DE19604315A1 - Elektromagnetisch betätigtes Ventil, insbesondere für hydraulische Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen - Google Patents

Elektromagnetisch betätigtes Ventil, insbesondere für hydraulische Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen

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Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätig­ ten Ventil nach der Gattung des Patentanspruchs 1.
Es ist schon ein solches Ventil bekannt (DE 44 12 648 A1) dessen Sitzventil unter der Wirkung einer Rückstellfeder seine Offenstellung einnimmt und magnetbetätigt in seine den Durchfluß von Druckmittel sperrende Stellung schaltbar ist. Das bekannte Ventil ist also von seiner Bauart her ein Schaltventil in der Form des kostengünstigen 2/2-Wegeven­ tils. Darüberhinaus ist durch konstruktive Maßnahmen an Schließglied und Stößel erreicht, daß sich bei ausreichend großem Druckgefälle aus der Schließstellung des Sitzventils heraus aufgrund von hydraulischen Kräften selbsttätig eine teilgeschlossene Stellung einstellt, in welcher der Volumen­ strom gemindert ist. Das bekannte Ventil ist daher vorteil­ haft beispielsweise in schlupfgeregelten hydraulischen Brem­ sanlagen einsetzbar, um bei Druckaufbau z. B. einer Brems­ schlupfregelung ein günstiges Verhalten hinsichtlich der Re­ gelgüte und der Geräuschemission zu erzielen.
Vorteile der Erfindung
Das erfindungsgemäße Ventil mit den kennzeichnenden Merkma­ len hat demgegenüber den Vorteil, daß sich dieses, ähnlich einem Proportionalventil, durch Steuerung der Magnetkraft bei kleinen Hüben in beliebig viele Zwischenstellungen über­ führen läßt, ohne jedoch den aufwendigen Aufbau eines Pro­ portionalventiles aufzuweisen. Diese Wirkungsweise ist im wesentlichen darauf zurückzuführen, daß am Schließglied an­ greifende hydraulische Kräfte aufgrund der Konfiguration von Ventilsitz und Schließglied hubabhängig veränderbar sind. Mit dem erfindungsgemäßen Ventil ist daher eine weitgehend kontinuierliche Durchflußsteuerung erzielbar. Es kann in vielen Anwendungsfällen anstelle von Proportionalventilen eingesetzt werden. Bei schlupfgeregelten Bremsanlagen ist durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Ventils eine höhe­ re Regelgüte und eine geringere Geräuschemission als bei dem bekannten Ventil zu erzielen.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Pa­ tentanspruch 1 angegebenen Ventils möglich.
Mit den in den Ansprüchen 2 und 3 gekennzeichneten Ausge­ staltungen wird eine definierte Ablösung des Druckmittel­ strahls erreicht. Instabile Strömungskräfte werden somit weitgehend vermieden.
Zeichnung
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und in der nachfolgenden Beschrei­ bung näher erläutert. Es zeigen
Fig. 1 einen Längsschnitt eines elektromagnetisch betätigten Ventils mit einem Sitz­ ventil, Fig. 2 als Einzelheit II aus Fig. 1 das in Schließstellung befindliche Sitzventil in gegenüber Fig. 1 vergrößertem Maßstab und Fig. 3 ein Diagramm der im Sitz­ ventil über den Ventilöffnungshub wirkenden Kräfte.
Beschreibung des Ausführungsbeispiels
Ein in Fig. 1 der Zeichnung dargestelltes, elektromagne­ tisch betätigtes Ventil 10 hat ein Ventilgehäuse 11, mit dem es in einem Ventilblock 12 aufgenommen ist. Außerhalb des Ventilblocks 12 ist das Ventilgehäuse 11 in einem Polkern 13 fortgesetzt. Auf dem Polkern 13 ist ein hülsenförmiger Ven­ tildom 14 druckdicht befestigt. Auf diesen sowie den Polkern 13 ist eine von einem magnetflußleitenden Gehäuse 15 umhüll­ te, ringförmige Magnetspule 16 aufgesteckt.
