DE102011056264A1

DE102011056264A1 - Hydraulikventil

Info

Publication number: DE102011056264A1
Application number: DE102011056264A
Authority: DE
Inventors: André Selke; Jürgen Goll
Original assignee: Hilite Germany GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2011-12-12
Filing date: 2011-12-12
Publication date: 2013-06-13
Anticipated expiration: 2031-12-13
Also published as: DE102011056264B4; WO2013087620A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil (1) für einen Schwenkmotornockenwellenversteller mit einem Rückschlagventil, dass eine Kugel (14) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Hydraulikventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Ein solches Hydraulikventil ist bereits aus der EP 1 596 039 B1 bekannt, die in 7 ein Hydraulikventil für einen Schwenkmotornockenwellenversteller zeigt. Es ist ein Hohlkolben vorgesehen, der mehrere Laufflächen aufweist, die innerhalb einer Längsbohrung axialverschiebbar geführt sind. Somit kann ein innerhalb des Hohlkolbens in einem Versorgungskanal anstehender Versorgungsdruck wechselweise auf zwei von der Längsbohrung abgehende Ventilabgänge geführt werden. Die Laufflächen sind über Ablaufkanten zu einem Nutgrund zwischen den Laufflächen geführt. Vom Nutgrund geht eine Bohrung ab, in die ein nur schematisch dargestelltes Rückschlagventil eingesetzt ist. Die Bohrung führt zum Versorgungskanal.
Die DE 10 2007 012 967 B4 betrifft ein beispielsweise für Nockenwellenversteller verwendbares Hydraulikventil mit Kugel-Rückschlagventilen. Der Ventilsitz ist radial nach innen konisch aufgeweitet.
Die DE-GM 80 01 135 U1 betrifft eine Kolbenpumpe mit Kugel-Rückschlagventilen.
Die US 1 054 794 betrifft einen Flansch mit einer Vielzahl von Kugel-Rückschlagventilen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein Hydraulikventil mit einem Kugel-Rückschlagventil zu schaffen, das einen großen Strömungsquerschnitt ermöglicht.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Vorteil der Erfindung wird zumindest ein Rückschlagventil mit einer Kugel verwendet. Solche Rückschlagventile weisen aufgrund von deren guter Dichtigkeit eine nur sehr geringe Leckage auf. Überdies ist der Strömungswiderstand gering. Wie bereits in der eigenen DE 10 2007 012 967 B4 erläutert sind Kugeln für Rückschlagventile insbesondere bei Nockenwellenverstellern wegen der dort auftretenden dynamischen Druckimpulse von Vorteil. Auf die dortige Anwendung bei einem Pumpenrückschlagventil und die beim Nockenwellenversteller auftretenden Vorteile wird hiermit Bezug genommen.
Große Kugeln haben den Vorteil, dass große Strömungsquerschnitte geöffnet werden. Eine große Kugel kann jedoch bei einem Kugel-Rückschlagventil, das in eine Bohrung eingesetzt wird, nicht verwendet werden. Aus diesem Grund wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass anstelle einer Bohrung eine vorzugsweise konische Ausnehmung zum Versorgungsanschluss führt, wobei die Kugel in diese Ausnehmung eingelegt ist. Dabei steht die Kugel über einen Nutgrund hinaus, von welchem die Ausnehmung abgeht.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung taucht die Kugel zusätzlich in einen Innenraum innerhalb des Hohlkolbens ein. Dadurch kann eine sehr große Kugel verwendet werden, was einen sehr großen Strömungsquerschnitt bei abgehobener Kugel erlaubt.
