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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetventil zum Steuern von Fluiden mit einer Formfeder, welche in einem Arbeitsspalt zwischen einem Polkern und einem Anker angeordnet ist.
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Magnetventile finden sind aus dem Stand der Technik in unterschiedlichen Ausgestaltungen bekannt und werden beispielsweise in Bremssystemen von Fahrzeugen verwendet. Die bekannten Magnetventile weisen üblicherweise eine Magnetkraftcharakteristik auf, bei der die Magnetkraft bei einem kleiner werdenden axialen Arbeitsspalt sehr stark (exponentiell) zunimmt. Somit wird eine Steuerbarkeit des Magnetventils bei kleiner werdendem Arbeitsspalt nur mit erhöhten Stellkräften möglich und ab einem vorbestimmten kleinen Abstand zwischen Poltopf und Anker kann das Magnetventil nicht mehr geregelt werden. Daher werden bei den bekannten Magnetventilen relativ große Arbeitsspalte verwendet, so dass ein Ventilarbeitsbereich in einem Magnetkraftbereich liegt, der flacher verläuft, gleichzeitig aber auch im Niveau tiefer liegt. Insbesondere bei stromlos geschlossenen Magnetventilen muss jedoch die verfügbare Magnetkraft ausreichend sein, um das Ventil gegen eine schließend wirkende Druckfeder zu öffnen. Diese Druckfeder ist üblicherweise so stark ausgelegt, dass sie im geringer vorgespannten Zustand die auf das Magnetventil öffnend wirkende Kraft des Betriebsmediums überwinden kann und das Magnetventil schließen kann. Da im Betrieb im Betriebsmedium gegebenenfalls erhebliche Druckdifferenzen auftreten können, muss die Druckfeder immer eine derartige Kraft bereitstellen, dass das Magnetventil auch bei höheren Betriebsdrücken sicher geschlossen werden kann. Dies führt demnach zu einer Druckfeder mit relativ hoher Schließkraft, was im Weiteren dazu führt, dass der Magnetkreis des Magnetventils eine diese Federkraft überwindende Öffnungskraft bereitstellen muss. Dies führt zu geometrischen Vergrößerungen der Magnetspule oder anderer Bauteile des Magnetkreises, was neben einem erhöhten Bauraum auch ein zusätzliches Gewicht bedeutet.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 weist demgegenüber den Vorteil auf, dass eine Stellbarkeit des Magnetventils über einen größeren Hubbereich, d. h. insbesondere auch bei einem kleinen Arbeitsspalt zwischen Polkern und Anker, möglich ist. Hierdurch kann erfindungsgemäß eine Baugröße des Magnetventils, insbesondere des Magnetkreises, reduziert werden. Weiterhin kann das Magnetventil hinsichtlich verschiedener Kriterien, wie z. B. verbesserte Dichtheit im geschlossenen Zustand, verbesserte Schaltzeit oder verbesserte Ventildynamik, ausgelegt werden. Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, dass eine Formfeder verwendet wird, welche eine im Wesentlichen scheibenförmige Gestalt aufweist und mit einer Wölbung mit wenigstens einer Flanke und einem Kuppenbereich. Der Kuppenbereich ist erfindungsgemäß derart definiert, dass eine daran anliegende Tangente parallel zu einer Endflächenebene des Polkerns ist. Die erfindungsgemäße Überlegung der Verwendung einer Formfeder ermöglicht somit eine bedarfsgerechte Auslegung der Federkraftlinie, wobei insbesondere die restlichen Geometrien der Bauteile des Magnetventils sehr einfach und kostengünstig herstellbar sind.
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Die Unteransprüche zeigen bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Vorzugsweise ist in einem stromlosen Zustand des Magnetventils der Kuppenbereich der Formfeder mit der Endfläche des Polkerns oder mit einer zum Polkern gerichteten Stirnseite des Ankers in Kontakt.
