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Elektromagnetisches Steuerventil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Steuerventil
zur Ansteuerung eines von einem Druckmittel beaufschlagbaren Stellmotors gemäß dem
Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Zur Steuerung von druckmittelbeaufschlagten Stellmotoren sind elektromagnetische
Steuerventile dieser Art bekannt. Bei diesen wird durch getaktetes Ansteuern, d.h.
durch ständiges Öffnen und Schließen der Ventile, die Verstellung der Stellmotoren
bestimmt, wobei das Verhältnis der Öffnungszeiten zu den Schließzeiten ein Maß für
die Stellbewegung der Stellmotoren darstellen kann. Um möglichst hohe Stellgeschwindigkeiten
zu erreichen, werden dabei große Steuerquerschnitte der Ventile vorgesehen. Dies
bringt jedoch den Nachteil, daß, wenn kleinere Stellschritte des Stellmotors benötigt
werden, oft sehr kurze Puls zeiten herangezogen werden müßten, die in der Nähe der
Totzeit des Steuerventils liegen. Eine genaue und feinfühlige Steuerung des Stellmotors
ist dann aber in der Regel nicht mehr möglich.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe ist daher darin zu sehen,
ein elektromagnetisches Steuerventil der im Oberbegriff des Patentanspruchs angegebenen
Art zu schaffen, das einerseits hohe Stellgeschwindigkeiten des Stellmotors durch
große Steuerquerschnitte und andererseits auch kleine Stellgeschwindigkeiten zur
genauen und feinfühligen Steuerung des Stellmotors ermöglicht.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Dadurch, daß erfindungsgemäß wenigstens eine stabile mittlere Stellung des Steuerventils
mit einem zugeordneten definierten Teilsteuerquerschnitt vorgesehen ist, wird es
möglich, auch kleine Stellschritte des Stellmotors mit ausreichend hoher Genauigkeit
steuern zu können.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß
den Merkmalen der Unteransprüche.
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Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung anhand
schematischer Längsschnitte gezeigt und werden im folgenden näher erläutert.
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Das in der Figur 1 gezeigte und insgesamt mit 1 bezeichnete elektromagnetische
Steuerventil weist ein Gehäuse 2 mit einem darin verstellbar gehaltenen Ventilkörper
3 auf, der von einer ein elektromagnetisches Feld aufbauenden Spule 8 entgegen einer
Federanordnung 7, 10 in Öffnungsrichtung betätigbar ist.
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Der Ventilkörper 3 besteht dabei aus einem Ventilteller 4, der in
der mit unterbrochenen Linien angedeuteten Schließstellung zur dichten Anlage auf
einen Ventilsitz 13 gedrückt wird. Diese Stellung wird bei fehlender Öffnungskraft
der elektromagnetischen Spule 8 von der ersten Feder 7 bewirkt, wobei die Verbindung
zwischen einer Zuleitung 11 und einem mit einer hier nicht gezeigten Ableitung verbundenen
Ableitungsraum 12 unterbrochen ist. Die Ableitung führt dabei zu einem hier nicht
weiter gezeigten Stellmotor, dessen Stellung von der Menge des zugeführten Arbeitsmittels
abhängig ist. Dieser Stellmotor kann beispielsweise zur automatischen Steuerung
einer Kraftfahrzeugkupplung, darüberhinaus aber auch für viele andere Zwecke verwendet
werden.
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Mit strichpunktierten Linien ist eine zweite Stellung des Ventilkörpers
3 angedeutet, in der dieser vollständig von dem Ventilsitz 13 abgehoben ist und
die Verbindung zwischen der Zuleitung 11 und dem Ableitungsraum 12 vollständig freigegeben
ist. Bei derart vollständiger Öffnung des Steuerventils 1 sind sehr hohe Stellgeschwindigkeiten
des
angeschlossenen Stellmotors möglich.
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Mit ausgezogenen Linien ist noch eine dritte mittlere Stellung des
Ventilkörpers 3 angegeben, in der der Steuerquerschnitt zwischen der Zuleitung 11
und dem Ableitungsraum 12 nur zu einem fest vorgegebenen Teil geöffnet ist. Dabei
wird dieser Teilquerschnitt durch den mit 14 angegebenen Ringquerschnitt gebildet,
der zwischen dem Innendurchmesser des Ventilsitzes 13 und dem Außendurchmesser eines
an dem Ventilteller 4 angebrachten zylindrischen Ansatzes 5 verbleibt.