Das Eintauchen der Kugel in den Innenraum des Hohlkolbens ist jedoch nicht ohne weiteres bei einer Konstruktion mit buchsenfester Hülse innerhalb des Hohlkolbens gemäß DE 10 2010 019 005 möglich. Um dennoch eine buchsenfeste Hülse vorzusehen, ist in einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung gemäß Patentanspruch 10 eine Ringnut in der Hülse vorgesehen, in welche die Kugel eintauchen kann. Um den großen Spalt zwischen Hülse und Hohlkolben zu überbrücken, ohne dass es zum Klemmen kommen kann, sind Dichtringe beiderseits der Ringnut vorgesehen. Die Hülse ist innerhalb des Hohlkolbens des Hydraulikventils relativ verschiebbar angeordnet. Diese Hülse behält jedoch gegenüber einer Buchse, innerhalb derer der Hohlkolben verschiebbar ist, ihre Position bei. Dazu kann die Hülse in die Buchse eingepresst sein. Im Innenraum der Hülse wird der Versorgungsdruck geführt. Die Hülse weist einen den Innenraum des Hohlkolbens verschließenden Hülsenboden auf. Dieser Hülsenboden ist somit fest gegenüber der Buchse abgestützt, so dass die sich aus dem Druck vom Versorgungsanschluss P ergebenden Kräfte über den Hülsenboden und die Hülse an der Buchse abgestützt sind. Damit wirken diese Kräfte nicht auf den Kolbenboden des Hohlkolbens, welcher der Abstützung für ein Stellglied dient. Da somit der Hohlkolben frei von Axialkräften aus dem Versorgungsdruck ist, ist die Axialstellung des Hohlkolbens vom Stellglied regelbar, ohne dass der Versorgungsdruck berücksichtigt werden muss. Dies ist von besonderem Vorteil, da der Versorgungsdruck je nach Art seiner Bereitstellung schwanken kann. Da üblicherweise eine vom Verbrennungsmotor mechanisch angetriebene Ölpumpe verwendet wird, schwankt der Versorgungsdruck je nach Motordrehzahl und Temperatur bzw. Viskosität des Öls. Auch weitere Verbraucher können eine Rolle spielen.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist eine Innennut vorgesehen, in welche die Kugel des Rückschlagventils beim Öffnen eintauchen kann. Die Innennut ermöglicht dabei einen großen Kugelhub und damit einen großen Öffnungsquerschnitt. Überdies wird mittels der Innennut verhindert, dass die Kugel die Kolbenlauffläche bzw. Innenseite der Buchse beschädigen kann.
Die Innennut kann in besonders vorteilhafter Weise axial zwischen den beiden Ventilabgängen bzw. Arbeitsanschlüssen vorgesehen sein. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Buchse als Zentralventil in Form einer Zentralschraube ausgeführt ist. Eine solche muss nämlich hohe Spannkräfte aufnehmen, was dann noch problematischer wird, wenn die Zentralschraube aus Aluminium gefertigt wird. Zwischen den beiden Ventilabgängen verursacht die Innennut keine Schwächung des minimalen Spannungsquerschnittes. Die Axialbelastbarkeit der Zentralschraube kann damit hoch gehalten werden.
Die Dichtringe sind zur Reibungsminimierung in besonders vorteilhafter Weise als Kolbenring ausgeführt.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen
1 einen Schwenkmotornockenwellenversteller in einer geschnittenen Ansicht und
2 in einem Halbschnitt ein Hydraulikventil zur Verstellung eines Schwenkmotornockenwellenverstellers gemäß 1.
Mit einem Schwenkmotornockenwellenversteller 114 gemäß 1 wird während des Betriebes eines Verbrennungsmotors die Winkellage an der Nockenwelle verändert. Durch Verdrehen der Nockenwelle werden die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile so verschoben, dass der Verbrennungsmotor bei der jeweiligen Drehzahl seine optimale Leistung bringt. Der Schwenkmotornockenwellenversteller 114 ermöglicht dabei eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Der Schwenkmotornockenwellenversteller 114 weist einen zylindrischen Stator 101 auf, der drehfest mit einem Antriebsrad 102 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Antriebsrad 102 ein Kettenrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Das Antriebsrad 102 kann aber auch ein Zahnriemenrad sein, über das ein Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. Über dieses Antriebselement und das Antriebsrad 102 ist der Stator 101 mit der Kurbelwelle antriebsverbunden.
