DE102017220738A1

DE102017220738A1 - Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen

Info

Publication number: DE102017220738A1
Application number: DE102017220738.8A
Authority: DE
Inventors: Christian Courth; Christoph Voss
Original assignee: Continental Teves AG and Co OHG
Current assignee: Continental Automotive Technologies GmbH
Priority date: 2017-11-21
Filing date: 2017-11-21
Publication date: 2019-05-23

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil mit einem in einem Ventilgehäuse (3) angeordneten Ventilstößel (4), der einen Ventildurchlass in einem Ventilsitz (5) zu öffnen oder zu verschließen vermag, mit einem zur Betätigung des Ventilstößels (4) vorgesehenen Magnetanker, sowie mit einer Rückstellfeder zur Positionierung des Ventilstößels (4) in einer den Ventildurchlass öffnenden Grundstellung, wozu sich die Rückstellfeder zwischen einem Magnetanker (2) und einem Führungsabschnitt (15) im Ventilgehäuse (3) abstützt, wobei der Magnetanker mehrteilig aufgebaut ist, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Anker (1, 2), die koaxial sowie relativ beweglich zueinander im Ventilgehäuse (3) angeordnet sind, wobei abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung des Magnetankers entweder auf den ersten Anker (1) eine den Ventilstößel (4) vom Ventilsitz (5) abhebende Magnetkraftkomponente wirksam ist, oder in entgegengesetzter Richtung auf den zweiten Anker (2) eine den Ventilstößel (4) auf den Ventilsitz (5) einwirkende Magnetkraftkomponente erzeugbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil, insbesondere für schlupfgeregelte Kraftfahrzeugbremsanlagen, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus der DE 10 2014 225 251 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 öffnenden Grundstellung, wozu sich die Rückstellfeder an einem Anschlag im Ventilgehäuse abstützt.
Nunmehr ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, das Elektromagnetventil der angegebenen Art mit möglichst einfachen, funktionsgerechten Mitteln kostengünstig weiterzubilden und derart zu verbessern, dass mit minimaler elektromagnetischer Erregung sowohl eine feinfühlige Druckregelung im Sinne einer Minimierung des Ventildurchsatzes möglich ist als auch bei Bedarf durch eine Erhöhung des Erregerstroms ein vollständiges Ventilöffnen zu erreichen.
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 vollständiges Öffnen des Ventils mit geringem Haltestrom ermöglicht.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand einer Zeichnung hervor.
Die 1 zeigt die Erfindung anhand eines Längsschnitts durch ein Elektromagnetventil, das über zwei unabhängig voneinander betätigbare Anker 1, 2 verfügt, welche mittels zweier Federn 11, 13 im elektromagnetisch stromlosen Zustand im Ventilgehäuse 3 grundpositioniert sind.
Das Elektromagnetventil weist ein in einem Ventilsitz 5 des Ventilgehäuses 3 einlassseitig angeordneter Ventildurchlass auf, der mittels eines an einem Anker 2 angeordneten Ventilstößels 4 unter der Wirkung zweier Rückstellfedern 11, 13 geöffnet ist, solange eine auf dem Ventilgehäuse 3 aufgesetzte Ventilspule 10 unwirksam ist. Mittels der Ventilspule 10 kann in Abhängigkeit der Größe des elektrischen Stroms ein oberhalb des Ventilsitzes 5 im Ventilgehäuse 3 angeschlossener Ventilauslass 14 mit dem variabel einstellbaren Ventildurchlass des Ventilsitzes 5 hydraulisch verbunden werden.
Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist ein in das Ventilgehäuse 3 eingesetzter Magnetkern 12 als Verschlussstopfen in einem austenitischen Verbindungsrohr eingepresst, das als Bestandteil des Ventilgehäuses 3 mit einem dickwandigen, den Magnetfluss leitenden Rohrkörper des Ventilgehäuses 3 verschweißt ist, der die sichere Befestigung in einer Ventilaufnahmebohrung eines Ventilaufnahmekörpers gewährleistet.
