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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Hydraulikventile und betrifft insbesondere ein Magnetschieberventil.
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Magnetventile sind Ventile, die von Elektromagneten betätigt werden. Abhängig von der Bauart können Magnetventile sehr schnell schalten. Im Bereich der Hydraulik sind unterschiedliche Bauarten von Magnetventilen bekannt. Im Wesentlichen kann man zwischen (Magnet-)Schieberventilen und Sitzventilen unterscheiden. Im Gegensatz zu Sitzventilen weisen Schieberventile einen Ventilschieber (Ventilkolben) auf, der im Ventilgehäuse entlang seiner Längsachse verschiebbar gelagert ist. Der Ventilschieber weist Laufflächen auf, welche entlang korrespondierender Fläche im Ventilgehäuse gleiten können. Im Ventilgehäuse sind üblicherweise Einlässe bzw. Auslässe für die Hydraulikflüssigkeit vorgesehen. Der Ventilschieber weist Steuerkanten auf, welche mit den Ein- und Auslässen zusammenwirken. Je nach Überdeckung (positiv oder negativ) von Steuerkante und einer korrespondierenden Kante eines Einlasses oder eines Auslasses ist ein Volumenstrom von Hydraulikflüssigkeit über die Steuerkante möglich. Die Überdeckung ist über die Position des Ventilschiebers einstellbar. Bei elektromagnetischen Schaltventilen (schaltenden Magnetventilen) kann der Ventilschieber mit Hilfe eines Elektromagneten von einer ersten Endlage (Ruhelage) in eine zweite Endlage verschoben werden, wodurch die Steuerkanten des Ventilschiebers einen Strömungspfad für die Hydraulikflüssigkeit öffnen oder schließen. Der Elektromagnet kann dabei gegen die Rückstellkraft einer Feder arbeiten, welche den Ventilschieber bei stromlosem Elektromagneten in die Ruhelage zwingt. Schieberventile haben – im Gegensatz zu Ventilen anderer Bauart – allgemein den Vorteil, dass sich komplexere Ventiltypen (z.B. 5/2-Wegeventile) verhältnismäßig einfach durch eine geeignete Gestaltung der Steuerkanten und der Ein- und Auslässe realisieren lassen.
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Die beiden Endlagen, zwischen denen sich der Ventilschieber bewegen kann, werden durch entsprechende Endanschläge im Inneren des Ventilgehäuses definiert. Vor allem bei Ventilen, die konstruktionsbedingt sehr schnell schalten, kann das Anschlagen des Ventilschiebers an die Endanschläge zu Verschleiß führen.
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Bei Magnetventilen weist der Ventilschieber einen weichmagnetischen Anker auf, der gleichzeitig den beweglichen Teil des elektromagnetischen Aktors bildet und mit dem Elektromagneten zusammenwirkt. Jener Teil des Inneren des Ventilgehäuses, der an den Elektromagneten angrenzt und in dem sich auch der Anker hin- und herbewegt (daher auch die Bezeichnung Ankerraum), kann zumindest teilweise mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt sein. Eine Abdichtung des Ankerraums wäre sehr aufwändig. Die im Ankerraum befindliche Hydraulikflüssigkeit kann die Bewegung des Ventilschiebers geringfügig dämpfen. Da bei schnell schaltenden Schieberventilen diese Dämpfung durch konstruktive Maßnahmen bewusst sehr gering gehalten wird (um ein schnelles Schalten zu ermöglichen), wird dadurch die oben erwähnte Problematik des Verschleißes an den Endanschlägen und am Ventilschieber nicht vermieden. Bei bekannten Ventilen ist im Allgemeinen nicht sichergestellt, dass der Ankerraum vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist, da sich der Ankerraum im Wesentlichen durch Leckage füllt. Ist der Ankerraum nicht ausreichend mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, kommt die dämpfende Wirkung der Hydraulikflüssigkeit nicht oder nicht voll zum Tragen und das erwähnte Verschleißproblem kommt verschärft zum Tragen.
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Ein weiteres Problem, welches insbesondere bei schnell schaltenden Schieberventilen auftreten kann, ist eine unzureichende Kühlung des Elektromagneten. Ein schnelles Schalten wird durch eine hohe Beschleunigung des Ventilschiebers erreicht, die wiederum durch hohe magnetische Kräfte (und eine geringe Masse des Ventilschiebers) bewirkt wird. Aus diesem Grund fließen im Elektromagnet hohe Ströme, die insbesondere bei einer kompakten Bauweise des Magneten zu einer starken Erwärmung des Magneten führen können.
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DE 20 2010 004 556 U1 beschreibt ein Hydraulikventil, bei dem ein Ventilschieber über einen Elektromagneten betätigt wird. In
DE 102 23 673 A1 beschreibt eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine.
DE 103 05 985 A1 zeigt einen prellerfreien Magnetsteller für Einspritzventile.
DE 10 2005 017 267 A1 beschreibt eine vormontierte Ankerbaugruppe für einen Common Rail Injektor. In
DE 10 2008 000 907 A1 zeigt ein Magnetventil mit mehrteiligen Anker ohne Ankerführung. In
DE 10 2009 002 126 A1 wird ein druckausgeglichenes Magnetventil beschrieben.
