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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Herstellen einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung, insbesondere zum Betätigen von Ventilen, bei dem ein einen Magnetanker innerhalb eines Ankerraumes führendes Polrohr durch Ausbildung einer mechanischen Verbindung zwischen einem Rohrkörper und zumindest einem weiteren Teil des Polrohres, z. B. Polkern, gebildet wird. Ferner bezieht sich die Erfindung auf eine nach dem Verfahren hergestellte Betätigungsvorrichtung.
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Derartige elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen, die man in der Fachsprache auch als Proportionalmagnete oder Schaltmagnete bezeichnet, sind auf dem Markt in einer Vielzahl von Ausführungsformen frei erhältlich. Eine als Schaltmagnet ausgebildete Vorrichtung dieser Art ist beispielsweise in
DE 103 27 209 B3 beschrieben. Bei derartigen Vorrichtungen führt der Magnetanker bei elektrischer Erregung der zugehörigen Spulenwicklung eine Verschiebebewegung im Polrohr aus. Entfällt die Bestromung der Spulenwicklung wird regelmäßig über eine Rückstellfeder der Magnetanker in eine Ausgangsposition rückgestellt. In den meisten Fällen wirkt die Rückstellkraft auf den Magnetanker über das mit dem Anker verbundene Betätigungsteil, das im wesentlichen bolzenartig ausgebildet ist und sich durch den Polkern hindurch erstreckt und einen betreffenden Betätigungsvorgang auslöst, beispielsweise bei einem von außen angeschlossenen Ventil zum Führen von Fluidströmen. Die Rückstellfeder kann in der Betätigungsvorrichtung selbst und/oder vorzugsweise am gegebenenfalls zu betätigenden Ventil angeordnet sein.
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Die Funktionssicherheit hängt bei derartigen Betätigungsvorrichtungen in hohem Maße davon ab, dass das Polrohr konstruktiv so gestaltet ist, dass es den betriebsbedingten Anforderungen gerecht wird, insbesondere auch im Langzeitbetrieb. Dementsprechend ist bei der Herstellung auf die Ausbildung mechanischer Verbindungen zwischen funktionswesentlichen Elementen des Polrohres besonderen Wert zu legen. Im Stand der Technik werden diesbezüglich Fügeverfahren, wie Schweißverbindungen, oder Verbindungen durch Einbördeln oder Umbördeln angewendet. Wenn die zu fordernde Sicherheit der mechanischen Verbindungen gewährleistet sein soll, müssen derartige Verfahren sorgfältig und zeitaufwendig durchgeführt werden, was verhältnismäßig hohe Herstellungskosten verursacht.
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Ferner ist es durch die
JP 63-265 407 A bekannt, bei einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung zur Verbindung von Magnetkomponenten, insbesondere unter Beibehalten einer vorgebbaren koaxialen Ausrichtung der Komponenten zueinander, diese über ein nicht-magnetisches, korrosionsbeständiges Polrohr miteinander zu verbinden, indem dieses bei Realisierung eines Preßsitzes (press-fit) auf endseitig im Durchmesser reduzierte Enden der dahingehenden Magnetkomponenten aufgesetzt und mit diesen abschließend druckdicht verschweißt ist.
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Durch die
DE 1 514 153 A ist des weiteren ein Rundkernmagnet für Wechselstrom mit Kurzschlußring und einem Luftspalt bzw. magnetischem Engewiderstand im nicht vom Kurzschlußring umschlossenen Teil der Polfläche bekannt, wobei der Rundkern aus einem stufenförmig abgesetzten, gedrehten Kern besteht, auf den der Kurzschlußring und ein ferromagnetischer Ring aufgesetzt sind, wobei der Luftspalt bzw. Engewiderstand zwischen dem Kern und dem ferromagnetischen Ring liegt. Bei der bekannten Lösung kann der ferromagnetische Ring sowohl mittels Kleben als auch Löten als auch mittels eines Schrumpfvorganges auf dem Kern befestigt werden.
