-
Elektromagnetisches Steuerventil
-
Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Steuerven--til
zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der elektrischen Berastung des Ventils veränderlichen
hydraulischen Druckes gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
-
Elektromagnetisch betätigbare Steuerventile zur Erzeugung eines Drucknitteldruckes
sind an sich bekannt und werden beispielsweise bei Steuerungen von automatischen
Kraftfahrzeuggetrieben benötigt, bei denen mehr und- mehr auf elektrische Signalverarbeltung
übergegangen wird. 3ei bekannten elektromagnetischen Steuerventilen, die den hydraulischen
Druck durch Beeinflussung des Druckmittelab--flusses aus einem Druckraum steuern,
wiesen diese Ventile im allgemeinen nur zwei Schaltstellungen, nämlich die offene
und die geschlossane- Stellung auf. Durch Takten dieser Ventile, das heißt durch
alternierendes Öffnen und Schließen der Ventile, wobei der Anteil der offenen bzw.
geschlossenen Stellung im Verhältnis zur gesamten Betriebszeit des Ventils beeinflußt
wurde, konnte dann eine Drucksteuerung in dem Druckræus vorgenommen werden Die Ventile
werden dabei jedoch großen Beiastungen auggesetzt, da sie ständig zwischen der offenen
und der geschlossenen Stellung hin- und hergeschaltet werden Eine Steuerung des
Ventils in der Weise, daß auch Zwischenstellungen zwischen den .beiden Endstellungen
e.rreicht und eingehalten werden, war bisher deshalb sicht möglich, weil die auf
auf den Ventilkörper
einwirkende elektromagnetische Schließkraft
mit kleiner werdendem Luftspalt überproportional größer wird, so daß, wenn das Ventil
erst aus einer Endstellung heraus bewegt ist, es schlagartig in die andere Endstellung
überführt wird.
-
Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht nun darin, ein
elektromagnetisches Steuerventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs genannten
Art zu schaffen, mit dem eine stabile Kennlinie erreichbar ist, das heißt dessen
Ventilkörper in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung jede mögliche Zwischenstellung
in dem Bereich zwischen den beiden Endpunkten der Verstellung einnehmen kann.
-
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Erfindungsgemäß soll also eine Feder vorgesehen werden, die zusammen mit dem.
Druckmittel druck der Wirkung des elektrischen Feldes entgegensteht. Die Federkraft
dieser Feder soll dabei zweckmäßigerweise so bemessen sein, daß sich eine an?.de:Nfltilkör
per wirkende resultierende Kraft ergibt, die über dex offnungsweg des Ventils einen
ansteigenden Verlauf aufweist.
-
Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemaß
J.den Unteransprüchen..
-
In der Zeichnung ist ein Ausführrngsbeispiel der Erfindung dargestellt,
das im folgenden näher erläutert wird. Dabei zeigen Figur 1 einen Längsschnitt durch
ein elektromagnetisches Steuerventil gemäß. der Erfindung und Figur 2 ein Diagramm
der an dem Ventilkörper des Ventils wirkenden Kräfte über dem Stellweg des Ventils.
-
In der Zeichnung ist mit 1 insgesamt das elektromagnetische Steuerven
til bezeichnet, das zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von einer elektrischen Eingangsgröße
veränderbaren hydraulischen Druckes dient, indem es den Abfluß aus einem Druckraum
2 steuert. Dieser Druckraum. 2
ist in der Zeichnung in einem Gehäuse
30 angeordnet und steht über eine Drosselstelle 4 mit einer Druckmittelleitung 3
in Verbindung, die zu einer hier nicht gezeigten Druckmittelquelle, beispielsweise
einer hydraulischen Pumpe, führt. Mit 5 ist eine Steuerdruckleitung angegeben, die
zu hier ebenfalls nicht gezeigten Verbrauchern führt. Der Druck dieser Steuerdruckleitung
wird durch das Ventil 1 gesteuert und soll in einer bestimmten Abhängigkeit von
eineroelektrischen Eingangsgröße, beispielsweise einer elektrischen Spannung oder
einem elektrischen Strom stehen, der der Feldwicklung 8 des elektromagnetischen
Steuerventils 1 zugeführt wird.
-
Das Steuerventil 1 weist ein aus einem Weicheisenwerkstoff bestehendes
Ventilgehäuse 6 mit einer Gehäusebohrung 7,auf, die mit einem Ende in den Druckraum
2 und mit dem anderen Ende in einen Aus daß raum 13 einmundet, derüberverschiedene
später noch erwähnte Verbindungsbohrungen mit dem Truckmittelvorratsbehälter verbunden
ist, also unter Atmosphärendruck steht. Zur Unterbrechung der Verbindung zwischen
dem Druckraum 2 und dem Auslaßraum 13 ist ein mit einem konischen Ventilsitz 11
versehener Ventilkörper 10 vorgesehen, der mit einem gehäusefesten Ventilsitzring
12 zusammenarbeitet.