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Die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe kann darin gesehen werden, ein in Bezug auf die oben erwähnte Problematik des Verschleißes verbessertes Magnetschieberventil zu schaffen. Eine verbesserte Kühlung des Elektromagneten wäre zudem wünschenswert.
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Die erwähnte Aufgabe wird durch ein Magnetschieberventil gemäß Anspruch 1 oder 8 gelöst. Unterschiedliche Ausführungsformen und Weiterentwicklungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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Es wird ein Magnetschieberventil beschrieben. Gemäß einem ersten Beispiel der Erfindung umfasst das Ventil ein Ventilgehäuse mit einer Längsachse sowie einen entlang der Längsachse des Ventilgehäuses verschiebbar gelagerten Ventilschieber, der eine Ankerplatte aufweist. Ein Elektromagnet ist derart im Ventilgehäuse angeordnet, dass er eine Kraft auf die Ankerplatte ausüben kann, um diese von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage zu verschieben, wobei die Endlagen durch Endanschläge festgelegt werden. An einem Endanschlag oder an einer Seite der Ankerplatte ist ein halboffener, im Betrieb mit Hydraulikflüssigkeit gefüllter Dämpfungsraum vorgesehen, der durch mindestens eine umlaufende Kante gebildet wird. Ankerplatte und zugehöriger Endanschlag berühren sich entlang der umlaufenden Kante. Bei am Endanschlag anliegender Ankerplatte ist ein Rückstromkanal zwischen Dämpfungsraum und umgebendem Ankerraum vorgesehen.
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Gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung umfasst das Ventil ein Ventilgehäuse mit einer Längsachse sowie einen entlang der Längsachse des Ventilgehäuses verschiebbar gelagerten Ventilschieber, der eine Ankerplatte aufweist. Ein Elektromagnet ist derart im Ventilgehäuse angeordnet, dass er eine Kraft auf die Ankerplatte ausüben kann, um diese in einem Ankerraum von einer ersten Endlage in eine zweite Endlage zu verschieben. Das Ventilgehäuse weist mindestens zwei Ports für Zu- und Abfluss von Hydraulikflüssigkeit auf. Der Ventilschieber weist mindestens zwei Steuerkanten auf sowie mindestens zwei Kanäle, welche die beiden Ports mit dem Ankerraum verbinden. Die Steuerkanten sind derart gestaltet, dass – abhängig von der Position der Ankerplatte – eine erste der Steuerkanten einen ersten Strömungspfad zwischen den beiden Ports öffnet oder verschließt, und mindestens eine zweite Steuerkanten einen weiteren Strömungspfad, der über den Ankerraum führt, öffnet oder verschließt.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand von den in den Abbildungen dargestellten Beispielen näher erläutert. Die Darstellungen sind nicht zwangsläufig maßstabsgetreu und die Erfindung beschränkt sich nicht nur auf die dargestellten Aspekte. Vielmehr wird Wert darauf gelegt, die der Erfindung zugrunde liegenden Prinzipien darzustellen. In den Abbildungen zeigt:
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1 einen Längsschnitt durch ein 2/2-Wege-Magnetschieberventil gemäß einem Beispiel der Erfindung, wobei sich der Ventilschieber in der ersten Endlage (Ruhelage) befindet;
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2 einen Längsschnitt durch das Magnetschieberventil gemäß 1, wobei der Ventilschieber vom Elektromagneten in der zweiten Endlage gehalten wird;
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3 einen Querschnitt durch das Magnetschieberventil, wobei die dem Magneten zugewandte Seite der Ankerplatte sichtbar ist;
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4 einen vergrößerte Darstellung eines Teils der Ankerplatte aus 1 gemäß einem Beispiel der Erfindung;
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5 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Ankerplatte gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung;
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6 eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Ankerplatte gemäß einem weiteren Beispiel der Erfindung;
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7 eine schematische Darstellung einer Ankerplatte gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel und deren Zusammenwirkung mit dem korrespondierenden Endanschlag;
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8 eine schematische Darstellung einer Ankerplatte gemäß einem alternativen Ausführungsbeispiel und deren Zusammenwirkung mit dem korrespondierenden Endanschlag;
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9 eine schematische Darstellung einer Ankerplatte gemäß einem weiteren alternativen Ausführungsbeispiel und deren Zusammenwirkung mit dem korrespondierenden Endanschlag;
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10 eine weiteres Bespiel einer alternativen Gestaltung der Ankerplatte mit gebohrten Nachströmkanälen unter den Kanten, entlang denen der Anker den Endanschlag berührt;
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11 eine weiteres Bespiel einer alternativen Gestaltung der Ankerplatte mit Einkerbungen in den Kanten, entlang denen der Anker den Endanschlag berührt;
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12 eine weiteres Bespiel einer alternativen Gestaltung der Ankerplatte mit einer symmetrisch um die Längsachse umlaufenden Kante entlang der der Anker den Endanschlag berührt; und
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13 das hydraulische Ersatzschaltbild des Magnetschieberventils.
