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Die Erfindung betrifft ein pneumatisches Magnetventil.
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In einer Vielzahl von technischen Anwendungsgebieten werden zur Steuerung von Luftströmen pneumatische Magnetventile verwendet. In diesen Magnetventilen wird mittels einer Magnetspule eine Magnetkraft erzeugt und hierdurch ein Schaltvorgang des Ventils ausgelöst. Ein Anwendungsbereich solcher Magnetventile ist die Befüllung von elastischen Luftblasen in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel, wie z.B. eines Kraftfahrzeugsitzes.
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Aus dem Dokument
DE 10 2008 060 342 B3 ist eine Ventilanordnung mit gemeinsamen Wicklungs- und Ventildüsenträger für zwei Magnetventile bekannt. Ferner zeigt das Dokument
WO 2013/011340 A1 eine Ventilanordnung mit Wicklungen im druckbeaufschlagten Ventilraum.
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Die Druckschrift
DE 10 2009 033 585 A1 offenbart ein elektromagnetisches Ventil mit Permanentmagnet, Tauchspule und mehreren Wippen, welches bei Bestromung in zwei Polaritätsrichtungen jeweils unterschiedliche Teilventile öffnet. Im unbestromten Zustand sind beide Teilventile geschlossen. Für die Betätigung des Ventils ist eine Umpolung der Versorgungsspannung erforderlich.
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein pneumatisches Magnetventil zu schaffen, mit dem auf einfache Weise drei Schaltstellungen realisiert werden können.
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Diese Aufgabe wird durch das Magnetventil gemäß Patentanspruch 1 gelöst. Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen definiert.
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Das erfindungsgemäße pneumatische Magnetventil umfasst einen elektromagnetischen Aktor und eine Luftkammer (Ventilraum), an der mehrere Luftanschlüsse vorgesehen sind, welche über mehrere Schaltstellungen des magnetischen Aktors unter Zwischenschaltung der Luftkammer verschaltbar sind. Vorzugsweise ist der elektromagnetische Aktor innerhalb der Luftkammer angeordnet, um eine effiziente Kühlung des Aktors über Luftströme in der Luftkammer zu erreichen. Vorzugsweise ist auch der weiter unten beschriebene Hebelmechanismus innerhalb dieser Luftkammer angeordnet.
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Hier und im Folgenden ist unter einem elektromagnetischen Aktor ein Betätigungselement zu verstehen, welches elektrische Energie (d.h. dem Aktor zugeführten Strom) in eine magnetische Kraft umsetzt, über welche die Betätigung des Aktors ausgeführt wird. In der Regel umfasst ein elektromagnetischer Aktor eine Magnetspule, welche über Bestromung die Betätigung des Aktors bewirkt.
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Der elektromagnetische Aktor des erfindungsgemäßen Magnetventils kann (zumindest) drei unterschiedliche Schaltstellungen einnehmen, wobei der Aktor ggf. auch noch weitere Schaltstellungen aufweisen kann. In einer ersten Schaltstellung verschließt ein erstes Dichtelement einen ersten Luftanschluss und ein zweites Dichtelement gibt einen zweiten Luftanschluss frei (d.h. der zweite Luftanschluss ist geöffnet). In einer zweiten Schaltstellung des elektromagnetischen Aktors verschließt sowohl das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss als auch das zweite Dichtelement den zweiten Luftanschluss. In einer dritten Schaltstellung des Aktors gibt das erste Dichtelement den ersten Luftanschluss frei und das zweite Dichtelement verschließt den zweiten Luftanschluss.
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Zum Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Luftanschlusses sind das erste und zweite Dichtelement durch den elektromagnetischen Aktor über einen Hebelmechanismus bewegbar. Dieser Hebelmechanismus ist derart ausgestaltet, dass in der ersten Schaltstellung das zweite Dichtelement um eine erste Kippachse verkippt ist, welche dem ersten Luftanschluss gegenüberliegt, und in der dritten Schaltstellung das erste Dichtelement um eine zweite Kippachse verkippt ist, welche dem zweiten Luftanschluss gegenüberliegt. Vorzugsweise verläuft dabei die erste Kippachse durch das erste Dichtelement, wohingegen die zweite Kippachse vorzugsweise durch das zweite Dichtelement verläuft.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil weist den Vorteil auf, dass durch die Veränderung der Kippachsen ein großer Hub beim Öffnen und Schließen des ersten und zweiten Luftanschlusses bei einem geringen Verstellweg des Aktors erreicht werden kann. Hierdurch wird ein einfacher und zuverlässiger Übergang zwischen den verschiedenen Schaltstellungen des Magnetventils gewährleistet.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils ist der Hebelmechanismus derart ausgestaltet, dass in der zweiten Schaltstellung keine Verkippung des ersten und zweiten Dichtelements bewirkt wird. Hierdurch wird auf einfache Weise die zweite Schaltstellung realisiert.
