DE102017214703A1

DE102017214703A1 - Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen

Info

Publication number: DE102017214703A1
Application number: DE102017214703.2A
Authority: DE
Inventors: Christoph Voss
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2019-03-14
Anticipated expiration: 2037-08-24
Also published as: DE102017214703B4

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil mit einer mehrteiligen Magnetankerbaugruppe, bestehend aus einem ersten, einem zweiten und dritten Anker (1, 2, 3), die koaxial hintereinander am Ventilstößel (4) angeordnet sind, wobei abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung der Magnetankerbaugruppe entweder auf den zweiten und dritten Anker (2, 3) eine den Ventilstößel (4) vom Ventilsitz (5) abhebende Magnetkraftkomponente wirksam ist, oder in entgegengesetzter Richtung auf den ersten Anker (1) eine den Ventilstößel (4) auf den Ventilsitz (5) bewegende Magnetkraftkomponente erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2012 205 503 A1 ist bereits ein Elektromagnetventil der angegebenen Art bekannt geworden, mit einem in einem Ventilgehäuse beweglich angeordneten Ventilstößel, der einen Ventildurchlass in einem Ventilsitz des Ventilgehäuses zu öffnen oder zu verschließen vermag, mit einem zur Betätigung des Ventilstößels vorgesehenen Magnetanker, sowie mit einer Rückstellfeder zur Positionierung des Ventilstößels in einer den Ventildurchlass verschließenden Grundstellung, wozu sich die Rückstellfeder an einem Magnetkern im Ventilgehäuse abstützt. Das Elektromagnetventil weist zur Erreichung eines proportionalen Magnetkraft -Hub-Verlaufs eine den Ventilstößel tragende Hülse auf, mit der sich der Restluftspalt präzise einstellen lässt. Eingangsseitig steht der Hydraulikdruck am Ventilsitz an, sodass der höchste zu regelnde Druck als schließende Mindest-Federkraft durch die steife Druckfeder gewährleistet werden muss, wobei die Magnetkraft stets öffnend gegen diese Federkraft wirkt.
Nachteilig an einer solchen Auslegung ist der hohe elektrische Strom, der einerseits zum Regeln geringer Drücke und andererseits zum Offenhalten des Ventils benötigt wird.
Nunmehr ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein analog regelbares Elektromagnetventil der angegebenen Art mit möglichst einfachen, funktionsgerechten Mitteln kostengünstig auszuführen und derart zu verbessern, dass es den vorgenannten Nachteil nicht aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß für das Elektromagnetventil der angegebenen Art durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach nunmehr eine neue konstruktive als auch funktionelle Auslegung des Magnetankers vorgestellt wird, die eine schließende magnetische Kraftkomponente beinhaltet, aber gleichzeitig ein Öffnen des Ventils mit geringem Haltestrom ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung mehrerer Zeichnungen anhand der 1 bis 4 hervor.
Es zeigen:

1 die Erfindung anhand eines Längsschnitts durch ein Elektromagnetventil, das über drei hintereinander angeordnete Anker verfügt, die mittels zweier Federn im elektromagnetisch stromlosen Zustand ihre Grundposition einnehmen, in welcher der Ventilstößel am Ventilsitz anliegt,
2 das Elektromagnetventil nach 1 in einer den hydraulischen Durchfluss regelnden Position mittels zwei zusammenwirkender Anker, die unter Einwirkung eines geringen elektromagnetischen Stroms den Ventilstößel entgegen der Wirkung des hydraulischen Eingangsdrucks in Richtung des Ventilsitzes bewegen,
3 das Elektromagnetventil nach 1 in einer in Richtung des Magnetkerns angehobenen Position des Ventilstößels, wozu nach einem den ersten Anker in magnetische Sättigung versetzenden elektromagnetischen Strom infolge der Zunahme des Erregerstroms der zweite Anker den dritten Anker berührt, wodurch der Ventilstößel angehoben wird,
4 das Elektromagnetventil nach 1 in einer gegenüber der 3 vollständig angehobenen Position des Ventilstößels, in welcher der dritte Anker am Magnetkern anliegt.

