DE1589733C3 - Elektromagnet für ein Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Elektromagneten zum Betätigen eines Ventils in Längsrichtung mit einem zwischen dem Anker und einem von demselben in gleicher Richtung betätigten Ventilstößel angeordneten, das Verhältnis von Weg zu Kraft ändernden Getriebe.

Ein derartiger Magnet ist beispielsweise durch USA.-Patentschrift 1 915 822 bekannt. Es ist ein Anker außen an einem Hebelarm eines einarmigen Hebels angesetzt, Lind ein Stößel für ein Ventil ist an einer näher beim Hebeldrehpunkt angeordneten Stelle angelenkt. Durch diese Anordnung wird ein großer Ankerhub in einen kleinen Stößelhub umgesetzt und einer kleinen Ankerkraft entspricht eine große Kraft am Stößel. Die bekannte Einrichtung hut aber den Nachteil, daß der Hebelarm sehr viel Platz verbraucht und daß die Hcbelglicder in einen an den Elektromagneten anschließenden Ventilraum hineinragen. Außerdem ist die Einrichtung vielteilig mit einer großen Anzahl von Gelenkstellen. Schließlich ist das Übersetzungsverhältnis auf dem gesamten Anker-Stoßel-Hub gleich.

Aus der deutschen Patentschrift 6b2 027 ist ein Elektromagnet bekannt mit einer Einrichtung zur Umwandlung eines ansteigenden Kraftweg-Diagramms in ein wahlweise bestimmbares, beispielsweise konstantes statisches Kraftweg-Diagramm, bei dem der Ankerweg auf ein um einen festen Punkt gesondert drehbares Kurvenstück übertragen wird. Dieses Kurvenstück ist in einer Kulisse an der Angriffsstelle der Ankerachse durch die Ankerachse tragende Rollen geführt.

Aus der USA.-PAtentschrift 3 136 930 ist ein Elektromagnet mit einem translatorisch bewegbaren und zugleich drehbaren Schaft bekannt. Zu diesem Zweck trägt der Schaft gegenüberliegende Rollen, die mit kurvenförmigen Ausschnitten in einer den Schaft umgebenden Hülse zusammenarbeiten,

Aus der deutschen Patentschrift 1 135 099 ist ein Drehmagnet bekannt, bei dem die Anzugsbewegung des Ankers über zwei mit geneigten kreisförmigen Stirnflächen versehenen Übertragungsglieder unter Zwischenlegen der Rollkörper in eine Drehbewegung umgewandelt wird und bei dem das vom Anker unmittelbar bewegte Übertragungsglied in Richtung der Ankerbewegung nur längsbeweglich und das andere Übertragungsglied nur drehbeweglich gelagert ist.
Ferner ist es aus der deutschen Auslegeschrift 1 025 225 bekannt, durch einen kegeligen Stößel den längs einer Schrägfläche Kugeln nach außen zu drükken, jedoch zum Zweck der Lösung einer Rasteinrichtung.

Ferner ist aus der deutschen Auslegeschrift 1 154 322 ein Wälzkörpergetriebe mit an Kegelflächen ablaufenden Kugeln bekannt, das jedoch zur Übertragung einer Längs- in eine Querbewegung dient.

Schließlich gibt die britische Patentschrift 1 028 385 ein Wälzkörpergetriebe an, das eine Längsbewegung in eine gleichachsige Längsbewegung umsetzt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Übersetzungsgetriebe für das Weg-Kraft-Verhältnis zwischen einem Anker und einem Stößel zu schaffen, das sehr klein und einfach baut, das ohne Änderung der an den Magneten angesetzten Einrichtung verwendet werden kann und dessen Übersetzungsverhältnis während des Anker-Stößel-Hubs veränderbar ist.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß an dem dem Ventilstößel zugekehrten Ende des Ankers eine Kegelfläche ausgebildet ist, die über Wälzkörper mit dem in axialer Verlängerung zum Anker liegenden Ventilstößel in Verbindung steht und daß die Kegelfläche gegenüber den Wälzkörpern axial verschiebbar und die auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Wälzkörper unter Zusammenwirkung mit einer zweiten Kegelfläche in radialer Richtung in ihrem Tcilkreisdurchmesser veränderbar sind, bis das Ende des Ankers sich unmittelbar am Ventilstößel abstützt.

Im einzelnen ist die Anordnung so getroffen, daß die erste Kegelfläche am freien Ende eines vom Anker axial bewegbaren Druckstiftes und die zweite Kegelfläche an einem Einsatz ausgebildet ist und daß das den Wälzkörpern zugekehrte Ende des Ventilstößels eine ebene Stirnfläche aufweist.

(>o Dabei ist zweckmäßig der Einsatz hülsenförmig ausgebildet und dessen Kegelfläche umgibt die erste Kegelfläche am Druckstift ringförmig.

