DE19834786C2 - Elektromagnetisches Wegesitzventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Wegesitzven­ til gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Ein solches Wegesitzventil ist z. B. aus US 5,135,027 A bekannt.

Unter einem Wegesitzventil versteht man ein Ventil, dessen Dichtelement einen Weg durchläuft und axial angeordnete Ventilsitze abdichtet. Es ist bestimmt durch die Anzahl der vorhandenen Anschlüsse und Schaltstellungen. Bei den Wegesitzventilen bezeichnet die erste Ziffer die Anzahl der Anschlüsse, während die zweite Ziffer die Anzahl der Schalt­ stellungen kennzeichnet.

Ein 3/2-Wegesitzventil wird u. a. zur Verdeckverstellung in Cabrios eingesetzt. Diese 3/2-Wegesitzventile haben drei Anschlüsse, nämlich einen P-Anschluß (Pumpe), einen T-An­ schluß (Tank) und einen A-Anschluß (Arbeitszylinder). Des Weiteren weist ein solches Ventil einen Ventilraum mit einem Dichtelement - i a. eine Dichtkugel - auf, welches jeweils in einem von zwei gegenüberliegenden Ventilsitzen zur Anlage kommen kann, so daß entweder eine Ventil-Offen-Stellung oder eine Ventil-Geschlossen-Stellung realisiert ist.

Einer der beiden gegenüberliegenden Ventilsitze ist ein so­ genannter P-Sitz, der am Übergang zwischen P-Anschluß und Ventilraum sitzt, und der andere Ventilsitz wird als T-Ven­ tilsitz bezeichnet und liegt am Übergang vom Ventilraum zum T-Anschluß. Die Dichtkugel steht mit einem Stößel, der von einer Druckfeder umgeben ist, in Wirkverbindung. Der auf die Dichtkugel wirkende Pumpendruck wirkt hierbei gegen die Fe­ derkraft der Druckfeder. Zusätzlich ist der Stößel von einer Erregerspule eines Elektromagneten umgeben, um bei Bestro­ mung der Erregerspule eine magnetische Zugkraft auf den Stö­ ßel auszuüben.

Die Problematik eines solchen 3/2-Wegesitzventils besteht darin, daß die T-Ventilsitzfläche A₂ aufgrund des durch den T-Ventilsitz hindurchgreifenden Stößels größer sein muß als die P-Ventilsitzfläche A₁, sofern die Durchlaßquerschnitte am P- und T-Sitz gleich sein sollen.

Dies wiederum erfordert eine große Federkraft im T-Sitz um den T-Sitz nach Abschaltung der Erregerspule gegen den Pum­ pendruck wieder zu öffnen.

Dies führte dazu, daß die Hubarbeit des Elektromagneten ent­ sprechend groß ausgelegt werden musste.

Des Weiteren sind Druckfedern mit der erforderlichen hohen Federkonstante toleranzmäßig schwer beherrschbar.

Die Erfindung hat zum Ziel, ein 3/2-Wegesitzventil anzugeben, welches mit einer kleinen Federkonstante auskommt und dessen Elektromagnet mit einer geringeren Hubarbeit betrie­ ben werden kann.

Diese Aufgabe wird durch ein 3/2-Magnetsitzventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Das Wegesitzventil nach der Erfindung wird nachfolgend an­ hand des Ausführungsbeispieles eines 3/2-Wegesitzventiles im Zusammenhang mit Figuren näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Ein Prinzipskizze-Ausführungsbeispiel eines elek­ tromagentischen 3/2-Wegesitzventils mit A-Druck­ kompensation nach der Erfindung,

Fig. 2 ein Schnittbild durch ein konkretes 3/2-Wegesitz­ ventil nach Fig. 1,

Fig. 3 ein Kräftediagramm des in Fig. 1 dargestellten 3/2-Wegesitzventils, und

Fig. 4 eine Tabelle der Kraftverhältnisse am T-Sitz des 3/2-Wegesitzventils von Fig. 2 bei unterschiedli­ chen Pumpendrücken.

In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.

In Fig. 1 ist das Prinzipschaltbild eines 3/2-Wegesitzventils nach der Erfindung dargestellt. Das Ventil weist einen Ventilraum 10 auf, der mit drei Anschlüssen P, A und T in Verbindung steht. Im Ventilraum selbst sitzt ein Dichtele­ ment, das vorliegend als Dichtkugel 22 ausgebildet ist.

