DE102004057573A1

DE102004057573A1 - Elektromagnetisch ansteuerbares Wegeventil

Info

Publication number: DE102004057573A1
Application number: DE200410057573
Authority: DE
Inventors: Eduard Dipl.-Ing. Golovatai-Schmidt
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-11-30
Filing date: 2004-11-30
Publication date: 2006-06-01
Anticipated expiration: 2024-12-01
Also published as: DE102004057573B4; US20060113402A1; US7481242B2

Abstract

Wegeventil, insbesondere hydraulisches 3/2-Wegeventil, mit einer Betätigungseinheit (1) und einer mit der Betätigungseinheit in Wirkverbindung stehenden Ventileinheit (2), in der ein von der Betätigungseinheit (1) verschiebbares, einen Stößel (14) aufweisendes Ventilelement (9) Verbindungen zwischen Druckmittel führenden Kanälen (4, 5, 6) der Ventileinheit (2) steuert, wobei die Betätigungseinheit (1) zumindest eine Spule (21), einen Magnetkern (18), der zumindest teilweise innerhalb der Spule (21) angeordnet und zylindrisch ausgebildet ist sowie eine stirnseitige Begrenzung (22) aufweist, und einen beweglichen, mit dem Magnetkern (18) elektromagnetisch zusammenwirkenden, eine Stirnfläche (16) beinhaltenden Anker (15) aufweist, der mit dem Stößel (14) in Wirkverbindung steht, wobei die Innenabmessung des Magnetkerns (18) größer ist als die Außenabmessung des Ankers (15) und wobei der Magnetkern (18) und der Anker (15) in Verbindung mit der Länge des Stößels (14) so angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet sind, dass die Stirnfläche (16) des Ankers (15) die stirnseitige Begrenzung (22) des Magnetkerns (18) entlang des Verschiebeweges des Ventilelements (9) passiert.

Description

Gebiet der Erfindung
Wegeventil, insbesondere hydraulisches 3/2-Wegeventil, mit einer Betätigungseinheit und einer mit der Betätigungseinheit in Wirkverbindung stehenden Ventileinheit, in der ein von der Betätigungseinheit verschiebbares, einen Stößel aufweisendes Ventilelement Verbindungen zwischen Druckmittel führenden Kanälen der Ventileinheit steuert und wobei die Betätigungseinheit zumindest eine Spule, einen Magnetkern, der zumindest teilweise innerhalb der Spule angeordnet und zylindrisch ausgebildet ist sowie eine stirnseitige Begrenzung aufweist, und einen beweglichen, mit dem Magnetkern elektromagnetisch zusammenwirkenden, eine Stirnfläche beinhaltenden Anker aufweist, der mit dem Stößel in Wirkverbindung steht.

Hintergrund der Erfindung

Ein derartiges gattungsbildendes Wegeventil ist aus der DE-198 27 281 C1 bekannt. Bei diesem Wegeventil sind der Magnetkern und der Anker in axialer Richtung des Ventils hintereinander angeordnet, wobei sich die stirnseitige Begrenzung und die Stirnfläche entgegenstehen. Wird nun die Spule bestromt, so entsteht zwischen dem Magnetkern und dem Anker eine Anziehungskraft, die bei Verringerung des Abstandes gemäß einer hyperbolischen Funktion zunimmt.

Daraus folgt, dass beim Schließen des Ventils bzw. Aufsetzen des Schließteils auf einen feststehenden Ventilsitz die Kraft am größten ist, wodurch unerwünschte Geräusche und erhöhter Verschleiß auftreten.

