-
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Steuerschieber eines Hydraulikventils gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Insbesondere Proportionalwegeventile enthalten einen axial verschiebbaren Steuerschieber in Form eines zylindrischen Kolbens, an dessen Mantelfläche so genannte Steuerfenster eingearbeitet sind. Hierbei handelt es sich um nutenförmige Einkerbungen, die sich in Axialrichtung des Steuerschiebers erstrecken und zum feingesteuerten Öffnen/Schließen von Bohrungen im Ventilgehäuse dienen.
-
Aus dem Stand der Technik sind allgemein Steuerschieber insbesondere für Proportionalwegeventile bekannt, die derartige Steuerfenster aufweisen.
-
Für eine Feinsteuerung ist der bekannte Steuerschieber mit Steuerfenstern vorbestimmter Kontur ausgebildet, die als Längsnuten an der äußeren Mantelfläche des Steuerschiebers angeordnet sind. Diese Längsnuten werden gemäß einem hausinternen Stand der Technik mittels eines Zylinderfräsers hergestellt und erhalten demzufolge an ihren jeweiligen axialen Endbereichen eine halbkreisförmige Kontur.
-
Die Leistung und die Qualität eines Hydraulikventils und insbesondere eines Proportionalwegeventils wird u. a. nach dessen dynamischer (hydraulischer) Leistungsgrenze beurteilt. Diese Leistungsgrenze ergibt sich aus dem Produkt aus Volumenstrom und Betriebsdruck. Konkreter ausgedrückt, muss beim Einschalten die aufzuwendende Betätigungskraft die vorstehend genannte Federkraft und die im Ventil entstehende Axialkraft überwinden. Diese setzt sich demzufolge aus den Anteilen „Massenkraft”, „Zähigkeitskraft”, „Strömungskraft” und „Widerstandskraft” zusammen.
-
Die Anmelderin hat nunmehr herausgefunden, dass insbesondere die Formgebung vorstehend genannter Steuerfenster an dem Steuerschieber erheblichen Einfluss auf die hydraulische Leistungsgrenze beispielsweise eines Proportionaiwegeventils ausüben. Es hat sich dabei gezeigt, dass die bis dato mit Zylinderfräsen ausgebildeten Steuerfenster auch aufgrund scharfer Kanten an den axialen Endbereichen der Steuerfenster ungünstige Strömungsverhältnisse bewirken und damit sehr hohe Strömungskräfte erzeugen. Diese gehen nachhaltig in die Berechnung der hydraulischen Leistungsgrenze negativ ein und führen demzufolge zu deren Verringerung.
-
Angesichts dieser von der Anmelderin erkannten Problematik ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die hydraulische Leistungsgrenze von Wegeschieberventilen und insbesondere von Proportionalwegeventilen zu steigern.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Steuerschieber eines Wegeschieberventils mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind dabei Gegenstand der Unteransprüche.
-
Der Erfindungsgegenstand betrifft demzufolge den vorzugsweise kolbenförmigen Steuerschieber eines Wegeschieberventils mit zumindest einer Umfangseindrehung oder Umfangsnut, die axial von einem Wellenabsatz oder Radialvorsprung am Steuerschieber begrenzt ist, in dem ein Steuerfenster als Feinsteuerabschnitt ausgebildet ist. Das Steuerfenster hat zumindest eine Axialnut, die in den Wellenabsatz eingearbeitet ist. Diese zumindest eine Axialnut hat zumindest abschnittsweise einen sphärischen Querschnitt. Vorzugsweise ist die zumindest eine Axialnut mittels eines Kugelfräsers hergestellt und wird nachfolgend auch als Ausfräsung bezeichnet.
-
Durch diese besondere Nutenform kann die Strömungsführung am vorzugsweise kolbenförmigen Steuerschieber optimiert werden. Dies führt nachweislich zu einer Steigerung der hydraulische Leistungsgrenze des betreffenden Wegeventils, vorzugsweise ein Proportionalwegeventil. Letzteres erlaubt die Herstellung größerer Steuerflächen am Steuerschieber.
-
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung sind eine Mehrzahl von Axialnuten (vorzugsweise vier Axialnuten) im gleichen Winkelabstand zueinander in den jeweiligen Wellenabsatz des Steuerschiebers eingearbeitet. Hierdurch kann die Feinsteuerbarkeit des Ventils verbessert werden.
