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Stand der Technik
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Elektromagnetische Betätigungsvorrichtungen werden beispielsweise in elektromagnetisch betätigten Hydraulikventilen für Getriebekupplungen eines Kraftfahrzeuges eingesetzt. Damit diese Schaltvorgänge möglichst ruckfrei und für den Fahrer unmerklich ablaufen, ist es wünschenswert, den hydraulischen Druck an den Kupplungen entsprechend vorgegebener Druckrampen mit höchster Druckpräzision einzustellen. Der hierfür erforderliche Druck kann mit Hilfe von hydraulischen Schieberventilen bereitgestellt werden. Diese Schieberventile können entweder über ein Pilotventil mit Elektromagnet (Vorsteuerung) oder direkt über eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung betätigt werden.
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Eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2012 223 430 A1 bekannt und weist unter anderem eine elektromagnetische Spule mit einer sich in einer axialen Richtung erstreckenden Zentralausnehmung, ein in die Zentralausnehmung eingesetztes, mit einer magnetischen Trennstelle versehenes zylindrisches Polrohr, einen in dem Polrohr verschiebbar angeordneten Anker sowie ein an der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung in der axialen Richtung verschiebbar gelagertes Kraftübertragungselement auf. Der Anker ist durch eine Betätigung der elektromagnetischen Spule derart bewegbar, dass eine von dem Anker aufgebrachte Kraft auf das Kraftübertragungselement übertragbar ist.
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Bei den in Hydraulikventilen eingesetzten elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen ergibt sich proportional zum Spulenstrom eine elektromagnetische Kraft, mit der das Hydraulikventil betätigt wird. Um die geforderte hohe Druckpräzision zu erreichen, sollte der Elektromagnet eine sehr präzise Kraft-Strom-Kennlinie mit wenig Varianz des Kraftniveaus aufweisen. Eine Streuung des Magnetkraftniveaus und eine durch Reibung bedingte Hysterese der Kraft-Strom-Kennlinie ist auf ein Minimum zu begrenzen.
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Um dies zu erreichen ist, es bekannt, eine Lagerfolie zu verwenden. Der Anker wird dann in dem Polrohr in einer in das Polrohr eingesetzten, hülsenförmigen Lagerfolie gelagert, wobei die Lagerfolie eine dem Anker zugewandte als Gleitfläche dienende Innenseite und eine dem zylindrischen Polrohr zugewandte Außenseite aufweist und wobei die Lagerfolie zumindest teilweise aus einem reibungsverminderndem Material gefertigt ist. Beispielsweise offenbart die
DE 10 2006 055 796 A1 eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit einer Lagerfolie, die aus einem Glasfasergewebe besteht, welches in mehreren Schritten in Tauchbädern mit PTFE getränkt und beidseitig mit einer PTFE-Dispersion beschichtet und anschließend gesintert werden kann. Die Verwendung einer Lagerfolie mit PTFE Beschichtung führt zu geringen Reibkräften und damit zu einer reproduzierbaren Magnetkraft für eine bestimmte Ankerposition. Aufgrund der geringen Reibung ergibt sich bei Bewegung des Ankers eine Magnetkraft-Weg-Kennlinie mit sehr gering ausgeprägter Hysterese und sehr geringen Schwankungen der Hysterese.
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Die Lagerfolie sollte innerhalb des Polrohrs in axialer Richtung nicht spielfrei eingebaut werden, da ihr Wärmeausdehnungskoeffizient deutlich größer als der des Polrohrs ist. Daher sollte die Lagerfolie bei einer Erwärmung der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung genügendes axiales Spiel haben, um sich bei Erwärmung ausdehnen zu können. Aufgrund des notwendigen Axialspiels der Lagerfolie ist es nun möglich, dass nicht nur der Anker innerhalb der Folie gleitet, sondern die Folie zusammen mit dem Anker innerhalb des Polrohrs bewegt wird. Diese Axialbewegung der Lagerfolie wird beendet, wenn die Folie einen Axialanschlag erreicht und der Anker innerhalb der Folie weitergleitet. Ein solches Verhalten ist in der Magnetkraft-Weg-Kennlinie als Sprung in der Hysterese des Elektromagneten zu erkennen. Wenn sich die Relativbewegung zwischen Anker und Lagerfolie ändert, ändern sich die Reibverhältnisse und damit die Hysterese der Betätigungsvorrichtung.