Im Ventildom 14 befindet sich ein längsbewegbarer Magnetan­ ker 19. Dieser greift an einem Stößel 20 an, welcher in ei­ ner Längsbohrung 21 von Polkern 13 und Ventilgehäuse 11 auf­ genommen ist. Eine Rückstellfeder 22 greift ankerabgewandt am längsbewegbaren Stößel 20 an.
Die Rückstellfeder 22 ist an einem in das Ventilgehäuse 11 eingepreßten, längsdurchbohrten Ventilkörper 23 abgestützt. Dieser steht mit einem Druckmitteleinlaß 24 des Ventils 10 in Verbindung, welcher mit einer Leitungsbohrung 25 des Ven­ tilblocks 12 kommuniziert.
Der Ventilkörper 23 weist stößelseitig einen hohlkegelförmi­ gen Ventilsitz 28 mit einem Kegelwinkel α von höchstens 110° auf (Fig. 2). In den Ventilsitz 28 mündet zentrisch eine mit dem Druckmitteleinlaß 24 in Verbindung stehende Zuström­ bohrung 29 mit dem Durchmesser D₁. Der Ventilsitz 28 endet radial außen scharfkantig an einer Stirnfläche 30, welche den Ventilkörper 23 gegen eine Ventilkammer 31 begrenzt und rechtwinklig zu einer Achse verläuft, in welcher der Ventil­ körper 23, der Ventilsitz 28, der Stößel 20 und der Magnet­ anker 19 liegen. Die Ventilkammer 31 steht mit einer Quer­ bohrung 32 in Verbindung, welche den Druckmittelauslaß 33 des Ventils 10 bildet und mit einer Leitungsbohrung 34 des Ventilblocks 12 kommuniziert. Die Längsbohrung 21 und der Ventildom 14 stehen mit der Ventilkammer 31 in druckmittel­ leitender Verbindung. Der Magnetanker 19 und der Stößel 20 sind daher druckmittelumspült.
Mit dem Ventilsitz 28 wirkt ein Schließglied 37 in der Form eines Kugelsegments zusammen. Das Schließglied 37 ist stirn­ seitig an einem im Durchmesser verringerten zylindrischen Abschnitt 38 des Stößels 20 in der Ventilkammer 31 ausgebil­ det. Der Kegelwinkel α des Ventilsitzes 28 und der Radius R des Schließglieds 37 sind derart aufeinander abgestimmt, daß der Dichtdurchmesser D₂ des Ventilsitzes wenigstens das 1,3- fache des Durchmessers D₁ der Zuströmbohrung 29 beträgt. Der Durchmesser D₃ des Stößelabschnitts 38 entspricht demgegen­ über wenigstens annähernd dem Dichtdurchmesser D₂ des Ven­ tilsitzes 28, d. h. der Stößelabschnitt 38 ist geringfügig größer als der Dichtdurchmesser. Der Übergang des Schließ­ gliedes 37 zum Stößelabschnitt 38 ist scharfkantig ausgebil­ det. Außerdem ist in Fig. 2 zu erkennen, daß der Auslauf des Ventilsitzes 28 etwa im Bereich des Durchmessers D₃ des Stößelabschnitts 38 liegt.
Der Ventilsitz 28 des Ventilkörpers 23 und das Schließglied 37 des Stößels 20 bilden ein Sitzventil 41, welches aufgrund der Wirkung der Rückstellfeder 22 bei fehlender Bestromung der Magnetspule 16 seine Durchlaßstellung einnimmt. Bestromt ist das Ventil 10 in die Schließstellung des Sitzventils 41 umschaltbar. Das elektromagnetisch betätigte Ventil 10 ist somit vom Prinzip her ein Schaltventil in der Form des 2/2- Wegeventils. Es ist in hydraulischen Bremsanlagen von Kraft­ fahrzeugen verwendbar, wie die in der eingangs erwähnten Druckschrift DE 44 12 648 A1 angedeutet und in der Druck­ schrift DE 41 19 662 A1 hinsichtlich Schaltbild und Funktion ausführlich beschrieben sind. Bei einer solchen Verwendung ist der Druckmitteleinlaß 24 des Ventils 10 mit einem Haupt­ bremszylinder als Druckerzeuger der Bremsanlage und der Druckmittelauslaß 33 mit einer Radbremse als Druck­ verbraucher verbunden.
