WO2014019746A1 - Ventilkörper für ein stellventil und korrespondierendes magnetventil - Google Patents

Ventilkörper für ein stellventil und korrespondierendes magnetventil Download PDF

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Andreas Lechler
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Definitions

  • Solenoid valve will be a hydraulic connection between one
  • DE 10 2006 047 918 discloses a solenoid valve with a guide sleeve, a valve body mounted therein, in which a hollow cone-shaped valve seat is formed, a longitudinally movably guided in the guide sleeve armature, which has a closing body with a shaft and a sealing ball portion and for opening and / or Closing of an inlet bore for adjusting a fluid flow with the valve seat cooperates, and a
  • Closing body and / or by a shape specification of the valve body is at least one fluid-mechanical influencing variable
  • Valve seat has, and proposed in the valve sleeve movably guided ram, which has a closing body with a closing geometry.
  • the valve seat cooperates to set a fluid flow with the closing geometry of the closing body.
  • Cross-sectional area of the inlet portion can be specified, which is dependent on a first diameter.
  • a second diameter of the outlet section of the fluid channel can be selected to be greater than the first diameter of the inlet section of the fluid channel by a factor which is in the range of 1, 1 to 2.0.
  • a portion of the fluid flow which is substantially perpendicular to the closing geometry of the closing body, are predetermined by the second cross-sectional area of the outlet portion of the fluid channel, which is dependent on the second diameter.
  • the closing geometry of the closing body can be designed as a spherical cap. This advantageously allows a simple and cost-effective production of the closing body.
  • control valve is designed as a solenoid valve and comprises a magnetic assembly with a magnetic coil as a drive for moving the closing body.
  • the exemplary embodiment of a control valve 1 comprises a valve sleeve 5, a valve body 10 fixed in the valve sleeve 5, which has a fluid channel 24 and a valve seat 22, and a plunger 10 movably guided in the valve sleeve 5, which one has a closing body 12 with a closing geometry 14.
  • the valve seat 22 cooperates with the closing geometry 14 of the closing body 12.
  • the fluid channel 24 is designed with a step 26, on which an inlet section 24. 1 of the fluid channel 24 with a first cross-sectional area into an outlet section 24. 2 of the fluid channel
  • valve seat 22 is arranged at the open edge of the outlet section 24. 2 of the fluid channel 24.
  • valve seat 22 is designed as a hollow truncated cone and the closing geometry 14 of the closing body 12 is designed as a spherical cap.
  • control valve 1 As a drive to a magnetic assembly, not shown, with an energized magnetic coil on.
  • the control valve 1 according to the invention is preferably used in a hydraulic brake system as an adjustable inlet valve.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Ventilkörper (20) für ein Stellventil (1) mit einem Ventilsitz (22), welcher am offenen Rand eines in den Ventilkörper (20) eingebrachten Fluidkanals (24) ausgebildet ist, wobei der Ventilsitz (22) zum Einstellen einer Fluidströmung (30) mit einer Schließgeometrie (14) eines Schließkörpers (12) zusammenwirkt, sowie ein Stellventil (1) mit einem solchen Ventilkörper (20) und ein korrespondierendes hydraulisches Bremssystem. Erfindungsgemäß ist der Fluidkanal (24) mit einer Stufe (26) ausgeführt, an welcher ein Einlassabschnitt (24.1) des Fluidkanals (24) mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Auslassabschnitt (24.2) des Fluidkanals (24) mit einer zweiten Querschnittsfläche übergeht, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist, und wobei der Ventilsitz (22) am offenen Rand des Auslassabschnitts (24.2) des Fluidkanals (24) angeordnet ist.

Description

Beschreibung
Titel
Ventilkörper für ein Stellventil und korrespondierendes Magnetventil Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Ventilkörper für ein Stellventil nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und von einem Stellventil nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 5.
In Antiblockiersystemen (ABS) und/oder in elektronisches Stabilitätsprogrammsystemen (ESP-Systemen) werden so genannte Einlassventile eingesetzt, welche beispielsweise als stromlos offene Magnetventile ausgeführt sind. Diese Einlassventile steuern bei Regelvorgängen, wie beispielsweise einer ABS-Bremsung den Druckaufbau in einer Radbremszange. Bei einem voll bestromten
Magnetventil wird eine hydraulische Verbindung zwischen einem
Hauptbremszylinder und der Radbremszange unterbrochen. Durch die
Bestromung wird ein Schließelement in einen Ventilsitz gedrückt, so dass kein Fluid mehr durch das Magnetventil strömen kann. Da es sich bei dem
Einlassventil um ein Stellventil handelt, kann es für unterschiedliche elektrische
Ströme unterschiedliche Ventilhübe einstellen. In Abhängigkeit eines in eine Magnetspule einer Magnetbaugruppe geleiteten elektrischen Stroms und einer am Ventil anliegenden Druckdifferenz, stellt sich ein Kräftegleichgewicht ein, so dass das Schließelement in einer definierten Hubposition verharrt und ein den Randbedingung entsprechender Volumenstrom durch das Magnetventil fließt.