Über den Anschluß P wird Druckmittel von z. B. bis zu 200 bar an den Ventilraum zugeführt. Der Anschluß A steht mit einem Arbeitszylinderraum in Verbindung und der Anschluß T mit einem Druckmitteltank.

Der Ventilraum 10 weist zwei gegenüberliegende Ventilsitze auf, nämlich einen unteren zum Anschluß P gewandten, soge­ nannten P-Ventilsitz und einen oberen sogenannten T-Ventil­ sitz. Die Dichtfläche des P-Ventilsitzes ist mit A1 bezeich­ net und die Dichtfläche des T-Ventilsitzes mit A2. Im dar­ gestellten Zustand des Wegesitzventiles von Fig. 1 sitzt die Dichtkugel im P-Ventilsitz 12 und dichtet folglich diesen ab, so daß der Anschluß A mit dem Anschluß T in Verbindung steht. In der strichlierten Darstellung dagegen liegt die Dichtkugel im T-Ventilsitz 14, so daß der P-Anschluß mit dem A-Anschluß verbunden ist.

Auf die Dichtkugel 22 wirkt eine Stößelanordnung mit einem ersten Stößel 20 und einem zweiten Stößel 50, der von einer Druckfeder 24 umgeben ist. Die Druckfeder 24 ist dabei so abgestützt, daß die Dichtkugel 22 in Richtung P-Anschluß gedrückt wird. Um die Stößelanordnung 20, 50 und die Druckfeder 24 ist eine Erregerspule 26 eines Elektromagneten gewickelt, welche bei Bestromung eine Magnetkraft erzeugt, die der Federkraft entgegengesetzt ist. Der erste Stößel 20 weist eine Querschnittsfläche A3 auf. Erfindungsgemäß steht der A-Anschluß mit der Kompensationsfläche A3, also der der Dichtkugel abgewandten Stößelfläche in Wirkverbindung, um eine Druckkompensation zu bewirken, wenn der P-Ventilsitz geschlossen ist.

Dies wird nachfolgend anhand eines Schnittbildes durch ein realisiertes elektromagnetisches 3/2-Wegesitzventil weiter erläutert.

In Fig. 2 ist koaxial zu einer Mittenachse X ein hohlzylin­ drisches Rohr 30 angeordnet, welches in etwa mittig über die halbe Länge von einem Ankerkolben 35 umgeben ist. Dieser Ankerkolben ist axialbeweglich angeordnet und stützt sich auf zwei am Rohr beabstandet zueinander angeordneten DU- Buchsen 31 ab. An seinem oberen Ende ist das Rohr 30 von einem Polstück 33 umgeben. Zwischen dem Rohr 30 und einer Ausnehmung des Ankerkolbens ist eine Druckfeder 24 angeord­ net, die sich unten an der Lagerbuchse 31 und oben an der Außenwandung des Polstückes 33 abstützt.

Zusätzlich ist das Polstück 33 seitlich versetzt zur Mitten­ achse X mit einer parallel zur Mittenachse X verlaufenden Bohrung versehen. Durch diese Bohrung ragt ein Stößel 20, welcher mit seiner oberen freien Fläche, die den Querschnitt A3 aufweist, in einen Hohlraum ragt, welcher durch einen topfartigen Abschlußdeckel 41, der auf dem Polstück 33 auf­ sitzt, gebildet ist. Der Hohlraum ist mit dem Bezugszeichen 34 bezeichnet.

Koaxial um das Rohr 30, den Ankerkolben 35 und die Druckfe­ der 24 ist ein Spulenkörper 28 mit aufgewickelter Erreger­ spule 26 angeordnet. Die Erregerspule 26 steht mit einem elektrischen Anschluß 60 in Kontakt.

Das untere Ende des hohlzylindrischen Rohres 30 ist mit einem Ventilraum 10 in Verbindung. Dieser Ventilraum 10 sitzt in axialer Verlängerung des zweiten Stößels 50 und beinhaltet eine Dichtkugel 22. Der Ventilraum 10 weist dem Ankerkolben 35 zugewandt einen T-Ventilsitz 14 mit dem Querschnitt A2 und gegenüberliegend den P-Ventilsitz 12 mit dem Querschnitt A1 auf. Zwischen der Unterseite des Ankerkolbens 35 und der Dichtkugel ist der zweite Stößel 50 angeordnet, der bei Bewegung des Ankerkolbens 35 nach unten die Dichtkugel gegen den P-Ventilsitz 12 drücken kann. Der erste Stößel 20, der Ankerkolben 35 und der zweite Stößel 50 sowie die Dichtkugel 22 sind hierbei lose zueinander angeordnet. Im bestromten Zustand befindet sich der zweite Stößel 50 hinter dem T-Ventilsitz, so daß das Dichtelement 22 den T-Ventilsitz sicher schließt.

