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Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Kippankerventil zum Betätigen einer Fahrzeugbremse, ein Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils und ein Verfahren zum Herstellen eines Kippankerventils.
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Schwere Nutzfahrzeuge weisen häufig eine pneumatisch ansteuerbare Federspeicherbremse als Parkbremse auf. Die Parkbremse kann durch Entlüften eines Federspeicherzylinders mittels eines Magnetventils aktiviert werden. Ein solches Magnetventil kann beispielsweise mit einer Umschaltmechanik nach dem Kugelschreiberprinzip realisiert sein.
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Die nachveröffentlichte Druckschrift
DE 10 2014 115 206 B3 offenbart ein Kippankerventil für ein Druckregelmodul eines Fahrzeugs und ein Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein verbessertes Magnetventil zum Betätigen einer Fahrzeugbremse, ein verbessertes Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils und ein verbessertes Verfahren zum Herstellen eines Kippankerventils zu schaffen.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch ein Kippankerventil zum Betätigen einer Fahrzeugbremse gemäß Anspruch 1, ein Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils gemäß Anspruch 13 und ein Verfahren zum Herstellen eines Kippankerventils gemäß Anspruch 15 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den jeweiligen Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.
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Der hier beschriebene Ansatz schafft ein Kippankerventil zum Betätigen einer Fahrzeugbremse, wobei das Kippankerventil folgende Merkmale aufweist:
- eine Halbschale;
- ein Deckelelement, das die Halbschale fluiddicht abdeckt, um einen Ventilraum zu bilden, wobei das Deckelelement zumindest eine Steueröffnung und einen Durchlass zum Leiten eines Fluids durch den Ventilraum aufweist;
- einen magnetisch leitenden Kippanker mit zumindest einem Dichtelement, wobei der Kippanker im Ventilraum zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition bewegbar angeordnet ist, wobei das Dichtelement die Steueröffnung in der Schließposition fluiddicht verschließt und in der Öffnungsposition freigibt; und
- eine Spuleneinrichtung, die an einem dem Deckelelement gegenüberliegenden Boden der Halbschale außerhalb des Ventilraums angeordnet und ausgebildet ist, um den Kippanker zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition zu bewegen, wobei die Spuleneinrichtung einen magnetisch leitenden Spulenkern und zumindest eine um den Spulenkern gewickelte Spule aufweist, wobei der Spulenkern in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zum Boden angeordnet ist.
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Unter einer Fahrzeugbremse kann eine pneumatisch ansteuerbare Bremse für ein Schienenfahrzeug oder ein Nutzfahrzeug verstanden werden. Insbesondere kann es sich bei der Fahrzeugbremse um eine als Feststellbremse dienende Federspeicherbremse handeln. Das Kippankerventil kann beispielsweise zum Entlüften eines Federspeicherzylinders der Fahrzeugbremse dienen. Unter einem Kippankerventil kann ein Ventil mit einem Kippanker und einem Elektromagneten zur Betätigung des Kippankers, beispielsweise ein bistabiles Magnetventil, verstanden werden. Je nach Ausführungsform kann die Halbschale und/oder das Deckelelement aus einem magnetisch nicht leitenden Material gefertigt sein. Die Halbschale und das Deckelelement können beispielsweise mittels Laserschweißen oder eines sonstigen geeigneten Fügeverfahrens miteinander verbunden sein, um ein fluiddichtes Ventilgehäuse zu bilden. Beispielsweise kann die Halbschale den Boden und eine den Boden umgebende Seitenwand aufweisen. Das Deckelelement kann mit der Seitenwand verbunden sein, um die Halbschale abzudecken. Somit kann unter dem Boden ein Abschnitt der Halbschale verstanden werden, der sich gegenüber dem Deckelelement erstreckt und je nach Höhe der Seitenwand in einem bestimmten vertikalen Abstand zum Deckelelement angeordnet ist.
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Unter einer Steueröffnung kann eine mittels des Kippankers verschließbare Öffnung im Deckelelement verstanden werden. Der Kippanker kann beispielsweise als drehgelagerte Ventilklappe oder Wippe ausgestaltet sein.
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Unter einer Spuleneinrichtung kann ein Elektromagnet verstanden werden. Die Spuleneinrichtung kann auf einer von dem Deckelelement abgewandten Seite des Bodens liegend angeordnet sein, sodass sich der Spulenkern im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Bodens erstreckt, beispielsweise innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbereichs von 1 bis 5 Grad Abweichung. Die Spuleneinrichtung kann beispielsweise derart am Boden befestigt sein, dass sie zumindest teilweise in den Ventilraum hineinragt. Somit kann beim Fließen eines elektrischen Stroms durch die Spule ein Magnetfluss durch den Kippanker geleitet werden, der bewirkt, dass sich der Kippanker je nach Orientierung des Magnetflusses von der Schließ- in die Öffnungsposition oder von der Öffnungs- in die Schließposition bewegt oder in einer dieser Positionen magnetisch gehalten wird.
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Der hier beschriebene Ansatz beruht auf der Erkenntnis, dass eine Magnetspule zur Betätigung eines Kippankerventils liegend auf einem Ventilgehäuse des Kippankerventils platziert werden kann, sodass sich die Magnetspule außerhalb eines Ventilraums des Kippankerventils befindet. Dadurch kann die Temperaturfestigkeit des Kippankerventils verbessert werden. Zudem lässt sich das Kippankerventil durch eine derartige Anordnung der Magnetspule mit einem einfachen, robusten und kostengünstigen Aufbau realisieren, indem beispielsweise alle pneumatischen Anschlüsse an einer der Magnetspule gegenüberliegenden Unterseite des Kippankerventils ausgebildet werden können.
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Gemäß einer Ausführungsform kann das Dichtelement unter Verwendung eines Klebematerials am Kippanker befestigt sein. Beispielsweise kann das Dichtelement zumindest teilweise aus einem fluidundurchlässigen Elastomer gefertigt sein. Durch das Klebematerial können Fehlwinkel infolge aufaddierter Bauteiltoleranzen ausgeglichen werden. Durch ein möglichst fehlwinkelfreies Platzieren des Dichtelements gegenüber der Steueröffnung mittels Kleben kann eine zuverlässige Abdichtung der Steueröffnung in der Schließposition gewährleistet werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn das Kippankerventil zumindest ein Dämpferelement aufweist, das an einer dem Boden zugewandten Seite des Kippankers oder an einer dem Kippanker zugewandten Seite des Bodens angeordnet ist, um beim Bewegen des Kippankers in die Öffnungsposition eine mechanische Schwingung des Kippankers, insbesondere eine Vibration, eine Erschütterung oder einen Stoß, zu dämpfen. Insbesondere kann das Dämpferelement unter Verwendung eines Klebematerials an dem Kippanker oder dem Boden befestigt sein. Das Dämpferelement kann zumindest teilweise aus einem elastisch verformbaren Material aufgebaut sein. Beispielsweise können das Dämpferelement und das Dichtelement baugleich sein. Diese Ausführungsform ermöglicht auch bei hohen Stellkräften eine zuverlässige Funktion des Kippankerventils. Zudem kann dadurch ein Verschleiß des Kippankerventils reduziert werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Kippankerventil einen Zwischenboden aufweisen, der im Ventilraum an dem Boden angeordnet sein kann, um einen durch den Zwischenboden und den Boden begrenzten zusätzlichen Ventilraum zu bilden. Der Zwischenboden kann eine Zwischenbodenöffnung und einen Fluidkanalanschluss aufweisen. Der Kippanker kann ein zusätzliches Dichtelement aufweisen, das die Zwischenbodenöffnung in der Öffnungsposition fluiddicht verschließt und in der Schließposition freigibt. An den Fluidkanalanschluss kann ein Fluidkanal für ein Back-up-Ventil angeschlossen sein. Insbesondere kann der Fluidkanal durch eine Aussparung im Kippanker und, alternativ oder zusätzlich, durch den Durchlass hindurchgeführt sein. Unter einem Zwischenboden kann ein napf- oder tellerförmiges Element, beispielsweise ein Blechtiefziehteil, verstanden werden. Diese Ausführungsform ermöglicht es, das Kippankerventil mit geringem zusätzlichem Fertigungsaufwand als Back-up- oder Umschaltventil zu realisieren.
