DE10027171A1 - Elektromagnetventil - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil, mit einem Ventilgehäuse (1), in dem ein an einem Stößel (13) angebrachtes Ventilschließglied (7) in Richtung eines Ventilsitzes (8) beweglich geführt ist, mit einem am Ventilschließglied (7) angebrachten Magnetanker (5), der in Abhängigkeit von der elektromagnetischen Erregung einer am Ventilgehäuse (1) angebrachten Ventilspule (11) eine Hubbewegung in Richtung auf einen im Ventilgehäuse (1) angeordneten Magnetkern (3) vollzieht sowie mit einer Feder (6), die in der elektromagnetisch nicht erregten Ventilstellung den Magnetanker (5) in einem definierten Axialabstand vom Magnetkern (3) positioniert, so dass der Magnetanker (5) vom Magnetkern (3) durch einen Zwischenraum getrennt ist. Zur Reduzierung von Querkräften am Ventilsitz (8) weist der Stößel (13) einen biegeelastischen Abschnitt (14) auf, der sich zwischen dem Magnetanker (5) und dem Ventilschließglied (7) erstreckt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 44 08 166 A1 ist bereits ein Elektromagnetventil der gattungsbildenden Art bekannt geworden. Infolge der Bau­ teiltoleranzen ist der Magnetanker und das Ventilschließ­ glied bei elektromagnetischer Erregung Querkräften ausge­ setzt, so daß vorgenannte Bauteile sich exzentrisch zur Ven­ tilhülse und zur Führungshülse des Ventilschließgliedes aus­ richten. Dies führt nicht nur zu einer vergrößerten Reibung zwischen den Bauteilen während der Ventilöffnung, sondern bedingt auch eine entsprechende Schließkrafterhöhung der auf den Magnetanker einwirkenden Feder, um nach der Unterbre­ chung der Ventilspulenbestromung das exzentrisch zur Ventil­ sitzkegelfläche ausgerichtete Ventilschließglied wieder zum konzentrischen und damit druckmitteldichten Verschluß des Ventilsitzes zu bewegen. Die querkraftabhängige Reibung der Ventilteile und die in diesem Zusammenhang notwendige Erhö­ hung der Federvorspannkraft wirken sich auf den Magnetkreis, den Verschleiß der Bauteile und das Schaltverhalten negativ aus.

Daher ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektromagnetventil der gattungsbildenden Art unter Beibe­ haltung eines möglichst einfachen Aufbaus derart zu verbes­ sern, dass vorgenannte Nachteile vermieden werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für ein Elektromagnetven­ til der angegebenen Art mit den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die Erfindung greift hierbei auf eine verblüffend einfache Maßnahme zur Reibungsreduzierung an den translatorisch be­ wegten Ventilbauteilen zurück, was u. a. in Verbindung mit den Merkmalen der Unteransprüchen zu weiteren Funktionsvor­ teilen des Ventils führen kann, die sich beispielsweise in einem geräuscharmen, stromsparenden Schaltverhalten zeigen.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung werden im nachfolgenden anhand mehrerer Zeichnun­ gen erläutert.

Es zeigen

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein in der Grundstellung stromlos geschlossenes Elektromagnetventil,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung der Einzelheiten des in Fig. 1 dargestellten Elektromagnetventils,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch ein in Grundstellung stromlos geöffnetes Elektromagnetventil,

Fig. 4 eine konstruktive Variante zu den in Fig. 2 ge­ zeigten Einzelheiten.

Die Fig. 1 zeigt ein in Grundstellung stromlos geschlossenes Elektromagnetventil, dessen Ventilgehäuse 1 beispielhaft in Patronenbauweise ausgeführt ist. Der Mittenabschnitt des Ventilgehäuses 1 ist als dünnwandige Ventilhülse 2 gestal­ tet, die von außen durch einen zylinderförmigen Magnetkern 3 in Form eines Verschlussstopfens verschlossen ist. Unterhalb des Magnetkerns 3 befindet sich ein ringscheibenförmiges Fe­ derelement 4, das lose an der Außenkante der konkav geform­ ten Stirnfläche des kolbenförmigen Magnetankers 5 anliegt. Die Dicke des Federelementes 4 entspricht dem erforderlichen Festigkeitsmaß, so dass in der abbildungsgemäßen elektroma­ gnetisch nicht erregten Ventilschaltstellung der Abstand zwischen der Magnetankerstirnfläche und der konvexen Magnet­ kernstirnfläche durch die Dicke des Federelementes 4 und durch den Arbeitsluftspalt definiert ist, der dem möglichen Magnetankerhub X entspricht.

