DE102016001059A1

DE102016001059A1 - Elektrohydraulisches Ventil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016001059A1
Application number: DE102016001059.2A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Schonlau
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2016-01-30
Filing date: 2016-01-30
Publication date: 2017-08-03

Abstract

Aufgabe: Für Anwendungen von elektrohydraulischen Ventilen mit höherem Druck (> 50 bar) im Ankerraum ist ein umformend hergestelltes Röhrchen so zu gestalten, dass bei niedrigen Herstellkosten ein geringer magnetischer Widerstand beim Übergang des Magnetflusses von außen nach innen und ein hoher magnetischer Widerstand und eine erhebliche Wirkung der magnetischen Sättigung in der Umgehung der Arbeitsluftspalts erreicht wird. Lösung: Das Röhrchen besteht aus einem ferritischen Eisenmaterial, wird durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht und durch eine Strahlbearbeitung in einer kritischen Zone (7) auf einen verminderten Querschnitt gebracht, wobei die kritische Zone des Röhrchens dem Arbeitsluftspalt zwischen dem Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist. Anwendung: Elektrohydraulische Ventile dieser Bauart werden zur Steuerung von hydraulischen Motoren, Kupplungen und anderen Ventilen eingesetzt, vorzugsweise in Fahrzeugen, Arbeitsmaschinen und stationären Anlagen.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Ventil entsprechend dem Oberbegriff des ersten Patentanspruchs.
Stand der Technik:
Elektrohydraulische Ventile mit einem Elektromagneten und einem in dem Arbeitsmedium beweglichen Magnetanker sind bekannt und weit verbreitet. Dabei wird eine elektrische Leistung in einer Magnetspule in einen Magnetfluss gewandelt und in einem Arbeitsluftspalt zwischen dem beweglichen Magnetanker und einem Magnetpol wird der Magnetfluss in eine Kraft gewandelt. Bei einer besonders wichtigen Gruppe von Ventilen ist der Magnetanker in einem gelöteten Polrohr oder in einem tiefgezogenen Röhrchen gelagert. Das Polrohr oder das Röhrchen sind jeweils einseitig geschlossen ausgeführt und dichten damit das Ventil nach außen ab. Das Polrohr oder das Röhrchen sind innen, in dem Ankerraum, mit einem der Arbeitsdrücke des Ventils beaufschlagt, in der Regel mit dem Tankdruck oder dem Rücklaufdruck, so dass hier meist nur ein geringer Druck beherrscht werden muss. Wenn der Rücklaufdruck auch höhere Werte annehmen kann, muss eine entsprechend große Wandstärke für das Röhrchen gewählt werden, oder es muss ein Polrohr verwendet werden. Ein Nachteil dieser Ausführungen mit einem Röhrchen oder einem Polrohr besteht darin, dass ein möglichst widerstandsarmer Übergang des magnetischen Flusses von außen durch das Röhrchen oder das Polrohr auf den innen befindlichen Magnetanker anzustreben ist, wenn die Kraft am Magnetanker so hoch wie möglich sein soll. Andererseits soll parallel zum Arbeitsluftspalt, der zwischen dem Magnetanker und dem Magnetpol liegt, sich ein möglichst geringer den Arbeitsluftspalt umgehender Magnetfluss ergeben, denn dieser umgehende Magnetfluss mindert ebenfalls die Ankerkraft. Allerdings ist das Röhrchen oder das Polrohr parallel zum Arbeitsluftspalt angeordnet.
