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Title:
CONTROL VALVE WITH A SHORT SWITCHING TIME
Document Type and Number:
WIPO Patent Application WO/2004/085852
Kind Code:
A2
Abstract:
The invention relates to a control valve (12) comprising a valve housing (13) provided with two inflow openings (6, 7), one outflow opening (8), and an inner chamber (14) that can be filled with a pressurised medium and contains a switching means (20, 32) that can be displaced between at least two switching positions. Said switching means (20, 32) respectively opens one of the inflow openings of the valve housing (13) and closes the other inflow opening in both switching positions. The aim of the invention is to reduce the switching time of one such control valve. To this end, the switching means (20, 32) comprises at least two separate sealing means (17, 18; 24, 25) that are arranged in the valve housing (13), along respectively associated circular arc sections, in such a way that they can pivot approximately coaxially in relation to the inflow openings (6, 7), in order to open and close the same (6, 7).

Inventors:
ERATH ROBERT (DE)
GIERER GEORG (DE)
STARK WALDEMAR (DE)
Application Number:
PCT/EP2004/002939
Publication Date:
October 07, 2004
Filing Date:
March 20, 2004
Export Citation:
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Assignee:
ZAHNRADFABRIK FRIEDRICHSHAFEN (DE)
ERATH ROBERT (DE)
GIERER GEORG (DE)
STARK WALDEMAR (DE)
International Classes:
F15C3/06; F16K31/56; (IPC1-7): F15B/
Foreign References:
EP1045150A22000-10-18
DE19636855C11998-04-23
US20010047828A12001-12-06
US6394136B12002-05-28
US5040567A1991-08-20
US4765370A1988-08-23
US6484754B12002-11-26
EP0774605A11997-05-21
Attorney, Agent or Firm:
ZF FRIEDRICHSHAFEN AG (Friedrichshafen, DE)
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Claims:
Patentansprüche
1. Schaltventil (12), mit einem zwei Zuströmöffnun gen (6,7) und eine Abströmöffnung (8) aufweisenden Ventil gehäuse (13), in dessen mit einem Steuerdruckmittel befüll baren Inneraum (14) ein Schaltmittel (20,32) beweglich zwischen zwei Schaltpositionen angeordnet ist, wobei das Schaltmittel (20,32) in beiden Schaltpositionen jeweils eine der Zuströmöffnungen des Ventilgehäuses (13) öffnet und die jeweils andere Zuströmröffnung verschließt, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltmittel (20, 32) zwei separate Dichtmittel (17,18 ; 24,25) aufweist, die zum Öffnen und Schließen von zwei Öffnungen (6,7) im Ventilgehäuse (13) entlang jeweils zugeordneter Kreisbogen abschnitte annähernd koaxial zu diesen Zuströmöffnungen (6, 7) bewegbar angeordnet sind.
2. Schaltventil nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltmittel (20,32) im Innenraum (14) des Ventilgehäuses (13) um eine Dreh oder Kippachse (30) gelagert angeordnet ist.
3. Schaltventil nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, da durch g e k e n n z e i c h n e t, dass die beiden separaten Dichtmittel (17, 18 ; 24,25) des Schaltmit tels (20,32) über ein Verbindungsstück (15,23) miteinan der verbunden sind.
4. Schaltventil nach wenigstens einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Dichtmittel (20,32) kugelförmig oder klappenförmig ausge bildet sind.
5. Schaltventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass das Schaltmittel (20,32) über zwei radial von dem Verbin dungsstück (15,23) wegweisende Wellenstümpfe (21,22) ver fügt, die in Aufnahmeöffnungen, vorzugsweise in Sacklöchern des Ventilgehäuses (13) gelagert sind.
6. Schaltventil nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass im wesentlichen senkrecht zur Drehachse (30) der Wellenstümpfe (21,22) zwei radial von dem Verbindungsstück (23) wegweisende Schaltkugeln (17, 18) oder Schaltklappen (24,25) angeordnet sind.
7. Schaltventil nach Anspruch 6, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass die Schaltklappen (24,25) über wenigstens zwei im wesentlichen senkrecht zur Drehach se (30) sowie im wesentlichen senkrecht zur Längsachse (31) des Schaltmittels (32) ausgerichtete obere Dichtflä chen (26,27) verfügen.
8. Schaltventil nach Anspruch 7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass gegenüber den oberen Dichtflächen (26,27) untere Dichtflächen (28,29) ausge bildet sind.
9. Schaltventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass dieses als ein"OderVentil"ausgebildet ist, mit welchem ein erster oder ein zweiter Schaltzustand einstellbar ist.
10. Schaltventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass dieses integraler Bestandteil eines hydraulischen oder pneumatischen Steuerungsgerätes ist.
11. Schaltventil nach Anspruch 10, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass dieses integraler Bestand teil eines hydraulischen oder pneumatischen Getriebesteue rungsgerätes, insbesondere in ein Ventilschiebergehäuse für Automatgetriebe integriert ist.
12. Schaltventil nach wenigstens einem der vorherigen Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t, dass dieses ein aus Metall oder einem Kunststoff hergestelltes Spritzgussbauteil ist.
Description:
Schaltventil mit kurzer Schaltzeit Die Erfindung betrifft ein Schaltventil mit kurzer Schaltzeit gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Derartig aufgebaute Schaltventile sind seit langem be- kannt und werden bevorzugt in hydraulischen oder pneumati- schen Steuerungseinrichtungen eingesetzt. Ein solches be- kanntes Schaltventil 1 ist beispielhaft in Fig. 2 schema- tisch dargestellt. Es besteht zunächst aus einem Ventilge- häuse 2, das über Öffnungen 6,7 für die Zuleitung eines Steuerdruckmediums sowie über eine Öffnung 8 zum Austritt dieses Steuerdruckmediums verfügt. An diese Öffnungen sind hier nicht dargestellte Steuerdruckleitungen anschließbar.