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In den Abbildungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder korrespondierende Komponenten mit gleicher oder ähnlicher Bedeutung.
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Die folgende Beschreibung verwendet als illustratives Beispiel ein 2/2-Wege-Magnetschieberventil. Die Anwendung der Erfindung beschränkt sich jedoch nicht auf derartige 2/2-Wegeventile, sondern kann problemlos auch auf andere Typen von Magnetschieberventilen übertragen werden. Die unterschiedlichen Ventiltypen unterscheiden sich im Wesentlichen an der konstruktiven Ausgestaltung des Ventilschiebers (insbesondere dessen Steuerkanten) sowie des Ventilgehäuses (insbesondere der darin angeordneten Ein- und Auslässe für die Hydraulikflüssigkeit).
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Die und 2 zeigen dasselbe Magnetschieberventil. zeigt den Ventilschieber 3 in seiner als „erste Endlage“ bezeichneten Ruhelage (Ventil geschlossen), zeigt den Ventilschieber 3 in seiner zweiten Endlage (Ventil offen), in der dieser durch den magnetischen Aktor 4 gegen die Rückstellkraft einer Feder 43 gehalten wird (siehe auch hydraulisches Ersatzschaltbild in 13). Manche Teile des Ventils sind der Übersichtlichkeit wegen nur in einer der beiden 1 und 2 beschriftet.
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Im dargestellten Beispiel umfasst das Magnetschieberventil unter anderem ein Ventilgehäuse 1 mit einem Gehäusedeckel 11, einen Ventilschieber 3 (Ventilkolben) und einen druckdichten Magnetaktor 4, welcher ein Joch 41, eine darauf gewickelte Spule 42, einen Anker sowie die Feder 43 aufweist. Der Anker, d.h. der bewegliche Teil des Magnetaktors 4 wird im vorliegenden Beispiel durch die Ankerplatte 31 gebildet, welche gleichzeitig Teil des Ventilschiebers 3 ist. Die Ankerplatte 31 und der übrige Teil des Ventilschiebers 3 können aus einem Stück gefertigt sein. Alternativ kann der Ventilschieber 3 auch aus zwei oder mehreren Bauelementen (möglicherweise aus unterschiedlichen Werkstoffen) zusammengesetzt sein (wovon ein Bauelement z.B. die Ankerplatte 31 ist). Der Ventilschieber 3 ist teilweise hohl, um diesen möglichst leicht zu machen, was wiederum ein schnelles Schalten ermöglicht.
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Im dargestellten Beispiel ist das Magnetschieberventil ist im Wesentlichen rotationssymmetrisch um die Längsachse L, was jedoch nicht notwendigerweise der Fall sein muss. Die (näherungsweise) Symmetrie ergibt sich in der Praxis dadurch, dass das Ventilgehäuse 1 und der Ventilschieber 3, üblicherweise durch Drehen gefertigt werden. Der Ventilschieber 3 ist im Inneren des Ventilgehäuses 1 derart gelagert, dass dieser entlang der Längsachse L (in axialer Richtung) an den Laufflächen 33 gleiten kann. Das heißt, die Außenabmessung (der Durchmesser) des Ventilschiebers 3 und die Innenabmessung (Innendurchmesser) jenes Teils des Ventilgehäuses 1, in dem der Ventilschieber 3 gelagert ist, sind entsprechend einer Spielpassung aufeinander abgestimmt, sodass ein Gleiten möglich ist. Im Inneren des Ventilgehäuses sind umlaufende Nuten 15 und 16 angeordnet, in die radiale Bohrungen münden, welche die Anschlüsse für die Hydraulikflüssigkeit 2 bilden. Die Anschlüsse sind in 1 und 2 mit „Port A“ und „Port B“ bezeichnet, wobei beide Ports jeweils entweder als Einlass (Pumpenanschluss) oder als Auslass (Arbeitsanschluss) fungieren können.
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Der Ventilschieber 3 weist ebenfalls umlaufende Nuten auf, deren Kanten auch als „Steuerkanten“ 32, 32’ bezeichnet werden, da je nach Überdeckung der Steuerkanten mit der Innenwand des Ventilgehäuses 2 das Ventil offen oder geschlossen ist. In der in 1 dargestellten Situation befindet sich der Ventilschieber 3 in seiner ersten Endlage (Ruhelage), die Überdeckung der Steuerkante 32 mit dem korrespondierenden Teil der Innenwand (zwischen den Nuten 15 und 16) des Ventilgehäuses 1 ist positiv. Die Überdeckung der Steuerkante 32’ mit dem korrespondierenden Teil der Innenwand (links der Nut 15) ist ebenso positiv, das heißt die Steuerkanten 32 und 32’ verschließen den Strömungspfad zwischen Port A und Port B, das Ventil ist geschlossen.
