CN101688625B - 电磁阀 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种带有电磁组件和阀芯(22)的电磁阀，该阀芯包括磁极铁心(23)、与所述磁极铁心(23)连接的阀嵌件(25)、能够在所述阀嵌件(25)内在关闭位置和开启位置之间轴向运动地被引导并且与一关闭元件(28)连接的衔铁(24)、以及与所述阀嵌件(25)连接且具有一主阀座(30)的阀体(29)，所述主阀座设置在至少一个第一流动口(31)与一个第二流动口(32)之间，其中，可轴向运动的所述衔铁(24)在给所述电磁组件通电时通过产生的电磁力在所述阀嵌件(25)内克服复位弹簧(26)的弹簧力且克服流体力朝所述磁极铁心(23)的方向运动，以将所述关闭元件(28)从所述主阀座(30)抬起并允许所述至少一个第一流动口(31)与所述第二流动口(32)之间的流体流动；以及，可轴向运动的所述衔铁(24)通过所述复位弹簧(26)的弹簧力和通过所述流体力在所述阀嵌件(25)内朝离开所述磁极铁心(23)的方向运动，以将所述关闭元件(28)密封地压入所述主阀座(30)中并切断所述至少一个第一流动口(31)与所述第二流动口(32)之间的流体流动。根据本发明，所述电磁力、所述弹簧力及所述流体力随所述衔铁(24)和所述关闭元件(28)的升程变化的曲线被复合成，使得能够在所述衔铁(24)和所述关闭元件(28)的所述关闭位置与所述开启位置之间设定至少一个另外的稳定工作点，该稳定工作点表示合力梯度为负的力平衡点。

Description

电磁阀
技术领域
本发明涉及一种按照独立权利要求1前序部分所述的电磁阀。
背景技术
图1示出了一种常规电磁阀，特别是用于液压装置的电磁阀，该液压装置例如用在防抱死系统(ABS)或驱动防滑控制系统(ASR系统)或电子稳定程序系统(ESP系统)中。如从图1可见，例如被设计成换向阀的失电关闭型常规电磁阀1包括阀芯2和电磁组件13。该阀芯2包括磁极铁心3、与磁极铁心3连接的被设计成套筒的阀嵌件5、能够在阀嵌件5内在关闭位置和开启位置之间轴向运动地被引导且与一关闭元件8连接的衔铁4、以及与阀嵌件5连接且具有主阀座10的阀体9，该主阀座设置在至少一个第一流动口11和一个第二流动口12之间。阀体9同样被设计成套筒。电磁组件13包括绕组支架13.1、壳体套13.2、带有电接头13.5的线圈绕组13.3、以及防护盖13.4。可轴向运动的衔铁4在给电磁组件13通电时，即在通过电接头13.5给线圈绕组施加电流时，通过产生的电磁力F电磁在阀嵌件5内克服复位弹簧6的弹簧力F弹簧和克服流体力F液压朝磁极铁心3的方向运动，以将关闭元件8从主阀座10抬起并允许至少一个第一流动口11与第二流动口12之间的流体流动。衔铁4或者说关闭元件8可能的最大升程通过磁极铁心3与衔铁4之间的气隙7预先确定。为了将关闭元件8密封地压入主阀座10并切断至少一个第一流动口11和第二流动口12之间的流体流动，可轴向运动的衔铁4连同关闭元件8通过复位弹簧6的弹簧力F弹簧和通过流体力F液 压在阀嵌件5内朝离开主阀座的方向运动。磁极铁心3例如通过焊缝以流体密封的方式与阀嵌件5连接。此外，所示的电磁阀1通过填密凸缘16与流体组件块体18填密。弹簧力F弹簧、流体力F液压和电磁力F电磁的作用方向在图1中用箭头示出。
迄今为止，ABS/ESP系统中的出口阀被设计成纯粹的换向阀，换向阀准静止地只能在完全开启或者完全关闭的状态下工作。出口阀作为非连续性换向阀通常沿升程关闭方向被流过。这是在这样的背景下发生的，即高的车轮压力有助于阀的密封性。因此，很小的弹簧预紧力就足够了，这使得合力水平可以更低，进而使阀可以快速反应。
连续阀相对于换向阀具有这样的优点，即可以通过调节在完全关闭位置与完全开启位置之间的部分升程来调节可任意调节的中间位置并借此可以释放任意的通流截面或者说调节通过该阀的任意流量。对于ABS/ESP系统的阀来说，这例如是指，车轮升压梯度和降压梯度可以可变地进行调节，从而可以改善车轮压力的可定量性和减小产生噪声的压力振荡。但是，沿开启方向被流过的连续阀需要大的弹簧预紧力来密封例如抱死压力水平的必需的车轮压力。因此，合力水平变得非常高，这在给电磁组件通电时会导致高的电流强度并且在阀反应时间、电流调节精度和热性能方面是不利的。
