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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Ventil mit einem Ventilschließkörper und einem in Längsrichtung zum Ventilschließkörper angeordneten Ventilsitz für eine Kolbenpumpe, bei dem der Ventilschließkörper einen zylindrischen Führungsabschnitt und in Längsrichtung zum zylindrischen Führungsabschnitt einen zum Ventilsitz hin orientierten kalottenförmigen Dichtabschnitt zum wahlweise Verschließen und Öffnen einer vom Ventilsitz eingefassten Öffnung aufweist. Ferner betrifft die Erfindung eine Kolbenpumpe mit einem solchen Ventil für ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem sowie die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils.
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Stand der Technik
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Ventile werden im Stand der Technik in vielfältiger Weise in Kolbenpumpen von Hydrauliksystemen, insbesondere von Fahrzeugbremssystemen verwendet (
DE 39 07 969 A1 und
DE 10 2006 048 903 A1 ). In diesen Bremssystemen steuern Kolbenpumpen nicht nur den Druck in Radbremszylindern, sondern dienen beim Antiblockiersystem (ABS) z. B. zur Rückförderung von Bremsflüssigkeit aus einem Radbremszylindern in einen Hauptbremszylinder. ABS wird häufig mit einer Antischlupfregelung (ASR) kombiniert, bei der ebenso ventilregulierte Kolbenpumpen eingesetzt werden. Auch das elektronische Stabilitätsprogramm (ESP), das die Querdynamik des Fahrzeugs durch gezieltes Abbremsen einzelner Räder positiv beeinflusst, verwendet ventilregulierte Kolbenpumpen.
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Die in Kolbenpumpen von Fahrzeugbremssystemen verwendeten Ein- und Auslassventile steuern die Flüssigkeitsströmungsrichtung durch die Pumpe und sind in der Regel als federbeaufschlagte Rückschlagventile ausgebildet. Sie umfassen einen Dichtkörper in Form einer Kugel und einen an die Kugelform des Dichtkörpers angepassten Ventilsitz. Erhöht sich der Druck in der Kolbenpumpe, öffnet sich das Ventil, indem die Kugel aus dem Ventilsitz gedrückt wird, und die Flüssigkeit strömt um die Kugel herum in eine dem Ventil nachgeschaltete Ventilkammer.
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Strömt Flüssigkeit durch das Ventil, erzeugen hohe Kompressions- und Expansionskräfte, die insbesondere in Hochdruckpumpen von Bremsanlagen wirken, aufgrund verschiedener Ursachen unerwünschte Schwingungen und Geräusche. Beispielsweise treten unerwünschte Geräusche beim Öffnen des Ventils auf, wenn sich Toleranzen der einzelnen Bauteile addieren, insbesondere durch ein räumliches Spiel des Ventilschließkörpers. Um diese Geräuschbildungen zu verringern, ist in der
DE 10 2006 027 555 A1 ein Auslassventil beschrieben, das einen Ventilschließkörper und ein separates Scheibenelement aufweist, an dem ein Ventilsitz angeordnet ist. Durch die Verwendung des Scheibenelements soll sichergestellt werden, dass Bauteiltoleranzen verschiedener Bauteile der Kolbenpumpe sich nicht negativ auf die Geräuschentwicklung beim Öffnen oder Schließen des Auslassventils auswirken können.
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Neben den Bauteiltoleranzen entstehen unerwünschte Schwingungen und Geräusche durch turbulente Strömungen um den Ventilschließkörper des geöffneten Auslassventils. Diese Strömungen lenken den Ventilschließkörper undefiniert in radiale Richtung, sodass er gegen die Innenwand der Ventilkammer stößt. Zudem entstehen beim Öffnen des Ventils Druckpulsationen, indem Druckwellen sich beim Abheben des Ventilschließkörpers vom Ventilsitz fortpflanzen und in der Ventilkammer reflektiert werden. Diese Druckpulsationen versetzen den Ventilschließkörper nicht nur in Schwingung, sondern verursachen erhebliche Geräusche und belasten mechanisch die Kolbenpumpe und die mit ihr kommunizierenden hydraulischen Bauteile.
