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Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Elektromagnetventile in Schieberbauart dienen dazu Fluidströme in hydraulischen Anlagen zwischen der Fluidquelle, z. B. Hydraulikpumpe, und dem anzutreibenden Abnehmer, z. B. Hydraulikzylinder oder Hydraulikmotor, so zu steuern, dass Start, Stopp und Bewegungsrichtung des beispielhaften Hydraulikzylinders entsprechend den Arbeitserfordernissen der damit angetriebenen Maschine ermöglicht sind.
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Beispiel 1:
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Sogenannte NG6-Magnetventile und davon abgeleitete weitere Baugrößen, stellen den vorrangigen Stand der Technik dar und können beispielhaft mit Hilfe der Katalogunterlagen zu den Magnet-Wegeventile der Firma EATON beschrieben werden. Diese Unterlagen sind über das Internet zugänglich und zwar über die Sucheigabe → 'Eaton Vickers Magnetventile.pdf' sind die Datenblätter des Katalogs D-2015B abrufbar, wobei auf der Seite 4 aus der Abbildung: 'Aufbau eines typischen Ventils mit einem Magneten' und aus der zugehörigen Beschreibung der grundsätzliche Aufbau dieser weitverbreiteten Magnetventile ersichtlich ist. Hierbei handelt es sich um ein sogen. 4/2-Magnetventil, d. h. mit vier hydraulischen Anschlüssen und zwei Schaltstellungen. Aus der Abbildung ist erkennbar, dass das Gesamtventil aus zwei Baugruppen besteht und zwar der elektrischen Baugruppe: Schaltmagnet und der hydraulischen Baugruppe: Schieberventil. Beide sind über geeignete Schraubverbindungen zusammengefügt. Der Schaltmagnet besteht aus dem sogen., nach außen druckdichten, Druckrohr in dessen Innenbohrung der Anker geführt ist. Die Magnetwicklung ist außen über das Druckrohr geschoben. Dargestellt ist, wie üblich, die stromlose Schaltstellung mit federzentriertem Hydraulikschieber in Mittelstellung. Bei Bestromung der Spule des Schaltmagneten wird durch den magnetischen Feldlinienaufbau über die Ankerstirnseite zum Gegenpol des Polkerns der Anker durch die magnetischen Kräfte angezogen, bis zum mechanischen Anschlag des Ankers und wird somit in bekannter Weise nach rechts verschoben. Über einen im Polkern gelagerten Stößel wird der Hydraulikschieber ebenfalls nach rechts verschoben, gegen die Kraft der gegenseitigen Zentrierfeder. In der bestromten Schaltposition sind die zuvor geschlossenen hydraulischen Verbindungen zwischen Druckanschluss, Verbraucher und drucklosem Rücklauf geöffnet und der angeschlossene Verbraucher, in diesem Fall z. B. ein Hydraulikmotor, kann seine Arbeit verrichten. Aufgrund hydraulischer und Lebensdauer-Erfordernisse ist der Hydraulikschieber zumeist aus gehärtetem Stahl, präzise geschliffen und mit geringstmöglichem Spiel, von wenigen tausendstel mm, in das Schiebergehäuse eingepasst. Demgegenüber sind die den Magnetfluss leitenden metallischen Werkstoffe des Elektromagneten aus sogenanntem weichmagnetischem Stahl, um einen guten magnetischen Wirkungsgrad und damit hohe Magnetkräfte zu erreichen.
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Beispiel 2:
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Eine kompaktere Bauart stellen die sogen. Einschraubventile oder auch Cartridgeventile dar. In den Katalogunterlagen HD 4041, 07/2014 der Fa. ARGO-HYTOS ist ein elektromagnetisch betätigtes 3/2-Wege-Schieberventil mit der Typenbezeichnung SD2E-A3 im Schnitt dargestellt. Auch diese Darstellung zeigt den grundsätzlich gleichen Aufbau in der Trennung von Magnetbaugruppe und Ventilbaugruppe mit der Kraftübertragung über einen zusätzlichen Stößel. Bei beiden Beispielen arbeitet der Magnetanker drückend, d. h. zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Magnetanker, Stößel und Ventilschieber sind keine weiteren Kupplungsteile erforderlich.