In axialer Verlängerung zum zweiten Stößel 50 ist gegenüberliegend zur Dichtkugel 22 der P-Anschluß für den Pumpendruck angeordnet. Orthogonal hierzu ist der A-Anschluß in Richtung Ventilraum 10 vorgesehen. Schließlich befindet sich der T-Anschluß parallel zum A-Anschluß in Richtung Ankerkolben 35 nach oben versetzt. Dieser T-Anschluß ist mit dem T-Ventilsitz dadurch durch einen annähernd kleeblattförmigen Hohlkanal 52, in welchem der Stößel 50 geführt wird, verbunden.

Die Wirkungsweise dieses 3/2-Wegesitzventils ist folgende.

Wenn die Dichtkugel 22 im P-Ventilsitz 12 liegt, ist der Druck am A-Anschluß praktisch Null. Es ist folglich keiner­ lei Druckkompensation vorhanden.

Um den P-Ventilsitz zu öffnen muß der Magnet lediglich die Federkraft, vermindert um die auf das Dichtelement wirkende Druckkraft, überwinden (siehe Fig. 3 ⇒ erforderliche Magnet­ kraft mit A-Kompensation).

Der Magnet schaltet durch bis der Ankerkolben 35 am Polstück 33 luftspaltlos (s = 0) anliegt.

In dieser Hubstellung besitzt der Magnet eine große Halte­ kraft.

Nachdem der Magnet voll durchgeschaltet hat, ist der T-Ven­ tilsitz geschlossen. Jetzt baut sich in der A-Leitung ein Druck auf, welcher im stationären Zustand dem Pumpendruck entspricht (z. B. 200 bar).

Dieser Druck gelangt über das hohlzylindrische Rohr 32 auf die obere Fläche A3 des ersten Stößels 20 und bildet die sog. A-Kompensationskraft.

Die A-Kompensationskraft und die Federkraft werden vom Magnet bei s = 0 (s. Fig. 3) problemlos gehalten.

Wird die Erregerspule 26 entstromt, dann drückt die A-Kom­ pensationskraft sowie die Federkraft über den zweiten Stößel 50 auf das Dichtelelement 22 im T-Ventilsitz.

Die A-Kompensationskraft ist dabei so dimensioniert, daß genügend Kraftüberschuß vorhanden ist, um den T-Ventilsitz gegen die hydraulische Zuhaltekraft zu öffnen.

Die in Fig. 2 gezeigte A-Druckkompensation hat den Vorteil, daß der Elektromagnet nur gegen die vorgespannte Druckfeder 24, welche den geforderten Ventilabhebedruck garantiert, anziehen muß. Um die Hubarbeit des Magneten möglichst klein zu halten, wird deshalb eine verhältnismäßig kleine Feder­ konstante der Druckfeder 24 gewählt.

Die erforderliche Kraft zum Öffnen des T-Ventilsitzes wird durch die A-Druckkompensationskraft erzeugt. Da sich diese Kraft erst aufbaut, nachdem der Elektromagnet voll durch­ geschaltet hat, muß sie vom Magnet nicht überwunden werden.

Die Öffnungskräfte am T-Ventilsitz (Federkraft plus A-Kom­ pensationskraft) werden vom Magnet in Feldschlußstellung gehalten, daß heißt also, wenn der Luftspalt zwischen Pol­ stück 33 und Ankerkolben 35 Null ist.

Die Kräfteverhältnisse des in Fig. 2 gezeigten 3/2-Wegesitz­ ventiles sind in dem Diagramm von Fig. 3 detailliert anhand konkreter Bemassungen angegeben. Es ist deutlich die redu­ zierte Magnetkraft erkennbar, um die Dichtkugel 22 vom T- Ventilsitz 14 in den P-Ventilsitz 12 zu bringen.

In Fig. 4 ist eine Tabelle gezeigt, aus welcher in Abhängig­ keit von verschiedenen Pumpendrücken die Kräfte am T-Ventil­ sitz angegeben sind. Im Einzelnen sind angegeben die durch den Pumpendruck bewirkte Zudrückkraft, die zugehörende A- Kompensationskraft, die den T-Ventilsitz aufdrückende Feder­ kraft der Druckfeder 24 und die überschüssige Kraft für das Aufhalten. Diese überschüssige Kraft ergibt sich aus der Summe der A-Kompensationskraft und der Federkraft abzüglich der durch den Pumpendruck bedingten hydraulischen Zuhalte­ kraft.