In dem Innenraum 3 des Ventilgehäuses 2 ist ein als Kugel ausgebildetes Schaltmittel 4 entlang dem Bewegungsrich- tungspfeil 5 derart freibeweglich angeordnet, dass dieses entweder die Zuleitungsöffnung 6 oder die Zuleitungsöff- nung 7 verschließt und dabei wechselweise die jeweils ande- re Zuleitungsöffnung freigibt.

Ein solches"Oder-Kugelventil wird in Steuerungsein- richtungen beispielsweise so eingesetzt, dass das durch die Öffnung 6 mit einer Zulaufströmung 9 in das Ventilgehäuse 1 eintretende Steuerdruckmedium einen geringeren Druck auf- weist als das gleiche Steuerdruckmedium, welches mit einer zweiten Zulaufströmung 10 durch die Öffnung 7 in das Ven- tilgehäuse eintreten kann. Auf diese Weise verlässt das Steuerdruckmedium das Schaltventil 1 über die Abströmöff- nung 8 je nach Schaltstellung mit einem niedrigeren oder mit einem höheren Steuerdruck.

Ein Schaltventil mit der beschriebenen Oder-Funktion ist auch vorteilhaft in Steuerungseinrichtungen für Auto- matgetrieben einsetzbar, bei denen dieses beispielsweise zur Durchführung von Übersetzungsänderungsvorgängen einen oder mehrere Getriebeaktuatoren mit unterschiedlich hohen Steuerdrücken beaufschlagt. Bedauerlicherweise können diese konstruktiv sehr einfach aufgebauten, Oder-Kugelventile" vor allem dann nicht verwendet werden, wenn eine sehr ge- ringe Schaltzeit gefordert wird, da der Schaltweg der Schaltkugel 4 und damit die Schaltzeit vergleichsweise lang ist.

So kann beispielsweise bei Nutzung eines solchen Ku- gelventils in einem automatischen Kraftfahrzeug-Stufen- wechselgetriebe während einer verschachtelten 5-4-3-2 Rück- schaltung ein unerwünschter Druckverlauf an den Aktuatoren einer wegzuschaltenden und/oder einer zuzuschaltenden Ge- triebekupplung auftreten, der von einem Fahrzeugführer als Verringerung der Schaltqualität empfunden wird. Die Ursache für dieses nachteilige Schaltverhalten besteht darin, dass während des Umschaltens des Kugelventils der Aktuator der wegzuschaltenden Kupplung mit dem Aktuator der zuzuschal- tenden Kupplung für einen ungünstig langen Zeitraum druck- technisch miteinander verbunden sind.

Vor diesem Hintergrund besteht die Aufgabe an die Er- findung darin, ein Schaltventil zu schaffen, mit dem kürze- re Schaltzeiten als mit dem beschriebenen Kugel-Schalt- ventil erreichbar sind.