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Im Betrieb, insbesondere während der Ansteuerung von Kupplungen in Automatikgetrieben, kann der Sprung in der Hysterese und die damit verbundene Magnetkraftänderung unerwünscht sein. Es ist daher wünschenswert die gemeinsame Bewegung von Folie und Anker im Polrohr zu verhindern.
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Dies wird bei im Markt vertriebenen, bekannten elektromagnetischen Betätigungsvorrichtungen dadurch erreicht, dass die Lagerfolie auf ihrer dem Polrohr zugewandten Außenseite mit einer SiO2-Beschichtung versehen wird. Die dabei verwandte Lagerfolie besteht aus einem beidseitig mit PTFE beschichteten und mit PFTE getränktem Glasfasergewebe, dessen PTFE-Schicht auf einer Seite mit kolloidalen SiO2 aus SiO2-Partikeln mit einer Korngröße von einigen Nanometern bis zu einigen Mikrometern beschichtet wird. Durch die Beschichtung mit SiO2-Partikeln vergrößert sich der Reibwert auf der Außenseite der Lagerfolie, so dass die Lagerfolie besser an dem Polrohr anhaftet als an dem Anker. Dies hat zur Folge, dass der Anker in der Lagerfolie gleitet und nicht der Anker mit der Lagerfolie in dem Polrohr gleitet.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung, aufweisend eine elektromagnetische Spule mit einer sich in einer axialen Richtung erstreckenden Zentralausnehmung, einem in die Zentralausnehmung eingesetzten, mit einer magnetischen Trennstelle versehenen zylindrischen Polrohr, einem in dem Polrohr verschiebbar angeordneten Anker und einem an der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung in der axialen Richtung verschiebbar gelagerten Kraftübertragungselement, wobei der Anker durch eine Betätigung der elektromagnetischen Spule bewegbar ist, so dass eine von dem Anker aufgebrachte Kraft auf das Kraftübertragungselement übertragbar ist, wobei der Anker in dem Polrohr in einer in das Polrohr eingesetzten, hülsenförmigen Lagerfolie gelagert ist, wobei die Lagerfolie eine dem Anker zugewandte als Gleitfläche dienende Innenseite und eine dem zylindrischen Polrohr zugewandte Außenseite aufweist, wobei die Lagerfolie zumindest teilweise aus einem reibungsverminderndem Material gefertigt ist und wobei die Lagerfolie an der Innenseite eine intakte Schicht aus dem reibungsvermindernden Material aufweist. Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass das reibungsvermindernde Material der Lagerfolie an der Außenseite durch Ätzen der Oberfläche derart modifiziert ist, dass der Reibwert an der Außenseite größer als der Reibwert an der Innenseite ist.
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Weiterhin betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Herstellung einer solchen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung, bei dem die Lagerfolie vor der Transformation in die Hülsenform zunächst beidseitig mit einer intakten Schicht aus dem reibungsvermindernden Material hergestellt und sodann die Oberfläche auf einer als die Außenseite der späteren Hülsenform vorgesehenen Seite einem Ätzverfahren derart unterzogen wird, dass der Reibwert an der als Außenseite vorgesehenen Seite der Lagerfolie größer als der Reibwert an der als Innenseite vorgesehenen Seite der Lagerfolie wird.
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Vorteile der Erfindung
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Bei der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung kann vorteilhaft auf eine Beschichtung der Lagerfolie mit SiO2-Partikeln verzichtet werden. Stattdessen erfolgt die Reibwerterhöhung auf der dem Polrohr zugewandten Außenseite durch ein einfaches Ätzverfahren. Das Ätzverfahren kann insbesondere chemisch durchgeführt werden.