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Von Vorteil ist ferner, wenn die Spuleneinrichtung eine magnetisch leitende erste Seitenwand und eine magnetisch leitende zweite Seitenwand aufweist. Die Spule kann zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand angeordnet sein, insbesondere wobei ein erstes Ende des Spulenkerns durch die erste Seitenwand hindurchreicht und ein zweites Ende des Spulenkerns durch die zweite Seitenwand hindurchreicht. Die erste Seitenwand und die zweite Seitenwand können derart an dem Boden befestigt sein, dass ein Endabschnitt der ersten Seitenwand gegenüber einem ersten Ankerende des Kippankers in den Ventilraum hineinragt und ein Endabschnitt der zweiten Seitenwand gegenüber einem zweiten Ankerende des Kippankers in den Ventilraum hineinragt. Beispielsweise können die erste und die zweite Seitenwand je durch einen Schlitz im Boden hindurchgesteckt und im Bereich der Schlitze in einem geeigneten Fügeverfahren, etwa mittels Schweißen oder Kleben, mit dem Boden verbunden sein. Durch eine derartige Anordnung der Seitenwände lässt sich auf relativ einfache Weise eine magnetische Kopplung zwischen Spulenrichtung und Kippanker realisieren. Gleichzeitig kann die Spuleneinrichtung mittels der Seitenwände stabil an der Halbschale befestigt werden.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann das Dichtelement im Bereich des ersten Ankerendes angeordnet sein. Hierbei kann das zweite Ankerende drehbar an dem Endabschnitt der zweiten Seitenwand gelagert sein. Dadurch, dass der Drehpunkt und das Dichtelement in einem möglichst großen Abstand voneinander angeordnet werden, kann bereits bei geringen Magnetkräften eine hohe Ventilschließkraft erreicht werden.
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Es ist von Vorteil, wenn das Deckelelement eine weitere Steueröffnung aufweist. Dabei kann das Dichtelement im Bereich des ersten Ankerendes angeordnet sein. Der Kippanker kann ein im Bereich des zweiten Ankerendes angeordnetes weiteres Dichtelement und eine zwischen dem Dichtelement und dem weiteren Dichtelement angeordnete Vertiefung aufweisen. Das weitere Dichtelement kann die weitere Steueröffnung in der Öffnungsposition fluiddicht verschließen und in der Schließposition freigeben. Die Spuleneinrichtung kann eine um den Spulenkern gewickelte und zwischen der ersten Seitenwand und der zweiten Seitenwand angeordnete weitere Spule und einen zwischen der Spule und der weiteren Spule angeordneten Dauermagneten mit einem durch den Boden in den Ventilraum hineinragenden Vorsprung aufweisen. Die Vertiefung kann ausgeformt sein, um den Vorsprung aufzunehmen, um eine Drehbewegung des Kippankers um den Vorsprung zu ermöglichen. Insbesondere kann der Vorsprung mit einem magnetisch leitenden Blechteil verkleidet sein. Diese Ausführungsform ermöglicht es, ein bistabiles Kippankerventil mit hoher Schüttelfestigkeit zu realisieren, wobei der am Vorsprung drehgelagerte Kippanker als Umschalter dienen kann. Der Kippanker kann beispielsweise durch gemeinsames Ansteuern der beiden Spulen zwischen Schließ- und Öffnungsposition umgeschaltet werden. Unter einem Dauermagnet kann ein hartmagnetisches Material, etwa eine Legierung aus Eisen, Kobalt, Nickel oder bestimmten Ferriten, verstanden werden. Der Dauermagnet kann ein statisches Magnetfeld erzeugen, ohne dass dazu ein elektrischer Stromfluss erforderlich ist. Mittels des Dauermagnets kann der Kippanker auch im stromlosen Zustand der Spuleneinrichtung sicher in der Schließ- bzw. Öffnungsposition gehalten werden.
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Besonders günstig ist es, wenn der Dauermagnet den Spulenkern zumindest teilweise umschließt. Dadurch kann in jeder Endstellung des Kippankers ein geschlossener Magnetkreis aus dem Dauermagneten, dem Spulenkern, zumindest einer der beiden Seitenwände und dem Kippanker gebildet werden. Insbesondere kann der Kippanker über das Blechteil magnetisch leitend mit dem Dauermagnet gekoppelt sein.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform kann an einer dem Deckelelement zugewandten Seite des Kippankers ein Federelement, etwa ein Federblech oder ein federndes Drahtbiegeteil, angeordnet sein. Je nach Ausführungsform kann entweder das Dichtelement oder das weitere Dichtelement oder beide Dichtelemente an einer dem Deckelelement zugewandten Seite des Federelements befestigt sein. Insbesondere kann dabei das Dichtelement bzw. das weitere Dichtelement unter Verwendung eines geeigneten Klebematerials mit dem Federelement verklebt sein. Das Federelement kann ausgebildet sein, um das Dichtelement in der Schließposition mit einer vorbestimmten Federkraft gegen die Steueröffnung zu drücken und, zusätzlich oder alternativ, das weitere Dichtelement in der Öffnungsposition mit der vorbestimmten Federkraft gegen die weitere Steueröffnung zu drücken. Beispielsweise kann die Federkraft 1 N, 3 N, 5 N oder 7 N betragen. Durch ein derartiges Federelement kann die Ventilschließkraft, mit der die Steueröffnung und die weitere Steueröffnung verschlossen werden können, verstärkt werden und somit auch bei starken Erschütterungen eine zuverlässige Funktion des Kippankerventils sichergestellt werden. Vorteilhafterweise kann das Federelement ausgeformt sein, um den Kippanker im Ventilraum zu fixieren.
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Je nach Ausführungsform kann das Federelement zumindest eine erste Befestigungslasche oder eine zweite Befestigungslasche aufweisen. Die erste Befestigungslasche kann in einer Öffnung im ersten Ankerende befestigt sein. Die zweite Befestigungslasche kann in einer Öffnung im zweiten Ankerende befestigt sein. Insbesondere kann hierbei die erste Befestigungslasche in der Öffnung im ersten Ankerende und, zusätzlich oder alternativ, die zweite Befestigungslasche in der Öffnung im zweiten Ankerende innerhalb eines vorbestimmten Toleranzbereichs vertikal beweglich sein. Die beiden Befestigungslaschen können beispielsweise hakenförmig aus einem Material des Federelements gebogen sein und je nach Ausführungsform zur form- oder kraftschlüssigen Verbindung des Federelements an dem Kippanker dienen. Beispielsweise können die Befestigungslaschen durch eine jeweilige Öffnung hindurchreichen und mit einer dem Federelement gegenüberliegenden Seite des Kippankers kraftschlüssig, formschlüssig oder kraft- und formschlüssig verhakt oder verrastet sein. Mithilfe solcher einfach zu realisierenden Befestigungslaschen kann das Federelement stabil an den Kippanker gekoppelt werden, ohne dass dadurch eine beim Umschalten des Kippankers zu bewegende Umschaltmasse signifikant erhöht wird.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, wenn das Federelement zumindest eine Führungslasche zum Führen des Kippankers in der Halbschale aufweist. Die Führungslasche kann wie die erste oder zweite Befestigungslasche aus einem Material des Federelements gebogen sein. Die Führungslasche kann ausgeformt sein, um den Kippanker beim Bewegen zwischen Schließ- und Öffnungsposition vertikal oder horizontal in der Halbschale zu führen. Durch eine solche Führungslasche kann eine genaue Positionierung des Dichtelements auf der Steueröffnung beim Bewegen des Kippankers in die Schließposition bzw. eine genaue Positionierung des weiteren Dichtelements auf der weiteren Steueröffnung beim Bewegen des Kippankers in die Öffnungsposition gewährleistet werden. Dadurch kann die Dichtheit des Kippankerventils verbessert werden.
