DE102005034986A1

DE102005034986A1 - Elektromagnetische Stelleinheit

Info

Publication number: DE102005034986A1
Application number: DE200510034986
Authority: DE
Inventors: Christoph Ross; Josef GRÖSCHEL
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-07-27
Filing date: 2005-07-27
Publication date: 2007-02-01
Also published as: WO2007012393A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stelleinheit (2) eines Wegeventils (1), mit einem Anker (16), welcher in einer Ankerführungshülse (12) axial verschiebbar gelagert ist. Dabei ist vorgesehen, die einzelnen Komponenten der Stelleinheit (2) derart auszubilden, anzuordnen und zusammenzufügen, dass der Montageaufwand und die Kosten während der Herstellung auf ein Minimum reduziert werden, wobei die Hysterese der Kennlinie der elektromagnetischen Stelleinheit (2) auf ein Minimum reduziert werden soll. DOLLAR A Weiterhin wird ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils, zumindest bestehend aus einem Spulenkörper (5) und einer profilierten Ankerführungshülse (12), angegeben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine magnetische Stelleinheit eines Hydraulischen Wegeventils mit einem Spulenkörper, einem Anker und einer Ankerführungshülse und ein Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils einer magnetischen Stelleinheit, wobei das Verbundbauteil zumindest einen Spulenkörper aus Kunststoff und eine topfförmige Ankerführungshülse umfasst.
Derartige Wegeventile werden in Brennkraftmaschinen beispielsweise zur Ansteuerung von hydraulischen Nockenwellenverstellern oder schaltbaren Nockenfolgern eingesetzt. Die Wegeventile bestehen aus einer elektromagnetischen Stelleinheit und einem Ventilabschnitt. Der Ventilabschnitt stellt den hydraulischen Abschnitt des Wegeventils dar, wobei an diesem zumindest ein Zulaufanschluss, mindestens ein Arbeitsanschluss und ein Tankanschluss ausgebildet sind. Mittels der elektromagnetischen Stelleinheit können gezielt bestimmte Anschlüsse des Ventilabschnitts hydraulisch miteinander verbunden und somit die Druckmittelströme gelenkt werden.
Für den Einsatz eines Wegeventils zur Steuerung eines Nockenwellenvers tellers ist dieses im Normalfall als 4/3-Proportionalwegeventil ausgebildet. Ein derartiges Proportionalventil ist beispielsweise in der DE 199 56 160 offenbart. Die elektromagnetische Stelleinheit setzt sich in diesem Fall aus einem ersten Magnetjoch, einer Spule, einem zweiten Magnetjoch, einem Gehäuse, einem Anker und einem Anschlusselement, welches eine elektrische Steckverbindung aufnimmt, die zur Stromversorgung der Spule dient, zusammen.
Der Ventilabschnitt besteht aus einem Ventilgehäuse und einem darin axial verschiebbar angeordneten Steuerkolben. Das Ventilgehäuse ist innerhalb einer Aufnahmeöffnung des zweiten Magnetjochs angeordnet und ortsfest mit diesem verbunden. An der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses sind vier Ringnuten ausgebildet, welche als Druckmittelanschlüsse dienen. In den Nutgründen der Ringnuten sind Öffnungen ausgebildet, wodurch Druckmittel in das Innere des Ventilgehäuses gelangen kann. Im Inneren des Ventilgehäuses ist ein Steuerkolben axial verschiebbar angeordnet, wobei der Außendurchmesser des Steuerkolbens dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses angepasst ist. Des Weiteren sind am Steuerkolben ebenfalls Ringnuten ausgebildet, über welche benachbarte Druckmittelanschlüsse miteinander verbunden werden können.
Die Spule, das erste und das zweite Magnetjoch sind innerhalb des Gehäuses der elektromagnetischen Stelleinheit koaxial zueinander angeordnet. Das erste und das zweite Magnetjoch sind dabei in axialer Richtung zueinander versetzt. In dem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetjoch befindet sich radial innerhalb der Magnetjoche der Anker, wobei dieser in radialer Richtung von der Spule umgeben ist. Der Anker, das Gehäuse, das erste und das zweite Magnetjoch bilden einen Flusspfad für die magnetischen Flusslinien, welche durch Bestromen der Spule hervorgerufen werden.
Durch Bestromen der Spule wird der Anker in Richtung des zweiten Magnetjochs gedrängt, wobei diese Bewegung mittels einer am Anker angebrachten Stößelstange auf den Steuerkofben übertragen wird. Dieser wird nun gegen eine sich am Ventilgehäuse abstützende Feder in axialer Richtung bewegt.
Wegeventile zur Ansteuerung von schaltbaren Nockenfolgern sind meist als Schaltventile ausgebildet. Ein derartiges Schaltventil ist, in einer Ausführung als 3/2-Schaltventil, beispielsweise aus der DE 102 52 431 A1 bekannt. Die elektromagnetische Stelleinheit besteht wiederum aus einem Gehäuse, einem Anker, einem Anschlusselement, einem ersten und einem zweiten Magnetjoch. Die Funktion und die Ausbildung der elektromagnetischen Stelleinheit sind in weiten Teilen analog zu der des Proportionalventils.
An dem Ventilabschnitt sind in diesem Fall ein Zulaufanschluss, ein Arbeitsanschluss und ein Tankanschluss ausgebildet. Der Arbeitsanschluss kommuniziert über jeweils eine als Ventilsitz ausgebildete Öffnung sowohl mit dem Zulauf- als auch mit dem Tankanschluss. Innerhalb des Ventilgehäuses ist weiterhin ein Steuerkolben angeordnet, an welchem zwei Schließelemente ausgebildet sind. Jedes Schließelement kann, abhängig von der Position des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses, den Druckmittelfluss durch einen der Ventilsitze sperren oder freigeben. Abhängig von der axialen Position des Steuerkolbens kann so der Arbeitsanschluss selektiv mit dem Zulaufanschluss oder mit dem Tankanschluss verbunden werden. Die axiale Lage des Steuerkolbens wird dabei wiederum über die axiale Position des Ankers relativ zum zweiten Magnetjoch festgelegt.
In der DE 100 51 614 A1 ist eine elektromagnetische Stelleinheit eines Proportionalventils offenbart. Dabei ist innerhalb eines Magnetjochs eine Ankerführungshülse angeordnet, in welcher ein Anker axial verschiebbar aufgenommen ist. Die Ankerführungshülse ist topfförmig mit einem Boden und einem zylindrischen Abschnitt mit einer zylindrischen Innenmantelfläche ausgebildet. Die zylindrische Innenmantelfläche dient zur Führung des Ankers, wobei der Boden den axialen Weg des Ankers in eine axiale Richtung begrenzt. Die Reibung zwischen dem Anker und der Ankerführungshülse hat maßgeblichen Einfluss auf die Kenndaten des Ventils, vor allem auf die auftretende Hysterese. Aus diesem Grund ist eine möglichst geringe Reibung wünschenswert. Aus diesem Grund sind im Stand der Technik reibungsmindernde Maßnahmen, wie Ausformungen des Ankers oder Lagerelemente zwischen diesen Bauteilen vorgesehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den Anker mit einem Gleitbelag, beispielsweise Teflon zu versehen.
Zwischen dem Boden der Ankerführungshülse und dem bündig an deren Innenmantelfläche anliegenden Anker, ist ein abgeschlossener Hohlraum ausgebildet. Dieser Hohlraum kann zum einen, durch einen in diesem auftretenden Unterdruck, hemmend auf eine Bewegung des Ankers vom Boden weg wirken. Des Weiteren kann in diesen Hohlraum eintretendes Leckageöl eine axiale Bewegung des Ankers auf den Boden zu hemmen. In der DE 100 51 614 A1 wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, den Anker mit axialen Bohrungen oder axial verlaufenden Nuten an dessen Außenmantelfläche zu versehen um den Druckausgleich zwischen den Hohlräumen vor und hinter dem Anker zu ermöglichen.
Nachteilig an der vorgeschlagenen Ausführungsform sind deren hohe Herstellungskosten, welche durch die spanende Nachbearbeitung des aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Ankers hervorgerufen werden. Weiterhin wird durch die Beschichtung des Ankers ein zusätzlicher Bearbeitungsschritt nötig, welcher sich nachteilig auf den Herstellungsaufwand und die -kosten auswirkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde diese geschilderten Nachteile zu vermeiden und somit eine elektromagnetische Stelleinheit eines Wegeventils zu schaffen, wobei dessen Montageaufwand minimiert und somit dessen Herstellungskosten verringert werden. Dabei soll besonderes Augenmerk auf eine reibungsoptimierte Ankerführung innerhalb einer Ankerführungshülse und die Verringerung der Hysterese der Kennlinie des Wegeventils gelegt werden.

