DE4237087A1 - Magnetventil mit progressiver Rückstellfeder - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Magnetventil mit einem durch einen Elektromagnet gegen die Kraft einer Rückstellfeder von einer Ruhestellung um einen Ventilhub in eine Arbeitsstellung beweglichen Ventilelement, wobei der Elektromagnet eine Magnetkraft-Kennlinie besitzt, die aus­ gehend von der Ruhestellung von einem Minimalwert in Rich­ tung der Arbeitsstellung überproportional ansteigt.

Derartige Magnetventile sind allgemein bekannt. Nachteilig hierbei ist die zwangsläufig (konstruktionsbedingt) auftre­ tende Tatsache, daß ein Elektromagnet grundsätzlich bei Beginn seines Arbeitshubes nur eine vergleichsweise geringe Magnetkraft erzeugt, die dann aber über den Arbeitshub überproportional ansteigt. Der Magnet muß daher in Anpas­ sung an den Verlauf der ventilspezifischen, zur Betätigung des Ventilelementes erforderlichen Gesamt-Ventilkraft (Verschiebekraft) derart ausgelegt werden, daß die Magnet­ kraft im Hubbeginn jedenfalls die dann vorhandene bzw. er­ forderliche Ventilkraft zumindest geringfügig übersteigt.

Dies führt aber dazu, daß sehr große, schwere und damit auch kostenaufwendige Magnete eingesetzt werden müssen, die dann für den Hubbeginn zwar "richtig", für den weiteren Hub in Richtung der Arbeitsstellung des Ventils aber eigentlich zu stark ausgelegt und damit an sich überdimensioniert sind. Ein kleinerer und damit schwächerer Magnet könnte aber deshalb nicht verwendet werden, weil dieser dann die Ventilkraft bei Hubbeginn nicht überwinden könnte.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrun­ de, ein Magnetventil zu schaffen, welches mit einem beson­ ders leichten, kompakten und damit preiswerten Elektroma­ gneten unter allen Betriebsbedingungen funktionssicher betätigt werden kann.

Erfindungsgemäß wird dies dadurch erreicht, daß die Rück­ stellfeder eine Federkraft-Kennlinie mit einem bezüglich der Steigung zumindest angenähert an die überproportional ansteigende Magnetkraft-Kennlinie angepaßten, in Richtung der Arbeitsstellung progressiv ansteigenden Verlauf auf­ weist. Dies bedeutet, daß die Kennlinien der Magnetkraft und der erfindungsgemäßen Rückstellfeder zumindest annä­ hernd einen "quasi-parallelen" Verlaufaufweisen, d. h. sie verlaufen im Kräftediagramm (Kraft auf der Ordinate in Abhängigkeit vom Ventilhub auf der Abszisse) mit jeweils annähernd gleichbleibendem Abstand "übereinander".

Durch diese erfindungsgemäße Maßnahme kann die Rückstell­ feder vorteilhafterweise so ausgelegt werden, daß ihre Federkraft-Kennlinie in einem zwischen der Ruhestellung und einer bestimmten Auslegungshubstellung liegenden Bereich des Ventilhubes unterhalb einer konstanten, ventilspezifi­ schen, sich im wesentlichen aus Reibungs- und Gewichtskräf­ ten zusammensetzenden Betätigungskraft des Ventilelementes liegt. Dabei gilt dann in dieser bestimmten Auslegungs­ hubstellung, daß die Federkraft gleich der Betätigungskraft ist. Nur zwischen der Auslegungshubstellung und der Ar­ beitsstellung des Ventils ist die Federkraft jeweils größer als die ventilspezifische Betätigungskraft. Somit ist zwar bei einer federkraftbedingten Bewegung des Ventilelementes von der Arbeitsstellung in die Ruhestellung eigentlich ab der Auslegungshubstellung die Federkraft zu gering, um die Betätigungskraft zu überwinden, jedoch wird dieser "Rest­ hub" von der Auslegungshubstellung in Richtung der Ruhe­ stellung vorteilhafterweise dennoch dadurch zurückgelegt, daß die überproportional und eigentlich unnötig stark an­ steigende Magnetkraft durch die erfindungsgemäße, progres­ sive Rückstellfeder bei der vorherigen Bewegung von der Ruhestellung in die Arbeitsstellung praktisch vollständig gespeichert und dann bei der Rückbewegung erfindungsgemäß in kinetische Energie (Bewegungsenergie, Dynamik) umgewan­ delt wird. Dies führt dazu, daß das Ventilelement erfin­ dungsgemäß durch die progressive Rückstellfeder derart stark beschleunigt wird, daß es durch seinen "Schwung" trotz der unter die Betätigungskraft absinkenden Federkraft - zumindest annähernd - bis in seine Ruhestellung gelangt.