Der Magnetanker 5 nimmt innerhalb einer Stufenbohrung eine an sich bekannte Feder 6 mit linearem Kennlinienverlauf auf, die sich als Schraubenfeder mit ihrem Windungsende durch die Öffnung im Federelement 4 auf die Stirnfläche des Magnet­ kerns 3 erstreckt. Der Magnetanker 5 ist folglich unter der Wirkung der Feder 6 mit dem stößelförmigen Ventilschließ­ glied 7 gegen einen Ventilsitz 8 im Ventilgehäuse 1 ge­ presst, wodurch ein das Ventilgehäuse 1 in Horizontal- und Vertikalrichtung durchdringender Druckmittelkanal 9 in der Ventilgrundstellung unterbrochen ist. Der das Ventilschließ­ glied 7 tragende Stößel 13 ist vorzugsweise mittels einer Presspassung in der Stufenbohrung des Magnetankers 5 fixiert und an seinem dem Ventilsitz 8 zugewandten Endabschnitt in einer Führungshülse 10 spielbehaftet aufgenommen ist, die konzentrisch zum Ventilsitz 8 im Ventilgehäuse 1 eingeklemmt ist.

Durch eine auf dem Ventilgehäuse 1 angebrachte Ventilspule 11 und einen die Ventilspule 11 teilweise umschließenden Jochring 12 lässt sich durch eine Erregung der Ventilspule 11 der Magnetkreis schließen, so dass sich der Magnetanker 5 in Richtung auf den Magnetkern 3 bewegt, wodurch das Federe­ lement 4 elastisch mitverformt wird und zur Anlage am Ma­ gnetkern 3 gelangt, wo es vollflächig an den abgebildeten schrägen Stirnflächen des Magnetkerns 3 und des Magnetankers 5 anliegt. Es wirkt eine der Bewegung des Magnetankers 5 entgegengerichtete Federkraft des Federelementes 4, so daß der Magnetanker 5 zwangsläufig abgebremst wird, bevor er das Federelement 4 vollflächig gegen die Stirnfläche des Magnet­ kerns 3 drücken kann, wodurch sich u. a. auch das Schaltge­ räusch des Elektromagneten vermindern läßt.

Durch die Vorspannkraft des Federelementes 4 wird überdies nach Abschluss der elektromagnetischen Erregung eine mög­ lichst schnelle Rückstellung des Magnetankers 5 aus der End­ lage am Magnetkern 3 bewirkt, da die Rückstelltendenz des Federelements 4 der durch Remanenz hervorgerufenen Halte­ kraft entgegen wirkt.

Zu beachten ist hierbei, dass die Rückstellkraft der Feder 6, die immer in einem Elektromagnetventil notwendig ist, um einerseits den Magnetanker 5 beim Wegfall der Erregung in die Grundstellung zurückzuführen, die andererseits aber auch bisher dazu diente, den Restmagnetismus zu überwinden, durch die erfindungsgemäße Anordnung und Verwendung des Federele­ mentes 4 als auch infolge des biegeplastischen Abschnitts 14 am Stößel 13 erheblich reduziert werden kann. Dies hat den Vorteil, dass sich zwangsläufig während der elektromagneti­ schen Erregung die Magnetkraftwirkung verstärkt, während der Restmagnetismus nach Abschluß der Erregung sicher von der Kraftwirkung des Federelementes 4 überwunden wird, welche nur im letzten Abschnitt des Ventilhubs, d. h. nur bei Annäherung des Magnetankers 5 an den Magnetkern 3 wirksam ist.