Speziell soll dem Aufbau von Unter- oder Überdrücken innerhalb der Ankerführungshülse auf Grund der Ankerbewegung entgegengewirkt werden.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die elektromagnetische Stelleinheit eines hydraulischen Wegeventils mit einem Spulenkörper, einem Anker und einer Ankerführungshülse ausgeführt ist, wobei die Ankerführungshülse aus einem metallischen, nicht magnetisierbaren Werkstoff besteht und innerhalb einer zylinderförmigen, sacklochartigen Ausnehmung des Spulenkörpers angeordnet ist, wobei die Ankerführungshülse einen im wesentlichen zylinderförmigen Abschnitt aufweist, an dessen Innenmantelfläche mindestens drei sich radial nach innen erstreckende, in axialer Richtung verlaufende Erhebungen ausgebildet sind, wobei der Anker axial verschiebbar innerhalb der Ankerführungshülse angeordnet ist und wobei die Erhebungen dem Anker als Laufflächen dienen.

Durch die Ausbildung der Erhebungen an einer Innenmantelfläche der Ankerführungshülse, die derart ausgeführt sind, dass eine zylindrische Außenmantelfläche des Ankers an diesen anliegt, sind in Umfangsrichtung zwischen den Erhebungen axial verlaufende Schmiermittelkanäle ausgebildet. Die Erhebungen dienen dem Anker als Laufflächen.

Zum einen sinkt durch die Reduzierung der Anlagefläche des Ankers an der Ankerführungshülse die auftretende Mischreibung zwischen diesen Bauteilen. Des Weiteren kann in die Ankerführungshülse eintretendes Schmiermittel über die Schmiermittelkanäle zu den Laufflächen gelangen. Diese Maßnahmen reduzieren die auftretende Reibung signifikant, wodurch zusätzliche Lagerelemente oder kostenintensive Nachbearbeitung des Ankers entfallen können.

Ein weiterer Vorteil dieser Ausführungsform besteht darin, dass über die Schmiermittelkanäle gleichzeitig der Druckausgleich zwischen den axial zu dem Anker liegenden Hohlräumen und der Schmiermittelabfluss erfolgen können.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Spulenkörper aus Kunststoff besteht und an der äußeren Mantelfläche des zylinderförmigen Abschnitts anliegt. Durch die Ausbildung des Spulenkörpers und der Ankerführungshülse als Verbundbauteil kann der Montageaufwand der elektromag netischen Stelleinrichtung reduziert werden. Außerdem wird die Ankerführungshülse durch den Spulenkörper abgestützt und somit gegen Deformationen durch den Anker geschützt.

Die Ankerführungshülse kann mittels eines spanlosen Umformverfahrens aus einem Blechteil gefertigt sein. Dabei kann vorgesehen sein, dass der zylindrische Abschnitt im Querschnitt ein wellenförmiges Profil aufweist. In dieser Ausführungsform kann das Material des Spulenkörpers an der äußeren Mantelfläche der Ankeführungshülse in das wellenförmige Profil der Erhebungen eingreifen.

