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Die
Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil nach dem Oberbegriff
des Patentanspruchs 1.
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Aus
der
DE 100 10 734
A1 ist bereits ein Elektromagnetventil der angegebenen
Art bekannt geworden, mit einer außen am hülsenförmigen Ventilgehäuse angebrachten
Magnetspule und einem Magnetanker, der sich zwischen der Ventilspule
im Ventilgehäuse
bis zu einem das Ventilgehäuse
verschließenden
Magnetkern erstreckt. Das Ventilgehäuse besteht aus einem den Magnetfluss
nicht leitenden Material, wodurch sich für den Magnetfluß ein großer Übergangswiderstand
im Bereich der auf das Ventilgehäuse
aufgestülpten
Magnetscheibe ergibt.
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Ferner
befindet sich am Magnetanker ein starr angebrachtes erstes Ventilschließglied in
der Funktion einer Vorsteuerstufe, das in der Ventilgrundstellung
einen in einem zweiten Ventilschließglied angeordneten Ventilsitz
verschließt.
Das zweite Ventilschließglied übernimmt
die Funktion der Ventilhauptstufe und wird normalerweise durch das
erste Ventilschließglied
an einem Ventilsitz gehalten, der im Boden des Ventilgehäuses angeordnet
ist.
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Die
gewählte
Konstruktion erfordert einem entsprechend hohen elektrischen Energiebedarf
für den
Magnetantrieb, um zur vollständigen
Freigabe der Ventilhauptstufe den Magnetanker über einen relativ großen Hub
sowohl entgegen der Wirkung einer zwischen dem Magnetanker und dem
Magnetkern angeordneten Druckfeder als auch unter Berücksichtigung
der hydraulischen Druckunterschiede auf den Magnetkern zu bewegen.
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Ein
weiterer Nachteil des zitierten Elektromagnetventils ergibt sich
infolge seiner verhältnismäßig großen Baulänge.
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Daher
ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Elektromagnetventil
der angegebenen Art klein bauend als auch energetisch kostengünstig auszuführen und
damit derart zu verbessern, dass die vorgenannten Nachteile nicht
auftreten.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Elektromagnetventil
der angegebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs
1 gelöst.
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Weitere
Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen
im nachfolgenden aus der Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand mehrerer
Zeichnungen hervor.
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Es
zeigen:
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1 eine
Ausführungsform
eines Elektromagnetventils im Längsschnitt
in der geschlossenen, elektromagnetisch nicht erregten Schaltstellung,
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2 das
Elektromagnetventil nach 1 in einer gegenüber 1 fortgeschrittenen
elektromagnetisch erregten Schaltstellung, in welcher ein Magnetanker
nach Überbrückung eines
Ankerteilhubs an einer Stufe eines ersten Ventilschließgliedes
an liegt,
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3 das
Elektromagnetventil nach 1 in einer gegenüber 2 fortgeschrittenen
elektromagnetisch erregten Schaltstellung, in welcher nach Überschreitung
des Ankerteilhubs das erste Ventilschließglied von seinem Ventilsitz
abgehoben ist,
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4 das
Elektromagnetventil nach 1 in einer gegenüber 3 fortgeschrittenen
elektromagnetisch erregten Schaltstellung, in welcher der Magnetanker
am Magnetkern anliegt und ein am Magnetanker angebrachter Mitnehmer
ein zweites Ventilschließglied
von seinem Ventilsitz anhebt,
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5 das
Elektromagnetventil nach 1 in einer gegenüber 4 fortgeschrittenen
elektromagnetisch erregten Schaltstellung, in welcher das zweite
Ventilschließglied
nach hydraulischem Druckausgleich unter Federkraftwirkung seinen
maximalen Öffnungshub
einnimmt.
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Anhand
von 1 soll zunächst
der konstruktive Aufbau des erfindungsgemäßen Elektromagnetventils erläutert werden.