Nachfolgend soll zunächst anhand der 1 der Gesamtaufbau des in den 1 bis 4 in verschiedenen Positionen abgebildeten Elektromagnetventils erläutert werden, das bevorzugt für schlupfgeregelte Kraftfahrzeug-Bremsanlagen verwendet wird.
Das Elektromagnetventil weist jeweils ein in einem Ventilsitz 5 des Ventilgehäuses 6 einlassseitig angeordneter Ventildurchlass 9 auf, der mittels eines an einem mehrteiligen Magnetanker angeordneten Ventilstößels 4 unter der Wirkung einer Rückstellfeder 11 verschlossen oder mittels einer nicht abgebildeten Ventilspule in Richtung eines oberhalb des Ventilsitzes 5 im Ventilgehäuse 6 angeordneten Ventilauslasses 7 elektromagnetisch geöffnet werden kann. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein in das Ventilgehäuse 6 eingesetzter Magnetkern 12 als Verschlussstopfen in einem austenitischen Verbindungsrohr 10 eingepresst, das als Bestandteil des Ventilgehäuses 6 mit einem dickwandigen, den Magnetfluss leitenden Rohrkörper des Ventilgehäuses 6 verschweißt ist, der die sichere Befestigung in einer Ventilaufnahmebohrung eines Ventilaufnahmekörpers gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist der Magnetanker mehrteilig aufgebaut, bestehend aus einem ersten, einem zweiten und dritten Anker 1, 2, 3, die koaxial hintereinander am Ventilstößel 4 angeordnet sind, wobei abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung des Magnetankers entweder auf den dritten Anker 1 eine den Ventilstößel 4 vom Ventilsitz 5 abhebende Magnetkraftkomponente wirksam ist, oder in entgegengesetzter Richtung auf den ersten Anker 2 eine den Ventilstößel 4 auf den Ventilsitz 5 bewegende Magnetkraftkomponente erzeugbar ist.
Der zweite Anker 2 ist zwischen dem ersten und dritten Anker 1, 3 präzise geführt auf dem Ventilstößel 4 axial beweglich angeordnet. Sowohl der erste als auch der dritte Anker 1, 2 sind in einem Axialabstand zueinander auf dem Ventilstößel 4 fixiert, wobei der Axialabstand zuzüglich der Dicke des zweiten Ankers 2 um einen erforderlichen Arbeitshub des zweiten Ankers 2 größer gewählt ist.
Zur axialen Grundpositionierung des zweiten Ankers 2 am ersten Anker 1 ist eine Druckfeder 13 zwischen dem zweiten und dritten Anker 2, 3 eingespannt, die abschnittsweise in einer Ausnehmung des zweiten Ankers 2 platzsparend aufgenommen ist.
Der erste und dritte Anker 1, 3 sind auf einfache Weise mittels einer Presspassung auf dem Ventilstößel 4 fixiert, wobei der zweite Anker 2 infolge einer Spielpassung axial beweglich in einem Hohlraum zwischen dem ersten und dritten Anker 1, 3 aufgenommen ist.
Um mit geringem Erregerstrom eine möglichst hohe magnetischen Sättigung zu erreichen, beinhaltet der erste Anker 1 einen dünnwandigen Ringscheibenabschnitt, durch dessen Zentralöffnung sich der Ventilstößel 4 erstreckt.
Zur axialen Grundpositionierung des Ventilstößels 4 in seiner geschlossenen Schaltstellung am Ventilsitz 5 ist zwischen dem Magnetkern 12 und dem Ventilstößel 4 die Rückstellfeder 11 eingespannt, die bevorzugt in einer Ausnehmung des Magnetkerns 12 aufgenommen ist, in der gleichzeitig das Ende des Ventilstößels 4 geführt ist.
Um die gewünschte Ventilschließ- als auch Ventilöffnungsfunktion zu gewährleisten, weist die Druckfeder 13 gegenüber der Rückstellfeder 11 eine deutlich geringere Federsteifigkeit auf, sodass unter elektromagnetischer Erregung ein sensitives Ansprechverhalten des zwischen dem ersten und dritten Anker 1, 2 angeordneten zweiten Ankers 2 gewährleistet ist.
Der dritte Anker 3 ist dem Magnetkern 12 unmittelbar zugewandt, während diametral dazu der erste Anker 1 einer als Magnetpol ausgebildeten Stirnfläche 8 des Ventilgehäuses 6 zugewandt ist, die durch einen Restluftspalt RLS und dem für die aus den drei Ankern 1, 2, 3 gebildeten Magnetankerbaugruppe erforderlichen Arbeitshub vom Magnetkern 12 beabstandet ist.
Abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung der Magnetankerbaugruppe werden entweder der zweite und dritte Anker 2, 3 zusammengeschaltet, um eine den Ventilstößel 4 vom Ventilsitz 5 abhebende Magnetkraftkomponente wirksam werden zu lassen, oder es wird zur Feinregelung des hydraulischen Durchflusses mit Hilfe eines sehr geringen elektromagnetischen Stroms in entgegengesetzter Richtung auf den ersten Anker 1 eine den Ventilstößel 4 auf den Ventilsitz 5 bewegende Magnetkraftkomponente erzeugt.