Die Ausbildung der Ankerführungshülse aus einem Blechteil mittels eines spanlosen Umformprozesses, stellt eine kostengünstige Herstellungsmethode dar. Dabei kann vorgesehen sein, die Ankerführungshülse mittels eines Tiefziehverfahrens aus einem Blechrohling zu fertigen. Durch die Ausbildung der Erhebungen mittels eines in Umfangsrichtung der Ankerführungshülse wellenförmigen Profils, kann diese komplett mittels spanloser Umformverfahren hergestellt werden. Dabei kann die Steifigkeit der Ankerführungshülse, speziell der Erhebungen, dadurch gesteigert werden, dass der an der Außenmantelfläche der Ankerführungshülse angeordnete Spulenkörper an das wellenartige Profil angepasst ist. Dabei kann die Ankerführungshülse beispielsweise mittels eines Spritzgiessverfahrens an der Außenmantelfläche der Ankerführungshülse ausgebildet werden.

In einer Konkretisierung der Erfindung beträgt die radiale Erstreckung jeder Erhebung weniger als 0,06 mm.

Vorteilhafterweise besteht die Ankerführungshülse aus einem Edelstahl.

Die Ankerführungshülse definiert in der elektromagnetischen Stelleinheit einen Luftspalt zwischen einem Magnetjoch und dem Anker. Um diese Funktion erfüllen zu können muss diese aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen. Dabei ist der Einsatz eines Edelstahls vorteilhaft, der den Einsatz spanloser Umformverfahren ermöglicht.

Die Aufgabe wird weiterhin durch den Einsatz eines erfindungsgemäßen Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils einer magnetischen Stelleinheit eines Wegeventils gelöst, wobei das Verbundbauteil zumindest einen Spulenkörper aus Kunststoff und eine topfförmige Ankerführungshülse umfasst, wobei an der Ankerführungshülse von der Topfform abweichende Funktionselement ausgebildet sind, die sich in das Innere der Topfform erstrecken, wobei das Verbundbauteil ausgehend von einem topfförmigen Blechrohling gefertigt wird und wobei der Spulenkörper mittels eines Kunststoff-Formgebungsverfahrens innerhalb eines dem Kunststoff formgebenden Werkzeugs am Außenumfang der Ankerführungshülse ausgebildet wird, mit folgenden Verfahrensschritten:

– Anordnen des auf einem Vorhaltestempel angeordneten Blechrohlings innerhalb des formgebenden Werkzeugs, wobei die ansonsten der inneren Fläche des Blechrohlings angepasste äußere Fläche des Vorhaltestempels mit zu den Funktionselementen korrespondierenden Einformungen versehen ist,
– Einfüllen des Kunststoffes in das formgebende Werkzeug,
– Ausfüllen des Werkzeugs durch den plastifizierten, unter Druck stehenden Kunststoff, wobei dieser die korrespondierenden Bereiche des Blechrohlings in die Einformungen des Vorhaltestempels drängt,
– Aushärten des Kunststoffes und
– Entnahme des fertigen Verbundbauteils.

Das Formgebungsverfahren kann beispielsweise ein Spritzgießverfahren, ein Spritzpressverfahren oder ein Formpressverfahren ist.

Dabei kann vorgesehen sein, die Einformungen als an der axialen Stirnfläche des Vorhaltestempels ausgebildete Sicken auszuführen, wobei das in diese Sicken verdrängte Material des Blechrohlings Anschläge für einen innerhalb der Ankerführungshülse angeordneten Anker bildet.

Zusätzlich oder alternativ können die Einformungen als an der Mantelfläche des Vorhaltestempels angeordnete, axial verlaufende Nuten ausgebildet sein, wobei das in diese Nuten verdrängte Material des Blechrohlings Laufflächen für einen innerhalb der Ankerführungshülse angeordneten Anker bildet.

Die Fertigung des aus einem Kunststoff bestehenden Spulenkörpers der elektromagnetischen Stelleinheit erfolgt in der Mehrzahl der Fälle mittels eines Spritzgiessverfahrens. Alternativ können auch andere Formgebungsverfahren für Kunststoff, wie beispielsweise Spritzpress- oder Formpressverfahren, angewandt werden. Durch das vorgeschlagene Verfahren ist sichergestellt, dass der Spulenkörper fest mit der Ankerführungshülse verbunden ist. Ein weiterer Vorteil dieses Verfahrens besteht darin, dass von der topfartigen Form abweichende Funktionselement der Ankerführungshülse während der Ausbildung des Spulenkörpers, ohne zusätzliche Arbeitsgänge, ausgebildet werden können.

Zu diesem Zweck ist vorgesehen, ausgehend von einem topfartigen Blechrohling, während des Spritzgiess-, Spritzpress- oder Formpressverfahrens, in dem der Spulenkörper an der äußeren Fläche des Blechrohlings ausgebildet wird, die Funktionselemente der Ankerführungshülse auszubilden. Derartige Funktionselemente können beispielsweise an der Innenmantelfläche der Ankerführungshülse angeordnete, radial nach innen ragende und axial verlaufende Erhebungen sein, die als Laufflächen für den Anker dienen. Ebenso denkbar ist es, am Boden der topfartigen Ankerführungshülse in axialer Richtung in die Ankerführungshülse hinein ragende Anschläge für den Anker auszubilden, die den axialen Verschiebeweg des Ankers in diese Richtung beschränken.

Zu diesem Zweck wird in das Innere des Blechrohlings ein Vorhaltestempel eingeführt, dessen Außenkontur einem Negativ der gewünschten Außenkontur der Ankerführungshülse entspricht.

