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Die
Erfindung betrifft einen Magnetantrieb zur Betätigung von Ventilen gemäß der Gattung
der Patentansprüche.
Derartige Magnetantriebe werden bspw. in hydraulischen Fahrwerkskomponenten
sowie in hydraulischen Verdecksteuerungen in Cabriosystemen verwendet.
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Bekannt
ist aus der
DE 2255272
B2 die Verwendung eines Stellmagneten, der in einem Gehäuse eine
ringförmige
Magnetspule hat, die in sich einen gegen dem Widerstand einer Druckfeder
bewegbaren Anker besitzt, wobei zum axialen Bewegen und Führen des
Ankers Wälzlager
vorgesehen sind.
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Bekannt
ist auch ein Elektromagnet zur Betätigung eines hydraulischen
Ventils, der zur drehlängsbeweglichen
Axialführung
seines Magnetankers mindestens einen zugleich als Antiklebmittel
ausgebildeten, laufhüllenlosen
Linearkugelkäfig mit
einer Anzahl von über
seinen Umfang verteilten Kugeln aufweist, siehe
DE 19839884 A1 . Die Außenflächen von
Magnetanker bzw. Stößelstange
dienen als innere Laufflächen
der Kugeln. Die Innenflächen der
den Ankerraum des Spulenkörpers
begrenzenden Bauteile bilden die äußere Lauffläche der Kugeln.
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Die
vorgenannten Lösungen
ermöglichen zwar
eine reibungsärmere
Axialführung
des Magnetankers, jedoch beseitigen sie nicht die Einflüsse von
Ablagen zwischen den Achsen von Magnetantrieb einerseits und Ventil-Verschlussteilen,
die sich ebenfalls als erhebliche Reibungskräfte auswirken können. Darüber hinaus
lassen sie nur die Übertragung
von Druckkräften
erkennen. Für
die Übertragung
von Zugkräften
sind sehr hohe Bearbeitungsgenauigkeiten und große radiale Spiele erforderlich.
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Es
ist daher die Aufgabe der Erfindung einen Magnetantrieb zur Betätigung von
Ventilen zu schaffen, bei dem nicht nur eine nahezu reibungsfreie
Axiallagerung erreicht, sondern auch Versätze und Fluchtungsfehler zwischen
dem Magnetantrieb und den zugehörigen Ventil-Verschlussteilen
ausgeglichen werden. Darüber
hinaus sollen nicht nur Druck-, sondern auch Zugkräfte übertragbar
sein sowie Fertigung und Montage von sehr hohen Genauigkeitsforderungen
entlastet werden.
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Gemäß der Erfindung
wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des ersten Patentanspruchs
gelöst
und durch die Merkmale der Unteransprüche vorteilhaft ausgestaltet.
Durch die Anbindung der Ventil-Verschlussteile (Kolben, Zylinder,
Schieber) an den Magnetantrieb mittels eines biegeweichen Zug- und/oder
Druckstabes wird nicht nur eine feste Verbindung zwischen dem Ventil-Magnetantrieb und
dem jeweiligen Ventil-Verschlussteil geschaffen. Vielmehr treten
auch trotz eines möglichen
Versatzes geringstmögliche
Quer- und Reibungskräfte
zwischen dem Anker bzw. Schieber und den sie führenden Bauteilen (Führungsrohr,
Flussleitstück,
Kern) auf. Die Erfindung ermöglicht
also eine für
praktische Belange radialspielfreie Lagerung des Magnetankers mit
optimaler Zentrierung und minimalen magnetischen Querkräften, eine
kostengünstige Gestaltung
der Anbindung des Antriebs an das Fluidbauteil und darüber hinaus
die Einführung
von Dämpfungsmaßnahmen
an der technologisch und wirkungsmäßig günstigsten Stelle. Außerdem ergibt sich
eine verbesserte Stabilität
und eine reduzierte Schwingungsempfindlichkeit des gesamten Aufbaus. Der
biegeweiche Stab kann mit einem Enden in einem magnetischen Kern
in Richtung seiner Länge verstell-
und justierbar gelagert und am anderen Ende mit einem Schieber versehen
sein. Dabei ist der biegeweiche Stab von einem Führungsrohr oder -stab lose
umgeben, das/der in einem Kugellager am Kern abrollt und mit dem
Anker fest verbunden ist. Eine andere vorteilhafte Möglichkeit
der Gestaltung der Verbindung zwischen einem Anker und einem Ventil-Verschlussteil besteht
darin, mit dem axial entgegen einer Federkraft verstellbaren Anker
eine Stange bzw. einen Stößel starr
zu verbinden, an der/dem der biegeweiche Stab einerseits befestigt
ist und die/der andererseits mit dem Ventil-Verschlussteil fest
verbunden ist. Das mindestens eine Kugellager kann als Axialkugellager
gestaltet und in einen feststehenden Teil des Magnetantriebs eingepresst oder
als laufhülsenloser
Kugelkäfig
gestaltet sein, bei dem die Laufflächen die dem Kugelkäfig zugewandten
Flächen
der bewegten Bauteile sind.
