DE102016001060A1

DE102016001060A1 - Elektrohydraulisches Ventil und Verfahren zu seiner Herstellung

Info

Publication number: DE102016001060A1
Application number: DE102016001060.6A
Authority: DE
Inventors: René Schulz
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 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 in der Umgehung der Arbeitsluftspalts erreicht wird. Lösung: Das Röhrchen besteht aus einem Eisenmaterial, wobei das Ausgangsmaterial ferritisch ist und durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht wird, und eine kritischen Zone (7) des Röhrchens, die einem Arbeitsluftspalt (10) zwischen einem Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist, wird durch eine Warmbehandlung anteilig in einen stabilen austenitischen Gefügezustand gebracht. Anwendung: Steuerung von hydraulischen Motoren, Kupplungen und anderen Ventilen, 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 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 Luftspalt zwischen einem beweglichen Magnetanker und einem Magnetpol wird der Magnetfluss in eine Kraft gewandelt.
Bei einer besonders wichtigen Gruppe von Ventilen ist der Magnetanker in einem tiefgezogenen Röhrchen oder in einem gelöteten Polrohr gelagert. Das Röhrchen oder das Polrohr sind jeweils einseitig geschlossen ausgeführt und dichten damit das Ventil nach außen ab.
Das Röhrchen oder das Polrohr 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 es parallel zum Arbeitsluftspalt des Elektromagneten, der zwischen dem Magnetanker und einem Magnetpol liegt, möglichst wenig den Arbeitsluftspalt umgehenden Magnetfluss geben, 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.
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 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 zu schwächen, der den Arbeitsluftspalt umgeht. Auch diese Lösung verursacht vergleichsweise hohe Herstellkosten durch die mechanische Bearbeitung.
Schließlich kann man ein austenitisches tiefgezogenes Röhrchen verwenden, das entsprechend der Druckbelastung in seiner Wandstärke ausgelegt ist.
Man erhält dann einen 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 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 5 angegeben. Die Ansprüche 6 und 7 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.
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 aufweisen. Dazu wird nur für diese Zone eine Warmbehandlung des Materials vorgenommen.
Die Warmbehandlung besteht aus:

• einem Erwärmen auf die Temperatur für die Gefügeumwandlung zu Austenit,
• erforderlichenfalls verbunden mit einem Aufkohlen der Oberfläche mittels kohlenstoffhaltigem Gas oder Pulver
• einer genau gesteuerten Abkühlung
• erforderlichenfalls einem Glühen zur Stabilisierung des Gefüges.

Bei einer geeigneten Abkühlung, die durch Versuche ermittelt wird, ergibt sich ein recht hoher Restaustenitgehalt im Gefüge. Der erzielte Restaustenitgehalt lässt sich angenähert über den magnetischen Widerstand der kritischen Zone messen. Der magnetische Widerstand wird mittels einer Kraftmessung an einem Anker ermittelt, wobei der magnetische Fluss durch den Anker über die kritische Zone geleitet wird.
Der Restaustenitgehalt muss aber stabilisiert werden, damit sich später im Betrieb des Ventils keine Eigenschaftsänderungen durch eine Umwandlung von Anteilen des Gefüges ergeben.
Es ist bekannt, dass ein nicht stabilisierter Restaustenitgehalt zu Änderungen der Maße und der magnetischen Eigenschaften von Bauteilen führen kann, daher bemüht man sich in vielen anderen Fällen, den Restaustenit zu vermeiden oder zu beseitigen.
Die Stabilisierung des Restaustenits erfolgt hier durch chemische und/oder mechanische Mittel. Eine chemische Stabilisierung wird durch ein Zulegieren von Silizium oder von einem anderen Legierungsmetall, ausgewählt aus der Gruppe (Mn, Cr, Ni, Mo, W), zu dem Ausgangsblech erreicht.
Das Zulegieren von Silizium erhöht auch den elektrischen Widerstand, was in vorteilhafter Weise die Wirbelstromverluste beim Ein- und Ausschalten des Elektromagneten vermindert.
Eine mechanische Stabilisierung wird durch das Aufbringen von Druckeigenspannungen erzeugt, zum Beispiel durch Kugelstrahlen.
Der Restaustenit in der kritischen Zone bewirkt dort eine deutliche Erhöhung des magnetischen Widerstands und damit eine deutliche Verminderung des den Arbeitsluftspalt umgehenden Magnetflusses.
Das auf diese Weise hergestellte Röhrchen des Elektromagneten hat