Herkömmliche Schaltventile unterscheiden sich vom erfin­ dungsgemäßen Ventil, insbesondere von dessen Ausgestaltung des Sitzventils 41, auf folgende Weise: Die Zuströmbohrung 29 hat beim herkömmlichen Ventil einen Durchmesser D₁, wel­ cher nahezu dem des Dichtdurchmessers D₂ entspricht. Da letzterer die Höhe der erforderlichen Magnetkraft zum Schließen des Ventils bestimmt, ist man beim herkömmlichen Sitzventil bestrebt, durch diese Durchmesserangleichung bei gegebener Magnetkraft einen maximalen Durchfluß zu erhalten. Außerdem werden beim herkömmlichen Sitzventil Kegelwinkel α größer als 90° gewählt, um als Schließglied 37 Kugeln größe­ ren Durchmessers verwenden zu können, weil diese bei der Montage am Stößel 20 leichter handhabbar sind. Ferner strebt man beim herkömmlichen Sitzventil an, den Übergang zwischen der Kugelfläche des Schließglieds 37 und dem Stößel 20 kan­ tenfrei zu gestalten. Schließlich hat bei der üblichen Aus­ legung des Magnetkreises beim herkömmlichen Ventil die Ma­ gnetkraft beim Übergang in die Schließstellung einen pro­ gressiven Verlauf.
Das erfindungsgemäße Ventil 10 unterscheidet sich demgegen­ über in folgender Weise:
In der Schließstellung (Fig. 2) des Sitzventils 41 wirkt der zuströmseitige Druck p₁ auf eine vom Dichtdurchmesser D₂ um­ schriebene Wirkfläche des Stößelabschnitts 38 und übt eine öffnende Kraft auf den Stößel 20 aus. Der in der Ventilkam­ mer 31 und im Ventildom 14 herrschende, abströmseitige Druck p₂ ist niedriger als der Druck p₁ und wirkt mit einer Kraft schließend auf den Stößel 20. Die aus diesen beiden Kräften resultierende hydraulische Kraft Fp wirkt somit auf den Stö­ ßel 20 öffnend. Mit einer Kraft FF öffnend auf den Stößel 20 wirkt auch die als Schraubendruckfeder ausgebildete Rück­ stellfeder 22.
Beim Öffnen des Sitzventils 41 dringt das niedrigere Druck­ niveau p₂ in Richtung auf die Zuströmbohrung 29 vor. Unter der Voraussetzung einer konstanten Druckdifferenz zwischen p₁ und p₂ nimmt die resultierende hydraulische Kraft Fp über den zunehmenden Ventilöffnungshub H monoton fallend ab. Die üblicherweise gerade Kennlinie der Rückstellfeder 22 fällt über den Hub H ebenfalls ab. Beim Schließvorgang des Sitz­ ventils 41 kehren sich die Verhältnisse entsprechend um.
Der Verlauf der additiv miteinander verknüpften Kräfte Fp und FF über den Ventilöffnungshub H ist in Fig. 3 in einem Diagramm angegeben, in welchem der Abszisse der Hub H und der Ordinate die Kraft F zugeordnet ist. Die Kennlinie die­ ser Summenkraft Fp und Fn hat einen relativ stark abfallen­ den Verlauf. Da dies im wesentlichen von der Änderung der hydraulischen Kraft Fp über den Ventilöffnungshub H und we­ niger von der Charakteristik der Rückstellfeder 22 abhängt, kann das Ventil 10 mit einer Feder geringer Federsteifigkeit ausgestattet werden, deren Vorspannung relativ unkritisch auf eine Größe einstellbar ist, die ausreicht, um den Magne­ tanker 19 und den Stößel 20 aus der Schließstellung des Sitzventils 41 in die Durchlaßstellung zu überführen.
