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Elektromagnetisches Steuerventil
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Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisches Steuerventil
zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von der elektrischen Belastung des Ventils veränderlichen
hydraulischen Druckes, insbesondere zur Erzeugung eines Arbeitsdruckes für ein automatisches
Kraftfahrzeuggetriebe, gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Elektromagnetisch betätigbare Steuerventile zur Erzeugung eines Druckmitteldruckes
sind an sich bekannt und werden beispielsweise bei Steuerungen von automatischen
Kraftfahrzeuggetrieben benötigt, bei denen mehr und mehr auf elektrische Signalverarbeitung
übergegangen wird. Da solche bekannten elektromagnetischen Steuerventile im allgemeinen
einen etwa scheibenförmigen Magnetanker aufwiesen, der mit einer Stirnseite der
elektromagnetischen Ringspule zusammenarbeitete, mußte dann, wenn mit diesen Ventilen
eine kontinuierliche Drucksteuerung unter Einstellung beliebiger Zwischenstellungen
zwischen den beiden Endstellungen vorgenommen werden sollte, eine entgegen der Schließrichtung
auf den Ventil körper einwirkende Federkraft vorgesehen werden. Dies war deshalb
erforderlich, weil die auf den Ventilkörper einwirkende elektromagnetische Schließkraft
bei dieser Magnetankerausführung mit kleiner werdendem Luftspalt überproportional
größer wird, so daß, wenn das Ventil aus einer seiner Endstellungen, das heißt der
geschlossenen oder der voll geöffneten Stellung, herausbewegt ist, es schlagartig
in die andere Endstellung überführt wird. Die Anbringung von Federn wie beispielsweise
bei den Ausführungen nach der DE-OS 24 03 770, dem DE-GM 80 29 580 oder
der
DE-PS 22 06 751 ergab jedoch entweder einen relativ großen Streubereich wegen der
Toleranzbereiche der Federn oder erforderte zusätzliche Maßnahmen zur Einstellung
der Federkräfte.
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Die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe besteht daher darin, ein
Steuerventil der im Oberbegriff angegebenen Art zu schaffen, bei dem diese Nachteile
vermieden werden.
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Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich gemäß dem Kennzeichen des Patentanspruchs
1. Dadurch, daß der Magnetanker als zentrisch in die Ringspule hineinragender zylindrischer
Weicheisenkern ausgebildet ist, bestehen nicht mehr die zuvor geschilderten Nachteile
eines scheibenförmigen Magnetankers im Hinblick auf die Abhängigkeit der elektromagnetischen
Schließkraft vom Luftspalt, so daß auf eine besondere Federrückstellung des Ventilkörpers
verzichtet werden kann. Damit wirken an dem Ventilkörper allein noch die elektromagnetische
Schließkraft und in entgegengesetzter Richtung der auf dem Ventilkörper ruhende
hydraulische Druck des Arbeitsmediums.
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Um die bei den bekannten Drucksteuerventilen vorgesehenen konischen
Dichtkörper, die nach längerer Betriebszeit infolge des ständigen Aufsetzens auf
die Dichtfläche Schaden nehmen können, zu vermeiden, soll gemäß dem Merkmal des
Anspruchs 2 der Ventil körper durch einen zum Druckraum hin offenen hohlzylinderförmigen
Schieberkolben gebildet sein, der als Steuerkanten wirkende Querbohrungen zur Verbindung
mit an dem Ventil sockel angeordneten Auslaßquerbohrungen aufweist.
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Weitere zweckmäßige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß
den übrigen Unteransprüchen.
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In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand von
Längsschnitten durch je ein erfindungsgemäßes elektromagnetisches Steuerventil dargestellt
und im folgenden näher erläutert. In der Figur 1 ist mit 1 insgesamt das elektromagnetische
Steuerventil bezeichnet, das zur Erzeugung eines in Abhängigkeit von einer elektrischen
Eingangsgröße veränderlichen hydraulischen Druckes dient, indem es den Abfluß von
Druckmittel aus einem Druckraum 5 steuert. Dieser Druckraum 5 ist in einem Gehäuse
2 angeordnet,
das beispielsweise das Schieberkastengehäuse einer
hydraulischen Steuerung eines Kraftfahrzeuggetriebes sein kann. Der Druckraum 5
steht über eine Drosselstelle 4 mit einer Druckmittelleitung 3 in Verbindung, die
zu einer hier nicht gezeigten Druckmittelquelle, beispielsweise einer hydraulischen
Pumpe, führt. Mit 6 ist eine Steuerdruckleitung angegeben, die von dem Druckraum
5 ausgeht und den von dem Steuerventil 1 erzeugten Druck zu hier nicht weiter gezeigten
Verbrauchern leitet. Dabei soll der Druck in einer bestimmten Abhängigkeit von einer
elektrischen Eingangsgröße, beispielsweise einer elektrischen Spannung oder einem
elektrischen Strom stehen, der der Feldwicklung der Ringspule 12 zugeführt wird.