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In der in 1 dargestellten Situation befindet sich der Ventilschieber 3 in seiner zweiten Endlage, in der er vom Magnetaktor 4 gehalten wird. In diesem Fall ist die Überdeckung der Steuerkante 32 mit dem korrespondierenden Teil der Innenwand (zwischen den Nuten 15 und 16) des Ventilgehäuses 1 negativ, d.h. es bleibt eine Lücke. Das heißt, es kann Hydraulikflüssigkeit vom Port A über die Nut 15 und die Steuerkante 32 in die Nut 16 hin zum Port B strömen (oder umgekehrt), das Ventil ist offen. Der Großteil des Volumenstroms fließt über die Steuerkante 32.
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Die Überdeckung der Steuerkante 32’ mit dem korrespondierenden Teil der Innenwand (link der Nut 15) ist ebenso negativ: Folglich ist auch eine Strömung vom Port A über die Nut 15, die Steuerkante 32’, die Kanäle 35 und 35’, den Ankerraum 5 und den Kanal 35’’ hin zur Nut 16 und damit zum Port B möglich. Dieser zweite Strömungspfad ermöglicht bei offenem Ventil einen geringen, jedoch definierten Volumenstrom über den Ankerraum 5, der an den Magnetaktor 4 angrenzt. Dieser Volumenstrom durch den Ankerraum 5 ermöglicht einen effizienten Abtransport der in der Spule 42 entstehenden Wärme und sorgt damit für eine Kühlung des Magnetaktors 4. Des Weiteren wird auch sichergestellt, dass der Ankerraum 5 (annähernd) vollständig mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist und eventuell im Ankerraum 5 vorhandene Luft nach einigen wenigen Schaltzyklen (z.B. über den Auslass Port B) abtransportiert wird.
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Wie eingangs erwähnt hängt die konkrete Ausgestaltung der Steuerkanten und der Innenwand des Ventilgehäuses vom Ventiltyp ab, wobei hier beispielhaft ein 2/2-Wegeventil beschrieben ist. Die Gestaltung des Ankers und des Elektromagneten ist weitgehend unabhängig vom Ventiltyp und wird in der Folge näher beschrieben. Im vorliegenden Beispiel ist der Elektromagnet im Wesentlichen ein wie ein Topfmagnet aufgebaut. Das Joch 41 dient als Eisenkern für die Spule 42 und sorgt auch für den magnetischen Rückschluss. Der Topfmagnet ist, wie auch die die Ankerplatte 31, symmetrisch um die Längsachse L angeordnet. Joch 41 und Ankerplatte 31 sind beispielsweise aus einem Magnetwerkstoff, z.B. einem weichmagnetischem bzw. ferromagnetischem Werkstoff. Im vorliegenden Beispiel ist der Topfmagnet (d.h. das Joch 41 und die Spule 42) in den Gehäusedeckel 11 eingebettet, der wiederum in das Ventilgehäuse 1 eingeschraubt werden kann. Gehäusedeckel 11 und Ventilgehäuse 1 weisen entsprechende Gewinde auf. Um den magnetischen Fluss auf das Joch und den Anker zu konzentrieren können das Ventilgehäuse 1 samt Gehäusedeckel 11 aus unmagnetischem Edelstahl gefertigt sein. Zwischen dem Joch 41 und der Ankerplatte 31 ist mindestens eine Feder 43 angeordnet, die die Ankerplatte 31 vom Joch 41 wegdrückt. Der Elektromagnet arbeitet damit gegen die Federkraft der Feder 43 und bei stromloser Spule drückt die Feder 43 die Anker in die erste Endlage (Ruhelage), welche durch einen entsprechenden Endanschlag an der Innenseite des Gehäuses 1 definiert ist (siehe 1). Jener Bereich im Inneren des Ventilgehäuses 1, in dem sich die Ankerplatte 31 hin- und herbewegen kann, wird als Ankerraum 5 bezeichnet (im Wesentlichen also der Bereich zwischen den Endanschlägen, welche die Endlagen des Ankers definieren).
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Unterschiedliche Beispiele einer erfindungsgemäßen Gestaltung der Ankerplatte 31 und der zugehörigen Endanschläge werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die 3 bis 6 näher beschrieben. In 3 zeigt die Darstellung eines Querschnitts durch das Magnetschieberventil, wobei die dem Magneten zugewandte Stirnseite 313 der Ankerplatte 31 sichtbar ist (vgl. 4). 4 zeigt einen korrespondierenden Längsschnitt durch die Ankerplatte 31. Es handelt sich dabei lediglich um eine vergrößerte Darstellung eines Teils der Ankerplatte aus 1. Die Ankerplatte 31 weist mehrere Bohrungen 34 auf, welche dazu dienen, den Strömungswiderstand der Ankerplatte 31 zu reduzieren. Beim Schalten des Ventils kann so Hydraulikflüssigkeit 2 von einer Seite der Ankerplatte 31 (Stirnseite 313, zum Magneten hin orientiert) durch die Bohrungen 34 hindurch auf die andere Seite der Ankerplatte 31 (Rückseite 313’) hin strömen. Es muss also nicht die gesamte von der Ankerplatte 31 verdrängte Hydraulikflüssigkeit 2 außen an der Ankerplatte 31 vorbeiströmen. Die Bohrung in der Mitte der Ankerplatte 31 bildet den Strömungskanal 35’ welche den Innenraum des (hohlen) Ventilschiebers mit dem Ankerraum 5 verbindet und somit eine Strömung vom Port A über den radial verlaufenden Kanal 35, den Innenraum des Ventilschiebers hin zum Ankerraum 5 ermöglicht. Ein Rückfluss von Hydraulikflüssigkeit vom Ankerraum 5 hin zum Port B wird durch eine weitere Bohrung in der Ankerplatte 31 ermöglicht, welche in den 3 und 4 als Kanal 35’’ bezeichnet ist.