Blechrohling und Vorhaltestempel sind innerhalb eines formgebenden Werkzeugs angeordnet, in dessen Inneren ein Hohlraum ausgebildet ist, dessen Außenkonturen den Außenkonturen des Spulenkörpers entsprechen. Anschließend wird der gewünschte Kunststoff in plastifizierter Form, unter Druck eingeführt, wobei dieser den Hohlraum ausfüllt. Durch den während des Formgebungsprozesses, in dem der Spulenkörper ausgeformt wird, auf den plastifizierten Kunststoff ausgeübten Druck, wird die Wandung des Blechrohlings in die Einformungen des Vorhaltestempel verdrängt. Nach dem Aushärten des Kunststoffes durch Abkühlen der Masse oder spezielle Härteverfahren kann das fertige Verbundbauteil aus der Form entnommen werden.

Dadurch können ohne zusätzliche Kosten und Arbeitsschritte während der Herstellung des Spulenkörpers die Funktionselemente ausgebildet und die Ankerführungshülse fest mit dem Spulenkörper verbunden werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen
1 eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit am Beispiel eines 4/3-Wegeproprtionalventils,
1a eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit,
2 einen Querschnitt entlang der Linie II-II in 1a,
3 eine dritte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit am Beispiel eines 3/2-Wegeschaltventils,
4 schematisch einen Arbeitschritt eines Herstellungsverfahrens.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit 2 am Beispiel eines als 4/3-Wegeproprtionalventils ausgeführten Wegeventils 1. Das Wegeventil 1 weist eine elektromagnetische Stelleinheit 2 und einen Ventilabschnitt 3 auf.
Die elektromagnetische Stelleinheit 2 weist einen Spulenkörper 5 und ein einteilig mit diesem ausgebildetes Anschlusselement 6 auf. Der Spulenkörper 5 trägt eine aus mehreren Windungen eines geeigneten Drahtes bestehende Spule 7. Die radial äußere Mantelfläche der Spule 7 wird von einer hülsenförmigen Materialschicht 8 umgeben, welche aus einem nicht magnetisierbaren Material besteht. Die Materialschicht 8 kann beispielsweise aus einem geeigneten Kunststoff bestehen und auf die gewickelte Spule 7 aufgespritzt werden. Innerhalb des Anschlusselements 6 ist eine elektrische Steckverbindung 9 aufgenommen, über welche die Spule 7 mit einer Strom- oder Spannungsquelle verbunden werden kann.
Der Spulenkörper 5 ist mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen, sacklochartigen Ausnehmung 10 ausgebildet, welche konzentrisch zur Spule 7 angeordnet ist. Des Weiteren nimmt der Spulenkörper 5 und das Anschlusselement 6 am bodenseitigen Ende der Ausnehmung 10 ein hülsenförmig ausgeführtes erstes Magnetjoch 11 auf. Innerhalb der Ausnehmung 10 ist eine topfförmige Ankerführungshülse 12 angeordnet, wobei deren Außenkontur der Innenkontur der Ausnehmung 10 angepasst ist. Die Ankerführungshülse 12 ist dünnwandig, mit einer Wandstärke von ca. 0.1 mm, ausgeführt und umfasst einen zylinderförmigen Abschnitt 12b, der von einem Hülsenboden 12c begrenzt wird. Der Hülsenboden 12c ist mit sich axial nach innen erstreckenden Anschlägen 13b versehen. Die Ankerführungshülse 12 erstreckt sich in axialer Richtung entlang der gesamten Ausnehmung 10, wobei diese den Spulenkörper 5 an dessen Öffnung in radialer Richtung zumindest teilweise umgreift.
Der Spulenkörper 5 ist innerhalb eines topfförmig ausgebildeten Gehäuses 14 angeordnet. Das offene Ende des Gehäuses 14 überragt das Anschlusselement 6 in axialer Richtung, wobei dieses, und damit der Spulenkörper 5, mittels einer Bördelverbindung 15 innerhalb des Gehäuses 14 fixiert sind.
Innerhalb der Ankerführungshülse 12 ist ein Anker 16 in axialer Richtung verschiebbar angeordnet. Der Verschiebeweg des Ankers 16 wird in der einen Richtung durch die Anschläge 13b und in der anderen Richtung durch ein zweites Magnetjoch 17 begrenzt.
Das zweite Magnetjoch 17 weist einen rohrförmigen Abschnitt 18 und einen sich in axialer Richtung daran anschließenden ringförmigen Abschnitt 19 auf. Der rohrförmige Abschnitt 18 erstreckt sich durch eine im Boden 20 des Gehäuses 14 ausgebildete Öffnung 21 in die in der Ausnehmung 10 des Spulenkörpers 5 angeordnete Ankerführungshülse 12. Dabei ist der Außendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 18 dem Durchmesser der Öffnung 21, bis auf ein eventuell vorhandenes Spiel, angepasst. Der Innendurchmesser des axialen Endes des rohrförmigen Abschnittes 18, welches dem Anker 16 zugewandt ist, ist größer ausgeführt als der Außendurchmesser des Ankers 16. Somit kann dieser in diesen Abschnitt eintauchen. Zusätzlich läuft die Außenmantelfläche des rohrförmigen Abschnitts 18 in Richtung des Ankers 16 konisch zu.
Das Gehäuse 14 stützt sich über einen Montageflansch 22 an dem ringförmigen Abschnitt 19 ab. Der Montageflansch 22 dient zur Befestigung des Wegeventils 1 an einer nicht dargestellten Umgebungskonstruktion.
Das zweite Magnetjoch 17 kann wie in 1 dargestellt als einteiliges Bauteil ausgebildet sein. Eine alternative Ausführungsform ist in 1a dargestellt. In dieser Ausführungsform besteht das zweite Magnetjoch 17 aus zwei Bauteilen, dem Polkern 23 und einem einteilig mit dem Montageflansch 22 ausgebildeten hülsenförmigen Fortsatz 24.
