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Die Erfindung betrifft ein stromlos geschlossenes Magnetventil mit einer Ventilhülse, in der ein Polkern fest und ein eine Ventilspitze aufweisender Anker axial verlagerbar angeordnet sind, wobei zwischen dem Polkern und dem Anker eine Schraubenfeder wirkt, um die Ventilspitze in einen Ventilsitz zu drängen.
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Stand der Technik
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Magnetventile der eingangs genannten Art sind aus dem Stand der Technik bekannt. Sie umfassen eine Magnetaktorik, die eine bestrombare Magnetspule sowie einen Polkern umfasst und auf einen in der Ventilhülse axial verlagerbaren Anker wirkt. Der Anker weist dabei eine Ventilspitze auf, die im stromlosen Zustand des Magnetaktors gegen einen Ventilsitz gedrängt wird. Hierzu ist der Anker vorgespannt in der Ventilhülse gehalten. Üblicherweise wird zum Aufbringen der Vorspannung eine Schraubenfeder vorgesehen, die zwischen dem Polkern und dem Anker wirkt beziehungsweise vorgespannt gehalten ist. Die Schraubenfeder stützt sich dabei einendig an dem fest angeordneten Polkern und anderendig an dem verlagerbaren Anker ab. Üblicherweise weist der Anker eine Aussparung auf, in welcher die Schraubenfeder im Wesentlichen einliegt und geführt wird. Der über die Aussparung hinausgehende Teil der Schraubenfeder stützt sich an dem Polkern ab und erstreckt sich von der dem Polkern zugewandten Stirnseite des Ankers bis zu der dem Anker zugewandten Stirnseite des Polkerns, deren Abstand zueinander im stromlosen Zustand den sogenannten Arbeitsluftspalt bildet. Dieser Arbeitsluftspalt bestimmt den maximal möglichen Verlagerweg des Ankers.
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Offenbarung der Erfindung
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Das erfindungsgemäße Magnetventil zeichnet sich dadurch aus, dass der Polkern eine Axialaussparung aufweist, in welcher die Schraubenfeder zumindest bereichsweise aufgenommen ist. Im Unterschied zum Stand der Technik ist hierbei die Schraubenfeder also in dem Polkern angeordnet und wird durch diesen geführt. Hierdurch wird insbesondere der Vorteil erreicht, dass der Wirkbereich des Ankers, der durch die Magnetkraft des Magnetaktors beaufschlagbar ist, größer ausfällt. Darüber hinaus entfällt auch ein üblicherweise im Anker verlagerbar angeordnetes Druckstück, das zwischen der Schraubenfeder und dem Polkern wirkt. Insgesamt wird somit ein Magnetventil geboten, das einen größeren magnetischen Wirkbereich aufweist, dabei einfach gestaltet und leicht montierbar ist.
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Bevorzugt weist die dem Polkern zugewandte Stirnfläche des Ankers eine kleine Vertiefung auf, die zum Ausrichten und Stützen der Schraubenfeder dient. Besonders bevorzugt ist die dem Polkern zugewandte Stirnfläche des Ankers jedoch geschlossen ausgebildet, um den magnetischen Wirkbereich zu optimieren. Die in dem Polkern vorgesehene Axialaussparung reicht zum Stützen und Führen der Schraubenfeder aus. Bevorzugt befindet sich der größte Teil der Schraubenfeder in dem Polkern, sodass die Schraubenfeder im Wesentlichen von der Axialaussparung aufgenommen ist.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass zwischen dem Anker und der Schraubenfeder eine Scheibenfeder zwischengeschaltet ist. Üblicherweise nimmt die Magnetkraft mit kleiner werdendem Arbeitsluftspalt stark zu. Dieser ansteigende Magnetkraftverlauf erschwert die stetige Stellbarkeit (Proportionalisierung) des Magnetventils in Bezug auf die Bestromung der Magnetspulen und der eingestellten Druckdifferenz über den Ventilsitz. Die hier beanspruchte Kombination aus Schraubenfeder und Scheibenfeder wird zum Erreichen einer optimalen Federkennlinie genutzt. Vorzugsweise sind die Schraubenfeder und die Scheibenfeder dabei parallel zueinander geschaltet, wobei bevorzugt die minimale Vorspannkraft zum Drängen der Ventilspitze in den Ventilsitz durch die Schraubenfeder gewährleistet wird. Die Scheibenfeder ist im stromlosen Zustand lediglich zwischengeschaltet, jedoch nicht verspannt. Wird das Magnetventil betätigt beziehungsweise werden die Magnetspulen bestromt, bewegt sich der Anker mitsamt der Scheibenfeder gegen die Schraubenfeder, bis die Scheibenfeder in Wirkkontakt mit dem Polkern gelangt und ab da ebenfalls eine Federkraft bereitstellt beziehungsweise erzeugt. Die Scheibenfeder weist vorzugsweise einen progressiven Kennlinienverlauf auf.
