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Diese
Erfindung bezieht sich auf ein Entlüftungsventil und eine
Verschlussschraube, in die dieses Entlüftungsventil eingebaut
ist, sowie auf eine entsprechende Verwendung zum Entlüften.
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Entlüftungsventile
sind für verschiedene Anwendungen bekannt. Sie dienen zum
Abführen von Gasen ab einem bestimmten Druck, durchaus
auch von anderen Gasen als Luft. Ein beispielhafter und im vorliegenden
Zusammenhang bevorzugter Anwendungsbereich sind Entlüftungsventile
für Getriebe, und zwar insbesondere Elektromotorengetriebe.
In der Regel sind Entlüftungsventile in diesem Bereich in
einer Verschlussschraube ausgebildet.
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Ein
einschlägiges Entlüftungsventil zeigt die
DE 39 32 118 C2 .
Das dort in einer Verschlussschraube ausgebildete Entlüftungsventil
ist zweiteilig aufgebaut, wobei zwischen einem Oberteil und einem
Unterteil durch das Ventil abgedichtet wird. Der Ventilkörper
ist eine von einer Schraubenfeder beaufschlagte Kugel, die gegen
einen konischen Sitz gepresst wird.
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Ein
weiteres einschlägiges Entlüftungsventil und eine
entsprechende Verschlussschraube sind dargestellt in der zum Anmeldetag
der vorliegenden Anmeldung noch nicht veröffentlichten
DE 10 2006 050 723.1 .
Die oben beschriebene Kugel ist dort durch eine separate elastische
Ringdichtung ersetzt.
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Der
vorliegenden Erfindung liegt das technische Problem zugrunde, die
Gebrauchseigenschaften von Entlüftungsventilen, insbesondere
für Verschlussschrauben und insbesondere bei Getriebeanwendungen,
weiter zu verbessern.
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Dieses
Problem wird gelöst durch ein Entlüftungsventil
mit einem federbeaufschlagten Ventilkörper, der entlang
einer Richtung beweglich ist, einer ersten Dichtfläche
an dem Ventilkörper und einer der ersten Dichtfläche
zugeordneten zweiten Dichtfläche an einem Dichtkragen des
Entlüftungsventils zum Schließen des Ventils durch
gegenseitige Anlage der Dichtflächen und Öffnen
des Ventils durch Abheben der Dicht flachen voneinander, wobei die
Feder den Ventilkörper in Richtung einer Anlage der Dichtflächen
beaufschlagt, gekennzeichnet durch eine mechanische Sperre, die
eine Bewegung des Ventilkörpers durch Anschlag des Ventilkörpers
an die Sperre so sperrt, dass das Entlüftungsventil bis
zu einem geringen Außenüberdruck schließt,
und ein Elastomerdichtungselement, das eine der Dichtflächen
aufweist und das durch einen größeren Außenüberdruck so
verformt werden kann, dass die Dichtflächen voneinander
abgehoben werden und das Ventil etwas öffnet, wobei die
Sperre eine weitergehende Bewegung des Ventilkörpers sperrt.
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Ferner
richtet sich die Erfindung auf eine mit dem Ventil ausgestattete
Verschlussschraube und eine Verwendung dieses Entlüftungsventils
oder der Verschlussschraube für ein Getriebe, insbesondere Elektromotorgetriebe.
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Bevorzugte
Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen
angegeben und werden im Folgenden näher erläutert.
Die Erläuterungen in der folgenden Beschreibung beziehen
sich dabei implizit auf beide Anspruchskategorien, ohne dass zwischen diesen
noch im Einzelnen unterschieden wird.
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Der
Erfindung liegt die Beobachtung zugrunde, dass es bei Entlüftungsventilen
in bestimmten Situationen auch wesentlich sein kann, eine gewisse, wenn
auch vielleicht nur geringe, Belüftung zuzulassen, wenn
ein entsprechender äußerer Überdruck entsteht.
Beispielsweise können in Getrieben bei Betriebsunterbrechungen
Unterdrücke entstehen, die bestimmten Bauteilen im Getriebe
nicht zuträglich sind. Etwa können an der Leistungsgrenze
betriebene Elektromotorgetriebe im Betrieb erhöhte Temperaturen
erreichen und bei Betriebsunterbrechungen dementsprechend stark
abkühlen, so dass in dem zuvor entlüfteten Innenvolumen
ein Unterdruck entsteht. Dadurch können beispielsweise
Wellendichtungen einem erhöhten Anpressdruck ausgesetzt sein
und beim Wiederanfahren des Getriebes einem unnötigen Verschleiß unterliegen.
Solche Probleme treten vor allem dann vermehrt auf, wenn aus Kosten-
oder Platzgründen im Verhältnis zu den Anforderungen
relativ kleine Getriebe verbaut werden.