Zwischen dem rohrförmigen Abschnitt 18 des zweiten Magnetjochs 17, dem Boden 20 des Gehäuses 14 und der Ankerführungshülse 12 ist ein Dichtring 25a angeordnet. Dieser verhindert im Zusammenwirken mit der Ankerfüh rungshülse 12, dass in die elektromagnetische Stelleinheit 2 eindringendes Druckmittel, in der Regel Motoröl, zum Spulenkörper 5 gelangt, wodurch dieser vor Schädigungen durch das Druckmittel geschützt wird.
2 zeigt einen Querschnitt durch die elektromagnetische Stelleinheit 2 entlang der Linie II-II in 1. Dabei ist nur ein Teil des Spulenkörpers 5, die Ankerführungshülse 12 und der Anker 16 dargestellt.
Die Ankerführungshülse 12 ist an dem zylinderförmigen Abschnitt 12b mit radial nach innen ragenden Erhebungen 13a ausgebildet, welche sich in axialer Richtung erstrecken. Die Erhebungen 13a sind hier zur Veranschaulichung überproportional groß dargestellt. Die radiale Erstreckung der Erhebungen 13a kann zwar in jeder beliebigen Größe realisiert werden, allerdings sind Erstreckungen kleiner gleich 0,06 mm völlig ausreichend. Der Außendurchmesser der zylinderförmigen Außenmantelfläche des Ankers 16 ist derart ausgeführt, dass dieser von den Erhebungen 13a, welche diesem als Laufflächen dienen, geführt wird. Dadurch sind in Umfangsrichtung des Ankers 16 zwischen den Erhebungen 13a Schmiermittelkanäle 26 ausgebildet, welche sich in radialer Richtung erstrecken.
Durch die Verringerung der Anlagefläche des Ankers 16 an der Ankerführungshülse 12 wird die flächenabhängige Mischreibung zwischen diesen Bauteilen reduziert.
Druckmittel, in diesem Fall Motoröl, welches auch als Schmiermittel wirkt, kann über die Öffnung 21 in die elektromagnetische Stelleinheit 2 eintreten und in die Schmiermittelkanäle 26 gelangen, wodurch die Kontaktflächen zwischen dem Anker 16 und den Erhebungen 13a ausreichend mit Schmiermittel versorgt werden. Durch diese Maßnahmen kann auf spezielle, reibungsmindernde Ausbildungen des Ankers 16 oder zusätzliche Lagerelemente, wie beispielsweise Gleitschichten verzichtet werden.
Zwischen dem Hülsenboden 12c und dem hülsenbodenseitigen Ende des Ankers 16 ist ein erster Hohlraum 39 ausgebildet. Durch eine axiale Verschiebung des Ankers 16 etabliert sich in diesem ersten Hohlraum 39 ein Druck, welcher von einem zweiten Hohlraum 40, der von der anderen axialen Stirn fläche des Ankers 16 begrenzt wird, abweicht. Durch die Ausbildung der Schmiermittelkanäle 26 kann über diese der Druckausgleich zwischen den Hohlräumen 39, 40 stattfinden.
Die Ausbildung der Schmiermittelkanäle 26 vermindert zum einen die Reibung zwischen dem Anker 16 und der Ankerführungshülse 12, zum anderen kann zwischen den Hohlräumen 39, 40 ein Druckausgleich stattfinden. Dadurch wird die Hysterese der Ventilkennlinie signifikant verringert.
Zusätzlich kann vorgesehen sein, die Stößelstange 33 als Profilkörper auszubilden und diese in einer durch den Anker 16 verlaufenden Bohrung anzuordnen, wodurch in den ersten Hohlraum 39 eingetretenes Druckmittel in den zweiten Hohlraum 40 zurückgeführt werden kann.
Wie in 2 dargestellt kann der Spulenkörper 5 an der Außenmantelfläche der Ankerführungshülse 12 anliegen, wobei dieser in die Erhebungen 13a eingreift, wodurch deren Stabilität gewährleistet ist.
Der Spulenkörper 5 und die Ankerführungshülse 12 sind vorteilhafterweise als Verbundbauteil ausgeführt. Dadurch wird zum einen die Anzahl der Einzelteile der elektromagnetischen Stelleinheit 2 verringert, wodurch die Herstellung kostengünstiger erfolgen kann. Des Weiteren kann dadurch die Ausbildung der Funktionselemente 13 kostenneutral, im Vergleich zu einer rein zylinderförmigen Ankerführungshülse 12, erfolgen. Dies kann beispielsweise mittels des im Folgenden beschriebenen Herstellungsverfahrens realisiert werden. Der Spulenkörper 5 wird mittels eines Kunststoff-Formgebungsverfahrens an einer äußeren Fläche der Ankerführungshülse 12 ausgebildet. Geeignete Formgebungsverfahren sind beispielsweise Spritzgiess-, Spritzpress-, Formpress- oder ähnliche Verfahren. Zu diesem Zweck wird ein dünnwandiger, topf- oder hülsenförmiger Blechrohling 12a, der nach dem Verfahren die Ankerführungshülse 12 darstellt, innerhalb einer Form eines formgebenden Werkzeuges positioniert. Dabei ist innerhalb des Blechrohlings 12a ein Vorhaltestempel 37 angeordnet, dessen äußere Fläche zu der inneren Fläche der fertig geformten Ankerführungshülse 12 korrespondiert. Die äußere Flä che des Vorhaltestempels 37 stellt also ein Negativ der inneren Fläche der Ankerführungshülse 12 dar.
Dies ist in 4 schematisch dargestellt. Der Blechrohling 12a ist topfförmig ausgeführt, während die Außenmantelfläche des Vorhaltestempels 37 an der Innenmantelfläche des Blechrohlings 12a anliegt. An der Außenmantelfläche des Vorhaltestempels 37 sind Einformungen 38 vorgesehen, welche in der Darstellung als in Umfangsrichtung beabstandete, axial verlaufende Nuten ausgebildet sind.