Der Stator 101 umfasst einen zylindrischen Statorgrundkörper 103, an dessen Innenseite radial nach innen in gleichen Abständen Stege 104 abstehen. Zwischen benachbarten Stegen 104 werden Zwischenräume 105 gebildet, in die, über ein in 2 näher dargestelltes Hydraulikventil 1 gesteuert, Druckmedium eingebracht wird. Zwischen benachbarten Stegen 104 ragen Flügel 106, die radial nach außen von einer zylindrischen Rotornabe 107 eines Rotors 108 abstehen. Diese Flügel 106 unterteilen die Zwischenräume 105 zwischen den Stegen 104 jeweils in zwei Druckkammern 109 und 110.
Die Stege 104 liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der Außenmantelfläche der Rotornabe 107 an. Die Flügel 106 ihrerseits liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der zylindrischen Innenwand des Statorgrundkörpers 103 an.
Der Rotor 108 ist drehfest mit der nicht näher dargestellten Nockenwelle verbunden. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor 108 relativ zum Stator 101 gedreht. Hierzu wird je nach gewünschter Drehrichtung das Druckmedium in den Druckkammern 109 oder 110 unter Druck gesetzt, während die jeweils anderen Druckkammern 110 oder 109 zum Tank hin entlastet werden. Um den Rotor 108 gegenüber dem Stator 101 entgegen dem Uhrzeigersinn in die dargestellte Stellung zu verschwenken, werden vom Hydraulikventil 1 radiale Nabenbohrungen 111 in der Rotornabe 107 unter Druck gesetzt. Um den Rotor 108 hingegen im Uhrzeigersinn zu verschwenken, werden vom Hydraulikventil 1 weitere radiale Nabenbohrungen 113 in der Rotornabe 107 unter Druck gesetzt. Diese weiteren radialen Nabenbohrungen 113 sind axial und umfangsmäßig versetzt zu den erstgenannten Nabenbohrungen 111 angeordnet. Das Hydraulikventil 1 ist als sogenanntes Zentralventil in die Rotornabe 107 eingesteckt und mit der dahinter liegenden Nockenwelle verschraubt.
2 zeigt das Hydraulikventil 1 als Einzelteil für den Schwenkmotorversteller. Dieses Hydraulikventil 1 ist als Zentralventil 19 ausgeführt. Dieses Zentralventil 19 weist eine Buchse 18 auf, an deren einem Ende ein Außengewinde 20 und an deren anderem Ende ein Schraubenkopf 33 vorgesehen ist. Das Außengewinde 20 ist in die Nockenwelle einschraubbar, um den Rotor 108 gegen die Nockenwelle zu verspannen.
Das Zentralventil 19 weist einen axialen Versorgungsanschluss P auf, von dem aus der von einer nicht näher dargestellten Ölpumpe kommende Hydraulikdruck wechselweise auf einen ersten Ventilabgang A oder einen zweiten Ventilabgang B leitbar ist. Diese beiden Arbeitsanschlüsse A, B führen dabei in Ringnuten 31, 32 in der Rotornabe 107. Der erste Ventilabgang A führt dabei über die diesem zugeordnete erste Ringnut 31 in die besagten radialen Nabenbohrungen 111. Hingegen führt der zweite Ventilabgang B über die diesem zugeordnete 32 Ringnut in die weiteren Nabenbohrungen 113.
