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Die vorliegende Erfindung betrifft ein elektromagnetisch betätigtes Sitzventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie es beispielsweise in Kraftfahrzeugluftfedersystemen Anwendung findet.
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Ein solches Ventil besteht im wesentlichen aus einer elektrisch bestrombaren Spule und einem dazugehörigen Eisenkreis, in welchem bei elektrischer Bestromung der Spule ein Magnetfeld induziert wird. Der Eisenkreis umfasst ein beweglich gelagertes Bauteil, den Magnetanker, und ein vom Magnetanker geringfügig beabstandetes ortsfestes Bauteil, das Polteil. Der Abstand zwischen Magnetanker und Polteil wird als Arbeitsluftspalt bezeichnet. Bei Fließen eines ausreichend großen elektrischen Stromes durch die Spule führt der Magnetanker in Folge des induzierten Magnetfeldes eine Relativbewegung über den Arbeitsluftspalt in Richtung auf das Polteil durch. Diese Relativbewegung wird genutzt, um direkt oder über angekoppelte Bauteile Durchflussquerschnitte im Ventil zu sperren oder freizugeben, d. h. zwischen zwei Zuständen ”geöffnet” und ”geschlossen” zu schalten. Zum Sperren dient typischerweise eine elastische Dichtung, insbesondere ein Elastomerdichtelement, welches beim Sperren des Durchflussquerschnitts auf einen gegenüberliegenden Dichtsitz drückt und beim Freigeben des Durchflussquerschnitts von diesem wieder abhebt. Um ein magnetisches Kleben des Magnetankers am Polteil zu vermeiden, wenn das Elastomerdichtelement am Dichtsitz anliegt, verbleibt zwischen dem Magnetanker und dem Polteil ein Restluftspalt, der sogenannte ”Remanenzspalt”
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Aus der
DE 10 2008 034 759 A1 ist ein elektromagnetisch betätigtes Sitzventil bekannt, bei dem der Magnetanker über ein Kraftübertragungselement, an dem das Dichtelement sitzt, entkoppelt ist. Beim Schließen des Ventils trifft zuerst das Dichtelement auf den Dichtsitz. Der Magnetanker bewegt sich dann ein Stück weiter und trifft auf einen gedämpften Anschlag. Die Schließposition wird durch den durch das Dichtelement und den Dichtsitz gebildeten Anschlag definiert.
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Bei den bekannten Ventilen wird eine erste, neutrale Schaltstellung des Dichtelements durch eine mechanische Kraftkomponente im Ventil sichergestellt. Dazu dient in der Regel ein Federelement. In die zweite Schaltstellung wird das Dichtelement in Folge der permanenten Bestromung der Spule durch die Magnetkraft geschaltet, wobei die Magnetkraft entgegen der mechanischen Kraftkomponente bzw. entgegen der Federkraft wirkt und diese überwindet. Das Anliegen des Dichtelements am Dichtsitz definiert den Hubanschlag und damit gleichzeitig die Endlage für die bewegte Baugruppe in der zweiten Schaltstellung. Die bewegte Baugruppe umfasst den Magnetanker und die daran angekoppelten Bauteile einschließlich dem Dichtelement. Sobald die elektrische Bestromung der Spule aufgehoben wird, bewirkt die Federkraft eine Rückstellung des Dichtelements in die erste Schaltstellung.
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Derartige Ventile werden in Luftfedersystemen von Kraftfahrzeugen in verschiedener Weise und für verschiedene Funktionen angewendet. Es existieren beispielsweise Ventile zum Befüllen und Entleeren der Luftfederbälge, Ventile zum Zuschalten oder Sperren von Speichern im System, sowie Ventile, über welche die Balgvolumen mit Zusatzvolumen bei Bedarf verbunden werden können.
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Als problematisch an Ventilanordnungen mit derartigen elektromagnetisch betätigten Sitzventilen stellt sich dar, dass die Spule in der Regel mit einem sogenannten PWM-Signal angesteuert wird. Dabei handelt es sich um ein getaktetes Gleichspannungssignal (AN-AUS-Takt). Infolge dieser Taktung pulsiert das durch die Spule induzierte Magnetfeld und damit die Magnetkraft des Ventils. Die Elastizität des als Dichtelement wirkenden Elastomers, welches den Dichtsitz verschließt, sorgt dafür, dass ein schwingfähiges System entsteht, welches durch die Pulsation der Magnetkraft in Folge des PWM-Ansteuersignals die bewegliche Ankerbaugruppe in Schwingung versetzt. Diese Schwingungen sind als das sogenannte ”PWM-Geräusch” hörbar.