Gemäß der 1 sind im elektromagnetisch nicht erregten Zustand der erste und zweite Anker 1, 2 unter der Druckwirkung der Rückstellfeder 11 in einer Stellung im Ventilgehäuse 6 positioniert, in welcher der Ventilstößel 4 den Ventilsitz 5 verschlossen hält.
Die 2 zeigt das Elektromagnetventil in einer den hydraulischen Durchfluss am Ventilsitz 5 regelnden Position, wonach durch einen ausreichend hohen, am Eingang des Ventilsitzes 5 wirksamen hydraulischen Öffnungsdruck, der zweite Anker 2 um einen geringen Öffnungshub (0,05mm) des Ventilstößels 4 angehoben ist, bis infolge einer geringfügigen elektromagnetischen Erregung der mit dem Ventilstößel 4 fest verbundene erste Anker 1 unter Wirkung einer Magnetkraft F_mag1 unter Überbrückung des kleinen Restluftspalts RLS entgegen dem hydraulischen Öffnungsdruck in Richtung auf die Stirnfläche 8 des Ventilgehäuse-Magnetpols bewegt wird, um den Durchfluss am Ventilsitz 5 zu regeln.
Unter dem Einfluss des geringen Erregerstroms, der mittels der auf dem Verbindungsrohr 10 aufgesetzten Ventilspule (nicht dargestellt) erzeugt wird, ist aufgrund des kleines Restluftspalts RLS die am ersten Anker 1 erzeugte Magnetkraft F_mag1 gegenüber der am zweiten und dritten Anker 2, 3 entgegengesetzt wirksamen Magnetkraft dominant, sodass der Ventilstößel 4 unterstützt durch die Kraft der Rückstellfeder 11 zur hydraulischen Druckregelung in Richtung auf den Ventilsitz 5 bewegt wird.
Aufgrund des minimalen Erregerstroms verharrt hiervon unbeeinträchtigt der unter der Wirkung der Druckfeder 13 stehende zweite Anker 2 zunächst auf Anschlag am ersten Anker 1.
Die 3 zeigt im Anschluss an 2 den zweiten Anker 2 in einer in Richtung des Magnetkerns 12 angehobenen Position am dritten Anker 3 anliegend, wozu ein hinreichend hoher elektromagnetischer Strom der Ventilspule auf den zweiten Anker 2 einwirkt, während sich der erste Anker 1 in eine magnetischen Sättigung befindet. Die in Richtung des Magnetkerns 12 auf den zweiten und dritten Anker 2 wirksame Magnetkraft F_mag2 ist folglich signifikant größer als die entgegengesetzt wirksamen Kräfte der Rückstellfeder 11 und der Druckfeder 13, sodass der Ventilstößel 4 von seinem Ventilsitz 5 abheben kann.
Die 4 zeigt im Anschluss an 3 den Ventilstößel 4 in einer weiteren angehobenen Hubposition infolge des hohen elektromagnetischen Erregerstroms, in welcher der maximale Ventilöffnungshub erreicht ist, sodass der dritte Anker 3 am Magnetkern 12 anliegt. Dies setzt voraus, dass die am zweiten und dritten Anker 2, 3 wirksame Kraft F_mag3 größer ist als die Summe der aus den Federn 11, 13 und des ersten Ankers 1 erzeugten Schließkraft.
Damit auch unter ungünstigen Betriebsbedingungen sichergestellt ist, dass unter hohem Erregerstrom die am zweiten und dritten Anker 2, 3 wirksame Kraft F_mag3 größer ist als die entgegengesetzt wirksamen Magnetkraft F_mag1 des ersten Ankers 1 ist die Polfläche zwischen dem dritten Anker 3 und dem Magnetkern 12 größer als die Polfläche zwischen der Stirnfläche 8 und dem ersten Anker 1 gewählt. Mit zunehmendem Magnetankerhub in Richtung des Magnetkerns 12 erhöht sich die Kraft F_mag3 , während sich die Kraft F_mag1 infolge des zunehmenden Restluftspalts RLS verkleinert, sodass der Ventilöffnungshub bis zum Anliegen des dritten Ankers 1 am Magnetkern 12 stetig zunimmt.
Das hiermit in unterschiedlichen Schaltstellungen vorgestellte Elektromagnetventil zeichnet sich durch entgegengesetzt wirksame magnetische Flächen dreier hintereinander angeordnete Anker 1, 2, 3 aus, die so aufeinander abgestimmt sind, dass mit steigenden Erregerstrom in der Ventilspule bei Wunsch oder Bedarf eine Richtungsumkehr der Magnetankerbaugruppe in Abhängigkeit der jeweils resultierenden Magnetkraft erfolgt.
Die in den 1 bis 4 zum Ventilöffnungshub, dem Restluftspalt und dem Ankerhub angegebene Millimeter-Bemaßung ist beispielhaft zu verstehen und dient lediglich zur Veranschaulichung der einzelnen Schalt- und Regelpositionen der Ventilbauteile.
Ferner weist das vorgestellte Elektromagnetventil die nachfolgenden Vorteile auf:

- Geringe Federkräfte führen zu geringerem Öffnungsstrom im Komfort-Regelbereich
- Übergang vom Regeln in Halten durch kurze Übererregung (sog. Push-Strom), was sich nicht auf die Spulenerwärmung und -dimensionierung auswirkt
- Haltestrom ist gering, dieser bestimmt maßgeblich die Auslegung der Ventilspule
- Geringe Federkraft bedeutet weniger Querkräfte beim Öffnen und damit weniger Verschleiß an Ventilsitz und Ventilstößel.

Bezugszeichenliste

1: Anker
2: Anker
3: Anker
4: Ventilstößel
5: Ventilsitz
6: Ventilgehäuse
7: Ventilauslass
8: Stirnfläche
9: Ventileinlass
10: Verbindungsrohr
11: Rückstellfeder
12: Magnetkern
13: Druckfeder
14: Führungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102012205503 A1 [0002]

Claims

Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeug-Bremsanlagen, mit einem in einem Ventilgehäuse angeordneten Ventilstößel, der einen Ventildurchlass in einem Ventilsitz des Ventilgehäuses zu öffnen oder zu verschließen vermag, mit einem zur Betätigung des Ventilstößels vorgesehenen zylindrischen Magnetanker, sowie mit einer Rückstellfeder zur Positionierung des Ventilstößels in einer den Ventildurchlass verschließenden Grundstellung, wozu sich die Rückstellfeder an einem Magnetkern im Ventilgehäuse abstützt, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker mehrteilig aufgebaut ist, bestehend aus einem ersten, einem zweiten und dritten Anker (1, 2, 3), die koaxial hintereinander am Ventilstößel (4) angeordnet sind, wobei abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung des Magnetankers entweder auf den zweiten und dritten Anker (2, 3) eine den Ventilstößel (4) vom Ventilsitz (5) abhebende Magnetkraftkomponente wirksam ist, oder in entgegengesetzter Richtung auf den ersten Anker (1) eine den Ventilstößel (4) auf den Ventilsitz (5) bewegende Magnetkraftkomponente erzeugbar ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anker (2) zwischen dem ersten und dritten Anker (1, 3), geführt auf dem Ventilstößel (4), axial beweglich angeordnet ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Anker (1, 3) in einem Axialabstand zueinander auf dem Ventilstößel (4) fixiert sind, wobei der Axialabstand um einen Arbeitshub des zweiten Ankers (2) größer gewählt ist als die Dicke des zweiten Ankers (2) .
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Grundpositionierung des zweiten Ankers (2) am ersten Anker (1) eine Druckfeder (13) zwischen dem zweiten und dritten Anker (2, 3) eingespannt ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur axialen Grundpositionierung des Ventilstößels (4) in seiner geschlossenen Schaltstellung am Ventilsitz (5) die Rückstellfeder (11) zwischen dem Magnetkern (12) und dem Ventilstößel (4) eingespannt ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckfeder (13) gegenüber der Rückstellfeder (11) eine geringere Federsteifigkeit aufweist
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der dritte Anker (3) dem Magnetkern (12) zugewandt ist, und dass der erste Anker (1) einer als Magnetpol ausgebildeten Stirnfläche (8) des Ventilgehäuses (6) zugewandt ist, die durch einen Restluftspalt (RLS) und dem für die aus den drei Ankern (1, 2, 3) gebildeten Magnetankerbaugruppe erforderlichen Arbeitshub vom Magnetkern (12) beabstandet ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und dritte Anker (1, 3) mittels einer Presspassung auf dem Ventilstößel (4) fixiert sind, und dass der Ventilstößel (4) innerhalb eines im Ventilgehäuse (6) ausgebildeten Führungsabschnitts (14) in Richtung des Ventilsitzes (5) zentriert ist.