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Es ist eine Aufgabe der Erfindung ein Ventil mit einem optimierten Schwingungsverhalten beim Öffnen und Schließen bereitzustellen, wodurch eine mechanische Belastung der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile verringert wird.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe ist erfindungsgemäß mit einem Ventil gemäß Anspruch 1, einer Kolbenpumpe gemäß Anspruch 9 und einer Verwendung eines Ventils gemäß Anspruch 10 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß ist ein Ventil mit einem Ventilschließkörper und einem in Längsrichtung zum Ventilschließkörper angeordneten Ventilsitz für eine Kolbenpumpe geschaffen, bei dem der Ventilschließkörper einen zylindrischen Führungsabschnitt und in Längsrichtung zum zylindrischen Führungsabschnitt einen zum Ventilsitz hin orientierten kalottenförmigen Dichtabschnitt zum wahlweise Verschließen und Öffnen einer vom Ventilsitz eingefassten Öffnung aufweist. Im Ventilschließkörper ist mindestens ein Verschlusselement in Fließrichtung beweglich eingefügt, sodass beim Öffnen des Ventils ein Flüssigkeitsstrom aus der Öffnung den Ventilschließkörper und das Verschlusselement in Fließrichtung bewegt.
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Unter Fließrichtung wird die Richtungen verstanden, in welche die Flüssigkeit strömt, die aus der vom Ventilsitz eingefassten Öffnung austritt sowie Abweichungen davon von bis zu 60°, vorzugsweise 45° oder weniger.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, das Schwingungsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils zu verbessern, indem der Öffnungsimpuls des Ventilschließkörpers beim Öffnen des Ventils reduziert wird, sodass ein Überschwingen des Ventilschließkörpers verhindert wird. Um den Öffnungsimpuls zu reduzieren, wird im Ventilschließkörper ein zweiter schneller und dynamischer Öffnungs- bzw. Schließmechanismus in Form des in Fließrichtung beweglich gelagerten Verschlusselements eingefügt, das parallel zum Ventilschließkörper geschaltet ist. Zu Beginn eines Öffnungsvorgangs des Ventils öffnet das Verschlusselement zeitgleich oder vorzugsweise vor dem Ventilschließkörper als erste Stufe und wird vom Impuls des Flüssigkeitsstroms, der aus der vom Ventilsitz eingefassten Öffnung austritt, in Fließrichtung bewegt. Der Ventilschließkörper öffnet vorzugsweise nach dem Verschlusselement als zweite Stufe, sodass ein Teil des Öffnungsimpulses durch die erste Öffnungsstufe, d. h. das Verschlusselement, bereits aufgefangen ist und der Hub des Schliesskörpers verringert wird. Dadurch werden Druckpulsationen, die z. B. durch reflektierte Stoßwellen verursacht werden, sowie plötzliche abrupte Kraft- und Druckänderungen im Antriebsstrang einer Kolbenpumpe vermieden. Die den Druckpulsationen und abrupten Druckänderungen folgenden Geräuschemissionen, die sich als Körperschall auf tragende Bauteile fortpflanzen und schwierig zu dämpfen sind, werden durch das erfindungsgemäße Ventil minimiert. Darüber hinaus wird eine mechanische Belastung der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile durch die gedämpften Schwingungen des Ventilschließkörpers reduziert.
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Ferner wird das Schwingungsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils minimiert, indem der Ventilschließkörpers des erfindungsgemäßen Ventils beim Öffnen mittels des zylindrischen Führungsabschnitts definiert geführt wird. Durch das definierte Führen und die verringerte Schwingung des Ventilschließkörpers werden Druckpulsationen, Geräuschemissionen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile reduziert. Darüber hinaus kann der Führungsabschnitt durch seine Längserstreckung als Hubbegrenzung dienen, sodass der Verstellweg des Ventilschließkörpers bei jeder Öffnungsbewegung definiert und konstant ist.