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Da dieses PWM-Geräusch bei bekannten Ventilen grundsätzlich immer existent ist, wird mit aufwendigen Gegenmaßnahmen versucht, dem entgegenzuwirken. Solche Gegenmaßnahmen umfassen beispielsweise elektronische Glättungsglieder, welche das PWM-Signal abschwächen, oder eine mechanische Entkopplung des Schaltventils von umgebenden Bauteilen, um die Übertragung von Schwingungen zu unterbinden.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein elektromagnetisch betätigtes Sitzventil der vorgenannten Bauweise derart weiterzubilden, insbesondere für den Einsatz in Luftfedersystemen von Kraftfahrzeugen, dass das PWM-Geräusch nicht auftritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein elektromagnetisch betätigtes Sitzventil mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. In davon abhängigen Ansprüchen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung angegeben.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung ist in dem Sitzventil ein zusätzlicher Anschlag für den Magnetanker vorgesehen, gegen den der Magnetanker mittelbar oder unmittelbar anliegt, solange sich das Dichtelement in der Schließposition befindet. Dadurch wird verhindert, dass der Magnetanker mit den daran gekoppelten Bauteilen zum Beispiel durch eine PWM-Ansteuerung der Spule in Schwingung geraten kann. Das Geräuschverhalten des Sitzventils wird auf diese Weise ohne einen nennenswerten Teilekostenmehraufwand verbessert.
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Allerdings ist eine sehr genaue Justage notwendig, weil die Dichtigkeit des Ventils in der Schließposition des Dichtelements von der Anpresskraft abhängt, mit welcher das Dichtelement gegen den Dichtsitz gepresst wird. Wie zuvor ausgeführt, umfasst das Dichtelement (oder gegebenenfalls der Dichtsitz oder gegebenenfalls sowohl das Dichtelement als auch der Dichtsitz) ein elastisches Material, vorzugsweise ein Elastomer. Über die Anpresskraft wird die Einpresstiefe des elastischen Dichtelements in den Dichtsitz eingestellt, und die Anpresskraft wird durch die Endlage des Magnetankers vorgegeben. Durch exakte Justage der Ankeranschlagposition lässt sich somit die Anpresskraft einstellen. Dabei ist zu berücksichtigen, dass die einjustierte Anpresskraft des Dichtelements auf dem Dichtsitz über die Lebensdauer des Sitzventils ausreichend sein muss, weil ein ”Nachstelleffekt” bei dieser bevorzugten Ausführungsform nicht vorhanden ist.
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Eine erste bevorzugte Weiterbildung des erfindungsgemäßen Sitzventils sieht daher vor, das Dichtelement mit dem Magnetanker elastisch zu koppeln. Wenn der Anker und das Dichtelement nicht mehr starr miteinander gekoppelt sind, ist es möglich, die Anpresskraft über die Lebensdauer des Sitzventils weitgehend unabhängig von einer Veränderung der Einpresstiefe zu gestalten. Dadurch lässt sich die Justagegenauigkeit, mit der die Anpresskraft des Dichtelements gegen den Dichtsitz eingestellt wird, reduzieren.
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Zur elastischen Kopplung des Dichtelements mit dem Magnetanker dienen vorzugsweise ein oder mehrere Federelemente. Dann bewegt sich beim Schließen des Sitzventils der Anker zunächst zusammen mit dem Dichtelement solange auf den Anschlag zu, bis das Dichtelement den Dichtsitz verschließt. Eine weitere Verlagerung des Magnetankers wird dann von dem Federelement aufgenommen, bis der Magnetanker letztlich am Anschlag zur Anlage kommt. Die resultierende Federkraft wirkt dann als Dichtkraft, mit dem das Dichtelement gegen den Dichtsitz gepresst wird: Die Einpresstiefe des Dichtelements im Dichtsitz wird somit durch die Federkraft vorgegeben. Die Federkraft wiederum lässt sich durch geeignete Wahl der Federsteifigkeit und des Ankerwegs in weiten Bereichen frei einstellen. Je größer der Ankerweg ist, desto unkritischer ist die Justage des Sitzventils. Die Dichtkraft ist dann über die Lebensdauer des Sitzventils weitgehend unabhängig von Justageungenauigkeiten. Besonders bevorzugt ist das Dichtelement mittels mindestens zwei einander entgegengesetzt wirkender Federelemente federmittenzentriert an den Magnetanker gekoppelt.