Aus der DE 197 54 257 A1 ist weiterhin ein Wegeventil bekannt, bei dem die Stirnflächen des Ankers und des Magnetkerns kegelförmig ausgebildet sind. Weiterhin ist zwischen diesen Bauteilen eine Feder eingebaut. Der Ventilsitz des Ventilelements ist verschiebbar am Stößel gelagert und durch eine weitere Feder abgestützt. Durch diese Ausgestaltung ist eine Reduzierung der Aufsetzkraft des Schließteils des Ventilelements möglich, wodurch die Geräusche und Materialbelastung verringert werden können. Dies wird jedoch mit einem hohen baulichen Aufbau, kegeliger Ausgestaltung der Stirnflächen und Einsatz und Abstimmung von zwei Federn bewirkt, was zu nicht unerheblichen Kosten führt.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, die Betätigungseinheit eines Wegeventils so auszubilden und zu modifizieren, dass die Anziehungskraft zwischen Magnetkern und Anker zunächst stark ansteigt, um eine große Beschleunigung des Schließteils des Ventilelements zu erzeugen und eine hohe Schaltgeschwindigkeit darzustellen und dass vor dem Aufsetzen des Schließteils des Ventilelements auf den feststehenden Ventilsitz die Anziehungskraft wieder abnimmt, so dass die Geräusch und der Verschleiß bzw. die Materialbelastung verringert werden. Weiterhin sollen die Bauteile der Betätigungseinheit so gestaltet sein, dass eine technologiegerechte, günstige Großserienfertigung möglich ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass die Innenabmessung des Magnetkerns größer ist als die Außenabmessung des Ankers und dass der Magnetkern und der Anker in Verbindung mit der Länge des Stößels so angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet sind, dass die Stirnfläche des Ankers die stirnseitige Begrenzung des Magnetkerns entlang des Verschiebeweges des Ventilelements passiert.

Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind der Magnetkern und der Anker in Verbindung mit der Länge des Stößels so angeordnet, ausgerichtet und ausgeführt, dass die Stirnfläche des Ankers die stirnseitige Begrenzung des Magnetkerns etwa auf der Hälfte des Verschiebeweges des Ventilelements passiert.

Die Größe der axialen Kraft zwischen dem Magnetkern und dem Anker hängt von der relativen Position der stirnseitigen Begrenzung des Magnetkerns und der Stirnfläche des Ankers ab. Sie ist relativ klein, solange die Stirnfläche des Ankers noch von der stirnseitigen Begrenzung des Magnetkerns entfernt ist, nimmt dann auf ihr Optimum zu, wenn die Stirnfläche und die stirnseitige Begrenzung etwa auf gleicher Höhe liegen und wird wieder kleiner bzw. nimmt erheblich ab, sobald die Stirnfläche die stirnseitige Begrenzung passiert hat und der Anker in den Magnetkern eintaucht. Durch diese Ausgestaltung der Erfindung ergibt sich eine maximale Anziehungskraft zwischen Magnetkern und Anker etwa in der Mitte des Verschiebeweges des Ventilelements, die genutzt wird, das Ventilelement zu beschleunigen. Vor Aufsetzen des Ventilelements auf den feststehenden Ventilsitz ist die Anziehungskraft wieder so gering, dass ein sanftes Aufsetzen ermöglicht wird.

Es sei noch darauf hingewiesen, dass in dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 bewusst der Begriff „Innenabmessung" für den Magnetkern und „Außenabmessung" für den Anker benutzt wurde, um zum Ausdruck zu bringen, dass es sich dabei nicht unbedingt um kreiszylindrische Flächen handeln muss sondern sich auch um beliebige andere Formen mit eckigem, ovalem oder sonstigem Querschnitt handeln kann.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Luftspalt zwischen dem kreiszylindrisch ausgeführten Innendurchmesser des Magnetkerns und des kreiszylindrischen Außendurchmessers des Ankers etwa 0,1 bis 0,15 mm beträgt. Dieser Luftspalt ist so gering wie möglich gehalten, er muss jedoch ein bestimmtes Maß aufweisen, um eine ungehinderte Bewegung zwischen Magnetkern und Anker sicherzustellen. Im Patentanspruch 3 wird die bevorzugte Ausgestaltung des Magnetkerns und des Ankers definiert, nämlich eine kreiszylindrische Ausführung des Innendurchmessers und des Außendurchmessers.

