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Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung mit einem elektrischen Stellglied für ein Ventil aufweisend einen, in einer Kolbenkammer des Ventiles angeordneten und Ventilöffnungen des Ventiles verschließenden und/oder freigebenden, Hauptkolben. Der Hauptkolben führt hierbei entgegen einer Rückstellkraft zumindest eines, sich an einem gehäusefesten Bauteil des Ventiles abstützenden, Rückstellelementes zwischen einer Grundstellung und zumindest einer Raststellung eine Bewegung aus. Weiterhin ist der Hauptkolben mittels eines der Stelleinrichtung zugeordneten Rastmechanismus in die Raststellung einbringbar, wobei durch den Rastmechanismus in der jeweiligen Raststellung eine Haltekraft auf den Hauptkolben wirkt.
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Im modernen Fahrzeugbau steigt aufgrund der stetigen Integration weiterer Funktionen in ein Fahrzeug gleichzeitig die Anzahl an elektrischen Verbrauchen. Dies liegt darin unter anderem begründet, dass eine weitgehende Funktionsautomatisierung über Steuer- und/oder Regelsysteme vorherrscht, welche eine Elektronik und zudem elektrische Stellglieder beinhalten können. Die für diese elektrischen Verbraucher notwendige Energie wird dabei letztendlich durch den im Fahrzeug vorhandenen Kraftstoff zur Verfügung gestellt, was dazu führen kann, dass der Kraftstoffverbrauch auch mit jedem zusätzlichen elektrischen Verbraucher steigt. Eines der Hauptaugenmerkmale des modernen Kraftfahrzeugbaus liegt jedoch gerade auf der Senkung des Kraftstoffverbrauches und dem damit verbundenen Schadstoffausstoß. Somit besteht ein Ziel darin, die Leistungsaufnahme von in einem Fahrzeug integrierten elektrischen Verbrauchern möglichst weit zu senken. Dies betrifft sowohl Verbraucher die neue Funktionen erfüllen als auch bereits im Fahrzeug etablierte Systeme.
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Bei der Minimierung der Leistungsaufnahme sind vor allem auch solche Systeme von Interesse, welche in erstem Augenschein nicht in den primären Fokus solcher Optimierungsarbeiten fallen. Dies betrifft beispielsweise in einem Kraftfahrzeug verwendete Hydrauliksysteme wie Automatikgetriebe, bei welchen ferner Ventile eingesetzt werden deren Schaltstellung über einen Elektromagnet verändert wird. Ein solches Ventil kann als ein Wegeventil mit zwei Schaltstellungen ausgebildet sein, wobei sich dieses im stromlosen Zustand in einer Grundstellung und bei einem Stromfluss durch den Elektromagneten in einem geöffneten Zustand befindet. Hierbei muss der Elektromagnet gegen die Rückstellkraft einer Rückstellfeder arbeiten, um einen im Ventil angeordneten Steuerschieber in einer zum geöffneten Zustand des Ventiles korrespondierenden Stellung zu halten. Solche Ventile besitzen den Vorteil, dass diese bei Wegfall der Energieversorgung in die Grundstellung zurückkehren. Dies kann aufgrund von notwendigen Sicherheitsvorkehrungen wünschenswert sein, um beispielsweise ein mit dem Ventil gesteuertes Hydrauliksystem in einen drucklosen Zustand zu versetzen. Diese Ventile weisen bedingt durch den kontinuierlichen Stromfluss jedoch eine hohe Leistungsaufnahme auf.
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Um die Leistungsaufnahme zu senken, wären beispielsweise Ventile denkbar, bei welchen das Ventil an sich vollkommen ohne eine elektrische Ansteuerung auskommt und somit auf einem rein mechanischen Funktionsprinzip beruht. Solch ausgeprägte Ventile sind seit Jahrzehnten bekannt und zum Halten von Schaltpositionen für gewöhnlich mit Rastmechanismen versehen.
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Ein solches Ventil beschreibt z. B. die
US 3,093,158 A . Hierbei ist ein Steuerschieber in unterschiedlichen axialen Rastpositionen festlegbar. Der Steuerschieber weist für diesen Zweck einen innerhalb des Steuerschiebers angeordnete Rastvorrichtung auf, welche aus einem inneren Schaft, einem äußeren Rastzylinder sowie Rastkugeln besteht. Der Schaft ist hierbei koaxial innerhalb des Rastzylinders gelagert und drückt die Rastkugeln über einen sphärisch geformten Teilabschnitt in radial in den Rastzylinder eingebrachte Bohrungen und gegen die Innenwand einer mit Gruben versehenen Buchse. Die hierfür notwendige Kraft wird durch eine zwischen dem Schaft und einem Verschlussstück des Rastzylinders angeordneten Feder aufgebracht. Bei einer axialen Verschiebung des Steuerschiebers gegen eine Rückstellfeder behält der Steuerschieber beim Erreichen einer durch die Gruben in der Buchse gebildeten Rastposition diese Position bei, da die Kugeln durch den Schaft in die Gruben gedrückt werden. Die Kraft der Rückstellfeder ist nicht ausreichend, um den Steuerschieberaus dieser Position zu bewegen. Dies kann über eine manuell eingeleitete Kraft oder über einen Auswurfmechanismus erfolgen. Der Auswurfmechanismus wird bei Erreichen eines voreingestellten Druckes ausgelöst. Hierfür steht in einer Weiterbildung der innere Schaft über ein vorspannbares Federsystem in Verbindung mit einem Hydraulikkanal. Bei Erreichen eines über die Federvorspannung des Federsystems eingestellten Auslösedruckes wirkt das Fluid auf den inneren Schaft und gegen die zwischen Schaft und Verschlussstück angeordnete Feder, was dazu führt, dass sich die Kugeln aus den Gruben herauslösen und die Rückstellfeder auf den Steuerschieber wirkt. Die Rückstellung des passiven Ventiles ist somit abhängig vom voreingestellten Auslösedruck. Eine vom Auslösedruck oder sonstigen Parametern unabhängige, automatische Rückstellung kann nicht erfolgen.