-
Der Ventilkörper 10 weist eine in der Zeichnung nach oben gerichtete
Verlängerung 20 auf, auf der eine aus einem magnetisierbaren Werkstoff bestehende
Ankerscheibe 9 gehalten ist, die an ihrem dem Ventilkörper 10 abgewandten Ende eine
Anschlagnase 18 aufweist. Diese Anschlagnase 18 definiert einen maximalen Verstellweg
des Ventilkörpers 10 gegenüber einen in einer Ausnehmung 6a des Ventilgehauses 6
gehaLtenen Deckel 16 der an seinem äußeren Rand durch aus dem Gehäuse 6 sbge.b.ogena
Haltelappen 19 festgelegt werden kann.
-
Der Deckel 16 weist ebenso wie die Ankerscheibe 9 Durchgangsbohrungen
17 bzw. 15 auf, die eine Verbindung des Suslaßraums 13 mit der Außenatmosphäre herstellen.
-
Am Ende der Verlängerung 20 des Ventilkörpers 10 greift eine Feder
21 an, die hier als Blattfeder ausgebildet ist und zwischen an dem Deckel 16 angeordneten
Lagernocken 22 und einer auf einem Gewinde 24 der Ventilkörperverlängerung 20 aufgeschraubten
Mutter 23 eingespannt ist. Die Lagernocken 22 des Gehäusedeckels 16 ebenso wie Haltenocken
25 der Einstellschraube 23 weisen jeweils eine besondere gebogene Außenkontur auf,
die in Abhängigkeit von dem Verstellweg des Ventilkörpers 10, 20 unterschiedliche
Einspannabstände verursachen. Dadurch läßt sich eine bestimmte, beispielsweise progressive
Kennlinie für die Blattfeder 21 einstellen, was hier, wie später noch näher erläutert
wird, besonders zweckmäßig istv Mit 26 ist eine Einfräsung am oberen Ende der Ventilkörperverlängerung
20 angedeutet, die zum Festhalten bei der Einstellung der Mutter 23 dient.
-
Der Ventilkörper 10 weist auch nach der anderen Seite eine Verlängerung
33 auf mit einem an deren Ende angebrachten Führungskörper 32, der in der Gehäusebohrung
7 gleitet und so eine zentrische Fuurung des Ventilkörpers 10 bei seiner Verstellung
sichert. Um trotz dieses in der Gehäusebohrung 7 gleitenden Führungskörpers 32 einen
Druck mitteldurchtritt durch die Gehäusebohrung 7 zu ermöglichen, sind bei dem in
der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiel Längsnuten 34 vorgesehen, die das Druckmittel
an dem Führungskörper 32 vorbeileiten. Anstelle dieser- gehäuseseitigen Längsnuten
könnten auch in dem Führungskörper durchgehende Ausnehmungen angebracht sein, die
den Ventilquerschnitt mit dem Druckraum 2 verbinden, Das gesamte Steuerventil 1
wird mittels eines Flansches 27, der auf einem Gehäuseabsatz 35 zur Anlage kommt,
und mittela über den Umfang verteilten Befestigungsschrauben 28, die in Gewindebohrungen
29 des Gehäuses 30 ein eingreifen, befestigt,. wobei zur AbdSchtung des in den Druckraunr
2 hineinreichenden Ventilgehäuseansatzes 36 Dichtungen 31 vorgesehen sind.
-
In der Zeichnung ist das Steuerventil 1 in seiner geschlossenen Stellung
gezeigt, in der durch entsprechende elektrische BeauSschlagung der Feldwicklung
8 die Ankerscheibe 9 durch das aufgebauteMagnetfeld angezogen ist. Dabei drückt
die auf der Verlängerung 20 des
Ventilkörpers 10 gelagerte Ankerscheibe
9 auf den Absatz 14 des Ventilkörpers und drückt diesen mit seiner konischen Dichtfläche
11 auf den Ventilsitzring 12, so daß die Verbindung zwischen dem Druckraum 2 und
dem mit der Atmosphäre verbundenen Auslaßraum 13 unterbrochen ist. Der Druck in
dem Druckraum 2 und damit in der Steuerdruckleitung 5 kann so den höchstmöglichen,
durch den Druck in der- Druckmittelzuleitung 3 vorgegebenen Druck annehmen. Dieser
Steuerdruck wirkt dabei auch auf dem Ventilkörper 10 und zwar auf den der Ventilsitzfläche
entsprechenden Querschnitt. In gleicher Richtung-wie der Steuerdruck,nämlich in
Ventilöffnungsrichtung, wirkt die Federkraft der Feder 21.
-
3ei einer Reduzierung der Stromstärke bzw. der in dem elektrischen
Feld 8 wirkenden Spannung nimmt die elektromagnetische, auf die Ankerscheibe 9 einwirkende
Kraft ab und es kann zu einer Verstellung des Ventils in Öffnungsrichtung kommen,
bis schließlich die Anschlagnase i& der Ankerscheibe 9 an dem. Ventilgehäusedeckel
16 zur Anlage kommt und folglich daa Ventil t voll geöffnet ist. Aus dieser Erläuterung
geht schon hervort daß die Ankerscheibe 9 gegenüber dem Ventilgehäusemante frei
veratellbar sein muß, r also einen genügenden, radialen Spalt aufweisen muß und
daß auch dia Ventilkörperverlängerung 20 frei in einer Durchgangsbohrung 37 des
Gehäusedeckels 16 verschiebbar sein muß.