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Insbesondere ist vorgesehen, dass die dem Polkern zugewandte Stirnfläche des Ankers zumindest im Wesentlichen konvex und die dem Anker zugewandte Stirnfläche des Polkerns zumindest im Wesentlichen konkav ausgebildet ist. Dies hat zur Folge, dass die Scheibenfeder an dem Anker im Wesentlichen mittig anliegt, wodurch ein kurzer Kraftübertragungsweg auf die Schraubenfeder möglich ist. Darüber hinaus wird die Scheibenfeder bei Betätigung des Magnetventils mit ihrem Außenrandbereich von dem Außenrandbereich des Polkerns beaufschlagt, wodurch eine maximale Ausnutzung der Scheibenfeder von der Mitte des Ankers zu dem Außenrandbereich des Polkerns gewährleistet wird. Der Anker kann bei Betätigung des Magnetventils mit seiner konvex ausgebildeten Stirnfläche zumindest bereichsweise in die konkav ausgebildete Stirnfläche des Polkerns eintauchen.
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Vorzugsweise ist in der Axialaussparung des Polkerns mindestens ein Federanschlagelement zum Einstellen der Federkraft der Schraubenfeder angeordnet. Das Federanschlagelement lässt sich an gewünschter Position in der Axialaussparung positionieren, um den polkernseitigen Anschlag beziehungsweise Anlagepunkt der Schraubenfeder und damit die minimale Vorspannkraft der Schraubenfeder zu bestimmen.
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Vorzugsweise ist das Federanschlagelement kraftschlüssig in der Axialaussparung angeordnet. So kann das Federanschlagelement bis zu einem gewünschten Punkt in die Aussparung hineingepresst werden. Hierdurch wird eine einfache Möglichkeit geboten, die Federkraft bei der Montage des Magnetventils einzustellen. Alternativ ist es auch denkbar, das Federanschlagelement form- und/oder stoffschlüssig in der Axialaussparung anzuordnen.
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Nach einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass das Federanschlagelement als Kugel oder als Hülse ausgebildet ist. Die Kugel weist vorteilhafterweise einen Durchmesser auf, der den Durchmesser der Axialaufnahme übersteigt, sodass eine Presspassung erzeugt wird. Die Kugel wird dann, wie oben beschrieben, bis zu einer gewünschten Stelle in die Axialaussparung hineingepresst. Die Schraubenfeder wird dabei aufgrund der Form der Kugel und des die Schraubenfeder bildenden Drahts, der vorzugsweise einen kreisförmigen Querschnitt aufweist, automatisch in der Axialaussparung zentriert. Alternativ zu der Kugel ist es auch denkbar, einen Zylinder in die Axialaussparung einzupressen.