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Durch die
DE 2 255 270 A ist eine ähnlich gelagerte Rastvorrichtung für Wegeventile bekannt, bei welchem der Steuerschieber eines Wegeventiles über einen Hebel bewegbar ist und eine axiale Bohrung aufweist, in welche ein Schaft eingebracht ist. Der Schieber weist zudem radiale Bohrungen auf, welche mit einer in dem Schaft eingebrachten Rastnut fluchten. Innerhalb der Rastnut, respektive den radialen Bohrungen sind wiederum Kugeln anordnet. Die Rastnut ist hierbei so ausgelegt, dass ihre Flanke zwei Bereiche mit sich unterscheidenden Flankenwinkeln aufweist. Die Kraftwirkung auf den Schaft und somit die Kugeln wird durch die Rückstellfeder des Steuerschiebers ausgeübt, die diese bei Erreichen einer Rastposition in eine Ringnut einer Rastbuchse drückt. Die Rückführung aus dieser Raststellung erfolgt durch manuelles Betätigen des Hebels, eine automatische Rückstellung ist nicht vorgesehen.
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In der
US 3,790,129 A zudem eine weitere, vergleichbare Rastvorrichtung für ein Steuerventil dargestellt wird, welche in einer Ausführungsform ebenfalls unter Verwendung einer Rastnut in einem Schaft, Kugeln und Rückstellfedern als auch dem Anker eines Elektromagneten arbeitet. Das Ventil an sich dient der Steuerung eines Hydraulikzylinders, wobei die Hubrichtung des Hydraulikzylinders je nach eingestellter Rastposition festgelegt wird. Hierfür wird der Steuerschieber des Ventiles in axialer Richtung manuell betätigt. Der am Ventil angeordnete Elektromagnet wird bei Erreichen einer Endposition des Hydraulikzylinders aktiviert. Bei Aktivierung übt der Elektromagnet eine Kraft auf seinen Anker aus, der im stromlosen Zustand die Kugeln über einen Arm-Bereich im Schaft arretiert. Durch Rückziehen des Ankers wird die Rastvorrichtung gelöst und der mit dem Schaft verbundene Steuerschieber aufgrund der auf den Steuerschieber wirkenden Kraft der Rückstellfedern aus der Raststellung in seine Grundstellung überführt. Bei einem Ausfall der Energieversorgung des Elektromagneten ist diese Rückstellung jedoch nicht mehr gegeben, da ohne zusätzliche Kraftwirkung keine Rückstellung durch die Rückstellfeder erfolgen kann.
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Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, das Ventil der eingangs genannten Art derart auszuführen, dass dieses eine deutlich reduzierte Leistungsaufnahme aufweist und bei einem Ausfall seiner Energieversorgung eine Grundstellung einnimmt.
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Diese Aufgabe wird gelöst mit einem Ventil gemäß den Merkmalen des Patentanspruches 1. Die Unteransprüche betreffen besonders zweckmäßige Weiterbildungen der Erfindung.
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Erfindungsgemäß ist also eine Stelleinrichtung mit einem elektrischen Stellglied für ein Ventil vorgesehen, welches einen, in einer Kolbenkammer des Ventiles angeordneten und Ventilöffnungen des Ventiles verschließenden und/oder freigebenden, Hauptkolben aufweist. Durch den Hauptkolben ist entgegen einer Rückstellkraft zumindest eines, sich an einem gehäusefesten Bauteil des Ventiles abstützenden, Rückstellelementes zwischen einer Grundstellung und zumindest einer Raststellung eine Bewegung ausführbar. Zudem ist der Hauptkolben mittels eines der Stelleinrichtung zugeordneten Rastmechanismus in die Raststellung einbringbar, wobei durch den Rastmechanismus in der jeweiligen Raststellung eine Haltekraft auf den Hauptkolben wirkt. Weiterhin ist erfindungsgemäß die Bewegung des Hauptkolbens mittels einer durch das Stellglied erzeugten Bewegungsstellkraft durchführbar und der Hauptkolben wird aufgrund einer durch das Stellglied erzeugten Raststellkraft in Summe mit der aufgebrachten Haltekraft, entgegen der wirkenden Rückstellkraft, in der Raststellung gehalten. Hierbei ist es denkbar, dass die Stellkräfte des Stellgliedes, d. h. die Bewegungsstellkraft und die Raststellkraft, über den Rastmechanismus an sich auf den Hauptkolben übertragen werden, wobei der Rastmechanismus inzwischen dem Stellglied und dem Hauptkolben angeordnet sein könnte. Das Ventil könnte ein Wegeventil, beispielsweise ein 3/2-Wegeventil sein.
