EP4172520A1 - Ventil und verfahren zur steuerung eines strömungsmittels mit dem ventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Ventil (1) zumindest aufweisend ein Ventilgehäuse (2) und einen Kolben (3), wobei der Kolben (3) aus einem ersten Schaltmodus des Ventils (1) in einen zweiten Schaltmodus des Ventils (1) und aus dem zweiten Schaltmodus in einen dritten Schaltmodus des Ventils (1) verschiebbar in dem Ventilgehäuse (2) und ein Verfahren zur Steuerung eines Strömungsmittels mit dem Ventil (1).

Description

Bezeichnung der Erfindung

Ventil und Verfahren zur Steuerung eines Strömungsmittels mit dem Ventil

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Ventil zumindest aufweisend ein Ventilgehäuse und einen Kolben und ein Verfahren zur Steuerung eines Strömungsmittels mit dem Ventil.

Hintergrund der Erfindung in DE 102019 108694 A1 ist ein Ventil der Gattung beschrieben. Das Ventil weist ein Gehäuse mit einer stirnseitigen Öffnung und einer radial von der Ventilachse entfernten Öffnung (Queröffnung) auf. Der Kolben ist zweistufig ausgeführt und an der Innenwandung des Ventilgehäuses axial beweglich geführt. Eine Kolbenstufe ist im Durchmesser kleiner als die andere. Zwischen den Kolbenstufen ist ein zur Ventilachse nahezu konisch ausgeführter Verbindungabschnitt des Kolbens ausgebildet, mit dem die Differenz der Durchmesser überbrückt wird. Zwischen dem Kolbenboden und einem Stützelement ist eine Druckfeder axial eingespannt. Das Stützelement sitzt an dem Ventilgehäuse fest. Das Ventil arbeitet in zwei Schaltmodi. Der Kolben weist stirnseitig am Kolbenboden eine Kolbenfläche auf, welche in einem ersten Schaltmodus des Ventils den Öffnungsquerschnitt der stirnseitigen Öffnung in dem Ventilgehäuse von innen radial überdeckt. Außerdem liegt eine ringförmige weitere Kolbenfläche, welche in der Funktion einer Schließkante gleichkommt, in dem ersten Schaltmodus dichtend an einem Dichtsitz des Ventilgehäuses an. Folgerichtig ist in dem ersten Schaltmodus die stirnseitige Öffnung des Ventils durch den Kolben verschlossen. Zwischen dem Verbindungabschnitt des Kolbens und einem stirnseitigen Abschnitt des Ventilgehäuses und einem hohlzylindrischen Abschnitt des Ventilgehäuses ist in dem ersten Schaltmodus ein Ringraum ausgebildet. Dieser Ringraum ist vom Kolbenhub abhängig in seiner axialen Ausdehnung veränderbar und weist als Eingang die stirnseitige Öffnung und als Ausgang die Queröffnung auf. In einem zweite Schaltmodus werden durch ein mit Druck auf die Kolbenfläche wirkendes Strömungsmittel axiale Kräfte an dem Kolben ausgeübt, durch welche die Federkräfte der Druckfeder überwunden werden und ein Kolbenhub erzeugt wird. Der Kolben hebt dabei von der stirnseitigen Öffnung bzw. von dem Ventilsitz ab. Das Strömungsmittel strömt von der stirnseitigen Öffnung hin zur Queröffnung durch einen Strömungskanal, der durch den Ringraum gebildet ist. Beschreibung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil mit einer verbesserten Ventilcharakteristik zu schaffen.

Das erfindungsgemäße Ventil weist zumindest ein Ventilgehäuse und einen Kolben auf. Der Kolben ist axial längs entlang einer Ventilachse beweglich in dem Ventilgehäuse geführt.

Die zu einander entgegengesetzten axialen Richtungen sind dementsprechend als die Längsrichtungen definiert, in welche der Kolben beweglich in dem Ventilgehäuse geführt ist. Radial ist bzw. die radialen Richtungen sind damit quer zur Ventilachse ausgerichtet.

Generell ist das Ventil Bestandteil einer Vorrichtung, mit welcher Druck, Strömungsgeschwindigkeit und Strömungsrichtung von Strömungsmitteln gesteuert werden und welche folgenden Grundaufbau aufweist:

Das Ventil sitzt in einem Gehäuse. Das Gehäuse ist beispielsweise das Gehäuse eines Fahrzeuggetriebes alternativ ein Maschinenteil des Fahrzeuggetriebes, wie zum Beispiel eine Welle oder eine Nabe. Zu einer stirnseitigen Öffnung in dem Ventilgehäuse führt ein Strömungskanal. Alternativ mündet die stirnseitige Öffnung in eine Kammer. Wenigstens eine Queröffnung ist in dem Ventilgehäuse ausgebildet. Die Queröffnung mündet ebenfalls in ein Strömungskanal oder in eine Kammer.

Das Ventil weist folgende Merkmale auf:

Der Kolben ist ein napfartig ausgebildetes hohlzylindrisches Bauteil und weist zwei Stufen auf, welche durch sich voneinander unterscheidende Durchmesser definiert sind. Die erste Stufe ist im Durchmesser kleiner als die zweite Stufe. Der Kolben ist vorzugsweise aus Blech geformt aber alternativ auch massiv gepresst oder aus Gussmaterial gebildet. Er ist über einen außenzylindrischen Bereich einer Mantelfläche der zweiten Stufe innen an der innenzylindrischen Mantelfläche des Ventilgehäuses axial beweglich geführt. Die Mantelfläche kann dabei die gesamte zweite Kolbenstufe überdecken aber alternativ auch nur ein außenzylindrischer Abschnitt der zweiten Kolbenstufe sein.