Ein weiterer Modus, in welchem das Magnetventil betrieben werden kann, ist ein so genannter QS-Betrieb (Quasi-Schalt-Betrieb). Hierbei wird der Strom durch die Magnetspule für kurze Zeit (z.B. 10ms) auf null Ampere abgesenkt, so dass sich das Magnetventil für eine kurze Zeitspanne ganz öffnet. Die im Magnetventil wirkenden Hydraulikkräfte werden sehr stark von der Temperatur beeinflusst. Wird das Magnetventil im Quasi-Schalt-Betrieb betrieben, so kann es vorkommen, dass aufgrund hoher Temperaturen und der dadurch vorherrschenden Hydraulikkraftverhältnisse, das Ventil trotz
unbestromter Magnetspule nicht vollständig öffnet und in einem Teilhub verweilt.
Dadurch stellen sich durch das Magnetventil kleinere Volumenströme als gewünscht ein. Des Weiteren besteht die Möglichkeit, dass das in dieser Teilhubposition verharrende Schließelement aufgrund von Schwingungen mit dem Ventilkörper in Kontakt kommt und dadurch einer verstärkten Belastung ausgesetzt ist.
Die DE 10 2006 047 918 offenbart ein Magnetventil mit einer Führungshülse, einem darin befestigten Ventilkörper, in dem ein hohlkegelförmiger Ventilsitz ausgebildet ist, einem in der Führungshülse längsbeweglich geführten Anker, der einen Schließkörper mit einem Schaft und einem Dichtkugelabschnitt aufweist und zum Öffnen und/oder Schließen einer Zuströmbohrung zur Einstellung eines Fluiddurchflusses mit dem Ventilsitz zusammenwirkt, und einer
Magnetbaugruppe, die einen mit einer Spulenwicklung bewickelten
Wicklungsträger und einen mit der Führungshülse verbundenen Polkern umfasst und eine Magnetkraft erzeugt, die den längsbeweglichen Anker entgegen der Kraft einer Rückstellfeder gegen den Polkern bewegt. Durch Vorgabe und Abstimmung von geometrischen Parametern des Ventilsitzes und des
Schließkörpers und/oder durch eine Formvorgabe des Ventilkörpers ist mindestens eine strömungsmechanische Einflussgröße eines
Fluidströmungsverlaufs in einem zwischen dem Ventilkörper und dem
beweglichen Anker angeordneten Strömungsraum so beeinflussbar, dass der Fluiddurchfluss bei kleinen Druckdifferenzwerten und Durchflusswerten über kleine Hübe des Schließkörpers unter Beibehaltung der Magnetkraftneutralität stetig einstellbar ist.
Offenbarung der Erfindung
Die erfindungsgemäße Sensoreinheit für ein Fahrzeug mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass durch das Einbringen einer Stufe im Zulauf des Ventils am Ventilkörper, der Druckverlauf im
Bereich der Dichtgeometrie des Schließkörpers beeinflusst werden kann. Durch die eingebrachte Stufe wirken in Summe größere, öffnende fluidische Kräfte, was in einem korrespondierenden stellbaren Magnetventil im unbestromten Zustand zu einem größeren Hub bzw. zu einem vollständigen Öffnen des stellbaren Magnetventils führt. Trotzdem bleibt das Durchflussverhalten des stellbaren
Magnetventils im unbestromten Zustand und bei vollständig geöffneten Ventil, also beispielsweise bei einem normalen Bremsvorgang ohne ABS-Eingriff, erhalten, da der Durchfluss durch die kleinere erste Querschnittsfläche des Einlassabschnittes des Fluidkanals bestimmt wird. Durch Ausführungsformen die Erfindung sollen die Fluidkräfte so beeinflusst werden, dass das stellbare Mag- netventil weiter, im Idealfall sogar ganz, geöffnet wird, um eine Beschädigung des Schließkörpers zu vermeiden.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Ventilkörper für ein Stellventil zur Verfügung, welcher einen Ventilsitz umfasst, welcher am offenen Rand eines in den Ventilkörper eingebrachten Fluidkanals ausgebildet ist, wobei der Ventilsitz zum Einstellen einer Fluidströmung mit einer Schließgeometrie eines Schließkörpers zusammenwirkt. Erfindungsgemäß ist der Fluidkanal mit einer Stufe ausgeführt, an welcher ein Einlassabschnitt des Fluidkanals mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Auslassabschnitt des Fluidkanals mit einer zweiten Querschnittsfläche übergeht. Hierbei ist die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ausgeführt, wobei der Ventilsitz am offenen Rand des Auslassabschnitts des Fluidkanals angeordnet ist.