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Das erfindungsgemäße Ventil hat ferner den Vorteil, dass es in der Herstellung kostengünstig ist. Der Ventilschließkörper sowie das Verschlusselement sind wahlweise als Kunststoffspritzteil oder Stahlumformteil bzw. Stahlkörper in großer Stückzahl schnell und einfach und daher billig produzierbar. Kunststoffspritzteile sind nur geringfügig toleranzbehaftet und lassen sich mittels des Spritzgussverfahrens als wirtschaftlich direkt verwendbare Formteile herstellen. Aufgrund der Kalottenform des Dichtabschnitts und der zylindrischen Form des Führungsabschnitts muss die Formgebung einer herkömmlichen Kolbenpumpe nicht verändert werden, um das erfindungsgemäße Ventil aufzunehmen. Durch die Zylinderform des Führungsabschnitts kann der Ventilschließkörper auf einfache Weise in ein gebohrtes oder gefrästes Sackloch oder einen Verschlussdeckel einer Kolbenpumpe integriert werden.
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Der kalottenförmige Dichtabschnitt weist zum Abdichten einer vom Ventilsitz eingefassten Öffnung eine Oberfläche auf, die zumindest abschnittsweise in zwei Dimensionen gewölbt ist. Als Kalottenform wird dabei die Form einer Kugel, eines Ellipsoids oder eines Kegels definiert. Die gewölbte Oberfläche wirkt mit dem z. B. als Innenkegelsitz ausgebildeten Ventilsitz so zusammen, dass beim am Ventilsitz anliegenden Dichtabschnitt eine kreisringförmige Dichtfläche oder Dichtlinie erhalten wird.
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Der Ventilschließkörper mit dem kalottenförmigen Dichtabschnitt hat gegenüber einem kugelförmigen Ventilschließkörper den Vorteil, dass der Öffnungsquerschnitt der Kalotte im Vergleich zur Kugel stärker vergrößert werden kann. Der doppelte Krümmungsradius der Kalottenform des Dichtabschnitts, d. h. der gewölbten Oberfläche des Dichtabschnitts, kann daher größer sein als der Durchmesser des Führungsabschnitts des Ventilschließkörpers.
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Das Verschlusselement kann vorzugsweise als rund geformter Körper, z. B. als Kugel, Kalotte, Ellipsoid, eiförmiger Körper, Kegel oder Stößel ausgebildet sein.
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Gemäß einer ersten vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist das Verschlusselement in einer beidseits offenen hohlzylindrischen Aussparung angeordnet, deren Mündung für das Verschlusselement versperrt bzw. unpassierbar ist. In der leicht herzustellenden hohlzylindrischen Aussparung wird beim Öffnen des Ventils das Verschlusselement mittels des Flüssigkeitsstroms bewegt, der aus der vom Ventilsitz eingefassten Öffnung austritt. Durch die Längsausdehnung der hohlzylindrischen Aussparung ergibt sich ein Weg, auf dem das Verschlusselement den Impuls in kinetische Energie umwandeln kann und auf dem ein Teil des Impulses abgebaut wird. Aus strömungstechnischen Gründen ist die Aussparung vorzugsweise in Längsrichtung des Führungsabschnitts orientiert.