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Im Hinblick auf den vorstehend genannten Stand der Technik stellt sich die Erfindung die Aufgabe, ein Verfahren zur Verfügung zu stellen, mit dem auf einfache und vergleichsweise kostengünstige Weise derartige Betätigungsvorrichtungen herstellbar sind, die sich nichtsdestoweniger durch eine besonders hohe Betriebssicherheit auszeichnen.
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Erfindungsgemäß ist diese Aufgabe durch ein Verfahren gelöst, das die Merkmale des Patentanspruches 1 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Demgemäß besteht eine wesentliche Besonderheit der Erfindung darin, dass bei der Herstellung des Polrohres mechanische Verbindungen zwischen einem Rohrkörper und zumindest einem dem Polrohr zugehörigen weiteren Teil durch thermisches Schrumpfen ausgebildet werden, wobei der Rohrkörper erhitzt und auf den betreffenden weiteren Teil aufgepresst wird. Die Realisierung von Verbindungen durch thermisches Aufschrumpfen ermöglicht nicht nur eine rationelle, d. h. schnelle und billige Herstellung, sondern führt auch zu besonders guten mechanischen Eigenschaften des aus mehreren Teilen gebildeten Polrohres, so dass trotz niedriger Herstellungskosten eine hohe Betriebssicherheit der Betätigungsvorrichtung gewährleistet ist.
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Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht auch die besonders rationelle Herstellung mehrteiliger Polrohre in der Weise, dass der Rohrkörper durch thermisches Schrumpfen sowohl mit dem durch ein erstes Drehteil gebildeten Polkern als auch mit einem die Verschiebeführung des Magnetankers bildenden zweiten Drehteil verbunden wird, indem der erhitzte Rohrkörper auf äußere Mantelflächen beider Drehteile aufgepresst wird.
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Für einen Betrieb der Betätigungsvorrichtung bei hohem Druckniveau kann bei der Herstellung der Verbindungen so vorgegangen werden, dass auf Verbindungsstellen vor dem Aufpressen des erhitzten Rohrkörpers ein Kleber, vorzugsweise ein einen Dichtstoff und/oder Füllstoff bildender Kleber, aufgebracht wird. Dadurch ist sichergestellt, dass auch bei hohem Druckniveau Dichtheit und Druckfestigkeit der Verbindungen gewährleistet ist.
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Im Hinblick auf die Realisierung einer magnetischen Entkoppelung kann es günstig sein, den Rohrkörper aus einem unmagnetischen Metall zu bilden.
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Vorzugsweise wird in einem solchen Fall so vorgegangen, dass Polkern und ein zweites Drehteil unter Bildung eines eine magnetische Entkoppelung bewirkenden, einen Luftspalt bildenden Zwischenraumes über den Rohrkörper miteinander verbunden werden.
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Bei bevorzugten Ausführungsbeispielen wird das zweite Drehteil, welches die eigentliche Verschiebeführung für den Anker bildet, mit einem eine Hubbegrenzung des Magnetankers bildenden geschlossenen Ende versehen.
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Hierbei kann so vorgegangen werden, dass als Hubbegrenzung ein gesondertes Endteil am zweiten Drehteil angebracht wird oder dass das zweite Drehteil mit einem mit ihm einstückigen Endteil ausgebildet wird. Das zweite Drehteil hat in diesem Falle die Form eines Hohlzylinders, der am einen Ende offen und am anderen Ende durch einen Boden geschlossen ist. Bei Ausführungsbeispielen bei denen das die Hubbegrenzung bildende Endteil ein gesondertes Bauteil ist, kann der zweite Drehteil als Hohlzylinder ausgebildet werden, dessen eines Ende mittels einer Bördelverbindung mit dem gesonderten, die Hubbegrenzung bildenden Endteil versehen wird.
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Gegenstand der Erfindung ist auch eine nach dem Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 11 hergestellte Betätigungsvorrichtung, die die Merkmale des Patentanspruches 12 in seiner Gesamtheit aufweist.