Diese elektrische Eingangsgröße kann bei dem hier in Aussicht genommenen Anwendungsfall
für die Drucksteuerung eines automatischen Kraftfahrzeuggetriebes seinerseits abhängig
sein von den die Getriebesteuerung beeinflussenden Zustandsgrößen des Kraftfahrzeugs.
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Das Steuerventil 1 weist nun einen aus einem nichtmagnetisierbaren
Werkstoff bestehenden Ventilsockel 7 auf, der zusammen mit einem die Ringspule 12
aufnehmenden Spulengehäuse 11 auf hier nicht weiter gezeigte Weise auf dem Gehäuse
2 befestigt wird. Ein durch Umbiegen des Spulengehäuserandes 14 befestigbarer Gehäusedeckel
13, der ebenso wie das Spulengehäuse 11 aus einem Weicheisenwerkstoff besteht, deckt
die Ringspule 12 in der Zeichnung nach oben hin ab.
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Der Ventilsockel 7 weist eine zentrale Längsbohrung 8 mit seitlichen,
zu einem Auslaß führenden Querbohrungen 9 auf und ragt mit einer Führungshülse 10
zentral durch die Ringspule 12 hindurch.
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In der Längsbohrung 8 des Ventilsockels 7 sind der aus einem hohlzylindrischen
Schieberkolben 16 bestehende Ventilkörper und der mit diesem verbundene, aus einem
zylindrischen Weicheisenkern 15 bestehende Magnetanker verschiebbar gehalten, wobei
der Schieberkolben 16 mit einer Gleitpassung in der Längsbohrung 8 des Ventilsockels
7 geführt ist, während der zylindrische Weicheisenken 15 einen relativ großen radialen
Spalt 22 zu der umgebenden Führungshülse 10 einhält. Die Längsbohrung 8 ist nur
zur Seite des Druckraums 5 hin geöffnet, während auf der dem Druckraum abgewandten
Seite die Führungshülse 10 durch einen Deckel 26 verschlossen ist, der mit der Führungshülse
10
einstückig verbunden sein kann. In diesem Deckelteil 26 der Führungshülse
10 ist eine Längsbohrung 25 vorgesehen, in der ein als Führung für den zylindrischen
Weicheisenkern 15 dienender Zapfen 24 verschiebbar gehalten ist.
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Der Schleberkolben 16 weist eine zum Druckraum 5 hin offene Längsbohrung
17 sowie von dieser Längsbohrung abzweigende Querbohrungen 18 auf, die als Steuerkanten
zur Steuerung des in dem Druckraum 5 vorhandenen Druckes durch Verbindung der Längsbohrung
17 mit den Auslaßbohrungen 9 des Ventilsockels 7 zusammenwirken.
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Am oberen Ende der Längsbohrung 17 des Schieberkolbens 16 ist wenigstens
eine Querbohrung 21 vorgesehen, über die die Längsbohrung 17 bzw. der Druckraum
5 mit dem am Umfang des zylindrischen Weicheisenkerns 15 verbleibenden Ringspalt
22 verbunden ist. Der Ringspalt 22 steht seinerseits mit einem Druckausgleichsraum
23 in Verbindung, der auf der dem Schieberkolben 16 abgewandten Stirnseite des zylindrischen
Weicheisenkerns 15 vorgesehen ist.
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Die Verbindung zwischen dem Schieberkolben 16 und dem zylindrischen
Weicheisenkern 15 erfolgt bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel
über einen zentrischen Haltezapfen 19 des Schieberkolbens 16, der in eine entsprechende
zentrische Ausnehmung 20 des zylindrischen Weicheisenkerns 15 eingreift und dort
beispielsweise durch eine Hartlötung, Klebung oder dgl. festgelegt ist.
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Mit 27 ist in der Figur 1 noch ein Anschlag zur Begrenzung der Verstellbewegung
des Schieberkolbens 16 in Schließrichtung angedeutet, der dadurch gebildet wird,
daß die Längsbohrung 8 des Ventilsockels 7 etwas größer im Durchmesser als der Druckraum
5 ausgebildet ist, so daß eine als Anschlag für den Schieberkolben 16 wirksame Stufenfläche
entsteht.