Der biegeelastische Abschnitt 14 ermöglicht eine Reduzierung der Querkräfte, die bei den bisher aus dem Stand der Technik bekannten Elektromagnetventilen besonders ausgeprägt an den Kontaktstellen des Magnetankers 5 mit dem Ventilgehäuse (Ventilhülse 2) sowie zwischen dem Ventilschließglied 7 und der Kegeldichtfläche des Ventilsitzes 8 auftreten. Derartige Querkräfte waren aufgrund der Fertigungstoleranzen nie zu verhindern und verursachten vorzeitige Verschleißerscheinun­ gen am Ventilschließglied 7 und am Ventilsitz 8, die zur Un­ dichtigkeit führten. Dies wird durch die biegeelastische Ausführung des Stößels 13 nunmehr vermieden. Durch die Que­ relastizität des Stößels 13 ist während der Ventilbetätigung der Querkrafteinfluß auf den Magnetanker 5 begrenzt. Eine Übertragung von Querkräften über das Ventilschließglied 7 auf den Ventilsitz 8 wird durch den querelastischen Ab­ schnitt 14 im gewünschten Umfang unterbunden. Damit besteht auch zur Anordnung einer Führungshülse 10 keine Notwendig­ keit mehr. Sie könnte folglich entfallen. Weiterhin kann die Vorspannkraft der Feder 6 erheblich reduziert werden, da sich infolge der Querkraftminderung am Ventilschließglied 7 auch die erforderliche Schließkraft der Feder 6 reduziert. Dies hat zur Folge, daß der zur Betätigung des Magnetankers 5 erforderliche Ventilspulenstrom reduziert werden kann oder man kann unter Beibehaltung des ursprünglichen Ventilstroms eine höhere Magnetkraft erzielen. Unabhängig von der Wahl des Ventilspulenstroms läßt sich auf jeden Fall ein kon­ struktiv vereinfachter Ventilaufbau und Betrieb des Ventils mit geringer Hysterese verwirklichen.

Durch die Ausführung des Federelementes 4 als besonders flach bauende Federscheibe, die sich an schrägen Stirnflä­ chen abstützt oder auch durch die Ausführung als Tellerfeder lässt sich vorteilhafterweise auch eine progressive Feder­ kennlinie realisieren, die über die eigentliche Auslegung des Elektromagnetventils als Zweistellungssitzventil einen analogen bzw. proportionalen Betrieb des Elektromagnetven­ tils ermöglicht. Hierbei bewirkt das progressive Federele­ ment 4 gewissermaßen eine Linearisierung der Magnetanker­ kraft.

Zur Veranschaulichung der Einzelheiten wird im nachfolgenden auf die vergrößerte Darstellung des Magnetkerns- und des Ma­ gnetankerabschnitts gemäß der Fig. 2 verwiesen, die unter Bezug auf das stromlos geschlossene Elektromagnetventil nach Fig. 1 die beiden Endstellungen des Magnetankers 5 in einer gemeinsamen Abbildung veranschaulicht.

Im einzelnen lässt sich unter Berücksichtigung der Erläute­ rungen zu Fig. 1 nunmehr aus der Fig. 2 rechts der Ven­ tillängsachse der Magnetanker 5 in einer elektromagnetisch nicht erregten Schaltstellung deutlich erkennen, in der das scheibenförmige Federelement 4 lediglich an der Außenkante der konkav geformten Magnetankerstirnfläche anliegt, so dass das Federelement 4 im Bereich der die Feder 6 aufweisenden Öffnung von der konvex geformten Stirnfläche des Magnetkerns 3 entfernt ist. Der zwischen der Oberkante des Federelemen­ tes 4 und der Stirnfläche des Magnetkerns 3 gelegene Luftspalt entspricht somit dem maximalen Magnetankerhub X, der in der links von der Ventillängsachse abgebildeten, elektromagnetisch erregten Ventilschaltstellung vom Magne­ tanker 5 überbrückt ist. In der linken Bildhälfte liegt so­ mit das Federelement 4 elastisch vorgespannt vollflächig an den schrägen Stirnflächen des Magnetankers 5 und des Magnet­ kerns 3 an, wobei die Dicke des magnetischen Federelementes 4 den Magnetfluss eben nicht behindert, sondern vielmehr günstig überbrückt.