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Die
Erfindung wird nachstehend an Hand der schematischen Zeichnung dreier
in Axialschnitten dargestellter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Im
Einzelnen zeigen:
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1 ein
Magnetventil mit Schieberhülse,
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2 einen
Magnetantrieb für
ein Ventil und
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3 ein
Schaltventil in Kolbenschieberbauweise.
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In 1 ist
in einem zylindrischen Gehäuse 10 aus
einem magnetischen Material mit der geometrischen Achse X-X eine
elektrische Spule 12 auf einem Träger 11 koaxial angeordnet,
in dem zumindest teilweise einerseits ein magnetischer Kern 13 und
andererseits ein Flussleitstück 14 fest
angeordnet sind. Im Kern 13 ist eine gestufte Ausnehmung 131 für ein axial
verstellbares Justierstück
(Justierschraube) 15 vorgesehen, das selbst wieder mit
einer zur Achse X-X koaxialen und gestuften Ausnehmung 151 versehen
ist, in der ein Wälzlager 16 für eine parallel
zur Achse X-X verstellbare hohle Führungsstange 17 und
einen in ihr befestigten biegeweichen Stab 18 fest angeordnet
ist.
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Im
Flussleitstück 14 ist
ein Anker 19 in axialer Richtung verstellbar, der an seinem
dem Kern 13 abgewandten Ende an seiner Außenfläche 191 mit einem
Wälzlager 20 versehen
ist. In eine zentrale, ebenfalls gestufte Ausnehmung 192 des
Ankers 19 ragt die Führungsstange 17 hinein
und ist darin so befestigt, dass sie an allen Bewegungen des Ankers 19 teilnimmt.
Eine Schraubenfeder 28 umgibt die Führungsstange 17 und
stützt
sich einerseits gegen eine Schulter 171 an der Führungsstange 17 und
andererseits gegen das Justierstück 15 ab.
Die Schraubenfeder 20 wirkt der magnetischen Kraft auf
den Anker 19 entgegen, welche die Spule 12 bei
Stromdurchfluss auf den Anker 19 auswirkt. Am dem Kern 13 zugewandten
Ende des Ankers 19 ist in die Ausnehmung 192 eine
unmagnetische Scheibe 22 eingelassen, die bei entsprechender,
nicht dargestellter, geöffneter
Ventilstellung ein Haften des Ankers 19 am Kern 13 verhindert.
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Am
freien, aus dem Anker 19 herausragenden Ende des Stabes 18 ist
eine Schieberhülse 21 befestigt,
die in der dargestellten Lage radial gerichtete Durchströmöffnungen 141 des
Flussleitstücks 14 dicht
verschließt.
Das Gehäuse 10 besitzt
eine Einströmöffnung 101.
Die Ein- bzw. Durchströmöffnungen 104 bzw. 141 stellen
Verbindungen zum Druckmittel P bzw. zum Verbraucher A her.
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Das
Flussleitstück 14 ist
vom Kern 13 nach Maßgabe
eines unmagnetischen zylindrischen Ringes 23 getrennt,
welcher die geeignete Führung
des magnetischen Flusses vom Kern 13 zum Anker 19 gewährleistet.
Das Gehäuse 10 ist
einerseits durch eine den magnetischen Übertritt realisierende Scheibe 24 und
andererseits durch eine magnetische oder unmagnetische Scheibe 25 verschlossen.
Durch eine zentrale Öffnung 241 in
der Scheibe 24 ragen der Kern 13 und das Justierstück 15 hindurch,
so dass Justierungen der Schieberhülse 21 parallel zur
Achse X-X ohne jegliche Demontage möglich sind. Der biegeweiche
Zugstab 18 gleicht toleranzbedingte Fluchtungsfehler zwischen
der Ankerführung
und der Führung
der Schieberhülse 21 automatisch
aus und vermeidet hohe Bearbeitungsgenauigkeiten bzw. die Einhaltung
kleiner radialer Toleranzen bei der Herstellung der Bauteile. Zur
Vermeidung von Leckagen sind an geeigneten Stellen des Magnetventils 26 Dichtringe 27 vorgesehen.