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Wenn
nun in ein Entlüftungsventil eine gewisse zusätzliche
Belüftungsfunktion eingeplant wird, können die
beschriebenen und ähnliche Situationen vermieden werden.
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Erfindungsgemäß ist
dies in einer besonders zuverlässigen und einfachen Weise
der Fall, nämlich indem zunächst durch eine mechanische
Sperre verhindert wird, dass die den Ventilkörper beaufschlagende
Feder diesen beim elastischen Nachgeben der Dichtung grundsätzlich
oder unbegrenzt nachfährt. Vielmehr soll im geschlossenen
Zustand entweder bereits die durch die mechanische Sperre vorgegebene
Position erreicht werden oder jedenfalls eine dieser sehr nah kommende
Position. Damit kann dann ausgenutzt werden, dass ein Elastomerdichtungselement,
das eine der beiden Dichtflächen aufweist, durch einen äußeren Überdruck
ab einem gewissen Schwellenwert so verformt wird, dass sich die Dichtflächen
voneinander zumindest stellenweise abheben und eine Belüftung
zulassen. In Folge der mechanischen Sperre rückt hierbei
der Ventilkörper nicht oder jedenfalls nicht weit genug
nach.
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Das
Elastomerdichtungselement ist dabei so beschaffen, dass nicht eine ähnliche
Verformung bei umgekehrten Druckverhältnissen ein Lecken
unterhalb des Öffnungsdruckes für die Entlüftungsfunktion verursacht.
Vielmehr soll das Dichtungselement bei innerem Überdruck
nur dann ein voneinander Abheben der Dichtflächen bewirken,
wenn der gesamte Ventilkörper gegen die Federkraft ausgelenkt
wird. Damit können die Schwellenwerte für die
Entlüftungsfunktion unabhängig von der beschriebenen Belüftungsfunktion
eingestellt werden.
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Vorzugsweise
ist der Ventilkörper in einem Ventilkanal linear geführt,
in dem auch die beim Entlüften und Belüften transportierten
Gase strömen. Das Elastomerdichtungselement kann ein Teil
des Ventilkörpers sein, der zusammen mit einem Dichtkragen
die Dichtung herstellt. Der Dichtkragen weist in diesem Fall also
die zweite Dichtfläche auf.
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Die
erste Dichtfläche, insbesondere eine an dem Ventilkörper,
liegt vorzugsweise (bei zylindrischen Geometrien radial) außen
und ist im Sinne der Belüftungsfunktion nach innen nachgiebig
gestaltet. Hierzu kann das Elastomerdichtungselement eine Hohlzylinderform
mit einer konischen ersten Dichtfläche aufweisen. Der Öffnungskegel
des Konus kann beispielsweise zwischen 30° und 60° betragen,
vorzugsweise zwischen 35° und 55° und besonders
bevorzugter Weise zwischen 40° und 50°. Hierbei
ist der volle Öffnungswinkel gemeint, also der zwischen den
konischen Mantelflächen eingeschlossene Winkel und nicht
der zur Achse gerechnete.
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Ein
bevorzugtes Material für das Elastomerdichtungselement
ist Fluorkautschuk. Das Material zeigt insbesondere eine sehr gute
Alterungsbeständigkeit, für viele Anwendungen,
insbesondere im Getriebebereich, günstige Materialverträglichkeit
und gut verwendbare elastische Eigenschaften.
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Der
bereits oben erwähnte Dichtkragen kann eine Schulter an
einer Innenmantelfläche des Ventils, insbesondere der Innenmantelfläche
des erwähnten Ventilkanals, sein. Der Kragen muss dabei
nicht im Umfangssinn geschlossen sein. Es genügt, wenn
er einen Teil des Ventilkörpers oder ein damit verbundenes
Teil bei der federbeaufschlagten Bewegung blockiert.
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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 zu verstehen ist. Ergänzend
wird auf die Erläuterungen auch zu den Ausführungsbeispielen
in dem oben zitierten Stand der Technik verwiesen.
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1 zeigt
eine im Schnitt dargestellte Ansicht einer Verschlussschraube mit
Entlüftungsventil.
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2 zeigt
die Verschlussschraube aus 1 in einem
abweichenden Betriebszustand.
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3 zeigt
die Verschlussschraube aus den 1 und 2 in
einem weiteren Betriebszustand.