Es ist ein Hohlkolben 2 vorgesehen. An einer mit einem Einsatz 41 versehenen Stirnfläche 42 des Hohlkolbens 2 liegt ein Stößel eines elektromagnetischen Stellgliedes bzw. Zentralaktors an. Mit diesem nicht näher dargestellten elektromagnetischen Stellglied ist der Hohlkolben 2 axial verschiebbar. Der Hohlkolben 2 weist zwei Laufflächen 3, 4 auf. Diese Laufflächen 3, 4 sind innerhalb einer Längsbohrung 5 axialverschiebbar geführt. Somit ist ein innerhalb des Hohlkolbens 2 in einem Versorgungskanal 6 anstehender Versorgungsdruck P des Druckmediums wechselweise auf die beiden von der Längsbohrung 5 abgehenden Ventilabgänge A, B führbar. Die Laufflächen 3, 4 führen über Ablaufkanten 7, 8 zu einem Nutgrund 9, von dem Ausnehmungen 10 mit eingesetzten Rückschlagventilen 11 zum Versorgungskanal 6 führen. Die Rückschlagventile 11 schließen dabei in der radial von außen nach innen weisenden Richtung. Hingegen öffnen die Rückschlagventile 11 in der radial von innen nach außen weisenden Richtung. Die Ausnehmungen 10 mit den Rückschlagventilen 11 sind gleichmäßig am Umfang des Hohlkolbens 2 verteilt.
Die Ausnehmungen 10 weisen jeweils einen sich von der Ventillängslachse 12 radial nach außen erweiternden Ventilsitz 13 auf, in den eine Kugel 14 eingelegt ist. Diese Kugeln 14 steht über den Nutgrund 9 hinaus. Der Ventilsitz 13 ist radial nach außen konisch aufgeweitet. Die Kugeln 14 tauchen in einen Innenraum 22 innerhalb des Hohlkolbens 2 ein.
Die Längsbohrung 5 weist in einem Bereich zwischen den Ventilabgängen A, B eine Innennut 15 auf, die als Ausdrehung ausgeführt ist.
Die Innennut 15 läuft in deren axialer Erstreckung in Richtung auf die Ventilabgänge A, B über Schrägen 16, 17 aus.
Die Innennut 15 ermöglicht einen großen Kugelhub und damit einen großen Öffnungsquerschnitt. Überdies wird mittels der Innennut 15 verhindert, dass die Kugeln 14 die Kolbenlauffläche bzw. Innenseite der Buchse 18 beschädigen.
Die Innennut 15 ist axial zwischen den beiden Ventilabgängen A, B angeordnet.
Innerhalb des Hohlkolbens 2 ist eine buchsenfeste Hülse 21 eingesetzt, welche mittels zwei Dichtringen 34, 35 gegenüber der Innenseite des Hohlkolbens 2 abgedichtet ist. Die Dichtringe 34, 35 sind als verschleiß- und reibungsarme Kolbenringe ausgeführt und in um die Hülse 21 umlaufende Nuten eingesetzt. Diese Nuten sind in Rippenstegen 36, 37 eingedreht welche ein Radialspiel 38, 39 zu der Innenseite des Hohlkolbens 2 aufweisen. Zwischen den beiden Dichtringen 34, 35 wird eine Ringnut 23 gebildet. Diese Ringnut 23 führt in den Versorgungskanal 6 über eine Ausnehmung 40 in der buchsenfesten Hülse 21 und deren Innenraum 22. In die Ringnut 23 tauchen die Kugeln 14 ein.
Mit den Dichtringen 34, 35 wird der Spalt zwischen der Hülse 21 und dem Hohlkolben 2 überbrückt, ohne dass es zum Klemmen kommen kann.
Der innerhalb des Hohlkolbens 2 in den Versorgungskanal 6 anstehender Versorgungsdruck P ist zwar wechselweise auf die beiden von der Längsbohrung 5 abgehende Ventilabgänge A, B führbar. Jedoch wird in einer Mittelstellung des Hohlkolbens 2 über beide Ablaufkanten 7, 8 ein geringer Volumenstrom auf die beiden Ventilabgänge A, B geleitet, der Leckageverluste ausgleicht.