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Nachstehend ist die Erfindung anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen im Einzelnen erläutert. Es zeigen:
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1 einen schematisch leicht vereinfacht gezeichneten Längsschnitt lediglich des Polrohres mit darin angeordnetem Magnetanker eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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2 einen der 1 entsprechenden Längsschnitt eines zweiten Ausführungsbeispieles;
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3 einen schematisch vereinfacht gezeichneten Längsschnitt des an den Polkern angrenzenden Längenabschnittes lediglich des Polrohres ohne Magnetanker gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Betätigungsvorrichtung;
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4 einen gegenüber 3 stark vergrößert dargestellten Teilausschnitt des in 3 mit IV bezeichneten Bezirks und
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5 einen gegenüber 4 stark vergrößert dargestellten Teilausschnitt des in 4 mit V bezeichneten Bezirks.
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In der Zeichnung ist von der jeweiligen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung lediglich das Polrohr gezeigt, das als Ganzes mit
1 bezeichnet ist und in dem ein Magnetanker
3 bewegbar geführt ist, an dem ein stangenartiges Betätigungsteil
5 angebracht ist, das sich durch eine Zentralbohrung
7 eines Polkernes
9 hindurch nach außen erstreckt. Ein das Polrohr
1 zumindest teilweise umgebendes Spulengehäuse mit im Inneren befindlicher Spulenwicklung sowie elektrischen Anschlußelementen ist in der Zeichnung nicht dargestellt, da es in üblicher, geeigneter, dem Fachmann geläufiger Art und Weise ausgebildet sein kann. Auch sind in der vereinfachten zeichnerischen Darstellung keine besonderen Gestaltsmerkmale des stangenartigen Betätigungsteiles
5 dargestellt, wie sie dem Stand der Technik entsprechend, vgl.
DE 10 2004 028 871 A1 , vorgesehen sein können, um entlang des Betätigungsteiles
5 eine Fluidverbindung in den im Polrohr
1 befindlichen Ankerraum
11 hinein zu bilden.
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Bei den in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen ist das Polrohr 1 aus drei Hauptteilen gebildet, nämlich dem als Drehteil hergestellten Polkern 9, einem Rohrkörper 13 aus unmagnetischem Metall und einem zweiten, einen Hohlzylinder definierenden Drehteil 15. Dieses bildet im Inneren den Ankerraum 11 und die Verschiebeführung für den Magnetanker 3, der an seinem Außenumfang mit seine Zylindermantelfläche unterbrechenden Schmiernuten 17 versehen ist. Bei der in den 1 und 2 gezeigten Position des Magnetankers 3 befindet sich dieser in seiner in der Zeichnung linksseitig gelegenen Endposition in Anlage an der Bodenfläche 19 einer kreiszylindrischen Vertiefung 21, die sich am inneren Ende des Polkernes 9 befindet. Der Polkern 9 als erstes Drehteil und das die eigentliche Verschiebeführung des Magnetankers 3 bildende zweite Drehteil 15 sind über den nicht magnetischen Rohrkörper 13 in der Weise mechanisch fest miteinander verbunden, dass ein einen Luftspalt 23 bildender Zwischenraum zwischen dem Ende des Polkernes 9 und dem Drehteil 15 gebildet ist. Am Luftspalt 23 bildet der Polkern 9 eine Steuerkante 25. Diese ist durch den spitzen Endrand der Vertiefung 21 im Polkern 9 dadurch gebildet, dass sich an den Endrand 21 eine Schrägfläche 27 anschließt. Der Luftspalt 23 am Polkern 9 bewirkt eine magnetische Entkoppelung der über den Rohrkörper 13 verbundenen Teile des Polrohres 1.
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Die in 1 und 2 dargestellte Position des Magnetankers 3 entspricht dem Betriebszustand der bestromten Spulenwicklung. Wenn die Bestromung entfällt, bewegt sich der Anker 3 unter Einfluss der Rückstellfeder in der Zeichnung nach rechts in eine durch eine Hubbegrenzung definierte Endlage. Zur Bildung der Hubbegrenzung ist beim Beispiel von 1 ein mit dem Drehteil 15 verbundener Endkörper 29 vorgesehen, der mittels einer Bördelung 31 am Ende des Drehteiles 15 verankert ist.