Abweichend von den Darstellungen nach den Fig. 1 und 2 zeigt die Fig. 3 eine Anwendung des Erfindungsgedankens für ein elektromagnetisch nicht erregtes, in Grundstellung geöffne­ tes Elektromagnetventil. Ausgehend von dem bereits beschrie­ benen Aufbau des Ventilgehäuses 1 mit dem darin integrierten Ventilsitz 8, dem Druckmittelkanal 9 und der Führungshülse 10 gemäß der erläuterten Darstellung nach Fig. 1 befindet sich nunmehr der als Hohlzylinder ausgeführte Magnetkern 3 im unteren Endabschnitt der Ventilhülse 2 eingesetzt, die mit dem Magnetkern 3 mittels einer Außenverstemmung des Ven­ tilgehäuses befestigt ist. Der stößelförmige Abschnitt des Ventilschließgliedes 7 erstreckt sich folglich durch den Ma­ gnetkern 3 in Richtung des geschlossenen Bereichs der Ven­ tilhülse 2 bis in den Magnetanker 5, dessen Stirnfläche nun­ mehr in Richtung auf das beispielhaft gezeigte Paar Federe­ lemente 4 konvex geformt ist, während die unter den Federe­ lementen 4 befindliche Stirnfläche des Magnetkerns 3 eine konkave Form aufweist. Eine in der Durchgangsbohrung des Ma­ gnetkerns 3 angeordnete Feder 6 hält den Magnetanker 5 in der elektromagnetisch nicht erregten Grundstellung auf An­ schlag am Ventildom, wodurch das Ventilschließglied 7 einen ungehinderten Druckmitteldurchlass über den Druckmittelkanal 9 herstellt. In dieser Ventilstellung liegen die zu einem Federpaket zusammengefassten Federelemente 4 lose an der er­ habenen Außenkante der Magnetkernstirnfläche an, so dass analog zur Erläuterung des Elektromagnetventils nach Fig. 1 ein hinreichend großer Axialabstand zwischen dem Magnetanker 5 und dem Magnetkern 3 zum Vollzug des Ventilhubes ver­ bleibt. Wie bereits erwähnt, kann das Federelement 4 aus der Hintereinanderreihung mehrerer einzelner Federscheiben be­ stehen, die in der elektromagnetisch erregten Ventilschließ­ stellung nur fast vollflächig zwischen den Stirnflächen des Magnetankers 5 und dem Magnetkern 3 elastisch eingespannt sind, um ein sicheres Schließen des Ventilschließgliedes 7 zu gewährleisten.

Auch die in der Fig. 3 dargestellte Führungshülse ist nicht mehr zwingend erforderlich, da der unterhalb des Magnetkerns 3 am Stößel 13 angeordnete biegeelastische Abschnitt 14 eine Übertragung von Querkräften zwischen dem Ventilsitz 8 und dem Ventilschließglied 7 verhindert. Die Erfindung zur que­ relastischen Ausbildung des Stößels 13 ist somit nicht auf die Ausführungsform des Elektromagnetventils nach Fig. 1 beschränkt. Die Erfindung ist vielmehr universell sowohl für in Grundstellung normalerweise geschlossene als auch für in Grundstellung normalerweise geöffnete Elektromagnetventile anwendbar.

In der Fig. 4 wird abweichend von den bisher behandelten Ausführungsbeispielen gemäß den Fig. 1 bis 3 die Verwendung eines gekrümmten Federelements 4 in Form einer bereits ein­ gangs erwähnten Tellerfeder vorgeschlagen, was die Herstel­ lung des Magnetankers 5 und des Magnetkerns 3 zusätzlich vereinfacht, da nunmehr anstelle der Stirnflächenschrägen ebene, d. h. jeweils horizontal verlaufende Stirnflächen am Magnetanker 5 und am Magnetkern 3 dem Federelement 4 zuge­ wandt sind. Die Herstellung einer Tellerfeder ist aber in der Praxis viel aufwendiger und weniger genau als die Her­ stellung der bereits beschriebenen flachen Federscheibe. Hinsichtlich der Funktion als auch der weiteren technischen Details des Gegenstandes nach Fig. 4 wird auf die vorher be­ schriebenen Fig. 1 bis 3 verwiesen.

Unabhängig von der jeweils gewählten Ausführungsform vorge­ nannter Elektromagnetventile gilt grundsätzlich, dass die Federwirkung des biegeelastischen Abschnitts 14 so groß zu wählen ist wie die zu erwartende Querkraft am Ventilschließ­ glied 7. Die Länge des biegeelastischen Abschnitts 14 ent­ spricht wenigstens dem Nenndurchmesser des Stößels 13 im biegeelastischen Abschnitt 14. Der Nenndurchmesser des Stö­ ßels 13 im Bereich des biegeelastischen Abschnitts 14 be­ trägt vorzugsweise zwischen 20% und 80% des Stößeldurchmes­ sers im ungeschwächten Stößelabschnitt.