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Es ist vorteilhaft, wenn ein Drehpunkt des Kippankers bei der Drehbewegung um den Vorsprung im Wesentlichen einem Massenmittelpunkt des Kippankers entspricht. Dadurch können die auf den Kippanker wirkenden Massenbeschleunigungskräfte gering gehalten werden und die Schüttelfestigkeit des Kippankerventils verbessert werden.
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Der hier vorgeschlagene Ansatz schafft zudem ein Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils gemäß einer der hier beschriebenen Ausführungsformen, wobei das Verfahren den folgenden Schritt umfasst:
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Ausgeben eines Steuersignals, um die Spuleneinrichtung derart zu bestromen, dass der Kippanker durch einen beim Bestromen der Spuleneinrichtung erzeugten ersten Magnetfluss durch das Kippankerventil von der Öffnungsposition in die Schließposition bewegt wird und/oder in der Schließposition gehalten wird, und/oder um die Spuleneinrichtung derart zu bestromen, dass der Kippanker durch einen beim Bestromen der Spuleneinrichtung erzeugten zweiten Magnetfluss durch das Kippankerventil von der Schließposition in die Öffnungsposition bewegt wird und/oder in der Öffnungsposition gehalten wird.
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Beispielsweise können die Spule und die weitere Spule in Reihe oder parallel geschaltet sein und über einen zweipoligen Anschlusskontakt derart gemeinsam ansteuerbar sein, dass der Kippanker über die beiden Ankerenden gleichzeitig in die Schließ- oder Öffnungsposition gedrückt und gezogen wird. Dadurch können hohe Umschaltkräfte erreicht werden. Ein Umschalten zwischen Schließ- und Öffnungsposition kann etwa durch kurzzeitiges Umpolen der beiden Spulen erfolgen.
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Schließlich schafft der hier vorgestellte Ansatz ein Verfahren zum Herstellen eines Kippankerventils zum Betätigen einer Fahrzeugbremse, wobei das Verfahren folgende Schritte umfasst:
- Bereitstellen einer Halbschale, eines Deckelelements mit zumindest einer Steueröffnung und einem Durchlass, einer Spuleneinrichtung aus einem magnetisch leitenden Spulenkern und zumindest einer um den Spulenkern gewickelten Spule und eines magnetisch leitenden Kippankers mit zumindest einem Dichtelement; und
- Zusammenbauen des Kippankerventils, wobei die Halbschale fluiddicht mit dem Deckelelement abgedeckt wird, um einen Ventilraum zu bilden, wobei die Steueröffnung und der Durchlass ausgebildet sind, um ein Fluid durch den Ventilraum zu leiten, wobei der Kippanker im Ventilraum zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition bewegbar angeordnet wird, wobei das Dichtelement die Steueröffnung in der Schließposition fluiddicht verschließt und in der Öffnungsposition freigibt, wobei die Spuleneinrichtung an einem dem Deckelelement gegenüberliegenden Boden der Halbschale außerhalb des Ventilraums derart angeordnet wird, dass der Spulenkern in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zum Boden angeordnet ist, wobei die Spuleneinrichtung ausgebildet ist, um den Kippanker zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition zu bewegen.
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Bevorzugte Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden nachfolgend Bezug nehmend auf die beiliegenden Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
- 1 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 2 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 3 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils in der Schließposition mit alternativer Dämpferanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 4 eine schematische Querschnittsdarstellung eines als Back-up- und Umschaltventil fungierenden Kippankerventils in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 5 eine schematische Querschnittsdarstellung eines als Back-up- und Umschaltventil fungierenden Kippankerventils in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 6 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht;
- 7 eine schematische Darstellung eines Ventilgehäuses zum Aufnehmen eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 8 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 9 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 10 eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 11 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Spuleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht;
- 12 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Spuleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Frontansicht;
- 13 eine schematische Querschnittsdarstellung einer Spuleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht;
- 14 eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer Spuleneinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Frontansicht;
- 15 eine schematische Darstellung eines geöffneten Ventilsitzes eines bistabilen Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 16 eine schematische Darstellung eines verschlossenen Ventilsitzes eines bistabilen Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
- 17 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Betreiben eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung; und
- 18 ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zum Herstellen eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung.
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In der nachfolgenden Beschreibung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der vorliegenden Erfindung werden für die in den verschiedenen Zeichnungen dargestellten und ähnlich wirkenden Elemente gleiche oder ähnliche Bezugszeichen verwendet, wobei eine wiederholte Beschreibung dieser Elemente weggelassen wird.
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1 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100 in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Kippankerventil 100 zum Betätigen einer Fahrzeugbremse weist eine Halbschale 102 auf, die durch ein Deckelelement 104 fluiddicht verschlossen ist, um einen Ventilraum 106 zu bilden. In dem Ventilraum 106 ist ein Kippanker 108 aus einem magnetisch leitenden Material angeordnet. Der Kippanker 108 ist zwischen einer Schließposition und einer Öffnungsposition drehbar gelagert. In 1 befindet sich der Kippanker 108 in der Schließposition. Das Deckelelement 104 weist eine Steueröffnung 110 und einen Durchlass 112 auf. Durch die Steuereröffnung 110 und den Durchlass 112 kann ein Fluid, insbesondere ein Gas, durch den Ventilraum 106 geleitet werden. In 1 ist das Deckelelement 104 im Bereich der Steuereröffnung 110 mit einer Einwölbung dargestellt, die als Ventilsitz 114 fungiert. An einer dem Deckelelement 104 zugewandten Unterseite des Kippankers 108 ist ein Dichtelement 116 befestigt, das in der in 1 gezeigten Schließposition auf dem Ventilsitz 114 aufliegt und somit die Steueröffnung 110 fluiddicht verschließt.
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An einem dem Deckelelement 104 gegenüberliegenden Boden 118 der Halbschale 102 ist eine Spuleneinrichtung 120 zur Betätigung des Kippankers 108 angeordnet. Die Spuleneinrichtung 120 umfasst einen magnetisch leitenden Spulenkern 122, um den eine Magnetspule 124 gewickelt ist. Die Spuleneinrichtung 120 ist außerhalb des Ventilraums 106 liegend auf dem Boden 118 platziert, sodass sich der Spulenkern 122 in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zum Boden 118 erstreckt. Die Spuleneinrichtung 120 dient zum Umschalten des Kippankers 108 zwischen Öffnungs- und Schließposition.
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Gemäß dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel umfasst die Spuleneinrichtung 120 eine erste Seitenwand 126 und eine zweite Seitenwand 128 aus einem magnetisch leitenden Material. Die Spule 124 ist um einen zwischen den beiden Seitenwänden 126, 128 befindlichen Spulenträger 130 gewickelt, wobei der Spulenkern 122 durch den Spulenträger 130 hindurchgeführt ist. In den Spulenträger 130 ist ein Anschlusskontakt 131 zum elektrischen Kontaktieren der Spule 124 integriert. Ferner ragt ein erstes Ende 132 des Spulenkerns 122 durch eine Öffnung in der ersten Seitenwand 126 und ein zweites Ende 134 des Spulenkerns 120 durch eine Öffnung in der zweiten Seitenwand 128. Je nach Ausführungsform können die beiden Enden 132, 134 mit der jeweiligen Seitenwand kraft-, form- oder stoffschlüssig verbunden sein.