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Durch die Kanäle 35, 35’ und 35’’ wird parallel zum Hauptströmungspfad (von der Nut 15 über die Steuerkante 32 in die Nut 16) ein weiterer Strömungspfad über den Ankerraum 5 ermöglicht (von der Nut 15 über die Steuerkante 32’ in den Ankerraum und zurück zur Nut 16). Dieser weitere Strömungspfad, der auch in dem hydraulischen Ersatzschaltbild in 13 skizziert ist, ermöglicht eine kontinuierliche Spülung des Ankerraums 5 mit Hydraulikflüssigkeit 2. Auf diese Weise wird die von der Spule 42 erzeugte Wärme effizient abgeführt und der Magnetaktor gekühlt. Die Hydraulikflüssigkeit 2 dient dabei als Kühlmittel. Gleichzeitig wird sichergestellt, dass der Ankerraum mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt ist und eventuell vorhandene Lufteinschlüsse abtransportiert werden.
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In dem in 4 dargestellten Beispiel sind auf der Stirnseite 313 der Ankerplatte 31 sowie auf deren Rückseite 313’ Ausnehmungen 38 bzw. 38’ vorgesehen. Die Ausnehmungen 38 und 38’ erstrecken sich radial nicht bis an den äußeren Rand der Ankerplatte 31, wodurch die Kanten 322 bzw. 322’ gebildet werden. Beim Verschieben des Ventilschieber 3 muss die Hydraulikflüssigkeit 2 aus der Ausnehmung 32 bzw. 32‘ über die Kanten 321 und 322 bzw. 321’ und 322’ verdrängt werden. Dadurch entsteht ein Druck in den Ausnehmungen 23 bzw. 32’, welcher der jeweiligen Bewegung entgegen wirkt. Je geringer der Restspalt h zwischen dem feststehenden Anschlag und den Kanten 321 und 322 bzw. 321‘ und 322‘ ist desto größer wird der Druck (vgl. auch 7). Bei Schaltzeiten im Bereich von 1 ms ergeben sich Drücke von rund 100 bar. Um in den Endlagen nur linienförmig auf möglichst einer Kante 321 bzw. 321‘ aufzuliegen weisen die Kanten 321 und 322 (sowie 322’ und 321’) eine Höhendifferenz von ∆h auf. Diese liegt dabei im Bereich von wenigen Mikrometern (z.B. ∆h = 15µm) und muss nicht auf beiden Seiten der Ankerplatte gleich sein.
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In einer Ausführungsform kann entlang der Schmalseite der Ankerplatte eine umlaufende Ausnehmung 36 (eine umlaufende Nut) vorgesehen sein, so dass an beiden Seiten der Nut 36 (an den Nutflanken) schmale, federnde Stege 37 und 37’ entstehen. Die Tiefe d (z.B. d = 1,5 mm) der umlaufenden Nut 36 und die Tiefe der Ausnehmungen 38 sind derart aufeinander abgestimmt, dass die Stege 37 und 37’ beim Abbremsen der Bewegung der Ankerplatte durch den in der Rille 32 (oder 32’) auftretenden Druck (z.B. rund 100 bar) elastisch verformt (gebogen) werden, sodass der Höhenunterschied ∆h der Kanten 322 und 321 (oder 322’ und 321’) praktisch kompensiert wird, wodurch die effektive Dämpfungscharakteristik nicht wesentlich von jener Dämpfungscharakteristik abweicht, die man beobachten könnte, wenn die Kanten 322 und 321 gleich hoch wären (∆h = 0). Die in Bezug auf die Dämpfungscharakteristik (unter Umständen unerwünschte) Auswirkung ungleich hoher Kanten 322 und 321 (oder 322’ und 321’) wird also durch die Nachgiebigkeit des Stegs 37 (oder 37’) ausgeglichen.
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Nach dem Kontakt zwischen der Ankerplatte 31 mit einem Endanschlag hebt sich diese wieder vom Endanschlag (aufgrund der Rückstellkraft des elastisch verformten Steges 31 bzw. 37’) ab und es bleibt nur eine Kontaktlinie entlang der höheren Kante 321 bzw 321‘. Zwischen der anderen Kante 322 bzw. 322’ und dem jeweiligen Endanschlag bleibt ein Spalt der Abmessung ∆h. Dieser verbleibende Spalt bildet einen Nachströmkanal (für die Hydraulikflüssigkeit), durch den ein Druckausgleich zwischen dem Druck in den Ausnehmungen 32 bzw 32‘ und dem übrigen Ankerraum 5 sichergestellt wird. Beim Betätigen des Ventils kann durch den Spalt (der durch den Höhenunterschied ∆h entsteht) Hydraulikflüssigkeit in die Ausnehmung 32 bzw 32’ nachströmen, wodurch ein Unterdruck (im Vergleich zum Druck im Ankerraum 5) in der Ausnehmung 32 (oder 32’) vermieden und ein „Festkleben“ des Ankers an dem Endanschlag verhindert wird.