-
In der Figur 2 ist nun ein Diagramm der an dem Ventilkörper 10 des
elektromagnetischen Steuerventils 1 wirkenden Kräfte über dem Stellweg des ?ent'ilkörpers
dargestellt. Dabei ist mit der Kurve 40 der Verlauf. der in der elektrischen Feldwicklung
8 erzeugten magnetischen Drift bei voller elektrischer- Belastung angegeben. Die
mit unterbrochenen Linien eingetragenen Kurven 40a und 40b zeigen dagegen den Verlauf
der elektromagnetischen Kräfte bei reduzierter elektrischer Belastung Mit 41 ist
der Verlauf der den elektromagnetischen Kräften entgegengerichteten Kräfte angedeutet.
Diese setzen sich aus der Kraft der Feder 21 und der von dem jeweiligen Steuerdruck
auf die Dichtfläche des Ventilkörpers ausgeübten Druckkraft zusammen.
-
Der Verlauf dieses Linienzuges 41 sollte dabei so sein, daß er ausgehend
von einem Wert etwa 0 bei maximaler Luftspalt, also voll geöffnetem Ventil, progressiv
bis zu einem Wert ansteigt, der etwa der
maximalen magnetischen
Schließkraft bei voll geschlossenem Ventil entspricht. Aus den beiden Kurvenzügen
40 und 41 ergibt sich dann durch einfache Sub.traktion der Kurven 42, der den Verlauf
der an dem Ventilkörper 10 wirkenden resultierenden Kraft wiedergibt. Die Resultierende
steigt dabei ausgehend von dem geschlossenen Zustand (Stellweg O) bis zum maximalen
Luftspalt stetig an.
-
Um diesen Verlauf zu erreichen, muß, da die aus dem auf den Ventilkorper
einwirkenden Steuerdruck resultierende Druckkraft einen etwa linearen Verlauf aufweist,
die Kennlinie der an dem Ventilkörper angreifenden Feder 21 entsprechend, nämlich
progressiv gewählt werden. Auch muß diese Feder relativ steif sein, um auf verhältnismäßig
kurzem Wege eine große Kraftwi,rkung zu erzielen.
-
Hierfür eignet sich vor allem eine BlattSeder, der z.B. durch passende
Ausgestaltung der Auflagerelemente, hier der Auflagernocken 22 und 25, eine gezielte
Progressivität durch Veränderung des Auflagerabstandes in Abhängigkeit von dem Verstellweg
eingeprägt wird.
-
Der stetig ansteigende Verlauf der Kurve 42 der Resultierenden aller
an dem Ventilkörper 10 angreifenden Kräfte ist Voraussetzung dafür, daß jede mögliche
Stellung zwischen den beiden Endstellungen des Ventils durch entsprechende elektrische
Ansteuerung der Feldwicklung erreichbar ist und stabil eingehalten werden kann.
-
Zwischenstellungen ergeben sich immer dann, wenn ein Gleichgewicht
zwischen den an dem Ventilkörper angreifenden Kräften herrscht.
-
Solche Gleichgewichts stellungen ergeben sich bei voller Strombeaufschlagung
der Feldwicklung. 8 nur im geschlossenen Zustand des. Ventils, bei redozierter Strombeaufschlagung
entsprechend dem Linienzug 40a etwa im Punkt 43 mit dem zugeordneten Stellweg des
Ventils 843, bei weiter reduzierter elektrischer Belastung entsprechend dem Kurvenzug
40b etwa im Punkt 44 mit dem zugeordneten Stellweg s44 und schließlich bei Abschaltung
der Strombeaufschlagung der Feldwicklung 8 im voll geöffneten Zustand des Ventils,
also bei maximalem Luftspalt.
-
Durch entsprechende Ansteuerung der elektromagnetischen Feldwicklung
8 können also alle beliebigen Stellungen des Ventilkörpers 10 eingestellt werden.
Dauer jeder Stellung des Ventilkörpers ein bestimmter Öffnungsquerschnitt für den
Auslaß des Druckmittels aus dem Druckraum 2 in den Auslaßraum 13 zugeordnet ist,
ergibt sich zu jeder Ventilstellung ein anderer Druckwert im Druckraum 2, so daß
letztlich der Druck über die elektrische Strosubzw. Spannungeb eaufs ohlagung der
Feldwicklung 8 geateuert werden kann. Bei der Anwendung beispielsweise in der Steuerung
eines automatischen Kraftfahrzeuggetriebes kann dabei die elektrische BeauSschlagung
der elektromagnetischen Feldwicklung 8 in Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals
des Fahrzeugs, beispielsweise über ein Potentiometer, verändert werden. In der Steuerdruckleitung
5 würde dann ein Druck anstehen, der letztendlich von der Stellung des Fahrpedals
abhängig ist.