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Die Ausführung nach der Figur 2, bei der für gleiche oder vergleichbare
Bauteile die gleichen, gegebenenfalls mit einem Strich versehenen Bezugszeichen
verwendet wurden, unterscheidet sich von derjenigen der Figur 1 u.a. dadurch, daß
der Weicheisenkern 15' als Hohlzylinder ausgebildet ist, der auf einem Haltezapfen
31 des Schieberkolbens 16' gehalten ist. Die Halterung könnte dabei lose sein, da
die an dem Ventilkörper angreifenden Kräfte,
nämlich die von der
Ringspule 12 auf den Weicheisenkern 15' ausgeübte Magnetkraft und die auf den Schieberkolben
ausgeübte hydraulische Druckkraft jeweils entgegengesetzt zueinander gerichtet sind
und jeweils über den als Anschlagschulter wirkenden Kolbenabsatz 29 des Schieberkolbens
16' zur gemeinsamen Verstellung beider Bauteile übertragen werden. Gegebenenfalls
könnte aber auch eine Festlegung des Weicheisenkerns 15' auf dem Haltezapfen 31
z.B.
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durch eine Verklebung oder Verlötung vorgesehen sein.
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Der Haltezapfen 31 läuft im übrigen in einen Führungszapfen 24' aus,
der in der Bohrung 25 des Deckels 26 der Führungshülse 10 gleitend gelagert ist,
wobei die Lagerstelle außerhalb des von der Ringspule aufgebauten Magnetfeldes liegen
sollte.
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Das die Ringspule 12 aufnehmende Spulengehäuse 11' weist bei der Ausführung
nach der Figur 2 einen geschlossenen Boden 33 auf und ist unter Zwischenlage eines
die Ringspule 12 nach unten abdeckenden Ringdeckels 32 auf dem Ventilsockel 7 gehalten.
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Der Schieberkolben 16' ist als massiver in der Bohrung 8 des Ventilsockels
7 gleitender Kolbenbund mit einer die Aufsteuerung der Auslaßquerbohrungen 9 bewirkenden
unteren stirnseitigen Steuerkante 28 ausgebildet und besitzt eine Bohrung 30 zur
Verbindung des Druckraums 5 mit dem den Weicheisenkern 15' umgebenden Ringspalt
22.
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Diese hier schräg verlaufende Bohrung 30 könnte natürlich auch durch
zwei sich kreuzende Längs- und Querbohrungen durch den Schieberkolben 16' ersetzt
werden. Als in Schließrichtung wirkender Anschlag für den Schieberkolben 16' dient
hier ein am unteren Ende vorgesehener an der Stirnfläche des Gehäuses 2 aufsetzender
Zapfen 34.
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In den Figuren 1 und 2 der Zeichnung ist das Steuerventil 1 bzw. 1'
jeweils in seiner im wesentlichen geschlossenen Stellung gezeigt, in der durch entsprechende
elektrische Beaufschlagung der Ringspule 12 der zylindrische Weicheisenkern 15 durch
das von der Ringspule aufgebaute Magnetfeld in den Ringspulenkern, das heißt in
der Zeichnung nach unten, gezogen wird. Dabei wird der mit dem zylindrischen Weicheisenkern
15 zur gemeinsamen Verstellung
verbundene Schieberkolben 16 in Ventilschließstellung
gebracht, in der seine Steuerkanten, d.h. die Querbohrungen 18 bzw. die Stirnkante
28 die Auslaßbohrungen 9 des Ventilsockels 7 versperren.
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Der von der Ringspule auf den Weicheisenkern ausgeübten elektromagnetischen
Schließkraft wirkt der in dem Druckraum 5 anstehende und auf den Schieberkolben
einwirkende Druck des hydraulischen Arbeitsmittels entgegen, der mit zunehmender
Vertellung des Schieberkolbens 16 in Richtung auf die Schließstellung wegen des
immer kleiner werdenden Druckmittelabflusses ansteigt.
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Zu jeder elektromagnetischen Schließkraft, die z.B. durch Veränderung
der der Ringspule zugeführten elektrischen Stromstärke variiert werden kann, gehört
eine Gleichgewichtsstellung des Schieberkolbens, in der die hydraulische Druckkraft
gerade so groß ist, wie die elektromagnetische Schließkraft. Als hydraulische Wirkfläche
ergibt sich dabei die Stirnfläche des in der Bohrung 25 gleitenden Führungszapfens
24, da aufgrund der Verbindung des Druckausgleichsraums 23 über den Ringspalt 22
und die Bohrungen 21, 17 bzw. 30 mit dem Druckraum 5 die übrigen Flächen des Ventilkörpers
ausgeglichen sind. Der Führungszapfen 24 dient damit zum einen als Führungselement
zur zentrischen Führung der aus dem zylindrischen Weicheisenkern 15 und dem Schieberkolben
16 bestehenden Baueinheit in der Führungshülse 10, zum anderen aber auch zur Festlegung
der Größe der hydraulischen Wirkfläche.