Das im Längsschnitt
abgebildete, als zweistufiges 2/2-Wege-Sitzventil ausgelegte Elektromagnetventil
weist ein in Patronenbauweise ausgeführtes Ventilgehäuse 6 auf,
welches ein von einem Magnetanker 3 aufgenommenes erstes
und zweites Ventilschließglied 24, 14 aufweist. Beide
Ventilschließglieder 14, 24 sind
konzentrisch auf der Ventillängsachse
angeordnet, wobei das zweite Ventilschließglied 14 konzentrisch
auf einen Ventilsitz 8 im Ventilgehäuse 6 und das erste
Ven tilschließglied 24 auf
einen am zweiten Ventilschließglied 14 vorgesehenen
Ventilsitz 12 gerichtet ist.
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Um
sowohl die Magnetkraftwirkung am Magnetanker 3 möglichst
effektiv zu gestalten als auch die Bauhöhe des Hydraulikventils möglichst
gering zu halten, ist erfindungsgemäß der Magnetanker 3 scheiben-
bzw. plattenförmig
gestaltet und die zur Betätigung
des Magnetankers 3 erforderliche Magnetspule 1 direkt
im Ventilgehäuse 6 integriert.
Die Magnetspule 1 ist in einem den Magnetfluss leitenden
Abschnitt 5 des Ventilgehäuses 6 angeordnet und
mit diesem Abschnitt 5 fest verbunden. Zwischen dem magnetischen
Abschnitt 5 und der hierzu korrespondierenden Stirnfläche des
Magnetankers 3 ist ein durch den Ankerhub veränderbarere
Axialspalt 2 vorgesehen, der während einer elektromagnetischen Erregung
von in den Magnetanker 3 ausschließlich axial ein- als auch axial
austretenden Magnetfeldlinien überbrückt wird.
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Die
Magnetspule 1 ist als eine vom Druckmittel teilweise umspülte Tauchspule
ausgeführt,
die bei elektromagnetischer Erregung des Magnetankers 3 in
eine ringnutförmige
Vertiefung 31 des Magnetankers 3 eintaucht.
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Ferner
weist das Ventilgehäuse 6 einen
den Magnetfluss nicht leitenden weiteren Abschnitt 7 auf, der
am Umfang des magnetischen Abschnitts 5 flüssigkeitsdicht
anliegt, wozu der weitere Abschnitt 7 als topfförmiges Tiefziehteil
ausgebildet ist, das im unteren Bereich den an einer Einpresshülse ausgeführten Ventilsitz 8 und
ein paar Druckmittelkanäle 9, 10 aufnimmt.
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Beide
Abschnitte 5, 7 des Ventilgehäuses 6 sind als mitein ander
durch eine Presspassung fest verbundene patronenförmige Gehäusehälften ausgeführt, in
denen vorteilhaft die Magnetspule 1 als Tauchspule bauraum-
und magnetkraftoptimiert integriert ist.
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Der
mittels einer Selbstverstemmung im Ventilblock 11 vollständig versenkt
befestigte, zur Atmosphäre
hin als Einpressstopfen dichtende Abschnitt 5 des Ventilgehäuses 6 ist
zum Einsatz in Hochdruckhydrauliksystemen und zur Aufnahme der Verstemmkraft
dickwandig ausgeführt
und weist zur teilweisen Aufnahme der Magnetspule 1 eine
an die Magnetspulenkontur angepasste Ausnehmung auf, in der die
Magnetspule 1 passgenau aufgenommen und sicher befestigt
ist. Das aus dem Abschnitt 5 in Richtung des Axialspalts 2 hervorstehende
Teil der Magnetspule 1 ist von der das Ventilgehäuse 6 durchströmenden Flüssigkeit
direkt beaufschlagt, sofern eine entsprechende Druckzufuhr in das
Ventilgehäuse 6 erfolgt.
Die Magnetspule 1 ist daher druckfest ausgeführt und
taucht somit flüssigkeitsumspült abschnittsweise
in die Vertiefung 31 des Magnetankers 1 ein.
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Das
in den Ventilblock 11 bündig
eingepresste Ventilgehäuse 6 besteht
somit lediglich aus zwei Patronenhälften, wobei die obere Gehäusehälfte durch
den mit der ringförmigen
Ausnehmung versehenen stopfenförmigen
Abschnitt 5 und die untere Gehäusehälfte durch den topfförmigen Abschnitt 7 gebildet
ist, der den Ventilsitz 8 trägt.
