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Stand der Technik
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Die Erfindung betrifft ein Rückschlagventil mit einem Ventilsitz, einem Ventilkörper und einer Ventilkörperführung, wobei der Ventilkörper zum Verschließen des Rückschlagventils an den Ventilsitz anlegbar und zum Öffnen des Rückschlagventils von dem Ventilsitz abhebbar und dabei in seiner Bewegung mittels der Ventilkörperführung geführt ist.
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Rückschlagventil der gattungsgemäßen Art werden insbesondere bei hydraulischen Fahrzeugbremssystemem verwendet, um in einem Hydraulikaggregat Funktionen eines Antiblockiersystems oder einer Fahrdynamikregelung auszuführen. Solche Rückschlagventile sollen ein besonders schnelles und betriebssicheres Öffnen und Schließen einer hydraulischen Leitung gewährleisten, die von einem unter Druckstehenden hydraulischen Medium, insbesondere von Bremsfluid, durchströmt wird.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Rückschlagventil der eingangs genannten Art derart zu verbessern, dass es bei gleicher oder besserer Funktionsweise weniger Geräuschentwicklung zeigt.
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Offenbarung der Erfindung
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Gemäß der Erfindung ist ein Rückschlagventil mit einem Ventilsitz, einem Ventilkörper und einer Ventilkörperführung geschaffen, wobei der Ventilkörper zum Verschließen des Rückschlagventils an den Ventilsitz anlegbar und zum Öffnen des Rückschlagventils von dem Ventilsitz abhebbar und dabei in seiner Bewegung mittels der Ventilkörperführung geführt ist, wobei die Ventilkörperführung den Ventilkörper quer zu dessen Bewegungsrichtung umschließend gestaltet und mit einer Vertiefung versehen ist, die sich in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers erstreckt.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass eine über einen Umfang einer Ventilkörperführung hinweg gleichmäßige bzw. gleichartige Führung, also sozusagen eine vollständig symmetrische Führung eines Ventilkörpers bei dessen Bewegung sich negativ auf dessen Schwingungsverhalten auswirkt. Eine solche Führung bedingt nämlich, dass der Ventilkörper am gesamten Umfang von nahezu der gleichen Menge an hydraulischem Medium umströmt wird. Die in alle Richtungen gleichartige Führung bedingt, dass sich Schwingungen des Ventilkörpers quer zu seiner Bewegungsrichtung nicht abbauen, sondern sich solche Schwingungen stattdessen eher durch Resonanzanregung verstärken.
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Bei dem erfindungsgemäßen Rückschlagventil ist hingegen am Umfang einer Ventilkörperführung bewusst an zumindest einer Stelle eine Vertiefung ausgebildet, die sich in Richtung der Bewegung des Ventilkörpers erstreckt. Damit ist die von hydraulischem Medium zu durchströmende Fläche um den Ventilkörper herum ungleichmäßig bzw. unsymmetrisch gestaltet. Mit der Vertiefung ist also eine Asymmetrie der Ventilkörperführung herbeigeführt, die eine Resonanzanregung, wie sie oben erläutert wurde, verringert und minimiert.
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Die Vertiefung erstreckt sich in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers, so dass über dessen Bewegungsweg hinweg gezielt eine gewünschte Asymmetrie vorgesehen sein kann. Aufgrund der Vertiefung ist der erfindungsgemäße Ventilkörper daher nicht an seinem gesamten Umfang übergleich stark umströmt, sondern stattdessen an mehreren Umfangsbereichen unterschiedlich stark. Damit ist auf sehr einfache und zugleich wirkungsvolle Weise ein besonders geräuscharmer Betrieb eines solchen Rückschlagventils gewährleistet.