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Der Boden 118 weist in einem einem ersten Ankerende 136 des Kippankers 108 gegenüberliegenden Bereich einen ersten Schlitz auf, durch den ein dem Boden 118 zugewandter Endabschnitt 138 der ersten Seitenwand 126 hindurchgeführt ist. Der im Ventilraum 106 befindliche Endabschnitt 138 liegt somit dem ersten Ankerende 136 gegenüber. In der Schließposition ist der Endabschnitt 138 durch einen Luftspalt vom ersten Ankerende 136 getrennt. Analog dazu ist ein dem Boden 118 zugewandter Endabschnitt 140 der zweiten Seitenwand 128 durch einen zweiten Schlitz im Boden 118 hindurchgeführt, wobei der zweite Schlitz in einem einem zweiten Ankerende 142 des Kippankers 108 gegenüberliegenden Bereich des Bodens 118 ausgebildet ist. Somit liegt der Endabschnitt 140 dem zweiten Ankerende 142 gegenüber. Die Seitenwände 126, 128 sind im Bereich der Schlitze in einem geeigneten Fügeverfahren, etwa durch Laserschweißen oder Kleben, fluiddicht mit dem Boden 118 verbunden.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Dichtelement 116 im Bereich des ersten Ankerendes 136 mit dem Kippanker 108 verklebt. Das zweite Ankerende 142 ist mit einer Rille ausgeformt, die durch eine am Deckelelement 104 verankerte Feder 144 gegen den Endabschnitt 140 gedrückt wird. Der Endabschnitt 140 ist mit einer einer Kontur der Rille entsprechenden Gegenkontur ausgeformt, genauer mit einer Rundung, durch die eine drehbare Lagerung des Kippankers 108 um den Endabschnitt 140 ermöglicht wird. Die Feder 144 kann ferner ausgebildet sein, um den als Ventilträger dienenden drehgelagerten Kippanker 108 mit einem in Richtung der Schließposition wirkenden Drehmoment zu beaufschlagen, sodass das Dichtelement 116 in der Schließposition gegen den Ventilsitz 114 gedrückt wird. Um den Kippanker 108 in die Schließposition zu bewegen, wird beispielsweise ein Stromfluss durch die Spuleneinrichtung 120 unterbrochen, sodass keine Magnetkraft oder nur noch eine geringe Restmagnetkraft auf den Kippanker 108 wirkt. Dabei wird der Kippanker 108 durch die Feder 144 in die Schließposition gedrückt. Um den Kippanker 108 in die Öffnungsposition zu bewegen, kann die Spuleneinrichtung 120 eingeschaltet werden. Dadurch wirkt eine magnetische Anziehungskraft auf das erste Ankerende 136, die größer ist als eine von der Feder 144 auf den Kippanker 108 ausgeübte Federkraft.
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Zwischen den im Ventilraum 106 befindlichen Endabschnitten 138, 140 ist ein Dämpferelement 146 angeordnet, das gemäß diesem Ausführungsbeispiel an einem dem Kippanker 108 gegenüberliegenden Abschnitt des Bodens 118 befestigt ist. Beispielsweise kann das Dämpferelement 146 mit dem Boden 118 verklebt sein. Das Dämpferelement 146 dient als elastisch verformbarer Anschlag für den Kippanker 108. Durch das Dämpferelement 146 können Schwingungen des Kippankers 108, wie sie beispielsweise durch Stöße oder Erschütterungen oder beim schnellen Bewegen des Kippankers 108 in die Öffnungsposition ausgelöst werden können, verhindert werden. Gemäß einem weiter unten beschriebenen Ausführungsbeispiel kann das Dämpferelement 146 als Dämpferpille und das Dichtelement 116 als Ventilpille aus einem preisgünstigen Blechtopf mit einvulkanisiertem Ventilgummi als Dicht- bzw. Dämpfungsmaterial realisiert sein, wobei die Dämpferpille und die Ventilpille baugleich sein können.
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Dadurch, dass das Dämpferelement 146 und das Dichtelement 116 eingeklebt werden, können Fehlwinkel aus Einzeltoleranzen ausgeglichen werden, d. h., durch Einkleben des Dämpferelements 146 und des Dichtelements 116 kann eine Teiletoleranz erweitert werden.
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Das in 1 gezeigte Magnetventil 100 mit Kippanker 108 bietet den Vorteil eines robusten, einfachen Grundaufbaus sowie einer besseren Temperaturfestigkeit, da die Magnetspule in Form der Spuleneinrichtung 120 außerhalb des Ventilraums 106 angeordnet werden kann. Beispielsweise kann das Kippankerventil 100 mittels einer Klemmverschraubung 148 in ein Gehäuse eingebaut werden. Die Klemmverschraubung 148 kann durch einen Trockenkleber gegen Lösen gesichert sein. Ein Kontaktbereich zwischen Deckelelement 104 und Gehäuse kann durch O-Ringe 150 im Bereich der Steueröffnung 110 und des Durchlasses 112 fluiddicht abgedichtet sein. Wie aus 1 ersichtlich, befinden sich alle pneumatischen Anschlüsse des Kippankerventils 100 an einer der Spuleneinrichtung 120 gegenüberliegenden Unterseite des Kippankerventils 100. Dies ermöglicht einen besonders einfachen Einbau des Kippankerventils 100.
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2 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100 in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Kippankerventil 100 handelt es sich beispielsweise um ein Kippankerventil, wie es vorangehend anhand von 1 beschrieben ist. 2 zeigt die Spuleneinrichtung 120 im eingeschalteten Zustand. Entsprechend einer in 2 eingezeichneten Stromrichtung eines durch die Spule 124 fließenden Stromes wird ein Magnetfluss 200 erzeugt, der vom Spulenkern 122 über die zweite Seitenwand 128 in den Kippanker 108 und vom Kippanker 108 über die erste Seitenwand 126 zurück in den Spulenkern 122 geleitet wird. Der Magnetfluss 200 bewirkt, dass das erste Ankerende 136 vom Endabschnitt 138 der ersten Seitenwand 126 angezogen wird und der Kippanker 108 von der Schließposition in die Öffnungsposition gekippt wird. Dadurch wird die Steueröffnung 110 freigegeben. Das Dämpferelement 146 verhindert dabei ein zu hartes Anschlagen des ersten Ankerendes 136 gegen den Endabschnitt 138.
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3 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100 in der Schließposition mit alternativer Dämpferanordnung gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 3 gezeigte Kippankerventil 100 entspricht im Wesentlichen dem anhand von 1 beschriebenen Kippankerventil, mit dem Unterschied, dass das Dämpferelement 146 gemäß 3 nicht mit dem Boden 118, sondern mit einer dem Boden 118 gegenüberliegenden Oberseite des Kippankers 108 verklebt ist. Zudem weist der Boden 118 in einem dem Dämpferelement 146 gegenüberliegenden Bereich eine leichte Bodeneinwölbung 300 auf, durch die ein zusätzlicher Dämpfungseffekt erzielt werden kann.
