Schaeffler KG Industriestr. 1 - 3, 91074 Herzogenaurach

Bezeichnung der Erfindung

Drehventil für einen hydraulischen Schalter

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Drehventil, insbesondere für einen hydraulischen Schalter. Hydraulische Schalter ermöglichen es, einen Hydraulikkanal zu verbinden oder zu unterbrechen, um somit hydraulische Baugruppen, wie z.B. Hydraulikzylinder, zu aktivieren oder zu deaktivieren. Hydraulikschalter werden unter anderem in der Mobilhydraulik eingesetzt, z.B. um einen Verriegelungsmechanismus zu steuern.

Hintergrund der Erfindung

Aus der EP 1 645 788 A2 ist ein derartiger hydraulischer Schalter bekannt, der zum Aktivieren bzw. Deaktivieren einer Verriegelung einer Schnellkupplung für Werkzeuge eingesetzt wird, um sicherzustellen, dass die Schnellkupplung nur in bestimmten Betriebszuständen öffnen kann. Der hydrauli-

sehe Schalter der EP 1 645 788 A2 weist dazu ein in einem Schaltergehäuse gelagertes Drehventil auf, das je nach Drehposition einen Hydraulikkanal in dem Schaltergehäuse unterbricht oder schließt, so dass der Schalter zwischen einem ersten und einem zweiten Betriebszustand wechseln kann. Hierfür muss das Drehventil einen Hydraulikkanal aufweisen, der derart angeordnet ist, dass dieser in einer bestimmten Drehposition des Drehventils den Hydraulikkanal des Schaltergehäuses verbindet. Das Auslösen dieses Schalters soll durch ein bewegliches Element erfolgen, das derart mit zwei an einem der Enden des Drehventils angebrachten Armen zusammenwirkt, dass sich das Drehventil drehen kann.

Ein Drehventil, vorgesehen für den Einsatz in einem Kolbenkompressor, ist aus der DE 43 33 143 A1 bekannt, wobei die das Drehventil umfassende Welle durch Radialrollenlager und Axialrollenlager drehbar gelagert ist. Nachteilig ist, dass die Rollen der Rollenlager eine relativ große Kontaktfläche mit den Laufbahnen bilden, wodurch eine große bei Drehbeginn zu überwindende Haftreibung und somit ein großes Losbrechmoment vorliegt. Weiterhin wird ein großer axialer Bauraum benötigt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Drehventil, insbesondere für einen hydraulischen Schalter wie aus der EP 1 645 788 A2 bekannt, bereitzustellen, wobei sich dieses dadurch auszeichnen soll, dass es einfach und kostengünstig herzustellen ist, einen geringen axialen Bauraum benötigt und ein geringes Losbrechmoment aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Diese Aufgabe wird durch ein Drehventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Dementsprechend soll das Drehventil ein Ventilgehäuse sowie eine Schaltwelle aufweisen, die durch zumindest zwei axial beabstandete Kugellager in dem Ventilgehäuse drehbar gelagert ist, wobei durch jedes Kugellager Radialkräfte übertragen werden können und durch zumindest ein Kugellager Axi- alkräfte in mindestens einer Axialrichtung übertragen werden können und wobei die Schaltwelle in einer ersten Position einen Hydraulikkanal des Ventilgehäuses durch einen Hydraulikkanal der Schaltwelle verbindet, und die Schaltwelle in einer zweiten, zur ersten verdrehten Position, den Hydraulikkanal des Ventilgehäuses nicht verbindet. Selbstverständlich können auch mehrere Hydraulikkanäle des Ventilgehäuses durch entsprechende Hydraulikkanäle der Schaltwelle verbunden bzw. nicht verbunden werden.

Die erfindungsgemäße Lagerung weist ein sehr geringes Losbrechmoment auf, da ausschließlich Kugellager eingesetzt werden. Das geringe Los- brechmoment beruht auf der geringen Kontaktfläche der Kugeln mit den Laufbahnen, wodurch nur eine geringe bei Drehbeginn zu überwindende Haftreibung entsteht. Dieser Vorteil kommt insbesondere für die Anwendung des Drehventils in hydraulischen Schaltern der eingangs beschriebenen Art, als Verriegelung einer Schnellkupplung, zum Tragen. Er wird jedoch durch die im Vergleich zu Rollenlagern einerseits geringere Tragfähigkeit und andererseits geringere Steifigkeit der Lagerandordnung erkauft, wodurch die Gefahr von Verkippungen größer ist. Es zeigte sich jedoch, dass diese mit dem Einsatz von Kugellagern einhergehenden Nachteile in Kauf genommen werden können, da sich die erfindungsgemäß erzielbare leichtgängigere Lagerung überraschenderweise als äußert stark ausgeprägt und entscheidend erwies.