Das führt zu zwei gegensätzlichen Anforderungen an das Material des Röhrchens oder des Polrohrs. In der Zone des Übergangs des Magnetflusses von außen nach innen soll der magnetische Widerstand möglichst klein sein und in der kritischen Zone, die den Arbeitsluftspalt umgibt, soll der magnetische Widerstand möglichst hoch sein und der Magnetfluss soll bei seiner Steigerung früh in die Sättigung gehen. Bei einem gelöteten Polrohr wird dieser Konflikt gelöst, indem man einen Teil des Polrohrs aus ferritischem Eisen, und die kritische Zone aus austenitischem Eisen oder aus einem Buntmetall mit hohem magnetischem Widerstand ausführt. Mit einem gelöteten Polrohr lassen sich auch höhere Drücke beherrschen, es bleiben als Nachteil die vergleichsweise hohen Herstellkosten. Alternativ zur Verwendung unterschiedlicher Materialien ist auch bekannt, das Polrohr durch eine mechanische Bearbeitung in der kritischen Zone zu schwächen und damit den Magnetfluss in der Umgehung des Arbeitsluftspalts durch den höheren magnetischen Widerstand und die Wirkung der magnetischen Sättigung bei höheren Magnetflüssen zu schwächen. Auch diese Lösung verursacht vergleichsweise hohe Herstellkosten durch die mechanische Bearbeitung. Schließlich kann man ein austenitisches tiefgezogenes Röhrchen verwenden, dessen Wandstärke entsprechend der Druckbelastung ausgelegt ist. Man erhält dann einen sehr geringen den Arbeitsluftspalt umgehenden Magnetfluss, aber bei höheren Druckanforderungen und dementsprechend größerer Wandstärke des Röhrchens einen recht hohen magnetischen Widerstand beim Übergang des Magnetflusses von außen nach innen.
Aufgabe:
Für diese Erfindung stellt sich die Aufgabe, für Anwendungen mit höherem Druck (> 50 bar) im Ankerraum ein umformend hergestelltes Röhrchen so zu gestalten, dass bei niedrigen Herstellkosten ein geringer magnetischer Widerstand beim Übergang des Magnetflusses von außen nach innen und ein hoher magnetischer Widerstand und eine erhebliche Wirkung der magnetischen Sättigung in der Umgehung der Arbeitsluftspalts erreicht wird.
Lösung:
Die Aufgabe wird durch die Merkmale des ersten Anspruchs gelöst, vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen 2 bis 6 angegeben. Die Ansprüche 7 bis 9 beschreiben Verfahren zur Herstellung eines erfindungsgemäßen Elektrohydraulischen Ventils. Weil es leichter ist, den magnetischen Widerstand in einem Bauteil zu erhöhen als diesen zu vermindern, wird als Ausgangsmaterial für das Röhrchen ein ferritisches Blech verwendet. Es sollte eine geringe magnetische Hysterese aufweisen und gut umformbar sein. Solche Bleche sind am Markt verfügbar. Die Blechdicke wird entsprechend den Festigkeitsanforderungen des fertigen Röhrchens gewählt, unter Berücksichtigung der Änderungen von Blechdicke und Festigkeit im Tiefziehprozess. Durch Tiefziehen wird das Blech in eine becherförmige Form gebracht, danach wird es beschnitten. Die kritische Zone des Röhrchens, die später im zusammengebauten Zustand den Arbeitsluftspalt des Elektromagneten umgibt, soll einen möglichst hohen magnetischen Widerstand und eine erhebliche Wirkung der magnetischen Sättigung aufweisen. Dazu wird nur für diese Zone eine Querschnittsminderung vorgenommen. Das ist zulässig, weil wegen des Tiefziehprozesses der Blechquerschnitt und die Festigkeit nicht mehr in allen Zonen des Röhrchens gleich sind und daher Reserven für den Querschnitt in der kritischen Zone bestehen, die für eine Querschnittsminderung genutzt werden können. Zusätzlich kann ein Teil der Wirkung der Querschnittsminderung auf die Bauteilfestigkeit durch eine lokale Erhöhung der Materialfestigkeit kompensiert werden. Die Querschnittsminderung wird bevorzugt durch einen hochenergetischen Laserstrahl oder eine Mehrzahl von Laserstrahlen erzeugt, die eine hohe örtliche Genauigkeit und eine präzise Dosierung ermöglichen, und dabei einen geringen Verzug ergeben. Wegen der geringen Krafteinwirkung kann im Vergleich zur mechanischen Bearbeitung auf eine Einspannung und innere Abstützung mit hoher Steifigkeit verzichtet werden.