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4 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines als Back-up- und Umschaltventil fungierenden Kippankerventils 100 in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das in 4 dargestellte Kippankerventil 100 entspricht größtenteils dem anhand von 3 beschriebenen Kippankerventil. Im Gegensatz zu 3 ist das Kippankerventil 100 in 4 mit einem Zwischenboden 400 gezeigt, hier einem napfförmigen Blechtiefziehteil, das im Ventilraum 106 zwischen den beiden Endabschnitten 138, 140 fluiddicht mit dem Boden 118 verschweißt ist, um einen zusätzlichen Ventilraum 402 zu bilden. Der Zwischenboden 400 weist eine Zwischenbodenöffnung 404 und einen Fluidkanalanschluss 406 auf. Die Zwischenbodenöffnung 404 ist dem hier als zusätzliches Dichtelement fungierenden Dämpferelement 146 gegenüberliegend angeordnet, sodass das Dämpferelement 146 in der Öffnungsposition die Zwischenbodenöffnung 404 fluiddicht verschließt. An den Fluidkanalanschluss 406 ist beispielhaft ein gerades, dünnes Rohr als Fluidkanal 408 angeschweißt. Der Fluidkanal 108 reicht durch eine Aussparung 410 im Kippanker 108 sowie durch den Durchlass 112.
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5 zeigt das anhand von 4 beschriebene Kippankerventil 100 in der Öffnungsposition, in der die Zwischenbodenöffnung 404 fluiddicht durch das Dämpferelement 146 verschlossen ist und die Steueröffnung 112 freigegeben ist.
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6 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Kippankerventils 100 in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht. Der Aufbau des in 6 dargestellten Kippankerventils 100 entspricht im Wesentlichen einem vorangehend anhand der 1 bis 5 beschriebenen Aufbau. Zu sehen sind die Spuleneinrichtung 120 mit der Spule 124, dem Spulenkern 122 und eine der beiden Seitenwände 126, 128, etwa die erste Seitenwand 126 mit dem in den Ventilraum 106 hineinragenden Endabschnitt 138. Ein Feldverlauf 600 durch die Seitenwand 126 und die Spule 124 ist mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet. Eine Lage eines Lagerdrehpunkts des Kippankers 108 ist durch einen Schnittpunkt zweier senkrecht aufeinander stehender Linien angedeutet.
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Die Feder 144 ist gemäß dem in 6 gezeigten Ausführungsbeispiel als ein gehärteter Blechbiegedraht mit zwei einander gegenüberliegenden Führungslaschen 602 zur Ankerquerführung realisiert. Die Führungslaschen 602 sind jeweils um einen Seitenrand des Kippankers 108 nach oben, d. h. in Richtung der Spuleneinrichtung 120, umgebogen und jeweils in einem Spalt zwischen der Halbschale 102 und dem Kippanker 108 angeordnet. Die Führungslaschen 602 sind derart gebogen, dass sie sowohl an der Halbschale 102 als auch am Kippanker 108 anliegen. Berührungspunkte zwischen Führungslaschen 602, Halbschale 102 und Kippanker 108 sind mit kleinen Pfeilen markiert. Bevorzugt wird dabei der Berührungspunkt der Führungslaschen 602 an der senkrechten Außenwand der Halbschale 102 im Drehpunkt des Kippankers gewählt.
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Die Spule 124 weist beispielsweise eine Länge von 29 mm und einen Durchmesser von 19,5 mm auf.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des Ventilgehäuses 700 zum Aufnehmen eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Ventilgehäuse 700 umfasst einen Einbauraum 702, in dem gemäß diesem Ausführungsbeispiel zwei Auslassventile 703 (AV), zwei Einlassventile 704 (EV) und zwei Back-up-Ventile 706 (BU), auch Rückhalteventile genannt, eingebaut sind. Bei den Ventilen 703, 704, 706 kann es sich um Kippankerventile gemäß einem der hier beschriebenen Ausführungsbeispiele handeln. Die Ventile 703, 704, 706 weisen beispielsweise eine Grundfläche von 25 mm mal 25 mm auf. Die Abmessungen des Einbauraums 702 betragen beispielsweise 60 mm mal 135 mm.
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Das Ventilgehäuse 700 kann als Aludruckgussgehäuse realisiert sein. In dem Einbauraum 702 sind mehrere Blechunterlagen 708 angeordnet, die auf einem Boden des Ventilgehäuses 700 aufliegen können. Beispielsweise können die Blechunterlagen 708 je mit einem Schraubloch 709 zum Aufnehmen einer Furchschraube, etwa mit M6-Gewinde, ausgebildet sein. Die Blechunterlagen 708 können an den Ecken niedergebogen und einschneidend sein.
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Das Ventilgehäuse 700 weist ferner Auflagen oder Halterungen 710 zur Anordnung einer Leiterplatte im Ventilgehäuse 700 auf.
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8 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils 100 in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Im Unterschied zu einem vorangehend beschriebenen Kippankerventil weist das in 8 gezeigte bistabile Kippankerventil 100 eine Spuleneinrichtung 120 auf, um deren Spulenträger 130 neben der Spule 124 eine weitere Spule 800 gewickelt ist, wobei die Spule 124 angrenzend an die erste Seitenwand 126 und die weitere Spule 800 angrenzend an die zweite Seitenwand 128 angeordnet ist. Die Seitenwände 126, 128 können demgemäß auch als Ankerstirnwände bezeichnet werden. Beispielsweise können die Seitenwände 126, 128 jeweils aus einem 2,5 mm starken, magnetisch leitenden Stanzblech mit einer Breite von 20 mm und einer Höhe von 23 mm gefertigt sein. Der durch den Spulenträger 130 hindurchreichende Spulenkern 122 kann mit den beiden Seitenwänden 126, 128 ringförmig verstemmt sein. Der Spulenträger 130, auch Spulenkörper genannt, kann beispielsweise eine Länge von 35 mm und einen Durchmesser von 19,5 mm aufweisen.
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Zwischen den beiden Spulen 124, 800 befindet sich ein Dauermagnet 802 mit einem abgerundeten Vorsprung 804, der durch eine Öffnung im Boden 118 in den Ventilraum 106 hineinragt. Der Boden 118 ist im Bereich der Öffnung mit einer Einwölbung ausgeformt. In dieser Einwölbung ist der Dauermagnet 802 platziert. In der Einwölbung ist ferner ein Dichtungsring 805 platziert, beispielsweise ein O-Ring, der radial um den Dauermagneten 802 verläuft und das Austreten eines Fluids aus der durch den Vorsprung 804 verschlossenen Öffnung im Boden 118 verhindert.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist der Vorsprung 804 mit einem magnetisch leitenden Blechteil 806 zur Ankerlagerung verkleidet.
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Der Kippanker 108 ist als zweischenklige Wippe mit freien Ankerenden 136, 142 ausgeformt. Beispielsweise kann der Kippanker 108 aus einem 1,5 mm bis 2 mm starken, magnetisch leitenden Stanzbiegeblech mit einer Länge von 34 mm und einer Breite von 15 mm bis 20 mm gefertigt sein. An der dem Deckelelement 104 zugewandten Unterseite des Kippankers 108 ist ein Federelement 808 angeordnet. Das Federelement 808 erstreckt sich annähernd über eine gesamte Länge des Kippankers 108. Das Dichtelement 116 ist mit einem im Bereich des ersten Ankerendes 136 befindlichen Ende des Federelements 808 verklebt. Ein weiteres Dichtelement 810, das baugleich mit dem Dichtelement 116 sein kann, ist mit einem im Bereich des zweiten Ankerendes 142 befindlichen Ende des Federelements 808 verklebt. Das Federelement 808 ist im Bereich des ersten Ankerendes 136 über eine erste Befestigungslasche 811 und im Bereich des zweiten Ankerendes 142 über eine zweite Befestigungslasche 812 mit dem Kippanker 108 mechanisch gekoppelt. Je nach Ausführungsform der beiden Dichtelemente 116, 810 kann das Federelement 808 auch als Dichtpillenhalter bezeichnet werden.