An der ersten Kolbenstufe ist stirnseitig am Kolbenboden eine erste Kolbenfläche ausgebildet.

Gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung schließt sich der ersten Kolbenfläche radial außen eine zweite Kolbenfläche an. Auf die zweite Kolbenfläche folgt axial eine außenzylindrische erste Mantelfläche der ersten Kolbenstufe. Eine dritte Kolbenfläche ist gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung radial zwischen der Mantelfläche der ersten Kolbenstufe und einer Steuerkante des Kolbens ausgebildet. Der Vorteil dieser Ausgestaltungen liegt darin, dass die gesamte unter Druck wirksame Fläche des Kolbens durch die zusätzliche zweite und dritte Kolbenfläche vergrößert ist und das Ansprechverhalten bei gleichem Druck des Strömungsmittels aufgrund vergrößerter Kolbenkräfte verbessert ist. Die Geometrie der zweiten Kolbenfläche kann alternativ auch nur einer Kante entsprechen.

Die Steuerkante des Kolbens schließt radial außen die dritte Kolbenfläche ab und ist eine Körperkante, die dichtend an der Innenmantelfläche des Ventilgehäuses entlang gleitbeweglich geführt ist. Eine außenzylindrische zweite Mantelfläche der zweiten Kolbenstufe schließt sich axial an die Steuerkante an.

Der Ventilsitz ist entweder separat zu dem Ventilgehäuse ausgebildet und an dem Ventilgehäuse abgestützt bzw. befestigt oder ist direkt an dem Material des Ventilgehäuses ausgebildet. Das Ventilgehäuse ist vorzugsweise ein Umformteil aus Stahlblech.

Das Ventilgehäuse ist generell ein hohlzylindrisches Bauteil, dessen Hohlzylinder an einem Ende mit einem Boden versehen ist. Der Boden weist die stirnseitige Öffnung auf. Mindestens eine zweite Öffnung (Queröffnung) ist in dem Hohlzylinder ausgebildet. Der Hohlzylinder kann auch mehrere umfangsseitig zueinander beabstandete und/oder axial zueinander versetzte zweite Öffnungen aufweisen.

Der Kolben ist mit wenigstens einer Feder, vorzugsweise Druckfeder beaufschlagt. Der Vorteil der Verwendung von wenigstens einer Druckfeder liegt darin, dass Druckfedern als Massenware in den verschiedensten Ausführungen kostengünstig zur Auswahl stehen und somit die Arbeitsbereiche des Ventils beispielsweise durch Auswahl einer oder mehrerer Federn mit geeigneten Federkräften (Schließkraft oder Steuerkräften) individuell an verschiedene Anforderungen angepasst werden können. Derartige Anpassungen und Änderungen der Feder sind auch bei ansonsten gleichbleibendem Design des Ventils möglich.

Das Ventil funktioniert wie folgt:

Es sind drei Schaltmodi des erfindungsgemäßen Ventils bzw. der Vorrichtung vorgesehen. Im ersten Schaltmodus ist das Ventil geschlossen. Der Kolben liegt dichtend an dem Ventilsitz an. Es gibt keinen Durchgang für Strömungsmittel zwischen der stirnseitigen Öffnung und der Queröffnung. Im zweiten Schaltmodus ist die stirnseitige Öffnung des Ventils durch den Kolben freigegeben und Strömungsmittel kann in das Innere des Ventils strömen. Die Steuerkante des Kolbens liegt immer noch dichtend am Ventilgehäuse an, so dass auch im zweiten Schaltmodus noch kein Durchgang zwischen der ersten und zweiten Öffnung vorhanden ist. Die Steuerkante des Kolbens liegt erfindungsgemäß axial zwischen der Schließkante der zweiten Öffnung des Ventilgehäuses und dem Ventilsitz dichtend an einem zwischen dem Ventilsitz und der Schließkante verlaufenden Abschnitt des Ventilgehäuses an. Es ist auch im zweiten Schaltmodus kein Durchgang für Strömungsmittel zwischen der stirnseitigen Öffnung und der Queröffnung ausgebildet. Im dritten Schaltmodus ist der Kolben axial soweit zurückgefahren, dass die Steuerkante einen Teil der Queröffnung freigibt. Das Strömungsmittel kann in der Vorrichtung von einem Strömungskanal aus über die stirnseitige Öffnung und eine in dem Ventil ausgebildete Strömungskammer und von dort über die zweite Öffnung in einen weiteren Strömungskanal oder zurück zur ersten Öffnung und von dort in den anderen Strömungskanal strömen.