Ferner kann die erste Kugelfläche als Innenkcgelfläche am Anker und die /weite Kugelfläche als Außenke-

C>5 gelfläche am Ventilstößel ausgebildet sein.

Dabei ist in vorteilhafter Ausbildung die Kegelinnenfläche unmittelbar am Anker vorgesehen.

In einer vorteilhaften Auslührungslorm ist die Kegel-

innenfläche an zwei in den Anker achsparallel eingesetzten Stiften ausgebildet.

An Hand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen wird die Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

F i g. 1 ein zwischen einem Elektromagneten und einem Mehrwegeventil angeordnetes Wälzkörper-Getriebe im Schnitt,

F i g. 2 eine vereinfachte Darstellung des Wälzkörper-Getriebes in Ausgangsstellung, F i g. 3 das gleiche Getriebe nach dem Leerhub,

F i g. 4 das Getriebe bei einem Kraft- oder Losreißhub,

F ig. 5 das Getriebe nach dem Arbeitshub,

F i g. 6 eine andere Bauart des Getriebes, F i g. 7 noch eine andere Getriebebauart,

F i g. 8 eine vierte Bauart des Getriebes und

F i g. 9 ein Kurvenbild über den Weg-Kraft-Verlauf.

Ein Elektromagnet 1 hat einen Spulenkörper 2 und einen Anker 3. Ein an der Stirnfläche des Ankers 3 anliegender Stift 5 ist mit einer Kegelaußenfläche 7 versehen, die gegenüber einer zylindrischen Mantelfläche des Ankers 3 einen Winkel von z. B. 35° aufweist. Der Stift 5 ist in der Bohrung eines feststehenden Einsatzes 8 geführt, der eine ringförmige Kegelinnenfläche 9 hat, die gegenüber einer radialen und senkrecht zur Achse des Getriebes liegenden Ebene ebenfalls einen Winkel von z. B. 35° aufweist.

In einem gewissen Abstand von dem Ende 6 des Stiftes 5 ist eine ebene Anlagefläche 10 eines Stößels 11 angeordnet, der in einer Zwischenplatte 12 geführt ist, die zwischen dem Elektromagneten 1 und einem Gehäuse 13 des Ventils 14 liegt. Der Stößel 11 berührt das Steuerelement 16 des Ventils 14.

Zwischen der Kegelaußenfläche 7 des Stiftes 6, der Kegelinnenfläehe 9 des Einsatzes 8 und der Anlagefläche 10 des Stößels 11 sind als Wälzkörper z.B. drei Kugeln (7 eingesetzt, die durch eine nicht dargestellte Radialführung in einem gegenseitigen Winkelabstand von 120" gehalten werden und die immer auf einem gemeinsamen Teilkreis, z. B. 18 oder 19 liegen. Die Kcgelflächen 7 und 9, die radiale Anlagefläche 10 und die Kugeln 17 bilden das Wälzkörper-Getriebe 7, 9, 10, 17. Während bei diesem Getriebe Anker und Stößel ihre Hubarbeit direkt mit dem übersetzten Krafthub beginnen, ist bei der Ausführung nach F i g. 2 bis 5 ein Leeroder Vorhub vorgeschaltet und dem Losreißhub folgt ein maxiamalcr, nicht kraftübersetzter Arbeitshub.

Die Ruhestellung des Wälzkörper-Getriebes 7, 9, 10, 17 ist in der F-" i g. 2 dargestellt. Der Anker 3 hat seine linke Endstcllung eingenommen, die Kugeln liegen auf dem kleinsten Teilkreisdurchmesser 18 und der Stößel 11 ist ebenfalls ganz nach links gedrückt.

Wird nun der Strom für den Elektromagneten 1 eingeschaltet, so bewegt sich der Anker 3 um den Weg Av .·>:> = Ankervorhub nach rechts (Fig. 3). Das Stiftende'6 dringt zwischen die Kugeln 17 ein und seine Kegelaußenfläche 7 drückt sie auf einen größeren Teilkreisdurchmesser auseinander. Der Stößel Il macht infolgedessen einen etwas kleineren Hub Sv = Stößclvorhub. < >o