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Das elektrische Stellglied ist erfindungsgemäß somit neben der Bewegung des Hauptkolbens zwischen Grund- und Raststellung dazu vorgesehen, den Hauptkolben in Verbindung mit dem Rastmechanismus in der Raststellung zu halten, wobei die Bewegung des Hauptkolbens bevorzugt eine lineare Bewegung ist. Drehbewegungen des Hauptkolbens sind jedoch ebenso denkbar. Das Halten des Hauptkolbens in der Raststellung erfolgt ergo nicht alleinig durch den Rastmechanismus. Erst durch die kombinierte Wirkung der durch das Stellglied erzeugten Raststellkraft, welche sich hierbei von der für die Bewegung des Hauptkolbens notwendigen Bewegungsstellkraft unterscheiden sollte, und der durch den Rastmechanismus wirkenden Haltekraft entgegen der durch das Rückstellelement auf den Hauptkolben ausgeübten Rückstellkraft ,ist es möglich, dass der Hauptkolben die Raststellung innehält. Neben einer Raststellung sind durchaus auch mehrere Raststellungen realisierbar.
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Da es sich um ein elektrisches Stellglied handelt ist zur Erzeugung der Bewegungsstellkraft sowie der Raststellkraft eine Energieversorgung und ein damit verbundener Stromfluss durch das elektrische Stellglied notwendig. Dies hat zur Folge, dass sich der Hauptkolben somit in einem stromlosen Betriebszustand oder einem sich einstellenden stromlosen Betriebszustand des Stellgliedes aufgrund der Rückstellkraft des Rückstellelementes auf den Hauptkolben in der Grundstellung befindet oder sich bei einer vorhergehenden Bewegung des Hauptkolbens, beispielsweise in die Raststellung, in die Grundstellung bewegt. Ein sich einstellender stromloser Betriebszustand kann beispielsweise infolge einer Störung, die im Ausfall der Energieversorgung resultiert, begründet sein.
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Es ist weiterhin anzumerken, dass das gehäusefeste Bauteil auch als Ventilgehäuse an sich ausgebildet sein kann. Im Falle des Rückstellelementes des Hauptkolbens ist zudem denkbar, dass dieses ein Federelement wie eine Feder, beispielsweise eine Zugfeder oder Druckfeder ist.
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In einer besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist die durch das Rückstellelement wirkende Rückstellkraft größer als die durch den Rastmechanismus aufgebrachte Haltekraft und/oder die durch das Stellglied erzeugte Bewegungsstellkraft größer als die erzeugte Raststellkraft. Dadurch, dass die Rückstellkraft des Rückstellelementes stets größer als die Haltekraft des Rastmechanismus ausgeprägt ist, führt dies auch stets dazu, dass eine Rückstellung des Hauptkolbens in die Grundstellung erfolgt. Im Weiteren bedingt die geringere Höhe der Raststellkraft gegenüber der Bewegungsstellkraft die Möglichkeit den Stromfluss durch das Stellglied während sich der Hauptkolben in der Raststellung befindet gegenüber der Bewegung des Hauptkolbens aus der Grundstellung in die Raststellung und somit auch die Leistungsaufnahme des Stellgliedes deutlich zu minimieren. Denkbar ist hierbei eine Reduzierung des Leistungsaufnahme um bis zu 80 Prozent.
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Eine überaus gewinnbringende Ausführung der Erfindung ist auch dadurch gegeben, dass das elektrische Stellglied als ein Elektromagnet mit einem beweglich angeordneten Anker ausgebildet ist, da ein Elektromagnet quasi ideale Eigenschaften mit sich bringt, um die erfindungsgemäß notwendigen Voraussetzungen des Stellgliedes zu erfüllen. Ein Elektromagnet eignet sich hierbei besonders zum Stellen zwischen zwei oder auch mehreren Positionen. Insbesondere entfaltet sich jedoch im stromlosen Zustand in der Regel, d. h. bei nicht polarisierten Elektromagneten, keine Kraftwirkung, wodurch z. B. ein Rückstellen des Hauptkolbens in die Grundstellung vereinfacht wird. Der Elektromagnet kann hierbei bevorzugt als ein elektrischer Proportionalmagnet ausgebildet sein.