Des Weiteren wird ein Stellventil mit einer Ventilhülse, einem in der Ventilhülse befestigten erfindungsgemäßen Ventilkörper, welcher einen Fluidkanal und einen
Ventilsitz aufweist, und einem in der Ventilhülse beweglich geführten Stößel vorgeschlagen, welcher einen Schließkörper mit einer Schließgeometrie aufweist. Der Ventilsitz wirkt zum Einstellung einer Fluidströmung mit der Schließgeometrie des Schließkörpers zusammen.
Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Stellventils können beispielsweise als einstellbares Einlassventil in einem hydraulischen Bremssystem eingesetzt werden, welches über eine ABS- und/oder ESP-Funktionalität verfügt. Durch die gestufte Ausführung des Fluidkanals bleibt der anfängliche Zulauf unverändert, dann erfolgt die stufenförmige Aufweitung des Fluidkanals im Ventil körper. Der Staudruck, der rein von den fluidischen Randbedingungen abhängt, bleibt auf gleichem Niveau, wie bei einem mit einem durchgängig gleicher Querschnittsfläche ausgeführtem Fluidkanal. Durch die frühere Aufweitung des Fluidkanals im Ventilkörper, bleibt der wirksame Fluiddruck in vorteilhafter Weise länger auf einem höheren Niveau und sinkt dann schnell zum Dichtpunkt hin ab, was in Summe einem Kraftzugewinn entspricht. Dieser Kraftzugewinn führt zu höheren öffnenden Kräften und damit zu einem besseren
Öffnungsverhalten im Quasi-Schalt-Betrieb. Gleichzeitig verändert sich der Maximaldurchfluss des Magnetventils im unbestromten Zustand nicht, so dass das Magnetventil weiterhin für die ursprünglich gedachten Fahrzeugklassen bzw. Bremsenklassen verwendet werden kann.
Durch die in den abhängigen Patentansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Ventilkörpers für ein Stellventil und des im unabhängigen Patentanspruch 5 angegebenen Stellventils möglich.
Besonders vorteilhaft ist, dass ein maximaler Fluidzulauf durch die erste
Querschnittsfläche des Einlassabschnitts vorgegeben werden kann, welche von einem ersten Durchmesser abhängig ist.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventilkörpers kann ein zweiter Durchmesser des Auslassabschnitts des Fluidkanals um einen Faktor, der im Bereich von 1 ,1 bis 2,0 liegt, größer als der erste Durchmesser des Einlassabschnitts des Fluidkanals gewählt werden. Durch die Auswahl des ersten und zweiten Durchmessers kann der maximale Fluidzulauf und der erzielbare Kraftzugewinn in Öffnungsrichtung in vorteilhafter Weise an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Ventilkörpers kann der Ventilsitz als Hohlkegelstumpf ausgeführt werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache und kostengünstige Produktion des Ventilkörpers.
In vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellventils kann ein Anteil der Fluidströmung, welcher im Wesentlichen senkrecht auf die Schließgeometrie des Schließkörpers wirkt, durch die zweite Querschnittsfläche des Auslassabschnitts des Fluidkanals vorgegeben werden, welche vom zweiten Durchmesser abhängig ist. Durch die Auswahl des ersten und zweiten Durchmessers kann der maximale Fluidzulauf und der erzielbare Kraftzugewinn in Öffnungsrichtung in vorteilhafter Weise an die jeweilige Anwendung angepasst werden.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Stellventils kann die Schließgeometrie des Schließkörpers als Kugelkalotte ausgeführt werden. Dies ermöglicht in vorteilhafter Weise eine einfache und kostengünstige Produktion des Schließkörpers.