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In
der Darstellung der 1 ist der Fluidstrom von der
Druckseite P zum Verbraucher A durch den Verschluss der Durchströmöffnungen 221 mit
der Schieberhülse 21 unterbrochen.
Wird der Elektromagnet mit Hilfe nicht dargestellter Mittel eingeschaltet, die
Spule 12 bestromt, so wird der Anker 19 entgegen
der Wirkung der Feder 20 angezogen, so dass er in einem
erweiterten Teil der Ausnehmung 131 zur Anlage an den Kern 13 kommt,
die Schieberhülse 21 die Öffnungen 221 freigibt
und der Fluidstrom ungehindert von der Druckseite P zum Verbraucher
A fließen
kann.
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Abweichend
von der Darstellung der 1 kann eines der Wälzlager 16, 20 durch
eine Federlagerung oder eine andere geeignete Lagerung ersetzt sein.
Mindestens eines der Wälzlager 16, 20 kann aber
auch laufhülsenlos
oder teilweise laufhülsenlos gestaltet
sein, d. h. bspw. für
das Lager 20, sind die einander zugekehrten Führungsflächen 142 und 191 von
Flussleitstück
und Anker 19 oder nur eine von ihnen die Laufflächen der
Kugeln. Analoges gilt für
die dem Wälzlager 16 benachbarten
Umfangsflächen der
gegeneinander beweglichen Bauteile 17 und 15. Ebenso
ist es möglich,
den Gegendruck zum Elektromagneten 12 nicht mit einer Schraubenfeder 20 sondern
mit anderen Mitteln oder auf andere Weise aufzubauen. Auch könnte die
Schraubenfeder 28 als Zugfeder dem Anker 19 entgegenwirken.
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In 2 wird
von einem umgreifenden Bügel 29 ein
aus der Spule 12 und dem Anker 19 bestehender
Elektromagnet gehalten, wobei die Spule 12 sich auf dem
Träger 11 und
der Anker 19 axial beweglich sich in einer unmagnetischen
Führungskappe
(einseitig verschlossener Führungszylinder) 30 befindet. Die
Führungskappe 30 ist
einseitig vom Kern 13 umgeben, der dem Aufbau eines Magnetkreises
dient, und andererseits mit einem Träger 31 verschweißt, der
eine axial gerichtete Ausnehmung 311 mit stufenweise verändertem
Querschnitt aufweist. Der Anker 19 besitzt eine zentrale
Ausnehmung 192 mit sich stufenweise verändernden Querschnitt, die ebenso wie
die Ausnehmung 311 zumindest annähernd mit einer Antriebsachse
X-X koinzidiert, sowie mindestens eine Druckausgleichbohrung 193.
Am verschlossenen Kappenende ist in der Kappe 30 ein Kugellager 32 befestigt,
das ebenso wie ein am dem Anker 19 zugekehrten Ende des
Trägers 31 befestigtes Kugellager 33 koaxial
zur Achse X-X ausgerichtet ist. In die Ausnehmung 192 ist
ein Stößel 35 unverrückbar eingefügt, der
beiderseits den Anker 19 überragt. Das in das Kugellager 32 hineinragende
Ende des Stößels 35 dient
als Lagerkörper 352 und
seine Umfangsfläche
als Lauffläche
für das
Kugellager 32 und ist im Kugellager 32 entsprechend
der Bewegung des Ankers 19 in axialer Richtung verstellbar.
Das den Anker 19 andererseits überragende Ende des Stößels ist
mit einem gehärteten
Teil 351 versehen und im Kugellager 33 nach Maßgabe der
Ankerbewegung axial verstellbar. Das Teil 351 dient gleichzeitig als
innere Lauffläche
des Kugellagers 33. Der durch die Ausnehmung 311 geführte Stößel 35 endet
in einem biegeweichen Stab 18 als Verbindungsstück zu einem
nicht dargestellten Ventilverschluss. Der biegeweiche Stab 18 ist
in der Lage, ohne große
Querkräfte
und Reibungen toleranzbedingte Versätze zwischen der Antriebsachse
und der Bewegungsachse des Ventilverschlusses zu kompensieren. An
seinem dem Kugellager 33 zugewandten Ende ist der Anker 19 mit
einem Antihaftbelag 36 versehen, der ein Haften des Ankers 19 verhindert,
das auftritt, wenn dieser in eine Erweiterung 312 der Ausnehmung 311 eintaucht
und die andere Endlage einnimmt.