In dem ersten Schaltmodus ist das Ventil, wie schon erwähnt, geschlossen, d. h., die erste Öffnung ist durch den Kolben verschlossen. Dazu überdeckt eine erste Kolbenfläche des Kolbens mit Blick aus dem Strömungskanal auf die erste Öffnung in dem Ventilgehäuse die erste Öffnung von innen und zugleich liegt eine zweite Kolbenfläche unter Wirkung einer Schließkraft an einem Ventilsitz an. In dem ersten Schaltmodus ist der durch die stirnseitige Öffnung auf die erste Kolbenfläche wirkende Druck des Strömungsmittels entweder gleich Null oder so klein, dass die auf die Kolbenfläche wirkende axiale Betätigungskraft geringer ist als eine Schließkraft, mit welcher der Kolben um Beispiel mittels einer Feder dichtend gegen den Ventilsitz vorgespannt ist.

Sobald der Kolben von dem Ventilsitzt abhebt, ist die Schließkraft der Feder(n) aufgehoben und auf den Kolben wirken Steuerkräfte. Die auf den Kolben wirkende Steuerkraft kann ebenfalls durch ein Strömungsmittel erzeugt werden oder wird vorzugsweise, wie eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung vorsieht, mittels der Federcharakteristik(en) einer oder mehrerer in das Ventil eingesetzten Druckfedern erzeugt werden.

Im ersten Schaltmodus der Vorrichtung ist die zweite Öffnung (Queröffnung) vollständig durch eine Außenmantelfläche (zweite Mantelfläche) der zweiten Kolbenstufe verschlossen. Im Inneren des Ventils ist ein Ringraum bzw. eine geschlossene Ringkammer durch einen Abschnitt der Innenmantelfläche des Ventilgehäuses, die erste Mantelfläche der ersten Kolbenstufe und durch die dritte Kolbenfläche begrenzt. Die Steuerkante des Kolbens ist axial zwischen der Stirnseite des Ventils und der zweiten Öffnung positioniert. Genauer gesagt, ist die Steuerkante des Kolbens axial zwischen einer an der ersten Öffnung des Ventilgehäuses ausgebildeten Schließkante und der Stirnseite des Ventilgehäuses positioniert und liegt dort radial dichtend an einem Abschnitt des Ventilgehäuses an.

Radial dichtend ist in im Sinne der Erfindung alternativ als druckdicht oder teildurchlässig über einen Leckspalt definiert.

Ein sich der Steuerkante axial anschließender außenzylindrischer Mantelabschnitt der zweiten Kolbenstufe ist radial dichtend an einem innenzylindrischen Mantelabschnitt des Ventilgehäuses geführt. Der innenzylindrischen Mantelabschnitt des Ventilgehäuses erstreckt sich axial zwischen dem die Ringkammer begrenzenden Abschnitt der Innenmantelfläche des Ventilgehäuses und der an der zweiten Öffnung ausgebildeten Schließkante. Die Schließkante ist am Rand der zweiten Öffnung ausgebildet, bzw. ist ein Abschnitt dieses Randes und begrenzt die zweite Öffnung in Richtung der Stirnseite des Ventils im radialen Kontakt mit dem Kolben.

Im zweiten Schaltmodus ist demzufolge ein Durchgang durch das Ventil noch nicht geöffnet. Die Betätigungskraft, die durch den an der stirnseitigen Öffnung anstehenden Druck des Strömungsmittels auf die erste Kolbenfläche hervorgerufen ist, erzeugt eine Öffnungskraft. Die Öffnungskraft ist größer als die Schließkraft des Kolbens. Dadurch hebt der Kolben von dem Ventilsitz ab. Diese Öffnungskraft bewirkt abweichend zum bisher bekannten Stand der Technik zwar einen Axialhub des Kolbens, jedoch noch nicht das endgültige Öffnen des Ventils. Der Kolben hebt sich zunächst nur axial vom Ventilsitz. Der Druck des Strömungsmittels „füllt“ die Ringkammer und wirkt auch auf die dritte Kolbenfläche. Die Kolbenfläche insgesamt, auf die der Druck des Strömungsmittels wirkt, ist vergrößert. Weil die Steuerkante des Kolbens nach wie vor axial zwischen der Schließkante und der Stirnseite des Ventils positioniert ist und die zweite Öffnung somit durch den Kolben noch nicht freigegeben ist, führt das zwangsläufig zur Vergrößerung der Betätigungskräfte auf den Kolben. Es werden die Steuerkräfte generiert, welche den Kolbenhub verursachen und schließlich zum dritten Schaltmodus des Ventils führen.

Im dritten Schaltmodus wurde die Steuerkante des Kolbens unter Wirkung der Steuerkräfte axial über die Schließkante der zweiten Öffnung (Queröffnung) geschoben, sodass sich an der zweiten Öffnung ein von der Steuerkante und der Schließkante begrenzter zweiter Öffnungsquerschnitt bildet. Ein freier Durchgang vom Strömungskanal aus über die stirnseitige erste Öffnung und von da in die nunmehr als Strömungskammer ausgebildete Ringkammer und von da aus durch die zweite Öffnung ist freigegeben. Das Strömungsmittel kann zwischen den Strömungskanälen solange strömen, bis ein Druckabfall des Druckmediums eine Hubumkehr und damit das Verschieben des Kolbens in Richtung des Ventilsitzes bewirkt und die Steuerkante wieder über die Schließkante fährt. Der Druck des Druckmediums wirkt bei geringem Druckabfall zunächst wieder auf die aus den drei Kolbenflächen zusammengesetzte Kolbenfläche und die dadurch entstehende Gegenkraft dämpft die Bewegung des Kolbens in Richtung Ventilsitz.