Vorzugsweise ist das Stellventil als Magnetventil ausgeführt und umfasst eine Magnetbaugruppe mit einer Magnetspule als Antrieb zum Bewegen des Schließkörpers.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Fig. 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Ventilsitzbereichs eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stellventils mit einem erfin- dungsgemäßen Ventilkörper.
Fig. 2 zeigt eine schematische Kennlinie eines Druckverlaufs entlang einer Schließgeometrie eines Schließkörpers des erfindungsgemäßen Stellventils aus Fig. 1.
Ausführungsformen der Erfindung
Wie aus Fig. 1 ersichtlich ist, umfasst das dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Stellventils 1 eine Ventilhülse 5, einen in der Ventilhülse 5 befestigten Ventilkörper 10, welcher einen Fluidkanal 24 und einen Ventilsitz 22 aufweist, und einen in der Ventilhülse 5 beweglich geführten Stößel 10, welcher einen Schließkörper 12 mit einer Schließgeometrie 14 aufweist. Zum Einstellung einer Fluidströmung 30 wirkt der Ventilsitz 22 mit der Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 zusammen. Erfindungsgemäß ist der Fluidkanal 24 mit einer Stufe 26 ausgeführt, an welcher ein Einlassabschnitt 24.1 des Fluidkanals 24 mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Auslassabschnitt 24.2 des Fluidkanals
24 mit einer zweiten Querschnittsfläche übergeht. Hierbei ist die zweite
Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche gewählt. Zudem ist der Ventilsitz 22 am offenen Rand des Auslassabschnitts 24.2 des Fluidkanals 24 angeordnet. Im dargestellten Ausführungsbeispiel ist der Ventilsitz 22 als Hohlkegelstumpf ausgeführt und die Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 ist als Kugelkalotte ausgeführt.
Zum Bewegen des Schließkörpers 12 weist das Stellventil 1 als Antrieb eine nicht dargestellte Magnetbaugruppe mit einer bestrombaren Magnetspule auf. Das erfindungsgemäße Stellventil 1 wird in einem hydraulischen Bremssystem vorzugweise als einstellbares Einlassventil verwendet.
Wie aus Fig. 1 weiter ersichtlich ist, ist ein maximaler Fluidzulauf durch die erste Querschnittsfläche des Einlassabschnitts 24.1 vorgegeben, welche von einem ersten Durchmesser D1 abhängig ist. Ein Anteil der Fluidströmung 30, welcher im Wesentlichen senkrecht auf die Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 wirkt, ist durch die zweite Querschnittsfläche des Auslassabschnitts 24.2 des Fluidkanals 24 vorgegeben, welche vom zweiten Durchmesser D2 abhängig ist. Der zweite Durchmesser D2 des Auslassabschnitts 24.2 des Fluidkanals 24 ist um einen Faktor, der im Bereich von 1 ,1 bis 2,0 liegt, größer als der erste
Durchmesser D1 des Einlassabschnitts 24.1 des Fluidkanals 24 gewählt.
Fig. 1 zeigt den Ventilsitzbereich des Stellventils 1 mit dem Stößel 10 bzw.
Schließkörper 12 und dem Ventilkörper 20 bzw. dem Ventilsitz 22. In der gezeigten Darstellung nimmt das Stellventil 1 gerade eine Teilhubstellung ein.
Bei herkömmlichen Stellventilen besitzt der Ventilkörper 20 einen geradlinigen Zulauf. Der zugehörige Druckverlauf Pa|t entlang der Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 ist in Fig. 2 dargestellt. Ausgehend vom Staupunkt SP in der Mitte mit dem höchsten statischen Druck, verringert sich der Druck entlang des Verlaufs a der Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 hin zu einer Engstelle
16 mit einem engsten Strömungsquerschnitt am Dichtpunkt DP zwischen der Schließgeometrie 14 des Schließkörpers 12 und dem Ventilsitz 22 auf ein Minimum. Anschließend erhöht sich der Druck wieder auf das Druckniveau hinter dem Stellventil 1 .