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Zudem würden sich unter Verwendung eines Elektromagneten als Stellglied in einfacher Weise mehrere Raststellungen durch eine entsprechende Auslegung des Elektromagneten mit mehreren Endstellungen und/oder der Steuerung oder Regelung des den Elektromagneten durchfließenden Stromes realisieren.
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Ist zudem an dem Stellglied ein Rastkolben angeordnet und an diesem Rastkolben ein Schubelement ausgeformt, welches auf zumindest einer seiner Seiten eine Oberfläche aufweist, die zumindest abschnittsweise gekrümmt ist, so ist dies als äußerst erfolgversprechende Weiterbildung anzusehen, da ein solcher Rastkolben als ein einfaches Verbindungselement und/oder Übertragungselement zwischen dem die Stellkräfte erzeugenden Stellglied und dem Hauptkolben dienen kann, auf welchen die Stellkräfte wirken sollen. Insbesondere ist z. B. bei Verwendung eines als Elektromagneten ausgebildeten Stellgliedes die Anordnung des Rastkolbens an dem Anker des Elektromagneten denkbar. Da überdies neben den Stellkräften des Stellgliedes ebenso die Haltekraft des Rastmechanismus auf den Hauptkolben wirken soll, ist es zudem sinnvoll einen gemeinsamen Angriffspunkt für die jeweiligen Kräfte zu Verfügung zu stellen. Das an dem Rastkolben ausgeformte Schubelement könnte vor diesem Hintergrund als ein Koppelelement zu Bestandteilen des Rastmechanismus und/oder mittelbar oder unmittelbar zum Hauptkolbens dienen. Die gekrümmte Oberfläche ist in Form einer Kugel oder eines Kugelabschnittes denkbar.
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Zudem lässt es sich als weithin praxisgerecht ansehen, wenn der Hauptkolben eine stirnseitig in axiale Richtung eingebrachte und als Führung ausgeprägte Ausnehmung und/oder zumindest eine durch eine Wandung des Hauptkolbens begrenzte und als Rastmittelaufnahme ausgeprägte radiale Durchbrechung aufweist. Auf Basis einer solchen Ausgestaltung des Hauptkolbens bieten sich vorteilhaft mehrere Möglichkeiten unter anderem die Stellkräfte des Stellgliedes und/oder die Haltekraft des Rastmechanismus auf den Hauptkolben zu übertragen, wobei in einer Ausführungsform mit Führung und Rastmittelaufnahme die Rastmittelaufnahme so angeordnet sein kann, das diese die Wandung zur Führung hin durchbricht.
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Die als Führung ausgeprägt Ausnehmung könnte zudem auch zweigeteilt ausgeführt sein, wobei die lichte Weite der Führung eines ersten Abschnittes höher sein könnte als die lichte Weite eines zweiten Abschnittes.
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Neben einer als radiale Durchbrechung ausgeprägten Rastmittelaufnahme ist selbstredend denkbar, dass der Hauptkolben zwei, drei, vier oder auch mehr als vier als radiale Durchbrechungen ausgeprägte Rastmittelaufnahmen aufweist.
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Ist zumindest ein das Schubelement umfassender Abschnitt des Rastkolbens in der Führung des Hauptkolbens und der Rastkolben entgegen eines Rastkolbenrückstellelementes beweglich angeordnet, so wäre dadurch eine grundlegende Möglichkeit eröffnet zumindest die Stellkräfte des Stellgliedes über den Rastkolben auf den Hauptkolben zu übertragen. Als vorteilhaft wäre hierbei eine koaxiale Anordnung von Rastkolben und Hauptkolben anzusehen. In einer einfachen Ausgestaltung kann dabei die Führung als eine Bohrung ausgeführt sein, in welche der Rastkolben eingeführt ist. Das Rastkolbenrückstellelement kann in gleichartiger Weise wie das Rückstellelement des Hauptkolbens ein Federelement wie eine Feder, beispielsweise eine Zugfeder oder Druckfeder sein. Dabei besteht eine Anordnungsmöglichkeit des Rastkolbenrückstellelementes darin, dieses in der Führung zu positionieren.
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In einer zudem denkbaren Ausbildungsform wäre es beispielsweise möglich, dass der Abschnitt des Rastkolbens in welchem das Schubelement ausgeformt ist, in der Führung angeordnet ist und hierbei das Schubelement in die Rastmittelaufnahmen des Hauptkolbens eingreift.
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Dass Kennzeichen einer weiteren, vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung liegt darin, dass der Rastmechanismus aus einem gehäusefesten Teilelement des Ventils mit einer in dieses Teilelement eingebrachten umlaufenden Ringnut, der Rastmittelaufnahme des Hauptkolbens, dem Rastkolben samt Schubelement, dem Rastkolbenrückstellelement, der Führung sowie zumindest einem, in einen im Wesentlichen durch das Teilelement, die Rastmittelaufnahme und dem Schubelement begrenzten Raum, eingebrachten Rastmittel besteht. Dabei kann die mögliche, jeweilige Verbindung untereinander form- und/oder kraftschlüssiger Natur sein. Das gehäusefeste Teilelement kann zudem im einfachsten Falle durch einen Bereich des Ventilgehäuses gebildet oder aber als eine innerhalb des Ventilgehäuses ausgeformte oder angeordnete Buchse ausgebildet sein, in welches oder welche die umlaufende Ringnut eingebracht ist. Das Rastmittel könnte als Rolle oder bevorzugt als eine Kugel ausgebildet sein.