Bezugszeichenliste

1

Ventilgehäuse

2

Ventilhülse

3

Magnetkern

4

Federelement

5

Magnetanker

6

Feder

7

Ventilschließglied

8

Ventilsitz

9

Druckmittelkanal

10

Führungshülse

11

Ventilspule

12

Jochring

13

Stößel

14

Abschnitt
X Magnetankerhub (Arbeitshub)

Claims (14)

1. Elektromagnetventil, insbesondere für Kraftfahrzeugrad­ schlupfregelsysteme, mit einem Ventilgehäuse, in dem ein an einem Stößel angebrachtes Ventilschließglied in Rich­ tung eines Ventilsitzes beweglich geführt ist, mit einem am Ventilschließglied angebrachten Magnetanker, der in Abhängigkeit von den elektromagnetischen Erregung einer am Ventilgehäuse angebrachten Ventilspule eine Hubbewe­ gung in Richtung auf einen im Ventilgehäuse angeordneten Magnetkern vollzieht sowie mit einer Feder, die in der elektromagnetisch nicht erregten Ventilstellung den Ma­ gnetanker in einem definierten Axialabstand vom Magnet­ kern positioniert, so dass der Magnetanker vom Magnet­ kern durch einen Zwischenraum getrennt ist, dadurch ge­ kennzeichnet, dass der Stößel (13) zur Querkraftreduzie­ rung im Bereich des Ventilsitzes (8) einen biegeelasti­ schen Abschnitt (14) aufweist, der sich zwischen dem Ma­ gnetanker (5) und dem Ventilschließglied (7) erstreckt.

2. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der biegeelastische Abschnitt (14) in Form einer Querschnittsschwächung am Stößel (13) ausge­ bildet ist.

3. Elektromagnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch ge­ kennzeichnet, dass die Länge des biegeelastischen Ab­ schnitts (14) mindestens dem Nenndurchmesser des Stößels (13) im biegeelastischen Abschnitt (14) entspricht.

4. Elektromagnetventil nach einem der vorangegangenen An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nenndurchmes­ ser des Stößels (13) im Bereich des biegeelastischen Ab­ schnitts (14) 20 bis 80 Prozent des nicht geschwächten Stößeldurchmessers beträgt.

5. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zusätzlich zur Feder (6) ein Federelement (4) zwischen der Stirnfläche des Magnetankers (5) und der Stirnfläche des Magnetkerns (3) eingefügt ist.

6. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Federrückstellkraft des Federelemen­ tes (4) nach Beendigung der Erregung des Elektromagnet­ ventils wenigstens so groß ist wie die durch Remanenz hervorgerufene Kraft.

7. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass der Magnetkern (3) und der Magnetanker (5) entweder konvex oder konkav geformte Stirnflächen aufweisen, zwischen denen das plattenförmige Federele­ ment (4) mit einem Hebelarm an einer der erhabenen Stel­ len der Stirnfläche nachgiebig gelagert ist.

8. Elektromagnetventil nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Federelement (4) als Ringscheibe aus­ geführt ist, die in der elektromagnetisch nicht erregten Ventilschaltstellung mit ihrer Außenkante entweder an der erhabenen Stirnfläche des Magnetkerns (3) oder an der erhabenen Stirnfläche des Magnetankers (5) anliegt.

9. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Federelement (4), die Feder (6), der Magnetkern (3) und der Magnetanker (5) koaxial zur Ven­ tillängsachse ausgerichtet sind.

10. Elektromagnetventil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 5 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Fede­ relement (4) in der elektromagnetisch nicht erregten Ventilschaltstellung spielbehaftet zwischen dem Magnet­ kern (3) und dem Magnetanker (5) angeordnet ist.

11. Elektromagnetventil nach einem der vorhergehenden An­ sprüche 5 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Fede­ relement (4) in elektromagnetisch erregter Ventilschalt­ stellung entgegen der Wirkung der Federvorspannkraft vom Magnetanker (5) gegen den Magnetkern (3) gepresst ist.

12. Elektromagnetventil nach einem der vorangegangenen An­ sprüche 5 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Fede­ relement (4) aus einem den Magnetfluss leitenden, insbe­ sondere ferritischen Werkstoff besteht.

13. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Federelement aus einer Tellerfeder besteht, die zwischen ungekrümmten Stirnflächen des Ma­ gnetkerns (3) und des Magnetankers (5) angeordnet ist.

14. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, dass das Federelement (4) scheibenförmig aus­ geführt ist und in der Scheibenmitte von der Feder (6) durchdrungen ist.