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Gemäß einer zweiten bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist eine Anschlagdämpfung vorgesehen, mit der der Aufschlag des Ankers gegen den Anschlag gedämpft wird. Eine solche Anschlagdämpfung kann in Form eines Elastomerteils realisiert sein. Das Elastomerteil kann beispielsweise auf der Stirnseite des Magnetankers und/oder auf der dem Magnetanker gegenüberliegenden Stirnseite des Polteils angeordnet sein, beispielsweise in Form eines oder mehrerer Elastomerringe. Statt eines Elastomers können auch andere elastische Materialien Verwendung finden. Alternativ oder zusätzlich zu dem Elastomerelement kann als Anschlagdämpfung auch ein andersartiger Dämpfungsmechanismus genutzt werden, beispielsweise eine Dämpfung mit Drosselfunktion. So kann der Magnetanker beispielsweise mit einer Rippe oder anderen Erhebung, beispielsweise auf der Magnetankerstirnseite, in eine entsprechende Vertiefung am Anschlag, beispielsweise an der dem Magnetanker gegenüberliegenden Stirnseite des Polteils, einfahren, so dass die aus der Vertiefung verdrängte und durch schmale Spalte entweichende Luft den Aufprall des Magnetankers gegen den Anschlag dämpft. Die Anschlagdämpfung trägt weiter zur Geräuschreduzierung beim Schalten des Sitzventils bei.
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Der Anschlag wird vorzugsweise durch das Polteil des Sitzventils gebildet, so dass keine zusätzlichen Teile notwendig sind. Weiter vorteilhaft ist es, wenn der Anschlag einen Vorsprung umfasst, der am Magnetanker oder am Polteil ausgebildet ist. Es können auch Vorsprünge sowohl am Magnetanker als auch am Polteil vorgesehen sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn dieser Anschlag auf der Stirnseite des Polteils oder des Magnetankers vorgesehen ist, weil dies einerseits herstellungstechnisch unkompliziert ist und andererseits sicherstellt, dass ein Remanenzluftspalt zwischen dem Magnetanker und dem Polteil in jedem Falle verbleibt. Der Vorsprung ist dann vorzugsweise als kreisförmige Rippe auf der Stirnseite des Magnetankers oder Polteils ausgebildet, um eine gleichmäßige Kraftübertragung zwischen Polteil und Magnetanker zu gewährleisten. Gleichzeitig ist dies in herstellungstechnischer Hinsicht ohne besonderen Teilekostenmehraufwand realisierbar.
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Ein derartiges Sitzventil kann in einer Ventilanordnung mittels eines PWM-Signals angesteuert werden, ohne dass der Magnetanker in Schwingung gerät. Es eignet sich daher besonders für den Einsatz in Luftfedersystemen, insbesondere Kraftfahrzeugluftfedersystemen.
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Nachfolgend wird die Erfindung beispielhaft anhand der begleitenden Zeichnungen erläutert. Darin zeigen:
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1 ein elektromagnetisch betätigtes Sitzventil gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung in geöffneter Schaltstellung;
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2 das Sitzventil aus 1 in geschlossener Schaltstellung;
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2A einen vergrößerten Ausschnitt aus 2;
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3 eine erste bevorzugte Weiterbildung des Sitzventils in geschlossener Schaltstellung;
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3A einen vergrößerten Ausschnitt aus 3;
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4 eine zweite bevorzugte Weiterbildung des Sitzventils in geschlossener Schaltstellung;
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4A einen vergrößerten Ausschnitt aus 4;
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5 eine kombinierte bevorzugte Weiterbildung des Sitzventils in geschlossener Schaltstellung; und
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5A einen vergrößerten Ausschnitt aus 5.
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1 zeigt ein elektromagnetisches Sitzventil 1 gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel. Das Sitzventil 1 besitzt eine Ventilöffnung 2 mit einem Dichtsitz 3, welches durch ein Dichtelement 4 verschließbar ist. Die Dichtfläche des Dichtelements 4 ist elastisch verformbar, um eine zuverlässige Abdichtung der Ventilöffnung 2 zu gewährleisten, und wird durch einen Elastomerwerkstoff gebildet. Das Dichtelement 4 sitzt am vorderen axialen Ende eines Stößels 5, der über eine Verbindungsstange 6 mit einem beweglichen Magnetanker 7 gekoppelt ist. Es ist prinzipiell denkbar, das Dichtelement 4 unmittelbar am Magnetanker 7 zu befestigen. Es ist sogar denkbar, dass der Elastomerwerkstoff auf der Seite des Dichtsitzes 3 angeordnet ist und das Dichtelement 4 ohne jegliche Elastizität durch ein axial vorderes Ende des Magnetankers 7 selbst gebildet wird. Im dargestellten Ausführungsbeispiel sitzt der Stößel 5 fest auf der Verbindungsstange 6, welche wiederum fest im Magnetanker 7 sitzt. Dadurch ergibt sich eine bewegliche Baugruppe bestehend aus Dichtelement 4, Stößel 5, Verbindungsstange 6 und Magnetanker 7.