Weiterhin zeigte sich, dass Kugellager die in der Praxis auftretenden Axialkräfte in derartigen Drehventilen für Hydraulikschalter komplett aufnehmen können, so dass auf separate Lagerstellen ausschließlich für Axialkräfte verzichtet werden kann. Gegenüber den aus dem Stand der Technik bekannten Lagerungen zur Aufnahme von Axial- und Radialkräften weist die erfin-

dungsgemäße Lösung somit eine erhebliche Reduzierung des benötigten axialen Bauraums auf.

Schließlich sind Kugellager im Vergleich zu Rollenlagern hinsichtlich Kosten und Gewicht zu bevorzugen.

Gemäß einer Ausführungsform können durch beide Kugellager zusammen Axialkräfte in beiden Axialrichtungen übertragen werden. Wiederum können diese Axialkräfte entweder komplett also ausschließlich über ein Kugellager oder über beide Kugellager übertragen werden. Hierbei ist insbesondere eine Aufteilung der zu übertragenden Axialkräfte je nach Axialrichtung auf die beiden Kugellager denkbar.

Gemäß einer Ausführungsform rollen Kugeln zumindest eines Kugellagers direkt auf dem Ventilgehäuse ab. Gemäß einer Ausführungsform rollen Kugeln zumindest eines Kugellagers direkt auf der Schaltwelle ab. Dementsprechend dient das Ventilgehäuse direkt als Außenring bzw. die Schaltwelle direkt als Innenring der jeweiligen Kugellager. Auf dem Ventilgehäuse bzw. der Schaltwelle befinden sich hierfür vorzugsweise Wälzkörperlaufbahnen in Form von Kugelrillen. Gegebenenfalls können diese bzw. ein eine Wälzkörperlaufbahn umfassender Bereich an dem Ventilgehäuse bzw. an der Schaltwelle oberflächenbehandelt sein. Beispielsweise kann durch eine Wärmebehandlung wie Induktivhärten die Lebensdauer der Lagerung erhöht werden oder durch Beschichtungen die Reibung reduziert werden. Selbst- verständlich kann alternativ oder zusätzlich auch ein größerer Bereich oder das gesamte Ventilgehäuse bzw. die gesamte Schaltwelle oberflächenbehandelt sein. Der benötigte Bauraum in radialer Richtung ist durch diese Ausführungsformen äußerst gering, da auf einen separaten Außenring bzw. Innenring verzichtet werden kann. Es ergibt sich dadurch eine äußerst kom- pakte Lagerung, die dennoch optimal geeignet ist, alle auf die Schaltwelle wirkenden Kräfte in das Ventilgehäuse zu leiten. Vorteilhaft ist auch der einfacherer Aufbau mit weniger Einzelteilen für die Lagerung.

