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Die Erfindung bezieht sich auf einen elektromagnetischen Aktor, insbesondere zur Betätigung eines Fluidventils gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 1, sowie auf ein Fluidventil mit einem solchen Aktor gemäß des Oberbegriffs des Anspruchs 5.
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Bei aus der Praxis bekannten mehrstufigen Kraftfahrzeug-Automatikgetrieben oder automatisierten Kraftfahrzeug-Schaltgetrieben werden als Kupplungen oder Bremsen ausgeführte hydraulische Schaltelemente zum Einlegen unterschiedlicher Übersetzungsstufen der Getriebe eingesetzt. Dabei werden zum Wechseln bzw. Einlegen einer gewünschten Übersetzungsstufe des Getriebes die hydraulischen Schaltelemente entsprechend dieser Übersetzungsstufe mit Fluiddruck beaufschlagt oder entlüftet (Fluiddruck abgebaut). Hierzu werden Fluidventile des Getriebes, insbesondere Druckregelventile, eingesetzt.
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Heute übliche Fluidventile für Fahrzeuggetriebe, beispielsweise das in der
WO 2005/026858 A1 offenbarte, weisen zwei zu einer hydraulischen Halbbrückenschaltung verschaltete Sitzventile auf. Ein solches Fluidventil verfügt über eine Zulauföffnung und zwei Ablauföffnungen, wobei strömungstechnisch zwischen der Zulauföffnung und der ersten Ablauföffnung ein erstes Teilventil angeordnet ist und zwischen der ersten Ablauföffnung und der zweiten Ablauföffnung ein zweites Teilventil angeordnet ist. Hierbei sind die Teilventile so mechanisch miteinander gekoppelt, dass die Teilventile wechselseitig schließen bzw. öffnen. Zur Betätigung der Teilventile wird ein einzelner elektromagnetischer Aktor eingesetzt.
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Aus der
WO 2009/092488 A1 ist es bekannt, ein derartiges Fluidventil mit einer Strömungsführungseinrichtung auszustatten, die mit mehreren Kanalbereichen versehen ist, so dass das in Richtung des zweiten Teilventils strömende Fluid in einen Drall versetzt wird. Hierbei ist das zweite Teilventil als Kegelsitzventil ausgeführt. Zur Betätigung der Teilventile wird auch hier ein einzelner elektromagnetischer Aktor eingesetzt.
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Bei den aus diesen beiden Schriften bekannten Fluidventilen handelt es sich um sogenannte Proportional-Druckregelventile. Derartige Ventile stellen im Betrieb einen gewünschten Fluiddruck p an einer der Ablauföffnungen (dem Arbeitsdruckanschluss) ein, wobei dieser Fluiddruck im Wesentlichen proportional von einem elektrischen Strom I abhängig ist, der dem elektromagnetischen Aktor zugeführt wird. Somit kann anhand des zugeführten elektrischen Stroms I direkt der gewünschte Fluiddruck p vorgegeben werden. Eine p/I-Kennlinie eines solchen Proportional-Druckregelventils ist daher im normalen Betriebsbereich im Wesentlichen geradenförmig, d.h. der ausgegebene Fluiddruck p ist dort proportional zum zugeführten elektrischen Strom I.
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In manchen Situationen ist eine derart rein proportionale Arbeitsweise allerdings nicht vorteilhaft. Dies ist vor allem der Fall, wenn bei einem Fluidventil zum einen geringe Fluiddrücke mit einer sehr hohen Genauigkeit eingestellt werden sollen und zum anderen auch hohe Fluiddrücke zur Verfügung gestellt werden sollen. Fluidventile benötigen für eine feine Regelung eines geringen Fluiddrucks nämlich eine sehr flache p/I-Kennlinie, da sich hierdurch Stromschwankungen nur gering auf den ausgegebenen Fluiddruck auswirken. Um bei einem Proportional-Druckregelventil dann einen hohen Fluiddruck einstellen zu können, wird durch die flache p/I-Kennlinie ein sehr großer elektrischer Strom benötigt, der gegebenenfalls nicht zur Verfügung steht.
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Es sind Fluidventile mit einer progressiven p/I-Kennlinie bekannt. Deren p/I-Kennlinie ist bei niedrigen Fluiddrücken/Strömen relativ flach (relativ geringe Steigung) und bei erhöhten Fluiddrücken/Strömen relativ steil (relativ hohe Steigung). Die p/I-Kennlinie ist bei solchen Ventilen daher nicht oder lediglich partiell geradenförmig. Hierdurch ist sowohl eine feinere Einstellung geringer Fluiddrücke, als auch eine Bereitstellung hoher Fluiddrücke möglich.
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Ein Fluidventil mit einer progressiven Kennlinie ist beispielsweise der
DE 102 55 414 A1 entnehmbar. Zur Erzeugung der progressiven Kennlinie verfügt der dort vorgesehene elektromagnetische Aktor, der zur Betätigung des Ventils dient, über einen zweigeteilten Magnetanker, wobei die Ankerteile mittels einer Feder auseinander gedrückt werden. Durch die vielen Einzelteile des Magnetankers ergibt sich ein aufwändiger Zusammenbau des elektromagnetischen Aktors und damit des Fluidventils.
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Aus der
DE 199 53 788 A1 ist außerdem ein elektromagnetischer Aktor bekannt, bei dem eine überproportional große Kraft in einer Endlage des Ankers erreicht wird, indem an einem Magnetjoch des Aktors zwei Polflächen vorgesehen sind, die nacheinander mit jeweils einer Verjüngung (kegelförmige Fläche des Ankers) zur Erzeugungen einer Stellkraft des Aktors zusammenwirken. Eine erste der Polflächen ist hierbei in einem von der Magnetspule des Aktors radial umschlossenen Innenraum vorgesehen und eine zweite der Polflächen ist außerhalb dieses Innenraumes vorgesehen.
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Der Stellweg eines solchen elektromagnetischen Aktors ist durch die zweite Polfläche eingeschränkt, da sich diese in der Bewegungsrichtung des Ankers befindet. Außerdem kann hierdurch erst sehr spät, fast am Ende des Stellwegs des Aktors eine nennenswerte Wechselwirkung zwischen der zweiten Polfläche und dem Anker bewirkt werden, da sich erst dann der Anker und die zweiter Polfläche ausreichend weit aneinander angenähert haben (der Luftspalt zwischen diesen ist dann ausreichend verringert). Die Stellkraft-Weg-Kennlinie des Aktors steigt dementsprechend erst am Ende des maximal möglichen Stellwegs progressiv an (siehe
3 der
DE 199 53 788 A1 : die Betätigung erfolgt hier von rechts nach links, d.h. der Anker bewegt sich in Betätigungsrichtung von s > 0 nach s = 0).
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Aufgabe der Erfindung ist es daher einen elektromagnetischen Aktor bereitzustellen, welcher einen größeren Stellweg ermöglicht sowie ein früheres progressives Ansteigen der von dem Aktor erzeugten Stellkraft. Außerdem ist es Aufgabe der Erfindung ein Fluidventil mit einer progressiven Kennlinie bereitzustellen, das einfach aufgebaut ist.
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Die Aufgabe wird durch einen elektromagnetischen Aktor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch ein Fluidventil mit den Merkmalen des Anspruchs 8 gelöst. Bevorzugte Ausführungen hiervon sind den jeweiligen Unteransprüchen entnehmbar.
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Demgemäß wird ein elektromagnetischer Aktor, insbesondere zur Betätigung eines Fluidventils, vorgeschlagen, der zumindest eine Magnetspule aufweist, einen mittels der Magnetspule in einem Ankerraum magnetisch verschiebbaren Anker, welcher mindestens über eine erste und eine zweite Verjüngung verfügt, sowie ein Magnetjoch.
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Das Magnetjoch weist zumindest eine erste Tauchstufe auf, in die die erste Verjüngung des Ankers bei einer Verschiebung des Ankers in eine Betätigungsrichtung eintaucht, und eine zweite Tauchstufe, in die die zweite Verjüngung des Ankers bei einer Verschiebung des Ankers in die Betätigungsrichtung eintaucht. Dabei ragt die erste Tauchstufe von einer ersten Stirnseite der Magnetspule aus in den Ankerraum hinein, und die erste Tauchstufe wirkt mit der ersten Verjüngung des Ankers bei einer elektrischen Bestromung der Magnetspule zur Erzeugung einer Stellkraft des Aktors zusammen. Außerdem ragt die zweite Tauchstufe von einer zweiten Stirnseite der Magnetspule aus in den Ankerraum hinein, und die zweite Tauchstufe wirkt mit der zweiten Verjüngung des Ankers bei der elektrischen Bestromung der Magnetspule zur Erzeugung der Stellkraft des Aktors zusammen.