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Mittig zwischen den beiden Dichtelementen 116, 810 weist der Kippanker 108 eine Vertiefung 813 auf, deren Kontur einer Rundung des Vorsprungs 804 entspricht. Der Vorsprung 804 ist in der Vertiefung 813 angeordnet, sodass der Kippanker 108 um den Vorsprung 804 drehbar ist. Das Blechteil 806 dient zur Reduzierung von Reibungskräften beim Bewegen des Kippankers 108 um den Vorsprung 804. Beispielsweise können die an der Ankeraufhängung auftretenden Reibungskräfte mittels des Blechteils 806 auf 0,1 N oder weniger reduziert werden. Das Federelement 808 dient dazu, den Kippanker 108 am Vorsprung 804 zu fixieren.
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Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel ist der Kippanker 108 derart ausgeformt, dass ein Drehpunkt des Kippankers 108 um den Vorsprung 804 im Wesentlichen einem Massenmittelpunkt des Kippankers 108 entspricht. Der Dreh- bzw. Massenmittelpunkt ist in 8 als Schnittpunkt zweier orthogonal aufeinander stehender gestrichelter Linien angedeutet. Dadurch kann eine hohe Schüttelfestigkeit des Kippankers 108 in einer jeweiligen Schaltposition erreicht werden. Zudem können dadurch die beim Bewegen des Kippankers 108 auftretenden Massenbeschleunigungskräfte reduziert werden.
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Das Deckelelement 104 weist in einem dem weiteren Dichtelement 810 gegenüberliegenden Bereich einen weiteren Ventilsitz 814 mit einer weiteren Steueröffnung 815 auf. In der in 8 gezeigten Öffnungsposition wird das zweite Ankerende 142 durch einen von der Spuleneinrichtung 120 mittels der beiden Spulen 124, 800 erzeugten Magnetfluss 816 derart vom Endabschnitt 140 der zweiten Seitenwand 128 weggedrückt, dass das weitere Dichtelement 810 die weitere Steueröffnung 815 fluiddicht verschließt. Der Magnetfluss 816 ist mit gestrichelten Pfeilen angedeutet. Gleichzeitig wird das erste Ankerende 136 durch den Magnetfluss 816 vom Endabschnitt 138 der ersten Seitenwand 126 derart angezogen, dass das Dichtelement 116 die Steueröffnung 110 freigibt und somit eine fluidische Verbindung zwischen der Steueröffnung 110 und dem Durchlass 112 hergestellt wird. Mittels eines drehbaren Umschalters in Form des Kippankers 108 kann das Kippankerventil 100 je nach Ausführungsform als Schließer/Öffner oder als 3/2-Wegeventil realisiert werden. Hierbei sind alle pneumatischen Anschlüsse des Kippankerventils 100, d. h. die beiden Steueröffnungen 110, 815 und der in 8 beispielhaft mittig zwischen den beiden Steueröffnungen 110, 815 angeordnete Durchlass 112, leicht zugänglich an einer Unterseite des Kippankerventils 100 angeordnet. Beispielsweise kann die Steueröffnung 110 als Schließer, der Durchlass 112 als Ausgang und die weitere Steueröffnung 815 als Öffner fungieren. Alternativ kann die Steueröffnung 110 zur Steuerung eines Auslasses und die weitere Steueröffnung 815 zur Steuerung eines Vorrats dienen, wobei der Durchlass mit einer Arbeitskammer verbunden ist.
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Gemäß dem in 8 gezeigten Ausführungsbeispiel dient das Federelement 808 insbesondere dazu, das weitere Dichtelement 810 in der Öffnungsposition, d. h. in einer Position des Kippankers 108, in der die weitere Steueröffnung 815 durch das weitere Dichtelement 810 fluiddicht verschlossen ist und die Steueröffnung 110 freigegeben ist, zusätzlich zu einer durch den Magnetfluss 816 auf das zweite Ankerende 142 ausgeübten Magnetkraft mit einer vorbestimmten Federkraft auf den weiteren Ventilsitz 814 zu drücken. Je nach Ausführungsform des Federelements 808 kann die im Wesentlichen senkrecht auf den weiteren Ventilsitz 814 wirkende Federkraft zwischen 1 N und 5 N, insbesondere 3 N, betragen. Eine Wirkrichtung der auf den weiteren Ventilsitz 814 wirkenden Federkraft ist mit zwei kleinen Pfeilen gekennzeichnet. Analog dazu ist auch das Dichtelement 116 in der Schließposition, d. h. in einer Position des Kippankers 108, in der die Steueröffnung 110 durch das Dichtelement 116 fluiddicht verschlossen ist und die weitere Steueröffnung 815 freigegeben ist, mittels des Federelements 808 mit der vorbestimmten Federkraft beaufschlagbar, wie weiter unten anhand von 10 beschrieben.
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Wie aus 8 ersichtlich, können die Spulen 124, 800 über einen zweipoligen Anschlusspin 131 gemeinsam ansteuerbar sein, um das Kippankerventil 100 umzuschalten. Die beiden nebeneinanderliegenden Spulen 124, 800 können beispielsweise gemeinsam auf den Spulenträger 130 gewickelt werden.
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Mittels einer durch den Dauermagneten 802 erzeugten dauermagnetischen Haltekraft ist es möglich, in jeder Endstellung des drehgelagerten Kippankers 108 einen geschlossenen Magnetkreis zu bilden, sodass der Kippanker 108 auch bei stromlosen Spulen 124, 800 sicher in einer aktuellen Schaltposition gehalten wird. Unter einer Endstellung oder Ruhestellung des Kippankers 108 kann ein mechanischer Endlagepunkt des Kippankers 108 verstanden werden. Die Endstellungen können der Schließ- bzw. Öffnungsposition entsprechen. Mittels der durch den Dauermagneten 802 ausgeübten dauermagnetischen Kraft kann der Kippanker 108 in beiden mechanischen Endlagepunkten stromlos gehalten werden. Diese Ruhehaltekraft kann durch einen von den Spulen 124, 800 erzeugten Restmagnetismus verstärkt werden.
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Durch kurzzeitiges Ansteuern der beiden Magnetspulen 124, 800 wird dieser Magnetkreis so verändert, dass eine offene Seite des Kippankers 108, in 8 das zweite Ankerende 142, eine Anziehungskraft erfährt, während eine geschlossene Seite des Kippankers 108, in 8 das erste Ankerende 136, abgestoßen wird. Dadurch wird das Magnetventil 100 von der Öffnungsposition in die Schließposition umgeschaltet, wie weiter unten anhand von 10 beschrieben. Ein erneutes Umschalten des Magnetventils 100 in die Öffnungsposition kann durch entsprechend umgepoltes, kurzzeitiges Ansteuern der beiden Magnetspulen 124, 800 erfolgen. Durch gleichzeitiges Drücken und Ziehen an den beiden Ankerenden 136, 142 werden hohe Umschaltkräfte ermöglicht. Zugleich kann dadurch eine hohe Betätigungszahl erreicht werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel sind die Bauteile des Kippankerventils 100 mit Ausnahme des Spulenträgers 130 und des Dauermagneten 802 größtenteils aus Stahl gefertigt. Als Ankerlagerung dient beispielsweise ein im Dauermagneten 802 eingespritztes und gehärtetes Blechbiegeteil 806. Ein am Kippanker 108 platziertes Federblech dient als Federelement 808, um den Kippanker 108 zu fixieren und die zum Verschließen der Ventilsitze 114, 814 erforderlichen Ventilschließkräfte zu erzeugen. Die Halbschale 102 und das Deckelelement 104, die Teile eines magnetisch nicht leitenden, zweiteiligen Ventilgehäuses sind, der Kippanker 108 und die zur Erzeugung des Magnetkreises erforderlichen Bauteile können als Blechstanz- oder Tiefziehteile realisiert sein. Das gesamte Kippankerventil 100 kann beispielsweise eine Länge von 60 mm, eine Breite von 25 mm und eine Höhe von 29 mm zuzüglich einer Länge des zweipoligen Anschlusskontakts 131 aufweisen.