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Besonders bevorzugt weist die Formfeder eine zweistufige Federcharakteristik auf. Somit ändert sich die Federkraftkennlinie in Abhängigkeit von einer Größe des Arbeitsspalts zwischen Polkern und Anker, so dass die Federcharakteristik entsprechend den gewünschten Anforderungen in Abhängigkeit von einer Größe des Arbeitsspaltes ausgelegt werden kann.
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Besonders bevorzugt umfasst die Formfeder eine erste Wölbung mit einem ersten Kuppenbereich und eine zweite Wölbung mit einem zweiten Kuppenbereich, wobei im stromlosen Zustand des Magnetventils lediglich einer der beiden Kuppenbereiche mit dem Anker oder dem Polkern in Kontakt steht. Der andere der Kuppenbereiche kommt somit erst mit dem Polkern bzw. dem Anker in Kontakt, wenn der Arbeitsspalt etwas reduziert wird, so dass eine zweistufige Federcharakteristik bereitgestellt werden kann. Vorzugsweise sind die beiden Wölbungen in einander entgegengesetzten Richtungen ausgebildet.
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Je nach Ausgestaltung der Form der Formfeder ändert sich die Federcharakteristik in Abhängigkeit von einer Größe des Arbeitsspaltes, so dass auf einfache Weise durch unterschiedliche Formgebungen der Formfeder individuelle Anpassungen an verschiedene Einsatzbereiche möglich sind.
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Alternativ umfasst das Magnetventil ferner ein zweites Federelement, wobei im stromlosen Zustand des Magnetventils entweder das zweite Federelement oder die Formfeder mit dem Anker oder dem Polkern in Kontakt steht. Somit kann die zweistufige Federcharakteristik durch Verwendung von zwei Federelementen bereitgestellt werden. Besonders bevorzugt ist dabei das zweite Federelement eine zylindrische Schraubenfeder. Alternativ kann als zweites Federelement jedoch auch eine Formfeder verwendet werden.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist die Formfeder einen Fixierbereich auf und der Anker weist eine Aussparung zur Aufnahme des Fixierbereichs auf. Hierdurch ist eine einfache Befestigung der Formfeder am Anker möglich. Besonders bevorzugt ist der Fixierbereich der Formfeder dabei zylindrisch. Alternativ kann bei einer Verwendung von zwei Federelementen eines der Federelemente am Anker befestigt sein und das andere Federelement ist an dem am Anker befestigten Federelement befestigt.
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Um eine sichere Verformbarkeit der Formfeder im aktivierten Zustand des Magnetventils sicherzustellen, weist die Formfeder vorzugsweise Aussparungen auf, um eine Strömung des im Arbeitsspalt befindlichen Mediums durch die Formfeder zu ermöglichen. Die Aussparungen sind vorzugsweise Schlitze in der Formfeder, welche bis zu einem inneren und/oder äußeren Rand der Formfeder reichen oder schlitzförmige, geschlossene Ausnehmung im Federkörper.
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Zeichnung
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Nachfolgend werden bevorzugte Ausführungsbeispiele unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
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1 eine schematische Schnittansicht eines Magnetventils gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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2 eine schematische, vergrößerte Darstellung eines Teilbereichs des Magnetventils,
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3 ein Diagramm, welches die Federkraft über der Größe des Arbeitsspaltes zeigt,
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4 eine vergrößerte Schnittdarstellung einer Formfeder des ersten Ausführungsbeispiels,
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5 eine schematische Darstellung eines Magnetventils gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung,
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6 ein Diagramm einer Federkraft über einer Größe des Arbeitsspalts des zweiten Ausführungsbeispiels und
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7 eine schematische Darstellung eines Magnetventils gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 1 bis 4 ein Magnetventil 1 gemäß einem ersten bevorzugten Ausführungsbeispiel der Erfindung im Detail beschrieben.