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Die Mündung der hohlzylindrischen Aussparung ist für das Verschlusselement, z. B. durch eine Verengung der Mündung oder des Aussparungsendabschnitts oder durch eine Rückstellfeder versperrt, sodass das Verschlusselement die hohlzylindrische Aussparung nicht verlassen kann und durch den Flüssigkeitsstrom nicht aus ihr heraus getrieben werden kann.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist die Mündung der Aussparung durch mindestens ein in die Mündung ragendes Häkchen versperrt. Beim Öffnen des Ventils wird das Verschlusselement mittels des Flüssigkeitsstroms, der aus der vom Ventilsitz eingefassten Öffnung austritt, in der hohlzylindrischen Aussparung bewegt. An der versperrten Mündung der Aussparung wird diese kinetische Energie des Verschlusselements als Impuls auf den Ventilschließkörper übertragen. Mit dem mindestens einen Häkchen ist das Verschlusselement elastisch in der Aussparung gelagert, sodass der Impuls, den das sich bewegende Verschlusselements auf den Ventilschließkörper überträgt, gedämpft und von dem mindestens einen Häkchen dynamisch abgefangen wird. Durch das Dämpfen des Impulses werden Geräuschemissionen vermieden und mechanische Belastungen des Ventilschließkörpers verringert. Zudem kann das Verschlusselement durch Verrasten hinter dem mindestens einen Häkchen einfach und kostengünstig im Ventilschließkörper montiert werden.
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Gemäß einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ventils ist/sind der Ventilschließkörper und/oder das Verschlusselement aus Kunststoff, d. h. als Kunststoffkomponenten gestaltet. Dadurch ist die Masse des Ventilschließkörpers und/oder des Verschlusselements um ein Vielfaches (ca. 10-faches) geringer als wenn vergleichsweise Stahl als Werkstoff verwendet wird. Der Öffnungsimpuls der leichteren Kunststoffkomponenten wird beim Öffnen des Ventils weiter reduziert, sodass ein Überschwingen des Ventilschließkörpers und geräuschvolle Druckpulsationen durch reflektierte Stoßwellen verhindert werden. Plötzliche Kraft- und Druckänderungen am Ventil und die daraus folgenden Geräuschemissionen werden ebenso durch die leichteren Kunststoffkomponenten vermieden. Insgesamt wird auch eine mechanische Belastung der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile durch das verbesserte Schwingungsverhalten des Ventils mittels der Kunststoffkomponenten weiter reduziert. Darüber hinaus wird durch die Kunststoffkomponenten das Verschleißverhalten am Ventilsitz bzw. am Ventilschließkörper optimiert, wodurch eine verbesserte Dichtheit des Ventils über die Lebensdauer der Kolbenpumpe erhalten wird.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen Ventils weist der Führungsabschnitt einen hohlzylindrischen Innenraum auf, in dem eine Rückstellfeder axial angeordnet ist. Die mit dem Ventilschließkörper zusammenwirkende Rückstellfeder liegt zumindest abschnittsweise innerhalb des Führungsabschnitts. Dadurch wird der Bauraum in einer Kolbenpumpe vom erfindungsgemäßen Ventil besser ausgenutzt, sodass die Größe der Kolbenpumpe reduziert oder der Bauraum anderweitig verwendet werden kann.
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Durch den hohlzylindrischen Innenraum des Führungsabschnitts wird die Masse des Ventilschließkörpers nochmals verringert, sodass die Schwingung des Ventilschließkörpers weiter minimiert wird und Druckpulsationen verhindert werden.
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Dadurch werden Geräuschemissionen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil kommunizierenden Bauteile weiter verringert.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Führungsabschnitt mindestens einen Führungssteg zum Halten des Ventilschließkörpers aufweist. Die Führungsstege sind vorzugsweise gleichmäßig über den Umfang des Führungsabschnitts verteilt und verlaufen in axialer Richtung des Führungsabschnitts. Zur stabileren Führung verlaufen sie vorzugsweise über die annähernd gesamte Axialerstreckung des Führungsabschnitts.
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In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist der Führungsabschnitt in Längsrichtung länger als der größte Durchmesser des Dichtabschnitts. Durch die verlängerte Führung des Ventilschließkörpers wird der Ventilschließkörper stabiler gelagert.