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Im
dargestellten Zustand befindet sich der Anker 19 in einer
Ausgangslage, der Elektromagnet ist stromlos. Wird die Spule 12 unter
Strom gesetzt, so wird der Anker 19 bspw. entgegen einer
Federkraft in die Erweiterung 312 hineinbewegt und kommt
zur Anlage an den Träger 31.
Bei stromloser Spule 12 geht der Anker 19 ohne
Haftung in die Ausgangslage zurück.
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In 3 sind
in einer Halterung 37 eine Spule 12 mit ihrem
Träger 11,
eine Gleithülse 38 für den Anker 19,
ein Kern 13 mit einem Wälzlager 16,
ein unmagnetischer Ring 23 und ein Flussleitstück 14 mit einem
Wälzlager 20 im
wesentlichen koaxial zu einer Ventilachse X-X angeordnet. Auf der
dem Wälzlager 20 zugekehrten
Frontfläche
des Ankers 19 ist eine unmagnetische, Haftungen verhindernde
Remanenzplatte 34 vorgesehen. Durch die Wälzlager 16 und 20 sowie
den Anker 19 ist ein Stößel 35 hindurchgeführt, auf
dem der Anker 19 unverrückbar
befestigt ist. Der Stößel 35 stößt gegen
den Kern 13 und geht auf der Seite des Flussleitstücks 14 in
einen biegeweichen Stab 18 über, der lose durch einen Kolbenschieber 39 mit
Verschlussteilen 40 hindurchgeführt und an seinem Ende 391 abseitig
vom Stößel 35 mit
dem Kolbenschieber 39 fest verbunden ist. Auf dieses Ende
drückt
eine Feder 41, die sich gegen ein im übrigen nicht dargestelltes
Ventilgehäuse 42 abstützt. Den
Kolbenschieber 39 umgibt ein Hydraulikteil 43 mit
Dichtungsringen 27 und Durchströmöffnungen A, B, P, T, von denen
die Öffnungen
A, B zu Verbrauchern, P zum Druckmittel und T zum Flüssigkeitstank
führen.
In der dargestellten Ventilstellung befindet sich der Anker 19 nahe
dem Kern 13, die Durchströmöffnungen P und A sind miteinander
verbunden. Andererseits besteht eine drucklose Verbindung zwischen
B und T. Wird die Spule 12 unter Strom gesetzt, so wird
der Anker 19 in die untere Endlage gegen das Flussleitstück 14 gezogen,
in der die Durchströmöffnungen
P und B verbunden sind. Drucklos ist jetzt die Verbindung zwischen
T und A.
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Wie
in den oben beschriebenen Ausführungsbeispielen
gewährleistet
auch hier die Kombination aus biegeweichem Stab und Wälzlagern
die leichtgehenden, praktisch reibungsfreien Bewegungen der Bauteile
in axialer Richtung.
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Alle
in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeichnung dargestellten
Merkmale können
sowohl einzeln als auch in beliebiger Kombination miteinander erfindungswesentlich
sein.
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- 10
- Gehäuse
- 11
- Träger
- 12
- elektrische
Spule
- 13
- Kern
- 14
- Flussleitstück
- 15
- Justierstück
- 16,
20
- Wälzlager
- 17
- Führungsstange
- 18
- biegeweicher
Stab
- 19
- Anker
- 21
- (Schrauben)Feder
- 22
- Scheibe
- 23
- Ring
- 24,
25
- Scheibe
- 26
- Magnetventil
- 27
- Dichtringe
- 28
- zentrale Öffnung
- 29
- Bügel
- 30
- Führungskappe
- 31
- Träger
- 32,
33
- Kugellager
- 34
- Remanenzplatte
- 35
- Stößel
- 36
- Antihaftbelag
- 37
- Halterung
- 38
- Gleithülse
- 39
- Kolbenschieber
- 40
- Verschlussteile
- 41
- Feder
- 42
- Ventilgehäuse
- 43
- Hydraulikteil
- 101,
141, 221
- Durchströmöffnungen
- 131,
151
- gestufte
Ausnehmungen
- 142
- Führungsfläche
- 171
- Schulter
- 191
- Außenfläche
- 241
- zentrale Öffnung
- 192,
311
- Ausnehmung
- 312
- Erweiterung
- 351
- Ende
- 392
- Kolbenschieberende
- A,
B, P, T
- Durchströmöffnung
- X-X
- Achse