Anschließend wird in die Form unter Druck plastifizierter Kunststoff eingeführt. Die Begrenzungsflächen der Form sind der äußeren Fläche des gewünschten Spulenkörpers 5 angepasst. Der unter Druck stehende Kunststoff füllt die Form aus, legt sich an die äußere Fläche des Blechrohlings 12a an und verdrängt die Wandung des Blechrohlings 12a in die Nuten. Dadurch werden der Spulenkörper 5 und die Erhebungen 13a der Ankerführungshülse 12 ausgebildet und die Verbindung zwischen dem Spulenkörper 5 und der Ankerführungshülse 12 hergestellt.
Alternativ zum Einspritzen plastifizierten Kunststoffs, kann in die Form fester Kunststoff eingefüllt werden, wobei dieser unter Druck plastifiziert wird und das Verbundbauteil hergestellt wird.
Nach dem Aushärten des Kunststoffes kann das Verbundbauteil aus der Form entnommen werden.
Ebenso wie die Erhebungen 13a, können beispielsweise auch die Anschläge 13b ausgebildet werden. Zu diesem Zweck sind an der axialen Stirnfläche des Vorhaltestempels 37 als Sicken ausgebildete Einformungen 38 vorgesehen, in die der Kunststoff den Blechrohling 12a verdrängt.
Während der Herstellung des Spulenkörpers 5, kann gleichzeitig das erste Magnetjoch 11 in diesen integriert werden. Dazu wird das erste Magnetjoch 11 in dem Formgebenden Werkzeug an der Außenmantelfläche der Ankerführungshülse 12 positioniert, und anschließend der Spulenkörper 5 ausgeformt.
Wie in 1 zu erkennen ist, besteht der Ventilabschnitt 3 des als 4/3-We geproportionalventil ausgeführten Wegeventils 1 aus einem Ventilgehäuse 27 und einem Steuerkolben 28. Das Ventilgehäuse 27 kann entweder einteilig mit dem zweiten Magnetjoch 17 (rechte Seite der Zeichnung) oder als separates Bauteil (linke Seite der Zeichnung) ausgebildet sein. Im Falle einer separaten Ausbildung des Ventilgehäuses 27, ist dieses beispielsweise mittels einer Schraub-, Schweiß-, Bördelverbindung oder gleichwirkender Verbindungsmethoden mit dem zweiten Magnetjoch 17 verbunden. An der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses 27 sind mehrere Ringnuten 29 ausgebildet, welche über in den Nutgründen der Ringnuten 29 ausgebildete Aussparungen 30 mit dem Inneren des im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgeführten Ventilgehäuses 27 kommunizieren. Die Ringnuten 29 und die der elektromagnetischen Stelleinheit 2 abgewandten Öffnung im Ventilgehäuse 27 dienen als Druckmittelanschlüsse A, B, P, T. Die mittlere Ringnut 29, welche als Zulaufanschluss P dient, kommuniziert über eine nicht dargestellte Druckmittelleitung mit einer ebenfalls nicht dargestellten Druckmittelpumpe. Die beiden äußeren Ringnuten 29, welche als Arbeitsanschlüsse A, B dienen, kommunizieren über ebenfalls nicht dargestellte Druckmittelleitungen mit jeweils einer oder einer Gruppe von gegeneinander wirkenden Druckkammern eines ebenfalls nicht dargestellten Nockenwellenverstellers. Der axiale Anschluss (Tankanschluss) T kommuniziert mit einem ebenfalls nicht dargestellten Druckmittelreservoir.
Innerhalb des Ventilgehäuses 27 ist der Steuerkolben 28 axial verschiebbar angeordnet. An der Außenmantelfläche des Steuerkolbens 28 sind als Ringstege ausgeführte Steuerabschnitte 31 ausgebildet. Der Außendurchmesser der Steuerabschnitte 31 ist dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses 27 angepasst. Durch eine geeignete axiale Positionierung des Steuerkolbens 28 relativ zum Ventilgehäuse 27 können benachbarte Druckmittelanschlüsse A, B, P miteinander verbunden werden. Der jeweils nicht mit dem Zulaufanschluss P verbundene Arbeitsanschluss A, B ist gleichzeitig mit dem Tankanschluss T verbunden. Auf diese Weise kann gezielt den einzelnen Druckkammern des Nockenwellenverstellers Druckmittel zugeführt oder aus diesen abgeleitet werden.
Der Steuerkolben 28 wird einenends mit der Kraft eines Federelements 32 in Richtung der elektromagnetischen Stelleinheit 2 beaufschlagt. Am anderen axialen Ende des Steuerkolbens 28 liegt eine Stößelstange 33 an, welche sich durch eine Bohrung des zweiten Magnetjochs 17 erstreckt und ortsfest mit dem Anker 16 verbunden ist.
In unbestromtem Zustand der Spule 7 wird der Steuerkolben 28 aufgrund der Kraft des Federelements 32 in Richtung der elektromagnetischen Stelleinheit 2 gedrängt.
Das Gehäuse 14, das erste Magnetjoch 11, der Anker 16 und das zweite Magnetjoch 17 bestehen aus einem magnetisierbaren Material, während das Anschlusselement 6, die Stößelstange 33, der Spulenkörper 5 und die Ankerführungshülse 12 aus einem nicht magnetisierbaren Material bestehen. Somit etabliert sich durch Bestromen der Spule 7 innerhalb der elektromagnetischen Stelleinheit 2 über den Anker 16, das erste Magnetjoch 11, das Gehäuse 14, das zweite Magnetjoch 17 und einen zwischen dem Anker 16 und dem zweiten Magnetjoch 17 befindlichen Luftspalt 34 ein magnetischer Fluss, welcher den Anker 16 in Richtung des Ventilabschnitts 3 drängt. Dadurch wird der Steuerkolben 28 mittels der Stößelstange 33 gegen die Kraft des Federelements 32 in axialer Richtung verschoben. Durch eine geeignete Regelung des in der Spule 7 fließenden Stroms kann der Steuerkolben 28 relativ zum Ventilgehäuse 27 in jeder beliebigen Position zwischen zwei Endanschlägen verstellt werden und somit die Druckmittelzuflüsse zu oder von den Druckkammern des Nockenwellenverstellers geregelt werden.