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Hierbei ist vorgesehen, dass eine maximale radiale Außenabmessung des Ankers im Bereich der zweiten Verjüngung kleiner ist, als eine minimale radiale Innenabmessung der zweiten Tauchstufe. Mit anderen Worten ist das Außenabmaß des Ankers kleiner ausgeführt, als das Innenabmaß der zweiten Tauchstufe, sodass der Anker in Betätigungsrichtung frei bezüglich der zweiten Tauchstufe verschiebbar ist. Somit ist ein größerer Stellweg (möglicher Weg des Ankers in Betätigungsrichtung) mit dem Aktor ausführbar, da die zweite Tauchstufe nicht im Stellweg des Ankers steht. Das heißt, der Anker ist auch im Bereich seiner größten radialen Abmessung frei entlang der zweiten Tauchstufe verschiebbar.
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Der Begriff „radial“ ist hierbei insbesondere als im Wesentlichen rechtwinklig zur Betätigungsrichtung oder einer Achse, auf welcher der Anker in dem Ankerraum verschiebbar geführt ist, zu verstehen. Der Begriff „axial“ ist demnach insbesondere als in Betätigungsrichtung oder entlang der Achse, auf welcher der Anker in dem Ankerraum verschiebbar geführt ist, zu verstehen. Die Verjüngungen sind hierbei insbesondere in Richtung der Betätigungsrichtung des Aktors auf dem Anker angeordnet, d.h. eine radiale Außenabmessung des Ankers nimmt in Richtung der Betätigungsrichtung mit jeder der Verjüngungen ab. Die Betätigungsrichtung des Aktors ist dabei insbesondere diejenige Richtung, in welche die mittels elektrischer Bestromung der Magnetspule hervorgerufene und an dem Aktor abgreifbare Stellkraft wirkt. Die zweite Tauchstufe liegt radial nach außen bezüglich der zweiten Verjüngung.
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Durch das Eintauchen der zweiten Verjüngung in die zweite Tauchstufe wird eine axiale Überdeckung zwischen dieser Verjüngung und Tauchstufe hergestellt und ein radialer Luftspalt dazwischen verringert, insbesondere minimiert. Somit vergrößert sich ein magnetischer Fluss zwischen Anker und Magnetjoch und die erzeugte Stellkraft steigt an. Dadurch dass der Anker an der zweiten Verjüngung entlangbewegt werden kann, ohne dass er mit dieser kollidieren könnte, ist es möglich, die zweite Tauchstufe so zu platzieren, dass die zweite Verjüngung früher als im Stand der Technik darin eintaucht. Somit wird eine progressive Steigerung der Stellkraft dementsprechend früher erwirkt, und die Stellkraft-Weg-Kennlinie des Aktors weist relativ früh einen progressiven Anstieg der Stellkraft auf.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung umfasst der Aktor genau die genannten zwei Tauchstufen, also genau die erste und zweite Tauchstufe. Alternativ ist jedoch vorstellbar, dass weitere Tauchstufen für den Anker vorgesehen sind.
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In einer Weiterbildung der Erfindung sind die erste und die zweite Tauchstufe so angeordnet, dass der Anker bei einer Verschiebung in die Betätigungsrichtung zunächst mit der zweiten Verjüngung in die zweite Tauchstufe eintaucht, wobei die erste Verjüngung allerdings noch außerhalb der ersten Tauchstufe ist, also noch nicht in diese eingetaucht ist, und dass der Anker bei einer weiteren Verschiebung in die Betätigungsrichtung sowohl mit der zweiten Verjüngung tiefer in die zweite Tauchstufe eintaucht, als auch zusätzlich mit der ersten Verjüngung in die erste Tauchstufe eintaucht. Durch das frühere Eintauchen der zweiten Verjüngung in die korrespondierende zweite Tauchstufe wird eine weiche progressive Steigerung der Stellkraft des Aktors bewirkt. Die Stellkraft steigt somit nicht erst am Ende des Stellwegs stark an, sondern bereits früher.
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In einer Weiterbildung der Erfindung ist der Anker zylinderartig ausgeführt, mit einem maximalen Außendurchmesser, und die zweite Tauchstufe ist hohlzylinderartig ausgeführt, mit einem minimalen Innendurchmesser. Dabei ist der maximale Außendurchmesser des Ankers kleiner, als der minimale Innendurchmesser der zweiten Tauchstufe. Derartige Anker und Tauchstufen sind einfach herstellbar. In einer Ausgestaltung hiervon überdeckt sich beim Eintauchen der zweiten Verjüngung in die zweite Tauchstufe derjenige Bereich des Ankers, der den maximalen Außendurchmesser aufweist, mit demjenigen Bereich der zweiten Tauchstufe, der den minimalen Innendurchmesser aufweist, in Betätigungsrichtung (also axial), sodass ein radialer Spalt zwischen Anker und zweiter Tauchstufe minimiert wird. Im Bereich der zweiten Verjüngung wird dementsprechend der Anker von dem maximalen Außendurchmesser auf einen geringeren Außendurchmesser reduziert.
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Grundsätzlich können die erste und/oder die zweite Verjüngung des Ankers stufenartig oder kegelartig ausgeführt sein. Dies beinhaltet, dass eine der Verjüngungen kegelartig ist und die andere der Verjüngungen stufenartig ist. Bei einer kegelartigen Verjüngung nimmt der Außendurchmesser bzw. die radiale Außenabmessung axial stetig ab, während bei einer stufenartigen Verjüngung der Außendurchmesser bzw. die radiale Außenabmessung axial unstetig, d.h. sprunghaft, abnimmt.
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In einer Weiterbildung der Erfindung befindet sich die zweite Tauchstufe innerhalb eines von der Magnetspule radial umschlossenen Innenraums. Hierdurch kann ein sehr kompakter Aktor geschaffen werden, da außerhalb des Innenraums der Magnetspule kein weiterer Raum für die zweite Tauchstufe benötigt wird. In einer Ausgestaltung hiervon ist die zweite Tauchstufe an einem Polrohr ausgebildet, welches von der zweiten Stirnseite der Magnetspule aus in den von der Magnetspule radial umschlossenen Innenraum hineinragt.
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Es sei angemerkt, dass der Magnetanker des erfindungsgemäßen Aktors bevorzugt aus einem Teil besteht oder aus mehreren Teilen, die fest miteinander verbunden sind, wodurch der Magnetanker eine einzige feste Einheit bildet. Die erfindungsgemäße Ausführung des Aktors stellt jedoch keine grundsätzliche Alternative zu dem in der
DE 102 55 414 A1 offenbarten elektromagnetischen Aktor dar. Das bedeutet, der erfindungsgemäße Aktor kann in einer Ausführung einen gemäß der
DE 102 55 414 A1 ausgeführten zweiteiligen Magnetanker aufweisen, insbesondere einen gemäß
2 der
DE 102 55 414 A1 ausgeführten Anker. Der Magnetanker weist dann die beiden Verjüngungen auf, welche wie obig beschrieben jeweils mit einer der Tauchstufen des Magnetjochs zusammenwirken. Beide Verjüngungen können hierbei gemeinsam auf einem der Ankerteile vorgesehen sein oder jeweils eine Verjüngung kann auf einem der Ankerteile vorgesehen sein.
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Bei Verwendung des Aktors zur Betätigung eines Fluidventils kann durch den progressiven Verlauf der Stellkraft ein entsprechend progressiver Verlauf des eingestellten Fluiddrucks erzielt werden. Somit verläuft der mittels des Fluidventils eingestellte Fluiddruck progressiv zur Stärke des dem Aktor zugeführten elektrischen Stromes (progressive p/I-Kennlinie).
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Bei dem Fluidventil handelt es sich insbesondere um ein Druckregelventil, also um ein Ventil zum Einregeln eines bestimmten gewünschten Fluiddruckes, insbesondere eines Öldruckes bzw. Hydraulikdruckes. Das Fluidventil weist zumindest eine Zulauföffnung und eine erste und zweite Ablauföffnung auf, welche über zwei miteinander mechanisch gekoppelte Teilventile des Fluidventils, die bevorzugt als Sitzventile ausgeführt sind, strömungstechnisch miteinander verbindbar sind. Das heißt, die Teilventile sind so ausgeführt, dass diese bei entsprechenden Schaltstellungen die Zulauf- und Ablauföffnungen miteinander fluiddurchleitend verbinden. Dabei ist mittels des ersten Teilventils ein Fluidzulauf von der Zulauföffnung zu der ersten und zweiten Ablauföffnung einstellbar und mittels des zweiten Teilventils ein Fluidablauf zwischen der ersten und zweiten Ablauföffnung einstellbar. Die zufließende Fluidmenge wird im Betrieb dementsprechend von dem ersten Teilventil eingestellt, während die Verteilung der abfließenden Fluidmenge zwischen der ersten und zweiten Ablauföffnung von dem zweiten Sitzventil eingestellt wird. Hierdurch lässt sich die abfließende Fluidmenge und/oder der Fluiddruck an der ersten und/oder der zweiten Ablauföffnung gezielt einstellen.