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Weiterhin ist bevorzugt vorgesehen, dass zu der Schraubenfeder eine weitere Schraubenfeder zusätzlich oder alternativ zu der oben beschriebenen Scheibenfeder parallel geschaltet ist. Somit sind zumindest zwei parallel geschaltete Schraubenfedern vorgesehen, von denen die eine Schraubenfeder im Wesentlichen im Polkern angeordnet ist. Die weitere Schraubenfeder bietet gegenüber der Scheibenfeder den Vorteil, dass sich ihre auf das Magnetventil auswirkende Federkraft leichter und genauer einstellen lässt.
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Vorzugsweise ist die weitere Schraubenfeder in einer in dem Anker ausgebildeten Axialaussparung angeordnet, wobei bevorzugt in der Aussparung ein von der weiteren Schraubenfeder gegen den Polkern gedrängtes Druckstück axial verlagerbar angeordnet ist. Es ist also vorgesehen, dass in der Axialaussparung die weitere Schraubenfeder zwischen dem Druckstück und dem Anker vorgespannt gehalten ist. Das Druckstück weist dazu einen über die dem Polkern zugewandte Stirnfläche des Ankers hinausragenden Abschnitt auf, der sich direkt oder indirekt an dem Polkern abstützt. Dadurch wird eine weitere Federkraft bereitgestellt, die die Ventilspitze des Ankers gegen den Ventilsitz drängt. Vorzugsweise ist die Axialaussparung als durchgehende Axialaussparung ausgebildet, wobei ein Ende durch das Druckstück und das gegenüberliegende Ende durch ein die Ventilspitze bildendes Einpressteil verschlossen werden. In Abhängigkeit von der Eindringtiefe des Einpressteils in die Axialaussparung kann die Vorspannkraft der weiteren Schraubenfeder zwischen dem Druckstück und dem Einpressteil eingestellt werden. Durch die kraftschlüssige Verbindung des Einpressteils mit dem Anker wird dann die Schraubenfederkraft über den Anker auf das Einpressteil übertragen beziehungsweise, wenn das Magnetventil aktiviert beziehungsweise bestromt wird, wird das Einpressteil mitsamt der Ventilspitze durch den Anker in Richtung des Polkerns von dem Ventilsitz zurückgezogen. Ist die optionale Scheibenfeder zusätzlich vorgesehen, so ist diese zwischen dem Druckstück und der Schraubenfeder verspannt gehalten und wirkt, wie oben beschrieben, mit dem Anker und dem Polkern bei Betätigung des Magnetventils zusammen.
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Vorzugsweise ist in der Axialaussparung des Polkerns ein durch die Schraubenfeder geführter und mit dem Druckstück zusammenwirkender Stift angeordnet. Über diesen Stift ist das Druckstück indirekt an dem Polkern abgestützt. Der Stift ist vorzugsweise in der den Federanschlag bildende Hülse oder in einem verjüngten Bereich der Axialaussparung des Polkerns vorzugsweise kraftschlüssig gehalten. Der Stift weist zweckmäßigerweise einen Außendurchmesser auf, der kleiner als der Innendurchmesser der Schraubenfeder ist, sodass er reibungsfrei durch die Schraubenfeder geführt ist, beziehungsweise die Schraubenfeder reibungsfrei bezüglich des Stifts verformbar ist.
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Im Folgenden soll die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert werden. Dazu zeigen
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1 ein erstes Ausführungsbeispiel eines Magnetventils in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung,
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2 einen Kennlinienverlauf des Magnetventils,
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3 ein zweites Ausführungsbeispiel des Magnetventils mit einer weiteren Schraubenfeder,
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4 ein drittes Ausführungsbeispiel des Magnetventils in einer Längsschnittdarstellung und
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5 ein viertes Ausführungsbeispiel des Magnetventils in einer Längsschnittdarstellung.