Der Unterschied der Erfindung gegenüber dem im Kapitel „Hintergrund der Erfindung“ beschriebenen Ventil nach dem Stand der Technik der DE 102019 108694 A1 besteht insbesondere darin, dass durch das erfindungsgemäße Design des Ventils drei Schaltmodi anstelle von zwei möglich sind. Dadurch weist das Ventil gegenüber dem Stand der Technik aus folgenden Gründen eine verbesserte Steuerungscharakteristik und ein verbessertes Regelverhalten auf:

In dem in DE 102019 108694 A1 offenbarten Ventil besteht im ersten Schaltmodus zwischen dem Ringraum und der äußeren Umgebung des Ventils über die zweite Öffnung eine für Strömungsmittel durchlässige Verbindung nach außen, d. h., die zweite Öffnung ist in dem ersten Schaltmodus durch den Kolben nicht vollständig verschlossen. Demzufolge strömt das Strömungsmittel im zweiten Schaltmodus sofort nach Überwindung der Schließkraft und dem Abheben des Kolbens vom Ventilsitz von der stirnseitigen Öffnung aus über die Ringkammer im Inneren des Ventils durch die Queröffnung wieder in die Umgebung. Der Vorteil dieser Anordnung besteht zwar darin, dass das Ventil schnell anspricht, d. h., dass das Ventil schnell öffnet. Der Kolbenhub jedoch, um den der Kolben im zweiten Schaltmodus axial von dem Ventilsitz wegbewegt wird, ist relativ kurz. Darüber hinaus ist die „Feinfühligkeit“ der Feder aufgrund des kurzen Federwegs limitiert. Die Steuerkräfte am Kolben sind in ihrer Größe immer nahe an den Schließkräften der Feder. Nach dem Öffnen des Ventils im zweiten Schaltmodus wird die auf die Kolbenfläche wirkende Betätigungskraft durch den Druckausgleich relativ schnell unter das Niveau der Vorspannkraft (Schließkraft) der Feder reduziert, sodass der Kolben durch die Kräfte der Feder zurück gegen den Ventilsitz geführt wird und das Ventil wieder kurzzeitig verschlossen wird. Kurz darauf ist der Druck auf die Kolbenfläche jedoch wieder so hoch, dass der Kolben wieder geringfügig vom Ventilsitz abhebt. Dieser Wechsel vom ersten Schaltmodus zum zweiten Schaltmodus erfolgt aufgrund des kurzen Kolbenhubs mit hoher Frequenz, sodass der Kolben des aus dem Stand der Technik bekannten Ventils unerwünscht nachteilig zwischen diesen beiden Positionen hin und her zu „flattern“ beginnt. Dies führt nicht nur zu unerwünschten Geräuschen, sondern es kann auch die Funktionen der durch das Strömungsmittel betriebenen bzw. gesteuerten Vorrichtung negativ beeinflussen.