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1 zeigt den Grundaufbau des erfindungsgemäßen Magnetventils. Das Magnetventil 1 umfasst einen Polkern 5 sowie einen Anker 6. Am Anker 6 ist an einer von dem Polkern 5 abgewandten Seite ein Schließelement 15 angeordnet. Das Schließelement 15 schließt einen Durchlass 9 in einem Ventilkörper 16 an einem Ventilsitz 17 ab bzw. gibt diesen frei. 1 zeigt die geschlossene Stellung, welche bei einem stromlos geschalteten Magnetventil erhalten wird. Bei einer Bestromung wird der Anker 6 gegen den Polkern 5 angezogen und das Schließelement 15 gibt den Durchlass 9 frei. Im Ventilkörper 16 sind ferner Auslassbohrungen 18 vorgesehen, über welche das durch einen Filter 19 zuströmende Fluid (Pfeil A) durch den Durchlass 19 erst in den Druckraum 10 gelangt und dann über die Abströmbohrungen 18 abgeführt werden.
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Zwischen dem Polkern 5 und dem Anker 6 ist ein Arbeitsspalt 13 vorgesehen, welcher im stromlosen Zustand eine Größe H aufweist. Der Arbeitsspalt 13 ist über seitliche Kanäle 6a im Anker 6 mit dem Druckraum 10 verbunden.
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Im Arbeitsspalt 13 zwischen dem Polkern 4 und dem Anker 6 ist eine Formfeder 2 angeordnet, welche im Detail in 4 gezeigt ist. Die Formfeder 4 weist dabei im Wesentlichen eine scheibenförmige Gestalt mit einer bestimmten Form auf. Wie in 4 gezeigt, umfasst die Formfeder 2 einen Basisbereich 21 und einen daran sich radial nach innen anschließenden Fixierbereich 22. Der Fixierbereich 22 dient zur Fixierung des Federelements 2 im Anker 6. Eine im Anker 6 gebildete Aussparung 62 kann dabei derart vorgenommen werden, dass eine Befestigung der Formfeder 2 beispielsweise durch Formschluss und/oder Kraftschluss erfolgen kann. Ferner umfasst die Formfeder 2 eine erste Wölbung 2a mit einem ersten Kuppenbereich 23, einem ersten Flankenbereich 24 und einem zweiten Flankenbereich 25. Der erste Kuppenbereich 23 liegt zwischen dem ersten und zweiten Flankenbereich 24 und 25, wobei sich der zweite Flankenbereich 25 an den Basisbereich 21 anschließt (vergleiche 4). Ferner umfasst die Formfeder 2 eine zweite Wölbung 2b mit einem zweiten Kuppenbereich 26, welcher sich an den ersten Flankenbereich 24 anschließt, sowie einen dritten Flankenbereich 27, welcher sich an den zweiten Kuppenbereich 26 anschließt (vergleiche 4). Dabei ist der dritte Flankenbereich 27 flacher und kürzer als der erste und zweite Flankenbereich 24, 25. Der erste Kuppenbereich 23 ist dabei derart definiert, dass bei Anlegen einer Tangente T1 diese parallel zu einer Endfläche 50 des Polkerns 5 ist. Der zweite Kuppenbereich 26 ist derart definiert, dass bei Anlegen einer Tangente T2 die Tangente T2 parallel zu einer Stirnseitenfläche 61 des Ankers 6 ist.
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Das Federelement 2 des ersten Ausführungsbeispiels ist somit derart aufgebaut, dass der erste Kuppenbereich 23 und der zweite Kuppenbereich 26 in Verbindung mit den sich daran anschließenden Flankenbereichen die Federeigenschaften der Formfeder 2 definieren. Da, wie aus 2 ersichtlich ist, sich im stromlosen Zustand des Magnetventils der erste Kuppenbereich 23 in Kontakt mit der Endfläche 50 befindet, jedoch der zweite Kuppenbereich 26 noch einen Abstand H1 zur Stirnseite 61 des Ankers 6 aufweist, wird eine zweistufige Federcharakteristik erhalten. Die Federcharakteristik der Formfeder 2 des ersten Ausführungsbeispiels ist in 3 gezeigt, welche die Federkraft F über einen Hub H des Ankers 6 zeigt. Der Hub H entspricht dabei der Größe des Arbeitsspalts 13 im stromlosen Zustand des Magnetventils, wie in den 1 und 2 gezeigt.