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Zur
elektrischen Energieversorgung der Magnetspule 1 ist der
die Magnetspule 1 aufnehmende Abschnitt 5 mit
einer zur Atmosphäre
gerichteten Durchgangsöffnung 13 versehen,
durch die ein mit der Magnetspule 1 verbundener elektrischer
Kon takt 23 gas- und flüssigkeitsdicht
hindurchgeführt
ist.
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Zwischen
der Stirnfläche
der Magnetspule 1 und der Stirnfläche der Ausnehmung 24 ist
eine Dichtscheibe 15 eingefügt, welche vorteilhaft, den aus
der Magnetspule 1 hervorstehenden elektrischen Kontakt 23 flüssigkeitsdicht
in Richtung der Durchgangsöffnung 13 im
Ventilgehäuse 6 umschließt.
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Die
Spulenwindungen und der mit den Spulenwindungen verbundene Kontakt 23 der
Magnetspule 1 sind allseitig flüssigkeitsdicht von einem druckfesten
Gehäuse
(z.B. Kunststoff) umschlossen, der den Spulenträger bildet. Die Magnetspule 1 ist entweder
in der Ausnehmung des Abschnitts 5 fixiert oder über eine
druckfeste Kunststoffummantelung des Kontakts 23 in der
Durchgangsöffnung 13 des Ventilgehäuses 6 kraft-
oder formschlüssig
befestigt.
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Um
für das
Ventilgehäuse 6 eine
möglichst kostengünstige Herstellung
zu ermöglichen,
ist der die Ausnehmung 24 aufweisende Abschnitt 5 als Kaltschlagteil
ausgebildet, dessen Kontur sich automatengerecht durch Kaltschlagen
eines den Magnetfluss leitenden Rohlings herstellen lässt, aus
dem in einem einzigen Arbeitgang vorteilhaft die Außen- als auch
die zur Aufnahme der Magnetspule 1 erforderliche Innenkontur
geformt ist.
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Ebenso
lässt sich
aufgrund des gewählten Aufbaus
auch der Magnetanker 3 durch Fließpressen bzw. Kaltschlagen
vereinfacht herstellen.
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Die
zum eingangs zitierten Stand der Technik bekannten Einzelkomponenten,
wie beispielsweise ein Magnetkern, eine nicht ferromagnetische Ringscheibe
und ein die Magnetspule 1 umschließender Jochring lassen sich
somit nunmehr erheblich einfacher in dem zweiteiligen Ventilgehäuse 6 als überwiegend
homogene Einheit bei reduzierter Teileanzahl integrieren.
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Ferner
weist das Elektromagnetventil ein am topfförmigen Abschnitt 7 angeordnetes
Filterelement 27 auf, das als Ringfilterelement ausgeführt ist
und Schmutzeintrag über
den Druckmittelkanal 9 in das Ventilgehäuse 6 verhindert.
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Der
Magnetkern ist jeweils durch den Bereich des die Magnetspule 1 umschließenden Abschnitts 5 gebildet,
in den mittig aus der Richtung des Axialspalts 2 eine Sackbohrung 16 einmündet, die eine
Druckfeder 17 aufnimmt, welche zwischen der Stirnfläche des
Magnetankers 3 und dem Ende der Sackbohrung 16 eingespannt
ist, wodurch in der Ventilgrundstellung der Magnetanker 3 mit
den Ventilschließgliedern 14, 24 in
der die Ventilsitze 8, 12 verschließenden Schaltstellung
gehalten wird.
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Zur
präzisen
Zentrierung des Magnetankers 3 im Ventilgehäuse 6 ist
in eine mittig den Magnetanker 3 durchdringende Stufenbohrung 28 abschnittsweise
von unten ein hülsenförmiges Führungsglied 29 eingepresst,
dessen vom Magnetanker 3 abgewandtes Hülsenende entweder am Außenumfang der
den Ventilsitz 8 aufweisenden Einpresshülse oder entsprechend der Abbildung
entlang des am Abschnitt 7 hülsenförmig gestalteten Bodens geführt ist.