Dies führt nun zu dem wesentlichen Vorteil, daß die sich aus der Betätigungskraft und der Federkraft zusammensetzen­ de Gesamt-Ventilkraft durch die Erfindung wesentlich redu­ ziert werden kann. Dies wirkt sich besonders auf die Ruhe­ stellung des Ventils aus, so daß hierdurch ein schwächerer und damit leichterer und kompakterer sowie kostengünstige­ rer Magnet verwendet werden kann. Es muß lediglich gewähr­ leistet sein, daß die Magnetkraft-Kennlinie in jeder Hub­ stellung, und somit auch in der Ruhestellung, zumindest geringfügig oberhalb der Gesamt-Ventilkraft-Kennlinie liegt.

Die Erfindung eignet sich insbesondere für Schieberventile, wobei das Ventilelement als Keramik-Steuerscheibe ausge­ bildet ist, die dichtend an mindestens einer ortsfest an­ geordneten Keramik-Wegescheibe anliegt und relativ zu die­ ser verschiebbar geführt ist. Ferner eignet sich die Er­ findung besonders für solche Schieberventile, bei denen ein Strömungsweg in der Ruhestellung geschlossen (abgesperrt) und in der Arbeitsstellung geöffnet (durchgeschaltet) ist, wobei dann die Auslegungshubstellung derjenigen Stellung entspricht, in der der Strömungsweg gerade vollständig schließt bzw. gerade noch vollständig geschlossen ist. Der oben erläuterte "Resthub" bis zur Ruhestellung ist dann identisch mit der sog. "Keramik-Überdeckung" des Schieber­ ventils. Bei einem derartigen Schieberventil ist durch die Erfindung sichergestellt, daß - trotz der erfindungsgemäß ja sehr schwachen Feder - jedenfalls die grundsätzlich geschlossene Lage in der Auslegungshubstellung erreicht wird. Die bewegliche Steuerscheibe bewegt sich dann auf­ grund ihrer kinetischen Energie auch noch in den Bereich der Keramik-Überdeckung hinein, wobei es dann nicht mehr so sehr darauf ankommt, daß auch tatsächlich die Ruhestellung ganz erreicht wird.

Die progressiv ansteigende Kennlinie der Rückstellfeder kann nun auf unterschiedliche Arten erzeugt werden, die in den Ansprüchen 4 und 5 enthalten sind und in der nachfol­ genden Beschreibung noch näher erläutert werden.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungs­ beispiels soll nun die Erfindung näher erläutert werden. Dabei zeigen:

Fig. 1 eigen schematischen Schnitt durch ein Schieber­ ventil und

Fig. 2 ein Kräftediagramm zur Erläuterung der innerhalb des Magnetventils auftretenden Kräfte sowie zur Erläuterung der erfindungsgemäßen Auslegung der Federkraft- sowie Magnetkraft-Kennlinien.

In Fig. 1 ist beispielhaft ein als Schieberventil ausge­ bildetes Magnetventil 1 im Schnitt dargestellt, wobei in­ nerhalb eines Ventilgehäuses 2 ein als verschiebbare Steu­ erscheibe 4 insbesondere aus Keramik ausgebildetes Ventil­ element 6 gegen die Kraft einer Rückstellfeder 8 aus der dargestellten Ruhestellung S₀ in Pfeilrichtung s in eine Arbeitsstellung s₂ verschiebbar ist. Diese Verschiebung erfolgt durch einen nur teilweise dargestellten Elektro­ magneten 10, der über einen Stößel 12 gegen das Ventil­ element 6 wirkt. Das dargestellte Ventil ist beispielhaft als 2/2-Wegeventil sowie in der sog. "Dreischeibentechnik" ausgeführt, wobei die Steuerscheibe 4 zwischen zwei orts­ fest gelagerten Wegescheiben 14, die bevorzugt ebenfalls aus Keramikmaterial bestehen, "sandwichartig" geführt ist. Die Wegescheiben 14 besitzen jeweils eine Durchgangsöffnung 16, die umfänglich über Dichtungen 18 abgedichtet in Gehäu­ sekanäle 20 übergehen, die ihrerseits mit nicht dargestell­ ten Druckmittelanschlüssen verbunden sind. Die Steuer­ scheibe 4 weist eine durchgehende Steueröffnung 22 auf. Das dargestellte Ventil 1 ist ferner in der Ruhestellung - wie dargestellt - geschlossen, während in der Arbeitsstellung die Durchgangsöffnungen 16 über die Steueröffnung 22 ver­ bunden sind, so daß das Ventil somit öffnet. Bei der feder­ kraftbedingten Rückbewegung schließt das Ventil bereits kurz vor der Ruhestellung s₀, und zwar in der Hubstellung s₁, in der aufgrund der Schieberwirkung der Strömungsquer­ schnitt über die Öffnungen 16 und 22 gerade bis auf Null abgenommen hat. Der "Resthub" von s₁ bis s₀ wird "Keramik- Überdeckung"- Ü genannt; diese Überdeckung dient der siche­ ren Abdichtung in der Schließstellung.