Bei weiterem Hub des Ankers 3 laufen, wie in der F i g. 4 zu sehen ist, die Kugeln 17 zwischen den Kegelflächen 7 und 9 und der Anlagefläche 10 des Stößels 11 weiter nach außen. Der Anker 3 macht einen großen Hub und der Stößel Il nur einen kleinen. Dabei wird <\s der unter geringer Kraft zurückgelegte große Weg des Ankers 3 in einen mit großer Kraft zurückgelegten kleinen Weg des Stößels 11 /.. B. im Verhältnis 3 : 1 umgesetzt. Diese Arbeitsphase des Getriebes ist wichtig wegen des hier wirksam werdenden Losreißeffekts. Viele Ventile weisen bei höheren Drücken die unangenehme Eigenschaft auf, daß sie nach längerer Druckeinwirkung klemmen oder festhängen. Magnete sollen aber eine steigende Kennlinie haben, um die bei der Ventilbetätigung zunehmende Federkraft und den während des Schaltvorgangs entstehenden -Strömungswiderstand zu überwinden. Es steht deshalb am Anfang des Hubs meist nur eine verhältnismäßig geringe Kraft zur Verfügung und es kommt oft zu Schaltschwierigkeiten, weil die Anfangs-Magnetkraft nicht ausreicht, um den hydraulisch verklemmten Kolben loszureißen. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Wälzkörper-Getriebes 7, 9, 10, 17 wird aber eine ausreichende Losreißkraft am Stößel 11 erreicht. Der Anker 3 macht einen großen Hub AL = Anker-Losreißhub und der Stößel 11 macht nur einen ganz kleinen Weg SL = Stößel-Losreißhub, aber mit großer Kraft.

Schließlich legt sich der Stift 5 mit seinem Ende 6 an der Anlagefläche 10 des Stößels 11 an und Anker 3, Stift 5 und Stößel 11 machen den Resthub Ar und Sr gemeinsam ohne weitere Kraft- oder Wegübersetzung. Dabei liegen die drei Kugeln 17 auf ihrem größten Teilkreisdurchmesser 19 und sind von der Kraftübertragung ausgeschaltet.

Auf den Wegen zwischen F i g. 3 und 5 entsteht eine Weg-Kraftcharakteristik, die in der F i g. 9 dargestellt ist. Die obere Kurve zeigt den Weg-Kraftverlauf am Stößel 11 und die untere Kurve den Weg-Kraftverlauf am Anker 3. Die einzelnen sich entsprechenden Punkte sind mit den gleichen Buchstaben versehen. Es ist zu erkennen, daß der Weg des Stößels 11 zwischen F i g. 3 und 4 sehr kurz ist und mit großer Kraft erfolgt, während der Weg des Ankers 3 groß ist und nur wenig Kraft aufgewendet wird. Zwar wird auf diese Weise der Elektromagnet etwas länger bauen müssen, aber es ist auch nur eine geringe Stromstärke zur Ankerbetätigung notwendig. Außerdem ist erreicht, daß in vielen Fällen direkt betätigte Ventile verwendet werden können und dank der hohen Losreißkraft auf vorgesteuerte Ventile verzichtet werden kann, so daß das ganze System klein, billiger und kompakt auszubilden ist.

Nach dem Abschalten des Elektromagneten 1 nehmen alle beweglichen Teile z. B. durch eine im Ventil angeordnete Rückstellfeder wieder ihre Ausgangsstellung ein.

In den F i g. b und 7 sind zwei andere Ausführungsbeispiele dargestellt, die sich nur durch die Anordnung der Wälzkörper und der Schrägflächen von dem Ausführungsbeispiel nach F i g. I unterscheiden.

F i g. 6 zeigt einen Anker 20 mit einer ringförmigen Kegelinnenfläehe 21, und ein Stößel 22 hat eine kegelige Außenfläche 23 und ist im Kern 24 geführt. Der Kern 24 hat z. B. zwei radiale, zueinander jeweils einen Winkel von 180° einnehmende Kanäle 25, in denen als Wälzkörper jeweils zwei Kugeln 26 geführt sind. Zwischen dem Anker 20u,nd dem Kern 24 liegt zur sicheren Rückführung des Ankers eine Feder 27.

F i g. 7 zeigt einen Anker 30 mit z. B. zwei achsparullelcn Ausnehmungen 31, in die jeweils ein mit einer Schrügflächc 33 versehener Stift 32 eingesetzt ist. Ein Stößel 34 hat eine kegelige Außenfläche 35 und ist in ■XJem Kern 36 geführt, die auch die Schrägtlächenenden der Stifte 32 axialbcweglich aufnimmt. Im Bereich der Schrägflächenenden der Stifte 32 sind zwei radiale, zueinander jeweils einen Winkel von 180° einnehmende Kanäle 37 vorgesehen, in denen als Wälzkörper je-

weils eine Kugel 38 geführt ist. Auch hier liegt zwischen dem Anker 30 und dem Kern 36 eine Feder 39. Die Wirkungsweisen dieser beiden Ausführungen entsprechen weitgehend der nach der F i g. 1, so daß sich eine nochmalige Beschreibung erübrigt.