• im Übergangsbereich des Magnetflusses von außen nach innen einen geringen magnetischen Widerstand, weil das Material dort ferritisch ist,
• in der kritischen Zone um den Arbeitsluftspalt einen hohen magnetischen Widerstand wegen des dort vorliegenden austenitischen Gefügeanteils
• geringe Herstellkosten wegen der Herstellung der Becherform durch Umformen.

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), wobei eine fluidische Abdichtung des Elektromagneten aus einem Röhrchen (4) besteht, in dem sich der Magnetanker (5) des Elektromagneten bewegt. Der Magnetanker betätigt den beweglichen Teil des Verteilers mittels eines Stößels (9).
Das Röhrchen ist von einer Magnetspule (6) umgeben.
Das Röhrchen besteht aus einem Eisenmaterial, wobei das blechförmige Ausgangsmaterial ferritisch ist und durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht wird.
Eine kritische Zone (7) des Röhrchens, die dem Arbeitsluftspalt zwischen den Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist, wird durch eine Warmbehandlung anteilig in einen stabilen austenitischen Gefügezustand gebracht.
Das Ausgangsmaterial für das Röhrchen (4) weist vorzugsweise einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt (< 0,2%) auf und die genannte Warmbehandlung enthält vorzugsweise einen Teilprozess zur lokalen Erhöhung des Kohlenstoffgehalts, einen Aufkohlungsprozess mittels kohlenstoffhaltigem Gas oder Pulver.
Das Ausgangsmaterial für das Röhrchen (4) ist vorzugsweise mit mindestens 1% Silizium oder einem anderen Legierungsmetall legiert, das den Restaustenitgehalt stablisiert.
Die kritische Zone (7) wird vorzugsweise nach der Warmbehandlung durch eine Strahlbearbeitung mechanisch verfestigt, weiter vorzugsweise durch Kugelstrahlen.
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 statische 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 Eisenblech besteht, wobei das Ausgangsblech ferritisch war und durch Umformen in seine becherförmige Form gebracht wurde, und eine kritischen Zone (7) des Röhrchens, die einem Arbeitsluftspalt (10) zwischen den Magnetanker (5) und einem Magnetpol (8) benachbart ist, durch eine Warmbehandlung anteilig in einen stabilen austenitischen Gefügezustand gebracht wurde.
Elektrohydraulisches Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial für das Röhrchen (4) einen sehr geringen Kohlenstoffgehalt (< 0,2%) aufweist und dass die Warmbehandlung eine lokale Erhöhung des Kohlenstoffgehalts durch einen Aufkohlungsprozess enthält.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsmaterial für das Röhrchen (4) mit mindestens 1% eines den Restaustenitgehalt stabilisierenden Legierungselement legiert ist.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die kritische Zone (7) nach der Warmbehandlung durch eine Strahlbearbeitung mechanisch verfestigt wurde.
Elektrohydraulisches Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die 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 ein Magnetanker (5) des Elektromagneten bewegt und wobei das Röhrchen von einer Magnetspule (6) umgeben ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Röhrchen durch Umformen aus einem ferritischen Blech in seine becherförmige Form gebracht wird und dass eine kritische Zone (7) des Röhrchens durch eine Warmbehandlung anteilig in einen stabilen austenitischen Gefügezustand 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 6, dadurch gekennzeichnet, dass nach der Warmbehandlung die kritische Zone durch eine Strahlbearbeitung verfestigt wird, vorzugsweise durch Kugelstrahlen.