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In einer weiteren bevorzugten Variante umfasst der elektromagnetische Aktor des erfindungsgemäßen Magnetventils einen Anker aus weichmagnetischem Material, der durch Bestromung einer Magnetspule bewegt wird und hierdurch auf den Hebelmechanismus zum Schließen und Öffnen des ersten und zweiten Luftanschlusses einwirkt. Vorzugsweise ist die Bewegung des Ankers dabei eine Drehung um eine Drehachse.
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In einer besonders bevorzugten Variante umfasst der Hebelmechanismus eine verkippbare Platte mit einer ersten Seite, auf der das erste und zweite Dichtelement derart angeordnet sind, dass das erste Dichtelement dem ersten Luftanschluss gegenüberliegt und das zweite Dichtelement dem zweiten Luftanschluss gegenüberliegt. Hierdurch kann der erfindungsgemäße Hebelmechanismus besonders einfach realisiert werden. Vorzugsweise verläuft dabei die erste Kippachse parallel zu der Platte und/oder durch den Querschnitt der Platte mit dem daran angeordneten ersten und zweiten Dichtelement. Alternativ oder zusätzlich verläuft die zweite Kippachse vorzugsweise parallel zu der Platte und/oder durch den Querschnitt der Platte mit dem daran angeordneten ersten und zweiten Dichtelement.
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In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist die verkippbare Platte, vorzugsweise durch eine Führung, gegen eine Verschiebung des ersten und zweiten Dichtelements relativ zu dem ersten und zweiten Luftanschluss gesehen in Draufsicht auf die Platte gesichert. Mit anderen Worten wird hierdurch eine seitliche Bewegung der Platte in der Ebene der Platte verhindert. Je nach Ausgestaltung kann die Führung unterschiedlich realisiert werden. Insbesondere kann als Führung zumindest ein Steg oder ein Dorn verwendet werden, der sich durch eine Öffnung in der Platte erstreckt, wobei die Öffnung vorzugsweise in der Mitte der Platte vorgesehen ist.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magnetventils umfasst der Hebelmechanismus zumindest einen bewegbaren Vorsprung, der mit einem ersten Ende der Platte derart wechselwirkt, dass der zumindest eine Vorsprung in der ersten Schaltstellung das erste Dichtelement mit einer ersten Kraft gegen den ersten Luftanschluss drückt und der zumindest eine Vorsprung in der zweiten Schaltstellung das erste Dichtelement mit einer zweiten Kraft gegen den ersten Luftanschluss drückt, wobei die erste Kraft größer als die zweite Kraft ist. Mit dieser Variante können durch geringe Kraftausübung auf die Platte die erste und zweite Schaltstellung eingenommen werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magnetventils umfasst der Hebelmechanismus ein elastisches Mittel, welches eine Kraft auf die Platte auf deren zweite Seite ausübt, die der ersten Seite gegenüberliegt. Vorzugsweise ist das elastische Mittel dabei eine Feder, z.B. eine Spiralfeder. Mit diesem elastischen Mittel können die Dichtkräfte für den Zuluftanschluss und Abluftanschluss geeignet eingestellt werden.
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Die Position des elastischen Mittels kann unterschiedlich gewählt werden. In einer Variante ist das elastische Mittel in Draufsicht auf die Platte an einem zweiten Ende der Platte angeordnet, welche entgegengesetzt zu dem ersten Ende ist, mit dem der oben beschriebene Vorsprung wechselwirkt. Hierdurch wird ein zuverlässiges Öffnen des benachbart zum ersten Ende der Platte angeordneten Luftanschlusses erreicht. Dieser Luftanschluss ist vorzugsweise der erste Luftanschluss. Alternativ oder zusätzlich ist es auch möglich, dass das elastische Mittel in Draufsicht auf die Platte an der Position des benachbart zu dem zweiten Ende angeordneten Dichtelements angeordnet ist, wobei dieses Dichtelement vorzugsweise das zweite Dichtelement ist. Hierdurch kann eine Verkürzung der Länge der Platte erreicht werden. Darüber hinaus kann je nach Wahl der Dichtkräfte das elastische Mittel in Draufsicht auf die Platte auch zwischen der Position des benachbart zum zweiten Ende angeordneten Dichtelements und dem zweiten Ende angeordnet sein.