发明内容
与此相比，具有独立权利要求1的特征的本发明的电磁阀具有这样的优点，即，电磁力、弹簧力和流体力随衔铁和关闭元件在关闭位置与开启位置之间的升程变化的与升程有关的曲线被复合成，使得能够在衔铁和关闭元件的关闭位置与开启位置之间设定至少一个另外的稳定工作点，该稳定工作点表示合力梯度为负的力平衡点。通过特殊地选择弹簧力、电磁力和流体力与阀升程有关的力曲线实现了在被设计成换向阀且沿关闭方向被流过的电磁阀中设定稳定的工作点并借此使该电磁阀作为连续阀工作。因此，本发明的电磁阀具有连续阀的优点，同时具有沿关闭方向被流过的换向阀的优点，比如在任意高压下的密封性、快的阀反应速度以及低的合力水平。
通过在从属权利要求中所述的技术方案和改进方案可以有利地改进在独立权利要求1中所述的电磁阀。
特别有利的是，通过给本发明的电磁阀的电磁组件通电产生的随衔铁和关闭元件在关闭位置与开启位置之间的升程变化的电磁力曲线通过预先确定衔铁和磁极铁心的几何参数被设定成尽可能平缓。为了能够利用本发明的电磁阀来设定任意的降压斜坡，用于给电磁组件通电的电流例如可以根据压力传感器信号利用阀电流调节器进行调节。此外，用于给电磁组件通电的电流强度也可以在没有压力传感器的条件下进行调节。这样，衔铁连同关闭元件可以通过调节用于给电磁组件通电的电流强度而运动经过部分升程，以将关闭元件从主阀座抬起并使电磁阀在准静止且部分开启的状态下工作。电流强度可以例如在短的脉冲时间内通过预先确定脉冲宽度调制比例(PWM比例)进行调节。因此，与换向阀相反，本发明的电磁阀不是完全开启，而是仅仅开启到一定的部分升程，该部分升程通过调节电流强度是可变的。因此，与在纯粹的换向阀中相比，可以实现定量更加精密的降压级，从而也可以改善噪声特性。
在本发明的电磁阀的一种设计方案中，衔铁例如被设计成沉入式衔铁，该沉入式衔铁与相应设计的磁极铁心一起构成一级或多级沉入台阶。作为替代方案，衔铁可以被设计成扁平衔铁，该扁平衔铁与具有平坦的磁极表面的磁极铁心共同作用。但是，在该实施方式中，相应的电磁力从衔铁和磁极铁心之间预先确定的气隙宽度起才具有平缓的曲线。
在本发明的电磁阀的另一种设计方案中，用于提供弹簧力的复位弹簧具有大的弹性常数。复位弹簧例如具有弹性系数不变的线性弹簧特性曲线。
由于电磁力特别是电磁力随升程变化的梯度随着升程的增大和气隙的变小而增加，这将可调范围限制到较小升程内，所以作为替代方案，复位弹簧可以被设计成由复位弹簧提供的弹簧力随衔铁和关闭元件的升程变化具有渐进型曲线。这是指，复位弹簧的弹性系数可根据衔铁和关闭元件在关闭位置与开启位置之间的升程进行改变。通过弹簧力的渐进型曲线可以改善衔铁和关闭元件的稳定性能，并且扩大了稳定的工作范围，其中，弹簧力的渐进型曲线过度补偿了随着升程增加的电磁力梯度。复位弹簧的渐进型弹簧力曲线有利地在扩大的升程范围内产生负的合力梯度。此外，在升程小的情况下较小的弹性系数使得部件的公差可以更大，这使批量生产变得容易。
在本发明的电磁阀的另一种设计方案中，通过第一流动口与第二流动口之间的流体流动产生的随衔铁和关闭元件在关闭位置与开启位置之间的升程变化的流体力曲线通过预先确定关闭元件和主阀座的流动几何参数被设定成尽可能平缓。随衔铁和关闭元件的升程变化的平缓的流体力曲线例如可以通过关闭元件和主阀座之间小的开启角度来预先确定。为此，关闭元件的密封区域例如可以被设计成球体或锥体，而主阀座的密封区域被设计成空心锥体。
附图示出了下面描述的本发明的有利实施方式以及为了更好的理解而在上面说明的常规实施例。在附图中，相同的附图标记表示执行相同或类似功能的部件或元件。
附图说明
图1示出了失电关闭型常规电磁阀的示意剖视图。
图2a至2c示出了本发明的失电关闭型电磁阀的阀芯的第一实施例的示意剖视图。
图3a至3c示出了本发明的失电关闭型电磁阀的阀芯的第二实施例的示意剖视图。
图4示出了常规电磁阀和本发明的电磁阀的能受影响的力曲线的多个图表。
图5示出了本发明的电磁阀的复位弹簧的随升程变化而改变的弹性系数的示意曲线。
具体实施方式