Erfindungsgemäß ist der Magnetanker mehrteilig aufgebaut, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Anker 1, 2, die beide koaxial sowie relativ beweglich zueinander im Ventilgehäuse 3 angeordnet sind, um abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung des Magnetankers entweder auf den ersten Anker 1 eine den Ventilstößel 4 vom Ventilsitz 5 abhebende Magnetkraftkomponente wirksam werden zu lassen, oder um zur Feinregelung des hydraulischen Durchflusses mit Hilfe eines geringen elektromagnetischen Stroms in entgegengesetzter Richtung auf den zweiten Anker 2 eine den Ventilstößel 4 auf den Ventilsitz 5 bewegende Magnetkraftkomponente erzeugen zu können.
Zwischen dem ersten und zweiten Anker 1, 2 ist ein hülsenförmiger Mitnehmer 6 angeordnet, der mittels einer Presspassung den ersten Anker 1 an seiner Mantelfläche umschließt. Unterhalb des ersten Ankers 1 weist der Mitnehmer 6 an seinem radial nach innen abgewinkelten Hülsenende einen ersten, auf die ringförmige Innenstirnfläche 8 des dickwandigen Ventilgehäuses 3 gerichteten Axialanschlag 7 auf. Der Axialanschlag 7 ermöglicht während der elektromagnetisch nicht erregten Stellung des ersten Ankers 1 eine einfache Grundpositionierung des ersten Ankers 1 im Ventilgehäuse 3, wozu sich gemäß der 1 der Axialanschlag 7 an der als Magnetpol wirksamen Innenstirnfläche 8 abstützt.
Ferner weist der Mitnehmer 6 am Innenumfang des radial nach innen abgewinkelten Hülsenende einen zweiten Axialanschlag 9 auf, der mit einer am zweiten Anker 2 ausgebildeten Stirnfläche derart zusammenwirkt, dass in der elektromagnetisch erregten Stellung des ersten Ankers 1 der Ventilstößel 4 von seinem Ventilsitz 5 abgehoben werden kann.
Um die beiden Anker 1, 2 unabhängig voneinander im Ventilgehäuse 3 präzise positionieren zu können, ist die Rückstellfeder zweiteilig ausgeführt, bestehend aus einer ersten Feder 11, die zwischen dem Magnetkern 12 und dem ersten Anker 1 angeordnet ist und mit einer zweiten Feder 13, die zwischen dem zweiten Anker 1 und einem oberhalb des Ventilsitzes 5 im Ventilgehäuse 3 angeordneten Führungsabschnitt 15 eingespannt ist, um den Ventilstößel 4 präzise in Richtung des Ventilsitzes 5 zu führen.
Die zweite Feder 13 weist gegenüber der ersten Feder 11 eine geringere Federsteifigkeit auf, sodass nur geringe Betätigungskräfte erforderlich sind, um entgegen der zweiten Feder 13 den Ventilstößel 4 in Richtung des Ventilsitzes 5 zu bewegen.
Im elektromagnetisch nicht erregten Zustand sind die beiden Anker 1, 2 unter der Druckwirkung der beiden Federn 11, 13 in einer Stellung im Ventilgehäuse 3 positioniert, in welcher der Ventilstößel 4 den Ventilsitz 5 permanent geöffnet hält.
Um mit geringem Erregerstrom eine möglichst hohe magnetischen Sättigung zu erreichen, beinhaltet der zweite Anker 2 einen dünnwandigen Ringscheibenabschnitt, durch dessen Zentralöffnung sich der Ventilstößel 4 in den zweiten Anker 2 erstreckt.
Der zweite Anker 2 ist auf einfache Weise mittels einer Presspassung auf dem Ventilstößel 4 fixiert, wobei der zweite Anker 2 infolge einer Spielpassung mit seinem zylindrischen Fortsatz axial beweglich im Hohlraum des ersten, im Wesentlichen kappenförmig gestalteten Ankers 1 aufgenommen ist.