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Die Erfindung basiert auf der Erkenntnis, dass für einen geräuschlosen und verschleißarmen Betrieb eines Rückschlagventils eine relativ enge Führung von dessen Ventilkörper bzw. Schließkörper notwendig ist. Zugleich ist es aber im Hinblick auf eine Schwingungsanregung des Ventilkörpers während der Öffnungs- und Schließbewegung nachteilig, wenn dieser symmetrisch bzw. über seinen Umfang hinweg gleichmäßig von hydraulischem Medium umströmt wird. Erfindungsgemäß ist daher die für hydraulisches Medium zu durchströmende Querschnittsfläche um den Ventilkörper herum gezielt asymmetrisch gestaltet. Als Ventilkörper werden vorteilhaft Kugeln verwendet, wobei andere Formen wie z.B. Halbkugeln oder Kegel mit jeweils zylindrischem Fortsatz ebenfalls möglich sind. Auch ist es von Vorteil, wenn der Ventilkörper derart geformt ist, dass er beim Anströmen mit hydraulischem Medium schnell aus dem Ventilsitz gehoben wird. Auch dadurch wird vermieden, dass Strömungskräfte im Bereich des Ventilsitzes bzw. Dichtsitzbereichs den Ventilkörper zum Schwingen anregen.
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Die Erfindung kann bei allen Arten von Rückschlagventilen in der Hydraulik angewendet werden. Erfindungsgemäß bevorzugt ist aber eine Verwendung eines derartigen Rückschlagventils an einer Fahrzeugbremsanlage, insbesondere an einer Pumpe der Fahrzeugbremsanlage.
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Besonders bevorzugt ist die Ventilkörperführung quer zur Bewegungsrichtung des Ventilkörpers kreisförmig gestaltet. Die derartige Kreisform ermöglicht es, dass die Ventilkörperführung selbst mittels einer einfachen Bohrung in einem zugehörigen Führungsbauteil, insbesondere einem Gehäusebauteil herzustellen ist.
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Auch die erfindungsgemäße Vertiefung ist vorzugsweise quer zur Bewegungsrichtung des Ventilkörpers kreisförmig gestaltet. So kann auch die Vertiefung mittels eines einfachen Bohrverfahrens bzw. einer Bohrung hergestellt werden. Zugleich kann mit der Vertiefung im Hinblick auf die Ventilkörperführung die oben erläuterte Asymmetrie des Umströmungsweges vom hydraulischen Medium um den Ventilkörper herum geschaffen werden.
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Entsprechend ist die erfindungsgemäße Vertiefung in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers als ein den Ventilkörper umgehender, hydraulischer Bypass gestaltet. Der Bypass bewirkt, dass hydraulisches Medium in Strömungsrichtung vor dem Ventilkörper mit nur sehr geringem Strömungswiderstand in den Bypass eintreten kann und hinter dem Ventilkörper so auch wieder aus dem Bypass austreten kann.
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Die Vertiefung gemäß der Erfindung ist ferner vorzugsweise mit einer Vertiefungsquerschnittsfläche gestaltet, die größer ist als die minimale Restquerschnittsfläche, welche sich zwischen der Ventilkörperführung und dem darin geführten Ventilkörper befindet. So wird sichergestellt, dass das durch die Öffnung des Ventilsitzes hindurch strömende Medium mit geringerem Strömungswiderstand durch die Vertiefung strömen kann, als durch die sich um den Ventilkörper herum befindende Restquerschnittfläche. Das Medium wird also vor der Restquerschnittsfläche stärker aufgestaut, als vor der Vertiefung. Damit strömt viel Medium durch die Vertiefung und erzeugt damit dort einen Sog bzw. eine Saugströmung. Mit diesem Sog wird der Ventilkörper an die Vertiefung heran gesaugt und legt sich entsprechend an dieser Seite der Ventilkörperführung an. Damit ist der Ventilkörper innerhalb der Querschnittsfläche der Ventilkörperführung asymmetrisch positioniert. In diese Position ist der Ventilkörper auch durch das weitere durch die Restquerschnittsfläche strömende Medium gedrängt. Entsprechend ist diese Position des Ventilkörpers statisch und dynamisch stabilisiert. Die Position ergibt eine besonders schwingungsarme Lage mit auch besonders geringer Schwingungsan regung.
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Die erfindungsgemäße Vertiefung ist ferner vorteilhaft zur Ventilführung hin mittels zweier Vertiefungsränder begrenzt, die sich parallel zueinander und in Bewegungsrichtung des Ventilkörpers erstrecken. Die derartigen Vertiefungsränder bilden zwei Führungsbahnen für den Ventilkörper, an denen dieser geführt entlang gleiten und als Kugel auch entlang rollen kann.