Im Folgenden wird der Zusammenbau der elektromagnetischen Stelleinheit 2 erläutert. Zunächst wird das Gehäuse 14 auf dem ersten Magnetjoch 17 positioniert. Dadurch, dass der Außendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 18 dem Durchmesser der Öffnung 21 angepasst ist, werden diese Bauteile zueinander zentriert. Die axiale Lage wird durch den Boden 20 und den ringförmigen Abschnitt 19 festgelegt. Anschließend oder im gleichen Arbeitsschritt wird eine Verstemmung 25 zwischen dem Boden 20 und dem zweiten Magnetjoch 17 ausgebildet. Anschließend wird der Dichtring 25a eingelegt, der Anker 16 auf das zweite Magnetjoch 17 aufgesetzt und der Spulenkörper 5 mit dem Anschlusselement 6 und der Ankerführungshülse 12 zwischen dem Gehäuse 14 und dem rohrförmigen Abschnitt 18 positioniert. Der Anker 16 wird durch die mit ihm fest verbundene Stößelstange 33 und dessen Außenmantelfläche, welche mit den Erhebungen 13a der Innenmantelfläche der Ankerführungshülse 12 zusammenwirkt, zentriert. Die Zentrierung des Spulenkörpers 5 erfolgt mittels des Gehäuses 14 und des rohrförmigen Abschnittes 18. Zu diesem Zweck sind die Außendurchmesser des Spulenkörpers 5 und der Materialschicht 8 dem Innendurchmesser des Gehäuses 14 angepasst. Weiterhin ist der Innendurchmesser der Ankerführungshülse 12 dem Außendurchmesser des rohrförmigen Abschnitts 18 angepasst.
Anschließend wird die Bördelverbindung 15 zwischen dem Gehäuse 14 und dem Anschlusselement 6 hergestellt und, bei separater Ausführung des Ventilgehäuses 27, der Ventilabschnitt 3 montiert.
3 zeigt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stelleinheit 2 am Beispiel eines als 3/2-Wegeschaltventil ausgebildeten Wegeventils 1. Derartige Ventile werden beispielsweise zur Ansteuerung eines Verriegelungsmechanismus schaltbarer Nockenfolger verwendet. Dieses Wegeventil 1 besteht wiederum aus einer elektromagnetischen Stelleinheit 2 und einem Ventilabschnitt 3. Die elektromagnetische Stelleinheit 2 ist in weiten Teilen identisch zu der in den 1 bzw. 1a dargestellten Stelleinheit 2. Im Gegensatz zu diesen Ausführungsformen ist an dem axialen Ende des zweiten Magnetjochs 17, welches dem Anker 16 zugewandt ist, kein konischer Abschnitt ausgebildet. Dieser dient in den ersten beiden Ausführungsformen dazu, eine elektromagnetische Stelleinheit 2 mit einer linearen Kennlinie darzustellen. in der in 3 dargestellten Ausführungsform ist ein derartiger linearer Zusammenhang nicht nötig, da dieses Wegeventil 1 nur zwei Steuerzustände benutzt, nämlich einen unbestromten Zustand und einen maximal bestromten Zustand.
Der Ventilabschnitt 3 besteht wiederum aus einem Ventilgehäuse 27 und einem axial darin verschiebbaren Steuerkolben 28. Im Gegensatz zu der in der
1 dargestellten Ausführungsform sind an dem Ventilgehäuse 27 in dieser Ausführungsform nur drei Druckmittelanschlüsse A, B, T ausgebildet. Innerhalb des Ventilgehäuses 27 sind zwei Ventilsitze 35 angeordnet, wobei jeder Ventilsitz 35 mit einem am Steuerkolben 28 ausgebildeten Schließkörper 36 zusammenwirken kann.
In 3 ist das Wegeventil 1 im bestromten Zustand dargestellt. Aufgrund des durch die Spule 7 generierten magnetischen Flusses sind der Anker 16 und damit der Steuerkolben 28 in der Darstellung axial nach unten verschoben. Als Konsequenz verschließt der obere Schließkörper 36 den oberen Ventilsitz 35, wodurch die Verbindung zwischen den Arbeitsanschluss A und dem Tankanschluss T gesperrt ist, während Druckmittel vom Zulaufanschluss P über den geöffneten unteren Ventilsitz 35 zum Arbeitsanschluss A gelangen kann. Im unbestromten Zustand der Spule 7 entfällt die magnetische Kraft auf den Anker 16, wodurch der Steuerkolben 28 durch die Strömungskräfte des Druckmittels am Zulaufanschluss P in axialer Richtung nach oben verschoben wird. Dadurch kommt der untere Schließkörper 36 am unteren Ventilsitz 35 zum Anliegen, wodurch die Verbindung zwischen dem Zulaufanschluss P und dem Arbeitsanschluss A unterbrochen und gleichzeitig die Verbindung zwischen dem Arbeitsanschluss A und dem Ablaufanschluss T, über den oberen Ventilsitz 35, hergestellt wird.
In dieser Ausführungsform ist die Ankerführungshülse 12 und der Anker 16 identisch zu den Ausführungsformen aus den 1 bzw. 1a ausgebildet.
Die erfindungsgemäße Ausführung einer elektromagnetischen Stelleinheit 2 kann natürlich auch in Wegeventilen 1 Anwendung finden, in denen der Ventilabschnitt 3 nicht fest mit der Stelleinheit 2 verbunden ist, sondern ohne feste Verbindung in axialer Richtung zueinander angeordnet sind. Derartige Wegeventile 1 finden beispielsweise als Zentralventil für Nockenwellenversteller Einsatz, in denen der Ventilabschnitt 3 innerhalb einer Nockenwelle angeordnet ist und sich mit dieser dreht, während die Stelleinheit 2 in axialer Richtung dazu, fest an einem Zylinderkopf oder einem Zylindekopfdeckel angeordnet ist.