Die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Ventilkörpers 20 und deren Auswirkungen sind in Fig. 1 und 2 gestrichelt dargestellt. Der anfängliche Zulauf bleibt durch den unveränderten ersten Querschnitt des Einlassabschnitts 24.1 des Fluidkanals 24 unverändert. Dann erfolgt die stufenförmige Aufweitung des Fluidkanals 24 im Ventilkörper 10 vom ersten Durchmesser D1 des Einlassabschnitts 24.1 auf den zweiten Durchmesser D2 des Auslassabschnitts 24.2 des Fluidkanals 24. Der zugehörige Druckverlauf Pneu ist in Fig. 2 ebenfalls gestrichelt dargestellt. Der Staudruck am Staupunkt SP, welcher nur von den hydraulischen Randbedingungen abhängig ist, bleibt auf gleichem Niveau. Durch die frühere Aufweitung des Fluidkanals 24 im Ventilkörper 20 bleibt der Druck jedoch länger auf einem höheren Niveau und sinkt dann schnell zum Dichtpunkt DP hin ab, was in Summe einem Kraftzugewinn AF entspricht, welcher als schraffierte Fläche dargestellt ist. Dieser Kraftzugewinn AF führt zu höheren öffnenden Kräften und damit zu einem besseren Öffnungsverhalten im Quasi-Schalt-Betrieb des Stellventils 1 . Gleichzeitig verändert sich der Maximaldurchfluss des Stellventils 1 im unbestromten Zustand nicht, so dass das Stellventil 1 weiterhin für die ursprünglich gedachten Fahrzeugklassen bzw. Bremsenklassen verwendet werden kann.
Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung stellen einen Ventilkörper mit einem gestuften Fluidkanals für ein Stellventil zur Verfügung, um den Druckverlauf an der Schließgeometrie des Schließkörpers des Stellventils zu beeinflussen. Dadurch wirken in Summe größere, öffnende Fluidkräfte, was im unbestromten Zustand zu einem größeren Hub bzw. zu einem vollständigen Öffnen des Stellventils führt.

Claims

Ansprüche
Ventilkörper für ein Stellventil mit einem Ventilsitz (22), welcher am offenen Rand eines in den Ventilkörper (20) eingebrachten Fluidkanals (24) ausgebildet ist, wobei der Ventilsitz (22) zum Einstellen einer Fluidströmung (30) mit einer Schließgeometrie (14) eines Schließkörpers (12) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Fluidkanal (24) mit einer Stufe (26) ausgeführt ist, an welcher ein Einlassabschnitt (24.1) des Fluidkanals (24) mit einer ersten Querschnittsfläche in einen Auslassabschnitt (24.2) des Fluidkanals (24) mit einer zweiten Querschnittsfläche übergeht, wobei die zweite Querschnittsfläche größer als die erste Querschnittsfläche ist, und wobei der Ventilsitz (22) am offenen Rand des Auslassabschnitts (24.2) des Fluidkanals (24) angeordnet ist.
Ventilkörper nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass ein maximaler Fluidzulauf durch die erste Querschnittsfläche des Einlassabschnitts (24.1) vorgegeben ist, welche von einem ersten Durchmesser (D1) abhängig ist.
Ventilkörper nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweiter Durchmesser (D2) des Auslassabschnitts (24.2) des Fluidkanals (24) um einen Faktor, der im Bereich von 1 ,1 bis 2,0 liegt, größer als der erste Durchmesser (D1) des Einlassabschnitts (24.1) des Fluidkanals (24) ist.
Ventilkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (22) als Hohlkegelstumpf ausgeführt ist.
Stellventil mit einer Ventilhülse (5), einem in der Ventilhülse (5) befestigten Ventilkörper (10), welcher einen Fluidkanal (24) und einen Ventilsitz (22) aufweist, und einem in der Ventilhülse (5) beweglich geführten Stößel (10), welcher einen Schließkörper (12) mit einer Schließgeometrie (14) aufweist, wobei der Ventilsitz (22) zum Einstellung einer Fluidströmung (30) mit der Schließgeometrie (14) des Schließkörpers (12) zusammenwirkt, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (20) nach einem der Ansprüche 1 bis 4 ausgeführt ist.
Stellventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Anteil der Fluidströmung (30), welcher im Wesentlichen senkrecht auf die Schließgeometrie (14) des Schließkörpers (12) wirkt, durch die zweite
Querschnittsfläche des Auslassabschnitts (24.2) des Fluidkanals (24) vorgegeben ist, welche vom zweiten Durchmesser (D2) abhängig ist.
Stellventil nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Schließgeometrie (14) des Schließkörpers (12) als Kugelkalotte ausgeführt ist.
Stellventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass eine Magnetbaugruppe mit einer Magnetspule als Antrieb zum Bewegen des Schließkörpers (12) vorhanden ist.
Hydraulisches Bremssystem, gekennzeichnet durch ein einstellbares Einlassventil, welches als Stellventil (1) nach einem der Ansprüche 5 bis 8 ausgeführt ist.
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