Anhand des in Fig. 2 dargestellten Kräfte-Diagramms, in dem in Abhängigkeit von dem auf der Abszisse aufgetragenen Ven­ tilhub s auf der Ordinate die jeweilige Kraft F aufgetragen ist, soll nun die erfindungsgemäße Auslegung insbesondere der Federkraft-Kennlinie F_F der Rückstellfeder 8 näher er­ läutert werden. Hierzu ist zunächst zu bemerken, daß die Fig. 2 insofern nicht ganz den in Fig. 1 dargestellten Ver­ hältnissen entspricht, als in Fig. 1 aus Gründen der Deut­ lichkeit die Überdeckung Ü, d. h. der Hub zwischen so und s₁, unverhältnismäßig größer als der Hub zwischen s₁ und s₂ dar­ gestellt ist. In der Realität wird die Überdeckung Ü - etwa entsprechend Fig. 2 - tatsächlich kleiner sein.

In Fig. 2 ist nun zunächst die Magnetkraft-Kennlinie F_M des Elektromagneten 10 eingezeichnet, woraus sich ergibt, daß die Magnetkraft ausgehend von der Ruhestellung s₀ und einem anfänglichen, zum Hubbeginn vorliegenden Minimalwert F_MOMIN in Richtung der Arbeitsstelldung s₂ über den Ventilhub s überproportional zunimmt. Dies ist eine zwangsläufige Eigenschaft von herkömmlichen Elektromagneten.

Innerhalb des Ventils 1 sind zudem folgende ventilspezifi­ sche Kräfte von Bedeutung. Bei der Bewegung des Ventil­ elementes 6 tritt zunächst eine im wesentlichen konstante Reibungskraft F_R auf. Je nach Einbaulage des Ventils ist zudem eine konstante Gewichtskraft F_G der (aller) jeweils sich bewegenden Teile zu berücksichtigen. Aus der Summe von Reibungskraft F_R und Gewichtskraft F_G ergibt sich eine im wesentlichen konstante Betätigungskraft F_B, die zum Bewegen des Ventilelementes 6 jedenfalls überwunden werden muß (Widerstandskraft).

Die Rückstellfeder 8 erzeugt eine Federkraft F_F, die in der gleichen Richtung wie die Betätigungskraft F_B wirkt, so daß sich aus der Summe F_F plus F_B eine Gesamt-Ventilkraft F_V ergibt, die folglich der Elektromagnet 10 mindestens geringfügig übersteigen muß, damit das Ventilelement 6 überhaupt bewegt wird.

Erfindungsgemäß ist nun die Rückstellfeder 8 derart ausge­ legt, daß die Federkraft-Kennlinie F_F einen ausgehend von der Ruhestellung F₀ in Richtung der Arbeitsstellung F₂ pro­ gressiv ansteigenden Verlauf aufweist, der zudem derart an die Magnetkraft-Kennlinie F_M angepaßt ist, daß beide Kenn­ linien F_M und F_F zumindest annähernd "parallel" mit etwa gleichbleibendem Abstand verlaufen. Dabei kommt es beson­ ders darauf an, daß die Federkraft F_F in demjenigen Hub­ bereich (gegen Ende des Hubes vor Erreichen der Arbeits­ stellung s₂), in dem die Magnetkraft-Kennlinie F_N ihren steilsten Anstieg aufweist, ebenfalls einen entsprechend steilen Anstieg aufweist. Auf diese Weise kann die Rück­ stellfeder 8 diese - eigentlich überschüssige - Energie des Elektromagneten 10 speichern und für die anschließende Rückbewegung in die Ruhestellung so verwerten, indem die Energie dann als kinetische Energie eine Bewegung des Ven­ tilelementes 6 in die (oder zumindest bis kurz vor die) Ruhestellung s₀ bewirkt. Dies ist insofern von Bedeutung, als erfindungsgemäß die Rückstellfeder 8 so ausgelegt ist, daß die Federkraft-Kennlinie F_F im Bereich der Überdeckung Ü unterhalb der konstanten Betätigungskraft F_B liegt.