如从根据图4的图表中可见，被设计成沿升程关闭方向被流过的换向阀的常规电磁阀1具有在第1栏中所示的电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压的示意曲线。被设计成沿升程开启方向被流过的连续阀的常规电磁阀2具有在第2栏中所示的电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压的示意曲线。被设计成沿升程关闭方向被流过的连续阀的本发明的电磁阀3具有在第3栏所示的电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压的示意曲线。如从第3栏可见，电磁力F电磁随升程变化的力曲线应当是尽可能平缓。复位弹簧应当被设计成尽可能不易弯曲，也就是说复位弹簧26应当具有高的弹簧刚度。流体力F液压随升程变化的力曲线应当同样被设计成尽可能平缓。根据本发明，所示的电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压与衔铁和关闭元件的升程变化有关的示意曲线被复合成，使得能够在衔铁和关闭元件的关闭位置和开启位置之间设定至少一个另外的稳定工作点，该稳定工作点表示合力梯度为负的力平衡点。本发明的电磁阀的合力梯度从方程式(1)中得出。
Figure G200880023821XD00051
如从图2a至2c可见，与在图1中所示的常规电磁阀1相类似，本发明的电磁阀的阀芯22的第一实施例包括磁极铁心23、与磁极铁心23连接的阀嵌件25、能够在阀嵌件25内在关闭位置和开启位置之间轴向运动地被引导且与一关闭元件28连接的衔铁24、以及与阀嵌件25连接且具有主阀座30的阀体29，该主阀座设置在至少一个第一流动口31和一个第二流动口32之间。为了产生电磁力F电磁，可以使用在图1中所示的电磁组件，该电磁力使可轴向运动的衔铁24连同关闭元件28在阀嵌件25内克服复位弹簧26的弹簧力F弹簧和克服流体力F液压朝磁极铁心23的方向运动。通过在给电磁组件通电时产生的电磁力F电磁，使衔铁24朝磁极铁心23的方向运动并将关闭元件28从主阀座30抬起，从而可以调节流体能够在至少一个第一流动口31和第二流动口32之间的流体流量。通过复位弹簧26的弹簧力F弹簧和流体力F液压(该流体力是通过由在第一流动口31与第二流动口32之间的流体流动在衔铁24和关闭元件28上产生的压力分布引起的)，衔铁24可以在阀嵌件25内朝离开磁极铁心23的方向运动，以将关闭元件28密封地压入主阀座30中并切断至少一个第一流动口31和第二流动口32之间的流体流动。电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压与升程有关的曲线通过衔铁24和磁极铁心23的预先确定的几何参数、通过复位弹簧26的设计以及通过第一流动口31和第二流动口32之间的流动路径的预先确定的几何参数来产生。
如从根据图2b的细部视图可见，衔铁被设计成沉入式衔铁24，该沉入式衔铁与相应设计的磁极铁心23一起构成两级沉入台阶22.1。如从图2b还可看出，沉入式衔铁24具有两个衔铁台阶24.1，而磁极铁心23具有两个相应的磁极铁心台阶23.1，这些磁极铁心台阶沉入衔铁台阶24.1中。通过设计成两级沉入台阶22.1，将通过给电磁组件13通电产生的随衔铁24和关闭元件28的升程变化的电磁力F电磁曲线如所期望的那样设定成尽可能平缓。在一种未示出的替代实施方式中，衔铁被设计成扁平衔铁，该扁平衔铁与具有平坦磁极表面的磁极铁心共同作用。但是，在该替代实施方式中，相应的电磁力从衔铁和磁极铁心之间的预先确定的气隙宽度起才具有平缓的曲线。
如从根据图2c的细部视图可见，关闭元件28的密封区域28.1被设计成球体，而主阀座30的密封区域30.1被设计成空心锥体。通过这种设计，在该实施例中，可以在关闭元件28与主阀座30之间预先确定小的开启角度，该开启角度在这里以示例的方式实现了随衔铁24和关闭元件28在关闭位置和开启位置之间的升程变化的期望的平缓的流体力F液压曲线。