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In einer weiteren Ausführungsform des erfindungsgemäßen Magnetventils weisen die jeweiligen Öffnungen des ersten und zweiten Luftanschlusses in die gleiche Richtung und der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Luftanschluss in Draufsicht auf die Öffnungen ist mindestens doppelt so groß und vorzugsweise mindestens dreimal oder viermal so groß wie die maximale Ausdehnung jeder der Öffnungen in Draufsicht auf die Öffnungen. Unter dem Abstand zwischen dem ersten und zweiten Luftanschluss ist dabei die Distanz zwischen den geometrischen Schwerpunkten der jeweiligen Öffnungen in Draufsicht auf die Öffnungen zu verstehen. Mit dieser Ausführungsform können besonders große Hübe der Dichtelemente beim Wechsel zwischen den Schaltstellungen erreicht werden. Vorzugsweise haben die jeweiligen Öffnungen des ersten und zweiten Luftanschlusses in Draufsicht die Form eines Kreises, so dass die maximale Ausdehnung der jeweiligen Öffnung dem Durchmesser des entsprechenden Kreises entspricht.
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In einer weiteren, besonders bevorzugten Ausführungsform kann der elektromagnetische Aktor die drei unterschiedlichen Schaltstellungen durch eine unipolare Bestromung des Aktors mit drei unterschiedlichen Stromstärken einnehmen. In einer bevorzugten Variante entspricht eine Stromstärke dabei dem Strom Null. Eine unipolare Bestromung mit drei unterschiedlichen Stromstärken ist somit derart zu verstehen, dass die Bestromung bei zwei Stromstärken mit gleicher Stromrichtung ungleich Null erfolgt, wohingegen die Bestromung bei der dritten Stromstärke entweder die gleiche Stromrichtung wie die Bestromung bei der ersten und zweiten Stromstärke aufweist oder auf Null gesetzt ist.
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In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform ist der elektromagnetische Aktor in der ersten Schaltstellung mit einer ersten Stromstärke und vorzugsweise mit der Stromstärke Null bestromt (d.h. er ist unbestromt), wohingegen der elektromagnetische Aktor in der zweiten Schaltstellung mit einer zweiten Stromstärke und in der dritten Schaltstellung mit einer dritten Stromstärke bestromt ist, wobei die dritte Stromstärke höher als die zweite Stromstärke ist und die zweite Stromstärke höher als die erste Stromstärke ist. Die geschlossene zweite Schaltstellung des Magnetventils, die in der Regel für einen längeren Zeitraum eingenommen wird, kann somit mit einer reduzierten zweiten Stromstärke und damit verminderter Verlustleistung erreicht werden. Hierdurch wird die Energieeffizienz des Magnetventils verbessert.
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In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist der erste Luftanschluss ein Zuluftanschluss für die Luftkammer und der zweite Luftanschluss ein Abluftanschluss für die Luftkammer oder umgekehrt. Vorzugweise ist in dem Magnetventil ferner ein Arbeitsanschluss zum Befüllen und/oder Entleeren einer pneumatischen Einheit, vorzugsweise einer Luftblase, vorgesehen. In einer bevorzugten Variante der soeben beschriebenen Ausführungsform sind der Zuluftanschluss und der Abluftanschluss einerseits und der Arbeitsanschluss andererseits an entgegengesetzten Enden der Luftkammer angeordnet, wodurch der Aktor besonders effizient gekühlt wird.
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Das erfindungsgemäße Magnetventil ist vorzugsweise zum Befüllen und/oder Entleeren zumindest einer elastischen Luftblase in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel vorgesehen. Mit anderen Worten umfasst die Erfindung auch eine Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Sitzes in einem Verkehrsmittel mit zumindest einer elastischen Luftblase sowie einem erfindungsgemäßen Magnetventil zum Befüllen und/oder Entleeren der zumindest einen Luftblase.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Figuren detailliert beschrieben.
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Es zeigen:
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1 bis 3 Schnittansichten eines Magnetventils gemäß einer Ausführungsform der Erfindung in unterschiedlichen Schaltstellungen;
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4 eine Draufsicht auf den in dem Magnetventil der 1 verbauten Anker;
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5 eine Draufsicht auf die in dem Magnetventil der 1 verbaute Blattfeder; und
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6 eine Draufsicht auf den im Magnetventil der 1 verbauten Clip.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines 3/3-NO-Magnetventils beschrieben, das zum Befüllen und Entlüften einer elastischen Luftblase (nicht gezeigt) in einer Vorrichtung zur pneumatischen Verstellung eines Kraftfahrzeugsitzes eingesetzt wird.