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Durch die stabile Führung mittels der Führungsstege und/oder die stabile Lagerung mittels des verlängerten Führungsabschnitts reduziert sich die Schwingung des Ventilschließkörpers weiter, sodass Druckpulsationen, Geräuschentwicklungen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil korrespondierenden Bauteile weiter verringert werden.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform weist das erfindungsgemäße Ventil ein Gehäuse auf, das den Ventilschließkörper aufnimmt. Eine Abströmöffnung ist bevorzugt in Fließrichtung hinter dem Ventil ausgebildet. Vorteilhafterweise wird eine Strömung jedoch auf Höhe des Dichtelements zwischen einer Gehäuseaußenwand und einer an das Gehäuse angrenzenden äußeren Zylindergrundfläche, in welcher der Ventilsitz ausgebildet ist, abgeleitet. Vorzugsweise ist die Abströmöffnung eine ins Gehäuse eingeprägte radiale Nut.
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Die Erfindung betrifft ebenso eine Kolbenpumpe mit einem erfindungsgemäßen Ventil für ein Hydraulik- oder Pneumatiksystem. Die Kolbenpumpe weist neben einem Kolben, einem Ventil, einem Zu- und Ablauf mindestens ein erfindungsgemäßes Ventil auf. Durch das optimierte Schwingungsverhalten des Ventils der Kolbenpumpe werden Druckpulsationen, Geräuschentwicklungen und die mechanische Belastungen der mit dem Ventil korrespondierenden Bauteile reduziert. Sie eignet sich daher vorzugsweise für Hochdrucksysteme und wird z. B. in Bremssystemen von Kraftfahrzeugen, wie ABS, ASP und ESP eingesetzt. Während eines Pumpenhubes der Kolbenpumpe wird der Ventilschließkörper aus dem Ventilsitz gehoben, sodass Hydraulikmedium aus einem Kompressionsraum der Pumpe entweicht, den Ventilschließkörper umströmt und über eine Abströmöffnung entweichen kann.
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Ferner betrifft die Erfindung die Verwendung des erfindungsgemäßen Ventils zur Reduktion von Druckpulsationen und/oder Geräuschentwicklungen, insbesondere in einem Hydraulik- oder Pneumatiksystem, wobei ein erster Impuls des Flüssigkeitsstroms aus der vom Ventilsitz eingefassten Öffnung auf das Verschlusselement des Ventils übertragen wird. Auf den den Ventilsitz verschließenden geräusch und pulsationsanfälligen Ventilschließkörper wird nur der zweite Teil des Impulses übertragen. Das Schwingungsverhalten des erfindungsgemäßen Ventils wird ferner verbessert, indem der Ventilschließkörper beim Öffnen mittels des zylindrischen Führungsabschnitts definiert geführt wird. Durch das verringerte Schwingen des Ventilschließkörpers werden Druckpulsationen, Geräuschemissionen und mechanische Belastungen der mit dem Ventil kommunizierenden hydraulischen oder pneumatischen Bauteile reduziert. Das erfindungsgemäße Ventil wird zur Reduktion von Druckpulsationen und/oder Geräuschentwicklungen bevorzugt in Druck-, Saug- und Kolbenpumpen sowie in Hochdrucksystemen, z. B. Bremssystemen von Kraftfahrzeugen, wie ABS, ASP und ESP verwendet.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
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1 einen Längsschnitt eines Ventilschließkörpers mit eingefügtem Verschlusselement,
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2 die Rückansicht II gemäß 1,
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3 die Vorderansicht III gemäß 1,
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4 eine perspektivische Rückansicht des Ventilschließkörpers gemäß 1 und
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5 einen Längsschnittansicht eines Ventils mit einem Ventilschließkörper gemäß den 1 bis 4.