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Die in 4 dargestellten umlaufenden Stege 37 und 37’, weisen an ihren Außenseiten (also umlaufend am äußeren Rand der Stirnseite 313 und der Rückseite 323’ der Ankerplatte 31) die erwähnten rillenförmigen Ausnehmungen 32 und 32’ auf. Die Kontur der Rille entspricht z.B. annähernd einem Kreisbogen (Durchmesser D, z.B. D = 5mm). Am Rand der Rillen 32, 32’ bilden sich jeweils zwei scharfe (spitzwinklige) Kanten. An der Stirnseite 313 verläuft eine erste Kante 321 entlang des Umfangs der Ankerplatte 31 und eine zweite Kante 322 konzentrisch zur ersten, wobei diese an die Ausnehmung 38 anschließt. An der Rückseite sind die Kanten 321’ und 322’ in gleicher Weise angeordnet. Die Anordnung der Stege 37 ist im Wesentlichen symmetrisch in Bezug auf eine Symmetrieebene E, die rechtwinklig zur Längsachse L liegt. Die Symmetrieebene E ist in 4 eingezeichnet. Eine symmetrische Gestaltung ist jedoch nicht zwingend. Die Rillen 32, 32’ bewirken den Vorteil, dass lediglich deren scharfe Kanten 321 und 322 bzw. 321’ und 322’ an den jeweiligen Endanschlägen anliegen. Die Ankerplatte liegt also nicht flächig an einem Endanschlag an, sondern entlang der durch eine Kante (z.B. 321 oder 321’) definierten Linie, was wiederum zur Folge hat, dass die Ankerplatte 31 auch bei hohen Drücken nicht am Endanschlag „klebt“, wobei das Kleben dadurch verhindert wird, dass z.B. durch den erwähnten Höhenunterscheid ∆h zwischen zwei benachbarten Kanten (z.B. 321 und 322) ein Nachströmkanal gebildet wird, durch den beim Lösen des Ankers vom Endanschlag Hydraulikflüssigkeit in die jeweilige Rille 32 (oder 32’) nachströmen kann.
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In 5 ist ein alternatives Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Magnetschieberventils dargestellt, wobei der Unterschied lediglich in der Gestaltung der Ankerplatte 31 und der Endanschläge liegt. Gemäß dem Beispiel aus 5 ist die Ankerplatte 31 im Wesentlichen identisch aufgebaut wie in dem vorherigen Beispiel aus 4. Der einzige Unterschied besteht darin, dass die umlaufende Ausnehmung 36 fehlt und keine federnden Stege gebildet werden (vgl. Stege 37 und 37’ in 4). Im vorliegenden Beispiel sind die federnden Stege nun in den Endanschlägen (mit EA und EA’ bezeichnet) realisiert, welche durch die Stege 13 und 13’ gebildet werden. Im vorliegenden Beispiel ist im Gehäusedeckel 11 eine umlaufende Nut 12 vorgesehen, sodass der verbleibende Steg 13, der als Endanschlag EA dient, dünn genug ist, um die gewünschte federnde Eigenschaft zu besitzen. Der gegenüberliegende Endanschlag EA’ wird durch die Oberfläche des Stegs 13’ gebildet. Konstruktiv ist dieser durch eine Hülse mit L-förmigem Profil realisiert, wobei ein Schenkel der L-Form den federnden Steg 13’ bildet. Die Funktionsweise der Anordnung ist die gleiche wie im vorherigen Beispiel. Die Federwirkung wird in beiden Fällen durch dünne Stege erreicht. Im ersten Beispiel (4) sind die Stege am Anker angeordnet und die Endanschläge EA, EA’ sind starr. Im zweiten Beispiel (5) sind die Stege in den Endanschlägen EA, EA’ realisiert, und der Anker ist starr. Auch eine Kombination aus beiden Varianten (Stege an Endanschlag und am Anker) wäre möglich.
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In 6 ist noch ein weiteres Ausführungsbeispiel dargestellt. Dieses Beispiel entspricht im Wesentlichen dem Beispiel aus 4, wobei jedoch zusätzlich zum Kanal 35’, der vom Inneren des Ventilschiebers 3 in den Ankerraum 5 führt, auch noch der Kanal 35’’’ vorgesehen. Dieser mündet jedoch an der Rückseite 313’ der Ankerplatte 31, wohingegen der Kanal 35’ an der Stirnseite der Ankerplatte 31 mündet. Durch den zusätzlichen Kanal 35’’’ muss nicht der gesamte Volumenstrom (Querschnittsfläche des Ventilschiebers 3 mal Verschiebung) durch den Kanal 35‘ geleitet werden und zusätzlich wird die Spülung des Ankerraums 5 und damit die Kühlung des Magneten weiter verbessert.