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Der Ansatz 5 ragt dabei in der mit ausgezogenen Linien gezeigten mittleren
Stellung des Ventilkörpers 3 in die Austrittsöffnung des Ventilsitzes 13 hinein,
während er bei der mit strichpunktierten Linien angedeuteten vollständig geöffneten
Stellung des Ventils von dem Ventilsitz abgehoben ist.
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Dieser mittleren Stellung des Ventilkörpers 3 ist eine mittlere Betätigungskraft
der elektromagnetischen Spule 8, die dann mit einer mittleren Stromstärke beaufschlagt
ist, zugeordnet. Zur definierten Festlegung ist darüberhinaus eine Federanordnung
mit einer geknickten Federkennlinie vorgesehen, wobei die mittlere Stellung des
Ventilkörpers gerade im Bereich des Knicks der Federkennlinie liegt. In dem hier
gezeigten Ausführungsbeispiel wird diese geknickte Federkennlinie durch zwei getrennte
Federn 7 und 10 gebildet, wobei die erste Feder 7 den Ventilteller 4 des Ventilkörpers
3 ständig in Schließrichtung belastet, während eine zweite Feder 10 erst von der
mittleren Stellung des Ventilkörpers 3 ab zur Wirkung kommt. Dies wird dadurch erreicht,
daß ein als Anker für die elektromagnetische Spule 8 dienendes zentrales Teil 6
des Ventilkörpers 3 in der mittleren Stellung des Ventils gegen eine von der zweiten
Feder 10 belastete Anschlagplatte 9 stößt, die in dieser Stellung durch einen gehäusefesten
Anschlag 15 festgelegt ist. Zur Verstellung aus dieser mittleren, mit ausgezogenen
Linien gezeigten Stellung des Ventilkörpers 3 in die mit strichpunktierten Linien
angedeutete volle Öffnungsstellung muß also eine sehr viel höhere Betätigungskraft
von der elektromagnetischen Spule 8 auf den Ventilkörper 3 ausgeübt werden, um beide
Federn 7 und 10 zu überwinden.
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Anstelle einer Federanordnung mit zwei getrennten Federn könnte auch
eine Federanordnung mit nur einer Feder, aber beispielsweise mit veränderlichem
Drahtquerschnitt, beispielsweise in der Form einer konischen oder Kegelstumpffeder,
vorgesehen sein. Wichtig ist dabei lediglich, daß die Federanordnung eine deutlich
geknickte Kennlinie zeigt, wobei der Knickpunkt die mittlere Stellung des Ventilkörpers
festlegt.
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Mit Hilfe des in der Zeichnung gezeigten zweistufigen elektromagnetischen
Ventils 1 läßt sich nun die Ansteuerung eines Stellmotors einerseits mit sehr großen
Stellgeschwindigkeiten, andererseits aber auch sehr feinfühlig und genau erreichen.
Sind dabei sehr schnelle Stellbewegungen des Stellmotors erforderlich, wie beispielsweise
bei der Verwendung eines Stellmotors zur Betätigung einer Kraftfahrzeugkupplung
im ersten Moment des Einrückens der Kupplung zur Überwindung des Leerweges, dann
wird zunächst die elektromagnetische Spule 8 des Ventils 1 mit sehr hohen Stromstärken,
vorzugsweise in getakteter Weise, beaufschlagt, wodurch der Ventilkörper 3 abwechselnd
zwischen der mit unterbrochenen Linien gezeigten Schließstellung und der mit strichpunktierten
Linien angedeuteten vollen Öffnungsstellung hin-und hergestellt wird.