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9 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils 100 in der Öffnungsposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 9 zeigt das Kippankerventil 100 aus 8 mit einem alternativen Magnetfluss durch den Spulenkern 122, die beiden Seitenwände 126, 128, den Kippanker 108 und den Dauermagneten 802. Der Magnetfluss ist mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet.
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10 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines bistabilen Kippankerventils 100 in der Schließposition gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Bei dem Kippankerventil 100 handelt es sich um das anhand der 8 und 9 beschriebene Kippankerventil. Im Unterschied zu den 8 und 9 befindet sich das Kippankerventil 100 in 10 in der Schließposition. Wie bereits weiter oben erwähnt, wird hierbei das zweite Ankerende 142 von einer durch die Spuleneinrichtung 120 erzeugten Magnetkraft gegen den Endabschnitt 140 der zweiten Seitenwand 128 gedrückt, sodass die weitere Steueröffnung 815 freigegeben ist. Gleichzeitig wird in dieser Kippstellung des Kippankers 108 die Steueröffnung 110 fluiddicht von dem Dichtelement 116 verschlossen, wobei das Federelement 808 das Dichtelement 116 mit der vorbestimmten Federkraft auf den Ventilsitz 114 drückt. Eine Wirkrichtung der auf den Ventilsitz 114 wirkenden Federkraft ist mit zwei kleinen Pfeilen gekennzeichnet.
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11 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Spuleneinrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht. Bei der Spuleneinrichtung 120 kann es sich um eine Spuleneinrichtung handeln, wie sie vorangehend anhand der 8 bis 10 beschrieben ist. Zu sehen sind eine die beiden Spulen 124, 800 umfassende Zweifachspule, der durch die Spulen 124, 800 hindurchreichende Spulenkern 122, eine von der Betrachterebene abgewandte Seitenwand der Spuleneinrichtung 120, hier die zweite Seitenwand 128, sowie der Dauermagnet 802. Der Dauermagnet 802 weist in der Seitenansicht einen kegelstumpfförmigen Querschnitt auf, der sich in Richtung des Spulenkerns 122 verjüngt. Ein dem Spulenkern 120 zugewandtes abgeflachtes Ende des Dauermagneten 802 ist mit einer halbkreisförmigen Magnetvertiefung 1100 ausgeformt, deren Kontur im Wesentlichen einer Kontur des Spulenkerns 122 entspricht. Der Spulenkern 122 ist in die Magnetvertiefung 1100 eingebettet und wird dabei in etwa zur Hälfte von dem Dauermagneten 802 umschlossen. Ein Feldverlauf eines durch den Dauermagneten 802 in Richtung des Spulenkerns 122 geleiteten Magnetflusses ist mit gestrichelten Pfeilen gekennzeichnet.
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Der Dauermagnet 802 ist über den als Gehäusedichtung fungierenden Dichtungsring 805 fluiddicht mit der Halbschale 102, genauer mit der Einwölbung im Bereich der durch den Vorsprung 804 verschlossenen Öffnung, verbunden. Zu erkennen ist ferner das Blechteil 806 zur Lagerung des Kippankers 108.
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Der Durchmesser des Dichtungsrings 805 in der Seitenansicht beträgt beispielsweise 17 mm. Der vertikale Abstand zwischen einem Mittelpunkt des Spulenkerns 122 und einem dem Kippanker 108 zugewandten Ende des Vorsprungs 804 beträgt beispielsweise 15,5 mm. Die Zweifachspule misst beispielsweise 29 mm in der Länge und 19,5 mm im Durchmesser. Der magnetisch leitende Spulenkern 122 weist beispielsweise eine Länge von 35 mm und einen Durchmesser von 9 mm auf. Der Dauermagnet 802 kann gemäß einem Ausführungsbeispiel in einem Spritzgießverfahren aus Hartferrit und PA6 hergestellt werden.
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12 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung eines Abschnitts einer in 11 gezeigten Spuleneinrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Frontansicht. Bei der in 12 gezeigten Querschnittsdarstellung handelt es sich um einen Schnitt durch die in 11 gezeigte Spuleneinrichtung entlang einer Schnittlinie A. Der Durchmesser des Dichtungsrings 805 in der Frontansicht beträgt im Unterschied zum Durchmesser in der Seitenansicht beispielsweise 8 mm. Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Blechteil 806 bei der Herstellung des Dauermagneten 802 in den Dauermagneten 802 eingespritzt werden.
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13 zeigt eine schematische Querschnittsdarstellung einer Spuleneinrichtung 120 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung in der Seitenansicht. Die in 13 gezeigte Spuleneinrichtung 120 entspricht im Wesentlichen der anhand der 11 und 12 beschriebenen Spuleneinrichtung, mit dem Unterschied, dass in 13 zusätzlich das mittels einer der beiden Befestigungslaschen, hier mittels der ersten Befestigungslasche 811, am Kippanker 108 verhakte Federelement 808 mit einem daran befestigten Dichtelement, hier dem Dichtelement 116, gezeigt ist. Der Kippanker 108 befindet sich in der Schließposition, d. h., die Steueröffnung 110 ist durch das Dichtelement 116 fluiddicht verschlossen.
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Die Befestigungslasche 811 ist durch eine Kippankeraussparung 1300 hindurchgeführt. Ein aus der Kippankeraussparung 1300 herausragendes freies Ende der Befestigungslasche 811 ist hakenförmig umgebogen. Das hakenförmige Ende der Befestigungslasche 811 ist in der Schließposition in einem geringen Abstand zu der der Spuleneinrichtung 120 zugewandten Oberseite des Kippankers 108 angeordnet. Durch den Abstand wird eine vertikale Bewegung des Federelements 808 relativ zum Kippanker 108 ermöglicht.
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Das Federelement 808 ist ähnlich zu der anhand von 6 beschriebenen Feder mit zwei Führungslaschen 602 ausgebildet, die hier der Querführung des Kippankers 108 in der Halbschale 102 dienen. Die einander gegenüberliegenden Führungslaschen 602 weisen je eine die Innenseite der Halbschale 102 berührende Laschenausbiegung 1302 und eine einen Randbereich des Kippankers 108 berührende Lascheneinbiegung 1304 auf, wobei die Laschenausbiegungen 1302 oberhalb des Kippankers 108 angeordnet sind. Der Berührpunkt der die Innenseite der Halbschale berührenden Führungslasche 602 befindet sich vorzugsweise im Drehpunkt des Kippankers 108.
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14 zeigt einen Schnitt durch die in 13 gezeigte Spuleneinrichtung 120 entlang einer Schnittlinie A.
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15 zeigt eine schematische Darstellung eines geöffneten Ventilsitzes 114 eines bistabilen Kippankerventils 100 gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. 15 zeigt eine stark vergrößerte Ansicht des in 10 dargestellten Ventilsitzes 114. Dargestellt sind das erste Ankerende 136 des Kippankers 108 und das Federelement 808 mit dem Dichtelement 116, wobei das Federelement 808 mittels der Befestigungslasche 811 im ersten Ankerende 136 vertikal beweglich eingehängt ist. Das Dichtelement 116 ist unter Verwendung eines Klebers 1500 zur Ventilfixierung und zum Fehlwinkeltoleranzausgleich am Federelement 808 befestigt. Der Kippanker 108 befindet sich in der Öffnungsposition. Dabei ist das Federelement 808, beispielsweise ein Führungs- und Federblech, durch einen Spalt von beispielsweise ca. 0,4 mm von der dem Federelement 808 zugewandten Unterseite des Kippankers 108 getrennt. Der Spalt dient zum Höhentoleranzausgleich. Die Befestigungslasche 811 dient als Höhenanschlag beim Öffnen des Kippankerventils 100, d. h. beim Bewegen des Kippankers 108 in die Öffnungsposition.