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Das Magnetventil der 1 umfasst eine Luftkammer 1 mit entsprechenden Luftanschlüssen 2, 3 und 4. Die Oberseite der Luftkammer ist durch eine Abdeckplatte 14 luftdicht abgedeckt. Oberhalb der Abdeckplatte 14 befindet sich eine Leiterplatte 16, die wiederum mittels eines Deckels 15 abgedeckt ist.
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Der Luftanschluss 2 der Luftkammer 1 führt hin zu der Luftblase und stellt den Arbeitsanschluss des Magnetventils dar. Die Befüllung der Luftblase erfolgt über eine Druckluftzufuhr (nicht gezeigt), die an dem Kanal 5 angeschlossen ist, der am Boden der Luftkammer 1 ausgebildet ist. Der Kanal 5 ist über den Zuluftanschluss (Zuluftöffnung) 3 mit der Luftkammer 1 verbunden ist. Zum Entlüften bzw. Ablassen von Druckluft aus der Luftblase wird der Abluftanschluss (Abluftöffnung) 4 genutzt, der wiederum am Boden der Luftkammer ausgebildet ist und unter Zwischenschaltung eines Dämpfungselements 23 aus Schaumstoff mit der Umgebung verbunden ist. Durch das Dämpfungselement werden die nach außen dringenden Geräusche des Ventils vermindert.
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Innerhalb der Luftkammer 1 ist ein elektromagnetischer Aktor angeordnet, der über einen weiter unten näher beschriebenen Hebelmechanismus das Öffnen und Schließen des Zuluftanschlusses 3 und des Abluftanschlusses 4 bewirkt. Der Aktor umfasst eine Magnetspule 6 mit einer Wicklung 601, welche auf einem Spulenkörper 7 aufgewickelt ist. Ferner ist in der Luftkammer ein U-förmiges Joch 8 aus weichmagnetischem Material angeordnet, wobei sich der untere Schenkel des U-förmigen Jochs durch einen Hohlraum des Spulenkörpers 7 erstreckt. Der obere Schenkel des Jochs 8 läuft an der Wicklung 601 des Spulenkörpers vorbei und erstreckt sich durch eine Öffnung in einem oberen Fortsatz des Spulenkörpers 7.
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Innerhalb der Luftkammer 1 befindet sich ferner der im Schnitt gezeigte Anker 9, der aus weichmagnetischem Material besteht und bei Bestromung der Spule 6 mittels Magnetkraft um eine einzelne Drehachse A verdreht wird, wie weiter unten noch näher erläutert wird. In dem Anker sind Öffnungen ausgestanzt. Insbesondere umfasst der Anker eine obere Öffnung 20, eine daran anschließende T-förmige Öffnung 22 (siehe 4) sowie eine untere Öffnung 21. Die Öffnungen 20 und 21 sind quadratisch ausgestaltet (siehe 4). Die untere Kante der Öffnung 21 liegt an dem unteren Schenkel des Jochs 8 an, wodurch eine Berührungslinie zwischen Joch und Anker gebildet wird, die auch die Drehachse A des Ankers 9 bei Bestromung der Spule 6 darstellt. An dem Anker 9 ist ein Clip 10 befestigt, aus dem der Vorsprung 11 hervorsteht, dessen Funktion weiter unten näher erläutert wird.
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Mit dem Magnetventil der 1 bis 3 können drei Schaltstellungen durch unterschiedliche Bestromung der Magnetspule 6 mit gleicher Polarität realisiert werden. 1 zeigt dabei die Schaltstellung bei unbestromter Magnetspule, 2 die Schaltstellung bei einer Bestromung der Magnetspule mit einer mittleren Stromstärke und 3 die Schaltstellung bei einer Bestromung mit einer hohen Stromstärke. Bevor genauer auf die einzelnen Schaltstellungen sowie den Hebelmechanismus zum Öffnen und Schließen des Zuluftanschlusses 3 und des Abluftanschlusses 4 eingegangen wird, werden zunächst der Aufbau und die Wechselwirkung der anderen Komponenten des Magnetventils erläutert. Im Besonderen wird die Bewegung des Ankers 9 durch Bestromung der Spule 6 detailliert beschrieben.