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Der Rohrkörper 13 überdeckt am Polkern 9 und am Drehteil 15 Verbindungsflächen 33 bzw. 35, die jeweils durch kreiszylindrische Vertiefungen in der äußeren Mantelfläche von Polkern 9 und Drehteil 15 gebildet sind. Dabei ist die Tiefe der die Verbindungsflächen 33 und 35 bildenden Vertiefungen der Wandstärke des Rohrkörpers 13 so angepaßt, dass der Rohrkörper 13, wenn er auf den Verbindungsflächen 33, 35 in Stellung ist, an seiner Außenseite die kreiszylindrische Außenkontur des Polrohres 1 absatzfrei fortsetzt. Wie aus der Zeichnung ersichtlich, ist die Wandstärke des Rohrkörpers 13 wesentlich geringer als diejenige des holzylinderförmigen Drehteiles 15, wobei das Dickenverhältnis vorzugsweise im Bereich von 1:6 bis 1:3 liegt. Beim in 1 und 2 dargestellten Beispiel beträgt das Größenverhältnis näherungsweise 1:4. Aufgrund der verhältnismäßig geringen Wandstärke des Rohrkörpers 13 und der sich dadurch ergebenden geringen Tiefe der die Verbindungsfläche 35 bildenden Vertiefung verringert sich der Materialquerschnitt des Drehteiles 15 im Bereich der Verbindungsfläche 35 lediglich geringfügig.
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Bei der Herstellung des Polrohres 1 wird die mechanische Verbindung des Rohrkörpers 13 an der Verbindungsfläche 33 des Polkernes 9 und an der Verbindungsfläche 35 des Drehteiles 15 in der Weise ausgeführt, dass der Rohrkörper 13 auf den Polkern 9 und das Drehteil 15 thermisch aufgeschrumpft wird. Dabei wird so vorgegangen, dass der Rohrkörper 13 auf eine Temperatur im Bereich von etwa 180°C erhitzt und auf die Verbindungsflächen 33 und 35 am Polkern 9 bzw. am Drehteil 15 aufgepresst wird, wobei sich Polkern 9 und Drehteil 15 vorzugsweise auf einer Temperatur befinden, die dem Umgebungsniveau entspricht. Je nach verwendeten thermischen Dehnungseigenschaften der beteiligten metallischen Werkstoffe kann auch eine Abkühlung von Polkern 9 und/oder Drehteil 15 auf eine niedrigere Temperatur vorgesehen sein, um den Prozeß des Aufschrumpfens zu optimieren. Hinsichtlich der Betriebssicherheit im Langzeitbetrieb und unter wechselnden beim Einsatz auftretenden Temperaturbedingungen ist es vorteilhaft, wenn die Wärmeausdehnung des Rohrkörpers 13 der Wärmeausdehnung von Polkern 9 und Drehteil 15 ähnlich ist.
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Die durch thermisches Aufschrumpfen gebildete Verbindung am Polkern 9 und Drehteil 15 ist zumindest bei einem nicht besonders hohen Druckniveau ausreichend dicht und druckfest. Um eine besonders sichere Verbindung für Einsatzzwecke zu gewährleisten, bei denen hohe Drücke auftreten, wird vorzugsweise so vorgegangen, dass auf die Verbindungsflächen 33 und 35 am Polkern 9 bzw. am Drehteil 15 ein Kleber aufgetragen wird, bevor der erhitzte Rohrkörper 13 aufgepresst wird. Zusätzlich zu der durch das Schrumpfen erzeugten Haltekraft wird dadurch eine Klebestelle und eine Abdichtung an den Verbindungsflächen 33 und 35 erzeugt. Als besonders geeignet hat sich ein einen Dichtstoff und/oder Füllstoff bildender Kleber erwiesen, insbesondere ein Hochtemperaturkleber auf Acrylatbasis.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel des nach dem erfindungsgemäßen Verfahren hergestellten Polrohres 1 unterscheidet sich von dem Beispiel von 1 lediglich durch eine alternative Gestaltung des die Verschiebeführung für den Magnetanker 3 bildenden Drehteiles 15. Anders als beim Beispiel von 1 ist das Drehteil 15 als an einem Ende geschlossener zylindrischer Topf gestaltet, wobei das den mit dem Topf einstückigen Tofpboden bildende Endteil 37 mit seiner kreisrunden, ebenen inneren Bodenfläche 39 den Ankerraum 11 abschließt und eine Hubbegrenzung zur Definierung der in der Zeichnung rechtsseitigen Endposition des Magnetankers 3 bildet, der diese rechtsseitige Endposition bei fehlender Bestromung der Spulenwicklung einnimmt. Im übrigen entspricht das Ausführungsbeispiel von 2 dem zuvor beschriebenen Beispiel, insbesondere was die durch Aufschrumpfen gebildeten Verbindungen zwischen Rohrkörper 13 und Polkörper 9 und Drehteil 15 anbelangt.