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1 zeigt in einer vereinfachten Längsschnittdarstellung ein Magnetventil 1, wie es insbesondere für Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, beispielsweise für ABS- und/oder ESP-Bremsanlagen vorgesehen wird. Das Magnetventil 1 weist eine Ventilhülse 2 auf, in welcher ein Polkern 3 eines hier nicht näher dargestellten Magnetaktors fest angeordnet ist. Weiterhin ist in der Ventilhülse 2 ein Anker 4 axial verlagerbar angeordnet. An dem dem Polkern 3 gegenüberliegenden Ende der Ventilhülse 2 ist ein Ventilkörper 5 gehalten. Der Ventilkörper 5 weist einen eine Ventilöffnung umgebenden Ventilsitz 6 auf. Der Anker 4 weist an seinem dem Ventilkörper 5 zugewandten. Ende eine Axialaussparung 7 auf, in welcher ein Einpressteil 8 kraftschlüssig gehalten ist, wobei das Einpressteil 8 eine Ventilspitze 9 bildet, welche mit dem Ventilsitz 6 im unbestromten Zustand des Magnetventils 1 dichtend zusammenwirkt.
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Dabei ist eine Schraubenfeder 10 vorgesehen, die zwischen dem Polkern 3 und dem Anker 4 wirkt, um die Ventilspitze 9 in den Ventilsitz 6 zu drängen. Die Schraubenfeder 10 ist dabei im Wesentlichen in einer Axialaussparung 11 angeordnet, die die Schraubenfeder 10 führt und zumindest zu dem Anker 4 hin offen ausgebildet ist, sodass die Schraubenfeder 10 sich über den Polkern 3 hinaus erstreckt und den Anker 4 mit einer Vorspannkraft beaufschlagt. Um die Vorspannkraft einzustellen, ist in der Axialaussparung 11 ein Federanschlagelement 12, das im vorliegenden Fall als Kugel 13 ausgebildet ist, kraftschlüssig gehalten. Bei der Montage des Magnetventils 1 wird durch die Einpresstiefe der Kugel 13 in der Axialaussparung 11 die minimal auf die Ventilspitze 9 wirkende Federkraft der Schraubenfeder 10 bestimmt. Die Schraubenfeder 10 wird dabei durch die Kugel 13 automatisch in der Axialaussparung 11 zentriert. Zur Einstellung der Federkraft kann dabei bei der Montage ein Stößel durch den freien Innenraum der Schraubenfeder 10 geführt werden, mittels dessen die Kugel 13 in die Axialaussparung 11 eingeschoben wird, wie durch einen Pfeil 14 angedeutet. Bei der Einstellung der Federkraft wird die Stirnfläche 17 als Referenzfläche zur Federeinstellung berücksichtigt. Beim Einstellen des Magnetventils 1 wird die Federkraft am Ventilsitz 6 gemessen und der Polkern 3 so lange in die Ventilhülse 2 eingedrückt, bis die erforderliche Federkraft erreicht ist. Die Einstellkraft der Schraubenfeder 10 ist dabei etwas geringer als die Einstellkraft des gesamten Magnetventils 1. Dadurch wird erreicht, dass nach dem Einstellen des Magnetventils 1 die Scheibenfeder 15 entsprechend des Kraftunterschieds zwischen der eingestellten Federkraft der Schraubenfeder 10 und der Gesamtfederkraft des Magnetventils 1 immer vorgespannt ist, was eine bessere Dauerhaltbarkeit der Scheibenfeder 15 zur Folge hat.
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Zwischen der Schraubenfeder 10 und dem Anker 4 ist weiterhin eine optionale Scheibenfeder 15 angeordnet. Der Anker 4 weist eine dem Polkern 3 zugewandte Stirnfläche 16 auf, die konvex ausgebildet ist, sodass die im unbelasteten Zustand eben ausgebildete Scheibenfeder 15 lediglich mittig auf der Stirnfläche 16 des Ankers 4 aufliegt. Die radiale beziehungsweise seitliche Führung der Scheibenfeder 15 kann dabei beispielsweise durch die Ventilhülse 2 gewährleistet werden.