Gemäß einer Ausführungsform verbindet zumindest eine überdruckentlastungsleitung, einen axial außen liegenden Hohlraum neben zumindest einem Kugellager mit einem Entlastungshohlraum, insbesondere mit im Wesentlichen atmosphärischen Druck. Der axial außen liegende Hohlraum eines Kugellagers entspricht dem Hohlraum axial direkt neben dem Kugellager, der dem jeweils anderen Kugellager axial abgewandt ist. Die überdruckentlastungsleitung stellt somit sicher, dass in einem axial außen liegenden Hohlraum kein übermäßiger Druck gebildet werden kann. Es zeigte sich, dass bei den erfindungsgemäßen Drehventilen, trotz entsprechender Dichtungen, Hydraulikflüssigkeit radial zwischen der Schaltwelle und dem Ventilgehäuse sowie axial zwischen den Kugellagern austreten und axial in beiden Richtungen durch die Kugellager hindurch nach außen treten kann. Das in den axial außen liegenden Hohlraum neben einem Kugellager derart angesammelte Hydrauliköl baut einen Druck in axialer Richtung auf das jeweilige Schaltwel- lenende auf, wodurch sich die Axialkräfte erhöhen. Letztendlich hat dies auch negative Auswirkungen auf die Leichtgängigkeit der Lagerungen. Die überdruckentlastungsleitung verhindert dies auf einfache Weise, indem ein Rücklauf dieses Lecköls in z.B. den Hydrauliktank ermöglicht wird. Die Güte und Anzahl von Dichtungen zwischen Schaltwelle und Ventilgehäuse ist so- mit weniger kritisch. Gemäß einer weiteren Ausführungsform verläuft die überdruckentlastungsleitung durch die Schaltwelle und/oder durch das Ventilgehäuse. Dabei kann die überdruckentlastungsleitung entweder vollständig oder teilweise durch die Schaltwelle und/oder durch das Ventilgehäuse geführt werden. Eine derartige Leitungsführung bietet sich an, da durch diese Bauteile bereits Hydraulikleitungen verlaufen. Denkbar ist auch, überdruckentlastungsleitungen von beiden axial außen liegenden Hohlräumen zu verbinden und diese gemeinsame Leitung zu einem Entlastungshohlraum mit im Wesentlichen atmosphärischen Druck zu führen. Gemäß einer weiteren Ausführungsform wird die überdruckentlastungsleitung durch eine Bohrung gebildet. Diese stellt eine kostengünstige Möglichkeit dar, die überdruckentlastungsleitung durch Schaltwelle und/oder Ventilgehäuse zu führen. Denkbar ist auch eine Schlauchleitung, Rohrleitung oder ähnliches bzw. Kombina-

tionen davon zu verwenden. Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist der Entlastungshohlraum ein Hydraulikreservoir. Dieses kann z.B. ein speziell dafür vorgesehener Lecköltank sein, oder aber auch ein bereits vorhandener Hydrauliktank.

Gemäß einer Ausführungsform ist mindestens ein Kugellager ein Schrägkugellager. Vorzugsweise sind beide Kugellager Schrägkugellager. Schrägkugellager können jeweils Radialkräfte sowie Axialkräfte in einer Richtung aufnehmen, wobei die Größe der aufzunehmenden Axialkräfte von dem Druck- Winkel abhängt. Dabei können mit einem Druckwinkel von z.B. 40 Grad hohe Axialkräfte aufgenommen werden. Indem die Drucklinien beider Schrägkugellager in unterschiedliche Richtungen zeigen, können beide Schrägkugellager zusammen Axialkräfte in beiden Axialrichtungen aufnehmen. Zwei angestellte Schrägkugellager ermöglichen eine sehr genaue Lagerung des Drehventils. Leckölflüsse zwischen Drehventil und Ventilgehäuse werden somit reduziert und die Schaltvorgänge werden präziser, d.h. es ergibt sich eine hohe Sensibilität des hydraulischen Schalters. Gemäß einer Ausführungsform weisen die Schrägkugellager eine größere Schmiegung auf als Standardschrägkugellager. Standardschrägkugellager sind in DIN 628 fest- gelegt. Durch die größere Schmiegung wird erreicht, dass die Leichtgängig- keit der Lagerung erhöht wird. Insbesondere bei Anwendungen als hydraulischer Schalter zur Verriegelung einer Schnellkupplung, wie in EP 1 645 788 A2 beschrieben, ist eine große Leichtgängigkeit erforderlich. Dadurch wird eine höhere Sensibilität und damit ein größerer Anwendungsbereich ermög- licht. Prinzipiell kann die größere Schmiegung dabei am Innenring und/oder am Ventilgehäuse vorliegen. Durch eine entsprechende Wahl kann auch eine gleiche Flächenpressung an Innen- und Außenring erreicht werden, was zu einer gleichmäßigeren Abnutzung des Schrägkugellagers führt. Gemäß einer Ausführungsform rollen Kugeln beider Schrägkugellager zwischen dem Ventilgehäuse und zwei auf der Schaltwelle befindlichen Innenringen ab. Die Innenringe sind dabei bevorzugt Standardinnenringe und können beispielsweise durch einen Zwischenring oder durch eine oder zwei radial hervorste-

hende Schulter(n) der Schaltwelle axial voneinander beabstandet werden. Der oder die Innenringe können auf der Schaltwelle axial verschiebbar angeordnet sein, um das Lagerspiel einzustellen und durch weitere Elemente und/oder durch eine entsprechende Passung fixiert werden. Das Auftreten von Passungsrost kann durch entsprechende Beschichtungen verhindert werden. Insbesondere kann der Innenring auf der Schaltwelle verstemmt werden. Diese Ausführungsform stellt eine äußerst kompakte und konstruktiv einfache Lösung dar. Denkbar ist auch, einen oder beide Innenringe von der axial außen liegenden Seite durch eine Feder, z.B. eine Wellenfelder, gegen die sich am Außenring bzw. dem Ventilgehäuse abstützenden Wälzkörper zu drücken. Die Feder wiederum kann sich axial an einem auf der Schaltwelle befindlichen Sicherungsring abstützen. Die Federn erzeugen somit ein Vorspannung in axialer Richtung.