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Die
in den 1–3 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 mit rechteckigem Querschnitt
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, etwa auf halber axialer Höhe, befindet sich
der Ventilkörper 4, der einen radial schmaleren
oberen zylindrischen Abschnitt 4a, zwei axial darunter
und voneinander axial beabstandete Sechskantabschnitt 4b und 4c,
einen radial noch etwas schmaleren zylindrischen Abschnitt 4d und
einen daran anschließenden radial breiteren und zunächst
zylindrischen und im weiteren Bereich konisch verjüngenden
Abschnitt 4e aufweist. Ein Elastomerdichtungselement 4f ist
durch Aufweiten und Einschnappen hinter dem Abschnitt 4e und
auf dem Abschnitt 4d befestigt. Das Dichtungselement 4f ist grundsätzlich
hohlzylindrisch und weist einen oberen innen radial schmaleren Abschnitt
zur Befestigung auf dem Abschnitt 4d auf. Außen
ist das Dichtungselement 4f im oberen Bereich zylindrisch
und im unteren Bereich konisch gestaltet.
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1 zeigt,
dass der obere Abschnitt 4a in einer Schraubenfeder 11 steckt,
die ihrerseits in einer zentralen Bohrung eines in die Bohrung des
Unterteils 2 hineinreichenden Mittelstifts 12 gesteckt
ist. Das Oberteil 3 ist durch einen Presssitz zwischen dem
untersten und radial nach außen etwas verdickten Abschnitt
des 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 durch die radial äußersten Bereiche der Sechskantabschnitte 4b und 4c in
einem unteren Abschnitt derselben Innenmantelfläche der
Bohrung durch das Unterteil 2 geführt, aber nicht
gehalten. Der Ventilkörper 4 ist damit axial beweglich.
Die radial äußersten Bereiche der Sechskantabschnitte 4b und 4c sind
mit einem geringfügig kleineren Krümmungsradius
als die entsprechenden Abschnitte der In nenmantelfläche
ausgebildet, um eine leichte und klemmfreie Führung zu
gewährleisten.
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1 zeigt
den konischen Außenmantelabschnitt des bereits erwähnten
Elastomerdichtungselements 4f in Anlage mit einer an der
Innenmantelfläche des Ventilkanals, in dem die Abschnitte 4b und 4c geführt
sind, ausgebildeten Schulter 14. Dabei handelt es sich
um einen Dichtkragen 14 mit einer etwa viertelkreisförmig
verrundeten Innenkante. Gleichzeitig liegt in dem Betriebszustand
in 1 der Abschnitt 4d unten an einem weiteren
Kragen 15 als Anschlagschulter 15 an. Der Abschnitt 4c und
die Anschlagschulter 15 bilden also eine mechanische Sperre,
die ein weiteres Nachuntendrücken des Ventilkörpers 4 durch
die Kraft der Feder 11 verhindern.
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Wenn
der innere Druck, also der Druck unterhalb des Ventilkörpers 4, über
eine bestimmte Schwelle von etwa 0,15 bar Überdruck steigt,
kann die durch den Überdruck an der dem Innendurchmesser
an der Schulter 14 entsprechenden Fläche erzeugte
Kraft den Ventilkörper 4 gegen die Kraft der Feder 11 nach
oben verschieben, wie 2 zeigt. Damit wird ein kreisringförmiger
Durchtritt zwischen der Schulter 14 und der konischen Außenmantelfläche
des Dichtungselements 4f frei.
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Dieser
Durchtritt kommuniziert mit segmentförmigen Öffnungen
zwischen den Sechskantflächen des Abschnitts
4b des
Ventilkörpers
4 und der kreiszylindrischen Innenmantelfläche
in diesem Bereich sowie mit zwei in der Figur nicht erkennbaren
und unter 180 Grad zueinander an dem Außenumfang des Mittelstifts
12 vorgesehenen
Abflachungen. Weiterhin sind an der dem Unterteil
2 zugewandten
horizontalen Kreisringfläche an der Kappe des Oberteils
3 Entlüftungsschlitze
angebracht und weist der Flansch
10 ebenfalls radial nach
außen zwei unter 180 Grad zueinander liegende Abflachungen
auf, sodass durch das Anheben des Ventilkörpers
4 insgesamt
ein Durchtritt durch das Entlüftungsventil
1 geschaffen
wird. Alternative Möglichkeiten zur Ausbildung von Entlüftungswegen
in einem solchen Entlüftungsventil zeigt der Stand der
Technik
DE 39 32 118 C2 .
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Lässt
der Überdruck nach, drückt die Kraft der Feder 11 den
Ventilkörper 4 und damit das Dichtungselement 4f nach
unten und bringt dieses in einen dichtenden Klemmsitz in dem Dichtkragen 14. Damit
sind wieder die beiden Dichtflächen in Anlage an einander,
wie 1 zeigt, und zwar die erste Dichtfläche
als konische Außenmantelfläche des Dichtungselements 4f und
die zweite Dichtfläche als verrundete Kante der Schulter 14.