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Somit ergibt sich, wie aus 3 ersichtlich ist, bei einem Beginn des Anziehens des Ankers 6 in Richtung des Polkerns 5 zuerst die in 3 im Bereich H1 dargestellte Federkennlinie. Sobald der zweite Kuppenbereich 26 in Kontakt mit der Stirnseite 61 des Ankers 6 kommt, ergibt sich ein Knick in der Federkennlinie und die Federkennlinie weist die im Bereich H2 in 3 gezeigte Charakteristik auf. Bei Stromlosstellen des Magnetventils stellt die Formfeder 2 den Anker wieder in die in 1 gezeigte Ausgangsposition zurück und verschließt den Durchlass 9.
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Somit weist die erfindungsgemäße Formfeder zwei separate Federbereiche an den ersten und zweiten Kuppenbereichen 23, 26 auf, wobei ein Kontaktbereich zwischen der Formfeder 2 und dem Polkern 5 während des Komprimierens radial nach außen wandert. Die beiden Federbereiche werden durch die zwei Wölbungen 2a, 2b, welche in einer der entgegengesetzten Richtungen ausgebildet sind, bereitgestellt. Dabei bestimmt die Geometrie der Wölbungen der Kuppenbereiche 23 und 26 sowie der Abstand H1 zwischen dem zweiten Kuppenbereich 26 und der Stirnseite 61 bzw. ein Abstand H2 zwischen dem ersten Kuppenbereich 23 und dem zweiten Kuppenbereich 26 in axialer Richtung X-X des Ventils die Federcharakteristiken. In diesem Ausführungsbeispiel sind die Federcharakteristiken durch zwei lineare Federkraftverläufe mit unterschiedlichen Steigungen gegeben.
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Ein weiterer besonderer Vorteil der erfindungsgemäßen Formfeder liegt darin, dass die Formfeder zwischen einer planen Endfläche 50 des Polkerns und einer planen Stirnseite 61 des Ankers 6 eingesetzt werden können. Hierdurch ergeben sich große Kostenvorteile bei der Herstellung von Polkern 5 und Anker 6. Auch ist die erfindungsgemäße Formfeder robuster gegenüber montagebedingtem oder betriebsbedingtem radialem Achsversatz der Bauteile, da die erfindungsgemäße Formfeder 2 an den planen Endflächen von Polkern und Anker anliegt und keine geometrisch eindeutigen Auflagepunkte benötigt. Darüber hinaus hat die Formfeder 2 den Vorteil, dass keine scharfkantigen Ränder der Formfeder die Anlageflächen von Anker und Polkern berühren, so dass der Polkern und der Anker aus ungehärteten Materialien hergestellt werden können und über die Lebensdauer der Formfeder keine negativen Einflüsse bzw. Verschleißerscheinungen auftreten. Ferner sorgt die spezielle Formgebung insbesondere des dritten Flankenbereichs 27, welcher sehr flach ausgebildet ist, für eine zunehmende Kontaktfläche zwischen der Formfeder 2 und dem Anker 6 bei einem Aufbiegen der Formfeder 2, so dass belastungsmindernde Effekte (Hertz'sche Pressung) mit vergrößerter Anlagefläche entstehen.
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Somit wird erfindungsgemäß ein Magnetventil 1 bereitgestellt, welches bei sehr einfachem kostengünstigem Aufbau eine verbesserte Stellbarkeit aufweist.
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Nachfolgend wird unter Bezugnahme auf die 5 und 6 ein Magnetventil gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben, wobei gleiche bzw. funktional gleiche Teile mit den gleichen Bezugszeichen wie im ersten Ausführungsbeispiel bezeichnet sind.