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkma- len des Hauptanspruchs, während vorteilhafte Ausgestaltun- gen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind.

Demnach verfügt das Schaltventil über ein zwei Zu- strömöffnungen und eine Abströmöffnung aufweisendes Ventil- gehäuse, in dessen mit einem Druckmittel gefüllten Innen- raum ein Schaltmittel zwischen zwei Schaltpositionen beweg- lich angeordnet ist. Dieses Schaltmittel kann in zwei Schaltpositionen jeweils eine der Zuströmöffnungen des Ven- tilgehäuses verschließen, während die jeweils andere Zu- strömöffnung geöffnet wird.

Zur Erzielung der gewünschten schnellen Schaltreaktion ist nun vorgesehen, dass dieses Schaltmittel zwei separate Dichtmittel aufweist, die zum Öffnen und Schließen der Zu- strömöffnungen im Ventilgehäuse entlang jeweils zugeordne- ter Kreisbogenabschnitte annähernd koaxial zu diesen Zu- strömöffnungen bewegbar angeordnet sind. Durch die zwei separaten Dichtmittel kann der Schließ-und der Öffnungs- vorgang gleichzeitig erfolgen, was sich in einer deutlich geringeren Gesamtbetätigungszeit für einen solchen Schalt- vorgang niederschlägt.

In einer dazu vorteilhaften Ausgestaltung des erfin- dungsgemäßen Schaltventils ist das Schaltmittel so ausge- bildet, dass dieses im Innenraum des Ventilgehäuses um eine Drehachse derart schwenkbar gelagert ist, dass eine Schließbewegung des einen Dichtmittels mit einer Öffnungs- bewegung des anderen Dichtmittels mechanisch gekoppelt ist.

Diese mechanische Kopplung der beiden separaten Dichtmittel erfolgt vorzugsweise über ein gesondertes Verbindungsstück, das im einfachsten Fall als vorzugsweise zylindrische Kop- pelstange ausgebildet ist.

Die Dichtmittel selbst können eine kugelförmige Geo- metrie aufweisen, so dass eine vergleichsweise gute Dicht- wirkung zu erwarten ist. Andererseits ist es für die Nut- zung kugelförmige Dichtmittel notwendig, dass diese sehr exakt auf ihren Dichtsitz im Bereich der Zuström-bzw. Ab- strömöffnungen am Ventilgehäuse ausgerichtet sind. Es wird daher eine klappenförmige Dichtmittelgeometrie als beson- ders vorteilhaft beurteilt, bei der die Dichtklappen die ihnen zugeordneten Ventilgehäuseöffnungen abdichtend über- decken können.

Bei einem besonders bevorzugten Schaltventil ist zur schwenkbaren Lagerung des Schaltmittels in dem Ventilgehäu- se vorgesehen, dass an dem erwähnten Verbindungsstück zwi- schen den beiden separaten Dichtmitteln zwei radial von diesem Verbindungsstück wegweisende Wellenstümpfe ausgebil- det sind, die in Aufnahmeöffnungen wie beispielsweise in Sacklöchern des Ventilgehäuses gelagert sind. Bei diesem Schaltventil sind zudem im wesentlichen senkrecht zur Dreh- achse der Wellenstümpfe zwei an dem Verbindungsstück ange- ordnete und radial von diesem wegweisende Schaltkugeln, Schalthalbkugeln oder Schaltklappen angeordnet.

An den beiden Schaltklappen sind wenigstens zwei im wesentlichen senkrecht zur Drehachse der Wellenstümpfe so- wie im wesentlichen senkrecht zur Längsachse des Schaltmit- tels ausgerichtete obere Dichtflächen ausgebildet.

Es versteht sich, dass das beschriebene Schaltventil in jedem der beschriebenen Varianten als"Oder-Ventil"aus- gebildet ist, mit welchem ein erster oder ein zweiter Schaltzustand einstellbar ist. Bevorzugt ist ein solches Schaltventil ein integraler Bestandteil eines hydraulischen oder pneumatischen Steuerungsgeräts, wenngleich es auch in Alleinstellung zur Beaufschlagung einer oder mehrerer Steu- erungsleitungen mit vorzugsweise zwei unterschiedlichen Drücken genutzt werden kann.