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Gemäß diesem Ausführungsbeispiel ist das Dichtelement 116 als eine Blechpfanne mit zentrischem Berührpunkt, in dem die Blechpfanne das Federelement 808 berührt, und einem einvulkanisierten Dichtgummi ausgeführt.
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Der Durchmesser des Ventilsitzes 114 beträgt beispielsweise 1,5 mm. Ein als Deckelelement 104 dienendes Bodenblech weist beispielsweise eine Dicke von 1 mm auf.
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16 zeigt den anhand von 15 beschriebenen Ventilsitz 114 im verschlossenen Zustand. Die Wirkrichtung der durch das Federelement 808 ausgeübten Federkraft, die das Dichtelement 116 in der Schließposition des Kippankers 108 auf den Ventilsitz 114 drückt, ist mit einem Pfeil gekennzeichnet. Im Gegensatz zu 15 ist die Befestigungslasche 811 in einem geringen Abstand zur Oberseite des Kippankers 108 angeordnet. Der Spalt zwischen dem Federelement 808 und der Unterseite des in der Schließposition befindlichen Kippankers 108 ist kleiner als in der 15 gezeigten Öffnungsposition.
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17 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1700 zum Betreiben eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1700 kann beispielsweise im Zusammenhang mit einem Kippankerventil, wie es vorangehend anhand der 1 bis 16 beschrieben ist, durchgeführt werden. Das Verfahren 1700 umfasst einen Schritt 1701, in dem ein Steuersignal ausgegeben wird, das dazu dient, die Spuleneinrichtung derart zu bestromen, dass der Kippanker durch einen beim Bestromen der Spuleneinrichtung erzeugten ersten Magnetfluss durch das Kippankerventil von der Öffnungsposition in die Schließposition bewegt wird oder in der Schließposition gehalten wird. Alternativ wird im Schritt 1701 ein Steuersignal ausgegeben, das dazu dient, die Spuleneinrichtung derart zu bestromen, dass der Kippanker durch einen beim Bestromen der Spuleneinrichtung erzeugten zweiten Magnetfluss durch das Kippankerventil von der Schließposition in die Öffnungsposition bewegt wird oder in der Öffnungsposition gehalten wird. Beispielsweise kann das Steuersignal ausgegeben werden, um die beiden Magnetspulen der Spuleneinrichtung gemeinsam zu bestromen. Ferner kann das Steuersignal bereitgestellt werden, um die Spuleneinrichtung umzupolen und somit eine Richtungsumkehr eines durch das Kippankerventil geleiteten Magnetflusses, d. h. ein Umschalten zwischen Öffnungs- und Schließposition, zu bewirken.
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18 zeigt ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens 1800 zum Herstellen eines Kippankerventils gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Das Verfahren 1800 kann beispielsweise durchgeführt werden, um ein vorangehend anhand der 1 bis 17 beschriebenes Kippankerventil herzustellen. In einem ersten Herstellungsschritt 1801 werden eine Halbschale, ein Deckelelement mit zumindest einer Steueröffnung und einem Durchlass, eine Spuleneinrichtung aus einem magnetisch leitenden Spulenkern und zumindest einer um den Spulenkern gewickelten Spule und ein magnetisch leitender Kippanker mit zumindest einem Dichtelement bereitgestellt. In einem zweiten Herstellungsschritt 1802 wird das Kippankerventil aus den im Schritt 1801 bereitgestellten Einzelteilen zusammengebaut. Dabei wird die Halbschale fluiddicht mit dem Deckelelement abgedeckt, um einen Ventilraum zu bilden. Die Steueröffnung und der Durchlass dienen dazu, ein Fluid durch den Ventilraum zu leiten. Der Kippanker wird derart im Ventilraum positioniert und gelagert, dass er zwischen einer Öffnungsposition und einer Schließposition bewegt werden kann, wobei das Dichtelement die Steueröffnung in der Schließposition fluiddicht verschließt und in der Öffnungsposition freigibt. Die Spuleneinrichtung wird an einem dem Deckelelement gegenüberliegenden Boden der Halbschale außerhalb des Ventilraums befestigt. Dabei wird die Spuleneinrichtung liegend auf der Halbschale platziert, sodass sich der Spulenkern in Längsrichtung im Wesentlichen parallel zu einer Haupterstreckungsebene des Bodens erstreckt. Mittels der Spuleneinrichtung kann der Kippanker zwischen der Öffnungsposition und der Schließposition hin und her gekippt werden.
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Gemäß einem Ausführungsbeispiel können die Einzelteile des Kippankerventils im Schritt 1802 durch Laserschweißungen fluiddicht miteinander verbunden werden. Um die Ventildichtheit zu verbessern, kann das Dichtelement, auch Ventilelement genannt, durch Kleben am Kippanker fixiert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Kippankerventil
- 102
- Halbschale
- 104
- Deckelelement
- 106
- Ventilraum
- 108
- Kippanker
- 110
- Steueröffnung
- 112
- Durchlass
- 114
- Ventilsitz
- 116
- Dichtelement
- 118
- Boden
- 120
- Spuleneinrichtung
- 122
- Spulenkern
- 124
- Spule
- 126
- erste Seitenwand
- 128
- zweite Seitenwand
- 130
- Spulenträger
- 131
- Anschlusskontakt
- 132
- erstes Ende des Spulenkerns
- 134
- zweites Ende des Spulenkerns
- 136
- erstes Ankerende
- 138
- Endabschnitt der ersten Seitenwand
- 140
- Endabschnitt der zweiten Seitenwand
- 142
- zweites Ankerende
- 144
- Feder
- 146
- Dämpferelement, zusätzliches Dichtelement
- 148
- Klemmverschraubung
- 150
- O-Ring
- 200
- Magnetfluss
- 300
- Bodeneinwölbung
- 400
- Zwischenboden
- 402
- zusätzlicher Ventilraum
- 404
- Zwischenbodenöffnung
- 406
- Fluidkanalanschluss
- 408
- Fluidkanal
- 410
- Aussparung
- 600
- Feldverlauf
- 602
- Führungslasche
- 700
- Ventilgehäuse
- 702
- Einbauraum
- 703
- Auslassventil
- 704
- Einlassventil
- 706
- Back-up-Ventil
- 708
- Blechunterlage
- 709
- Schraubloch
- 710
- Auflage/Halterung
- 800
- weitere Spule
- 802
- Dauermagnet
- 804
- Vorsprung
- 805
- Dichtungsring
- 806
- Blechteil
- 808
- Federelement
- 810
- weiteres Dichtelement
- 811
- erste Befestigungslasche
- 812
- zweite Befestigungslasche
- 813
- Vertiefung
- 814
- weiterer Ventilsitz
- 815
- weitere Steueröffnung
- 816
- Magnetfluss
- 1100
- Magnetvertiefung
- 1300
- Kippankeraussparung
- 1302
- Laschenausbiegung
- 1304
- Lascheneinbiegung
- 1500
- Klebematerial
- 1700
- Verfahren zum Betreiben eines Kippankerventils
- 1701
- Schritt des Ausgebens eines Steuersignals
- 1800
- Verfahren zum Herstellen eines Kippankerventils
- 1801
- Schritt des Bereitstellens
- 1802
- Schritt des Zusammenbauens