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Der Polkern 3 weist eine dem Anker 4 zugewandte Stirnfläche 17 auf, die konkav ausgebildet ist und lediglich durch die Axialaussparung 11 unterbrochen wird. Vorzugsweise verlaufen die Stirnfläche 16 und die Stirnfläche 17 parallel zueinander. Die Schraubenfeder 10 steht über die Stirnfläche 17 zumindest im Bereich nahe zu der Axialaussparung 11 hervor, sodass der Anker 4 vorgespannt in Richtung des Ventilsitzes 6 gehalten ist, wodurch ein Arbeitsluftspalt ALS zwischen dem Anker 4 und dem Polkern 3 gewährleistet wird. Der Arbeitsluftspalt ALS des Magnetventils 1 ergibt sich aus der Stellung von Anker 4 und Polkern 3 nach dem Einstellen des Magnetventils und des dann noch möglichen Federwegs bis zum Anschlag des Ankers 4 an dem Polkern 3. Vorzugsweise ist der Arbeitsluftspalt ALS derart groß gewählt, dass die Scheibenfeder 15 im nicht-betätigten Zustand des Magnetventils 3 eben ausgerichtet ist.
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Wird das Magnetventil 1 betätigt, also bestromt, so übt der Polkern 3 eine Magnetkraft auf den Anker 4 derart aus, dass der Anker in Richtung des Pfeils 14 gegen den Polkern gezogen wird. Zunächst wird dabei nur die Schraubenfeder 10 elastisch verformt, bis die Scheibenfeder 15 mit ihrem Außenrandbereich an den Außenrandbereich der Stirnfläche 17 des Polkerns 3 trifft. Ab diesem Zeitpunkt wirken die Schraubenfeder 10 und die Scheibenfeder 15 parallel, wie mit Bezug auf 2 verdeutlicht wird.
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2 zeigt in einem Diagramm die Federkraft F in Abhängigkeit von der Größe des Arbeitsluftspalts ALS. In das Diagramm ist die Federkraftkennlinie K sowie die Magnetkraftkennlinie M eingezeichnet, die beide abhängig von dem Arbeitsluftspalt ALS sind. Es ist dabei ein deutlicher Unterschied der Federkennlinie K zwischen dem ersten Kennlinienbereich 1, in welchem lediglich die Schraubenfeder 10 wirkt, und dem zweiten Kennlinienbereich II, in welchem die Schraubenfeder 10 und die Scheibenfeder 15 parallel wirken, zu erkennen.
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Durch den Entfall des sonst üblicherweise vorgesehenen Druckstücks und der entsprechenden Schraubenfeder im Anker 4 kann die Auflagefläche des Ankers 4 an der Scheibenfeder 15 im Durchmesser reduziert werden. Dadurch wird der zur Verfügung stehende Federarm der Scheibenfeder 15 vergrößert, was zu einer besseren Ausnutzung der Hubspannung in der Scheibenfeder 15 führt. Optional kann die Scheibenfeder 15 als weiche Scheibenfeder ausgebildet sein, wodurch die gesamte Federkennlinie K kaum beeinflusst wird. Dadurch besteht jedoch die Möglichkeit, die Spannung in der Scheibenfeder 15 zu reduzieren und damit eine dauerfeste Scheibenfeder 15 auszulegen.
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Eine weitere Möglichkeit zur Reduzierung der Spannung in der Scheibenfeder 15 ist es, wie oben beschrieben den Gesamthub des Magnetventils 1 so aufzuteilen, dass der erste Teil des Hubs über die Schraubenfeder 10 aufgenommen wird, und der zweite Teil des Hubs über die Schraubenfeder-Scheibenfeder-Kombination.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel ist in 3 dargestellt. Im Unterscheid zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel weist das Magnetventil 1 eine weitere Schraubenfeder 18 auf. Die weitere Schraubenfeder 18 ist in der Axialaussparung 7 des Ankers 4 angeordnet, die sich gemäß diesem Ausführungsbeispiel durch den gesamten Anker 4 erstreckt. Ebenfalls ist in der Axialaussparung 7 ein axial verlagerbares Druckstück 20 derart angeordnet, dass die Schraubenfeder 18 zwischen dem Druckstück 20 und dem Einpressteil 8 vorgespannt gehalten ist. Das Druckstück 20 durchdringt die Stirnfläche 16 des Ankers 4, sodass die Scheibenfeder 15 zwischen dem Druckstück 20 und der Schraubenfeder 10 gehalten ist. Das Druckstück 20 ist dabei maximal bis zu einem Axialanschlag 24 der Axialaussparung 7 durch die Schraubenfeder 18 verlagerbar.
