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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetisch betätigbaren Aktuator gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
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Elektromagnetisch betätigbare Aktuatoren werden vielfältig eingesetzt, so auch in verstellbaren Dämpfventilen bei Schwingungsdämpfern. Insbesondere bei Schwingungsdämpfern besteht der Wunsch nach großen Verstellkräften in Verbindung mit kleinen Bauräumen und kleinen elektrischen Strömen. Dieser Widerspruch lies sich bisher nur schwer handhaben. Die
DE 10 2009 016 464 B3 zeigt einen elektromagnetisch betätigbaren Aktuator, mit dem ein Ventilkörper angesteuert wird. Der Aktuator umfasst eine Spule, in der eine magnetisch leitfähige Aktuatorhülse angeordnet ist. Innerhalb der Aktuatorhülse gleitet ein Anker, der, wie auch die Aktuatorhülse einen konstanten Durchmesser und damit einen Übertrittsquerschnitt für das Magnetfeld von der Aktuatorhülse auf den Anker aufweist. Eine Polebene, in der das Magnetfeld axial vom Anker auf einen Rückschlusskörper des Aktuators übertritt, weist einen Durchmesser auf, der vom konstanten Innendurchmesser der Aktuatorhülse und eines Isolators bestimmt wird.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, bei einem vorgegebenen Bauraum des Aktuators eine maximale Betätigungskraft zu erreichen.
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Die Aufgabe wird dadurch gelöst, indem die Aktuatorhülse für den Magnetfluss der Spule mindestens zwei funktional parallele Übertrittsbereiche mit unterschiedlichen Querschnitten zur Aufnahme des Ankers aufweist, der ein kompatibles Leitprofil zur Aktuatorhülse aufweist.
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Der Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die den Magnetfluss leitenden Querschnittsbereiche der Aktuatorhülse im Vergleich zum Stand der Technik besser ausgenutzt werden.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Polebene mindestens die Querschnittsgröße des größten Übertrittsbereichs der Aktuatorhülse aufweist. Durch die gestufte Kontur der Aktuatorhülse kann auch der Anker eine gestufte Kontur aufweisen, die eine Vergrößerung der Polebene ermöglicht. Je größer die Polebene dimensioniert sein kann, umso größer ist die erreichbare Magnetkraft.
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Um die Übertrittsbereiche bei vorgegebener Ankerlänge möglichst optimal auszunutzen, ist es vorteilhaft, wenn ein eingeschlossener Winkel an einer Stufe zwischen den mindestens zwei Übertrittsbereichen des Leitprofils des Ankers kleiner 90° beträgt.
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Gemäß einem vorteilhaften Unteranspruch ist die Wandstärke der Aktuatorhülse an den mindestens zwei Übertrittsbereichen unterschiedlich stark dimensioniert. In einem ersten Längenbereich, der mindestens der Länge des ersten Übertrittbereichs entspricht, ist die Wandstärke größer als im zweiten Längenbereich, der zumindest die Länge des zweiten Übertrittsbereichs aufweist. Im ersten Längenbereich muss der Magnetfluss für den ersten und den zweiten Überrittsbereich möglichst widerstandsarm durchgeleitet werden, im zweiten Längenabschnitt hingegen nur der Magnetfluss für den zweiten Übertrittsbereich. Da der Magnetfluss am zweiten Übertrittsbereich kleiner ist als im ersten Längenabschnitt, kann der Querschnitt des zweiten Längenabschnitts mit einer kleineren Wandstärke ausgeführt sein.
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Im Hinblick auf eine günstige Anordnung der Aktuatorhülse zur Spule weist eine zur Spule weisende Mantelfläche der Aktuatorhülse einen konstanten Durchmesser auf.