Gemäß einer Ausführungsform ist ein Kugellager ein Radial-Rillenkugellager und ein Kugellager ein Vierpunktlager. Somit können zwar beide Kugellager Radialkräfte übertragen, Axialkräfte werden jedoch nur durch das Vierpunktlager übertragen. Das Vierpunktlager übertragt dabei Axialkräfte in beiden Axialrichtungen. Durch den geteilten Innen- oder Außenring und die dadurch mögliche große Anzahl von Wälzkörpern, weisen Vierpunktlager eine hohe Tragfähigkeit auf. Dies und der Druckwinkel von 35 Grad erlauben das übertragen von großen Axialkräften. Die Nachteile des erfindungsgemäßen Verzichts auf Rollenlager sind somit weniger gravierend.

Gemäß einer Ausführungsform ist zumindest ein Kugellager ein Radial- Rillenkugellager, das eine Lagerluft C3 oder größer nach DIN 620 aufweist und axial vorgespannt ist. Dieses zumindest eine Kugellager weist somit eine größere Lagerluft auf, als dies in der Regel der Fall ist. Die größere Lagerluft ermöglicht ein axiales Vorspannen, indem Innen- und Außenring zueinander axial verschoben werden. Dies ermöglicht, dass dieses zumindest eine Kugellager auch Axialkräfte in einer Richtung übertragen kann. Axialkräfte in die andere Richtung, können ebenfalls durch ein Radial-Rillenkugellager,

das eine Lagerluft C3 oder größer nach DIN 620 aufweist und axial vorgespannt ist, übertragen werden, indem dieses in die andere Axialrichtung axial vorgespannt wird. Alternativ kann hierfür auch z.B. ein Schrägkugellager verwendet werden. Der Einsatz von Rillenkugellagern, die eine entspre- chend große Lagerluft aufweisen und axial vorgespannt sind, stellt eine äußerst kostengünstige Möglichkeit dar, um Axialkräfte aufzunehmen.

Gemäß einer Ausführungsform können beide Kugellager Axialkräfte übertragen und weisen eine X-Anordnung auf. Gemäß einer Ausführungsform kön- nen beide Kugellager Axialkräfte übertragen und weisen eine O-Anordnung auf.

Gemäß einer Ausführungsform wird der Hydraulikkanal der Schaltwelle wenigstens teilweise durch eine oder mehrere Bohrungen in der Schaltwelle gebildet. Beispielsweise kann der Hydraulikkanal der Schaltwelle komplett durch eine Durchgangsbohrung gebildet werden. Gemäß einer Ausführungsform wird der Hydraulikkanal der Schaltwelle wenigstens teilweise durch eine auf der Oberfläche der Schaltwelle verlaufende Nut gebildet. So kann diese Nut derart auf der Oberfläche der Schaltwelle verlaufen, dass dadurch der Hydraulikkanal des Ventilgehäuses in der ersten Position der Schaltwelle direkt durch die Nut verbunden wird. Denkbar ist auch eine Kombination einer Nut mit einer oder mehrerer Bohrungen.

Gemäß einer Ausführungsform sind öffnungen des Hydraulikkanals des Ventilgehäuses und öffnungen des Hydraulikkanals der Schaltwelle, die sich in der ersten Position der Schaltwelle gegenüberliegen, axial zwischen den Kugellagern angeordnet. Der Abstand, um den die Kugellager axial beabstandet sind, umfasst somit zumindest den für die öffnungen axial benötigten Bereich.