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Die Abstimmung der Federkräfte wird dabei vorzugsweise derart vorgenommen, dass circa die Hälfte des Hubs über die Schraubenfeder 18 aufgenommen wird. Die Schraubenfeder 18 stützt sich letztendlich an der Scheibenfeder 15 ab. Da der C-Wert (Federsteifigkeit) des Federpakets aus Schraubenfeder 10 und Scheibenfeder 15 größer ist als der C-Wert der Schraubenfeder 18, wird sich bei der Betätigung des Magnetventils entsprechend der Aufteilung der Federsteifigkeiten auch das Federpaket aus Schraubenfeder 10 und Scheibenfeder 15 etwas mitbewegen. Dadurch ergibt sich ein weicher Übergang zwischen dem linearen ersten Kennlinienbereich I und dem progressiven Kennlinienbereich II der Kennlinie K aus 2. Sobald die Schraubenfeder 18 überbrückt ist, wenn also der Anker 4 mit seiner Stirnfläche 16 direkt an der Scheibenfeder 15 anliegt, wirkt nur noch das progressive Federpaket aus Schraubenfeder 10 und Scheibenfeder 15. Somit ist es auch mit dem Magnetventil 1 gemäß dem zweiten Ausführungsbeispiel möglich, ein stabil regelbares Magnetventil 1 zu gewährleisten.
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4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magnetventils 1. Aus den vorhergehenden Ausführungsbeispielen bekannte Elemente sind mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sodass insofern auf die oben stehende Beschreibung verwiesen wird. Im Unterschied zu dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel aus 3 sind vorliegend lediglich die Schraubenfedern 10 und 18, nicht jedoch die Scheibenfeder 15 vorgesehen. Allein durch das Vorsehen der zwei parallel geschalteten Schraubenfedern 10 und 18 lässt sich eine progressive Kennlinie des Magnetventils 1 einstellen.
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Anstelle der Kugel 13 ist als Fixierelement 12 eine Hülse 21 vorgesehen. Die Hülse 21 ist kraftschlüssig in der Axialaussparung 7 gehalten. In der Hülse 21 wiederum ist ein Stift 22 kraftschlüssig gehalten, dessen freies Ende mit dem freien Ende des Druckstücks 20 zusammenwirkt. Die Schraubenfeder 18 stützt sich somit über das Druckstück 20, den Stift 22 und die Hülse 21 an dem Polkern 3 ab.
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Zur Montage wird zunächst die Schraubenfeder 18 im Anker 4 auf eine definierte Federkraft eingestellt. Die Vorspannkraft der Schraubenfeder 10 im Polkern 3 wird über die Hülse 21 und/oder den Polkern 3 derart eingestellt, dass im montierten Zustand der Arbeitsluftspalt ALS gewährleistet ist. Der Stift 22 wird so weit in die Hülse 21 eingepresst, dass eine definierte Anlage des Druckstücks 20 an dem Stift 22 zum Einstellen der Federkennlinie des Magnetventils 1 erfolgt.
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5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Magnetventils 1, das sich von dem vorhergehenden Ausführungsbeispiel gemäß 4 dahingehend unterscheidet, dass der Stift 22 direkt in den Polkern 3, insbesondere in einem verjüngten Endbereich 23 der Axialaussparung 11 eingepresst ist. Durch Wegfall des Federanschlagelements 12 lässt sich hierdurch eine besonders einfache und kostengünstige Variante des Magnetventils 1 realisieren.