Die Formgebung des Sitzventils 41 stellt sicher, daß der im Diagramm wiedergegebene Kennlinienverlauf Fp + FF weitgehend frei von Störeinflüssen ist. So wird durch den relativ klei­ nen Kegelwinkel α des Ventilsitzes 28 eine geringe Umlenkung der Druckmittelstrahlen im Sitzventil 41 erreicht. Dadurch werden wenig Impulskräfte hervorgerufen, die insbesondere bei großen Durchflüssen auftreten. Die Abhängigkeit der Ven­ tileigenschaften von Differenzdruck und Temperatur des Druckmittels ist daher gering. Ferner ist durch den scharf­ kantigen Übergang zwischen dem Schließglied 37 und dem Stö­ ßelabschnitt 38 sichergestellt, daß die Druckmittelströmung stets dort abreißt und somit zu gleichmäßigen Strö­ mungskräften auf das Schließglied 37 führt. Zu einer stabi­ len Druckmittelströmung trägt auch der scharfkantige Auslauf des Ventilsitzes 28 an der Stirnfläche 30 des Ventilkörpers 23 bei. Die Wirkung der Druckmittelströmung auf die in der Ventilkammer 31 befindlichen Windungen der Rückstellfeder 22 ist daher weitgehend frei von störenden Einflüssen.
Der erwähnten hydraulischen Kraft Fp und der Federkraft FF ist die durch Erregen der Magnetspule 16 erzeugte, in Schließrichtung des Sitzventils 41 wirkende Magnetkraft FM entgegengerichtet. Wie deren Kennlinie im Diagramm nach Fig. 3 zeigt, ist durch dem Fachmann geläufige Maßnahmen er­ reicht, daß bei einem bestimmten Erregerstrom I = konstant die Magnetkraft FM über dem Ventilöffnungshub H ebenfalls einen monoton fallenden Verlauf annimmt, jedoch mit betrags­ mäßig geringerer negativer Steigung als ihn der Kraftverlauf Fp + FF aufweist. Die flache Neigung der Kennlinie FM ist beispielsweise durch entsprechende Ausbildung des Magnet­ kreises erzielbar, insbesondere wenn in der Schließstellung des Ventils 10 ein relativ großer Restluftspalt zwischen dem Magnetanker 19 und dem Polkern 13 verbleibt oder der Magne­ tanker und der Polkern als Tauchstufe ausgebildet sind. Die dargestellte Magnetkraft-Kennlinie ist für einen bestimmten Erregerstrom I = konstant repräsentativ. Durch abweichende Erregerströme sind in Richtung der Ordinate verlagerte Kenn­ linien erzeugbar. Geänderte Erregerströme sind durch Strom­ steuerung, Pulsweitenmodulation und andere bekannte Verfah­ ren einstellbar.
Die beiden Kennlinien Fp + FF sowie FM schneiden sich im Diagramm in einem Punkt, in dem Gleichgewicht zwischen der öffnenden hydraulischen Kraft Fp sowie der Federkraft FF ei­ nerseits und der schließenden Magnetkraft FM andererseits herrscht. Dieser Punkt ist als Arbeitspunkt AP bezeichnet, in dem das Sitzventil 41 beim Hub h eine stabile Stellung einnimmt. Eine in Richtung des Doppelpfeils im Diagramm durch Stromsteuerung verlagerte Magnetkraft-Kennlinie legt den Arbeitspunkt auf einen anderen Ventilöffnungshub. Das erfindungsgemäße Ventil 10 ist somit trotz seiner Bauform als Schaltventil ähnlich einem Proportionalventil stromab­ hängig mit variablem Öffnungshub stufenlos steuerbar. Diese Steuerbarkeit ist zumindest bei kleinen Ventilöffnungshüben gegeben.