Durch das besondere Design des erfindungsgemäßen Ventils, insbesondere durch die dichtende Anlage der Steuerkante des Kolbens axial zwischen der Schließkante der zweiten Öffnung und der Stirnseite des Ventilgehäuses bzw. der ersten Öffnung an einem innenzylindrischen Abschnitt des Ventilgehäuses wird ein Durchgang für das Druck- bzw. Strömungsmittel durch das Ventil im zweiten Schaltmodus verhindert, weil die zweite Öffnung auch im zweiten Schaltmodus noch durch den Mantel des Kolbens verschlossen ist. Insgesamt wird der Kolbenhub größer, weil der Abstand der zweiten Öffnung bzw. der Schließkante der zweiten Öffnung von dem Ventilsitz durch den innenzylindrischen Abschnitt größer wird. Die Reaktionszeiten des Kolbens zwischen dem ersten und dritten Modus sind erhöht, was auch das „Flattern“ verhindert. Im zweiten Schaltmodus wird zunächst erst einmal die wirksame Kolbenfläche vergrößert und damit eine höhere Betätigungskraft am Kolben erzeugt. Der zweite Schaltmodus ist sozusagen ein Zwischenschaltmodus, mit dem die Reaktion des Kolbens auf den Ausgleich der Betätigungs- und Steuerkräfte durch erhöhte Steuerkräfte gedämpft und beruhigt wird. Durch die radial zwischen der Steuerkante und der Außenmantelfläche der ersten Kolbenstufe liegende dritte Kolbenfläche ändert sich das Ansprechverhalten des Kolbens, weil die Öffnungskraft am Kolben durch den auf die vergrößerte Kolbenfläche wirkenden Druck des Strömungsmittels in größere Steuerkräfte gewandelt wird (Betätigungskraft = Produkt aus gesamter Kolbenfläche und dem auf die Kolbenfläche wirkenden Druck des Strömungsmittels). Die gesamte Kolbenfläche im zweiten Schaltmodus ergibt sich in Summe aus der ersten Kolbenfläche und der dritten Kolbenfläche und in etwa einem Aufriss der zweiten Kolbenfläche in einer beliebigen gedachten Radialebene, in welcher sich auch die als Ringfläche ausgebildete dritte Kolbenfläche und die als Kreisfläche ausgebildete erste Kolbenfläche abbilden lassen. Die Bewegung des Kolbens unter dem Einfluss der höheren Steuerkraft wird gedämpft und die unerwünschten hochfrequenten Schwingungen des Kolbens zwischen ersten und zweiten Schaltmodus werden vermieden. Die Position des Kolbens im erfindungsgemäßen Ventil vom Ventilsitz weg wird aufgrund der durch die größere Kolbenfläche vergrößerten Betätigungskraft auch noch bei niedrigen Drücken gehalten, unter deren Einfluss der Kolben am Ventil des bisher bekannten Standes der Technik bereits wieder gegen den Ventilsitz schlagen würde. Das Ventil reagiert feinfühliger. Das Ventil öffnet einen Durchgang für das Strömungsmittel erst in dem zusätzlichen dritten Schaltmodus, wenn die Steuerkante des Kolbens einen durch die Schließkante der zweiten Öffnung und die Steuerkante des Kolbens begrenzten Schlitz der zweiten Öffnung freigibt. Erst jetzt baut sich der Druck am Kolben schnell ab und der Kolben fährt axial in Richtung des Ventilsitzes zurück. Die Steuerkante fährt axial über die Schließkante, so dass die zweite Öffnung wieder verschlossen wird. Der Kolben kann jedoch nicht gegen den Ventilsitz schlagen, weil jetzt der Druck des Strömungsmittels sofort auf die drei Kolbenflächen wirkt und die Betätigungskraft am Kolben schon bei geringem Druckaufbau der Schließkraft der Feder(n) nahekommt. Die Bewegung des Kolbens zurück zum Ventilsitz ist gedämpft.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die erste Kolbenfläche und zumindest eine Kreisringfläche der dritten Kolbenfläche plane und in parallelen Radialebenen liegende und somit parallel zueinander ausgerichtete Flächen sind, d. h., die erste Kolbenfläche ist vorzugsweise eine Kreisfläche und die dritte Kolbenfläche ist vorzugsweise eine Kreisringfläche. Es ist jedoch auch denkbar, dass eine oder beide Kolbenflächen axial in die eine oder andere Richtung konvex bzw. konkav gekrümmt sind. Über die Gestaltung der Kolbenfläche kann vorteilhaft das Reaktionsverhalten des Kolbens und damit des Ventils eingestellt werden aber auch eine Selbstreinigung des Ventils von Rückständen/Ablagerungen des Strömungsmittels positiv beeinflusst werden. Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die dritte Kolbenfläche zwei Abschnitte aufweist. Der eine Abschnitt, welcher sich radial an die erste Mantelfläche der ersten Kolbenstufe anschließt, ist die Kreisringfläche. Der andere Abschnitt, der sich von der Kreisringfläche radial nach außen bis zur Steuerkante erstreckt, weist in jedem beliebigen Längsschnitt entlang der Ventilachse betrachtet einen zur Ventilachse geneigten gekrümmten oder geradlinigen Verlauf auf. Die Geometrie des zweiten Abschnitts ist bevorzugt durch die Mantelfläche eines Kegelstumpfes beschrieben. Durch eine derartige Maßnahme ist ein scharfer Übergang zur Steuerkante vorbereitet, welcher auch den Kontakt zwischen der Innenmantelfläche des Ventilgehäuses und des Kolbens bei Bewegungen des Kolbens von Ablagerungen freihält.

Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - ein Ventil 1 in einem Längsschnitt entlang der Ventilachse 5 des Ventils 1 betrachtet,

Figur 2 - einen Ausschnitt des mit Figur 1 dargestellten Ventils 1 mit der Position des Kolbens 3 in einem ersten Schaltmodus des Ventils 1,

Figur 3 - den Ausschnitt nach Figur 2 jedoch mit der Position des Kolbens 3 in einem zweiten Schaltmodus des Ventils 1 und

Figur 4 - den Ausschnitt nach Figur 3, jedoch mit der Position des Kolbens 3 in einem dritten Schaltmodus des Ventils 1.

Figur 1 - Das Ventil 1 besteht aus einem Ventilgehäuse 2, einem Kolben 3, einer Feder 4, einer Dichtung 31 und einem Stützelement 27. Der Kolben 3 ist radial in dem Ventilgehäuse 2 geführt und mit der Feder 4 axial gegen einen Ventilsitz 14 gedrückt. Dazu taucht die Feder 4 axial in den Kolben 3 ein und liegt dort am Boden des Kolbens 3 an. Die Dichtung 31 sitzt auf einem Hals 32 des Ventilgehäuses 2, welcher eine erste Öffnung 6 umgibt. Die Dichtung 31 ist mit einer Armierung 33 versehen, die eine Dichtlippe 34 trägt und verstärkt.

