DE20305921U1 - Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente - Google Patents

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B 4319 DE

HD /mr 11. April 2003

Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
5 1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung bezieht sich im allgemeinen auf ein Kugellager für Elemente, die relativ zueinander bewegt werden. Insbesondere befasst sich die Erfindung mit einem Kugellager für die bewegten Elemente (Drosselkörper, Kern) in fluidischen Ventilen, insbesondere Sitzventilen.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Die Lagerung von relativ zueinander bewegten Teilen und Elemente ist ein wesentliches Gebiet des Maschinenbaus und nimmt in der Fachliteratur eine breite 15 Rolle ein [Dubbel, Decker]. In der Ventiltechnik, insbesondere dem Gebiet der Sitzventile, werden für Lager zwischen dem bewegten Drosselkörper (bewegter Kern im Magnetkreis) und dem relativ dazu feststehenden Gehäuse oder Rohr folgende Verfahren eingesetzt:

Gleitlager Metall - Metall: Insbesondere im Bereich der Schaltventile wird

20 der bewegte Kern oft ohne zusätzliche Lagerung in dem Führungsrohr geführt und gelagert. Es findet eine Gleitreibung des metallischen Kerns auf dem metallischen Rohr statt. Da das Ventil nur zwei Zustände (geöffnet und geschlossen) annehmen kann, ist eine Optimierung der Gleitreibung nicht notwendig. Die Kraft des

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krafterzeugenden Elements (typische Ausführungsform: ein Elektromagnet) muss nur ausreichend groß sein, um die Haftreibung und andere die Bewegung hemmenden Einflüsse zu überwinden.

Gleitlager mit optimierten Eigenschaften: insbesondere bei Proportional- und Stetigventilen ist eine Optimierung des Reibverhaltens wünschenswert, weil dadurch die Öffnungscharakteristik des Ventils verbessert werden kann. Bei Unstetigkeiten beim Übergang von Haft- zu Gleitreibung kommt des zum Stick-Slip-Effekt in dem Ventil und die Öffhungscharakteristik (das heißt der Verlauf des geöffneten Winkels oder Weges im Ventil über der angelegten Steuergröße, zum Beispiel dem Strom durch eine Magnetspule) wird unstetig und stärker hysteresebehaftet [EllweinO2].Um die Gleiteigenschaften zu optimieren werden gemäß Stand der Technik vielfach ringförmige Gleitlager aus Festkörperschmierstoffen eingesetzt. Ein anderes Verfahren ist es, die bewegten Drosselkörper des Ventils (zum Beispiel den Kern im Magnetkreis) mit einem Überzug oder Lack aus Materialen mit geeigneten Reibungskoeffizienten zu überziehen. Der Stand der Technik ist dabei, dass für diese Festkörper-Gleitlager Schmierstoffe in einen Kunststoff oder Lack mit eingebettet werden. Der Kunststoff oder Lack dient dabei als Träger für die Festkörperschmierstoffe, die dann ihrerseits bei einer Relativbewegung des gelagerten Teils oder Elements teilweise auf den Lagerpartner übertragen werden und so zu einer optimierten Lagerung führen.

Kugellager: Immer wieder wurden auch Ansätze verfolgt, die Lagerung des bewegten Drosselkörpers in einem Ventil durch Rollreibung der beiden Lagerpartner zueinander zu verbessern. Der große Vorteil von Wälzlagern im Vergleich zu Gleitlagern liegt darin, dass die Reibzahl um 25% bis 50% niedriger ist [Decker]. Auf Grund der relativ hohen Kosten für die benötigten Maschinenelemente bzw. für die Montage der kugelgelagerten Ventile hat sich dieses Verfahren in der Praxis bisher trotz seiner technischen Vorteile aber kaum durchsetzen können. Es ist nun Aufgabe dieser Erfindung, Kugeln als Lager für

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den bewegten Teil eines Ventils einzusetzen und dafür ein kostengünstiges und montagefreundliches Verfahren zu entwickeln.