Die Querschnittsminderung erhöht immer den magnetischen Widerstand in der kritischen Zone und führt bei höheren Magnetflüssen zu einer magnetischen Sättigung in dem verbliebenen Material. Der Widerstand und bei höheren Magnetflüssen vor allem die Sättigung vermindern den Magnetfluss, der den Arbeitsluftspalt umgeht, wodurch die Kraft des Magneten erhöht wird.
Eine lokale Erhöhung der Materialfestigkeit in der kritischen Zone des Röhrchens lässt sich durch eine oberflächliche Schlag- oder Strahlbearbeitung erreichen, mit der auch kleine Grate und Riefen eingeebnet werden und mit der Druckeigenspannungen in das Material eingebracht werden. Solche Druckeigenspannungen verbessern die Fähigkeit des Werkstoffs, wechselnde oder schwellende Zugspannungen zu ertragen. Das Einebnen der Grate und Riefen vermindert deren Kerbwirkung, was ebenfalls die Lebensdauer bei Schwellbelastung verbessert. Als besonders wirtschaftliche Methode der Strahlbearbeitung hat sich das Kugelstrahlen mit sehr kleinen Stahl- oder Glaskugeln erwiesen, es soll hier bevorzugt zum Einsatz kommen. Ein weiterer Prozess zur Erhöhung der lokalen Festigkeit ist eine Wärmebehandlung, auch Vergütung genannt, die in Kombination mit dem Kugelstrahlen eingesetzt werden kann, wenn dies erforderlich ist, vorzugsweise vor dem Kugelstrahlen. Damit sich bei der Wärmebehandlung eine Erhöhung der Festigkeit und möglichst auch oberflächliche Druckeigenspannungen ergeben, ist ein ausreichend hoher Kohlenstoffgehalt im Werkstoff erforderlich. Wenn aber ein kohlenstoffarmes Tiefziehblech verwendet wird, damit der Tiefziehprozess sicher gelingt, ist ein Aufkohlen der kritischen Zone zu Beginn der Wärmebehandlung erforderlich. Dazu verwendet man bekanntermaßen ein kohlenstoffreiches Gas oder Pulver, um während der Erwärmung Kohlenstoff in die Oberfläche der kritischen Zone einzubringen. Durch eine schnelle Abkühlung erzeugt man eine Härtung der Oberfläche, das ergibt eine Steigerung der Festigkeit und erzeugt die vorteilhaften Druckeigenspannungen. Vorzugsweise kombiniert man die Laserbestrahlung mit der Erwärmung, nutzt also die Erwärmung bei dem Materialabtrag auch für einen Teil der Wärmebehandlung.
Nach der Abkühlung und vor dem Kugelstrahlen ist es vorteilhaft, die Oberfläche nochmals zu erwärmen, um eine schädliche Versprödung des Materials abzubauen und das Gefüge zu verbessern. Die Querschnittsverminderung durch das Laserstrahlen macht nicht in allen Fällen eine weitere Bearbeitung durch Vergüten und/oder Kugelstrahlen erforderlich. Bei ausreichenden Festigkeitsreserven im Querschnitt der kritischen Zone kann auf das Vergüten, das Kugelstrahlen oder auf beide Prozesse verzichtet werden.
Anwendung:
Elektrohydraulische Ventile werden zur Steuerung von hydraulischen Motoren, Kupplungen und anderen Ventilen eingesetzt, vorzugsweise in Fahrzeugen, Arbeitsmaschinen und stationären Anlagen.
Bilder:
1 zeigt das erfindungsgemäße Ventil in einer vereinfachten Darstellung, beschränkt auf die für die Erfindung wesentlichen Bauteile.