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Der Spulenkörper 7 umfasst eine Führungsnase 13, welche ein Verkippen der Drehachse A des Ankers 9 dadurch verhindert, dass die Führungsnase in der Öffnung 22 (siehe 4) geführt ist. Bei der Bestromung der Spule 6 wird eine Magnetkraft erzeugt, welche den Anker 9 hin zum Joch 8 zieht. Dabei überlappen die vier Kanten der oberen quadratischen Öffnung 20 mit dem oberen Ende des Jochs 8. Ebenso vergrößert sich eine entsprechende Überlappung von drei Kanten der unteren Öffnung 21 mit dem unteren Ende des Jochs 8.
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In der gezeigten Magnetspule bleibt der Luftspalt L zwischen den Kanten der oberen quadratischen Öffnung 20 und dem Joch 8 sowie der Luftspalt L' zwischen den Kanten der unteren quadratischen Öffnung 21 und dem Joch 8 in Richtung der Drehung des Ankers unabhängig von der Größe der Überlappung zwischen Joch und Anker im Wesentlichen konstant. Dies ist nochmals in 4 verdeutlicht. Man erkennt hierbei insbesondere den Luftspalt L zwischen dem Rand der oberen Öffnung 20 und dem oberen Schenkel des Jochs 8 sowie den Luftspalt L' zwischen dem Rand der unteren Öffnung 21 und dem unteren Schenkel des Jochs 8. Zu beachten ist dabei, dass entlang der unteren Kante der Öffnung 21 kein Luftspalt existiert, da sich dort das Joch und der Anker direkt an einer Berührungslinie berühren. Entlang dieser Berührungslinie verläuft die Drehachse A des Ankers, wie bereits eingangs erwähnt wurde.
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Gemäß 4 ist die Größe des Luftspalts L bzw. L' entlang der Kanten der Öffnung konstant. Dies muss jedoch nicht so realisiert sein. Entscheidend ist vielmehr, dass der durch die Luftspalte gebildete Abstand zwischen Anker 9 und Joch 8 in Drehrichtung des Ankers, d.h. entlang jeweiliger senkrecht zur Blattebene verlaufenden Linien, konstant bleibt. Demgegenüber kann die Größe des Luftspalts entlang des Umfangs der Öffnungen 20 und 21 ggf. variieren. Insbesondere können z.B. die linke und rechte Seite des Luftspalts L' auch leicht schräg nach unten verlaufen. Dadurch wird erreicht, dass der Anker im Bereich der Drehachse A zum Joch zentriert ist. Die Größe des Luftspalts an den übrigen Kanten liegt etwa bei 0,2 mm.
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Durch den im Wesentlichen konstanten Luftspalt in Richtung der Drehung des Ankers 9 wird erreicht, dass die auf den Anker wirkende magnetische Kraft nur noch vom Strom und nicht davon abhängt, wie stark sich der Anker dem Joch genähert hat. Mit dem Magnetventil der 1 wird somit ein Proportionalventil geschaffen, dessen Magnetkraft bei konstanter Bestromung der Spule konstant ist. In dem Magnetventil der 1 ist dabei ferner eine Blattfeder 19 vorgesehen, welche entgegengesetzt zur Magnetkraft wirkt und somit eine Rückstellkraft erzeugt. Die Blattfeder ist im oberen Bereich am Spulenkörper 7 und im unteren Bereich an dem Anker 9 sowie dem Clip 10 befestigt. Die Rückstellkraft wird mit zunehmender Verdrehung des Ankers bei Bestromung der Spule immer größer, bis sie schließlich genauso groß wie die konstante Magnetkraft ist, deren Größe durch die Stromstärke der bestromten Spule gegeben ist. Der Aufbau der Blattfeder 19 wird weiter unten anhand von 5 näher erläutert. Ebenso wird der Aufbau des Clips 10 weiter unten anhand von 6 näher erläutert.
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Wie man aus 2 und 3 erkennt, führt die Bestromung der Spule zu einer Verdrehung des Ankers 9 um die Drehachse A. Die Bestromung der Wicklung 601 der Spule 6 erfolgt dabei über elektrische Pins 17, die sich durch eine Öffnung der Abdeckplatte 14 erstrecken und mit einem entsprechenden elektrischen Kontakt der Platine 16 verbunden sind. Die Öffnung in der Abdeckplatte ist abgedichtet, z.B. mittels Verklebung, Einpressen oder Einspritzen. Es tritt somit über diese Öffnung keine Luft aus der druckbeaufschlagten Luftkammer 1 aus. Aus 1 ist ferner ein Gitterfilter 18 ersichtlich, der das Eindringen von Partikeln aus der elastischen Luftblase vermeidet.