Die Fig.8 zeigt schließlich eine Bauart, die etwas mehr von der nach der F i g. 1 abweicht. Ein Anker 40 hat eine Kegelaußenfläche 41 und ein Stößel 42 besitzt ebenfalls eine Kegelaußenfläche 43. Anker 40 und Stößel 42 sind in einer Axialbohrung 44 einer Büchse 45 geführt und diese Büchse hat z. B. zwei radiale Kanäle 46, in die als Wälzkörper je eine Kugel 47 eingesetzt ist. Die Kugeln 47 werden durch Federn 48 nach innen gegen die Kegelaußenflächen 41 und 43 von Anker 40 und Stößel 42 gedruckt. Dabei stützen sich die Federn 48 an einer Ringaußenwand 49 ab, die mit je einem Zentrierzapfen 50 für jede Feder 48 versehen ist.

Diese Bauart wirkt wie folgt: Bei stromlosen Elektromagneten wird der Stößel 42 über die Kugeln 47 von den Federn 48 nach rechts gedrückt. Wird der Strom eingeschaltet, so dringt der Anker 40 mit seiner Kegelaußenfläche 41 nach rechts gegen die Kugeln 48 vor und treibt diese nach außen. Dadurch wird der Stößel 42 federentlastet, so daß er vom vorher betätigten Ventilelement nach links zurückgedrängt werden kann. Diese Ausführung hat folgende Vorteile:

Es kann der gleiche Stoßmagnet verwendet werden wie bei der Ausführung nach Fig. 1. Es ist hier also kein Zugmagnet für eine umgekehrte Ventilfunktion notwendig. Dadurch wird z. B. auch eine Handnotbetätigung durch »Drücken« möglich. Des weiteren kann hier das gleiche Ventil verwendet werden wie bei der Ausführung nach Fig. 1, es arbeitet nur in umgekehrter Richtung. Da bei dieser Ausführung ein an den Elektromagneten 1 angesetztes Ventilglied auch von der Magnetseite her unter Federeinwirkung (Feder 48 in F i g. 8) steht, wird das bei Sitzventilen erforderliche, zusätzliche Federelement, das an sich erforderlich wäre, um das Ende des Ventilweges mit dem des Magnetankers abzustimmen, überflüssig. Bei den Ausführungen F i g. 1 bis 7 kann diese Abstimmung durch ein Federglied zwischen Anker und Stift erreicht werden.

Das Übersetzungsgetriebe nach den F i g. 1 bis 5 und 8 kann fast ohne Änderung in jede Magnet-Ventilkombination eingebaut werden. Nur bei der Ausführung nach F i g. 6 und 7 ist bei der Ausbildung der Magnetteile besonders auf das Kugelgetriebe Rücksicht zu nehmen.

Es ist noch zu bemerken, daß mindestens an Stelle der Kugeln 47 in Fig.8 auch Wälzkörper in Gestalt· von Walzen od. dgl. verwendet werden können.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Elektromagnet zum Betätigen eines Ventils in Längsrichtung mit einem zwischen dem Anker und einem von demselben in gleicher Richtung betätigten Ventilstößel angeordneten, das Verhältnis von Weg zu Kraft ändernden Getriebe... dadurch., gekennzeichnet, daß an dem dem.Ventilstößel (11. 22, 34, 42) zugekehrten Ende des Ankers (3, 20, 30,40) eine Kugelfläche (7, 21,33,41) ausgebildet ist, die über Wälzkörper (17, 38, 47) mit dem in axialer Verlängerung zum Anker liegenden Ventilstößel in Verbindung steht und daß die Kegelfläche gegenüber den Wälzkörpern axial verschiebbar und die auf einem gemeinsamen Teilkreis liegenden Wälzkörper unter Zusammenwirkung mit einer zweiten Kegelfläche in radialer Richtung in ihrem Teilkreisdurchmesser veränderbar sind, bis das Ende des Ankers sich unmittelbar am Ventilstößel abstützt.

2. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kegelfläche (7) am freien Ende eines vom Anker (3) axial bewegbaren Druckstiftes (5) und die zweite Kegelfläche (9) an einem Einsatz (8) ausgebildet ist und daß das den Wälzkörpern zugekehrte Ende des Ventilstößels (11) eine ebene Stirnfläche aufweist (F i g. 1).

3. Elektromagnet nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Einsatz (8) hülsenförmig ausgebildet ist und dessen Kegelfläche (9) die erste Kegelfläche (7) am Druckstift (5) ringförmig umgibt.

4. Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Kegelfläche als Innenkegelfläche (21, 33) am Anker (20, 30) und eine zweite Kegelfläche als Außenkegelfläche (23, 35) am Ventilstößel ausgebildet ist (F i g. 6, 7).

5. Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelinnenfläche (21) unmittelbar am Anker (20) ausgebildet ist (F i g. 6).

6. Elektromagnet nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kegelinncnfliiche (33) an zwei in den Anker (30) achsparallel eingesetzte Stiften (32) ausgebildet ist (F i g. 7).