Das Ventilgehäuse 2 ist zweistufig ausgeführt und mit einer ersten Gehäusestufe 25 und einer zweiten Gehäusestufe 26 versehen. Die Gehäusestufen 25 und 26 sind im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführt. Die erste Gehäusestufe 25 ist im Durchmesser kleiner als die zweite Gehäusestufe 26. Die erste Gehäusestufe 25 weist an einer Stirnseite 21 die erste Öffnung 6 auf. Die erste Öffnung 6 ist von dem Hals 32 des Ventilgehäuses 2 umgeben. Die erste Gehäusestufe 25 ist außerdem mit mindestens zwei zweiten Öffnungen 7 versehen, die als Queröffnungen mit radialem Abstand zur Ventilachse 5 in dem Ventilgehäuse 2 ausgebildet sind. Das dargestellte Ventilgehäuse 2 ist ein dünnwandiges Umformteil aus Blech und ist an einem von der Stirnseite 21 abgewandten Ende mit einer Bördelstufe versehen, an der die Wanddicke des Ventilgehäuses 2 verringert und gebördelt ist. Durch die Bördelstufe ist der rückseitige Rand des Ventilgehäuses 2 umfangsseitig radial in Richtung der Ventilachse 5 leicht abgebogen, so dass eine Umfangsrille 29 ausgebildet ist. Das Stützelement 27 ist fest in der Umfangsrille 29 abgestützt. Die Feder 4 ist eine Schraubenfeder, die axial zwischen dem Boden des Kolbens 3 und dem Stützelement 27 eingespannt ist. Der ersten Öffnung 6 folgt im Inneren des Ventilgehäuses 2 ein in das Material des Ventilgehäuses 2 geprägter Ventilsitz 14.

Die zweite Öffnung 7 ist umlaufend mit einem Rand 28 umrandet und an dem Rand 28 axial zu der Stirnseite 21 hin mit einer Schließkante 16, die dort durch einen Abschnitt des Randes 28 an der Stelle gebildet ist, aber auch noch gesondert ausgeführt werden kann, versehen.

Der Kolben 3 ist ein dünnwandiges und napfförmiges Umformteil aus Blech und weist eine erste Kolbenstufe 8 und eine zweite Kolbenstufe 9 auf. Der Boden des Kolbens 3 ist seitens der ersten Öffnung 6 mit einer flachen und als radiale Kreisfläche ausgebildeten ersten Kolbenfläche 10 versehen.

Figuren 1 und 2 - Auf die erste Kolbenfläche 10 folgt radial eine zweite Kolbenfläche 11.

Die erste Kolbenfläche 10 ist eine Kreisfläche, welche flach in einer gedachten und senkrecht von der Ventilachse 5 gestoßenen Radialebene liegt. Die zweite Kolbenfläche 11 verläuft gekrümmt, kann alternativ aber auch aus einer oder mehreren Flächenabschnitten gebildet sein, die entweder mit einer gekrümmten Kontur und/oder der Kontur eines Mantels eines Kegelstumpfes versehen sind. Außen umfangsseitig der ersten Kolbenstufe 8 ist eine außenzylindrische erste Mantelfläche 15 ausgebildet. Die erste Kolbenfläche 10 endet an der zweiten Kolbenfläche 11 und die zweite Kolbenfläche 11 geht radial in die erste Mantelfläche 15 der ersten Kolbenstufe 8 über. Der ersten Mantelfläche 15 folgt eine dritte Kolbenfläche 12. Die dritte Kolbenfläche 12 geht an einer Steuerkante 13 des Kolbens 3 in eine außenzylindrische zweite Mantelfläche 24 der zweiten Kolbenstufe 9 über. Ein Abschnitt der dritten Kolbenfläche 12 ist eine flache, in einer gedachten und von der Ventilachse 5 senkrecht durchstoßene Radialebene liegende Kreis ringfläche 19. Ein weiterer Abschnitt 20 der dritten Kolbenfläche 12 ist als Mantelfläche eines Kegelstumpfes ausgebildet. Ein Abschnitt der Innenmantelfläche 22 des Ventilgehäuses 2, die erste Mantelfläche 15 und die dritte Kolbenfläche 12 begrenzen gemeinsam eine Ringkammer 23.

Das Ventil 1 befindet sich in einem ersten Schaltmodus. Der Kolben 3 steht in einer Schließposition. Dabei liegt der Kolben 3 durch Schließkräfte der Feder 4 axial vorgespannt mit der zweiten Kolbenfläche 11 dichtend an dem Ventilsitz 14 an. Figur 2 - erster Schaltmodus des Ventils 1 - Die erste Kolbenfläche 10 überdeckt innenseitig des Ventilgehäuses 2 den kreisflächenförmig ausgebildeten ersten Öffnungsquerschnitt 17 der ersten Öffnung 6 radial und verschließt diesen somit vollständig. Ein Abschnitt der zweiten Mantelfläche 24 der zweiten Kolbenstufe 9 liegt dichtend an einer Innenmantelfläche 22 des Ventilgehäuses 2 an. Die Steuerkante 13 des Kolbens 3 ist axial zwischen der Stirnseite 21 des Ventils 1 bzw. dem Ventilsitz 14 und der Schließkante 16 positioniert. Die zweite Mantelfläche 24 überdeckt die zweite Öffnung 7 des Ventilgehäuses 2 in axialer Richtung vollständig und verschließt diese somit, wobei der Kolben 3 in dem ersten Schaltmodus radial dichtend mit einem außenzylindrischen Abschnitt der zweiten Mantelfläche 24 an einem zwischen der Ringkammer 23 und der Schließkante 16 ausgebildeten innenzylindrischen Abschnitt der Innenmantelfläche 22 dichtend anliegt und geführt ist.