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Aus der bereits oben erwähnten 4 ist ferner die Form der mittleren Öffnung 22 des Ankers 9 ersichtlich. Die Öffnung hat die Gestalt eines auf dem Kopf stehenden Buchstabens T, wobei in dem vertikalen Balken des Buchstabens T die Führungsnase 13 eingreift, welche das seitliche Verkippen des Ankers 9 verhindert. Demgegenüber dient der vertikale Balken des Buchstabens T zum Durchtritt einer oberen Rastnase 10a des Clips 10. Diese Rastnase ist sehr gut aus der weiter unten erläuterten 6 ersichtlich.
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Aus 5 ist nochmals in Draufsicht die Blattfeder 19 ersichtlich, die in 1 im Schnitt dargestellt ist. Die Blattfeder besteht aus einem Metallblech, das an vier Stellen 19a geknickt ist. Am oberen Ende weist die Blattfeder eine T-Form auf. Dort erfolgt die Befestigung der Blattfeder am Spulenkörper 7. Innerhalb einer mittleren Öffnung der Blattfeder befindet sich ein vorstehender Lappen 19b mit einer Aussparung 19c. Im eingebauten Zustand der Blattfeder liegt der Lappen 19b an der Innenfläche des Clips 10 an, wobei die Rastnase 10a des Clips 10 über die Aussparung 19c geschoben wurde. In den Clip 10 mit dem darin eingesetzten Lappen 19b wird der untere Teil des Ankers 9 eingesetzt. Der Anker wird dabei über die Rastnase 10a sowie die beiden unteren Rastnasen 10b (siehe 6) am Clip 10 verrastet. Über eine Verbiegung des Lappens 19b gegenüber dem Rest der Blattfeder 19 wird eine entsprechende Rückstellkraft erzeugt. Diese wird bei größerer Verdrehung des Ankers bei Bestromung der Spule umso größer, bis schließlich die Endposition erreicht ist, bei der die erzeugte Magnetkraft der Rückstellkraft der Blattfeder entspricht.
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Mittels der Blattfeder 19 wird im eingebauten Zustand zum einen eine Kraft erzeugt, die den Anker 9 nach oben sowie in Richtung zur Magnetspule zieht, um die Drehachse A des Ankers 9 zu fixieren. Zum anderen erzeugt die Verformung der Blattfeder auf der Höhe der Drehachse A ein Drehmoment, welches den Anker von der Spule 6 wegkippt, so dass der Anker bei unbestromter Spule die erste Schaltstellung aus 1 einnimmt. Dieses Drehmoment wird durch die Verrastung der Blattfeder an dem oberen Ende des Spulenträgers 7 abgefangen. Wie bereits erwähnt, zeigt die 6 eine Draufsicht auf den Clip 10 aus 1. Man erkennt dabei die drei Vorsprünge 10a und 10b, mit denen der Anker in dem Clip verrastet wird.
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Im Folgenden wird im Detail der Hebelmechanismus zum Öffnen und Schließen des Zuluftanschlusses 3 bzw. des Abluftanschlusses 4 erläutert. Dieser Hebelmechanismus umfasst neben dem am Clip 10 ausgebildeten Vorsprung 11 eine verkippbare Platte 24 nach Art einer Wippe. Die Platte ist in ihrer Mitte durch einen vertikal verlaufenden Steg 25 geführt, so dass die Platte in vertikaler Richtung verschoben werden kann und auch in einem vorgegebenen Winkelbereich in der Blattebene der 1 verkippt werden kann, jedoch nicht in horizontaler Richtung verschoben werden kann. Zur Führung der Platte kann anstatt eines Stegs auch ein geeigneter Dorn verwendet werden.
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An zwei Öffnungen der Platte 24 sind zwei Dichtelemente 12 und 12' eingesetzt, deren Dichtflächen auf der Unterseite der Platte 24 liegen. Unter dem Dichtelement 12 befindet sich der Zuluftanschluss 3, wohingegen unter dem Dichtelement 12' der Abluftanschluss 4 angeordnet ist. Die Befestigung der Dichtelemente 12 und 12' an der Platte 24 ist lediglich schematisch angedeutet und erfolgt z.B. über eine Schraub- und/oder Klebverbindung oder durch Durchstecken eines angeformten Stopfens. Die beiden Dichtelemente 12 und 12' weisen den gleichen Abstand von dem Steg 25 auf. Am linken Ende der Platte 24 befindet sich der Vorsprung 11, der über den Clip 10 starr mit dem Anker 9 verbunden ist und somit der Drehbewegung des Ankers folgt. Das Ende des Vorsprungs 11 erstreckt sich über das linke Ende der Platte an deren Oberseite hinaus, so dass der Vorsprung dort mit der Platte wechselwirken kann.