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Es zeigt:
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1 Schwingungsdämpfer mit einer Dämpfventileinrichtung
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2 Dämpfventileinrichtung mit einer Reihenanordnung von erstem Ventil und Notbetriebventil
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3 Darstellung des Magnetflusses am Anker
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In 1 weist ein Schwingungsdämpfer einen Zylinder 1 auf, in dem eine Kolbenstange 3 axial beweglich angeordnet ist. Eine Führungs- und Dichtungseinheit 7 führt die Kolbenstange 3 aus dem oberen Ende des Zylinders heraus. Innerhalb des Zylinders 1 ist an der Kolbenstange 3 eine Kolbeneinheit 9 mit einer Kolbenventilanordnung 11 befestigt. Das untere Ende des Zylinders 1 ist durch eine Bodenplatte 13 mit einer Bodenventilanordnung 15 abgeschlossen. Der Zylinder 1 wird von einem Behälterrohr 17 umhüllt. Das Behälterrohr 17 und ein Zwischenrohr 5 bilden einen Ringraum 19, der eine Ausgleichskammer darstellt. Der Raum innerhalb des Zylinders 1 ist durch die Kolbeneinheit 9 in eine erste Arbeitskammer 21a und eine zweite Arbeitskammer 21b unterteilt. Die Arbeitskammern 21a und 21b sind mit Dämpfflüssigkeit gefüllt. Die Ausgleichskammer 19 ist bis zu dem Niveau 19a mit Flüssigkeit und darüber mit Gas gefüllt. Innerhalb der Ausgleichskammer 19 ist eine erste Leitungsstrecke, nämlich eine Hochdruckteilstrecke 23, gebildet, welche über eine Bohrung 25 des Zylinders 1 mit der zweiten Arbeitskammer 21b in Verbindung steht. An diese Hochdruckteilstrecke schließt sich ein seitlich an dem Behälterrohr 17 angebautes verstellbare Dämpfventileinrichtung 27 an. Von dieser führt, nicht dargestellt, eine zweite Leitungsstrecke, nämlich eine Niederdruckteilstrecke 29, in die Ausgleichskammer 19.
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Fährt die Kolbenstange 3 aus dem Zylinder 1 nach oben aus, verkleinert sich die obere Arbeitskammer 21b. Es baut sich in der oberen Arbeitskammer 21b ein Überdruck auf, der sich nur durch die Kolbenventilanordnung 11 in die untere Arbeitskammer 21a abbauen kann, solange das verstellbare Dämpfventil 27 geschlossen ist. Wenn das verstellbare Dämpfventil 27 geöffnet ist, so fließt gleichzeitig Flüssigkeit von der oberen Arbeitskammer 21b durch die Hochdruckteilstrecke 23 und das verstellbare Dämpfventil 27 in die Ausgleichskammer 19. Die Dämpfcharakteristik des Schwingungsdämpfers beim Ausfahren der Kolbenstange 3 ist also davon abhängig, ob das verstellbare Dämpfventil 27 mehr oder weniger offen oder geschlossen ist.
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Wenn die Kolbenstange 3 in den Zylinder 1 einfährt, so bildet sich in der unteren Arbeitskammer 21a ein Überdruck. Flüssigkeit kann von der unteren Arbeitskammer 21a durch die Kolbenventilanordnung 11 nach oben in die obere Arbeitskammer 21b übergehen. Die durch das zunehmende Kolbenstangenvolumen innerhalb des Zylinders 1 verdrängte Flüssigkeit wird durch die Bodenventilanordnung 15 in die Ausgleichskammer 19 ausgetrieben. In der oberen Arbeitskammer 21b tritt, da der Durchflusswiderstand der Kolbenventilanordnung 11 geringer ist als der Durchflusswiderstand der Bodenventilanordnung 15, ebenfalls ein steigender Druck auf. Dieser steigende Druck kann bei geöffnetem Dämpfventil 27 durch die Hochdruckteilstrecke 23 wiederum in den Ausgleichsraum 19 überfließen. Dies bedeutet, dass bei geöffnetem Dämpfventil 27 der Stoßdämpfer auch beim Einfahren dann eine weichere Charakteristik hat, wenn das verstellbare Dämpfventil 27 geöffnet ist und eine härtere Charakteristik, wenn das Dämpfventil 27 geschlossen ist, genauso wie beim Ausfahren der Kolbenstange. Festzuhalten ist, dass die Strömungsrichtung durch die Hochdruckteilstrecke 23 des Bypasses immer die gleiche ist, unabhängig davon, ob die Kolbenstange ein- oder ausfährt.