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Mittels einer solchen Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Rastmechanismus ist es vorteilhaft möglich sowohl die Bewegung des Hauptkolbens über den Rastmechanismus zu realisieren, den Hauptkolben in der Raststellung zu halten, als auch bei einem Wegfall der Energieversorgung des Stellgliedes zu gewährleisten, dass der Hauptkolben durch die auf ihn wirkenden Rückstellkraft in seine Grundposition zurückkehrt.
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Der Rastmechanismus kann in dieser Ausführungsform neben einer Rastmittelaufnahme im Hauptkolben sowie einem Rastmittel in abgewandelter Form auch zwei, drei, vier oder mehr Rastmittelaufnahmen sowie Rastmittel aufweisen. Insbesondere drei Rastmittelaufnahmen und in diesen Rastmittelaufnahmen angeordnete Rastmittel sind in einer bevorzugten Ausführungsform inbegriffen, da somit die Gefahr eines Verkantens des Rastmechanismus bei der Bewegung des Hauptkolbens minimiert oder ausgeschlossen werden kann.
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Zudem stellt es sich als sehr vielversprechend dar, wenn die durch das Stellglied erzeugte Bewegungsstellkraft auf den am Stellglied angeordneten Rastkolben und über das zumindest eine am Schubelement des Rastkolbens und in der Rastmittelaufnahme des Hauptkolbens anliegende Rastmittel auf den Hauptkolben übertragen wird, wodurch es vorteilhaft ermöglicht wird, dass sowohl die Bewegung des Hauptkolbens über den Rastkolben, als auch das Einbringen des Hauptkolbens in die Raststellung, wofür das oder die Rastmittel mittels des Rastkolbens in die Ringnut des Teilelementes gedrückt werden, durchzuführen. Dies ergibt sich hierbei eben entsprechend dadurch, dass der Rastkolben auf das oder die Rastmittel und diese auf den Hauptkolben wirken.
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Weiterhin ist eine Ausführungsform der Erfindung als über die Maße vielversprechend anzusehen, wenn in der Raststellung des Hauptkolbens das zumindest eine Rastmittel in der Ringnut des Teilelementes angeordnet ist und/oder sich die wirkende Haltekraft des Rastmechanismus dadurch ergibt, dass sich das zumindest eine Rastmittel an einen die Ringnut einseitig begrenzenden Rastanschlag anlegt, wobei die Haltekraft und die durch das Stellglied erzeugte Raststellkraft über das zumindest eine zudem am Schubelement sowie der Rastmittelaufnahme des Hauptkolbens anliegende zumindest eine Rastmittel auf den Hauptkolben übertragen wird. Das Rastmittel stellt hierdurch den zentralen Bestandteil des Rastmechanismus dar, auf welches die Gesamtheit der beschriebenen Kräfte wirkt. Zudem wird mittels des Rastmittels sowie der Ringnut, respektive dem durch die Ringnut gebildeten Rastanschlag die Haltekraft des Rastmechanismus generiert. Diese entsteht als Reaktionskraft auf die auf das Rastmittel über den Hauptkolben wirkenden Rückstellkraft, wobei deren Höhe unter anderem von einem Haltepunkt, in welchem das Rastmittel mit dem Rastanschlag in Kontakt sehr abhängt.
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Weist außerdem das zumindest eine Rastmittel einen Kreisquerschnitt auf und ein Winkel zwischen einer, sich im Kontaktpunkt des zumindest einen Rastmittels mit dem Schubelement an diesen Kreisquerschnitt anlegenden Tangente mit einer in Längsrichtung des Hauptkolbens verlaufenden Mittelachse ist in der Raststellung geringer als in der Grundstellung oder bei Bewegung des Hauptkolbens zwischen Grundstellung und Raststellung, so ist es möglich, bei der Bewegung des Hauptkolbens zwischen Grundstellung und Raststellung, die durch das Stellglied erzeugte Bewegungsstellkraft nahezu vollständig über den Rastkolben und die Rastmittel auf den Hauptkolben zu übertragen, während in der Raststellung, die Haltekraft auf den Rastkolben aufgrund des minimierten Winkels vorteilhaft erhöht wird. Die Änderung des Winkels bei sich nicht in der Ringnut befindendem Rastmittel und in der Ringnut eingebrachtem Rastmittel kann dabei durch die Änderung eben der Position des oder der Rastmittel orthogonal zur Mittelachse nach außen und der damit verbundenen Änderung des Kontaktpunktes des Rastmittels mit der gekrümmten Oberfläche des Schubelementes realisiert werden.