Gemäß einer Ausführungsform umfasst das Ventilgehäuse eine Kammer, in der sich ein Betätigungselement befindet, das zumindest zwei Lagen einnehmen kann, und wobei die Schaltwelle mit zwei Armen zusammenwirkt, die das Betätigungselement derart umgreifen, dass das Betätigungselement je nach dem, welche der zwei Lagen es einnimmt, auf einen der zwei Arme trifft, wodurch die Schaltwelle in die erste oder in die zweite Position bewegt werden kann. Dementsprechend wirkt das erfindungsgemäße Drehventil mit weiteren Elementen zusammen, um einen hydraulischen Schalter wie er in der EP 1 645 788 A2 beschrieben ist, darzustellen, wobei hiermit auf den Inhalt der EP 1 645 788 A2 explizit Bezug genommen wird. So kann das Betätigungselement z.B. eine Kugel darstellen, die aufgrund der Schwerkraft und der Neigung des Schalters die Schaltwelle derart verdreht, dass ein gewünschter Schaltzustand resultiert.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung wird im Folgenden anhand der beigefügten Figur beschrieben, hierbei zeigt:

Fig. 1 eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Drehventils.

Detaillierte Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Drehventil 1 , umfassend ein Ventilgehäuse 2 mit einer Bohrung 3. In der Bohrung befindet sich eine Schaltwelle 4, die mittels zweier Schrägkugellager 5a und 5b drehbar gelagert ist. Die Kugeln 6 der Schrägkugellager 5a und 5b laufen auf Wälzkörperlaufbahnen 7a und 7b ab, die sich direkt auf der Oberfläche 8 der Bohrung 3 befinden. Die Schrägkugellager 5a und 5b weisen eine O-

Anordnung auf, d.h. die von den Drucklinien gebildeten Kegel weisen mit ihren Spitzen axial nach außen. Die Kugeln werden weiterhin durch auf der Schaltwelle 4 angeordnete Innenringe 9 geführt. Jeder Innenring 9 stützt sich axial an einer radial hervorstehenden Schulter 10 der Schaltwelle 4 ab.

Das Ventilgehäuse 2 weist zwei Hydraulikkanäle 11 auf, die durch die Bohrung 3 unterbrochen werden, wodurch sich öffnungen 12 auf der Bohrungsoberfläche bilden. Je nach Drehung der Schaltwelle 4 in der Bohrung 3 liegen sich diese öffnungen 12 mit öffnungen 13 auf der Oberfläche der Schaltweile 4 von zwei Hydraulikkanälen 14 der Schaltwelle 4 gegenüber, wodurch die Hydraulikkanäle 11 des Ventilgehäuses 2 durch die Hydraulikkanäle 14 der Schaltwelle 4 verbunden werden. Im vorliegenden Beispiel weist die Schaltwelle 4 zwei parallele Durchgangsbohrungen als Hydraulikkanäle 14 auf.

Das Ventilgehäuse 2 weist ferner eine überdruckentlastungsleitung 15 in Form einer Bohrung auf, die den axial außen liegenden Bereich des linken Schrägkugellagers 5a mit einem Bereich mit atmosphärischen Druck verbindet.

Vorzugsweise sind die zwei Schrägkugellager hierbei mit einem Abstand von 5 mm bis 100 mm gemessen von Kugelmittelpunkt zu Kugelmittelpunkt axial voneinander beabstandet. Weiter vorzugsweise sind die zwei Schrägkugellager mit einem Abstand von 25 mm gemessen von Kugelmittelpunkt zu Ku- gelmittelpunkt axial voneinander beabstandet. Diese Angaben gelten jeweils für Schrägkugellager mit einem Teilkreis von 15 mm. Es zeigte sich dass dieser Abstand einerseits ausreichenden Platz zwischen den Lagerstellen lässt, um den zumindest einen Hydraulikkanal des Ventilgehäuses und der Schaltwelle durchzuführen, d.h. die öffnungen in der Bohrung und auf der Schaltwelle anzuordnen. Andererseits lässt sich dennoch ein kompakter Aufbau der Lagerung erzielen.

Bezugszeichenliste

1 Drehventil

2 Ventilgehäuse

3 Bohrung

4 Schaltwelle

5a, 5b Schrägkugellager

6 Kugeln

7a, 7b Wälzkörperlaufbahnen

8 Bohrungsoberfläche

9 Innenring

10 Schulter

11 Hydraulikkanäle des Ventilgehäuses

12 öffnungen auf der Bohrungsoberfläche

13 öffnungen auf der Schaltwellenoberfläche

14 Hydraulikkanäle der Schaltwelle

15 überdruckentlastungsleitung