Besonders vorteilhafte Verhältnisse hinsichtlich der Steue­ rung und des konstruktiven Aufwandes für den elektromagneti­ schen Teil des Ventils 10 ergeben sich, wenn der Ventilsitz 28 einen Kegelwinkel α von 90° und kleiner hat sowie der Dichtdurchmesser D₂ des Ventilsitzes 28 wenigstens das 1,5- fache des Durchmessers D₁ der Zuströmbohrung 29 beträgt.
Das erfindungsgemäße Ventil 10 ist in hydraulischen Bremsan­ lagen von Kraftfahrzeugen verwendbar, beispielsweise zur Bremsschlupf- oder Antriebsschlupfregelung oder in Bremsan­ lagen mit einer hydraulischen Servodruckquelle zur direkten Einsteuerung von Bremsdruck in Radbremszylinder. Mit dem Ventil 10 ist in vorteilhafter Weise eine stufenlose Druck- und Volumenstromregelung möglich, wenn die Bremsanlage mit entsprechenden Sensoren und einer Regelelektronik ausgestat­ tet ist. Auch ist das Ventil 10 als Druckbegrenzungsventil verwendbar, indem durch Stromsteuerung der Ansprechdruck eingestellt wird, entweder auf konstante oder anwendungsab­ hängig veränderbare Werte.

Claims (4)

1. Elektromagnetisch betätigtes Ventil (10), insbesondere für hydraulische Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen, mit den folgenden Merkmalen:
  • - es ist ein Sitzventil (41) zwischen einem Druckmittelein­ laß (24) und einem Druckmittelauslaß (33) vorgesehen,
  • - das Sitzventil (41) hat einen hohlkegelförmigen Ventilsitz (28) und ein Schließglied (37) in der Form eines Kugelseg­ ments,
  • - in den Ventilsitz (28) mündet zentrisch eine mit dem Druckmitteleinlaß (24) in Verbindung stehende Zuströmbohrung (29),
  • - das Schließglied (37) ist mit scharfkantigem Übergang an der Stirnseite eines zylindrischen Abschnitts (38) eines Stößels (20) ausgebildet,
  • - am Stößel (20) greifen ein schließend auf das Sitzventil (41) wirkender Magnetanker (19) und eine öffnend wirkende Rückstellfeder (22) an,
gekennzeichnet durch die weiteren Merkmale:
  • - der Dichtdurchmesser (D₂) des Ventilsitzes (28) hat wenig­ stens das 1,3-fache des Durchmessers (D₁) der Zuströmbohrung (29),
  • - der Kegelwinkel (α) des Ventilsitzes (28) beträgt höch­ stens 110°,
  • - die auf den Magnetanker (19) ausgeübte, auf das Schließ­ glied (37) übertragene Magnetkraft (FM) ist stufenlos verän­ derbar, wobei deren Verlauf mit zunehmendem Ventilöffnungs­ hub (H) monoton abfällt,
  • - die vom Druckmittel und der Rückstellfeder herrührende Kraft (Fp + FF) am Schließglied (37) weist einen mit zuneh­ mendem Ventilöffnungshub (H) monoton fallenden Verlauf auf, dessen Neigung betragsmäßig größer ist als diejenige des Ma­ gnetkraftverlaufs.
2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilsitz (28) im Bereich des Durchmessers (D₃) des Stö­ ßelabschnitts (38) scharfkantig frei ausläuft.
3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D₃) des Stößelabschnitts (38) wenigstens annä­ hernd dem Dichtdurchmesser (D₂) des Ventilsitzes (28) ent­ spricht.
DE19604315A 1996-02-07 1996-02-07 Elektromagnetisch betätigtes Ventil, insbesondere für hydraulische Bremsanlagen von Kraftfahrzeugen Withdrawn DE19604315A1 (de)

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