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Die Erfindung lässt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzipes ist eine davon in der Zeichnung dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Diese zeigt in
- 1 eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Stelleinrichtung;
- 2a, 2b, 2c die Stelleinrichtung bei einem Stellvorgang des Ventiles sowie Schaltbild;
- 3a, 3b, 3c die Stelleinrichtung des Ventiles bei einem Haltevorgang sowie Schaltbilder;
- 4a, 4b, 4c die Stelleinrichtung des Ventiles bei einem Rückstellvorgang sowie Schaltbilder.
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Weiterbildung der Stelleinrichtung 1 für das Ventil 2. Die Stelleinrichtung 1 weist hierbei das elektrisches Stellglied 3 sowie das Ventil 2 den, in der Kolbenkammer 4 angeordneten und die Ventilöffnungen 5 des Ventiles 2 verschließenden und/oder freigebenden, Hauptkolben 6 auf. Durch den Hauptkolben 6 ist entgegen der Rückstellkraft F1 des, sich an dem gehäusefesten Bauteil 7 des Ventiles 2 abstützenden, Rückstellelementes 8 zwischen der Grundstellung P1 und der Raststellung P2 eine Bewegung ausführbar, wobei der Hauptkolben 6 mittels des Rastmechanismus 9 in die Raststellung P2 einbringbar ist. Durch den Rastmechanismus 9 wirkt in der Raststellung P2 eine Haltekraft F2 auf den Hauptkolben 6. Die Bewegung des Hauptkolbens 6 zwischen der Grundstellung P1 und der Raststellung P2 ist dabei mittels der durch das Stellglied 3 erzeugten Bewegungsstellkraft F3 durchführbar. In der 1 befindet sich der Hauptkolben 6 in der Grundstellung P1, wobei dieser in der, nach Bewegung in die Raststellung P2 mittels der durch das Stellglied 3 erzeugten Raststellkraft F4 in Summe mit der aufgebrachten Haltekraft F2 entgegen der wirkenden Rückstellkraft F1, in der Raststellung P2 gehalten wird. Das gehäusefeste Bauteil 7 ist in dieser Ausgestaltung als eine Blende mit einer Entlüftungsöffnung ausgeprägt, durch welche ein pneumatischer Gegendruck bei der Bewegung des Kolbens verhindert werden soll.
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Anhand der 2a sowie der 2b soll die Stelleinrichtung 1 bei einem Stellvorgang des Ventiles 2, d. h. bei der Bewegung des Hauptkolbens 6 aus der Grundstellung P1 in die in 3 näher dargestellte Raststellung P2 erläutert werden. Der Hauptkolben 6 befindet sich hierbei zunächst in seiner Grundstellung P1. Die Stelleinrichtung 1 an sich ist in 2a so ausgeführt, dass das elektrische Stellglied 3 als ein Elektromagnet mit einem beweglich angeordneten Anker 10 ausgebildet ist. An dem Stellglied 3, d. h. in diesem Fall an dem Anker 10 des als Elektromagneten ausgebildeten Stellgliedes 3, ist der Rastkolben 11 angeordnet. Dieser Rastkolben 11 weist hierbei das Schubelement 12 auf, wobei dieses wiederum auf seiner, dem Stellglied 3 abgewandten, Seite eine abschnittsweise gekrümmte Oberfläche 13 aufweist. Der Abschnitt des Rastkolbens 11 welcher das Schubelement 12 als auch den an der, dem Stellglied 3 abgewandten, Stirnseite des Rastkolbens 11 ausgeformten tellerförmigen Anschlag 26 aufweist, ist in der stirnseitig in axiale Richtung in den Hauptkolben 6 eingebrachten und als Führung 14 ausgeprägten Ausnehmung angeordnet. Hierbei ist der Rastkolben 11 entgegen das ebenfalls in die Führung 14 eingebrachte Rastkolbenrückstellelement 17 beweglich ausgeführt. Das Rastkolbenrückstellelement 17 selbst ist in einem Teil der Führung 14 positioniert, dessen lichte Weite geringer ist, als der Teil der Führung 14, in welchem Schubelement 12 sowie Anschlag 26 angeordnet sind. Der Hauptkolben 6 zeigt in der Darstellung zudem zwei durch die Wandung 15 des Hauptkolbens 6 begrenzte und als Rastmittelaufnahme 16 ausgeprägt radiale Durchbrechungen auf, in welchen jeweils ein als Kugel ausgeformtes Rastmittel 21 angeordnet ist. Der Rastmechanismus 9 der Stelleinrichtung 1 wird neben den Rastmitteln 21 durch das gehäusefeste Teilelement 18 mit der in das Teilelement 18 eingebrachten umlaufenden Ringnut 19, wobei das Teilelement 18 als eine Buchse innerhalb des Ventilgehäuses 27 ausgebildet und stoffschlüssig mit diesem verbunden ist, der Rastmittelaufnahme 16 des Hauptkolbens 6, dem Rastkolben 11 mit Schubelement 12, der Führung 14 und dem Rastkolbenrückstellelement 17 gebildet. Das jeweilige Rastmittel 17 befindet sich zudem in einem im Wesentlichen durch das Teilelement 18, die Rastmittelaufnahme 16 und dem Schubelement 12 begrenzten Raum 20. Im Wesentlichen bedeutet hierbei, dass in dieser Ausführungsform der Raum 20 weiterhin durch ein das Schubelement 12 und den Anschlag 26 verbindender Achsabschnitt 31 des Rastkolbens 11 begrenzt wird. Zur Definition der Lage von Rastkolben 11 sowie Hauptkolben 6 in der Grundstellung sind zwei als Anschlag dienende Sicherungsringe 28, 29 vorgesehen, wobei der Rastkolben 11 durch das Rastkolbenrückstellelement 17 gegen den Sicherungsring 28 und der Hauptkolben 6 durch das Rückstellelement 8 gegen den Sicherungsring 29 angelegt wird.