In DE 31 12 307 ist eine Lagerung mit Kugeln für Kerne von Hydraulikventilen vorgestellt. In dieser Schrift ist explizit erwähnt, dass der Ventilkern von der Hydraulikflüssigkeit umspült ist. Dadurch wird eine zusätzliche Flüssigkeitslagerung erreicht. Eine wesentliche Verbesserung der in dieser Patentschrift beschriebenen Erfindung über den Stand der DE 31 12 307 hinaus ist auch die Ausgestaltung der Taschen, die die Kugeln für die Lagerung aufnehmen. Während in der DE 31 12 307 ausschließlich rechteckige Taschen beschrieben sind, werden in dieser Erfindung Taschen in der Form einer Längsnut im Ventilkern vorgeschlagen. Längsnut bedeutet in diesem Zusammenhang, dass im Drosselkörper eine Nut von geeigneter Tiefe eingebracht wird, deren längste Ausdehnung parallel zur Relativbewegungsrichtung des Drosselkörpers im Ventil ist. Dadurch wird das Rollen der Kugeln auch auf einer Bahn parallel zur Hauptachse des Drosselkörpers bzw. der Relativbewegungsrichtung des Drosselkörpers geführt. Dieser Zusammenhang ist auch in Figur 1 bildlich dargestellt. Dadurch können die Kugeln besser abrollen. In der DE 31 12 307 wird ausdrücklich erwähnt, dass die dort beschriebene Ausbildung der Taschen für die Kugeln einer Rollbewegung der Kugeln entgegen steht (Seite 5, zweiter Absatz).

Durch die in dieser Erfindung vorgestellte andere Ausgestaltung der Taschen als Längsnut kann die Kugel besser abrollen und der Reibkoeffizient wird gesenkt.

Andere Ansätze für Kugellager in Ventilen beziehen sich auf Lager, die in Ringnuten eingebracht werden. Diese Lager ähneln dann den aus dem Bereich der rotierenden Maschinen bekannten Kugellager. Solche Lager werden zum Beispiel in den Patentanmeldungen DDl 8568, DE 44 10 157, DE 28 23 257,beschrieben.

Zum Teil werden auch Lager vorgeschlagen, in denen mehrere Kugeln durch

Käfige aus Kunststoff oder anderen geeigneten Materialen getrennt werden.

Solche Lager sind zum Beispiel aus DE 198 39 884, DE 31 47 062 bekannt. Von diesen Ansätzen unterscheidet sich die hier gemachte Erfindung, weil durch die Ausprägung der Kugelführungen als Längsnut eine Separierung der Kugeln durch

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eigene Käfige unnötig wird. Da in jeder Nut nur eine einzelne Kugel liegt und die Bewegungsgeschwindigkeiten relativ gering sind, ist eine gute Funktion des Lagers auch ohne Käfig gegeben. Dadurch können sowohl Herstellkosten als auch Montageaufwand erheblich reduziert werden.

In DE 34 19 105 wird ein Ventil beschrieben, bei dem die Lager durch kugelgelagerte Nadeln gebildet werden. Dieser Ansatz hat gegenüber der hier vorgeschlagenen Erfindung den Nachteil, dass die Kosten und der Montageaufwand für die Nadeln erheblich höher sind als bei einer Integration der Lagerstellen und der Kugeln in den Anker selber, wie es hier gemäß Patentanspruch 1 beschrieben ist.

Eine weitere relevante Anmeldung ist US 5 252 939. In dieser Anmeldung wird eine Lagerung des Drosselkörpers durch Kugeln in Längsnuten beschrieben. Ein wesentlicher Unterschied zu der hier beschriebenen Erfindung ist aber, dass in US 5 252 939 die Nuten oben und unten für jede Kugel durch zwei Einlegeteile begrenzt werden. Auch ist die Form der Längsnuten in US 5 252 939 ungünstig: Die Rollfläche in der Nut, auf der die Kugel abrollt, ist in US 5 252 939 eine ebene Fläche. Dadurch kann sich die Kugel auch zu den Rändern der Nut hinbewegen. Um die Kugel zu zentrieren werden in US 5 252 939 zulaufende Ränder der Nuten vorgeschlagen. Dieser Ansatz ist fertigungstechnisch sehr aufwändig. Der Verbesserungsvorschlag der vorliegenden Erfindung ist es, die Nuten gemäß den Patentensprüchen mit einem Kugel- oder V-Fräser in den Ventilkern einzubringen. Durch die gewölbte Ablauffläche für die Kugeln ergibt sich automatisch eine zentrierende Kraft, die die Kugeln in der Mitte der Nut hält. Da die Nut nicht über die ganze Länge des Kerns eingebracht wird entfällt auch die Notwendigkeit von Begrenzungselementen wie in US 5 252 939.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist Ziel der vorliegenden Erfindung, eine neuartige Lagerung für die bewegten Elemente in Ventilen (Drosselkörper), insbesondere für die Kerne in magnetisch angetriebenen Sitzventilen, zu schaffen. Diese neue Lagerung besteht