Es ist klar zu erkennen, daß selbst bei geringen Pumpendrüc­ ken die Funktion des Wegeventils nicht beeinträchtigt ist. Je geringer der Druck in der Leitung des Anschlusses A ist, desto größer ist tatsächlich die Überschußkraft zum Öffnen des T-Sitzes.

Bezugszeichenliste

10

Ventilraum

12

P-Ventilsitz

14

T-Ventilsitz

20

erster Stößel

22

Dichtelement

24

Druckfeder

26

Erregerspule

30

hohlzylindrisches Rohr

31

Du-Buchsen

32

Hohlraumkanal

33

Polstück

34

Hohlraum

35

Ankerkolben

40

Dichtungselemente

41

Abschlußdeckel

43

Zwischenkanal

50

zweiter Stößel

52

Hohlkanal

60

Anschluß
A1 Fläche
A2 Fläche
A3 Fläche
A Anschluß
T Anschluß
P Anschluß
W Wirkverbindung
X Mittenachse

Claims (8)

1. Elektromagnetisches Wegesitzventil mit den Merkmalen:

• a) einen zwei gegenüberliegende Ventilsitze (T-Ventilsitz 14, P-Ventilsitz 12) aufweisenden Ventilraum (10), welcher mit einem P-Anschluß für einen Pumpendruck, einem A-Anschluß für einen Arbeitszylinderraum und einem T-Anschluß für einen Druckmitteltank in Verbindung steht,
• b) der Ventilraum (10) weist ein Dichtelement (22) auf, durch welches abwechselnd einer der beiden Ventilsitze (T- Ventilsitz 14, P-Ventilsitz 12) verschließbar ist,
• c) eine auf das Dichtelement (22) wirkende Stößelanordnung (20, 50), durch welchen Kraft auf das Dichtelement (22) in Richtung des dem P-Anschluß zugewandten Ventilsitzes (P- Ventilsitz 12) ausübbar ist,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

• a) der A-Anschluß steht bei geschlossenem T-Ventilsitz (14) und bei offenem P-Ventilsitz (12) über die Stößelanordnung (20, 50) mit dem Dichtelement (22) in hydraulischer Wirkver­ bindung zur Erzielung einer Druckkompensation mittels einer zusätzlichen Kraftkomponente, die in Richtung des dem P- Anschluß zugewandten Ventilsitzes (P-Ventilsitz 12) gerich­ tet ist, und
• b) die Querschnittsfläche (A1) des P-Ventilsitzes (12) ist kleiner als die Querschnittsfläche (A2) des T-Ventilsitzes (14).

2. Wegesitzventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein koaxial zu einer Mittenachse (X) des Wegesitzventils angeordnetes, hohlzylindrisches Rohr (30) vorgesehen ist, welches an sei­ nem einen Ende direkt oder über einen Zwischenkanal (43) mit dem Ventilraum (10) in Verbindung steht, und mit seinem an­ deren Ende in einen Hohlraum (34) ragt, und daß in diesen Hohlraum (34) die freie Fläche eines Stößels (20) der Stößelanordnung (20, 50) ragt.

3. Wegesitzventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (20) auf eine Stirnfläche eines um das Rohr (30) herum an­ geordneten Ankerkolbens (35) drückt, und daß eine gegenüber­ liegende Stirnfläche des Ankerkolbens (35) auf den Stößel (50) drückt, welcher mit seinem freien Ende in den Ventilraum (10) zur Betätigung des Dichtelementes (22) ragt.

4. Wegesitzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Dicht­ element (22) eine Dichtkugel ist.

5. Wegesitzventil nach einem der Ansprüche 3 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Ankerkolben (35) und hohlzylindrischem Rohr (30) eine Druckfeder (24) angeordnet ist.

6. Wegesitzventil nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Stößelanordnung (20, 50) in einem mindestens annähernd kleeblattförmigen Hohlkanal (52) geführt ist, wobei der kleeblattförmige Hohlkanal (52) bei geöffnetem T-Ventilsitz (14) den Durchfluß vom A-Anschluß zum T-Anschluß sicherstellt.

7. Wegesitzventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Wege­ sitzventil ein 3/2-Wegesitzventil ist.

8. Wegesitzventil nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die im Wege­ sitzventil eingesetzte Druckfeder (24) vorgespannt ist.