Die Innennut 15 muss nicht unbedingt in deren axialer Erstreckung in Richtung auf die Ventilabgänge A, B über Schrägen 16, 17 auslaufen. Es ist auch möglich, die Innennut über einen scharfen rechtwinkligen Absatz oder eine Kurve auslaufen zu lassen. Analog der Innennut 15 kann in einer alternativen Ausgestaltung auch der Nutgrund 9 zur Ablaufkante 7 bzw. 8 über eine Schräge und/oder eine Kurve führen.
In einer weiteren Ausführungsform kann außer dem Radialspiel auch ein begrenztes Axialspiel vorgesehen sein, das ein Verklemmen der gegeneinander beweglichen Teile zu verhindert bzw. Toleranzen auszugleichen. In dem Fall wäre die Hülse anders an der Buchse zu befestigen, als dargestellt.
Die Buchse 18 muss nicht als Zentralventil 19 bzw. Zentralschraube ausgeführt sein. Es ist auch möglich, den Hohlkolben 2 unmittelbar in einer gebauten Nockenwelle zu führen. Bei einer gebauten Nockenwelle ist der Grundkörper der Nockenwelle ein Hohlrohr, auf das Nocken aufgeschrumpft bzw. aufgepresst sind. In diesem Fall kann auch die Innennut 15 innerhalb des Hohlrohrs der gebauten Nockenwelle ausgedreht sein.
Das Hydraulikventil 1 muss nicht mit einer Hülse 21 ausgeführt sein. Es ist auch möglich, auf die Hülse 21 zu verzichten.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1596039 B1 [0002]
DE 102007012967 B4 [0003, 0008]
DE 8001135 U1 [0004]
US 1054794 [0005]
DE 102010019005 [0011]

Claims

Hydraulikventil (1) für einen Schwenkmotornockenwellenversteller mit einem Hohlkolben (2), der zwei Laufflächen (3, 4) aufweist, die innerhalb einer Längsbohrung (5) axialverschiebbar geführt sind, so dass ein innerhalb des Hohlkolbens (2) in einem Versorgungskanal (6) anstehender Versorgungsdruck (P) wechselweise auf zwei von der Längsbohrung (5) abgehende Ventilabgänge (A, B) führbar ist, wobei die Laufflächen (3, 4) über Ablaufkanten (7, 8) zu einem Nutgrund (9) führen, von dem eine Ausnehmung (10) mit eingesetztem Rückschlagventil (11) zum Versorgungskanal (6) führt, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung (10) einen sich von einer Ventillängslachse (12) radial nach außen erweiternden Ventilsitz (13) aufweist, in den eine Kugel (14) eingelegt ist, die über den Nutgrund (9) hinaus steht.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilsitz (13) radial nach außen konisch aufgeweitet ist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugel (14) in einen Innenraum (22) innerhalb des Hohlkolbens (2) eintaucht.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbohrung (5) in einem Bereich zwischen den Ventilabgängen (A, B) eine Innennut (15) aufweist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Innennut (15) eine Ausdrehung ist, die axial zwischen den beiden Ventilabgänge (A, B) angeordnet ist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die Innennut (15) in deren axialer Erstreckung in Richtung auf die Ventilabgänge (A, B) über zumindest eine Schräge (16 bzw. 17) oder Kurve ausläuft.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsbohrung (5) innerhalb einer Buchse (18) gebohrt ist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Buchse (18) einem Zentralventil (19) zugehörig ist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Zentralventil (19) ein Außengewinde (20) aufweist, mit dem das Zentralventil (19) in eine Nockenwelle einschraubbar ist.
Hydraulikventil nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Hohlkolbens (2) eine buchsenfeste Hülse (21) eingesetzt ist, welche mittels zwei Dichtringen (34, 35) gegenüber der Innenseite des Hohlkolbens (2) abgedichtet ist, wobei zwischen den beiden Dichtringen (34, 35) eine Ringnut (23) gebildet wird, die den Versorgungskanal (6) über eine Ausnehmung (40) in der buchsenfesten Hülse (21) und deren Innenraum (22) führt.