-
Die Erfindung wird nachstehend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen näher erläutert.
-
Es zeigen
-
1 die Prinzipskizze eines Steuerschiebers für ein Wegeschieberventil gemäß dem hausinternen Stand der Technik als Referenzdarstellung und
-
2 die Prinzipskizze des Steuerschiebers gemäß 1 jedoch mit erfindungsgemäßen Steuerfenstern.
-
Wie aus den 1 und 2 zu entnehmen ist, hat der vorliegende Steuerschieber eines nicht weiter dargestellten Wegeschieberventils, vorzugsweise eines Proportionalwegeventils die Form eines Kolbens, dessen Außen- bzw. Mantelflächenkontur nachfolgend von links nach rechts in den Figuren beschrieben wird.
-
Demzufolge hat der Steuerschieber von seiner in den Figuren linken Stirnseite ausgehend einen axial sich erstreckenden ersten Kolbenabschnitt 1 in Form einer auf einen geringeren Durchmesser gearbeiteten Eindrehung, in dem eine axial sich erstreckende, im Querschnitt rechteckige Nut 2 ausgefräst ist. Diese Nut 2 dient beim Einbau des Steuerschiebers in ein Ventilgehäuse als eine Positionier-/Verdrehsicherung und gewährleistet eine Axialbewegung des Steuerschiebers.
-
Daran sich anschließend ist ein erster Wellenabsatz 4 ausgebildet, der in einem ersten Kolbenabschnitt mit größerem Durchmesser 6 fortgeführt ist.
-
An den ersten großdurchmessrigen Kolbenabschnitt 6 grenzt ein kegelförmig sich verjüngender Teilabschnitt 8a an, der in einen zweiten zylindrischen Teilabschnitt 8b mit geringem Kolbendurchmesser übergeht, der wiederum von einem zweiten Wellenabsatz 12 mit größerem Durchmesser axial begrenzt wird. In diesen Wellenabsatz 12 ist ein erstes Steuerfenster als Feinsteuerabschnitt 8 bestehend aus vier im Umfangsrichtung des Kolbens gleichmäßig beabstandeten Ausfräsungen 10 eingearbeitet, die sich über eine vorbestimmte Axialstrecke 8c am Kolben in die unmittelbar an den zweiten zylinderischen Teilabschnitt 8b angrenzenden zweiten Wellenabsatz 12 des Steuerschiebers hinein erstrecken.
-
Im Axialabstand zum zweiten Wellenabsatz 12 ist ein dritter Wellenabsatz 14 am Kolben ausgebildet, der vom zweiten Wellenabsatz 12 durch eine Umfangsnut 16 vorbestimmter Breite beabstandet ist. In diesem dritten Wellenabsatz 14 sind ebenfalls vier, gleichmäßig Winkel beabstandete Längsausfräsungen 18 eingearbeitet, die demzufolge ein zweites Steuerfenster als Feinsteuerabschnitt 20 am dritten Wellenabsatz 14 definieren und sich eine vorbestimmte Axialstrecke 20a ausdehnen. Das zweite Steuerfenster 20 geht axial in einen zylindrischen Mittenteilabschnitt 20b mit geringem Kolbendurchmesser über, an den sich ein vierter Wellenabsatz 22 mit vier eingearbeiteten Längsausfräsungen 24 anschließt, die sich über eine bestimmte Axiallänge 20c in den vierten Wellenabsatz 22 erstrecken und dabei ein drittes Steuerfenster 21 bilden.
-
Im Axialabstand zum vierten Wellenabsatz 22 ist ein fünfter Wellenabsatz 26 ausgebildet, der vom vierten Wellenabsatz 22 durch eine Umfangsnut 28 beabstandet ist. In diesem fünften Wellenabsatz 26 sind erneut vier, gleichmäßig Winkel beabstandete Längsausfräsungen 30 mit vorbestimmter Axiallänge 30a ausgeformt, die ein weiteres viertes Steuerfenster als Feinsteuerabschnitt 32 definieren. An dieses vierte Steuerfenster 32 schließt sich axial eine kegelförmige Aufweitung 34 an, die in einen sechsten-Wellenabsatz 36 mit größerem Kolbendurchmesser übergeht, der von einer Eindrehung 38 mit geringerem Durchmesser begrenzt wird. Diese Eindrehung 38 erstreckt sich schließlich axial bis zur in der Figur rechten Stirnseite 40 des Steuerschiebers.