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Dieser Ventilaufbau entspricht im Wesentlichen dem der bekannten Fluidventile aus der
WO 2005/026858 A1 oder der
WO 2009/092488 A1 . Allerdings ist es nun vorgesehen, dass das Fluidventil den obig erläuterten erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktor aufweist, und dass mittels dessen die Teilventile betätigt werden. Somit kann ohne größeren Aufwand eine progressive p/I-Kennlinie des Fluidventils erzielt werden. Die Teilventile sind dabei insbesondere als Sitzventile ausgeführt. Es kann vorgesehen sein, dass die Teilventile in einem gemeinsamen Gehäuse zu einem Ventilmodul, wie einem Cartridge-Ventil, zusammengefasst sind. Es kann auch vorgesehen sein, dass das Fluidventil ausschließlich über die beiden Teilventile verfügt, also keine weiteren Teilventile umfasst.
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In einer optionalen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluidventils ist zumindest das zweite Teilventil als Sitzventil ausgeführt, mit einem kegelartigen Schließelement, wobei das Schließelement mehrere Kegelbereiche aufweist, welche über unterschiedliche Kegelwinkel verfügen. Hierdurch kann die p/I-Kennlinie des Fluidventils flexibel an den Einsatzzweck angepasst werden, also beispielsweise eine stärkere oder schwächere progressive Steigung erzielt werden. Durch Verwendung verschiedener Kegelbereiche, mit jeweils unterschiedlichen Kegelwinkeln auf dem Schließelement verändert sich nämlich der Spalt zwischen Schließelement und Ventilsitz beim Öffnen des Teilventils nun nicht mehr starr proportional zum Hub des Schließelements, sondern kann durch entsprechende Gestaltung der Kegelbereiche (Kegelwinkel, axiale Länge, etc.) beliebig angepasst werden. Ein solcher Kegelwinkel ist insbesondere ungleich 0° und ungleich 90°.
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In einer Ausgestaltung hiervon weist das zweite Teilventil einen hohlkegelartigen Ventilsitz auf, an dem lediglich einer oder einige der mehreren Kegelbereiche des Schließelements im geschlossenen Zustand des zweiten Teilventils flächig anliegen. Die Herstellung des Fluidventils wird hierdurch vereinfacht, da dann nicht alle der Kegelbereiche an dem Ventilsitz flächig anliegen müssen, was sehr feine Fertigungstoleranzen (genaue Werkzeuge, aufwändige Qualitätsprüfungen etc.) erfordern würde.
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In einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Fluidventils weist einer der Kegelbereiche des Schließelements einen spitzen Kegelwinkel auf und ein anderer der Kegelbereiche einen stumpfen Kegelwinkel, sodass das Schließelement über eine konkave Mantelfläche verfügt. Ein solcher Kegelwinkel ist dabei insbesondere der Winkel um welchen die Mantelfläche des jeweiligen Kegelbereichs gegenüber der Betätigungsachse des Teilventils, also der Achse entlang derer sich das Schließelement zum Öffnen und Schließen des Teilventils bewegt, geneigt ist. Ein spitzer Kegelwinkel liegt dann vor, wenn sich der Schließkörper in diesem Kegelbereiche in Schließrichtung des Teilventils verjüngt, während ein stumpfer Kegelwinkel dann vorliegt, wenn sich der Schließkörper in diesem Kegelbereiche in Schließrichtung des Teilventils aufweitet.
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Es ist grundsätzlich möglich, dass das Fluidventil mittels eines konventionellen Proportionalmagneten betätigt wird, statt mittels des erläuterten erfindungsgemäßen elektromagnetischen Aktors, mit progressiver Stellweg-Kraft-Kennlinie. Die Teilventile werden dann also mittels des konventionellen Proportionalmagneten betätigt, d.h. geöffnet oder geschlossen. Bei einem solchen Proportionalmagnet handelt es sich ebenfalls um einen elektromagnetischen Aktor, welcher allerdings über keine progressive Stellweg-Kraft-Kennlinie, sondern über eine im Wesentlichen proportionale Stellweg-Kraft-Kennlinie verfügt. Derartige Proportionalmagnete sind bekannt. Die Einstellung der p/I-Kennlinie an den gewünschten Verlauf, beispielsweise den progressiven Verlauf, erfolgt dann im Wesentlichen alleine durch entsprechende Gestaltung der unterschiedlichen Kegelwinkel des Schließelements des zweiten Teilventils.
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Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Beispielen und Zeichnungen näher erläutert, aus welchen weitere vorteilhafte Ausgestaltungen und Merkmale der Erfindung entnommen werden können. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung,
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1 einen zweidimensionalen Längsschnitt durch einen vorgeschlagenen elektromagnetischen Aktor;
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2 einen zweidimensionalen Längsschnitt durch ein vorgeschlagenes Fluidventil;
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3a, b jeweils eine vergrößerte Abbildung eines Ausschnitts aus 2 mit einer alternativen Ausführung des zweiten Sitzventils;
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4 p/I-Kennlinien von Fluidventilen.
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In den Figuren sind gleiche oder zumindest funktionsgleiche Bauteile jeweils mit gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt einen Längsschnitt durch einen entsprechend der Erfindung ausgeführten elektromagnetischen Aktor 1. Dieser weist ein Gehäuse 11, eine Magnetspule 12, einen Magnetanker 14 und ein Magnetjoch 13, 16 auf. Der erste Teil 13 des Magnetjochs, welcher im Bereich einer ersten Stirnseite des Magnetankers 14 vorgesehen ist, verfügt über eine erste Tauchstufe 131 mit einer Magnetsteuerkante 132. Der zweite Teil 16 des Magnetjochs, welcher im Bereich einer gegenüberliegenden zweiten Stirnseite des Magnetankers 14 vorgesehen ist, verfügt über ein Polrohr 161 mit einer zweiten Tauchstufe 162. Die beiden Tauchstufen 131, 162 ragen dementsprechend von zwei verschiedenen Stirnseiten der Magnetspule 12 in den Ankerraum 146, innerhalb dessen der Magnetankers 14 verschiebbar angeordnet ist, hinein. Wie gezeigt, sind die Tauchstufen 131, 162 bevorzugt in einem Innenraum der Magnetspule 12 angeordnet, der von dieser radial umschlossen wird, was jedoch nicht zwingend notwendig ist. Die erste Tauchstufe 13 dient bevorzugt gleichzeitig als axialer Anschlag für den Magnetanker 14 in eine Betätigungsrichtung (siehe Pfeil) des Aktors 1. Das Polrohr 161 dient bevorzugt gleichzeitig als axialer Anschlag für den Magnetanker 14 entgegen der Betätigungsrichtung des Aktors 1.
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Der Anker 14 ist entlang der Längsachse L des Aktors 1 (= Verschiebungsachse des Ankers 14) axial verschiebbar gelagert. Hierzu sind an Endbereichen des Ankers 14 und in den korrespondierenden Bereichen des Magnetjochs 13 und 16 Gleitlager 18 vorgesehen. Andere geeignete Lageranordnungen (beispielsweise eine einseitige Lagerung) und Lagerarten (beispielsweise Wälzlager) sind jedoch möglich.
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Der Magnetanker 14 ist im dargestellten beispielhaften Fall dreiteilig ausgeführt und umfasst eine Ankerstange 141, einen Ankerkörper 142 sowie eine optionale Antihaftscheibe 143 aus nicht magnetischem Werkstoff, beispielsweise Aluminium. Andere geeignete Ankerbauformen sind jedoch möglich, beispielsweise ein einstückiger Anker. Die Antihaftscheibe 143 verhindert ein magnetisches Festkleben des Ankers 14, wenn der Magnetanker 14 stirnseitig an dem Magnetjochteil 13 bzw. der ersten Tauchstufe 131 anliegt.
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Der zylinderartige Anker 14, hier beispielhaft der Ankerkörper 142, umfasst zumindest eine erste und eine zweite Verjüngung 144, 145, welche bei der Erzeugung der Stellkraft des Aktors 1 ausschlaggebend sind. Die zweite Verjüngung 145 wird durch einen Übergang von einer maximalen ersten radialen Außenabmessung D1, Dmax des Ankers 14 (maximaler Außendurchmesser) zu einer kleineren zweiten radialen Außenabmessung D2 des Ankers 14 (zweiter Außendurchmesser) gebildet. Die erste Verjüngung 144 wird durch einen Übergang von der zweiten radialen Außenabmessung D2 des Ankers 14 zu einer noch kleineren oder minimalen dritten radialen Außenabmessung D3 des Ankers 14 (minimaler Außendurchmesser) gebildet. Die zweite und die erste Verjüngung 144, 145 sind in dieser Reihenfolge in Betätigungsrichtung des Aktors 1 auf dem Anker 14 angeordnet (in 2 von oben nach unten). Im gezeigten Beispiel sind beide Verjüngen 144, 145 stufenartig ausgeführt. Alternativ können eine oder beide der Verjüngungen 144, 145 auch kegelartig ausgeführt sein.