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In
der Stufenbohrung 28 sind beide Ventilschließglieder 14, 24 abschnittsweise
eingefügt,
wobei das zweite Ventil schließglied 14 im
Bereich seines Rohrabschnitts teleskopartig verschiebbar in der Stufenbohrung 28 aufgenommen
ist. Das Ventilschließglied 14 erstreckt
sich unter der Wirkung einer in der Stufenbohrung 28 eingesetzten
Feder 19 mit seinem Rohrabschnitt auf eine Bohrungsstufe
in der Stufenbohrung 28, wobei die Feder 19 zwischen
einem Bund 32 am Rohrabschnitt und einem ortsfest am Magnetanker 3 ausgebildeten
Anschlag 33 eingespannt ist, der vorzugsweise ein Bestandteil
des fest mit dem Magnetanker 3 verbundenen Führungsgliedes 29 ist.
Es ergibt sich hierdurch ein teleskopartiges Zusammenwirken von
Magnetanker und Ventilschließglied,
um mit möglichst
geringem Magnetkraftbedarf einen möglichst großen Ankerhub zurücklegen
zu können.
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Das
obere Ende des Rohrabschnitts am zweiten Ventilschließglied 14 weist
den Ventilsitz 12 auf, der von dem ersten stößelförmigen Ventilschließglied 24 verschlossen
ist. Das erste Ventilschließglied 24 ist
zwischen einer Kappe 20 und der Stufenbohrung 28 gleichfalls
wie das zweite Ventilschließglied 14 im
Magnetanker 3 teleskopartig geführt. Die Kappe 20 ist
daher im Endbereich der Stufenbohrung 28 auf der dem Axialspalt 2 zugewandten Stirnfläche des
Magnetankers 3 befestigt.
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Die
Kappe 20 ist vorzugsweise durch Tiefziehen von Dünnblech
hergestellt, mit einer Druckausgleichsbohrung versehen und erstreckt
sich aufgrund ihrer Bauhöhe
zwischen den Federwindungen der Druckfeder 17 raumoptimiert
in die Sackbohrung 16.
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Unter
der Wirkung der Druckfeder 17 verschließt somit das in Reihe zum zweiten
Ventilschließglied 14 angeordnete
erste Ventilschließglied 24 in
der elektromagnetisch nicht erregten Magnetankerstellung den an
die Drosselbohrung 22 des zweiten Ventilschließgliedes 14 angrenzenden
Ventilsitz 12.
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Die
zwischen dem hülsenförmigen Mitnehmer 18 und
dem Bund 26 angeordnete Feder 19 ist derart bemessen,
dass bei elektromagnetischer Erregung des Magnetankers 3 das
Ventilschließglied 14 am
Ventilsitz 8 verharrt, solange das Ventilschließglied 14 hydraulisch
nicht druckausgeglichen ist. Um für das Zweistufenventil den
Druckausgleich an dem die Hauptstufe bildenden Ventilschließglied 14 herzustellen,
wirkt das erste Ventilschließglied 24 als
Vorsteuerstufe, das durch den Magnetankerhub zwangsgesteuert die
Drosselbohrung 22 zum Druckausgleich freigibt.
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Zusammenfassend
lässt sich
bezüglich
der Konstruktion des erfindungsgemäßen Elektromagnetventils feststellen:
- 1. Der Magnetanker 3 ist im Bereich
eines definierten Ankerhubs gegenüber dem ersten Ventilschließglied 24 relativ
beweglich ausgeführt,
wobei die Magnetspule 1 als Tauchspule ausgeführt ist.
- 2. Der Magnetanker 3 ist mit einer an den Durchmesser
der Magnetspule 1 angepassten Vertiefung 31 versehen,
in welche ein innerhalb des Ventilgehäuses 6 überstehender
Teil der Magnetspule 1 eintauchbar ist.