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Die
dargestellte Verschlussschraube 1 mit dem Entlüftungsventil
kann in ein für das Außengewinde 5 passendes
Innengewinde einer Öffnung in einem Elektromotorgetriebegehäuse
eingeschraubt werden, wozu infolge der radial relativ kleinen Abmessungen
der Kappe 3 auch ein auf den Außensechskant 7 aufgesetzter
Steckschlüssel in Betracht kommt. Beim Einschrauben und
Anziehen wird über die Ringdichtung 6 und eine
entsprechende Gegendichtfläche an dem Getriebegehäuse
eine Abdichtung hergestellt. Die Ringdichtung 6 kann während dieses
Vorgangs wegen ihres im Verhältnis zu dem Außengewinde 5 kleineren
Innenradius nicht verloren gehen, ist aber dennoch durch Aufdehnen
austauschbar.
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Wenn
das Getriebe längere Zeit oder bei größerer
Belastung verwendet worden ist, sind die Innentemperaturen deutlich
erhöht. Dies gilt insbesondere für moderne kleine
Getriebe. Wenn nun eine Betriebsunterbrechung auftritt, nun also
das Ventil wieder wie in 1 dargestellt schließt,
kann sich beim nachfolgenden Abkühlen ein deutlicher Innenunterdruck,
also Außenüberdruck, ergeben, und zwar durchaus
bis in den Bereich von 0,5–0,6 bar. Dies kann anderen Getriebeteilen
abträglich sein, beispielsweise Wellendichtungen unter
einen zu hohen Anpressdruck setzen, so dass diese beim Wiederanlaufen
des Getriebes einem unnötig hohen Verschleiß ausgesetzt
sind. Die Erfindung verhindert dies, indem der untere Abschnitt
des Elastomerdichtungselements 4f wie in 3 gezeigt
durch den außen an dem anliegenden äußeren Überdruck
etwas radial nach innen gedrückt wird. Da keine großen Gasvolumina
transportiert werden müssen und der Abkühlvorgang
nicht sehr schnell verläuft, reicht hier bereits ein relativ
kleiner Ringspalt aus. Er liegt wieder zwischen den bereits erwähnten
beiden Dichtflächen, also der konischen Außenfläche
des Dichtungselements 4f und der Schulter 14.
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Dieses
radiale Nachgeben ist von der Kraft der Feder 11 völlig
unabhängig, weil diese den Ventilkörper 4 nicht
weiter nach unten drücken kann, und zwar in Folge der Sperrwirkung
durch die Anlage zwischen dem Abschnitt 4c und der Schulter 15.
Diese Anlage müsste übrigens in dem normalen Schließzustand
aus 1 nicht not wendigerweise bereits vorhanden sein.
Wenn in 1 noch ein geringer Abstand
zwischen diesen beiden Elementen bestünde, könnte
die radiale elastische Bewegung des Dichtungselements 4f gemäß 3 immer
noch so groß sein, dass ein leichtes Nachrücken
des Ventilkörpers 4 den entstehenden Ringspalt
nicht schließt.
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Wenn
der Außenüberdruck unter einen Wert von etwa 0,15
bar absinkt, verschwindet der Ringspalt und kommen die Dichtflächen
wieder in Anlage miteinander, so das der geschlossene Zustand aus 1 wieder
hergestellt ist. Bei einem inneren Überdruck erfolgt keine
elastische Bewegung des Dichtungselements nach radial innen, weil
durch die hohle Ausführung desselben eher eine radial Beaufschlagung
nach außen entsteht. Stattdessen gibt ab dem gewünschten
Schwellenwert die Feder 11 nach, wie 2 zeigt.
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Als
günstig hat sich herausgestellt, wenn der Winkel zwischen
der gezeichneten Schnittlinie durch die erste Dichtfläche
und der Zylinderachse des Ventils relativ spitz ist bzw. wenn anders
ausgedrückt der Öffnungswinkel zu der konischen
Außenfläche des Dichtungselements bei etwa 40°–45° liegt.
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Bevorzugt
ist ferner, dass die elastische Bewegung des Dichtungselements bei
der Belüftungsfunktion im Wesentlichen senkrecht zur Achse
bzw. Bewegungsrichtung des Ventilkörpers liegt.
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Die
Erfindung kann damit die Gebrauchseigenschaften von Entlüftungsventilen
für solche Anwendungen deutlich verbessern, in denen Außenüberdrücke über
bestimmten Werten schädlich sind und damit eine, wenn auch
nur eingeschränkte, Belüftungsfunktion gewünscht
wird. Insbesondere können damit Getriebeverschleißprobleme
bei starken Temperaturwechseln vermieden werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - DE 3932118
C2 [0003, 0027]
- - DE 102006050723 [0004]