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Die Position des Ankers 14 im unbestromten Zustand der Magnetspule 12 ist mittels zweier Federelemente 15, hier beispielhaft Druck-Schraubenfedern angedeutet, innerhalb des Aktors 1 vorgegeben. Eine Vorspannung des dem Magnetjochteil 13 abgewandten Federelements 15 ist insbesondere durch ein Vorspannelement 19 einstellbar. Dieses kann insbesondere, wie im dargestellten Fall, eingepresst sein, wobei die Vorspannung dann in Abhängigkeit der Einpresstiefe eingestellt wird, oder das Vorspannelement 19 kann eingeschraubt sein, wobei die Vorspannung dann in Abhängigkeit der Einschraubtiefe eingestellt wird. Es kann gegebenenfalls auch lediglich eine einseitige elastische Vorspannung des Ankers 14 vorgesehen sein oder auf die Vorspannung durch Federelemente 15 kann gänzlich verzichtet werden.
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An das Gehäuse 11 stirnseitig angefügt befinden sich eine elektrische Kontaktiervorrichtung 17, welche mit der Magnetspule 12 elektrisch verbunden ist und über welche die Magnetspule 12 von einer nicht dargestellten, externen Stromversorgung elektrisch bestromt werden kann. Die Kontaktiervorrichtung 17 kann auch seitlich an dem Gehäuse 11 vorgesehen sein.
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Das Magnetjochteil 13 weist, wie beschrieben, an einer dem Anker 14 zugewandten Stirnseite die erste Tauchstufe 131 auf. Durch die Ausgestaltung der Magnetsteuerkante 132 der Tauchstufe 131, hier in Form eines Außenkegels, kann exakt eingestellt werden, wie groß die auf den Anker 14 einwirkende Magnetkraft bei dem momentan zugeführten elektrischen Stromstärke und bei der momentanen Position des Ankers 14 im Ankerraum 146 ist. Zusätzlich ist in dem Magnetjochteil 16 die zweite Magnetsteuerkante 162 vorgesehen, welche ebenfalls beeinflusst, wie groß die auf den Anker 14 einwirkende Magnetkraft bei dem momentan zugeführten elektrischen Strom und bei der momentanen Position des Ankers 14 im Ankerraum 146 ist.
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Wie die vergrößerte Teilansicht der ersten Tauchstufe 131 in 1 unten rechts zeigt, weist die erste Tauchstufe 131 bei der gezeigten stufenartigen Ausführung eine magnetisch wirksame Oberfläche auf, welche sich im Wesentlichen aus einer Radialfläche, mit einer zur Längsachse L parallel (axial) ausgerichteten Innenoberfläche und einer Axialfläche, mit einer senkrecht (radial) zur Längsachse L ausgerichteten Oberfläche, bildet. Sofern die erste Tauchstufe 131, anders als dargestellt, hohlkegelartig ausgeführt ist, weist diese eine hohlkegelartige Innenoberfläche auf, welche schief bezüglich der Längsachse L ist. In Verbindung mit der ersten Verjüngung 144 des Ankers 14 bildet sich zwischen erster Verjüngung 144 und erster Tauchstufe 131 ein axialer (Luft-)Spalt A1 aus. Die magnetische Wirkung der Antihaftscheibe 143 ist hierbei vernachlässigbar. Sobald die Verjüngung 144 bei einer Verschiebung des Ankers in Betätigungsrichtung in die Tauchstufe 131 eintaucht, wie in der vergrößerte Ansicht der ersten Tauchstufe 131 gezeigt, bildet sich im Bereich der ersten Verjüngung 144 zwischen Anker 14 und Tauchstufe 131 zudem eine axiale Überdeckung Ü1 sowie ein radialer (Luft-)Spalt R1 aus. Für die Stellkraft des Aktors 1 wesentlich ist hierbei der magnetische Fluss im axialen Spalt A1.
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Wie die vergrößerte Teilansicht der zweiten Tauchstufe 161 in 1 unten links zeigt, ist die zweite Tauchstufe 162 an dem Polrohr 161 dergestalt ausgeführt, dass das Polrohr 161 hohlzylindrisch ist und eine erste Innenabmessung d1 (Innendurchmesser) aufweist, welcher sich im Bereich der zweiten Verjüngung 162 des Ankers 14 in Betätigungsrichtung des Aktors (siehe Pfeil) zu einer kleineren bzw. minimalen zweiten Innenabmessung d2, dmin (Innendurchmesser) verkleinert. Auch die zweite Tauchstufe 162 verfügt bei der gezeigten stufenartigen Ausführung über eine magnetisch wirksame Oberfläche, welche sich im Wesentlichen aus einer Radialfläche, mit einer zur Längsachse L parallel (axial) ausgerichteten Innenoberfläche und einer Axialfläche, mit einer senkrecht (radial) zur Längsachse L ausgerichteten Oberfläche, bildet. Sofern die zweite Tauchstufe 162, anders als dargestellt, hohlkegelartig ausgeführt ist, weist diese eine hohlkegelartige Innenoberfläche auf, welche schief bezüglich der Längsachse L ist.
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In Verbindung mit der zweiten Verjüngung 145 am Anker 14 bildet sich zwischen zweiter Verjüngung 145 und zweiter Tauchstufe 162 ein axialer Spalt A2 aus (die in der vergrößerten Ansicht der zweiten Tauchstufe 161 gestrichelt gezeichnete Kontur zeigt die Position der Verjüngung 145 in einer unbestromten Ausgangsstellung des Aktor 1). Sobald die Verjüngung 145 bei einer Verschiebung des Ankers in Betätigungsrichtung in die Tauchstufe 162 eintaucht (wie in der vergrößerte Ansicht der zweiten Tauchstufe 161 durch durchgängige Linien gezeigt) liegt kein wirksamer axialer Spalt A2 mehr vor. Stattdessen bilden sich im Bereich der Verjüngung 145 zwischen Anker 14 und Tauchstufe 162 eine axiale Überdeckung Ü2 sowie ein radialer (Luft-)Spalt R2 aus bzw. der radiale Spalte R2 wird dann minimiert. Je größer die axiale Überdeckung Ü2 und je kleiner der radiale Spalt R2 ist, desto größer wird bei einer Bestromung der Magnetspule 12 der zwischen Anker 14 und Magnetjochteil 16 im Bereich der zweiten Verjüngung 144 vorliegende magnetische Fluss, wodurch auch ein größerer magnetischer Fluss im Bereich der ersten Tauchstufe 131 erzeugt wird und sich somit die Stellkraft des Aktors 1 vergrößert.
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Die Verjüngungen 144, 145 und Tauchstufen 131, 162 sind so angeordnet, dass bei einer Verschiebung des Ankers 14 in die Betätigungsrichtung (siehe Pfeil) zunächst die zweite Verjüngung 145 in die zweite Tauchstufe 162 und dann zusätzlich die erste Verjüngung 144 in die erst Tauchstufe 131 eintaucht. Hierdurch wird ein weicher und relativ früh einsetzender progressiver Verlauf der Stellkraft-Weg-Kennlinie des Aktors 1 bewirkt. Bezüglich der zweiten Tauchstufe 162 und Verjüngung 145 ist dabei die erste Tauchstufe 131 und Verjüngung 144 in Bewegungsrichtung (siehe Pfeil) des Aktors 1 auf dem Anker 14 bzw. dem Magnetjochteil 13 angeordnet (2 von oben nach unten).
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Zum Abgriff der Stellkraft des Aktors 1 ist ein Betätigungsmittel 2 vorgesehen, das aus dem Aktor 1 ragt, hier beispielhaft als eine feste Stange ausgeführt. Das Betätigungsmittel 2 ist mit dem Anker 14 fest verbunden oder liegt an einer in Betätigungsrichtung (siehe Pfeil) gelegenen Stirnseite des Ankers 14 an, sodass dieser die Stellkraft auf das Betätigungsmittel 2 in Betätigungsrichtung übertragen kann. Im gezeigten Fall erzeugt der Aktor 1 bei elektrischer Bestromung der Magnetspule 12 eine Druckkraft in die Betätigungsrichtung (siehe Pfeil), welche daher auf das Betätigungsmittel 2 übertragen wird. Das Betätigungsmittel 2 kann grundsätzlich auch einen Teil des Ankers 14 bilden. Das Betätigungsmittel 2 kann außerdem auch mit einer gegenüberliegenden Stirnseite des Ankers 14 fest verbunden sein oder dort anliegen und an dieser gegenüberliegenden Seite aus dem Aktor 1 herausragen (d.h. in 1 nach oben hin, statt wie in 1 dargestellt nach unten hin). Dann erzeugt der Aktor 1 eine Zugkraft in die Betätigungsrichtung, welche auf das Betätigungsmittel 2 übertragen wird.