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Bei dem in 3 bis 5 gezeigten weiteren Ausführungsbeispiel ist der Rohrkörper 13 im Gegensatz zu den zuvor beschriebenen Beispielen an seiner Innenseite nicht glattflächig, sondern weist in seinem zentralen Längenbereich einen, bezogen auf die Längsachse 10, radial nach innen vorstehenden Ringkörper 51 auf, der axial durch Schrägflächen 53 begrenzt ist, die, an schrägen Endrändern von Polkern 9 und Drehteil 15 anliegend, den Zwischenraum zwischen Polkern 9 und Drehteil 15 als Füllstück passend ausfüllt. Der Ringkörper 51 bildet an dem der magnetischen Entkoppelung dienenden Zwischenraum eine feldbeeinflussende Steuerkante.
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Während bei den Ausführungsbeispielen von 1 und 2 der Rohrkörper 13 an beiden Verbindungsbereichen mit glattflächiger Innenwand an den Verbindungsflächen 33 und 35 des Polkerns 9 bzw. des Drehteils 15 anliegt und durch thermisches Aufschrumpfen daran festgelegt ist, gegebenenfalls unter Anwendung eines zusätzlichen Klebeverfahrens, besteht ein weiterer Unterschied des Beispieles von 3 und 5 darin, dass, wie dies lediglich aus 4 und 5 zu ersehen ist, das jeweilige Verbindungsteil 55 des Rohrkörpers 13 unter Bildung einer Verzahnung an der Verbindungsfläche 33 am Polkern 9 und der Verbindungsfläche 35 am Drehteil 15 anliegt. Die 5 zeigt, dass diese Verzahnung durch eine gestufte Flächengestalt der Verbindungsfläche 33 am Polkern 9 und an der daran anliegenden Fläche des Verbindungsteiles 55 gebildet ist. Gleiches gilt für die in 4 und 5 nicht sichtbare Verbindungsfläche 35 am Drehteil 15. An den Verbindungsflächen 33 und 35 ist zu diesem Zweck eine Hinterschneidung 57 gebildet, die nur in 5 erkennbar ist und eine Anschlagschulter für eine Stufe 59 bildet, die am Beginn des Endabschnittes der Innenfläche des Verbindungsteiles 55 des Rohrkörpers 13 gebildet ist. Dieser Eingriff bildet eine Sicherung der Verbindung gegen unterschiedliche thermische Dehnungen. Zur Vermeidung einer möglichen statischen Überbestimmung ist, wie aus 5 erkennbar ist, am Ende des Verbindungsteiles 55 ein geringer Freiraum 61 zwischen der angrenzenden Fläche des Polkerns 9 vorgesehen. Gleiches gilt für die Endfläche des Verbindungsteiles 55 und dem in 4 und 5 nicht sichtbaren Drehteil 15. Anstelle der Verzahnung durch lediglich eine Hinterschneidung 57 und eine Stufe 59 könnte eine andere Flächengestaltung vorgesehen sein, beispielsweise Mikrorillen und entsprechende Vertiefungen an den einander anliegenden Flächen oder ähnliche Flächenstrukturen.