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Die 2 zeigt die Dämpfventileinrichtung 27 in einem Gehäuse 31, das extern an dem Behälterrohr 17 oder innerhalb des Zylinders 1, z. B. an der Kolbenstange 3 befestigt ist. In dem Gehäuse 31 ist eine ringförmige Magnetspule 33 angeordnet. Eine Öffnung eines Gehäusedeckels 35 wird von einer Aktuatorhülse 37 mit einem Boden verschlossen. Zwischen einem Gehäuseunterteil 39 und der Aktuatorhülse 37 ist ein Isolator 41 gegen den Magnetfluss der Magnetspule 33 angeordnet.
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Innerhalb der Aktuatorhülse 37 ist ein Ventilanker 43 zusammen mit einem Ventilkörper 45 eines ersten Ventils 47 axial schwimmend gegen die Kraft eines beiderseits des Ventilankers 43 und damit auch des Ventilkörpers 45 wirksamen Federsatzes. Der Federsatz umfasst pro Seite mindestes eine Feder 49, die der Feder 51 auf der anderen Seite des Ventilankers 43 entgegengesetzt gerichtet wirkt. An dem Gehäuseunterteil 39 ist ein Magnetflusslenkungselement 53 fixiert, das nur einen kleinen Magnetflusswiderstand aufweist, also magnetisch gut leitfähig ist.
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Der Ventilkörper 45 des ersten Ventils 47 ist einerseits im Boden der Aktuatorhülse 37 und andererseits in dem Magnetflusslenkungselement 53 gelagert. Ein erster Federteller 55 für die mindestens eine Feder 51 wird von der Aktuatorhülse 37 gebildet. Ein zweiter Federteller 57 greift in eine Durchgangsöffnung 59 des Magnetflusslenkungselements 53 ein, durch die sich auch der Ventilkörper 45 des ersten Ventilelements 47 erstreckt. Der zweite Federteller 57 ist über die Durchgangsöffnung 59 zugänglich und bildet eine Presspassung. Dadurch wird es möglich, dass der zweite Federteller 59 bei schon montiertem Magnetflusslenkungselement 53 in Grenzen axial verschiebbar ist, um den Federsatz 49; 51 nachzuspannen. Etwaige Fertigungstoleranzen können durch das Nachspannen ausgeglichen werden.
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Axial in Reihe zum ersten Ventil 47 ist in dem Gehäuse 31 ein Notbetriebventil 61 angeordnet, wobei zwischen den beiden Ventilen 47; 61 das Magnetflusslenkungselement 53 angeordnet ist. Ein Ventilkörper 63 des Notbetriebventils 61 ist ringförmig ausgeführt und konzentrisch zum Ventilkörper 45 des ersten Ventils 47 angeordnet. Eine Vorspannfeder 65, die sich am Magnetflusslenkungselement 53 abstützt, spannt den Ventilkörper 63 des Notbetriebventils 61, das als Sitzventil ausgeführt ist, auf eine Ventilsitzfläche 67 des Gehäuses 85.
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Der Ventilkörper 45 des ersten Ventils 47 ist in seiner Bewegungsrichtung mehrteilig ausgeführt, wobei mindestens zwei Längenabschnitte 45a; 45b des Ventilkörpers 45 eine Winkelbewegung zueinander ausführen können. Der Längenabschnitt 45b ist innerhalb der Durchgangsöffnung 59 des Magnetflusslenkungselements 53 winkelbeweglich gelagert und wird stirnseitig von dem mit dem Ventilanker 43 verbundenen Längenabschnitt 45a bewegt.
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Der zweite Längenabschnitt 45b des ersten Ventils 47 wirkt auf eine Abflussöffnung 69 eines Steuerraums 71, eines vom ersten Ventil 47 gesteuerten Hauptstufenventils 73. Das Hauptventil 73 ist über einen Anschlussstutzen 75 mit einem Arbeitsraum 21a; 21b des Schwingungsdämpfers verbunden. Das Dämpfmedium übt auf einen Hauptstufenventilkörper 77 eine Abhubkraft aus, der eine Schließkraft des ersten Ventils 47 entgegenwirkt. Zusätzlich übt ein Druck des Dämpfmediums im Steuerraum 71, der über eine Verbindungsöffnung 79 im Hauptstufenventil 73 mit dem Anschlussstutzen 75 verbunden ist, eine Schließkraft auf den Hauptstufenventilkörper 77 aus. Je nach Zuhaltekraft des ersten Ventils 47 auf die Abflussöffnung 69 des Hauptstufenventils 73 hebt der Hauptstufenventilkörper 77 von seiner Ventilsitzfläche ab, so dass das Dämpfmedium über den Ventilsitz radial in einen Ausgleichsraum 19 oder einen Arbeitsraum des Schwingungsdämpfers abfließen kann.