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Selbstverständlich ist das als Stange ausgeführte Betätigungsmittel 2 lediglich sinnbildlich für jedes andere geeignet ausgebildete Betätigungsmittel zu verstehen, durch das die Stellkraft von dem Anker 14, also dem Aktor 1, abgreifbar ist. Es kann sich hierbei also auch um eine Kette, ein Seil, einen Zylinder, einen Haken, etc. handeln.
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2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Fluidventil. Das Fluidventil setzt sich im Wesentlichen aus einem Elektromagnetteil
3, d.h. einem elektromagnetischen Aktor, und einem Ventilteil
4 zusammen, deren Gehäuse
31,
41 bevorzugt fest miteinander verbunden sind. Das Elektromagnetteil
3 wird insbesondere durch den in
1 gezeigten elektromagnetischen Aktor
1 gebildet (siehe linke Seite des Elektromagnetteils
3). Es sei allerdings angemerkt, dass auch andere Arten von Elektromagnetteilen
3 einsetzbar sind (siehe rechte Seite des Elektromagnetteils
3), beispielsweise das in
1 der
DE 102 55 414 A1 offenbarte Elektromagnetteil.
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Die Funktionsweise des Elektromagnetteils 3 ist aus den vorhergehenden Erläuterungen bekannt, weshalb an dieser Stelle nicht nochmals darauf eingegangen wird. Die auf der rechten Seite der 2 gezeigte Ausführung des Elektromagnetteils 3 verfügt nicht über die zweite Verjüngung und Tauchstufe. Es handelt sich stattdessen um einen konventionellen Proportionalmagneten.
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Stirnseitig an den Elektromagnetteil 3 angefügt verfügt das Fluidventil über das Ventilteil 4. Dieses weist einen auf das Gehäuse 41 aufgesetzten Filterkorb 42, mit einem einlassseitigen, an der Stirnseite des Fluidventils befindlichen ersten Filter 421 und einem auslasseitigen, seitlich des Fluidventils angeordneten zweiten Filter 422. Die Filter 421, 422 oder der Filterkorb 42 können allerdings auch entfallen. An dem Filterkorb 42 angeordnet sind Dichtungen, welche einen Zulaufbereich, einen ersten Ablaufbereich und einen zweiten Ablaufbereich des Fluidventils voneinander fluiddicht trennen. Der Zulaufbereich P, auch Druckversorgungsanschluss genannt, ist an einer axialen Stirnseite des Fluidventils angeordnet, während der erste Ablaufbereich A, auch Arbeitsdruckanschluss genannt, und der zweite Ablaufbereich T, auch Tankanschluss genannt, radial zu der Längsachse L angeordnet sind. Den Bereichen P, T, A sind entsprechende Ventilöffnungen P, T, A zugeordnet, durch welche Fluid in bzw. aus dem Ventil strömen kann. Im Detail sind dies die Zulauföffnung P, die erste Ablauföffnung A sowie die zweite Ablauföffnung T.
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Durch eine entsprechend geeignete Kanalführung innerhalb des Ventilteils 4 kann die Anordnung des Zulaufbereichs P und des ersten und zweiten Ablaufbereichs A und T, bzw. deren Ventilöffnungen, allerdings untereinander auch vertauscht sein. Eine bevorzugte Fließrichtung des Fluids in den Zulaufbereich P sowie aus dem ersten und zweiten Ablaufbereich A, T ist durch Pfeile angedeutet.
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Das Ventilteil 4 weist im Inneren des Gehäuses 41 ein erstes Teilventil 43 und ein zweites Teilventil 44 auf, durch welche die Bereiche bzw. die korrespondierenden Ventilöffnungen P, A und T strömungstechnisch miteinander verbindbar sind. Das heißt, durch Öffnen oder Schließen der Teilventile 43, 44 kann eine Verbindung zwischen der Zulauföffnung P und den Ablauföffnungen A, T, sowie zwischen den Ablauföffnungen A, T untereinander, hergestellt werden, sodass das Ventil durch die Ventilöffnungen P, A, T von Fluid durchströmt werden kann. Hierdurch kann ein Druckniveau an der Ablauföffnung A des ersten Ablaufbereichs gezielt eingestellt werden.
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Da das durch das zweite Teilventil 44 strömende Fluid in der Regel ungenutzt in ein Fluidreservoir geleitet wird, wird die durch das zweite Teilventil 44 fließende Fluidmenge häufig auch als Leckage bezeichnet. Die Ablauföffnung T des zweiten Ablaufbereichs ist meist drucklos verschaltet, also mit einem atmosphärischen Umgebungsdruck (zumeist normaler Luftdruck der Umgebung) beaufschlagt.
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Die Teilventile 43, 44 sind im gezeigten Ausführungsbeispiel als Sitzventile ausgebildet. Das erste Teilventil 43 weist einen entlang einer Längsachse des ersten Teilventils 43 beweglichen Schließkörper 431 auf, im dargestellten Fall in Form einer Kugel. Das zweite Teilventil 44 weist auch einen entlang einer Längsachse des zweiten Teilventils 44 beweglichen Schließkörper 441 auf, der kegelartig ausgeführt ist. Die Längsachsen oder Bewegungsachsen der Teilventile 43, 44 entsprechen hier der Längsachse L des Fluidventils, welche im Übrigen auch der Längsachse des Elektromagnetteils 3 entspricht. Durch Verwendung von geeigneten Umlenkmitteln können die Längs- bzw. Bewegungsachsen der Teilventile 43, 44 und des Elektromagnetteils 3 allerdings auch zueinander verschieden sein und beispielsweise parallel, angewinkelt oder windschief zueinander liegen.
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Das Gegenstück zu dem Schließkörper 431 des ersten Teilventils 43 bildet eine Ventilblende 432. Diese weist eine Steuerkante 433 (= Ventilsitz) auf, an welcher der Schließkörper 431 im geschlossenen Zustand anliegt, wodurch das erste Teilventil 43, im Detail eine Ventilöffnung 434 des ersten Teilventils 43, weitestgehend fluiddicht geschlossen ist. Eine sich zwischen dem Schließkörper 431 und der Steuerkante 433 beim Öffnen des ersten Teilventils 43 ausbildende erste effektive Ventilöffnungsfläche bestimmt dabei die durch das erste Teilventil 43 zuströmende Fluidmenge in das Fluidventil und einen Druckabfall an dem ersten Teilventil 43. Somit wird auch der an der Ventilöffnung A des ersten Ablaufbereichs anliegende bzw. dort abgreifbare Fluiddruck beeinflusst.
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Das Gegenstück des Schließkörpers 441 des zweiten Teilventils 44 bildet ebenfalls eine Ventilblende 442, welche allerdings eine hohlkegelartige Steuerfläche 443 (= Ventilsitz) statt einer Steuerkante aufweist. An der Steuerfläche 443 liegt der Schließkörper 441 flächig an, wenn das zweite Teilventil 44 geschlossen ist, wodurch das zweite Teilventil 44, im Detail eine Ventilöffnung 444 des zweiten Teilventils 44, weitestgehend fluiddicht geschlossen ist. Eine sich zwischen dem Schließkörper 441 und der Steuerfläche 443 beim Öffnen des zweiten Teilventils 44 ausbildende zweite effektive Ventilöffnungsfläche bestimmt dabei die durch das zweite Teilventil 44 abströmende Fluidmenge. Somit bestimmt das zweite Teilventil 44 die Menge des zwischen der Ablauföffnung A des ersten Ablaufbereichs und der Ablauföffnung T des zweiten Ablaufbereichs abfließenden Fluids. Hierdurch wird ebenfalls der an der Ablauföffnung A des ersten Ablaufbereichs anliegende bzw. dort abgreifbare Fluiddruck beeinflusst.
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Wie 2 entnehmbar ist der Schließkörper 441 des zweiten Teilventils 44 kegelartig und mit mehreren Kegelbereichen, die über zueinander unterschiedliche Kegelwinkel verfügen, versehen (hier beispielhaft insgesamt drei Kegelbereiche). Der korrespondierende Ventilsitz, d.h. die Steuerfläche 443, ist so ausgeführt, dass der Schließkörper 441 lediglich genau an einem der mehreren Kegelbereiche anliegt, wenn das zweite Teilventil 44 geschlossen ist.
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In der dargestellten Konfiguration des Fluidventils ist der Schließkörper 431 des ersten Teilventils 43 stromauf der korrespondierenden Ventilöffnung 434 und der Schließkörper 441 des zweiten Teilventils 44 stromab der korrespondierenden Ventilöffnung 444 angeordnet.