- 3. Die Vertiefung 31 ist als in die Stirnfläche des Magnetankers 3 eingelassene
Ringnut ausgeführt,
deren Tiefe wenigstens um das Maß des Axialspalts 2 größer gewählt ist
als der Überstand der
Magnetspule 1 innerhalb des Ventilgehäuses 6.
- 4. Zum Flüssigkeitsausgleich
beiderseits des Magnetankers 3 sind mehrere symmetrisch
im Magnetanker 3 verteilte Druckausgleichsöffnungen 32 angeordnet,
die vorzugsweise unmittelbar in die Vertiefung 31 eingefügt sind.
- 5. Der Magnetanker 3 ist über einen definierten Ankerhub
frei beweglich zum zweiten Ventilschließglied 14 ausgeführt, wozu
ein zum zweiten Ventilschließglied 14 mit
Axialspiel behafteter Mitnehmer 18 am Magnetanker 3 befestigt
ist.
- 6. Der Mitnehmer 18 ist als eine am Magnetanker 3 befestigte
Hülse ausgeführt, durch
die sich das erste Ventilschließglied 14 abschnittsweise
innerhalb einer Stufenbohrung 28 in Richtung auf den zweiten
Ventilschließkörper 8 erstreckt.
- 7. Beide Ventilschließglieder 14, 24 sind
wenigstens abschnittsweise innerhalb einer Stufenbohrung 28 des
Magnetankers 3 axialbeweglich aufgenommen, in der auch
der Mitnehmer 18 befestigt ist.
- 8. Auf der vom Mitnehmer 18 entfernten Stirnfläche des
Magnetankers 3 ist eine Kappe 20 befestigt, in
die sich das erste Ventilschließglied 24 erstreckt.
- 9. Der Mitnehmer 18 weist einen als hülsenförmiges Führungsglied 29 ausgebildeten
Endabschnitt auf, der mittig zur Längsachse des Ventilgehäuses 6 geführt ist,
wodurch der Magnetanker 3 im Ventilgehäuse 6 zentriert ist.
- 10. Innerhalb der Stufenbohrung 28 ruht an einem Anschlag 25 des
Mitnehmers 18 eine Feder 19, die sich mit ihrem
vom Anschlag 25 abgewandten Federende an einem am zweiten
Ventilschließglied 14 angeordneten
Bund 26 abstützt.
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Unter
Berücksichtigung
der baulichen Besonderheiten des Elektromagnetventils nach 1 folgt
unter Bezugnahme auf die weiteren 2–5 eine
Funktionsbeschreibung.
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In
der abgebildeten, elektromagnetisch nicht erregten Ventilstellung
nach 1 nehmen infolge der Schließkraft der Druckfeder 17,
deren Federkraft größer dimensioniert
ist als die Kraft der entgegengesetzt wirkenden Feder 19,
beide in Reihenschaltung angeordnete Ventilschließglieder 14, 24 ihre
abgebildeten Ventilschließstellungen
ein. Das stößelförmige Ventilschließglied 24 liegt
hierzu auf Endanschlag an der Innenwand der Kappe 20 an
und drückt
das hülsenförmigen Ventilschließgliedes 14 auf
den Ventilsitz B. Beim bevorzugten Einsatz des abgebildeten Elektromagnetventils
in einer schlupfgeregelten Bremsanlage liegen in der Regel keine
konstanten hydraulischen Drücke
im Druckmitteleinlass (horizontaler Ventilanschluss 21)
und Druckmittelauslass (vertikaler Ventilanschluss 4) vor,
wobei der Druck im Druckmitteleinlass in der Regel überwiegt.
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Die 2 zeigt
den Beginn der elektromagnetischen Erregung, wonach der Magnetanker 3 bis zur
Kontaktierung einer am ersten Ventilschließglied 24 vorgesehenen
Stufe 30 einen Teilhub zurücklegt. Beide Ventilschließglieder 14, 24 verharren
infolge des Magnetankerteilhubs zunächst noch in der Schließstellung.