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Der bewegliche Magnetanker 7 ist Teil eines Eisenkreises, dem auch ein ortsfestes Polteil 8 zugehört. Zwischen dem Magnetanker 7 und dem Polteil 8 liegt ein Arbeitsluftspalt 9, der es dem Magnetanker 7 ermöglicht, sich axial in Richtung auf das Polteil 8 zuzubewegen, wenn das Dichtelement 4 in seine Schließposition gebracht wird, die in 2 dargestellt ist.
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In der in 1 dargestellten geöffneten Schaltstellung des Ventils wird der Magnetanker 7 durch mechanische Belastung mittels eines Federelements 10 beabstandet zum Polteil 8 gehalten. Durch elektrische Bestromung einer den Magnetanker 7 und das Polteil 8 umgebenden Spule 11 wird ein den Magnetanker 7 und das Polteil 8 durchsetzender Magnetkreis in der Weise erzeugt, dass zwischen dem Polteil 8 und dem Magnetanker 7 eine magnetische Anziehungskraft wirkt, die der mechanischen Belastung des Federelements 10 entgegenwirkt und diese überwindet. Der Magnetanker 7 bewegt sich dann über den Arbeitsluftspalt 9 auf das Polteil 8 zu, so dass das Dichtelement 4 den Dichtsitz 3 verschließt.
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Anders als im Stand der Technik definiert aber nicht der Dichtsitz 3 den Hubanschlag. Der Hubanschlag wird stattdessen durch einen zusätzlichen Anschlag 12 für den Magnetanker 7 definiert. An diesem zusätzlichen Anschlag 12 liegt der Magnetanker 7 mittelbar oder unmittelbar an, wenn sich das Dichtelement 4 in der in 2 dargestellten Schließposition befindet. Durch geeignete Justage der Lage des Magnetankers 7 relativ zum Anschlag 12 lässt sich die Einpresstiefe des elastischen Dichtelements 4 auf dem Dichtsitz 3 und damit gleichzeitig die Dichtkraft einstellen.
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In dem in 2A vergrößert dargestellten Ausschnitt ist der Anschlag 12 deutlicher zu erkennen. Er ist hier als kreisförmige Rippe an der axialen, dem Magnetanker 7 zuweisenden Stirnfläche 13 des Polteils 8 ausgebildet. Gegen diese kreisförmige Rippe 12 schlägt der Magnetanker 7 an, wenn er sich aufgrund des induzierten Magnetfelds auf das Polteil 8 zubewegt. Die kreisförmige Rippe 12 definiert gleichzeitig einen Remanenzluftspalt 14, mit dem der Magnetanker 7 vom Polteil 8 auf Abstand gehalten wird, so dass ein magnetisches Kleben vom Magnetanker 7 am Polteil 8 verhindert wird. Dementsprechend ist die Kontaktfläche zwischen der kreisförmigen Rippe 12 und dem Magnetanker 7 möglichst klein auszubilden. Natürlich kann die kreisförmige Rippe 12 anstatt am Polteil 8 alternativ am Magnetanker 7 vorgesehen sein. Die Rippe muss auch nicht notwendiger Weise kreisförmig sein. Sie kann auch unterbrochen sein oder es können mehrere Rippen vorgesehen sein.
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Da der Hub des Dichtelements 4 durch den Anschlag 12 begrenzt wird und ein automatischer Nachstelleffekt über die Lebensdauer des Ventils nicht gegeben ist, muss bereits bei der Herstellung des Ventils eine exakte Justage vorgenommen werden, um sicherzustellen, dass das elastische Dichtelement 4 während der gesamten Lebensdauer des Ventils mit dem notwendige Anpressdruck auf dem Dichtsitz 3 aufsitzt.
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3 zeigt eine erste bevorzugte Weiterbildung des Sitzventils 1 aus den 1 und 2. 3A zeigt wieder einen vergrößerten Ausschnitt dieses Ventils, welches sich allein dadurch von dem zuvor beschriebenen Sitzventil unterscheidet, dass das Dichtelement 4 mit dem Magnetanker 7 über Federelemente 15A, 15B elastisch verbunden ist. Dadurch wird das Dichtelement 4 vom Magnetanker 7 mechanisch entkoppelt, und die Anpresskraft des Dichtelements 4 auf dem Dichtsitz 3 lässt sich weitgehend unabhängig von einer Veränderung der Einpresstiefe des Dichtelements 4 auf dem Dichtsitz 3 einstellen.