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Dem Fachmann ist hierbei klar, dass das erste Teilventil 43, im Detail der Schließkörper 431 und die korrespondierende Ventilblenden 432, auch auf eine andere geeignete Art ausgeführt sein können. Insbesondere kann das erste Teilventil 43 als Flachsitzventil oder als Kegelsitzventil, beispielsweise analog zum dargestellten zweiten Teilventil 44, oder als Schieberventil ausgeführt sein.
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Im dargstellten Fall weist das erste Teilventil 43 eine Steuerkante 433 auf, an welcher der Schließkörper 431 im geschlossenen Zustand linienförmig anliegt, d.h. es liegt ein im Wesentlichen linienförmiger Kontakt zwischen Schließkörper 431 und Ventilblende 432 vor, während das zweite Teilventil 24 eine Steuerfläche 443 aufweist, an welcher der Schließkörper 441 im geschlossenen Zustand flächig anliegt, d.h. es liegt ein im wesentlichen flächenförmiger Kontakt zwischen Schließkörper 441 und Ventilblende 442 vor. Es ist klar, dass die Teilventile 43, 44 allerdings auch so ausgeführt sein können, dass beide oder nur eines der beiden Teilventile 43, 44 einen flächenförmigen Kontakt oder einen linienförmigen Kontakt zwischen Schließkörper 431, 441 und Ventilblende 432, 442 aufweisen. Zur Erzeugung eines flächigen Kontakts verfügt die jeweilige Ventilblende 432, 442 über eine der Oberflächenform des Schließkörpers 431, 441 komplementäre Steuerfläche, und zur Darstellung eines linienförmigen Kontakts verfügt die Ventilblende 432, 442 über eine der Oberflächenform des Schließkörpers 431, 441 komplementäre Steuerkante.
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Die Schließkörper 431, 441 der Teilventile 43, 44 sind über das entlang der Längsachse L verschiebbaren Betätigungsmittel 2 mechanisch gekoppelt, hier in Form der Stange 2. Das Betätigungsmittel 2 dient zur Betätigung der Teilventile 43, 44, d.h. zum Öffnen und Schließen. Zumindest der Schließkörper 441 des zweiten Sitzventils 44 ist in der gezeigten Ausführung mit dem Betätigungsmittel 2 verbunden. Diese Verbindung kann sowohl fest (wie dargestellt), als auch flexibel durch ein zwischengeschaltetes elastisches Element, beispielsweise eine zwischen Schließkörper 441 und Betätigungsmittel 2 angeordnete Druckfeder, realisiert sein. Der Schließkörper 431 kann entweder ebenfalls so mit dem Betätigungsmittel 2 verbunden sein (fest oder flexibel) oder derart von dem Betätigungsmittel 2 getrennt sein, dass diese den Schließkörper 431 zum Öffnen des ersten Sitzventils 43 lediglich von der Ventilblende 432 wegdrückt und somit die Ventilöffnung 434 freigibt. Somit sind die Teilventile 43, 44 auch in letzterem Fall mechanisch miteinander gekoppelt, da das Betätigungsmittel 2 zumindest beide mechanisch öffnet.
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Das Schließen des ersten Sitzventils 43 erfolgt bei einem bezüglich des Betätigungsmittels 2 losen Schließkörpers 431 durch den Druck des von der Zulauföffnung P des Zulaufbereichs einströmenden Fluids, sobald das Betätigungsmittel 2 von dem Schließkörper 431 wegbewegt wird.
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Durch das Betätigungsmittel 2 sind die Schließkörper 431, 441 so miteinander gekoppelt, dass die Teilventile 43, 44 wechselseitig betätigt werden. Dies bedeutet einerseits, dass falls das erste Teilventil 43 geöffnet wird, das zweite Teilventil 44 geschlossen wird und andererseits, dass falls das erste Teilventil 43 geschlossen wird, das zweite Teilventil 44 geöffnet wird. Die Anordnung und Koppelung der Teilventil 43, 44 entspricht somit einer hydraulischen Halbbrückenschaltung.
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Eine Verschiebung des Betätigungsmittels 2 in Betätigungsrichtung des Elektromagnetteils 3 bewirkt ein Öffnen des ersten Teilventils 43 und gleichzeitiges Schließen des zweiten Teilventils 44. Im Wesentlichen eine Federkraft des in Richtung des Ventilteils 2 gelegenen Federelements des Elektromagnetteils 3 und eine auf den Schließkörper 431 wirkende Fluiddruckkraft bewirken hierbei mit zunehmender Auslenkung des Betätigungsmittels 2 eine ansteigende Gegenkraft gegen die Stellkraft des Elektromagnetteils 3. Somit öffnet sich das erste Teilventil 43 nur so weit, bzw. das zweite Teilventil 44 schließt nur so weit, bis sich zwischen Stellkraft und Gegenkraft ein Kräftegleichgewicht einstellt. Dabei stellt sich in Abhängigkeit der Öffnungsweiten der Teilventile 43, 44 in der Ablauföffnung A des ersten Ablaufbereichs ein bestimmter Fluiddruck ein, der unterhalb des an der Zulauföffnung P des Zulaufbereichs anliegenden Fluiddrucks liegt und oberhalb des an der Ablauföffnung T des zweiten Ablaufbereichs anliegenden Fluiddrucks liegt.
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Der Fluiddruck im zweiten Ablaufbereich T entspricht dabei, wie erläutert, in der Regel einem Umgebungsdruck oder einem umgebenden atmosphärischen Druck, da die Ablauföffnung T des zweiten Ablaufbereichs normalerweise an ein unter atmosphärischem Umgebungsdruck stehendes Fluidreservoir angeschlossen ist. Da die mittels des Elektromagnetteils 3 erzeugte Stellkraft von der Stärke des zugeführten elektrischen Stroms abhängt und die Gegenkraft von einer Auslenkung des Betätigungsmittel 2 abhängt, kann somit sehr genau anhand des zugeführten elektrischen Stromes ein Druckniveau an der Ablauföffnung A des ersten Ablaufbereichs eingestellt werden.
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Hierbei sei angemerkt, dass die in 2 dargestellten Schaltstellungen des Elektromagnetteils 3 und des Ventilteils 4 den Schaltstellungen in einer Mittelstellung des Fluidventils entsprechen, in der das Elektromagnetteil 3 elektrisch bestromt ist und dieses daher eine gewisse Stellkraft auf das Betätigungsmittel 2 in Richtung des Ventilteils 4 erzeugt. Die zu Bestromung verwendete Stromstärke entspricht dabei jedoch keiner maximal möglichen Stromstärke. Die Teilventile 43, 44 sind demzufolge nur zu ca. 50% geöffnet. Im unbestromten Zustand wird vom Elektromagnetteil 3 keine Stellkraft erzeugt, und das erste Teilventil 43 ist voll geschlossen und das zweite Teilventil 44 voll geöffnet. Somit kann dann kein Fluid die Druckregelventilvorrichtung von der Zulauföffnung P her durchströmen (ein Druck ist an dem ersten Ablaufbereich A somit auf den Wert „0“ bzw. auf einen atmosphärischen Druck eingestellt). Das in 2 gezeigte Fluidventil ist folglich normally-closed (normally-low), was einer steigenden p/I-Ventilkennlinie entspricht. Das bedeutet, dass mit steigender Stärke des dem Elektromagnetteil 3 zugeführten elektrischen Stroms die davon erzeugte Stellkraft ansteigt, wodurch das erste Teilventil 43 öffnet und das zweite Teilventil 44 schließt. Somit steigt dann der an der ersten Ablauföffnung A abgreifbare Fluiddruck an. Die Betätigungsrichtung des Elektromagnetteils 3 ist folglich in Richtung des Ventilteils 4 (in 2 nach unten) gerichtet.
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Das Fluidventil kann allerdings problemlos auch so umgestaltet werden, dass es normally-open (normally-high) ist, was einer fallenden p/I-Kennlinie entspricht. Hierbei ist im unbestromten Ausgangszustand das erste Teilventil 43 voll geöffnet und das zweite Teilventil 44 voll geschlossen, wodurch Fluid von der Zulauföffnung P ausschließlich zu der ersten Ablauföffnung A fließen kann und dort somit ein maximaler Fluiddruck anliegt. Mit zunehmender elektrischen Bestromung des Elektromagnetteils 3 wird das erste Teilventil 43 geschlossen und das zweite Teilventil 44 geöffnet, und der an dem ersten Ablaufbereich P abgreifbare Fluiddruck sinkt entsprechend. Hierzu sind das erste und zweite Teilventil 43, 44 so umkonfiguriert, dass zum einen der Schließkörper 431 und die korrespondierende Steuerkante 433 des ersten Teilventils 43 stromab der Ventilöffnung 434, angeordnet sind und zum anderen der Schließkörper 441 und die korrespondierende Steuerfläche 443 des zweiten Teilventils 44 stromauf der Ventilöffnung 444 angeordnet sind. Außerdem muss dann das Elektromagnetteil 3 so umkonfiguriert werden, dass dessen Betätigungsrichtung vom Ventilteil 4 weggerichtet ist (in 2 nach oben).