Beispielhafte Ausführung:
Ein elektrohydraulisches Ventil (1) entsprechend 1 besteht aus einem Elektromagneten (2) und einem fluidischem Verteiler (3). Der Elektromagnet betätigt den Verteiler mittels eines Stößels (9). Dabei besteht eine fluidische Abdichtung des Elektromagneten aus einem Röhrchen (4), in dem sich der Magnetanker (5) des Elektromagneten bewegt. Das Röhrchen ist von einer Magnetspule (6) umgeben. Das Röhrchen besteht aus einem ferritischen Eisenblech, das durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht wird. Eine kritische Zone (7) des Röhrchens ist einem Arbeitsluftspalt (10) zwischen dem Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart. Durch eine Strahlbearbeitung wird das Röhrchen in der kritischen Zone (7) auf einen verminderten Querschnitt gebracht. Vorzugsweise erfolgt die Strahlbearbeitung der kritischen Zone (7) durch einen Laserstrahl oder mehrere Laserstrahlen.
Vorteilhafterweise wird die kritische Zone (7) nach der Querschnittsverminderung durch ein Vergüten verfestigt, wobei die Vergütung mindestens ein Erhitzen und ein Abkühlen umfasst. Vorzugsweise umfasst das Vergüten auch eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts und/oder abschließend ein Erwärmen.
Ebenfalls vorteilhafterweise wird die kritische Zone (7) nach der Querschnittsverminderung und der Vergütung durch eine weitere Strahlbearbeitung verfestigt, weiter vorzugsweise durch Kugelstrahlen. Die Strahlbearbeitung kann auch ohne eine vorhergehende Vergütung in vorteilhafter Weise angewandt werden.
Bezugszeichenliste

1: Ventil
2: Elektromagnet
3: Verteiler
4: Röhrchen
5: Magnetanker
6: Magnetspule
7: Kritische Zone
8: Magnetpol
9: Stößel
10: Arbeitsluftspalt

Claims

Elektrohydraulisches Ventil (1), bestehend aus einem Elektromagneten (2) und einem fluidischem Verteiler (3), wobei eine fluidische Abdichtung aus einem Röhrchen (4) besteht, in dem sich ein Magnetanker (5) des Elektromagneten bewegt und wobei das Röhrchen von einer Magnetspule (6) umgeben ist dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen aus einem ferritischen Eisenblech besteht, durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht wurde und durch eine Strahlbearbeitung in einer kritischen Zone (7) auf einen verminderten Querschnitt gebracht wurde, wobei die kritische Zone des Röhrchens einem Arbeitsluftspalt (10) zwischen dem Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist.
Elektrohydraulisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlbearbeitung der kritischen Zone (7) durch einen Laserstrahl oder mehrere Laserstrahlen erfolgt ist.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Zone (7) nach der Querschnittsverminderung durch ein Vergüten verfestigt wurde, wobei die Vergütung mindestens ein Erhitzen und ein Abkühlen umfasst.
Elektrohydraulisches Ventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Vergüten auch eine Erhöhung des Kohlenstoffgehalts und/oder abschließend ein Erwärmen umfasst.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Zone (7) nach der Querschnittsverminderung oder nach dem Vergüten durch eine weitere Strahlbearbeitung verfestigt wurde.
Elektrohydraulisches Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die weitere Strahlbearbeitung durch Kugelstrahlen erfolgt ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrohydraulischen Ventils (1), bestehend aus einem Elektromagneten (2) und einem fluidischem Verteiler (3), wobei eine fluidische Abdichtung der Ventils aus einem Röhrchen (4) besteht, in dem sich der Magnetanker (5) des Elektromagneten bewegt und wobei das Röhrchen von einer Magnetspule (6) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass eine kritische Zone (7) des Röhrchens durch einen Laserstrahl auf einen verminderten Querschnitt gebracht wird, wobei die kritische Zone des Röhrchens einem Arbeitsluftspalt (10) zwischen dem Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist.
Verfahren zur Herstellung eines elektrohydraulischen Ventils (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Querschnittsverminderung die kritische Zone (7) durch ein Vergüten verfestigt wird, vorzugsweise durch ein Erwärmen, verbunden mit einer Erhöhung des Kohlenstoffgehalts, einem Abkühlen und einem weiteren Erwärmen.
Verfahren zur Herstellung eines elektrohydraulischen Ventils (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Querschnittsverminderung oder nach dem Vergüten die kritische Zone durch eine weitere Strahlbearbeitung verfestigt wird, vorzugsweise durch Kugelstrahlen.