Der zweite Anker 2 ist folglich mit dem ersten Anker 1 zu einer kompakten, integrierten Magnetankerbaugruppe zusammengefasst, wozu der zweite Anker 2 als Tauchkolben ausgeführt ist, der in den topfförmigen, somit als Hohlkolben ausgeführten ersten Anker 1 teleskopisch aufgenommen ist. Durch diese Konstruktion ergibt sich ein bestmöglicher magnetischer Fluss, da durch die Verschachtelung beider Anker 1, 2 aufgrund geringer radialer Spaltmaße ein großflächiger Übergang beider Anker 1, 2 gegeben ist, sodass eine vom Hub zwischen den Ankern 1, 2 weitgehend unabhängige Übertragung des magnetischen Flusses zwischen beiden Ankern 1, 2 zustande kommt.
Die 1 zeigt das Elektromagnetventil im elektromagnetisch stromlosen Zustand, in dem die beiden Anker 1, 2 unabhängig voneinander durch die zugehörigen Federn 11, 13 in der abbildungsgemäßen Grundstellung gehalten werden. Infolge der Wirkung der ersten Feder 11 verharrt der erste Anker 1 in einer Stellung, in welcher der Mitnehmer 6 mit seinem äußeren Axialanschlag 7 an der Innenstirnfläche 8 des Ventilgehäuses 3 anliegt, während der innere Axialanschlag 9 des Mitnehmers 6 um einen exakt einstellbaren Mitnehmerhub X von der unteren Stirnfläche des am zweiten Anker 2 ausgebildeten Ringscheibenabschnitts entfernt ist.
Um das Elektromagnetventil in einer den hydraulischen Durchfluss am Ventilsitz 5 regelnden Position zu schalten, genügt aufgrund des klein bemessenen, zwischen der Innenstirnfläche 8 und dem zweiten Anker 2 vorgesehenen Restluftspalts RLS2 eine geringfügige elektromagnetische Erregung des mit dem Ventilstößel 4 fest verbundenen zweiten Ankers 2, dessen Magnetkraft dem am Ventilsitz 5 anstehenden hydraulischen Eingangsdruck und der Kraft der zweiten Feder 13 entgegen wirkt.
Unter dem Einfluss des geringen, mittels der Ventilspule 10 erzeugten Erregerstroms ist folglich die am zweiten Anker 2 erzeugte Magnetkraft gegenüber der am ersten Anker 1 entgegengesetzt wirksamen Magnetkraft dominant, sodass der Ventilstößel 4 zur hydraulischen Druckregelung in Richtung auf den Ventilsitz 5 mit geringem Energiebedarf bewegt wird.
Begünstigt durch den größeren Restluftspalt RLS1, der konstruktiv zwischen dem ersten Anker 1 und dem Magnetkern 12 vorgesehen ist, ist bei geringem Erregerstrom die am ersten Anker 1 erzeugte Magnetkraft grundsätzlich kleiner als die entgegengesetzt wirkende Kraft der ersten Feder 11, sodass der zweite Anker 2, unabhängig vom ersten Anker 1 gegen den von unten eingangsseitig am Ventilsitz 5 anstehenden und auf den Ventilstößel 4 einwirkenden hydraulischen Druck, den Ventilstößel 4 feinfühlig in Richtung auf den Ventilsitz 5 bewegen kann.
Sobald der auf den ersten Anker 1 einwirkende elektromagnetische Strom erhöht wird, sodass dessen Magnetkraft die Kraft der ersten Feder 11 übersteigt, gelangt der unverändert unter magnetischer Erregung stehende zweite Anker 2 in eine magnetische Sättigung und wird maximal um den Mitnehmerhub X gemeinsam mit dem ersten Anker 1 in Richtung des Magnetkerns 12 angehoben.
Folglich entfernt sich auch der mit dem zweiten Anker 2 fest verbundene Ventilstößel 4 vom Ventilsitz 5 bis schließlich der erste Anker 1 nach einem definierten Arbeitshub am Magnetkern 12 zur Anlage gelangt. Mit zunehmendem Magnetankerhub erhöht sich die Magnetkraft des ersten Ankers 1 infolge des abnehmenden Restluftspalts RLS1 in Richtung des Magnetkerns 12, während sich die Magnetkraft des zweiten Ankers 2 infolge des zunehmenden Restluftspalts RLS2 verkleinert, sodass der Ventilöffnungshub bis zum Anliegen des ersten Ankers 1 am Magnetkern 12 stetig zunimmt.