如从图3a至3b可见，与在图2a至2c中所示的本发明的电磁阀的阀芯22的第一实施例相类似，本发明的电磁阀的阀芯42的第二实施例包括磁极铁心43、与磁极铁心43连接的阀嵌件45、能够在阀嵌件45内在关闭位置和开启位置之间轴向运动地被引导且与一关闭元件48连接的衔铁44、以及与阀嵌件45连接且具有主阀座50的阀体49，该主阀座设置在至少一个第一流动口51和一个第二流动口52之间。为了产生电磁力F电磁，同样可以使用在图1中所示的电磁组件。与第一实施例相类似，电磁力F电磁、弹簧力F弹簧以及流体力F液压与升程有关的曲线通过衔铁44和磁极铁心43的预先确定的几何参数、通过复位弹簧46的设计以及通过第一流动口51和第二流动口52之间的流动路径的预先确定的几何参数来产生。
如从根据图3b的细部视图可见，第二实施例的衔铁也被设计成沉入式衔铁44，该沉入式衔铁与相应设计的磁极铁心43一起构成两级沉入台阶42.1。如从图3b还可看出，沉入式衔铁44同样具有两个衔铁台阶44.1，而磁极铁心43具有两个相应的磁极铁心台阶43.1，这些磁极铁心台阶沉入衔铁台阶44.1中。通过设计成两级沉入台阶42.1，将通过给电磁组件13通电产生的随衔铁44和关闭元件48的升程变化的电磁力F电磁曲线如所期望的那样设定成尽可能平缓。
如从根据图3c的细部视图可见，关闭元件48的密封区域48.1被设计成锥体，而主阀座50的密封区域50.1被设计成空心锥体。通过这种设计，与第一实施例相类似，可以在关闭元件48与主阀座50之间预先确定小的开启角度，该开启角度在这里又以示例的方式实现了随衔铁44和关闭元件48在关闭位置和开启位置之间的升程变化的期望的平缓的流体力F液压曲线。
对于本发明的电磁阀的两个实施例都适用的是，用于提供弹簧力F弹簧的复位弹簧26，46具有大的弹性系数因而具有高的刚度。特别有利的是，由复位弹簧26，46提供的弹簧力F弹簧随衔铁24，44和关闭元件28，48的升程变化具有渐进型曲线。
通过选择具有渐进型的弹簧力F弹簧曲线的复位弹簧26，46，可以改善本发明的电磁阀的稳定性能，并且扩大合力梯度为负的稳定工作范围。在此，随升程增加的电磁力梯度通过弹簧力F弹簧的渐进型曲线得到过度补偿。另外，在升程小的情况下较小的弹性系数使得部件的公差可以更大，这有利地使批量生产更加容易。
如从图5可见，弹性系数C(h)的具体特性根据升程h位于最小允许弹性系数曲线C(h)min和最大允许弹性系数曲线C(h)max之间。此外，根据图5的图表示出了最优弹性系数曲线C(h)opt。如从图5还可见，最优弹性系数曲线C(h)opt优选在升程小的情况下渐进性很强并且确保对于相应的本发明的电磁阀来说存在稳定工作点。
总的来说，利用本发明的电磁阀通过其在宽的电流范围内的连续特性可设定有针对性且可很好定量的压力级。通过本发明的电磁阀可连续设定的升程范围可得到与常规换向阀相比明显更小的降压程度。同样，出现的局部压力振荡也明显减小，这些压力振荡严重影响出现的噪声。利用例如评价压力传感器信号的阀电流调节器，可以预先确定用于产生电磁力F电磁的电流曲线，从而可以经过在车轮制动器中降压的期望理论斜坡而没有大的偏差，因此可以进行平缓的车轮压力调节。此外，用于给电磁组件通电的电流强度也可以在没有压力传感器的条件下进行调节。这样，相应电磁阀的电磁组件例如可以在短的脉冲时间内以可变电流强度被通电，这些可变电流强度例如能够通过预先确定脉冲宽度调制比例(PWM比例)来调节。与换向阀相反，本发明的电磁阀不是完全开启，而是仅仅开启至一定的部分升程，该部分升程通过调节电流强度是可变的。因此，与在纯粹的换向阀中相比，可以实现定量更加精密的降压级，从而也可以改善噪声特性。
沿升程关闭方向被流过的本发明的电磁阀有利地不仅具有连续阀的优点，同时还具有沿关闭方向被流过的换向阀的优点，比如在任意高压下的密封性、快的阀反应速度以及低的合力水平。

Claims (9)