Im Anschluss an den Magnetkern, insbesondere im Anschluss an dessen stirnseitige Begrenzung schließt sich innerhalb der Spule ein zylindrischer Körper an, der aus nicht magnetischem bzw. nicht magnetisierbarem Werkstoff besteht, wobei dessen Innenabmessung im wesentlichen der Innenabmessung des Magnetkerns entspricht. Dieser Körper kann auch teilweise zwischen dem Magnetkern und der Spule verlaufen und auch auf der dem Magnetkern gegenüberliegenden Seite die Spule abdecken bzw. diese vollständig umschließen. Dieser Körper kann auch den Magnetkern teilweise umfassen und das Gehäuse der Ventileinheit gleichzeitig bilden. Es kann sich dabei beispielsweise um einen Kunststoffwerkstoff, Leicht- oder Buntmetallwerkstoff oder dergleichen handeln.

Weiterhin wird vorgeschlagen, dass der Magnetkern im Anschluss an die stirnseitige Begrenzung auf der der Spule zugewandten Außenkante eine Verrundung aufweist, die in die Mantelfläche des Magnetkerns ausläuft. Dadurch wird der Magnetfluss zwischen Spule und Magnetkern verbessert und die stirnseitige Begrenzung im magnetischen Sinne genauer definiert.

Der Magnetkern besteht in vorteilhafter Weise aus einem Blechkörper, der einen kreisrylindrischen und einen daran anschließenden scheibenförmigen Bereich aufweist.