Figur 3 - zweiter Schaltmodus des Ventils 1 - Der Kolben 3 wurde durch den Öffnungsdruck eines nicht dargestellten Strömungsmittels auf die erste Kolbenfläche 10 gegen den Widerstand der Feder 4 im Bild nach rechts verschoben. Durch die Öffnungskraft hob die zweite Kolbenfläche 11 von dem Ventilsitz 14 ab. Das Volumen der Ringkammer 23 ist durch den Hub des Kolbens 3 gegenüber der Position des Kolbens 3 im ersten Schaltmodus (vergleiche Figuren 1 und 2) axial vergrößert. Außerdem ist die Ringkammer 23 gegenüber der ersten Öffnung 6 geöffnet und über den Öffnungsquerschnitt 17 für das Strömungsmittel frei zugänglich. Der Druck des Strömungsmittels wirkt auf die Kolbenflächen 10, 11 und 12. Die Steuerkante 13 des Kolbens 3 wurde gegenüber dem ersten Schaltmodus (vergleiche Figuren 1 und 2) axial von dem Ventilsitz 14 wegbewegt und steht in etwa auf Höhe der Schließkante 16, ohne jedoch die zweite Öffnung 7 schon freizugeben. Die zweite Mantelfläche 24 verdeckt die zweite Öffnung 7 nach wie vor vollständig.

Figur 4 - dritter Schaltmodus des Ventils 1 - Der Kolben 3 steht wie auch im zweiten Schaltmodus (vergleiche Figur 3) in einer Position, in der die zweite Kolbenfläche 11 von dem Ventilsitz 14 abgehoben ist. Die Steuerkante 13 des Kolbens 3 wurde axial über den Rand 28 der zweiten Öffnung 7 und damit über die Schließkante 16 hinaus bewegt und die zweite Öffnung 7 dadurch von dem Kolben 3 teilweise freigegeben. Es ergibt sich ein von der Steuerkante 13 und der Schließkante 16 begrenzter freier zweiter Öffnungsquerschnitt 18 der zweiten Öffnung 7. Es ist eine den ersten Öffnungsquerschnitt 17 der ersten Öffnung 6 und die zweite Öffnung 7 durchlässig verbindende und dabei von dem Ventilgehäuse 2 und den Kolbenflächen 10, 11, 12 begrenzte Strömungskammer 30 ausgebildet. D. h., dass die Ringkammer 23 im dritten Schaltmodus für das Strömungsmittel durchgängig offen von der ersten Öffnung 6 aus über die Ringkammer 23 zu der zweiten Öffnung 7 hin als die Strömungskammer 30 ausgebildet ist. Bezugszeichen

Claims

Patentansprüche

1. Ventil (1) zumindest aufweisend ein Ventilgehäuse (2) und einen Kolben (3), wobei der Kolben (3) entlang einer Ventilachse (5) des Ventils (1) aus einem ersten Schaltmodus des Ventils (1) in einen zweiten Schaltmodus des Ventils (1) und aus dem zweiten Schaltmodus in einen dritten Schaltmodus des Ventils (1) verschiebbar in dem Ventilgehäuse (2) sitzt, das Ventilgehäuse (2) an einer Stirnseite (21) eine erste Öffnung (6), mit einem ersten Öffnungsquerschnitt (17) sowie mindestens eine zweite Öffnung (7) mit einer Schließkante (16) aufweist, wobei die Schließkante (16) an einem die zweite Öffnung (7) begrenzenden Rand (28) ausgebildet ist, der Kolben (3) eine erste Kolbenstufe (8) mit einer zur Stirnseite (21) weisenden ersten Kolbenfläche (10) und mit einer ersten Mantelfläche (15) aufweist, der Kolben (3) eine zweite Kolbenstufe (9) mit einer zur Stirnseite (21) mit einer

Steuerkante (13) sowie mit einer zweiten Mantelfläche (24) aufweist, die erste Kolbenfläche (10) in dem ersten Schaltmodus den Öffnungsquerschnitt

(17) der ersten Öffnung (6) überdeckt, der Kolben (3) in dem ersten Schaltmodus an einem Ventilsitz (14) des Ventilgehäuses (2) dichtend anliegt, die zweite Öffnung (7 in dem ersten Schaltmodus und in dem zweiten Schaltmodus durch eine zweite Mantelfläche (24) der zweiten Kolbenstufe (9) verschlossen ist, wobei die Steuerkante (13) in dem ersten Schaltmodus und in dem zweiten Schaltmodus axial zwischen der Schließkante (16) und dem Ventilsitz (14) in dem Ventilgehäuse (2) beweglich positioniert ist, ein von der Steuerkante (13) und der Schließkante (16) begrenzter freier zweiter Öffnungsquerschnitt (18) der zweiten Öffnung (7) in dem dritten Schaltmodus so freigegeben ist, dass eine den ersten Öffnungsquerschnitt (17) der ersten Öffnung (6) und die zweite Öffnung (7) durchlässig verbindende und dabei von dem Ventilgehäuse (2) und den Kolbenflächen (10, 11, 12) begrenzte Strömungskammer (30) ausgebildet ist.

2. Ventil nach Anspruch 1 , in dem wenigstens ein Abschnitt der zweiten Mantelfläche (24) der zweiten Kolbenstufe (9) in dem ersten Schaltmodus und in dem zweiten Schaltmodus dichtend an dem Ventilgehäuse (2) anliegt.