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Die 1 bis 4 zeigen einen Ventilschließkörper 10 mit darin eingefügtem kugelförmigem Verschlusselement 12. Der Ventilschließkörper 10 ist aus einem kreiszylindrischen Führungsabschnitt 14 und in Längsrichtung zum zylindrischen Führungsabschnitt einem kalottenförmigen Dichtabschnitt 16 gebildet, dessen Dichtfläche kugelförmig ist. Im Führungsabschnitt 14 ist ein hohlzylindrischer Innenraum 18 gestaltet. Der Ventilschließkörper 10 weist ferner eine parallel zur Längsachse des Führungsabschnitts 14 ausgerichtete beidseits offene bzw. durchgehende zylindrische Aussparung 20 in Form einer kreiszylindrischen Bohrung auf. Die Aussparung 20 mündet einerseits zentral im Dichtabschnitt 16 und andererseits zentral im Innenraum 18 des Führungsabschnitts 14. Inder Aussparung 20 ist das Verschlusselement 12 angeordnet, welches als erste Stufe des Verschlussmechanismus wirkt. Die zum Dichtabschnitt 16 orientierte Mündung der Aussparung 20 ist durch einen verengten Radius des Endabschnitts der Aussparung 20 versperrt. Die zum Führungsabschnitt 14 orientierte Mündung der Aussparung 20 ist durch drei blattfederartige Hakenelemente bzw. Häkchen 22 versperrt, die einen Impuls des Verschlusselements 12 dynamisch abfedern.
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4 zeigt ein Ventil 24 mit einem Gehäuse 26 sowie einem konusförmigen Ventilsitz 28 eines Zylinders 30. Der Ventilsitz 28 fasst kreisförmig eine Öffnung 32 des Zylinders 30 ein. In dem Gehäuse 26 ist der Ventilschließkörper 10 inklusive des Verschlusselements 12 des Ausführungsbeispiels aus 1 bis 3 aufgenommen. Dabei ist der Dichtabschnitt 16 des Ventilschließkörpers 10 dem Dichtsitz 28 am Zylinder 30 zugewandt. An den Dichtabschnitt 16 schließt in axialer Richtung vom Zylinder 30 weg der Führungsabschnitt 14 an.
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Innerhalb des Gehäuses 26 des Ventils 24 ist zentrisch ein Sackloch als Ventilkammer ausgebildet. In diesem Sackloch sind der Ventilschließkörper 10 und eine Rückstellfeder 34 als Schraubendruckfeder angeordnet. Die Rückstellfeder 34 stützt sich an einem Ende am Grund des Sacklochs ab und ragt am anderen Ende axial in den hohlzylindrischen Innenraum 18 des Führungsabschnitts 14 des Ventilschließkörpers 10 hinein. Durch die Rückstellfeder 34 wird der Ventilschließkörper 10 gegen den Ventilsitz 28 vorgespannt.
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Beim Öffnen des Ventils 24 durch den Druck eines Flüssigkeitsstroms aus der Öffnung 32 des Zylinders 30 öffnet sich in einer ersten Stufe das kugelförmige Verschlusselement 12. Das Verschlusselement 12 wird in der Aussparung 20 zu der dem Ventilsitz 28 abgewandten Aussparungsmündung gedrängt bzw. getrieben, wo es von den Häkchen 22 dynamisch gestoppt wird. Dies hat zur Folge, dass der Öffnungsimpuls des Ventils 24 deutlich reduziert ist, dessen Geräuschverhalten somit optimiert wird und die mit dem Ventil 24 kommunizierenden Bauteile mechanisch weniger belastet werden.
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In der zweiten Stufe des Öffnens des Ventils 24 öffnet der Ventilschließkörper 10, d. h. er wird vom Ventilsitz 28 abgehoben. Die Flüssigkeit strömt aus der Öffnung 32 des Zylinders 30 am Dichtabschnitt 16 vorbei und wird über eine radiale Nut 36 zwischen der Stirnseite des Gehäuses 26 und der Stirnseite des Zylinders 30 abgeleitet.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3907969 A1 [0002]
- DE 102006048903 A1 [0002]
- DE 102006027555 A1 [0004]