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Zur weiteren hydraulischen Optimierung des erfindungsgemäßen Rückschlagventils ist der dortige Ventilsitz vorzugsweise derart gestaltet, dass ein den Ventilsitz durchströmender Fluidstrom in Strömungsrichtung vor dem Ventilkörper hydraulisch umgelenkt ist.
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Lösung anhand der beigefügten schematischen Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:
- 1 einen Längsschnitt einer Pumpe einer Fahrzeugbremsanlage mit einem Rückschlagventil gemäß dem Stand der Technik,
- 2 einen Längsschnitt einer Pumpe einer Fahrzeugbremsanlage mit einem erfindungsgemäßen Rückschlagventil,
- 3 das Detail III gemäß 2 in vergrößerter Ansicht und
- 4 eine perspektivische Ansicht eines Gehäusebauteils des Rückschlagventils gemäß 2 und 3.
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In 1 ist eine Pumpe 10 eines ESP-Bremsregelsystems dargestellt, die um eine Längsachse 12 herum mit einem zylindrischen Gehäuse 14 versehen ist. Das Gehäuse 14 weist einen zentralen, kreiszylindrischen Druckraum 16 auf, in dem sich eine Druckfeder 18 sowie ein Einlassventilkäfig 20 befindet. Der Einlassventilkäfig 20 weist einen äußeren Dichtabschnitt 22 auf, der mittels eines ersten Kolbenabschnitts 24 und eines in Längsrichtung anschließenden zweiten Kolbenabschnitts 26 gegen die Druckfeder 18 gedrängt ist. Die Kolbenabschnitte 24 und 26 sind mittels eines nicht dargestellten Exzenters am, bezogen auf 1, rechten stirnseitigen Ende des zweiten Kolbenabschnitts 26 in Längsrichtung hin und her bewegbar.
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In dem Einlassventilkäfig 20 befindet sich ein Einlassventil 28, dass mittels einer Ventilfeder 30, einem Ventilkörper 32 und einem Ventilsitz 34 gebildet ist. Die Ventilfeder 30 stützt sich innen am Einlassventilkäfig 20 ab und drängt den Ventilkörper 32 gegen den Ventilsitz 34. Der Ventilsitz 34 ist dabei an dem dem Druckraum 16 zugewandten stirnseitigen Ende des ersten Kolbenabschnitts 24 angeordnet.
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Mit der Bewegung des ersten Kolbenabschnitts 24 in Richtung weg vom Druckraum 16 entsteht im Druckraum 16 eine Druckreduzierung bzw. ein Unterdruck, mittels dem ein hydraulisches Medium, vorliegend Bremsfluid, von außen durch den ersten Kolbenabschhnitt 24 und den Ventilsitz 34 hindurch in den Druckraum 16 eingesogen wird.
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An dem dem Kolbenabschnitt 24 gegenüberliegenden, rechten Ende des Druckraums 16 befindet sich im Gehäuse 14 ein Auslassventil 36, das mittels einer Ventilfeder 38, eines Ventilkörpers 40 und eines Ventilsitzes 42 gebildet ist. Die Ventilfeder 38 und der Ventilkörper 40 befinden sich in einem Aufnahmeraum 44, der im Gehäuse 14 bezogen auf 1 rechts vom Druckraum 16 angeordnet ist. Der Ventilsitz 42 befindet sich zwischen diesem Aufnahmeraum 44 und dem Druckraum 16 an dessen stirnseitigem Ende.
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Bei einer Bewegung des ersten Kolbenabschnitts 24 bezogen auf 1 nach links, wird im Druckraum 16 der dortige Druck des hydraulischen Mediums erhöht und dieses in Richtung zum Ventilsitz 42 und dort gegen den Ventilkörper 40 gedrängt. Der Ventilkörper 40 wird nachfolgend vom Ventilsitz 42 abgehoben und das hydraulische Medium wird in den Aufnahmeraum 44 gefördert.