Ein derartiger Magnetkörper aus einem derartigen Material kann in vorteilhafter Weise durch Tiefziehen eines Bleches hergestellt werden, bei dem zunächst ein hutförmiges Bauteil entsteht, bei dem anschließend der Boden ausgestanzt wird. Dabei kann gleichzeitig während des Tiefziehens und/oder des Ausstanzens die Verrundung an der Außenkante erzeugt werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnung verwiesen, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist.
Es zeigt:
1 einen Schnitt durch ein hydraulisches 3/2-Wegeventil.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnung
In der Figur ist mit 1 allgemein die Betätigungseinheit eines Wegeventils bezeichnet, und mit 2 die daran anschließende Ventileinheit. Die Ventileinheit 2 besteht aus einem Gehäuseteil, in dem eine mit 3 bezeichnete mehrfach abgestufte zentrale Ausnehmung eingearbeitet ist. An die Ausnehmung 3 anschließend sind Druckmittel führende Kanäle 4, 5 und 6 angeschlossen. Der Kanal 4 ist mit einem nicht dargestellten Druckerzeuger verbunden, während der Kanal 5 an einen Verbraucher angeschlossen ist. Der Kanal 6 ist mit einem ebenfalls nicht dargestellten Rücklaufanschluss verbunden und führt das Druckmittel zurück zu einem Vorratsbehälter.
Während der Kanal 4 an der Gehäusestirnseite in das Wegeventil einmündet, verlaufen die Kanäle 5 und 6 quer zu dem Kanal 4 in radialer Richtung.
Die Ausnehmung 3 weist in dem der Betätigungseinrichtung zugewandten Ende eine größere radiale Erstreckung auf, an die sich in der ersten Abstufung ein mit 7 bezeichneter Ventilsitz anschließt. Im Anschluss an den Ventilsitz 7 verläuft die Ausnehmung mit geringerer Abmessung und mündet in einen Gegenventilsitz 8, der in etwa dem Ventilsitz 7 entspricht, nur in der Gegenrichtung ausgebildet ist. An dem Gegenventilsitz 8 weist die Ausnehmung 3 eine weitere Erweiterung auf, die in den druckführenden Kanal 4 mündet. Innerhalb der Ausnehmung 3 ist ein Ventilelement 9 eingebaut, das zu dem Ventilsitz 7 passend einen Schließkörper 10 aufweist. An den Schließkörper 10 schließt sich eine stangenförmige Verlängerung 11 an, die bis zum Gegenventilsitz 8 reicht. Passend zum Gegenventilsitz 8 ist eine mit 12 bezeichnete Kugel vorgesehen, die als Schließkörper für den Gegenventilsitz 8 dient. Die Kugel 12 ist frei beweglich und kann von der stangenförmigen Verlängerung 11 vom Gegenventilsitz 8 abgehoben werden. Zur Führung der Kugel 12 sind am Gehäuse der Ventileinheit 2 Haken 13 angeformt, die eine begrenzte Bewegung der Kugel im Sinne von Öffnen und Schließen des Gegenventilsitzes 8 zulassen, ansonsten aber die Kugel 12 am Entfernen hindern. Der Druckmittel führende Kanal 5 kreuzt die stangenförmige Verlängerung 11, wobei der Druckmittel führende Kanal 6 das Ventilelement 9 oberhalb des Schließkörpers 10 kreuzt. Ist die Betätigungseinheit 1 stromlos geschaltet, so kann der Flüssigkeitsdruck im Druckmittel führenden Kanal 4 die Kugel 12 gegen den Gegenventilsitz 8 drücken und den Druckmittel führenden Kanal 4 schließen. Gleichzeitig wird das Ventilelement 9 über die stangenförmige Verlängerung 11 angehoben, so dass der Schließkörper 10 vom Ventilsitz 7 abhebt. Damit entsteht eine Strömungsverbindung zwischen den Druckmittel führenden Kanälen 5 und 6.
Wird nun die Betätigungseinheit 1 bestromt, so wird das Ventilelement 9 in Richtung der Kugel 12 verschoben, wobei die stangenförmige Verlängerung 11 die Kugel von dem Gegenventilsitz 8 abhebt. Gleichzeitig tritt der Schließkörper 10 mit dem Ventilsitz 7 in Kontakt, so dass eine Strömungsverbindung zwischen den Druckmittel führenden Kanälen 4 und 5 hergestellt wird, und der Druckmittel führende Kanal 6 von den beiden übrigen Kanälen abgetrennt ist.
An das Ventilelement 9 ist ein mit 14 bezeichneter Stößel angeformt, der mit einem als topfförmiger Hohlkörper ausgebildeten Anker 15 in Wirkverbindung steht. Der Anker 15 weist eine mit 16 bezeichnete Stirnfläche auf, die sich an den Stößel 14 anschließt. Der Anker ist kreiszylindrisch ausgeführt und weist eine Mantelfläche auf, die kreiszylindrisch ausgeführt ist. Der Anker 15 ist innerhalb eines zylindrischen Körpers 17 und eines daran anschließenden Magnetkerns 18 angeordnet und frei beweglich eingebaut. Der Magnetkern 18 weist einen kreiszylindrischen Bereich 19 und einen scheibenförmigen Bereich 20, die über einen bogenartigen Anschluss aneinander befestigt sind. Um den zylindrischen Körper 17 herum, der auch den Magnetkern 18 einschließt, ist eine mit 21 bezeichnete elektrische Spule angeordnet, die nicht dargestellt, beliebig bestromt werden kann. Der Magnetkern 18 weist eine mit 22 bezeichnete stirnseitige Begrenzung auf, die auf ihrer der Spule zugewandten Außenkante eine mit 23 bezeichnete Verrundung aufweist.
In der nicht bestromten Grundstellung der Betätigungseinheit 1, in der der Ventilkörper 10 von dem Ventilsitz 7 abgehoben ist, ist die Stirnfläche 16 mit einem Abstand, der etwa dem halben Verschiebeweg des Ventilelements 9 entspricht, oberhalb der stirnseitigen Begrenzung 22 des Magnetkerns 18 angeordnet. Etwa auf dem halben Verschiebeweg des Ventilelements 9 liegen die Stirnfläche 16 und die stirnseitige Begrenzung 22 auf der gleichen Höhe, während in der bestromten Schließstellung des Ventilelements 9, dann, wenn der Schließkörper 10 den Ventilsitz 7 verschließt und die stangenförmige Verlängerung 11 die Kugel 12 von dem Gegenventilsitz 8 abgehoben hat, die Stirnfläche 16 in den Magnetkern eingetaucht und unterhalb der stirnseitigen Begrenzung 22 des Magnetkerns angeordnet ist.
Es sei noch darauf hingewiesen, dass aufgrund der erfindungsgemäßen Ausgestaltung von Anker und Magnetkern die Schließkraft umso mehr abnimmt, je weiter der Anker in den Magnetkern eingetaucht und die Stirnfläche 16 die stirnseitige Begrenzung 22 überschritten hat. Daraus folgt, dass die Schließkraft in Abhängigkeit des Verschleißes zwischen dem Schließkörper 10 und dem Ventilsitz 7 abnimmt und ein Selbstregeleffekt eintritt, so dass das Aufsetzen des Schließkörpers 10 auf den Ventilsitz 7 umso langsamer wird, je höher der Verschleiß ist.