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Soll dagegen nach dem ersten Zufassen der Kupplung der Einrückvorgang
der Kupplung feinfühlig und genau gesteuert werden, dann muß dies durch kleinere
Stellbewegungen des Stellmotors erreicht werden, wozu eine Ansteuerung des Stellmotors
über das Steuerventil 1 mit kleineren Steuerquerschnitten erfolgt. Diese Teilsteuerquerschnitte
werden dabei in der mittleren Stellung des Ventilkörpers 3 erreicht, in der zwischen
der Zuleitung 11 und dem Ableitungsraum 12 nur der Ringquerschnitt 14 geöffnet ist,
der in seiner Größe so abgestimmt werden kann, daß ausreichend kleine Stellschritte
des Stellmotors erreicht werden können. Die Festlegung des Teilsteuerquerschnitts
als Ringquerschnitt mit Hilfe des in die Austrittsöffnung des Ventilsitzes 13 hineinragenden
geradzylindrischen Ansatzes 5 des Ventiltellers 4 bringt im übrigen den Vorteil,
daß dieser Teilsteuerquerschnitt relativ unabhängig von dem Abstand des Ventiltellers
4 von dem Ventilsitz 13 ist, da der Ringquerschnitt auch bei Abweichungen
von
der in der Zeichnung gezeigten Mittelstellung konstant bleibt.
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Demgegenüber würde bei Fehlen des zylindrischen Ansatzes 5 die Größe
des Teilsteuerquerschnittes allein durch den Abstand zwischen dem Ventilteller 4
und dem Ventilsitz 13 bestimmt werden, wobei dieser Teilquerschnitt dann von der
Stellung des Ventilkörpers 3 abhängig wäre.
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Es sei besonders erwähnt, daß auch die Möglichkeit besteht, Ventile
mit mehreren stabilen mittleren Stellungen des Ventilkörpers 3 mit jeweils zugeordneten
unterschiedlichen Teilsteuerquerschnitten zu schaffen. Jeder Stellung des Ventilkörpers
3 müßte dann eine bestimmte elektromagnetische Feldstärke zugeordnet sein und zur
eindeutigen Festlegung der Stellungen wäre es dann zweckmäßig, die Federanordnung
mit einer entsprechend mehrfach geknickten Kennlinie zu versehen. Dabei wäre es
auch möglich, die Teilsteuerquerschnitte durch mehrere abgestufte zylindrische Ansätze
an dem Ventilteller 4 des Ventilkörpers 3 sicherzustellen.
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Wenn dagegen, wie dies ebenfalls vorgeschlagen wird, der Ansatz 5
eine konische Kontur erhält, dann kann mit einer entsprechenden stufenlos veränderlichen
Federkennlinie und einer kontinuierlichen Ansteuerung des elektromagnetischen Feldes
der Spule 8 eine stufenlose Variation des Steuerquerschnitts erreicht werden. Auch
dies kann für eine Stellmotoransteuerung vorteilhaft sein.
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Bei der Ausführung nach der Figur 2 weist das insgesamt mit 20 bezeichnete
elektromagnetische Steuerventil ein Gehäuse 21 mit einem darin verstellbar gehaltenen
Ventilkörper 23 auf, der aus zwei Teilventilkörpern 24 und 25 besteht. Diese beiden
Teilventilkörper 23 und 24 werden von einer ein elektromagnetisches Feld aufbauenden
Spule 28 entgegen der Wirkung der an den Teilventilkörpern 24, 25 angreifenden Federn
26, 27 in Öffnungsrichtung betätigt.
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Dabei ist der erste Ventilkörper 24 mit einer relativ kleinen Masse
ausgebildet und weist einen Ventilteller 34 sowie einen als Anker für die Spule
28 dienenden Stößel 35 auf, der in einer Führung 36 des Gehäuses 21 geführt ist.
Der Ventilteller 34 dieses ersten
Teilventilkörpers 24 wird von
der ersten Feder 26 belastet, die relativ weich ausgebildet ist.
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Der zweite Ventilkörper 25 ist demgegenüber ringscheibenförmig ausgebildet
und weist ein Scheibenglied 31 mit einem zum Anschlag an einem ringförmigen Vorsprung
38 des Gehäuses 21 ausgebildeten ringförmigen Bund 37 auf. Weiterhin besitzt das
Scheibenglied 31 eine zentrale Bohrung 33, die im Durchmesser wesentlich kleiner
ausgebildet ist als die Zuleitung 29, über die das Druckmittel zu dem elektromagnetischen
Steuerventil zugeführt wird. Dieser zweite Teilventilkörper 25 wird von einer zweiten
Feder 27 belastet, die wesentlich steifer als die erste Feder 26 ist.