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Gemäß 2 ist zulaufseitig, d.h. stromauf, des ersten Teilventils 43 in der Zulauföffnung P bzw. in dem Zulaufbereich eine erste Strömungsführungseinrichtung 46 angeordnet, welche dem zufließenden Fluid im Bereich des ersten Teilventils 43 einen Drall aufprägt. Dies ist so zu verstehen, dass die das erste Teilventil 43 durchströmenden Fluidteilchen um die Längsachse L rotieren, also einen Strudel um die Längsachse L bilden. Hierdurch kann eine Unempfindlichkeit gegen Anregungen oder Störungen im Fluidfluss, beispielsweise bei Druckschwankungen des dem Fluidventil zufließenden Fluids, erzielt werden.
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Die erste Strömungsführungseinrichtung 46 ist optional, d.h. stattdessen kann auch eine Zulauföffnung vorgesehen sein, die dem zuströmenden Fluid keine spezielle Strömungscharaktristik aufprägt. Beispielsweise kann es sich bei der Zulauföffnung P des Zulaufbereichs um eine normale Bohrung oder ähnliches handeln.
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Nach Durchströmen des ersten Teilventils 43 gelangt das Fluid in einen Zwischenraum 47, wo sich die Fluidstömung in eine erste Teilströmung hin zu dem ersten Ablaufbereich A und eine zweite Teilströmung hin zu dem zweiten Teilventil 44 dem zweiten Ablaufbereich T aufteilt, vorausgesetzt, das zweite Teilventil 44 ist zumindest teilweise geöffnet. Das Mengenverhältnis der ersten und zweiten Teilströmung wird somit durch die Öffnungsweite des zweiten Teilventils 44, im Detail durch die effektive Ventilöffnungsfläche des zweiten Teilventils 44, bestimmt.
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Es sind mehrere radiale Ablauföffnungen A des ersten Ablaufbereichs im Gehäuse 41 des Ventilteils 4 vorgesehen, zum Abfluss der ersten Teilströmung. Zudem sind auch mehrere radiale Ablauföffnungen T des zweiten Ablaufbereichs in dem Gehäuse 41 vorgesehen, zum Ablauf der zweiten Teilströmung. Es genügt jedoch jeweils nur eine Ablauföffnung A, T vorzusehen. Außerdem können die Ablauföffnungen A, T je nach Kanalführung im Gehäuse 41 auch axial aus diesem austreten.
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Ebenfalls optional ist, wie in 2 dargestellt, in dem Zwischenraum 47 stromauf des zweiten Teilventils 43, strömungstechnisch zwischen dem ersten und zweiten Ablaufbereich A, T, eine zweite Strömungsführungseinrichtung 48 vorgesehen. Diese ist derart ausgeführt, dass das zu dem zweiten Auslaufbereich T strömende Fluid, d.h. die zweite Teilströmung, im Bereich des zweiten Teilventils 44 in einen Drall um die Längsachse L versetzt wird. Hierdurch kann eine Leckage des Fluidventils reduziert und eine Ventildynamik erhöht werden.
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Bevorzugt, jedoch nicht zwingend, sind die Strömungsführungseinrichtungen 46, 48 wie dargestellt so ausgeführt, dass die durch sie erzeugten Dralls der Fluidströmungen den gleichen Drehsinn haben. Somit ist der Drehsinn der das erste Teilventil 43 durchströmenden Fluidströmung und der Drehsinn der das zweite Teilventil 44 durchströmenden Fluidströmung gleich. Hierdurch wird die Schwingstabilität des Fluidventils weiter erhöht.
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3a und 3b zeigen jeweils eine Vergrößerung des Ausschnitts B aus 2, wobei jeweils unterschiedliche Ausgestaltungen des Schließkörpers 441 des zweiten Teilventils 44 dargestellt sind. Wie erläutert ist der Schließkörper 441 des zweiten Teilventils 44 kegelartig ausgeführt, mit mehreren Kegelbereiche K1 bis K4, die über zueinander unterschiedliche Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 verfügen.
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Der Schließkörper 441 gemäß der 3a weist insgesamt vier Kegelbereiche K1 bis K4 auf, die jeweils über unterschiedliche Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 und optional auch unterschiedliche axiale Längen l_K1 bis l_K4 verfügen. Statt vier können aber auch weniger Kegelbereiche vorgesehen sein, beispielsweise zwei oder drei. Es können aber auch mehr als vier Kegelbereiche vorgesehen sein, beispielsweise fünf, sechs oder sieben.
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Die Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 sind die Winkel um welchen die Mantelfläche des jeweiligen Kegelbereichs K1 bis K4 gegenüber der Betätigungsachse des Teilventils, also der Längsachse L, geneigt sind. Eine Schließrichtung ist diejenige Richtung, in welche der Schließkörper 44 verschoben werden muss, damit das Teilventil 44 schließt, während eine Öffnungsrichtung diejenige Richtung ist, in welche der Schließkörper 44 verschoben werden muss, damit das Teilventil 44 öffnet. Ein spitzer Kegelwinkel (< 90°) alpha_K1 bis alpha_K4 liegt dann vor, wenn sich der Schließkörper 441 in dem entsprechenden Kegelbereiche K1 bis K4 in Schließrichtung verjüngt, während ein stumpfer Kegelwinkel (> 90°) alpha_K1 bis alpha_K4 dann vorliegt, wenn sich der Schließkörper 441 in dem entsprechenden Kegelbereiche K1 bis K4 in Schließrichtung aufweitet (siehe beispielsweise 3b, Kegelbereich K3). Als ein Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 ist insbesondere ein Winkel ungleich 0° und ungleich 90° zu verstehen.
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Einer ersten axialen Stirnseite des Schließkörpers 441 schließt sich im in 3a gezeigten Ausführungsbeispiel direkt in Schließrichtung ein zylindrischer Bereich an. Hieran schließt sich dann in Schließrichtung direkt der erste, dann der zweite, dann der dritte und dann der vierte Kegelbereiche K1 bis K4 an. An den vierten Kegelbereiche K4 schließt sich zuletzt direkt eine zweite axiale Stirnseite des Schließkörpers 441 an. Die Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 sind dabei so gewählt, dass sich der Schießkörper 441 mit jedem der vier Kegelbereiche K1 bis K4 zunehmend verjüngt. Die Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 sind daher jeweils spitz. Ein Außendurchmesser des Schießkörpers 441 an der ersten axialen Stirnseite ist daher dessen maximaler Außendurchmesser, während ein Außendurchmesser des Schießkörpers 441 an der zweiten Stirnseite dessen minimaler Außendurchmesser ist. Es kann hierbei vorgesehen sein dass zwischen zwei Kegelbereichen K1 bis K4 ein zylindrischer Abschnitt vorgesehen ist. Es kann auch vorgesehen sein, dass einer oder mehrere der Kegelbereiche K1 bis K4 einen stumpfen Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 aufweisen und sich der Schließkörper 441 somit dort in Schließrichtung aufweitet.
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In einer Schließstellung liegt der Schießkörpers 441 lediglich mit dem ersten Kegelbereich K1 flächig an der korrespondierenden hohlkegelförmigen Steuerfläche 443 (Ventilsitz) des zweiten Teilventils 44 an. Es kann allerdings auch vorgesehen sein, dass dann mehrere der Kegelbereiche K1 bis K4 an der Steuerfläche 443 anliegen. Die Steuerfläche 443 verfügt in diesem Fall über mehrere hohlkegelförmige Bereiche, die zu den daran anliegenden Kegelbereichen des Schließkörpers 441 korrespondieren.
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Gemäß des Ausführungsbeispiels der 3b verfügt der Schließkörper 441 lediglich über drei Kegelbereiche K1 bis K3, mit zueinander unterschiedlichen Kegelwinkeln alpha_K1 bis alpha_K3. Hierbei weist der dritte Kegelbereich K3 einen stumpfen Kegelwinkel alpha_K3 auf. Außerdem verfügt der zweite Kegelbereich K2 in 3b über einen anderen Kegelwinkel alpha_K2 als derjenige aus 3a. Des Weiteren sind die axialen Längen l_K2, l_K3 der Kegelbereich K2, K3 gegenüber denjenigen aus 3a verschieden.
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Insbesondere durch das Vorsehen eines Kegelbereichs mit einem stumpfen Kegelwinkel an der Stirnseite des Schließelements 441 in Schließrichtung, wie in 3b gezeigt, wird eine Leckage des Fluidventils reduziert. Dies ist darauf zurückzuführen, dass eine derartige Aufweitung des Schließelements 441 in Schließrichtung ein gewisses Strömungshindernis darstellt, das ein Durchfließen des zweiten Sitzventils 44 erschwert. Die Mantelfläche des Schließelements 441 erhält hierdurch eine konkave Form.