-
Wie insbesondere aus der Schnittdarstellung A-A in 1 gut zu erkennen ist, sind die Längsausfräsungen 10, 18, 24, 30 des Vergleichssteuerschiebers im Querschnitt rechteckig ausgebildet, mit einem geraden (ebenen) Nutengrund und senkrecht hierzu stehenden Nutenwänden. Die axialen Enden jeder Ausfräsung bildet somit ein in Axialrichtung gekrümmter Halbkreis. Dieses Konstruktionsmerkmal lässt erkennen, dass die Längsausfräsungen 10, 18, 24, 30 mittels eines Zylinderfräsers ausgeführt sind.
-
In der 2 ist nunmehr ein Steuerschieber gemäß der Erfindung mit zur 1 im Wesentlichen gleichen Konstruktion gezeigt. Bei diesem Steuerschieber weisen jedoch die Längsausfräsungen 10, 18, 24, 30 eine zur 1 unterschiedliche (Querschnitts-) Form auf.
-
Wie insbesondere in der Schnittdarstellung A-A gemäß der 2 zu entnehmen ist, ist der Nutengrund jeder Längsausfräsung 10, 18, 24, 30 im Querschnitt nicht gerade (eben) wie im Referenzsteuerschieber gemäß 1, sondern teilkreisförmig. Gleiches gilt auch für die Nutenwände der erfindungsgemäßen Ausfräsungen 10, 18, 24, 30. Hierdurch entsteht ein trogförmiger Querschnitt für die Ausfräsungen. Die Teilkreisform des Querschnitts der Ausfräsungen 10, 18, 24, 30 ergibt sich durch die Verwendung eines Kugelfräsers anstelle eines Zylinderfräsers, der bei der Bearbeitung des Steuerschiebers in dessen Axialrichtung bewegt wird.
-
Dabei ergeben sich zwangsläufig an den jeweiligen axialen Enden der Ausfräsungen 10, 18, 24, 30 sphärische Ausnehmungen, wie in der Prinzipskizze der 2 im Vergleich zur Prinzipskizze der 1 zu erkennen ist.
-
Vergleichsversuche an herkömmlichen Steuerschiebern gemäß der 1 und Steuerschiebern mit der erfindungsgemäßen Ausfräsungsform haben ergeben, dass durch die sphärische Formgebung des Ausfräsungen insbesondere im Bereich ihrer Endabschnitte eine deutlich verbesserte Strömungsführung bewirkt wird, die eine extreme Steigerung der hydraulischen Leistungsgrenze des betreffenden Wegeventils nach sich zieht. Durch den größeren Materialquerschnitt am Nutengrund im Falle der sphärischen Ausfräsungen ergeben sich im Betrieb geringere Vergleichsspannungen. Hierdurch sind signifikant größere Steuerflächen möglich als bisher.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- erster kleindurchmessrige Kolbenabschnitt
- 2
- Nut (Verdrehsicherung)
- 4
- erster Wellenabsatz
- 6
- erster großdurchmessrige Kolbenabschnitt
- 8
- erstes Steuerfenster
- 8a
- kegelförmiger Teilabschnitt
- 8b
- zweiter kleindurchmessrige Kolbenabschnitt
- 8c
- Axialstrecke
- 10
- Ausfräsungen
- 12
- zweiter Wellenabsatz
- 14
- dritter Wellenabsatz
- 16
- Umfangsnut
- 18
- Längsausfräsungen
- 20
- zweites Steuerfenster
- 20a
- Axialstrecke
- 20b
- zylindrischer Mittenabschnitt
- 20c
- Axiallänge
- 21
- drittes Steuerfenster
- 22
- vierter Wellenabsatz
- 24
- Längsausfräsungen
- 26
- fünfter Wellenabsatz
- 28
- Umfangsnut
- 30
- Längsausfräsungen
- 32
- viertes Steuerfenster
- 30a
- Axiallänge
- 34
- kegelförmige Aufweitung
- 36
- sechster Wellenabsatz
- 38
- Eindrehung
- 40
- rechte Stirnseite