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Wird nun das Stellglied 3 von einem Strom durchflossen, erzeugt dieses die Bewegungsstellkraft F3, die über den Anker 10 auf den am Stellglied 3 angeordneten Rastkolben 11 und über die an der gekrümmten Oberfläche 13 des Schubelementes 12 und in der Rastmittelaufnahme 16 des Hauptkolbens 6 anliegenden Rastmittel 21 auf den Hauptkolben 6 übertragen wird, wodurch dieser eine entgegen des Stellgliedes 1 gerichtete lineare Bewegung entlang der in Längsrichtung des Hauptkolbens 6 verlaufenden Mittelachse 25 vollführt. Die Bewegungsrichtung ist durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet. Da die Oberfläche 13 des Schubelementes 12, an welcher die Rastmittel 21 anliegen eine Krümmung aufweist, erfahren diese neben einer in Richtung der Mittelachse 25 gerichteten Komponente ebenso eine senkrecht zu dieser Mittelachse 25 gerichteten Komponente der Bewegungsstellkraft F3. Aufgrund dieser senkrecht zur Mittelachse 25 gerichteten Komponente der Bewegungsstellkraft F3 werden die Rastmittel 25 bei Erreichen der in 3a dargestellten Raststellung P2 in die Ringnut 19 eingebracht.
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Die während der Bewegung des Hauptkolbens 6 auf die Rastmittel 25 wirkenden Kräfte sind in 2b dargestellt. Die Bewegungsstellkraft F3 wirkt wie zu erkennen normal zu einer sich im Kontaktpunkt 30 der Rastmittel 21 mit dem Schubelement 12 an den Kreisquerschnitt der Rastmittel 21 anlegenden Tangente 24. Hierbei ist die in Richtung der Mittelachse 25 wirkende Komponente der Bewegungsstellkraft F3 größer, als die über das Rückstellelement 8 aufgebrachte Rückstellkraft F1. Weiterhin ist die durch das Teilelement 18 als Reaktionskraft auf die orthogonal zur Mittelachse 25 wirkende Komponente der Bewegungsstellkraft F3 entstehende Normalkraft F5 dargestellt, welche orthogonal zur Mittelachse 25 wirkt. Zudem ist der Winkel b zwischen Tangente 24 und Mittelachse 25 dargestellt, welcher größer ist, als der in 3b aufgezeigte Winkel a.
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2c beschreibt das Schaltbild des Ventiles 2 in der Grundstellung P1.
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3a und 3b zeigen die Stelleinrichtung 1 des Ventiles 2 bei einem Haltevorgang. Der Hauptkolben 6 befindet sich dabei in der Raststellung P2. Der Stromfluss durch das Stellglied 3 ist reduziert, wodurch das Stellglied 3 die gegenüber der in 2a und 2b wirkenden Bewegungsstellkraft F3 reduzierte Raststellkraft F4 erzeugt. Die Rastmittel 21 sind in der Ringnut 19 des Teilelementes 18 angeordnet. Die Haltekraft F2 des Rastmechanismus 9 ergibt sich nun dadurch, dass sich das Rastmittel 21 an den die Ringnut 19 einseitig begrenzenden Rastanschlag 22 anlegt, wobei sich dieser in der dargestellten Ausführungsform auf der dem Stellglied 3 zugewandten Seite der Ringnut 19 befindet. Die Haltekraft F2 und die durch das Stellglied 3 erzeugte Raststellkraft F4 wird hierbei über das zudem am Schubelement 12 sowie der Rastmittelaufnahme 16 des Hauptkolbens 6 anliegende Rastmittel 21 auf den Hauptkolben 6 übertragen. Die Positionierung der Rastmittel 21 in der Ringnut 19 ermöglicht es, dass sich der Rastkolben 11 entgegen dem Rastkolbenrückstellelement 17 bewegt, wobei das Schubelement 12 und somit der Rastkolben 11 durch die Führung 14 geführt wird. Um eine definierte Lage des Rastkolbens 11 zu bestimmen, legt sich der Anschlag 26 an einen in der Führung 14 des Hauptkolbens 6 ausgeformten Anschlagsitz 32 an.