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Die 3 zeigt
den Magnetanker 3 nach der Überbrückung des Teilhubs, wonach
infolge der Formschlussverbindung zwischen der Stufe 30 und der
Stufenbohrung 28 des Magnetankers 3 das erste Ventilschließglied 24 von
seinem Ventilsitz 12 abgehoben ist, wodurch im Sinne der
Vorsteuerstufe über die
im Rohrabschnitt des zweiten Ventilschließgliedes 14 angeordnete
Drosselbohrung 22 ein hydraulischer Druckausgleich erfolgt,
während
das zweite Ventilschließglied 14 noch
an seinem Ventilsitz 8 verharrt.
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Die 4 zeigt
den Magnetanker 3 nach Vollzug des maximal möglichen
Ankerhubs, bei dem auch das zweite Ventilschließglied 14 infolge
der Anlage des Bunds 26 am Mitnehmer 18 geringfügig von seinem
Ventilsitz 8 abgehoben ist. Die Feder 19 verharrt
hierbei zunächst
noch bis zum hydraulischen Druckausgleich wirkungslos.
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Die 5 zeigt
das zweite Ventilschließglied 14 nach
vollzogenem hydraulischen Druckausgleich, wodurch die Feder 19 ein
Abheben des Ventilschließgliedes 14 vom
Ventilsitz 8 erzwingt, sodass im Sinne der Hauptstufe der
große
Durchlassquerschnitt zwischen dem Ventilschließglied 14 und dem
Ventilsitz 8 maximal geöffnet
wird. Um den maximalen Öffnungshub
des Ventilschließgliedes 14 zu
erzielen, verschiebt die Feder 19 über das zweite Ventilschließglied 14 das
erste Ventilschließglied 24 bis
auf den oberen Anschlag in der Kappe 20.
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Die
Druckmittelverbindung zwischen den beiden Ventilanschlüssen 21, 4 ist
somit widerstandsarm für
einen entsprechend großen
Volumendurchsatz hergestellt.
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Der
Vorteil der teleskopischen Anordnung der beiden Ventil shließglieder 14, 24 im
Magnetanker 3 besteht somit darin, dass bei einer elektromagnetisch
initiierte Hubbewegung des Magnetankers 3 zunächst bis
zum Anliegen des Magnetankers 3 an der Stößelstufe
des Ventilschließgliedes 24 bereits
ein Teilhub vom Magnetanker 3 zurückgelegt ist, der den zum Öffnen des
Ventilschließgliedes 14 erforderlichen
Hub und damit auch den vom Magnetfeld zu überbrückende Axialspalt 2 erheblich
reduziert, sodass nach dem Druckausgleich über die Drosselbohrung 22 mit
einer verhältnismäßig geringen
Magnetkraft das für
einen großen
Volumendurchsatz konzipierte Ventilschließglied 14 über den
Mitnehmer 18 vom Ventilsitz 8 entsprechend leicht
abgehoben werden kann.
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Mit
den zuvor beschriebenen Maßnahmen ist
somit unter Verwendung einer miniaturisierten Magnetspule 1 für die Ventilhauptstufe
ein großer
Ventilöffnungshub
und ein möglichst
großer
Ventilöffnungsquerschnitt
gewährleistet.
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- 1
- Magnetspule
- 2
- Axialspalt
- 3
- Magnetanker
- 4
- Ventilanschluss
- 5
- Abschnitt
- 6
- Ventilgehäuse
- 7
- Abschnitt
- 8
- Ventilsitz
- 9
- Druckmittelkanal
- 10
- Druckmittelkanal
- 11
- Ventilblock
- 12
- Ventilsitz
- 13
- Durchgangsöffnung
- 14
- Ventilschließglied
- 15
- Dichtscheibe
- 16
- Sackbohrung
- 17
- Druckfeder
- 18
- Mitnehmer
- 19
- Feder
- 20
- Kappe
- 21
- Ventilanschluss
- 22
- Drosselbohrung
- 23
- Kontakt
- 24
- Ventilschließglied
- 25
- Anschlag
- 26
- Bund
- 27
- Filterelement
- 28
- Stufenbohrung
- 29
- Führungsglied
- 30
- Stufe
- 31
- Vertiefung
- 32
- Druckausgleichsöffnung