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Das Ätzverfahren kann beispielsweise sehr gut in Kombination mit einer Lagerfolie durchgeführt werden, die als Trägermaterial Glasfasergewebe aufweist, das auf der Innenseite und der Außenseite mit PTFE beschichtet ist, wobei die PTFE-Schicht auf der Außenseite durch Ätzen der Oberfläche derart modifiziert wird, dass der Reibwert an der Außenseite größer als der Reibwert an der Innenseite ist. Die Erhöhung des Reibwertes ist insbesondere vorteilhaft, wenn die Lagerfolie mit Axialspiel in dem Polrohr angeordnet werden muss, da die Außenseite der Lagerfolie besser an dem Innenmantel des Polrohres anhaftet, als der Anker an der Lagerfolie. Das Ätzverfahren kann vorteilhaft in einer vollautomatisierten Fertigung nach dem Sintern der beidseitig mit einer PTFE-Schicht versehenen Lagerfolie durchgeführt werden. Dies kann insbesondere in einem Verfahrensschritt erfolgen, der durchgeführt wird, bevor die Lagerfolie in Hülsenform gebracht wird. Das Ätzverfahren kann beispielsweise mit einer Amonium-Naftalin-Verbindung durchgeführt werden. Das chemische Ätzen führt zu Spaltung der Fluor-Verbindungen in der PTFE-Schicht, wodurch diese angegriffen wird und die Oberfläche aufgeraut wird. Da das Ätzverfahren nur auf einer Seite der Lagerfolie durchgeführt wird, bleibt die PTFE-Schicht auf der andere Seite intakt und bewahrt dort ihre glatte Oberfläche. Daher kann durch das chemische Ätzen der Oberfläche auf einer als Außenseite der späteren Hülsenform vorgesehenen Seite der Lagerfolie in einfacher Weise preisgünstig erreicht werden, dass dort die PTFE-Schicht aufgeraut und der Reibwert nur an der als Außenseite vorgesehenen Seite der Lagerfolie größer als der Reibwert an der als Innenseite vorgesehenen Seite der Lagerfolie wird. Eine Beschichtung der Außenseite ist nicht erforderlich.
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Die Lagerfolie kann in Kombination mit einem einteiligen Polrohr, dessen magnetische Trennstelle beispielsweise durch eine Nut in dem Polrohr ausgebildet ist, oder auch in Kombination mit einem mehrteiligen Polrohr, bei dem die magnetische Trennstelle durch einen Trennring zwischen zwei Polrohrabschnitten ausgebildet ist, verwandt werden.
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Figurenliste
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Nachfolgend wird eine mögliche Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung erläutert. In der Zeichnung zeigen:
- 1 einen schematischen Querschnitt durch eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung;
- 2 eine perspektivische Ansicht der Lagerfolie:
- 3 einen Teilquerschnitt durch die Lagerfolie.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung mit dem Bezugszeichen 10. Eine solche elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 10 kommt beispielsweise in der Getriebetechnik bei Kraftfahrzeugen zum Einsatz, insbesondere zur Steuerung einer Kupplung eines Automatikgetriebes. Hierzu wird beispielsweise ein Hydraulikventil, welches in 1 lediglich schematisch durch einen mit dem Bezugszeichen 12 versehenen Kasten angedeutet ist, durch die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 10 betätigt.