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Am rechten Ende der Platte 24 befindet sich eine Spiralfeder 26, die mit ihrem unteren Ende an der Platte 24 und ihrem oberen Ende an der Abdeckplatte 14 befestigt ist. Die Feder 26 übt eine Kraft nach unten auf die Platte 24 aus.
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In der Schaltstellung der 1 befindet sich die Magnetspule 6 im unbestromten Zustand. In dieser Schaltstellung ist der Anker maximal nach rechts verkippt, so dass der Vorsprung 11 auf das linke Ende der Platte 24 drückt, wodurch das Dichtelement 12 die Zuluftöffnung 3 verschließt. Dabei verläuft die Platte leicht schräg nach oben, so dass das Dichtelement 12' von der Abluftöffnung 4 gegen die elastische Kraft der Feder 26 abgehoben ist. In der Schaltstellung der 1 verläuft die Achse A1, um die die Platte 24 verkippt ist, durch das Dichtelement 12. Die Achse A1 ist dabei durch einen schwarzen Punkt angedeutet und erstreckt sich senkrecht zur Blattebene der 1. In der ersten Schaltstellung wird ein Entlüften der an den Arbeitsanschluss 2 angeschlossenen Luftblase bewirkt.
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2 zeigt die zweite Schaltstellung des Magnetventils aus 1. In dieser Schaltstellung, in welcher der Aktor mit einer mittleren Stromstärke bestromt ist, drückt der Vorsprung 11 die Platte 24 nur teilweise herunter, was dazu führt, dass die Platte in einer horizontalen Ebene liegt und somit nicht verkippt ist. In diesem Zustand wird mittels des Vorsprungs 11 sowie der elastischen Kraft der Feder 26 ein gleichmäßiges Herunterdrücken der Platte erreicht, so dass die beiden Dichtelemente 12 und 12' die Zuluftöffnung 3 bzw. die Abluftöffnung 4 abschließen. In dieser zweiten Schaltstellung ist das Magnetventil geschlossen.
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In der in 3 gezeigten dritten Schaltstellung des Magnetventils, in der die Magnetspule mit einem hohen Strom bestromt ist, befindet sich der Anker in der vertikalen Position, so dass sich der Vorsprung 11 in horizontaler Richtung erstreckt. In dieser Schaltstellung übt der Vorsprung keine oder nur noch eine geringe Kraft auf das linke Ende der Platte 24 aus. Demzufolge drückt die Feder 26 das rechte Ende der Platte nach unten, so dass das Dichtelement 12' den Abluftanschluss 4 abschließt und das Dichtelement 12 von dem Zuluftanschluss 3 abgehoben ist, wodurch das Befüllen der an den Arbeitsanschluss 2 angeschlossenen Luftblase bewirkt wird.
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In der dritten Schaltstellung ist die Platte 24 verkippt. Erfindungswesentlich ist nunmehr, dass die Kippachse A2 in dieser Schaltstellung an einer anderen Position als die Kippachse A1 aus 1 verläuft. Die Kippachse A2 erstreckt sich nunmehr senkrecht zur Blattebene durch das Dichtelement 12', wohingegen die Kippachse A1 durch das Dichtelement 12 verlaufen ist. Durch die Veränderung der Kippachse können große Auslenkungen der Dichtelemente und damit ein großer Hub bei geringen Auslenkungen des Ankers erreicht werden. Ferner wird eine geringe Kraft bei mittlerer bzw. voller Ansteuerung des Ventils benötigt. Vorzugsweise ist die Spiralfeder 26 dabei eine Feder mit einer sehr flachen Kennlinie, d.h. eine Feder, welche eine geringe Änderung der Kraft pro Stellweg aufweist.
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Ein weiterer Vorteil der Ausführungsform der 1 bis 3 besteht darin, dass sich der Zuluft- und Abluftanschluss in einem Bauteil (dem Gehäuse der Luftkammer) befinden und damit geringe Toleranzen zueinander aufweisen.