Damit unter allen Betriebsbedingungen sichergestellt ist, dass unter erhöhtem Erregerstrom die Magnetkraft des ersten Ankers 1 größer ist als die entgegengesetzt wirksamen Magnetkraft des zweiten Ankers 2, ist die Polfläche zwischen dem ersten Anker 1 und dem Magnetkern 12 größer als die Polfläche zwischen der Innenstirnfläche 8 und dem zweiten Anker 2 gewählt.
Das hiermit in unterschiedlichen Schaltstellungen vorgestellte Elektromagnetventil zeichnet sich durch entgegengesetzt wirksame magnetische Flächen zweier teleskopisch hintereinander angeordnete Anker 1, 2 aus, die so aufeinander abgestimmt sind, dass mit steigenden Erregerstrom in der Ventilspule 10 bei Wunsch oder Bedarf eine Richtungsumkehr des Magnetankers in Abhängigkeit der jeweils resultierenden Magnetkraft erfolgt.
Darüber hinaus ermöglicht das vorgestellte Elektromagnetventil im elektromagnetisch nicht betätigten Zustand eine hydraulisch druckunterstützte Freigabe des Ventildurchlasses, sobald der am Ventilsitz 5 anstehende Eingangsdruck größer ist als der am Ventilauslass 14 anstehende Ausgangsdruck.
Das Elektromagnetventil lässt sich in Abhängigkeit des Erregerstroms und des Hydraulikdrucks als analog regelbares Einlassventil (Eingangsdruck ist größer als der Ausgangsdruck) oder ebenso als digital öffnendes Auslassventil betreiben, falls der Ausgangsdruck am Ventilauslass 14 den Eingangsdruck am Ventilsitz 5 übersteigt.
Zusammenfassend weist das vorgestellte Elektromagnetventil die nachfolgenden Vorteile auf:

- Geringe Federkräfte führen zu geringerem Öffnungsstrom im Komfort-Regelbereich.
- Mit der Verringerung der Federkraft reduziert sich die Querkraftwirkung, sodass weniger Verschleiß an Ventilsitz und -stößel entsteht.
- Wichtige Parameter, wie z.B. der Ankerhub und der Restluftspalt RLS1, RLS2 können während der Ventilmontage eingestellt werden.
- Das Elektromagnetventil ist sowohl als elektromagnetisch stromlos offenes als auch als elektromagnetisch stromlos geschlossenes Ein- und Auslassventil bevorzugt in schlupfgeregelten Bremsanlagen einsetzbar, wobei letztere Variante lediglich eine Anordnung der zweiten Feder 13 zwischen beiden Ankern 1, 2 erfordert.

Bezugszeichenliste

1: Anker
2: Anker
3: Ventilgehäuse
4: Ventilstößel
5: Ventilsitz
6: Mitnehmer
7: Axialanschlag
8: Innenstirnfläche
9: Axialanschlag
10: Ventilspule
11: Feder
12: Magnetkern
13: Feder
14: Ventilauslass
15: Führungsabschnitt

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102014225251 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 Magnetanker, sowie mit einer Rückstellfeder zur Positionierung des Ventilstößels in einer den Ventildurchlass öffnenden Grundstellung, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetanker mehrteilig aufgebaut ist, bestehend aus einem ersten und einem zweiten Anker (1, 2), die koaxial sowie relativ beweglich zueinander im Ventilgehäuse (3) angeordnet sind, wobei abhängig von der Größe der elektromagnetischen Erregung des Magnetankers entweder auf den ersten Anker (1) eine den Ventilstößel (4) vom Ventilsitz (5) abhebende Magnetkraftkomponente wirksam ist, oder in entgegengesetzter Richtung auf den zweiten Anker (2) eine den Ventilstößel (4) auf den Ventilsitz (5) bewegende Magnetkraftkomponente erzeugbar ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anker (2) durch einen Mitnehmer (6) mechanisch betätigbar ist, der mit dem ersten Anker (1) fest verbunden ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Grundpositionierung des ersten Ankers (1) im Ventilgehäuse (3) der Mitnehmer (6) an seinem Außenumfang einen ersten Axialanschlag (7) aufweist, der sich in der elektromagnetisch nicht erregten Stellung des ersten Ankers (1) an einer als Magnetpolfläche wirksamen Innenstirnfläche (8) des Ventilgehäuses (3) abstützt.
Elektromagnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (6) an seinem Innenumfang einen zweiten Axialanschlag (9) aufweist, der mit einem im Bereich des zweiten Ankers (2) ausgebildeten Anschlag (10) derart formschlüssig zusammenwirkt, dass in der elektromagnetisch erregten Stellung des ersten Ankers (1) der Ventilstößel (4) von seinem Ventilsitz (5) vollständig abgehoben ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Rückstellfeder zweiteilig ausgeführt ist, bestehend aus einer ersten Feder (11), die zwischen dem Magnetkern (12) und dem ersten Anker (1) angeordnet ist, und mit einer zweiten Feder (13), die zwischen dem zweiten Anker (2) und einem im Ventilgehäuse (3) ausgebildeten Führungsabschnitt (15) eingespannt ist, der in einem Axialabstand zum Ventilsitz (5) den Ventilstößel (4) in Richtung des Ventilsitzes zentriert.
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anker (2) mit dem ersten Anker (1) zu einer integrierten Magnetankerbaugruppe zusammengefasst ist, wozu einer der beiden Anker (1, 2) als Tauchkolben ausgeführt ist, der in einem der beiden als Hohlkolben ausgeführten Anker (1, 2) zumindest abschnittsweise axial beweglich aufgenommen ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anker (2) als Tauchkolben ausgeführt ist, der abschnittsweise innerhalb des als Hohlkolben konzipierten ersten Ankers (1) mittels einer Spielpassung axial beweglich geführt ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (6) als Hülse ausgeführt ist, die am Außenumfang des ersten Ankers (1) fixiert ist, wobei die Hülse zur Ausbildung der mit dem zweiten Anker (2) formschlüssig zusammenwirkenden beiden Anschläge (7, 9) an dem vom ersten Anker (1) abgewandten Hülsenende radial nach innen abgewinkelt ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die vom zweiten Anker (2) abgewandte Stirnfläche des ersten Ankers (1) durch einen einstellbaren ersten Restluftspalt (RLS1) von der Stirnfläche (8) des Magnetkerns (12) beabstandet ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die vom ersten Anker (1) abgewandte Stirnfläche des zweiten Ankers (2) durch einen einstellbaren zweiten Restluftspalt (RLS2) von der Innenstirnfläche (8) des Ventilgehäuses (3) beabstandet ist.
Elektromagnetventil nach den Ansprüchen 9 und 10, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Restluftspalt (RLS1) kleiner ist als der zweite Restluftspalt (RLS2).
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Anker (2) mittels einer Presspassung mit dem Ventilstößel (4) verbunden ist, und dass in der elektromagnetisch nicht erregten, den Ventildurchlass freigebenden Grundstellung der zweite Anker (2) unter der Wirkung der zweiten Feder (13) an der Stirnfläche des ersten Ankers (1) verharrt.
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im elektromagnetisch erregten Zustand, mittels einer auf den zweiten Anker (2) einwirkende Magnetkraft, die größer und der zweiten Feder (13) entgegengesetzt ist, der Ventilstößel (4) in Richtung des Ventilsitzes (5) betätigbar ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass im elektromagnetisch erregten Zustand, mittels einer auf den ersten Anker (2) einwirkende Magnetkraft, die größer und der ersten Feder (11) entgegengesetzt ist, der erste Anker (1) als auch der zweite Anker (2) nach Überwindung eines definierten Mitnehmerhubs (X) des Mitnehmers (6) in Richtung des Magnetkerns (12) bewegbar ist.
Elektromagnetventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, die zweite Feder (13) gegenüber der ersten Feder (11) eine geringere Federsteifigkeit aufweist.