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Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 10 umfasst eine Spule 16, die um ein zylindrisches Polrohr 18 herum angeordnet ist. Die Spule 16 besteht aus einem Wickelelement, welches vorliegend beispielhaft einen Kupferdraht mit einer bestimmten Windungszahl umfasst, durch den bei einer Bestromung ein elektrischer Strom fließt. Dieser wird durch ein in der Zeichnung nicht dargestelltes Steuergerät gesteuert bzw. geregelt. Die Spule 16 und das Steuergerät werden über ein elektrisches Kontaktelement 38 mithilfe von ebenfalls nicht dargestellten Verbindungsleitungen elektrisch miteinander verbunden. Die Spule 16 weist eine zentrische Innenausnehmung 40 auf, die sich entlang einer Mittelachse 44 in einer axialen Richtung erstreckt und in die das Polrohr 18 eingesetzt ist. In dem zylindrischen Polrohr 18 ist ein Anker 20 gleitend gelagert. An einem in 1 linken ersten axialen Endbereich 21 des Polrohrs 18 ist auf das Polrohr 18 eine ringscheibenförmige Flussscheibe 22 aufgesetzt bzw. mit diesem verbunden. An einem in 1 rechten zweiten axialen Endbereich 23 des Polrohrs ist an dem Polrohr 18 eine weitere Flussscheibe 24 befestigt.
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In der Nähe zu dem ersten axialen Endbereich 21 ist auf einer durch eine äußere Mantelfläche gebildeten Außenseite des Polrohrs 18 eine sich in Umfangsrichtung erstreckende nutartige Ausnehmung 42 vorhanden, die als magnetische Trennstelle 46 dient. Die Ausnehmung 42 hat beispielsweise einen in etwa trapezförmigen Querschnitt und kann mit einem Ringbereich 52 aus unmagnetischen Material gefüllt sein, der mit schräg gestellten Rändern 48 der Ausnehmung 42 in Kontakt steht. In diesem Fall ist das Polrohr beispielsweise dreiteilig aufgebaut und besteht aus dem Ringbereich 52 an den sich an gegenüberliegenden Seiten jeweils ein Polrohrabschnitt anschließt. Es ist aber auch möglich das Polrohr 18 einstückig auszubilden mit einer Ausnehmung 42, die nur in die äußere Mangelfläche des Polrohres eingebracht wird. Durch die Ausnehmung 42 wird der magnetische Fluss durch das Polrohr 18 beeinflusst. Das Polrohr 18 vereinigt im Prinzip einen Magnetkern zur radialen Einspeisung des magnetischen Flusses in den Anker 20 mit einem Polkern, der als zum Anker komplementärer magnetischer Pol dient. Die Ausnehmung 42 verhindert einen magnetischen Kurzschluss. Der dadurch reduzierte magnetische Eisenquerschnitt in der Ausnehmung beziehungsweise Nut geht schon bei niedrigen Spulenströmen in die Sättigung über und wirkt dadurch ähnlich wie ein Luftspalt zwischen einem Magnetkern und einem Polstück.
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Ein Pressling 26 ist in eine durchgehende axiale Ausnehmung 32 des Ankers 20 eingepresst. An dem Pressling 26 liegt eine topfförmige Hülse 28 an. In die Hülse 28 wiederum ist ein als Stößel ausgebildetes Kraftübertragungselement 30 eingepresst. In die Flussscheibe 22 ist ein Führungsring 33 für das Kraftübertragungselement 30 eingepresst. Diese dient als Anschlag für die topfförmige Hülse 28. Das Kraftübertragungselement 30 wirkt wiederum auf das Hydraulikventil 12.
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Wie oben erwähnt wurde, ist der Anker 20 gleitend im Polrohr 18 gelagert. Zur Verbesserung der Lagerung ist zwischen dem Anker 20 und einer durch eine innere Mantelfläche gebildeten Innenseite 34 des Polrohrs 18 eine Lagerfolie 36 angebracht, wie noch genauer erläutert wird.
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Die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 10 arbeitet folgendermaßen: je nach Höhe des elektrischen Stroms, der durch die Spule 16 fließt, wird eine elektromagnetische Kraft erzeugt, die auf den Anker 20 wirkt und diesen aus einer in 1 rechten Ausgangsposition in die in 1 gezeichnete linke Endposition bewegt. In dieser Endposition ist der Hub des Ankers 20 durch die Anlage der topfförmigen Hülse 28 am Führungsring 33 begrenzt. Wird die Bestromung der Spule 16 beendet, wird der Anker 20 durch eine beispielsweise zwischen dem Polrohr 18 und dem Anker 20 verspannte Feder (nicht gezeichnet) und/oder eine über das Hydraulikventil 12 auf das Kraftübertragungselement 30 wirkende hydraulische Kraft in die (rechte) Ausgangsposition zurückbewegt.