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Wie aus 5 ersichtlich ist, weist das Magnetventil des zweiten Ausführungsbeispiels zusätzlich ein zweites Federelement 3 auf. Das zweite Federelement 3 ist eine zylindrische Schraubenfeder und ist im Fixierbereich 22 der Formfeder 2 angeordnet. Wie aus 5 ersichtlich ist, befindet sich das zweite Federelement 3 mit der Endfläche 50 des Polkerns 5 in Kontakt und das erste Federelement 2 hat einen Abstand G1 zur Endfläche 50. Die Formfeder 2 des zweiten Ausführungsbeispiels weist im Unterschied zum ersten Ausführungsbeispiel lediglich genau eine Wölbung mit einem Kuppenbereich 23 auf. Die in 6 gezeigte Federcharakteristik ist dabei ähnlich der des ersten Ausführungsbeispiels, wobei diese im zweiten Ausführungsbeispiel durch zwei verschiedene Federelemente, nämlich die Formfeder 2 und das zweite Federelement 3, bereitgestellt werden. Wie aus 6 in Verbindung mit 5 ersichtlich ist, wird bei einem Anziehen des Ankers 6 in Richtung des Polkerns 5 zuerst der Weg G1 zurückgelegt, in welchem lediglich das zweite Federelement 3 aktiv ist. Nach Zurücklegen des Weges G1 kommt der Kuppenbereich 23 der Formfeder 2 mit der Endfläche 50 des Polkerns 5 in Kontakt, so dass sich die Charakteristik der Federkennlinie ändert, da nun beide Federn aktiv sind. Dies ist in 6 im Bereich G2 dargestellt.
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Bei diesem Ausführungsbeispiel weist die Formfeder 2 einen besonders einfachen Aufbau auf. Als zweites Federelement kann eine einfach aufgebaute zylindrische Schraubenfeder verwendet werden.
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7 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetventils, welches ähnlich zum zweiten Ausführungsbeispiel ist, wobei wiederum gleiche bzw. funktional gleiche Bauteile mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet sind.
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Beim dritten Ausführungsbeispiel ist die Formfeder 2 im zweiten Federelement 3 fixiert. Das zweite Federelement 3 ist ebenfalls eine zylindrische Schraubenfeder und ein Fixierbereich 22 der Formfeder 2 ist in den Innenbereich der Schraubenfeder eingeführt und dadurch fixiert. Ein Basisbereich 21 der Formfeder 2 befindet sich mit der Endfläche 50 des Polkerns 5 in Kontakt. Die Formfeder 2 umfasst wiederum lediglich genau eine Wölbung mit einem Kuppenbereich 23, welcher in einem Abstand K1 zu einer Stirnseite 61 des Ankers 6 angeordnet ist. Die Federkennlinie dieses Ausführungsbeispiels ist dabei ebenfalls wiederum zweistufig, da zuerst lediglich das zweite Federelement 3 komprimiert wird und dann erst bei Kontakt des Kuppenbereichs 23 mit der Stirnseite 61 eine Komprimierung der Formfeder 2 erfolgt.
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Wie die beschriebenen Ausführungsbeispiele zeigen, kann erfindungsgemäß somit durch die Idee der Verwendung einer Formfeder 2 ein einfacherer Aufbau des Magnetventils erhalten werden und insbesondere eine jeweils an bestimmte Einsatzzwecke optimierte Federcharakteristik durch entsprechende Auslegung der Formfeder bzw. durch Verwendung eines zweiten Federelements 3 erhalten werden. Bei Verwendung von zwei Federn werden die beiden Federn vorzugsweise nacheinander aktiviert. Es sei jedoch angemerkt, dass es auch möglich ist, durch entsprechende Formgebung der Formfeder 2 auch bei Verwendung von zwei Federn diese gleichzeitig zu verformen, so dass sich über die Formgebung der Formfeder 2 bei entsprechender Änderung einer Größe H des Arbeitsspaltes 13 zwischen dem Polkern 5 und dem Anker 6 eine über den Weg veränderliche Federkennlinie ergibt.