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aus Kugeln, die in Längsnuten, parallel zur Hauptbewegungsachse des Drosselkörpers, geführt werden. Durch eine geeignete Ausgestaltung der Längsnuten wird zum einen ermöglicht, dass die Kugeln abrollen und somit der niedrige Reibkoeffizient der Rollreibung erreicht wird, zum anderen werden die Fertigungs- und Montagekosten im Vergleich zum Stand der Technik reduziert.

Die Ausbildung der Längsnuten hat dabei vorzugsweise ein kreissegmentförmiges Profil. Dieses Profil entsteht, wenn die Nut mit einen Kugelfräser aus dem Ventilkern herausgefräst wird. Eine Alternative ist die Verwendung eines Fräsers, der eine V-formige Nut erzeugt Die Lagerung des Drosselkörpers erfolgt auf mehreren, vorzugsweise acht Kugeln. Dabei befinden sich vorzugsweise vier Nuten (2) bzw. Kugeln (1) gleichmäßig über den Umfang des Kernes (3) verteilt am unteren Ende des Kerns (d.h. dem dem Dichtelement (4) zugewandten Ende des Kerns). Vier andere Nuten bzw. Kugeln befinden sich auch gleichmäßig über den Kernumfang verteilt am anderen Ende des Kerns. Weil die Längsnuten im Kern keine flachen Flächen zum Abrollen der Kugeln haben, sondern die Kugel auf einer gekrümmten Oberfläche abrollt, werden die Kugeln automatisch in die Mitte der Nuten zentriert. Die Breite der Längsnuten ist vorzugsweise mindestens so groß, dass die Kugeln nicht mit dem Rand der Nuten in Berührung kommen. Die Kugeln können aus magnetischem Material oder auch nicht-magnetischem Material gefertigt sein.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN

Fig. 1 ist eine perspektivische Ansicht des Drosselkörpers (Kerns) eines Sitzventils mit eingebrachten Längsnuten, Kugeln und Ventildichtung.

Fig. 2 ist eine Draufsicht auf den Kern mit den Nuten und den Kugeln.

Die Nuten (2) in Figur 1 sind gleichmäßig über den Umfang des Kerns (3) verteilt. Da in Figur 1 je vier Nuten am oberen und unteren Ende des Kerns angebracht sind, wurden die Nuten in 90° Abstand voneinander am Umfang verteilt. Am Kern sind oben und unten (nahe der Dichtung (4)) je vier Nuten

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angeordnet. Dadurch wird der Kern in seiner Längsachse an zwei Punkten gelagert (oben und unten).

In Figur 2 wird deutlich, dass die Nuten so tief in den Drosselkörper eingebracht werden, dass die Kugeln noch etwas über den Außenrand des Ventilkerns überstehen. Dadurch ist gewährleistet, dass der Kern durch die Kugeln gelagert ist und auf ihnen abrollen kann.

ZITIERTE DRUCKSCHRIFTEN
[1] Dubbel: Taschenbuch für den Maschinenbau; Berlin: Springer; 1997

[2] Decker: Maschinenelemente; München: Hanser; 2001

[3] Ellwein, C: Pneumatik für Elektroniker; Elektronik 8/2002; S. 45 - 53

Claims (5)

1. Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln einzeln in Nuten geführt werden.

2. Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten kreissegmentförmig sind und mit einem Kugelfräser eingebracht wurden.

3. Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nuten v-förmig sind.

4. Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln magnetisch oder nicht-magnetisch ausgeführt sind.

5. Kugellager für relativ zueinander bewegte Elemente nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Nuten so gewählt wurde, dass die Kugeln etwas über den Außenrand des Drosselkörpers überstehen und der Drosselkörper durch die Kugeln gelagert ist.