Besonders vorteilhaft lässt sich das erfindungsgemäße Schaltventil als integraler Bestandteil eines hydraulischen oder pneumatischen Getriebesteuerungsgerätes nutzen, insbe- sondere in einem Ventilschiebergehäuse für Automatgetriebe, wobei auf ein gesondertes Ventilgehäuse verzichtet werden kann, da die Wände benachbarter Steuerdruckkanäle die Funk- tion der Ventilgehäusewände erfüllen.

Schließlich soll darauf hingewiesen werden, dass sich das Schaltmittel sehr kostengünstig als Spritzgussbauteil aus Metall oder aus einem Kunststoff herstellen lässt.

Zum besseren Verständnis der Erfindung ist der Be- schreibung eine Zeichnung beigefügt, in der neben einem Schaltventil aus dem Stand der Technik zwei verschiedene Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Schaltventils dar gestellt sind.

Im einzelnen zeigen : Fig. 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines erfindungsgemäß ausgebildeten Schalt- ventils, Fig. 2 ein"Oder-Schaltventil"gemäß dem Stand der Technik, Fig. 3 eine perspektivische Darstellung eines Schaltmittels eines erfindungsgemäß ausge- bildeten Schaltventils und Fig. 4 einen Ausschnitt aus einem Schaltplan einer hydraulischen Steuerung eines Automatgetrie- bes mit integriertem Schaltventil.

Wie ein Vergleich des einleitend beschriebenen Schalt- ventils gemäß dem Stand der Technik (Fig. 2) mit dem in Fig. 1 abgebildeten erfindungsgemäßen Schaltventil 12 zeigt, verfügt auch letzteres über ein Ventilgehäuse 13, in dessen Innenraum 14 ein Schaltmittel 20 zum wechselweise Öffnen und Schließen von zwei Druckmittelzuströmöffnun- gen 6,7 angeordnet ist. Auf diese Weise ist es möglich, eine Abströmöffnung 8 mit zwei unterschiedlichen Steuerdrü- cken zu beaufschlagen.

Das Schaltmittel in dem in Fig. 1 gezeigten Ausfüh- rungsbeispiel besteht aus einen in einem Lager 16 schwenk- oder kippbar gelagerten Verbindungsstück 15, an dessen En- den jeweils ein Dichtmittel in Form einer Dichtkugel 17,18 ausgebildet ist. Diese beiden Dichtkugeln 17,18 sind hin- sichtlich ihres Durchmessers und ihrer Lage in dem Ventil- gehäuse 13 derart geformt und positioniert, dass mit diesen wechselweise die beiden Zuströmöffnungen 6,7 druckdicht verschlossen werden können. Das Lager 16 wirkt bei der hier gezeigten Bauform wie das Lager einer Wippe, so dass eine in das Ventil 12 durch die Gehäuseöffnung 6 geleitete Zu- laufströmung 9 auf die erwähnte Schaltkugel 18 wirkt und diese entlang eines Kreisbogenabschnitts nach rechts von der Öffnung 6 wegbewegt. Da die Schaltkugel 18 über das Verbindungsstück 15 mit der zweiten Schaltkugel 17 mecha- nisch verbunden ist, bewegt sich diese entlang eines Kreis- bogenabschnitts gemäß dem Richtungspfeil 33 nach links, bis diese die zweite Zuströmöffnung 7 verschließt. Dem in das Ventilgehäuse 13 geleiteten Steuerdruckmittel bleibt ein Abströmweg über die Abströmöffnung 8 offen, so dass durch diese eine Ablaufströmung 11 mit dem ersten Steuerungsdruck das Schaltventil 12 verläst.

In der zweiten möglichen Schaltposition des Schalten- tils 12 wirkt auf die die Zuströmöffnung 7 verschließende Dichtkugel 17 eine Zulaufströmung 10 mit einem vorzugsweise höheren Steuerdruck, so dass sich die Dichtkugel 17 in Öff- nungsrichtung nach rechts und die Dichtkugel 18 in Schließ- richtung nach links auf die Öffnung 6 zu bewegt, bis diese verschlossen ist. Auf diese Weise wird auch der Ventilin- nenraum 14 mit dem in der Zulaufströmung 10 vorherrschenden Steuerdruck beaufschlagt werden, so dass dieser Steuerdruck auch derjenige ist, den die die Ablauföffnung 8 passierende Ablaufströmung 11 aufweist.