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Die Funktionsweise der Dämpfung des Aufpralls der Ankerplatte 31 an einem Endanschlag EA wird anhand der schematischen Darstellung in 7 näher erläutert. In den 8 und 9 sind alternative Ausführungsbeispiele gezeigt, mit denen jedoch im Wesentlichen dieselbe Dämpfungswirkung erzielt wird. 7A zeigt den Rand einer Ankerplatte 31 in einem Abstand von rund h zum Endanschlag EA. Die Ankerplatte 31 weist – wie in dem Beispiel aus den 1 bis 4 – eine rillenförmige Ausnehmung 32 auf, die durch zwei scharfe (spitzwinklige) Kanten 322 und 321 begrenzt wird. Ohne elastische Deformation der Ankerplatte 31 (vgl. 4) oder des Endanschlags EA (vgl. 5) ist der Abstand zwischen der (äußeren) Kante 321 und dem Endanschlag EA gleich h und der Abstand zwischen der (inneren) Kante 322 und dem Endanschlag EA gleich h + ∆h. Wie bereits erwähnt wird bei kleinen Werten von h die Differenz ∆h durch eine elastische Deformation der Ankerplatte 31 oder des Endanschlags EA ausgeglichen. Während sich die Ankerplatte 31 auf den Endanschlag EA zubewegt, wird Hydraulikflüssigkeit aus dem Volumen X zwischen Ankerplatte 31 und Endanschlag EA verdrängt, wobei die verdrängte Hydraulikflüssigkeit über die Kanten 321 und 322 fließen muss (siehe gestrichelte Pfeile in 7A). Durch die rillenförmige Ausnehmung 32 zwischen den Kanten 321 und 322 verhält sich die Strömung über die Kanten 321 und 322 ähnlich wie eine Strömung durch eine Blende und die Dämpfungskraft ist (im vereinfachten Modell) proportional zu v2/h2, wobei v die Geschwindigkeit des Ankers bezeichnet. Im Gegensatz dazu wäre die Dämpfungskraft eines einfachen Spaltes (d.h. ohne Rille 32) proportional zu v/h3, was auch das „Festkleben“ des Ankers bei kleinen Geschwindigkeiten v und sehr kleinen Spaltmaßen h erklärt für den Fall, dass die Ankerplatte 31 annähernd flächig am Endanschlag EA anliegen würde.
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In 7B liegt die Ankerplatte 31 entlang der äußeren Kante 321 am Endanschlag EA an (h = 0), wobei zwischen der inneren Kante 322 und den Endanschlag ein Restspalt der Länge ∆h bleibt. Dieser Restspalt bildet einen Nachströmkanal, durch den, beim Beschleunigen des Ankers von dem Endanschlag EA weg Hydraulikflüssigkeit in die Ausnehmung 32 nachströmen kann (siehe gestrichelter Pfeil in 7B). Wie bereits erwähnt wird dadurch ein „Festkleben“ der Ankerplatte am Endanschlag EA verhindert.
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In 8 ist ein zu 7 alternatives Ausführungsbeispiel dargestellt. Die Differenz ∆h der effektiven Spaltlänge zwischen Endanschlag und den beiden Kanten 322 und 321 ist dabei nicht durch ungleich hohe Kanten realisiert, sondern durch eine Stufe der Höhe ∆h im Endanschlag. Analog zu 7A ist in 8A die Spaltlänge zwischen Endanschlag EA und Kante 321 gleich h und zwischen Endanschlag EA und Kante 322 gleich h + ∆h. Die beiden Lösungen gemäß 7 und 8 können daher als gleichwertig angesehen werden. 8A zeigt die Situation bei Annäherung zwischen Ankerplatte 31 und Endanschlag EA sowie die Verdrängung von Hydraulikflüssigkeit über die Kanten 322 und 321 analog zu dem Beispiel aus 7A. 8B zeigt die Situation der Beschleunigung der Ankerplatte 31 vom Endanschlag EA weg. Analog zum vorherigen Beispiel (7B) ermöglicht der Restspalt der Länge ∆h zwischen Endanschlag EA und Kante 322 ein Nachströmen (siehe gestrichelter Pfeil) von Hydraulikflüssigkeit aus dem Ankerraum 5 in das durch die Ausnehmung 32 definierte Volumen zwischen Ankerplatte 31 und Endanschlag EA.
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9 zeigt eine weitere alternative Ausführungsform des Magnetschieberventils. Im vorliegenden Beispiel weist die Ankerplatte 31 stirnseitig eine plane Oberfläche auf und der Endanschlag EA ist ähnlich gestaltet wie die Ankerplatte im vorherigen Beispiel. Der Endanschlag EA weist eine rillenförmige Ausnehmung 32a auf, welche durch die (spitzwinklige) Kanten 322a und 321a begrenzt ist. Die Kanten weisen einen Höhenunterschied von ∆h auf, sodass die effektive Spaltlänge zwischen Ankerplatte 31 und Endanschlag – wie in den vorherigen Beispielen – bei einer Kante (321a) h und bei der anderen Kante (322a) h + ∆h beträgt. Die Funktionsweise ist identisch wie in Bezug auf 7 erläutert mit dem einzigen Unterschied, dass die Kanten 322a und 321a (und damit die Ausnehmung 32a) am Endanschlag EA realisiert sind statt an der Ankerplatte 31. Das Beispiel aus 9 könnte noch analog zu dem Beispiel aus 8 modifiziert werden. Im vorliegenden Beispiel (9) ist der Endanschlag EA nachgiebig ausgestaltet. Das heißt, der Endanschlag EA ist auf einem dünnen Steg realisiert, sodass es vor dem Kontakt zwischen Ankerplatte 31 und Endanschlag zu der erwähnten elastischen Verformung kommt (vgl. auch das Beispiel aus 5, Steg 13).