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Beispiel 3:
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Ist der Magnetanker für ziehende Betätigung des Hydraulikschiebers ausgeführt, so werden zusätzliche, zumindest kraftschlüssige, in der Schieber-Magnetankerachse axial angeordnete Kupplungsanordnungen zwischen Hydraulikschieber und Magnetanker erforderlich. Das zeigt z. B. die vereinfachte, schematisierte Schnittzeichnung im Katalogblatt D 5.969. 1/09.13 der Fa. HYDAC für Magnet-Schieberventil mit der Typenbezeichnung WK10W-01. Eine mit dem Magnetanker fest verbundene Zugstange ist an ihrer Stirnseite, zum Ventilschieber hin, mit einem Kupplungszapfen ausgeführt der in ein entsprechendes Gegenstück – Nut im Ventilschieber – eintaucht und somit die Zugkraft des Magnetankers übertragen kann. Auch bei dieser Magnetventil-Version werden die Magnetbaugruppe und die Hydraulikventilbaugruppe über entsprechende Verbindungsmechanismen, wie z. B. Schraubverbindungen, zusammenmontiert, was vereinfachend nicht dargestellt ist, ebenso die zur Magnetfunktion erforderliche magnetische Trennung im Druckrohr. Unter ALLGEMEINES wird ausdrücklich erwähnt, dass zur Verschleißminimierung die Ventileinbauteile gehärtet und geschliffen sind. Durch eine besondere Gestaltung der magnetischen Trennung, der Diskontinuität, mit einem sog. Steuerkonus, im weichmagnetischen Druckrohr können die beschriebenen Schaltventile auch als Proportionalventile eingesetzt werden. Hierbei steigen jedoch noch weiter die Anforderungen an die Reibungsarmut aller geführten Teile, wie Magnetanker, Stößel und Ventilschieber, so dass durch konstruktive Maßnahmen z. B. reibungsarme PTFE-Metallverbund-Gleitlager am Magnetanker und Achse des Magnetankers oder Stößel sowie erhöhte fertigungstechnische Anforderungen bezüglich Minimierung von Rundlauf-, Form- und Koaxialfehler mehrerer Teile zueinander, um geringstmögliche Hysteresewerte der Magnetventil-Kennlinien erreichen zu können. Beispielhaft dazu
1 (und folgende) die in der Patentschrift
DE 10 2005 058 846 gezeigten aber nicht beschriebenen Gleitlager am 'Anker' (
3) und am 'Betätigungselement' (
4). Die Schaltventile, wie die prinzipiell gleich aufgebauten Proportionalventile, sind durch die entgegengesetzten Materialanforderungen – harte Ventilteile – weichmagnetische Magnetteile- aufwendig in der Produktion und, was besonders im Mobilhydraulikbereich immer wichtiger wird, bezüglich dem Ziel einer weiteren Gewichtsminimierung begrenzt.
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Aufgabe der Erfindung ist, Elektromagnetventile der beschriebenen Art und Anwendung so weiterzubilden, dass durch Teilereduktion und Vermeidung unnötiger Führungsanordnungen eine sicherere Funktion, geringere Montageaufwendungen und somit eine Kostenreduktion sowie weitere Gewichtseinsparungen erreicht werden. Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Längsschieberventilanordnung der bekannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Durch die in den Unteransprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungsformen und Weiterbildungen der Erfindung aufgezeigt, dementsprechend zeichnet sich das erfindungsgemäße Ventil dadurch aus, dass der Ventilschieber und Magnetanker als eine einteilige, Mehrfunktions-Baugruppe ausgeführt ist wodurch die Aufgabe der Teilereduktion maximal erreicht ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist die Mehrfunktionsbaugruppe als hybrides Bauteil ausgeführt, um den entgegengesetzten Anforderungen von verschleißfestem Hydraulikventil und elektromagnetischer Betätigungseinrichtung mit optimalem magnetischem Wirkungsgrad gerecht werden zu können.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist der Wegeventilschieber im Bereich der Hydraulikfunktion gehärtet und im Bereich der Magnetankerfunktion magnetisch welch.
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In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung ist vorgesehen, dass die Führung des Hybridschiebers nur in seiner Ventilbohrung mit, dem hydraulisch erforderlichen, engem Spiel erfolgt und im Magnetankerbereich durch ein minimales, aber größeres Spiel gegenüber dem Hydraulikbereich, zwischen Magnetankeraußendurchmesser und Druckrohrbohrung, Reibungsfreiheit in der elektromagnetischen Betätigungseinrichtung erreicht ist.
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In weiteren Unteransprüchen sind weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung aufgeführt.