3. Ventil nach Anspruch 1, in dem der Kolben (3) an der ersten Kolbenstufe (8) mit einer zur Stirnseite (21) weisenden zweiten Kolbenfläche (11) versehen ist, wobei der Kolben (3) in dem ersten Schaltmodus mit der zweiten Kolbenfläche (11) dichten an dem Ventilsitz (14) anliegt, und wobei die zweite Kolbenfläche (11) in dem zweiten Schaltmodus und in dem dritten Schaltmodus von dem Ventilsitz (14) abgehoben ist, und wobei die zweite Kolbenstufe mit einer zur Stirnseite (21) weisenden dritten Mantelfläche (15) versehen ist, wobei die dritte Kolbenfläche (12) radial zwischen der ersten Mantelfläche (15) und der Steuerkante (13) ausgebildet ist.

4. Ventil nach Anspruch 3, in dem die erste Kolbenfläche (10) und zumindest eine Kreisringfläche (19) der dritten Kolbenfläche (12) zueinander parallel und koaxial zueinander ausgerichtet sind.

5. Ventil (1) nach Anspruch 3, in dem die dritte Kolbenfläche (12) einen ringförmigen Abschnitt (20) aufweist, dessen Kontur in einem beliebigen Längsschnitt entlang der Ventilachse (5) betrachtet entweder gekrümmt und zur Ventilachse (5) geneigt verläuft oder durch eine Mantelfläche eines Kegelstumpfes beschrieben ist.

6. Ventil (1) nach Anspruch 3, in dem die dritte Kolbenfläche (12) einen ringförmig ausgebildeten Abschnitt (20) mit der Kontur eines Kegelstumpfes aufweist und wobei die Steuerkante (13) durch eine die dritte Kolbenfläche (12) und den Abschnitt (20) radial außen begrenzende sowie um die Ventilachse (5) umlaufende Körperkante gebildet ist.

7. Ventil (1) nach Anspruch 3, mit einer um die Ventilachse (5) verlaufenden und durch die dritte Kolbenfläche (12) sowie durch wenigstens einen Abschnitt einer Innenmantelfläche (22) des Ventilgehäuses (2) und durch die erste Mantelfläche (15) der ersten Kolbenstufe (8) begrenzten Ringkammer (23).

8. Ventil (1) nach Anspruch 3, mit einer um die Ventilachse (5) verlaufenden und durch die dritte Kolbenfläche (12) sowie durch wenigstens einen Abschnitt einer Innenmantelfläche (22) des Ventilgehäuses (2) und durch die erste Mantelfläche (15) der ersten Kolbenstufe (8) begrenzten Ringkammer (23), wobei die Ringkammer (23) in dem ersten Schaltmodus des Ventils (1) verschlossen und in dem zweiten Schaltmodus sowie in dem dritten Schaltmodus geöffnet ist, wobei die Ringkammer (23) in dem zweiten Schaltmodus zur ersten Öffnung (6) hin geöffnet ist und die Ringkammer (23) in dem dritten Schaltmodus durchgängig offen von der ersten Öffnung aus (6) über die Ringkammer (23) zu der zweiten Öffnung (7) hin als Strömungskammer (30) ausgebildet ist.

9. Ventil (1) nach Anspruch 3, mit einer um die Ventilachse (5) verlaufenden und durch die dritte Kolbenfläche (12) sowie durch wenigstens einen Abschnitt einer Innenmantelfläche (22) des Ventilgehäuses (2) und durch die erste Mantelfläche (15) der ersten Kolbenstufe (8) begrenzten Ringkammer (23), wobei der Kolben (3) in dem ersten Schaltmodus radial dichtend mit einem außenzylindrischen Abschnitt der zweiten Mantelfläche (24) an einem zwischen der Ringkammer (23) und der Schließkante (16) ausgebildeten innenzylindrischen Abschnitt der Innenmantelfläche

(22) anliegt.

10. Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche mit einem Ventilgehäuse (2), das wenigstens eine erste Gehäusestufe (25) und eine zweite Gehäusestufe (26) aufweist, wobei sich die Gehäusestufen (25, 26) hinsichtlich ihres äußeren Durchmessers voneinander unterscheiden, und wobei der Kolben (3) axial entlang der Ventilachse (5) beweglich an einer Innenmantelfläche (22) der ersten Gehäusestufe (25) geführt ist und wobei die erste Gehäusestufe (25) mit der ersten Öffnung (6) und mit mindestens einen zweiten Öffnung (7) versehen ist und wobei die Feder (4) axial in der zweiten Gehäusestufe (26) abgestützt und federelastisch zwischen dem Kolben (3) und einem Stützelement (27) eingespannt ist.

11. Verfahren zur Steuerung eines Strömungsmittels mit einem Ventil (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Ventil (1) in einem ersten Schaltmodus durch den Kolben (3) verschlossen ist, in einem zweiten Schaltmodus eine Ringkammer

(23) im Inneren des Ventils (1) zur ersten Öffnung (6) hin durch eine axiale Bewegung des Kolbens (5) unter dem Einfluss von Druck des Strömungsmittels geöffnet wird und in einem dritten Schaltmodus das Ventil (1) durch den Kolben (5) in eine für das Strömungsmittel von der ersten Öffnung (6) zur zweiten Öffnung (7) hin und in umgekehrter Richtung für das Strömungsmittel durchgängige Strömungskammer (30) geöffnet wird.