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In 3b sind wiederum die auf die Rastmittel 21 wirkenden Kräfte in Raststellung P2 des Hauptkolbens 6 aufgezeigt. Neben der Rückstellkraft F1 und der Normalkraft F5 wirken nun die Raststellkraft F4 sowie die, als Reaktionskraft auf die in Richtung der Mittelachse 25 wirkende Rückstellkraft F1 entstehende, Haltekraft F2 auf das Rastmittel 21.
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Hierbei sowie für alle Weiterbildungen der Erfindung mit einem solchen, aus Rastmitteln 21, gehäusefestem Teilelement 18 mit umlaufenden Ringnut 19, Rastmittelaufnahme 16, Rastkolben 11 mit Schubelement 12, Führung 14 und Rastkolbenrückstellelement 17 gebildeten, Rastmechanismus 9 ist gemein, dass zum Halten des Hauptkolbens 6 in der Raststellung P2 die Summe der in Richtung der Mittelachse 25 wirkenden Komponenten von Raststellkraft F4 und Haltekraft F2 gleich der Rückstellkraft F1 sein muss.
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Zudem ist der Winkel a zwischen Tangente 24 im Kontaktpunkt 30 und Mittelachse 25 dargestellt, welcher kleiner ist, als der in 2b aufgezeigte Winkel b. Weiterhin ist der Haltepunkt 33, welcher den Anschlagpunkt des Rastmittels 21 mit dem Rastanschlag 22 kennzeichnet sowie der orthogonal zur Mittelachse 25 bestehenden Abstand 34 dieses Haltepunktes 33 zum Rastmittelumfang angegeben.
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Der maximal mögliche Winkel b, welcher den Haltewinkel beschreibt, ist dabei abhängig von dem Abstand 24, dem Radius des Kreisquerschnittes des Rastmittels 21, der Rückstellkraft F1, der Raststellkraft F3 sowie der Normalkraft F5. Die Normalkraft F5 entspricht der Sicherheit, mit welcher der Hauptkolben 6 in der Raststellung P2 gehalten wird.
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3c beschreibt die Schaltbilder des Ventiles 2 beim Übergang aus der Grundstellung P1 in die Raststellung P2.
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4a und 4b stellen die Stelleinrichtung 1 des Ventiles 2 bei einem Rückstellvorgang dar. Der Hauptkolben 6 ist hierbei noch in der Raststellung P2 eingebracht. Das elektrische Stellglied 3 befindet sich in einem stromlosen Zustand, wodurch der Rastkolben 11 bereits durch die Kraftwirkung des Rastkolbenrückstellelementes 17 gegen den Sicherungsring 28 rückgestellt wurde. Somit befinden sich die Rastmittel 21 nicht im Kontakt mit der Oberfläche 13 des Schubelementes 12. Damit wirkt die Rückstellkraft F1 des Rückstellelementes 8 über die Rastmittelaufnahmen 16 auf die Rastmittel 21. Die Rückstellkraft F1 ist hierbei größer als die Haltekraft F2, wodurch eine Rückstellung des Hauptkolbens 6 in die in 2b dargestellte Grundstellung P1 erfolgt, was durch gestrichelte Pfeile gekennzeichnet ist.
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Die Darstellung der 4b zeigt die nach Wegfall der Raststellkraft F3 auf das Rastmittel 21 wirkenden Kräfte. Es ist zu beachten, dass zur Rückstellung insbesondere die in Richtung der Mittelachse 25 wirkende Komponente der Haltekraft F2 kleiner als die Rückstellkraft F1 sein muss.
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In der 4c sind die Schaltbilder des Ventiles 2 beim Übergang aus der Raststellung P2 in die Grundstellung P1 aufgezeigt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stelleinrichtung
- 2
- Ventil
- 3
- Stellglied
- 4
- Kolbenkammer
- 5
- Ventilöffnung
- 6
- Hauptkolben
- 7
- Gehäusefestes Bauteil
- 8
- Rückstellelement
- 9
- Rastmechanismus
- 10
- Anker
- 11
- Rastkolben
- 12
- Schubelement
- 13
- Oberfläche
- 14
- Führung
- 15
- Wandung
- 16
- Rastmittelaufnahme
- 17
- Rastkolbenrückstellelement
- 18
- Gehäusefestes Teilelement
- 19
- Ringnut
- 20
- Raum
- 21
- Rastmittel
- 22
- Rastanschlag
- 24
- Tangente
- 25
- Mittelachse
- 26
- Anschlag
- 27
- Ventilgehäuse
- 28
- Sicherungsring
- 29
- Sicherungsring
- 30
- Kontaktpunkt
- 31
- Achsabschnitt
- 32
- Anschlagsitz
- 33
- Haltepunkt
- 34
- Abstand
- P1
- Grundstellung
- P2
- Raststellung
- F1
- Rückstellkraft
- F2
- Haltekraft
- F3
- Bewegungsstellkraft
- F4
- Raststellkraft
- F5
- Normalkraft
- a, b
- Winkel
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- US 3093158 A [0005]
- DE 2255270 A [0006]
- US 3790129 A [0007]