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Mit dieser Erfindung sind Elektromagnetventile mit wesentlich geringerem Bauaufwand und höherer Funktionssicherheit realisierbar. Besonders in der Anwendung als Proportionalventil wirkt sich die prinzipbedingt erreichte Reibungsverminderung, bzw. Reibungsfreiheit im Ankerbereich positiv auf geringere Hysteresewerte aus. Herstell- sowie Montagekosten sind deutlich reduziert.
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Weitere Vorteile und Ausführungen der Erfindung ergeben sich aus der Beschreibung und den Zeichnungen. Ebenso können die vorstehend genannten und die noch weiter aufgeführten Merkmale erfindungsgemäß jeweils einzeln für sich oder zu mehreren in beliebigen Kombinationen Verwendung finden. Die gezeigten und beschriebenen Ausführungsformen sind nicht als abschließende Aufzählung zu verstehen, sondern haben vielmehr beispielhaften Charakter für die Schilderung der Erfindung.
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Es zeigen:
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1 Erfindungsgemäßes Elektromagnetventil, als Cartridgeventil, mit ziehend wirkendem Magnetanker.
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2 Erfindungsgemäßes Elektromagnetventil, als Cartridgeventil, mit drückend wirkendem Magnetanker.
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3 Teilschnitt-Variante zu 2
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Ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 gezeigt. Die Baugruppe Cartridgeventil 1 ist z. B. in einen (angedeuteten) Hydrauliksteuerblock 2 eingeschraubt. Die Baugruppe Betätigungsmagnet 3 besteht aus einer Magnetwicklungsbaugruppe 4 die auf das Druckrohr 5 aufgeschoben ist und mittels der angeschraubten Mutter 6 in ihrer Einbaulage fixiert. Die eigentliche Magnetwicklung 7 ist von einem nach innen offenen Gehäuse 8 umfasst, wobei das Gehäuse 8 aus einem ferromagnetischen Werkstoff, zumeist magnetisch weichem Stahl, besteht. Der zylindrische Innendurchmesser der Magnetwicklungsbaugruppe 4 besteht dadurch aus drei Abschnitten, beidseitig außen jeweils der magnetisierbare Werkstoff des Gehäuses 8 als magnetischer Kontaktbereich zum Druckrohr 5 und dazwischen befindet sich der Innenbereich der Magnetwicklung 7. Das Druckrohr 5 ist im Bereich der Magnetwicklung 7 durch eine Diskontinuität 9, bestehend aus einem nichtmagnetisierbaren Werkstoff, in Axialrichtung magnetisch getrennt. Die Gestaltung der Diskontinuität 9 bestimmt die Magnetkraft-Kennlinie und somit ob schaltendes oder proportionales Verhalten des Betätigungsmagneten 3 vorhanden ist. Der Hybridschieber 10 ist einstückig und beinhaltet die Funktionen des Hydraulikschiebers 10.1 im Cardridgeventil 1 und die des Magnetankers 10.2 im Betätigungsmagneten 3. Beide Funktionsbereiche haben an die Werkstoffeigenschaften entgegengesetzte Forderungen: Der Hydraulikschieber 10.1 muss verschleißfest gegenüber der abrasiv wirkenden Fluidströmumg sein und erfordert deshalb eine harte Oberfläche, demgegenüber muss der Magnetanker 10.2 ferromagnetisch, also weich sein, um dem Magnetfluss geringstmöglichen Widerstand entgegenzusetzen. Das wird erfindungsgemäß durch den Hybridschieber 10 realisiert, 'hybrid' bedeutet in diesem Fall – ein Bauteil mit der Kombination unterschiedlicher metallurgischer Eigenschaften. Die Eindrehung 10.3 kennzeichnet hierbei die Trennung der Eigenschaften des Hybridschiebers 10 in einen harten, das ist der Hydraulikbereich = Hydraulikschieber 10.1 und einen weichen, das ist der Magnetbereich = Magnetanker 10.2. Durch