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Die Lagerfolie 38 besteht vorzugsweise aus einem beidseitig mit PTFE (Polytetrafluorethylen) beschichteten Glasfasergewebe. Die Ausgangsform der Folie kann eben ausgebildet sein. 3 zeigt einen Querschnitt durch die Lagerfolie. Als Trägermaterial wird ein Glasfasergewebe 80 verwandt. Dieses wird in einem Bad mit PTFE getränkt, wobei sich beidseitig auf dem Glasfasergewebe eine PTFE-Schicht bildet. Der Vorgang kann mehrfach wiederholt werden, bis die Lagerfolie 36 gesintert wird. Nach dem Sintern wird die Oberfläche 86 der Lagerfolie 36 auf einer als Außenseite 68 der späteren Hülsenform 64 vorgesehenen Seite 83 der Lagerfolie einem Ätzverfahren unterzogen. Dabei kann beispielsweise eine Amonium-Naftalin-Verbindung eingesetzt werden oder Alkalimetalllösungen, die PTFE-Oberflächen unter Bildung von Alkalifluoriden ätzen. Aber auch andere Ätzverfahren wie Plasma-Ätzverfahren können angewandt werden.
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Durch das Ätzen wird die Oberfläche 86 der PTFE-Schicht 82 auf der Seite 83 angegriffen und Material aus ihr herausgelöst. Auf der gegenüberliegenden unbehandelten Seite 84 behält die Lagerfolie 36 eine intakte PFTE-Schicht 81 mit einer glatten Oberfläche. Durch das Ätzverfahren wird folglich der Reibwert an der als Außenseite 68 vorgesehenen Seite 83 der Lagerfolie 36 größer als der Reibwert an der als Innenseite 66 vorgesehenen Seite 84 der Lagerfolie 36.
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Schließlich wird die Lagerfolie 36, gegebenenfalls nach einem Zuschnitt, in die in 2 dargestellte Hülsenform 64 mit einem Außendurchmesser 72 und einem Innendurchmesser 74 und einer axialen Länge 70 gerollt. Die Dicke 56 der Lagerfolie 36 kann beispielsweise zwischen 30 und 200 Mikrometern betragen. Die einander zugewandten Enden der Lagerfolie 36 bilden eine Stoßfuge 58. Die Hülsenform 64 weist eine erste offene Stirnseite 60, eine zweite offene Stirnseite 62 auf sowie eine Innenseite 66 und eine Außenseite 68 auf. Die dem Ätzverfahren unterzogene Oberfläche 86 befindet sich nach der Herstellung der Hülsenform 64 auf der Außenseite 68 der Lagerfolie 36. Die intakte Gleitfläche 85 befindet sich auf der Innenseite 66 der Lagerfolie 36.
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Schließlich wird die hülsenförmige Lagerfolie 36 in das Polrohr 18 eingeschoben. Die axiale Länge 70 der Lagerfolie 36 ist kürzer als die axiale Länge der Innenausnehmung des Polrohres 18. Nach dem Einsetzen der Lagerfolie 36 weist die Außenseite 68 der Lagerfolie 36 dem Polrohr 18 beziehungsweise der Innenseite 34 des Polrohrs zu und liegt daran an. Die Lagerfolie 36 in Hülsenform kann nach dem Einsetzen eine gewisse Spannung aufweisen, welche die Außenseite 68 gegen die Innenseite 34 des Polrohres andrückt.
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Schließlich kann der Anker 20 das Polrohr eingeschoben werden, wobei die als Gleitfläche 85 dienende Innenseite 66 der Lagerfolie 36 dem Anker 20 zugewandt ist.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012223430 A1 [0002]
- DE 102006055796 A1 [0004]