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Über den Vorsprung 11 und die Platte 24 der oben beschriebenen Ausführungsform lassen sich mittels des Hebelgesetzes sowie der wechselnden Kippachsen unterschiedliche Kraft- bzw. Wegübersetzungen realisieren, um auch unterschiedliche Dichtkräfte für den Zuluftanschluss und den Abluftanschluss darzustellen. Im Besonderen wird dabei für den Abluftanschluss eine niedrigere Dichtkraft benötigt, da dieser durch den Druck der Luftblase (entspricht dem Druck in der Luftkammer) zusätzlich angepresst wird, wohingegen der Zuluftanschluss immer auch gegen einen Vordruck abdichten muss.
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Als Material für die Dichtelemente 12 und 12' wird vorzugsweise ein über den Funktionstemperaturbereich gleichmäßig elastisches Material verwendet (z.B. Silikon). Hierdurch wird berücksichtigt, dass die Dichtelemente je nach Schaltstellung in leicht unterschiedlichen Winkeln auf die zugehörigen Düsensitze treffen können.
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In einer Abwandlung der soeben beschriebenen Ausführungsform kann sich die Spiralfeder 26 in Draufsicht auf der Platte auch an der Position des Dichtelements 12' und damit des rechten Düsensitzes befinden. In diesem Fall wird die Zuluftöffnung nur durch den im Vordruckkanal 5 herrschenden Überdruck aufgedrückt. Vorteil dieser Variante ist eine kürzere Baulänge, denn der rechte Hebelarm der Platte 24 kann verkürzt werden. Darüber hinaus wird ein Verhältnis der Dichtkraft der Abluftöffnung zur Dichtkraft der Zuluftöffnung von ca. 1:2 erreicht.
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In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung der soeben beschriebenen Ausführungsform kann die Platte 24 aus Federstahlblech gefertigt sein. Eine Aussteifung in den erforderlichen Bereichen kann dabei durch hochgewinkelte Randstreifen erfolgen. Ebenso können die Platte 24 und die zugehörige Feder 26 aus einem Teil gefertigt sein.
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In der soeben beschriebenen Ausführungsform benötigt die mittlere Position des Ankers entsprechend der 2 eine deutlich geringere magnetische Kraft als die maximal ausgelenkte Position des Ankers entsprechend der 3. Die Verlustleistung des elektromagnetischen Aktors verringert sich entsprechend dieser Kraft. Die mittlere Ankerposition mit geringerer Verlustleistung wird typischerweise für einen längeren Zeitraum (z.B. 1 s bis 5 min) gehalten als die maximale Position des Ankers, die während einer vergleichsweise kurzen Zeit des Befüllens der Luftblase benötigt wird (z.B. 0,5 s bis 5 s). Demzufolge wird durch das Magnetventil der hier beschriebenen Ausführungsform nur wenig Verlustleistung generiert.
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Die im Vorangegangenen beschriebene Ausführungsform der Erfindung weist eine Reihe von Vorteilen auf. Insbesondere wird ein einfach aufgebautes Magnetventil mit drei Schaltstellungen geschaffen, das nur einen einzelnen elektromagnetischen Aktor ohne die Notwendigkeit einer elektrischen Stromumpolung benötigt. Über einen Hebelmechanismus mit variabler Kippachse können dabei große Hübe zum Öffnen und Schließen eines Zuluft- und Abluftanschlusses mit gleichzeitig geringer Kraftausübung des Aktors erreicht werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Luftkammer
- 100, 100'
- elektromagnetische Aktuatoren
- 2, 3, 4
- Luftanschlüsse
- 5
- Luftkanal
- 6
- Magnetspule
- 601
- Wicklung der Magnetspule
- 7
- Spulenkörper der Magnetspule
- 8
- Joch
- 9
- Anker
- 10
- Clip
- 10a, 10b
- Rastnasen des Clips
- 11
- Vorsprung des Clips
- 12, 12'
- Dichtelemente
- 13
- Führungsnase des Spulenkörpers
- 14
- Abdeckplatte
- 15
- Deckel
- 16
- Platine
- 17
- Pin
- 18
- Gitterfilter
- 19
- Blattfeder
- 19a
- Knickstellen der Blattfeder
- 19b
- Lappen der Blattfeder
- 19c
- Aussparung am Lappen der Blattfeder
- 20, 21, 22
- Öffnungen im Anker
- 23
- Dämpfungselement
- 24
- Platte
- 25
- Steg
- 26
- Spiralfeder
- L, L'
- Luftspalte
- A
- Drehachse
- A1, A2
- Kippachsen
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102008060342 B3 [0003]
- WO 2013/011340 A1 [0003]
- DE 102009033585 A1 [0004]