die Einstückigkeit des Hybridschiebers 10 entfallen die üblicherweise notwendigen Übertragungsmittel, wie Stößel oder, da das Beispiel nach 1 einen ziehenden Magneten darstellt, Kupplungsanordnungen zwischen Magnetanker und Hydraulikschieber. Das Cartridgeventil 1 besteht aus einer Ventilsteuerhülse 1.1 in deren präzise bearbeiteten Bohrung 1.2 der Hydraulikschieber 10.1 mit geringstem Spiel von wenigen μm gleitet. Das gezeigte Beispiel 1 ist ein 3/2-Ventil, d. h. zwei Schaltstellungen und drei hydraulische Anschlüsse, andere Symbole sind möglich und werden durch die jeweiligen Steuerkantenanordnungen (10.4, 10.5) im Hydraulikschieber 10.1 bestimmt. Das beispielhafte Cartridgeventil 1 hat die Anschlüsse A, P und T, andere Zuordnungen sind möglich. A steht für Arbeitsanschluss, z. B. zu/von einem Zylinder, P Anschluss an eine Druckversorgungsquelle und T für das rückströmende Fluid in einen Tank, die zugehörigen Anschlussbohrungen im Hydrauliksteuerblock 2 sind dementsprechend gekennzeichnet. Eine auf die Ankerstirnseite 10.6 wirkende Druckfeder 11 drückt den Hybridschieber 10 im stromlosen Zustand gegen einen Nutenring 12 in der Bohrung 1.2 auf der entgegengesetzten Seite. In der stromlosen Grundstellung des Hydraulikschiebers 10.1 ist der Anschluss P gesperrt und der Anschluss A mit T verbunden. Bei Bestromung, über den el. Stromanschluss 3.1, erzeugt die Magnetwicklung 7 einen magnetischen Feldlinienfluss im Magnet-Gehäuse 8 der sich über die magnetischen Kontaktbereiche einerseits in das Druckrohr 5 und andererseits in das Magnetjoch 5.1 weiter ausbildet. Die Diskontinuität 9 leitet den Magnetfluss auf die Ankerstirnfläche 10.6 um, wodurch die daraus folgende Magnet-Anziehungskraft den Hybridschieber 10 in seiner Gesamtheit gegen die Kraft der Feder 11 anzieht und somit den Hydraulikschieber 10.1 in seine zweite, rechte Schaltstellung bringt. In dieser Arbeitsstellung sind die Anschlüsse P und A miteinander verbunden und Anschluss T ist gesperrt. Die dafür notwendigen Freistiche und Strömungsbohrungen im Hydraulikschieber 10.1 sind für den Fachmann aus den Zeichnungen erkennbar und allgemein bekannt, so dass eine detailliertere Beschreibung nicht erforderlich ist.
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Beträgt das Spiel im Bereich des Hydraulikschiebers 10.1 funktionsbedingt nur wenige μm, so kann das Spiel zwischen Magnetanker 10.2 und der Bohrung 1.2 nur geringfügig größer ausgeführt werden, so dass der Magnetanker 10.2 berührungslos gegenüber der Druckrohr-Bohrung 1.2 keine Reibungskräfte verursacht aber dennoch ein vergleichsweise sehr geringer Luftspalt zwischen Magnetanker 10.2 und der Bohrung 1.2 im Magnetbereich 3 dadurch ermöglicht ist. Diese vorteilhafte Spielekombination ist mit geringem Aufwand herstellbar da der Hybridschieber 10 als einstückiges Werkstück in einer Aufspannung feinst bearbeitet werden kann, ebenso die Bohrung 1.2 im Ventil- wie Magnetbereich. Druckausgleich ist durch die Bohrung 10.7 in jeder Schalt- oder Regelsituation gewährleistet. Mittels der Einstell-Schraubenanordnung 13 kann die Vorspannkraft der Feder 11 beeinflusst werden. Es ist aus der Beschreibung und der 1 erkennbar, dass mit der Erfindung nun ein Elektromagnetventil mit geringstmöglichem Aufwand herstellbar ist, bei verbesserter Funktionssicherheit und höherer Regelgüte, besonders bei der Verwendung als Regel- bzw. Proportionalventil reduziert die erreichte Reibungsminimierung die Hysteresewerte der Kennlinie; in diesem Beispiel nach 1 mit 'ziehend' wirkendem Magnetanker, auf den Hydraulikschieber 10.1 bezogen.