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Es sei angemerkt, dass die Kegelbereiche K1 bis K4 nicht wie dargestellt hart ineinander übergehen müssen. Das heißt, die zwischen den Kegelbereichen K1 bis K4 gebildeten Kanten oder Knicke können zumindest zum Teil geglättet sein, beispielsweise durch Radien oder anderweitige weiche Übergänge. Hierdurch wird ein strömungsgünstig sanfter Übergang zwischen zumindest zwei der Kegelbereichen K1 bis K2 geschaffen. Verwirbelungen an den Kanten bzw. Knicken, die sich negativ auf die Schwingungseigenschaften des Fluidventils auswirken, werden somit reduziert. Es kann auch vorgesehen sein, dass zwei nicht direkt benachbarte Kegelbereiche K1 bis K4 gleiche Kegelwinkel alpha_K1 bis alpha_K4 aufweisen.
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Durch die verschiedenen Kegelbereiche K1 bis K4 wird eine bezüglich des Stellewegs des Schließkörpers 441 nicht-proportionale Veränderung des Druckabfalls an dem zweiten Teilventil 44 und der das zweite Teilventil 44 durchströmenden Fluidmenge bewirkt. Bei einem konventionellen Kegelsitzventil, bei dem das Schließelement einen einzigen Kegelbereich aufweist, öffnet sich ein Ventilspalt zwischen Schließelement und Ventilsitz in dem Maße (proportional), in dem das Schließelement um einen Stellweg vom Ventilsitz angehoben wird. Durch Vorsehen mehrerer Kegelbereiche mit verschiedenen Kegelwinkeln verändert sich nun der freigegebene radiale Ventilspalt nicht mehr nur proportional zum Stellweg des Schließelements, sondern zusätzlich entsprechend der gewählten Gestalt der Mantelfläche des Schließelements.
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Bei geeigneter Ausführung der Kegelbereiche K1 bis K4, beispielsweise gemäß 3a oder 3b, kann hierdurch bei einem Fluidventil eine progressive p/I-Kennlinie erreicht werden.
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4 zeigt p/I-Kennlinien eines konventionellen elektromagnetisch betätigten Proportional-Fluidventils (proportionale p/I-Kennlinie) und eines progressiven elektromagnetisch betätigten Fluidventils (progessive p/I-Kennlinie). Die p/I-Kennlinie des Proportional-Fluidventils ist als gestrichelte Kurve dargestellt, während die des progressiven Fluidventils als durchgehende Kurve dargestellt ist. Der elektrische Strom I, der durch den Elektromagnetteil (elektromagnetischen Aktor) des jeweiligen Fluidventils geleitet wird, ist mit I bezeichnet und auf der Abszissenachse aufgetragen. Der Fluiddruck (Arbeitsdruck), der sich dann bei dem anliegenden elektrischen Strom I an einer ersten Ablauföffnung des Fluidventils einstellt, ist mit p bezeichnet und auf der Ordinatenachse aufgetragen.
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Bei dem konventionellen Proportional-Fluidventil (gestrichelt gezeichnete Kennlinie) stellt sich im Arbeitsbereich des Ventils, der zwischen dem Strom I1 und I2 vorliegt, ein im Wesentlichen proportionaler Fluiddruck p ein, der zwischen p1 und p2 liegt. Im Arbeitsbereich ist der an der ersten Ablauföffnung des Fluidventils sich einstellende Fluiddruck p daher im Wesentlichen proportional zum angelegten elektrischen Strom I. Außerhalb des Arbeitsbereichs zwischen I1 und I2 ist die Kennlinie abgeflacht und es liegt keine Proportionalität zwischen Fluiddruck p und elektrischem Strom I vor.
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Bei dem progressiven Fluidventil (durchgehend gezeichnete Kennlinie) liegt in einem ersten Arbeitsbereich, der zwischen dem elektrischen Strom I3 und I4 vorliegt, eine Proportionalität zum anliegenden Fluiddruck p vor, dessen Wert zwischen p3 und p4 beträgt. In diesem ersten Arbeitsbereich ist der an der ersten Ablauföffnung des Fluidventils sich einstellende Fluiddruck p daher im Wesentlichen proportional zum zugeführten elektrischen Strom I. In einem zweiten Arbeitsbereich, der ab dem elektrischen Strom I4 vorliegt, steigt die Kennlinie stark progressiv an. Der Enddruck am rechten Ende der gezeigten Kennlinie entspricht hierdurch dem Enddruck des konventionellen Proportional-Fluidventils. Beide Ventile können daher den gleichen Enddruck ausgeben. Die in 4 gezeigte p/I-Kennlinie des progressiven Fluidventils entspricht im Wesentlichen dem des Ventils aus 2.
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Es ist erkennbar, dass die Steigung der Kennlinie des konventionellen Proportional-Fluidventils zwischen I1 und I4 bzw. p1 und p2 gegenüber der Kennlinie des progressiven Fluidventils wischen I3 und I4 bzw. p3 und p4 deutlich steiler ist. Bei einer steilen p/I-Kennlinie erzeugen kleine Änderungen des elektrischen Stromes I relativ große Änderungen des anliegenden Fluiddrucks p. Ein solches Ventil ist daher schwerer regelbar, da sich Stromschwankungen, die in jedem elektrischen Netz auftreten können, stark auf den Fluiddruck p auswirken. Stromschwankungen im Bereich zwischen I3 und I4 wirken sich bei dem progressiven Fluidventil hingegen nur geringfügig auf den Fluiddruck p aus, da dessen p/I-Kennlinie in diesem Bereich eine deutlich geringere Steigung aufweist. Insbesondere das Einstellen von geringen Drücken, wie sie beispielsweise zum gefühlvollen Betätigen eines Schaltelements eines Fahrzeug-Automatikgetriebes benötigt werden, kann durch ein solches progressive Fluidventil daher vereinfacht werden. Außerdem können über das Fluidventil dann weiterhin hohe Drücke bereitgestellt werden, um das Schaltelement sicher geschlossen zu halten.
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Das Fluidventil wird daher besonders bevorzugt in einem Fahrzeug-Automatikgetriebe zur Betätigung von Schaltelementen des Getriebes eingesetzt. Mittels eines solchen Schaltelements, das im Übrigen insbesondere eine Kupplung oder Bremse sein kann, werden Übersetzungsstufen des Getriebes ein- und/oder ausgelegt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromagnetischer Aktor
- 11
- Gehäuse
- 12
- Magnetspule
- 13
- Magnetjoch
- 131
- erste Tauchstufe
- 132
- Magnetsteuerkante
- 14
- Anker
- 141
- Ankerstange
- 142
- Ankerkörper
- 143
- Antihaftscheibe
- 144
- erste Verjüngung
- 145
- zweite Verjüngung
- 146
- Ankerraum
- 15
- Federelement
- 16
- Magnetjoch
- 161
- Polrohr
- 162
- zweite Tauchstufe
- 17
- Kontaktiervorrichtung
- 18
- Lager
- 19
- Vorspannelement
- 2
- Betätigungsmittel
- 3
- Elektromagnetteil/elektromagnetischer Aktor
- 31
- Gehäuse
- 4
- Ventilteil
- 41
- Gehäuse
- 42
- Filterkorb
- 421
- erster Filter
- 422
- zweiter Filter
- 43
- erstes Teilventil
- 431
- Schließkörper
- 432
- Ventilblende
- 433
- Ventilsteuerkante/Ventilsitz
- 434
- Ventilöffnung
- 44
- zweites Teilventil
- 441
- Schließkörper
- 442
- Ventilblende
- 443
- Ventilsteuerfläche/Ventilsitz
- 444
- Ventilöffnung
- 46
- erste Strömungsführungseinrichtung
- 47
- Zwischenraum
- 48
- zweite Strömungsführungseinrichtung
- A
- erster Ablaufbereich, erste Ablauföffnung
- A1, A2
- axialer Spalt
- alpha_K1 ... K3
- Kegelwinkel
- B
- Ausschnitt
- D1, D2, D3
- erste/zweite/dritte Außenabmessung; erster/zweiter/dritter Außendurchmesser
- d1, d2
- erste/zweite Innenabmessung; erster/zweiter Innendurchmesser
- I, I1 ... I4
- elektrischer Strom
- K1, K2, K3, K4
- Kegelbereich
- L
- Längsachse
- l_K1 ... K4
- axiale Länge
- P
- Zulaufbereich/Zulauföffnung
- p, p1 ... 4
- Fluiddruck
- R1, R2
- radialer Spalt
- T
- zweiter Ablaufbereich, zweite Ablauföffnung
- Ü1, Ü2
- axiale Überdeckung
-
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
-
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2005/026858 A1 [0003, 0026]
- WO 2009/092488 A1 [0004, 0026]
- DE 10255414 A1 [0008, 0023, 0023, 0023, 0050]
- DE 19953788 A1 [0009, 0010]