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Bei einer Rückbewegung des ersten Kolbenabschnitts 24 wird der Druck im Druckraum 16 wie oben beschrieben dann wieder gesenkt, der Ventilkörper 40 legt sich wieder an den Ventilsitz 42 an und der Aufnahmeraum 44 wird dort verschlossen.
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Bei dem Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Lösung gemäß den 2 bis 4 ist der Ventilkörper 40 in Form einer Kugel gestaltet und von einer hohlzylindrischen Ventilkörperführung 46 umgeben. Mittels der Ventilkörperführung 46 ist der Ventilkörper 40 beim Öffnen und Schließen der zum Ventilsitz 34 gehörenden Ventilöffnung in einer Bewegungsrichtung 48 hin und zurück geführt, die sich entlang der Längsachse 12 erstreckt. Die Ventilkörperführung 46 ist mittels einer Bohrung im Gehäuse 14 hergestellt und weist dabei einen entsprechend kreisrunden Querschnitt und zum Gehäuse 14 hin eine Innenfläche 50 auf. Beim Bewegen kommt der Ventilkörper 40 an dieser Innenfläche 50 zum Anliegen und kann sich dann entsprechend nur in Bewegungsrichtung 48 bewegen. Quer zu dieser Bewegungsrichtung 48 ist die Bewegung des Ventilkörpers 40 hingegen mittels der Innenfläche 50 stark limitiert.
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Unmittelbar neben der Ventilkörperführung 46 ist in diese hineinragend bzw. hineinstehend eine Vertiefung 52 ausgebildet, die sich ebenfalls in Richtung der Längsachse 12 erstreckt. Die Vertiefung 52 ist mittels einer Bohrung hergestellt, die in die Bohrung der Ventilkörperführung 46 seitlich bzw. radial hineinragt. So ist eine strömungstechnische Verbindung zwischen der Ventilkörperführung 46 und der Vertiefung 52 geschaffen.
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Die Vertiefung 52 weist eine Vertiefungsquerschnittfläche 54 auf, die der Querschnittsfläche der zugehörigen Bohrung entspricht. Durch die Vertiefungsquerschnittsfläche 54 tritt ein erster Fluidstrom 58 von hydraulischem Medium hindurch, der vom Ventilsitz 34 kommend, in den Aufnahmeraum 44 seitlich und als Bypass an der Ventilkörperführung 46 vorbeiströmt.
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Die Ventilkörperführung 46 weist eine Restquerschnittfläche 56 auf, die sich aus der Gesamtquerschnittfläche der Bohrung der Ventilkörperführung 46 abzüglich der maximalen Querschnittfläche des kugelförmigen Ventilkörpers 40 ergibt. Durch diese Restquerschnittfläche 56 kann ein zweiter Fluidstrom 60 von ebenfalls hydraulischem Medium strömen, welches vom Ventilsitz 42 kommend in den Aufnahmeraum 44 gedrängt wird. Dieser Fluidstrom 60 umströmt dabei allerdings unmittelbar den kugelförmigen Ventilkörper 40.
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Die Restquerschnittsfläche 56 ist kleiner gestaltet als die Vertiefungsquerschnittsfläche 54. Damit wird erreicht, dass in der Vertiefung 52 bzw. dem damit geschaffenen Bypass ein geringerer Strömungswiderstand herrscht, als beim Umströmen des Ventilkörpers 40. Der Ventilkörper 40 wird damit innerhalb der Ventilkörperführung 46 radial in Richtung zur Vertiefung 52 gesaugt bzw. gedrängt. Der Ventilkörper 40 liegt dort an der Innenfläche 50 an und ist so gedämpft gegen eine Entstehung von Schwingung gehalten bzw. geführt. Die Führung des Ventilkörpers 40 ist dadurch weiter verbessert, dass am Übergang zwischen der Ventilkörperführung 46 und der Vertiefung 52 jeweils ein Vertiefungsrand 62 ausgebildet ist. Die beiden Vertiefungsränder 62 erstrecken sich parallel in Richtung der Längsachse 12 bzw. der Bewegungsrichtung 48 und bilden so eine Art Leitbahn für den Ventilkörper 40.