1: Wegeventil
2: Stelleinheit
3: Ventilabschnitt
5: Spulenkörper
6: Anschlusselement
7: Spule
8: Materialschicht
9: Steckverbindung
10: Ausnehmung
11: erstes Magnetjoch
12: Ankerführungshülse
12a: Blechrohling
12b: zylinderförmiger Abschnitt
12c: Hülsenboden
13: Funktionselement
13a: Erhebung
13b: Anschlag
14: Gehäuse
15: Bördelverbindung
16: Anker
17: zweites Magnetjoch
18: rohrförmiger Abschnitt
19: Ringförmiger Abschnitt
20: Boden
21: Öffnung
22: Montageflansch
23: Polkern
24: Fortsatz
25: Verstemmung
25a: Dichtring
26: Schmiermittelkanal
27: Ventilgehäuse
28: Steuerkolben
29: Ringnut
30: Aussparungen
31: Steuerabschnitt
32: Federelement
33: Stößelstange
34: Luftspalt
35: Ventilsitz
36: Schließkörper
37: Vorhaltestempel
38: Einformungen
39: erster Hohlraum
40: zweiter Hohlraum
P: Zulaufanschluss
T: Tankanschluss
A: erster Arbeitsanschluss
B: zweiter Arbeitsanschluss

Claims

Elektromagnetische Stelleinheit (2) eines hydraulischen Wegeventils (1) mit – einem Spulenkörper (5), einem Anker (16) und einer Ankerführungshülse (12), – wobei die Ankerführungshülse (12) aus einem metallischen, nicht magnetisierbaren Werkstoff besteht und innerhalb einer zylinderförmigen, sacklochartigen Ausnehmung (10) des Spulenkörpers (5) angeordnet ist, – wobei die Ankerführungshülse (12) einen im wesentlichen zylinderförmigen Abschnitt (12b) aufweist, an dessen Innenmantelfläche mindestens drei sich radial nach innen erstreckende, in axialer Richtung verlaufende Erhebungen (13a) ausgebildet sind, – wobei der Anker (16) axial verschiebbar innerhalb der Ankerführungshülse (12) angeordnet ist – und wobei die Erhebungen (13a) dem Anker (16) als Laufflächen dienen.
Elektromagnetische Stelleinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (5) aus Kunststoff besteht und an der äußeren Mantelfläche des zylinderförmigen Abschnitts (12b) anliegt.
Elektromagnetische Stelleinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zylindrische Abschnitt (12b) im Querschnitt ein wellenförmiges Profil aufweist.
Elektromagnetische Stelleinheit (2) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Material des Spulenkörpers (5) an der äußeren Mantelfläche der Ankeführungshülse (12) in das wellenförmige Profil der Erhebungen (13a) eingreift.
Elektromagnetische Stelleinheit (2) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankerführungshülse (12) mittels eines spanlosen Umformverfahrens aus einem Blechteil gefertigt ist
Verfahren zur Herstellung eines Verbundbauteils einer elektromagnetischen Stelleinheit (2) eines Wegeventils (1), – wobei das Verbundbauteil zumindest einen Spulenkörper (5) aus Kunststoff und eine topfförmige Ankerführungshülse (12) umfasst, – wobei an der Ankerführungshülse (12) von der Topfform abweichende Funktionselemente (13) ausgebildet sind, die sich in das Innere der Topfform erstrecken, – wobei das Verbundbauteil ausgehend von einem topfförmigen Blechrohling (12a) gefertigt wird und – wobei der Spulenkörper (5) mittels eines Kunststoff-Formgebungsverfahrens innerhalb eines dem Kunststoff formgebenden Werkzeugs am Außenumfang der Ankerführungshülse (12) ausgebildet wird, – mit folgenden Verfahrensschritten: – Anordnen des auf einem Vorhaltestempel angeordneten Blechrohlings (12a) innerhalb des formgebenden Werkzeugs, wobei die ansonsten der inneren Fläche des Blechrohlings (12a) angepasste äußere Fläche des Vorhaltestempels mit zu den Funktionselementen (13) korrespondierenden Einformungen versehen ist, – Einfüllen des Kunststoffes in das formgebende Werkzeug, – Ausfüllen des Werkzeugs durch den plastifizierten, unter Druck stehenden Kunststoff, wobei dieser die korrespondierenden Bereiche des Blechrohlings (12a) in die Einformungen des Vorhaltestempels drängt, – Aushärten des Kunststoffes und – Entnahme des fertigen Verbundbauteils.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen als an der axialen Stirnfläche des Vorhaltestempels ausgebildet Sicken ausgeführt sind, wobei das in diese Sicken verdrängte Material des Blechrohlings (12a) Anschläge (13b) für einen innerhalb der Ankerführungshülse (12) angeordneten Anker (16) bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einformungen als an der Mantelfläche des Vorhaltestempels angeordnete, axial verlaufende Nuten ausgebildet sind, wobei das in diese Nuten verdrängte Material des Blechrohlings (12a) Laufflächen für einen innerhalb der Ankerführungshülse (12) angeordneten Anker (16) bildet.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Spritzgießverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Spritzpressverfahren ist.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Formgebungsverfahren ein Formpressverfahren ist.