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Die 10 und 11 zeigen weitere Alternativen zu den zuvor beschriebenen Beispielen. In beiden Fällen ist eine Ankerplatte 31 dargestellt, die im Wesentlichen gleich aufgebaut ist, wie die Ankerplatte 31 aus 5. Die Funktionsweise des damit realisierten Dämpfungsmechanismus wurde unter Bezugnahme auf 7 erläutert. Ein signifikanter Unterschied zwischen dem vorherigen Beispiel gemäß den 5 und 7 und der Ankerplatte gemäß 10 besteht darin, dass der Nachströmkanal, der gemäß 7 durch die Höhendifferenz ∆h der Kanten 322 und 321 gebildet wird, nun durch kleine Bohrungen 36 gebildet wird, die unter der Kante 322 (und 322’) hindurch den Bereich in der Ausnehmung 32 (und 32’) mit dem umgebenden Ankerraum 5 verbindet. Beim Beschleunigen des Ankers von einem Endanschlag EA oder EA’ weg kann Hydraulikflüssigkeit durch diese Nachströmkanäle 36 in den Bereich zwischen den Kanten 322 und 321 (oder 322’ und 321’) nachströmen, was – wie in Bezug auf 7 beschrieben – ein „Festkleben“ der Ankerplatte 31 am Endanschlag verhindert. Eine elastische Verformung des Endanschlags EA (oder EA’) wie in dem Beispiel gemäß 5 oder eine elastische Verformung der Ankerplatte (der Stege 37 und 37’) wie in dem Beispiel gemäß 4 ist im vorliegenden Beispiel nicht mehr unbedingt nötig. Die Nachströmkanäle sollten jedoch (in Bezug auf Ihren Strömungswiderstand) so dimensioniert werden, dass die Dämpfungswirkung der Kanten 322 und 321 (oder 322’ und 321’) nicht zu stark beeinträchtigt wird.
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Das Beispiel gemäß 11 ist eine Alternative zu dem vorherigen Beispiel gemäß 10, wobei die Nachströmkanäle 36 nicht durch Bohrungen gebildet sind, sondern durch über den Umfang verteilte „Kerben“ in der Kante 322. 11A zeigt einen Längsschnitt und 11B die dazugehörige Seitenansicht. Im Übrigen gelten die Erläuterungen zu 5, 7 und 10 entsprechend.
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In 12 ist ein weiteres Beispiel für eine alternative Ausgestaltung des Ventilschiebers 3, insbesondere der Ankerplatte 31 dargestellt. Die Rückseite der Ankerplatte kann gleich aufgebaut sein wie in dem Beispiel gemäß 5. Die Stirnseite der Ankerplatte hat jedoch statt einer umlaufenden rillenförmigen, von zwei konzentrisch verlaufenden Kanten 321, 322 begrenzten Ausnehmung 32 eine zentrale Ausnehmung 32b, welche von einer umlaufenden Kante 322b begrenz wird. Die Kante 322b weist Nachströmkanäle auf, wie z.B. die Kante 322 in den Beispielen gemäß 10 oder 11. Die Funktionsweise ist im Wesentlichen die gleiche wie in Bezug auf 7 beschrieben. Wenn sich die Ankerplatte auf den Endanschlag EA zubewegt wird Hydraulikflüssigkeit aus dem Bereich zwischen Ausnehmung 32b und Endanschlag EA verdrängt und fließt über die Kante 322b in den benachbarten Teil des Ankerraums 5. Durch die Kante 322b wird eine Blendenwirkung erreicht, wie in Bezug auf 7 erläutert wurde. Das heißt, die Strömung über die Kante 322b aus der Ausnehmung 32b heraus verhält sich ähnlich wie eine Strömung durch eine Blende und die Dämpfungskraft ist (im vereinfachten Modell) proportional zu v2/h2, wobei v die Geschwindigkeit des Ankers bezeichnet. Im Vergleich zu einem gewöhnlichen Dämpfungsspalt (d.h. ohne durch Kanten begrenzte Ausnehmung) ist gemäß den hier beschriebenen Beispielen die Dämpfungskraft auch weniger stark abhängig von der Viskosität der Hydraulikflüssigkeit und damit wirken sich temperaturbedingte Schwankungen der Viskosität weniger aus.
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13 zeigt das schon erwähnte hydraulische Ersatzschaltbild des Ventils inklusive dem zweiten Strömungspfad durch den Ankerraum zur Kühlung des Magnetaktors 4.