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Die Zuhaltekraft des ersten Ventils 47 wird von der Bestromung durch die Magnetspule 33 bestimmt. Eine große Bestromung führt zu einer großen Zuhaltekraft und im stromlosen Zustand liegt die minimale Zuhaltekraft an. Das Dämpfmedium kann insbesondere bei geringster Bestromung in einen Zwischenraum 81 des Gehäuses 31 fließen, der sich zwischen einer Unterseite des Magnetflusslenkungselements 53 und einer Oberseite einer Zwischenwand 83 des Gehäuses 85 zum Hauptstufenventil 73 erstreckt. Der Abfluss aus diesem Zwischenraum wird von dem Notbetriebventil 61 und ggf. von einem Überdruckventil 87 bestimmt. Im stromlosen Zustand wird das Notbetriebventil 61 von der Vorspannfeder 65 in einer Schließposition auf der Ventilsitzfläche 67 gehalten.
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Bezogen auf den Strömungsweg des Dämpfmediums ausgehend vom Anschlussstutzen 75 liegen das erste Ventil 47 und das Notbetriebventil 61 in Reihe.
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Bei einer geringen Bestromung stellt sich ein Magnetfluss ein, der sich vom Gehäuseunterteil 39 radial in den Ventilkörper 63 des Notbetriebventils 61 fortsetzt. Zwischen einer Kante 89 des Ventilkörpers 63 und dem Magnetflusslenkungselements 53 liegt ein kleinerer Widerstand vor als zwischen der Ventilsitzfläche 67 und dem Ventilkörper 63, so dass der Magnetfluss eine Abhubkraft auf den Ventilkörper 63 in Richtung des Magnetflusslenkungselements 53 ausübt. Der Magnetfluss setzt sich über den im Ventilanker 43 befindlichen Längenabschnitt des Ventilkörpers 45a des ersten Ventils auf den Ventilanker und auf die Aktuatorhülse 37 fort. Der geringe Strom reicht noch nicht aus, den ersten Ventilkörper 45 des ersten Ventils 47 bedeutsam in Richtung der Abflussöffnung 69 zu bewegen. Erst mit größerer Bestromung wird der von dem Federsatz 49, 51 eingestellte Luftspalt zwischen dem Ventilanker 43 und der Oberseite des Magnetflusslenkungselements 53 überwunden. Bei geöffnetem Notbetriebsventil 61 sinkt nochmals der magnetische Widerstand beim Übergang von dem Gehäuseunterteil 39 über den Ventilkörper 63 des Notbetriebventils 61 auf das Magnetflusslenkungselements 53, da die radiale Überdeckung zwischen einem umlaufenden Steg 91 des Ventilkörpers 63 des Notbetriebventils 61 und einem Absatz 93 am Magnetflusslenkungselements 53 mit der Abhubbewegung des Notbetriebventil 61 zunimmt.
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Bei stromloser Magnetspule 33 und geschlossenem Notbetriebventil 61 steht das Überdruckventil 87 zur Verfügung, das den Dämpfmediumabfluss aus dem Zwischenraum 81 in einen Arbeitsraum 21a; b oder Ausgleichsraum 19 ermöglicht und damit eine Überlastung des gesamten Schwingungsdämpfers verhindert.
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Die 3 zeigt einen Ausschnitt der Dämpfventileinrichtung im Bereich des Ankers 43. Die Aktuatorhülse 37 weist für den Magnetfluss der Spule 33 mindestens zwei funktional parallele Übertrittsbereiche 95; 97 mit unterschiedlichen Querschnitten zur Aufnahme des Ankers 43 auf, der ein kompatibles Leitprofil 99; 101 zur Aktuatorhülse 37 aufweist. Zum besseren Verständnis ist der Magnetfluss in gestrichelte Linien eingezeichnet. Der Begriff „parallel” ist dahingehend zu verstehen, dass zwei Übertrittsbereiche zur Verfügung stehen und der Magnetfluss teilweise über den ersten Übertrittsbereich und teilweise über den zweiten Übertrittsbereich geführt wird.