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2 zeigt die Realisierung der Erfindung bei einem Elektromagnetventil 20 mit 'drückend' wirkendem Magnetanker 30.2. Die Grundanordnung der Teilbaugruppen, Cartridgeventil 21 und Betätigungsmagnet 23 mit el. Stromanschluss 23.1, ist grundsätzlich gleich und unterscheidet sich lediglich in der Kombination und Verbindung beider Baugruppen mit dem Hydrauliksteuerblock 22. Da das Magnetgehäuse 28 mit quadratischem Querschnitt ausgeführt ist und die Magnetwicklung 27 mit rundem Querschnitt, können in den von der Magnetwicklung 27 freien Ecken des Magnetgehäuses 28 Längsbohrungen für Befestigungsschrauben 26 (mit Mittellinien angedeutet) vorgesehen werden. Das Magnetgehäuse 28 mit der Magnetwicklung 27 ist somit wieder über das Druckrohr 25 aufgeschoben. Der Hybridschieber 30 ist ebenfalls einstückig und beinhaltet die Funktionen des Hydraulikschiebers 30.1 im Cardridgeventil 21 und die des Magnetankers 30.2 im Betätigungsmagneten 23. Eigenschaften und Ausführung des Hybridschiebers 30 in seinem hydraulischen- wie magnetischem Funktionsbereich entspricht dem in 1 beschriebenen Elektromagnetventil:
Verschleißfester Hydraulikschieber 30.1 und magnetisch weicher Magnetanker 30.2, hierbei stellt der Einstich 30.3 den Übergangsbereich der unterschiedlichen Materialeigenschaften dar. Die Anordnung der Steuerkanten 30.4 und 30.5 und die Gestaltung der Ventilsteuerhülse 21.1 ergibt wiederum ein Ventilschaltsymbol mit gesperrtem P-Anschluss und Strömungs-Verbindung von A nach T in der stromlosen, rechten Grundstellung, durch die Kraftwirkung der Rückstellfeder 40 auf den Hybridschieber 30. Um nun eine drückende Magnet-Kraft im bestromten Zustand auf den Hydraulikschieber 30.1, gegen die Federkraft der Feder 40, ausüben zu können wird durch den Durchmessersprung von Hydraulikschieber 30.1 auf den größeren Durchmesser des Magnetankers 30.2 eine dafür geeignete, ringförmige, Ankerstirnfläche 30.6 gebildet. Der durch die Diskontinuität 29 umgelenkte Magnetfluss erzeugt im bestromten Zustand eine magnetische, axial wirkende, Anziehungskraft, vom Magnetjoch 21.2 ausgehend, über die Ankerstirnfläche 30.6 auf den Magnetanker 30.2 der somit den Hydraulikschieber 30.1 gegen die Federkraft der Feder 40 nach links in seine zweite Schaltposition verschiebt bzw. 'drückt'. Die Bohrungen 30.7, 30.8 sowie die Längsnuten 30.9 gewährleisten auch bei dieser Version den Druckausgleich bei Schalt- bzw. Regelbewegungen des Hybridschiebers 30. Der Grundgedanke der Erfindung des einstückigen Hybridschiebers ist auch für die 'drückende' Version realisierbar, wie gezeigt, und hat dieselben Vorteile wie bei 1 beschrieben. Trotz des Durchmessersprungs ist auch hier z. B. ein geringstmögliches Spiel bzw. ein geringster Luftspalt zwischen Magnetanker 30.2 und der Bohrung des Druckrohrs 25 einfach herstellbar, so dass im Magnetbereich die Vorteile eines berührungslos reibungsfrei wirkenden Regel- bzw. Betätigungsmagneten erreicht sind.
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3 zeigt eine weitere, vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung nach 2, dargestellt in einem Teilschnitt des Betätigungsmagneten 50. Bis auf die spezielle Ausführung des Magnetankers 31.1 sind alle Teile gleich ausgeführt und angeordnet, so dass sich die Beschreibung auf die Variante beschränkt. Im Magnetanker ist ein Hohlraum 52 ausgeformt, um das Gesamtgewicht des Hybridschiebers 31 weiter zu verringern. Der Hohlraum 52 mit variabler Wandstärke ist dabei so gestaltet, dass keine Beeinträchtigung des Magnetflusses im Magnetanker durch Überschreiten der Sättigungsgrenze eintritt und somit keine Minderung der Magnetkraft dadurch verursacht wird. Die dadurch erreichte weitere Reduzierung des Elektromagnetventil-Gesamtgewichtes ist besonders beim Einsatz in Mobil-Hydrauliksteuerungen von Vorteil. Wie die vorstehenden Ausführungen zeigen erlaubt die Erfindung des Hybridschiebers die Reduzierung der bisherigen Teilevielfalt auf ein Minimum wodurch Kostenreduzierung erreicht wird bei gleichzeitiger Funktionsverbesserung und höherer Betriebssicherheit da weniger Teile dem Verschleiß ausgesetzt sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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