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Auch der Schieberkolben 16 erfüllt zwei Aufgaben, indem er zusammen
mit dem Führungszapfen 24 die aus dem Weicheisenkern 15 und dem Schieberkolben 16
bestehende Baueinheit in der Längsbohrung 8 führt und zentriert. Darüberhinaus steuert
der Schieberkolben mit seinen Steuerkanten die Verbindung des Druckraums 5 mit dem
Auslaß und damit die Höhe des Steuerdruckes.
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Da mit steigender elektrischer Belastung der Ringspule 12, das heißt
mit ansteigendem Strom oder ansteigender Spannung, die auf den zylindrischen Weicheisenkern
15 ausgeübte elektromagnetische Schließkraft zunimmt, ergibt sich in Abhängigkeit
von der Strombelastung der Ringspule 12 ein ansteigender Steuerdruck im Druckraum
5, der als Arbeitsdruck über die Druckleitung 6 den hier nicht gezeigten Verbrauchern
zugeführt wird. Dabei ergeben sich alle beliebigen Zwischenstellungen des Schieberkolbens
16 zwischen der in der Zeichnung gezeigten Schließstellung des Steuerventils 1 und
einer Offenstellung, in der der Druckraum 5 über die Steuerkanten des Schieberkolbens
16 im wesentlichen ohne Drosselung mit den Auslaßbohrungen 9 in Verbindung steht.
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Um dabei eine stabile Kennlinie des Magnetventils zu erhalten, soll
die relative Lage des Weicheisenkerns 15 auf dem Schieberkolben 16 bezüglich der
Ringspule 12 so getroffen sein, daß sich das Maximum der von der Ringspule bei konstanter
Strombeaufschlagung erzeugten Magnet kraft noch vor Erreichen der Schließstellung
des Ventils einstellt.
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Durch diese F-estlegung wird sichergestellt, daß die Schließstellung
des Ventils bei abfallender und nicht, wie dies bei anderer Gestaltung möglich wäre,
bei ansteigender Magnetkraft erreicht wird. Bei in der Schließstellung ansteigender
Magnet kraft müßte nämlich zur Öffnung des Ventils die Strombelastung der Ringspule
wesentlich reduziert werden, woraufhin das Ventil dann schlagartig in eine relativ
weite Offenstellung übergehen würde, sich also eine instabile Kennlinie ergeben
würde.
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Eine zur Einstellung des Ventils etwa erforderliche Änderung der relativen
Lage des Weicheisenkerns 15 bezüglich der Ringspule 12 kann z.B. durch Zwischenlegen
von Distanzscheiben zwischen den Weicheisenkern 15 und der Schulter des Schieberkolbens
16 bzw. durch Abdrehen der Schulter des Schieberkolbens erfolgen. Eine günstige
Lage wird sich etwa dann ergeben, wenn die in der Zeichnung untere Stirnfläche des
Weicheisenkerns in der in der Zeichnung gezeigten Schließstellung des Ventils knapp
oberhalb des unteren Randes der Ringspule steht.
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Bei der Anwendung des Steuerventils, beispielsweise in der Steuerung
eines automatischen Kraftfahrzeuggetriebes, könnte die elektrische Beaufschlagung
der Ringspule 12, die die Höhe des Steuerdruckes in dem Druckraum 5 bestimmt, in
Abhängigkeit von der Stellung des Fahrpedals des Fahrzeugs, beispielsweise über
ein Potentiometer, verändert werden. In der Steuerdruckleitung 6 steht dann ein
Druck an, der von der Stellung des Fahrpedals abhängig ist und kontinuierlich mit
der Fahrpedalstellung verändert wird.
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Wenn die die Verbindung zwischen dem Druckraum 5 und dem Ringspalt
22 bzw.
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dem Druckausgleichsraum 23 herstellende Bohrung 21 bzw. 30 gemäß einem
besonderen Vorschlag als Drosselbohrung ausgeführt ist, kann im übrigen eine wirkungsvolle
hydraulische Schwingungsdämpfung für die aus dem Schieberkolben 16 und dem zylindrischen
Weicheisenkern 15 bestehende in der Längsbohrung 8 des Ventilsockels 7 bzw. dessen
Führungshülse 10 hin- und hergleitende Baueinheit erzielt werden.
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