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Während der zweite Teilventilkörper 25 von der zweiten Feder 27 zur
dichten Auflage auf den Ventilsitz 30 der Druckmittelzuleitung 29 gedrückt wird,
wird der Ventilteller 34 des ersten Teilventilkörpers 24 von der ersten Feder 26
gegen einen zweiten Ventilsitz 32 gedrückt, der an dem Scheibenglied 31 des zweiten
Teilventilkörpers 25 ausgebildet ist. Diese beiden Ventilsitze 30 und 33 bilden
dabei zwei Steuerquerschnitte unterschiedlicher Größe, von denen der von dem zweiten
Ventilsitz gebildete, im Querschnitt der Bohrung 33 entsprechende Steuerquerschnitt
als Teilsteuerquerschnitt zur Erzeugung kleiner Stellschritte des Stellmotors herangezogen
wird.
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In der Zeichnung ist das elektromagnetische Steuerventil in einer
Stellung gezeigt, bei der der erste Teilventilkörper 24 von der elektromagnetischen
Spule 28 entgegen der Wirkung der ersten Feder 26 aus seiner Schließstellung in
die Öffnungsstellung angehoben ist, so daß der Teilsteuerquerschnitt 33 geöffnet
ist. Das Druckmittel kann also über diesen Teilsteuerquerschnitt aus der Zuleitung
29 in den Raum 22 gelangen, von dem aus das Druckmittel auf hier nicht weiter gezeigte
Weise zu dem Stellmotor gelangen kann.
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Bei stärkerer Strombeaufschlagung der elektromagnetischen Spule 28
würde zusätzlich zu dem ersten Teilventilkörper 24 auch der zweite Teilventilkörper
25 entgegen der Wirkung der zweiten Feder 27 angehoben, wodurch dann der gesamte,
von dem ersten Ventilsitz 30
gebildete Steuerquerschnitt geöffnet
wird. Wie oben bereits angedeutet wurde, würde zweckmäßigerweise die Betätigung
dieser Teilventilkörper im Taktverfahren erfolgen, wobei die Ventilkörper abwechselnd
zwischen der-Schließstellung und der Öffnungsstellung hin-und hergestellt werden.
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Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Unterteilung des Ventilkörpers
in zwei Teilventilkörper besteht darin, daß zum Ansteuern des Teilsteuerquerschnitts
nicht mehr der gesamte Ventilkörper, sondern nur noch der in seiner Masse wesentlich
yerringerte erste Teilventilkörper 24 bewegt werden muß. Dadurch können relativ
große Hübe bei kleinen Totzeiten erreicht werden, wodurch die Genauigkeit der Ansteuerung
des Stellmotors wesentlich verbessert werden kann.
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Darüberhinaus kann daran gedacht werden, die elektromagnetische Spule
28 so auszulegen, daß sie bei Betätigung des zweiten Teilventilkörpers 25 in den
Überlastbereich gelangt, was, da dies nur kurzzeitig der Fall sein wird, durchaus
zulässig ist. Auf diese Weise kann auch die Totzeit des zweiten Teilventilkörpers
reduziert werden.
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Andererseits könnte auch daran gedacht werden, den beiden Teilventilkörpern
getrennte Spulen zuzuordnen, von denen eine erste den ersten Teilventilkörper und
eine zweite den zweiten Teilventilkörper mit entsprechend unterschiedlichen Strombeaufschlagungen
betätigt. Auch hierdurch kann erreicht werden, daß der erste Teilventilkörper außerordentlich
schnell betätigt werden kann, was besonders wichtig ist, um eine genaue und sehr
feinfühlige Steuerung des Stellmotors im Wege der Taktsteuerung erreichen zu können.
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Es sei noch darauf hingewiesen, daß abweichend von der in der Figur
2 gezeigten Ausführung der erste Teilventilkörper 24 auch einen in den zweiten Ventilsitz
32 hineinragenden Ansatz analog zur Ausführung nach der Figur 1 aufweisen könnte,
der in einer mittleren Stellung des ersten Teilventilkörpers zur Festlegung eines
noch kleineren Teilsteuerquersohnitts in einer Mittelstellung dienen könnte.