Neben der in Fig. 1 gezeigten Bauweise kann das Schaltmittel des erfindungsgemäßen Schaltventils auch so wie in Fig. 3 dargestellt ausgebildet sein. In dieser Bau- variante besteht das vorzugsweise aus einem Metall oder einem Kunststoff spritzgegossene Schaltmittel 32 aus einem zentralen Verbindungsstück 23, an dem zwei sich gegenüber- stehende Schaltklappen 24, 25 entlang einer Schaltmittel- längsachse 31 angeordnet sind. Diese Schaltklappen 24,25 verfügen über jeweils eine obere Dichtfläche 26, 27 und jeweils eine untere Dichtfläche 28,29, mit denen wechsel- weise Zu-oder Abströmöffnungen in dem Schaltventilgehäuse verschlossen oder geöffnet werden können. Zudem sind an dem Verbindungsstück 23 sich radial entgegengesetzt erstrecken- de Wellenstümpfe 21,22 angeordnet, die in dem Ventilgehäu- se 13 derart gelagert sind, dass das Schaltmittel 32 um die Drehachse 30 der Wellenstümpfe 21,22 schwenkbar ist.

Die Dichtkugeln 17, 18 beziehungsweise die Dichtklap- pen 24,25 werden bei einer Ventilbetätigung in dem Ventil- gehäuse 13 daher derart bewegt, dass diese verschwenkungs- bedingt jeweils zugeordneten Kreisbogenabschnitten folgen, die aufgrund der vergleichsweise kleinen Betätigungswege als annähernd koaxial ausgerichtet zu den Längsmittenach- sen 39,40 der Zuströmöffnungen 6,7 angesehen werden kön- nen.

Wie der Ausschnitt aus einem Hydraulikschaltplan gemäß Fig. 4 zeigt, kann ein hier nur symbolisch dargestelltes aber erfindungsgemäß ausgebildetes Schaltventil 32 sehr vorteilhaft in einer hydraulischen Getriebesteuerung einge- setzt werden, wobei dieses vorzugsweise als Bestandteil in ein Ventilschiebergehäuse für Automatgetriebe integriert sein kann. Wie in dieser Darstellung angedeutet wird, ge- hört zu der hydraulischen Getriebesteuerung eine einen Steuerhauptdruck erzeugende Druckmittelpumpe 33, zwei Steu- erdruckregelventile 34,35 und das erfindungsgemäße Schalt- ventil 32, welches mit seinen Zuströmöffnungen 6,7 an Zu- laufleitungen 36,37 sowie mit ihrer Ablauföffnung 8 an eine Ablaufleitung 38 angeschlossne ist.

Vergleichsuntersuchungen mit einem Schaltventil nach dem Stand der Technik gemäß Fig. 2 sowie mit einem erfin- dungsgemäß ausgebildeten Schaltventil zeigten sowohl im Versuchsaufbau als in einer Getriebesteuerungseinrichtung in einem Kraftfahrzeug, dass die Schaltdauer mit dem erfin- dungsgemäßen Schaltventil bei einer Hydrauliköltemperatur von-15° C um den Faktor 8 und bei einer Hydrauliköltempe- ratur von 100° C um den Faktor 4 kürzer als mit dem bekann- ten Kugel-Schaltventil. Daher ließen sich bei Nutzung des erfindungsgemäß ausgebildeten Schaltventils die eingangs erläuterten Schaltqualitätsbeeinträchtigungen nicht nach- weisen.

Bezugszeichen 1 Schaltventil (Stand der Technik) 2 Ventilgehäuse 3 Ventilinnenraum 4 Schaltmittel (Kugel) 5 Bewegungsrichtung 6 Zuströmöffnung 7 Zuströmöffnung 8 Abströmöffnung 9 Zulaufströmung 10 Zulaufströmung 11 Ablaufströmung 12 Schaltventil 13 Ventilgehäuse 14 Ventilinnenraum 15 Verbindungsstück 16 Lager 17 Dichtkugel 18 Dichtkugel 20 Schaltmittel 21 Wellenstupf 22 Wellenstumpf 23 Verbindungsstück 24 Schaltklappe 25 Schaltklappe 26 erste obere Dichtfläche 27 zweite obere Dichtfläche 28 erste untere Dichtfläche 29 zweite untere Dichtfläche 30 Drehachse 31 Schaltmittellängsachse 32 Schaltmittel 33 Bewegungsrichtung 34 Regelventil 35 Regelventil 36 Zulaufleitung 37 Zulaufleitung 38 Ablaufleitung 39 Mittenlängsachse einer Ventilgehäuseöffnung 40 Mittenlängsachse einer Ventilgehäuseöffnung