1: Betätigungseinheit
2: Ventileinheit
3: Ausnehmung
4: Druckmittel führender Kanal
5: Druckmittel führender Kanal
6: Druckmittel führender Kanal
7: Ventilsitz
8: Gegenventilsitz
9: Ventilelement
10: Schließkörper
11: stangenförmige Verlängerung
12: Kugel
13: Haken
14: Stößel
15: Anker
16: Stirnfläche
17: zylindrischer Körper
18: Magnetkern
19: kreiszylindrischer Bereich
20: scheibenförmiger Bereich
21: Spule
22: stirnseitige Begrenzung
23: Verrundung

Claims

Wegeventil, insbesondere hydraulisches 3/2-Wegeventil, mit einer Betätigungseinheit (1) und einer mit der Betätigungseinheit in Wirkverbindung stehenden Ventileinheit (2), in der ein von der Betätigungseinheit (1) verschiebbares, einen Stößel (14) aufweisendes Ventilelement (9) Verbindungen zwischen Druckmittel führenden Kanälen (4, 5, 6) der Ventileinheit (2) steuert und wobei die Betätigungseinheit (1) zumindest eine Spule (21), einen Magnetkern (18), der zumindest teilweise innerhalb der Spule (21) angeordnet und zylindrisch ausgebildet ist sowie eine stirnseitige Begrenzung (22) aufweist, und einen beweglichen, mit dem Magnetkern (18) elektromagnetisch zusammenwirkenden, eine Stirnfläche 16) beinhaltenden Anker (15) aufweist, der mit dem Stößel (14) in Wirkverbindung steht, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenabmessung des Magnetkerns (18) größer ist als die Außenabmessung des Ankers (15) und dass der Magnetkern (18) und der Anker (15) in Verbindung mit der Länge des Stößels (14) so angeordnet, ausgebildet und ausgerichtet sind, dass die Stirnfläche (16) des Ankers (15) die stirnseitige Begrenzung (22) des Magnetkerns (18) entlang des Verschiebeweges des Ventilelements (9) passiert.
Wegeventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnfläche (16) des Ankers (15) die stirnseitige Begrenzung (22) des Magnetkerns (18) etwa auf der Hälfte des Verschiebeweges des Ventilelements (9) passiert.
Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Luftspalt zwischen dem kreiszylindrisch ausgeführten Innendurchmesser des Magnetkern (18) und des kreiszylindrischen Außendurchmessers des Ankers (15) etwa 0,1 bis 0,15 mm beträgt.
Wegeventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb der Spule (21) im Anschluss an den Magnetkern (18), insbesondere im Anschluss an dessen stirnseitige Begrenzung (22), ein zylindrischer Körper (17) aus nicht magnetisierbarem Werkstoff vorgesehen ist, dessen Innenabmessung im wesentlichen der Innenabmessung des Magnetkerns (18) entspricht.
Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (18) im Anschluss an die stirnseitige Begrenzung (22) auf ihrer der Spule (21) zugewandten Außenkante eine Verrundung (23) aufweist, die in die Mantelfläche des Magnetkerns (18) ausläuft.
Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (18) einen kreiszylindrischen (19) und einen daran anschließenden scheibenförmigen Bereich (20) aufweist.
Wegeventil nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetkern (18) als hutförmiges Tiefziehteil hergestellt ist, bei dem anschließend der Boden ausgestanzt ist.
Wegeventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Verrundung (23) während des Tiefziehens und/oder Ausstanzens erzeugt ist.