes der dritten und der anderen dritten Schräge 19, 19'
R₁, R₂, R₃, R₄: Radien der in die zylindrischen Bereiche 21, 21', 22, 22' auslaufenden Schrägen 17, 17', 18, 18', 19, 19', 20, 20'
I: Abstand der benachbarten Steuerkanten der Steuerkolben 10, 11, 11'
I₁: Abstand zwischen den Steuerkanten des mittleren Steuerkolbens 10 und den Kanten 16, 16' der jeweils benachbarten ringförmigen Erhebungen 13, 13'

Claims

Wegeventil, mit in einem Ventilgehäuse dichtend geführten, drehsymmetrischen Ventilschieber, der mittels eines Proportionalmagneten gegen eine Druckfeder axial verschiebbar ist und der einen mittleren Steuerkolben und zwei Endsteuerkolben sowie Ringnuten zwischen diesen aufweist, wobei ein Druckanschluss (P), zwei Kammeranschlüsse (A, B) und zwei Tankanschlüsse (T) des Ventilgehäuses von den Steuerkolben beherrscht sind, wobei mindestens eine der beiden Ringnuten (12, 12') in Höhe der Kammeranschlüsse (A bzw. B) eine ringförmige Erhebung (13, 13') aufweist, die die Ringnut (12, 12') in zwei Abschnitte (14, 14', 15, 15') teilt, dadurch gekennzeichnet, dass jeder Abschnitt zwei Schrägen (17, 17', 18, 18', 19, 19', 20, 20') und einen dazwischen liegenden zylindrischen Bereich (21, 21', 22, 22') aufweist, wobei die Schrägen (17, 17', 18, 18', 19, 19', 20, 20') unter Einström- bzw. Ausströmwinkeln (α₁, α₂, α₃, α₄) relativ zu dem zylindrischen Bereichen (21, 21', 22, 22') verlaufen, wobei die ringförmige Erhebung (13, 13') einen in einem Längsschnitt durch den Ventilschieber (2) dreieckigen Ringquerschnitt aufweist und wobei sich von einer gemeinsamen Kante (16, 16') die ersten und zweiten Schrägen (17, 17', 18, 18') weg erstrecken.
Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Ventilgehäuse (1) in Höhe der einzelnen Ölanschlüsse (P, A, B, T) je eine äußere Ringnut (4) und eine innere Ringnut (5) angeordnet sind, die durch mindes tens zwei gleichmäßig verteilte Bohrungen (6) verbunden sind.