1.带有电磁组件(13)和阀芯(22，42)的电磁阀，该阀芯包括磁极铁心(23，43)、与所述磁极铁心(23，43)连接的阀嵌件(25，45)、能够在所述阀嵌件(25，45)内在关闭位置和开启位置之间轴向运动地被引导并且与一关闭元件(28，48)连接的衔铁(24，44)、以及与所述阀嵌件(25，45)连接且具有一主阀座(30，50)的阀体(29，49)，所述主阀座设置在至少一个第一流动口(31，51)与一个第二流动口(32，52)之间，其中，可轴向运动的所述衔铁(24，44)在给所述电磁组件(13)通电时通过产生的电磁力(F电磁)在所述阀嵌件(25，45)内克服复位弹簧(26，46)的弹簧力(F弹簧)且克服流体力(F液压)朝所述磁极铁心(23，43)的方向运动，以将所述关闭元件(28，48)从所述主阀座(30，50)抬起并允许所述至少一个第一流动口(31，51)与所述第二流动口(32，52)之间的流体流动；以及，可轴向运动的所述衔铁(24，44)通过所述复位弹簧(26)的弹簧力(F弹簧)和通过所述流体力(F液压)在所述阀嵌件(25，45)内朝离开所述磁极铁心(23，43)的方向运动，以将所述关闭元件(28，48)密封地压入所述主阀座(30，50)中并切断所述至少一个第一流动口(31，51)与所述第二流动口(32，52)之间的流体流动，其特征在于，在所述至少一个第一流动口(31，51)与所述第二流动口(32，52)之间的流体流动沿升程关闭的方向进行，并且所述电磁力(F电磁)、所述弹簧力(F弹 簧)及所述流体力(F液压)随所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的升程变化的曲线被复合成，使得能够在所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的所述关闭位置与所述开启位置之间设定至少一个另外的稳定工作点，该稳定工作点表示合力梯度为负的力平衡点，其中所述衔铁(24，44)连同所述关闭元件(28，48)能够通过调节用于给所述电磁组件(13)通电的电流强度而运动经过部分升程，以将所述关闭元件(28，48)从所述主阀座(30，50)抬起并使所述电磁阀(1)工作在准静止且部分开启的状态下；
由所述复位弹簧(26，46)提供的所述弹簧力(F弹簧)随所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的升程变化具有渐进型曲线。
2.如权利要求1所述的电磁阀，其特征在于，通过给所述电磁组件(13)通电产生的随所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的升程变化的电磁力(F电磁)曲线通过所述衔铁(24，44)和所述磁极铁心(23，43)的预确定几何参数被设定成尽可能平缓。
3.如权利要求1或2所述的电磁阀，其特征在于，所述衔铁被设计成沉入式衔铁(24，44)，该沉入式衔铁与相应设计的磁极铁心(23，43)一起构成一级或多级沉入台阶。
4.如权利要求1或2所述的电磁阀，其特征在于，所述衔铁被设计成扁平衔铁，该扁平衔铁与具有平坦磁极表面的磁极铁心共同作用，其中，相应的所述电磁力(F电磁)从所述衔铁和磁极铁心之间的预先确定的气隙宽度起具有平缓的曲线。
5.如权利要求1或2所述的电磁阀，其特征在于，用于提供所述弹簧力(F弹簧)的所述复位弹簧(26，46)具有大的弹性常数。
6.如权利要求1或2所述的电磁阀，其特征在于，通过所述第一流动口(31，51)与所述第二流动口(32，52)之间的流体流动产生的随所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的升程变化的流体力(F液压)曲线通过所述关闭元件(28，48)和所述主阀座(30，50)的预先确定的流动几何参数被设定成尽可能平缓。
7.如权利要求6所述的电磁阀，其特征在于，随所述衔铁(24，44)和所述关闭元件(28，48)的升程变化的平缓的流体力(F液压)曲线能够通过所述关闭元件(28，48)与所述主阀座(30，50)之间小的开启角度来预先确定。
8.如权利要求7所述的电磁阀，其特征在于，所述关闭元件(28)的密封区域(28.1)被设计成球体，而所述主阀座(30)的密封区域(30.1)被设计成空心锥体。
9.如权利要求7所述的电磁阀，其特征在于，所述关闭元件(48)的密封区域(48.1)被设计成锥体，而所述主阀座(50)的密封区域(50.1)被设计成空心锥体。
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