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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 und ein Verfahren
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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Die
DE 43 00 441 C1 zeigt
ein Getriebeentlüftungsventil,
das neben einer Entlüftungsfunktion mithilfe
einer elastischen Ventillippe, die Öffnungen verdeckt, auch eine
Belüftungsfunktion
bietet. Diese Teile sind unterhalb der für die Entlüftungsfunktion wesentlichen
Teile angeordnet, wobei durch diese Anordnung dazwischen ein Auffangraum
für ausgetretenes Öl bereitgestellt
wird.
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Die
WO2006/134588 A1 zeigt
ein Ventil für eine
Fahrzeugtreibstoffleitung mit einer elastischen Hülse mit
einem L-Profil, die eine zweite Durchströmungsrichtung ab einem bestimmten
Druckschwellenwert freigibt.
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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 flächen 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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Schließlich richtet
sich die Erfindung auch auf ein entsprechendes Verfahren zum Entlüften.
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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 alle
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. 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 nachführt.
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 und
die Verfahrenskategorie 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.
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Die
radial äußersten
Bereiche der Sechskantabschnitte 4b und 4c sind
mit einem geringfügig kleineren
Krümmungsradius
als die entsprechenden Abschnitte der Innenmantelfläche 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 aneinander, 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 notwendigerweise 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.