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Eine zur Spule weisende Mantelfläche 103 der Aktuatorhülse 37 weist dabei einen konstanten Durchmesser auf, so dass im Vergleich zum Stand der Technik keine Änderungen an der Spule 33 oder an deren Bauraumbedarf bestehen.
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Die Wandstärke und damit die Querschnittsfläche der Aktuatorhülse 37 ist an den mindestens zwei Übertrittsbereichen 95; 97 unterschiedlich ausgeführt. In einem Längenabschnitt, der mindestens der Länge des ersten Leitprofils 99 entspricht, ist die Wandstärke größer, da, wie die Magnetflussdarstellung zeigt, ein größerer Magnetfluss durch diesen Längenbereich geleitet werden muss. Je größer die Wandstärke dimensioniert sein kann, umso geringer ist der Leitungswiderstand.
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Eine Polebene 105 jedoch weist mindestens die radiale Erstreckung des größten Übertrittsbereichs 101 der Aktuatorhülse 37 auf. Dabei stellt die Polebene 105 den axialen Übertrittsbereich des Magnetflusses zwischen dem Anker 43 und dem aktuatorseitigen Rückschlusskörper, in diesem Fall des Magnetflusslenkungselements 53, dar. Die Polebene 105 muss nicht aus einer einzelnen planen Fläche bestehen, sondern kann, wie in diesem Fall, auch gestuft ausgeführt sein.
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In der linken Schnitthälfte der 3 beträgt ein zwischen den Übertrittsbereich eingeschlossener Winkel α an einer Stufe exakt 90°. Diese Bauform lässt sich besonders leicht herstellen. Eine bessere Ausnutzung der zur Verfügung stehenden Baulänge des Ankers 43 kann man erreichen, wenn, wie in der rechten Schnitthälfte dargestellt, der eingeschlossener Winkel α an der Stufe zwischen den mindestens zwei Übertrittsbereichen des Leitprofils 99; 101 des Ankers 43 kleiner 90° beträgt. Man erreicht eine größere axiale Überdeckung zwischen dem Anker 43 und der Aktuatorhülse 37. Aus anderen Gründen, wie z. B. der sicheren Entlüftung des Systems, kann auch ein Winkel größer 90° sinnvoll sein.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Zylinder
- 3
- Kolbenstange
- 5
- Zwischenrohr
- 7
- Führungs- Dichtungseinheit
- 9
- Kolbeneinheit
- 11
- Kolbenventilanordnung
- 13
- Bodenplatte
- 15
- Bodenventilanordnung
- 17
- Behälterrohr
- 19
- Ringraum
- 21a; 21b
- Arbeitskammern
- 23
- Hockdruckteilstrecke
- 25
- Bohrung
- 27
- Dämpfventileinrichtung
- 29
- Niederdruckteilstrecke
- 31
- Gehäuse
- 33
- Magnetspule
- 35
- Gehäusedeckel
- 37
- Aktuatorhülse
- 39
- Gehäuseunterteil
- 41
- Isolator
- 43
- Ventilanker
- 45
- Ventilkörper
- 47
- erstes Ventil
- 49, 51
- Feder
- 53
- Magnetflusslenkungselement
- 55
- erster Federteller
- 57
- zweiter Federteller
- 59
- Durchgangsöffnung
- 61
- Notbetriebventil
- 63
- Ventilkörper
- 65
- Vorspannfeder
- 67
- Ventilsitzfläche
- 45a, b
- Längenabschnitte des ersten Ventils
- 69
- Abflussöffnung
- 71
- Steuerraum
- 73
- Hauptstufenventil
- 75
- Anschlussstutzen
- 77
- Hauptstufenventilkörper
- 79
- Verbindungsöffnung
- 81
- Zwischenraum
- 83
- Zwischenwand
- 85
- Gehäuse
- 87
- Überdruckventil
- 89
- Kante
- 91
- Steg
- 93
- Absatz
- 95; 97
- Übertrittsbereich
- 99; 101
- Leitprofil
- 103
- Mantelfläche
- 105
- Polebene
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009016464 B3 [0002]