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Konkret ist der Stößel 5 mittels zweier Federelemente 15A, 15B federmittenzentriert auf der Verbindungsstange 6 gelagert, so dass der Stößel 5 mit dem Dichtelement 4 relativ zu dem mit der Verbindungsstange 6 fest verbundenen Magnetanker 7 axial beweglich ist. Bei einer axialen Verlagerung des Magnetankers 7 entgegen der mechanischen Belastung des Federelements 10 in Richtung auf das Polteil 8 trifft zunächst das Dichtelement 4 auf den Dichtsitz 3. Eine weitere Verlagerung des Magnetankers 7 führt zu einer Komprimierung des Federelements 15B und Dekomprimierung des Federelements 15A. Das Dichtelement 4 wird dann mit der daraus resultierenden Federkraft gegen den Dichtsitz 3 gepresst. Diese resultierende Federkraft steigt mit der weiteren Verlagerung des Magnetankers 7 in Richtung auf das Polteil 8 weiter an, bis der Magnetanker 7 am Anschlag 12 zur Anlage kommt. Geringfügige Änderungen, beispielsweise eine sich ändernde Einpresstiefe des Dichtelements 4 auf dem Dichtsitz 3, wirken sich auf die resultierende Federkraft nur geringfügig aus, so dass die Dichtkraft, mit der das Dichtelement 4 den Dichtsitz 3 verschließt, über die gesamte Lebensdauer des Ventils im wesentlichen konstant bleibt.
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4 zeigt eine zweite bevorzugte Weiterbildung des in den 1 und 2 dargestellten Sitzventils 1. 4A zeigt wieder einen vergrößerten Ausschnitt dieses Ventils. Der Unterschied besteht in diesem Fall allein darin, dass zusätzlich zu dem Anschlag 12 eine Anschlagdämpfung 16 vorgesehen ist, die in dem dargestellten Ausführungsbeispiel als elastischer Ring ausgeführt ist. Es kann sich dabei um einen handelsüblichen Elastomerdichtring handeln. Dieser ist relativ zum Anschlag 12 so angeordnet, dass der Magnetanker 7 zunächst auf die Anschlagdämpfung 16 trifft und den Aufschlag des Magnetankers 7 gegen den Anschlag 12 dämpft, bevor der Magnetanker 7 letztlich am Anschlag 12 zur Anlage kommt. Die Anlage des Magnetankers 7 am Anschlag 12 ist von Bedeutung, weil ansonsten wieder die Gefahr bestünde, dass die bewegliche Magnetankerbaugruppe im Falle einer PWM-Ansteuerung der elektromagnetischen Spulenanordnung in Schwingung gerät. Daher ist auch bei diesem Ausführungsbeispiel eine sehr genaue Justage schon bei der Herstellung des Sitzventils 1 erforderlich.
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5 zeigt eine dritte bevorzugte Weiterbildung des Ventils aus den 1 und 2, welche die in Bezug auf die 3 und 4 beschriebenen ersten und zweiten bevorzugten Weiterbildungen miteinander kombiniert. Dementsprechend weist das Sitzventil 1 gemäß 5, von dem in 5A wiederum ein vergrößerter Ausschnitt dargestellt ist, sowohl eine Anschlagdämpfung 16 als auch ein am Magnetanker 7 federnd gelagertes Dichtelement 4 auf. Wie zuvor erläutert, wird durch die Anschlagdämpfung 16 der Aufschlag des Magnetankers 7 am Anschlag 12 gedämpft. Die Federelemente 15A, 15B sorgen demgegenüber dafür, dass die Anpresskraft des Dichtelements 4 gegen den Dichtsitz 3 weitgehend unabhängig von einer Veränderung der Einpresstiefe des Dichtelements 4 am Dichtsitz 3 ist.
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Die vorgeschriebenen Sitzventile 1 sind mit einer elektrischen Steuerung kombiniert, um die Spule 11 in üblicher Weise mit einem PWM-Signal anzusteuern. Durch die vorbeschriebenen Maßnahmen ist sichergestellt, dass die bewegliche Magnetankerbaugruppe nicht in Schwingung gerät. Die Ventile 1 sind dadurch besonders zum Einsatz in Luftfedersystemen von Kraftfahrzeugen geeignet, weil das typische PWM-Geräusch nicht auftritt.