Federn besitzen zwangsläufig stets eine Kraft-Toleranz­ breite von z. B. + 10%. In Fig. 2 ist daher für die Feder­ kraft ein "Toleranzband" eingezeichnet. Die mittlere Federkennlinie ist gestrichelt eingezeichnet. Die Aus­ legung der Feder erfolgt hierbei für den ungünstigsten Fall, in dem die Kennlinie der zu erwartenden "schwächsten" Feder in der Hubstellung s₁ durch die konstante Kennlinie der Betätigungskraft F_B verläuft. Hierdurch ist sicherge­ stellt, daß auch mit der im Bereich der Toleranz "schwäch­ sten" Feder jedenfalls die Schließstellung s₁ erreicht wird. Somit stellt diese Schließhubstellung s₁ die "Auslegungs­ hubstellung" für die Rückstellfeder 8 dar; der Schnitt­ punkt zwischen s₁ und F_B ist der "Auslegungspunkt" P_F für die Rückstellfeder 8. Die in diesem Punkt jedenfalls - auch unter Berücksichtigung der Toleranzen - vorhandene Feder­ kraft F_{FI min} ist dann etwa gleich der Betätigungskraft F_B.

Durch die Erfindung wird somit in der Ruhestellung s₀ eine wesentliche Reduzierung der Federkraft F_F und damit auch der Gesamt-Ventilkraft F_V erreicht. Daher kann erfindungsgemäß auch die Magnetkraft-Kennlinie F_M "schwächer" ausgelegt werden, d. h. es kann ein kleiner, leichter und damit preis­ günstiger Elektromagnet 10 verwendet werden. Der Ausle­ gungspunkt P_M für die Magnetkraft-Kennlinie F_M liegt dabei ebenfalls in der Schließhubstellung s₁.

Die progessiv ansteigende Federkraft-Kennlinie F_F kann auf verschiedene Arten erzeugt werden. Wie in Fig. 1 anzudeu­ ten versucht wurde, kann die Rückstellfeder als Schrauben­ druckfeder mit einer bestimmten, progressiven Wickelart ausgebildet werden. Zusätzlich oder alternativ kann eine Progressivität durch einen bestimmten Verlauf der Feder­ drahtstärke und/oder des Federdrahtquerschnittes erreicht werden.

Für eine hinreichende Annäherung an den Verlauf der Magnet­ kraft-Kennlinie F_M reicht es jedoch aus, die Rückstellfeder 8 von mehreren, z. B. zwei Einzelfederelementen zu bilden, die derart parallel und/oder in Reihe geschaltet und dabei jeweils mit unterschiedlichen Einzelkennlinien F₁, F₂ in bestimmten, verschiedenen bzw. sich überlappenden Hubbe­ reichen wirksam sind, daß sich die Federkraft-Kennlinie F_F aus der Summe der Einzelkennlinien F₁ plus F₂ ergibt. Im Diagramm in Fig. 2 ist dies entsprechend veranschaulicht, wobei eine erste Feder mit einer linearen, relativ flachen (weichen) Kennlinie F₁ über den gesamten Hubbereich wirksam ist. Eine zweite Feder mit einer ebenfalls linearen, dabei aber relativ steileren Kennlinie ist nur gegen Ende des Arbeitshubes, d. h. zwischen einem sogenannten "Federzu­ schaltpunkt" s_x und der Arbeitsstellung s₂, wirksam. Hier­ durch wird ab dem Hub s_x ein progressiver, an die Magnet­ kraft-Kennlinie F_M angepaßter Anstieg der Federkraft- Kennlinie F_F erreicht.

Die Erfindung ist nicht auf das dargestellte und beschrie­ bene Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern umfaßt auch alle im Sinne der Erfindung gleichwirkenden Ausführungen. So läßt sich die Erfindung durchaus auch bei Sitzventilen anwenden, d. h. eine progressive, an den Magnetkraftverlauf angepaßte Rückstellfeder kann grundsätzlich auch bei Sitz­ ventilen sinnvoll sein. Hierbei muß die Feder aber jeden­ falls die Schließlage sicherstellen, und zwar gegebenen­ falls auch gegen den Druck des Mediums. Der Zweck ist hierbei, den Schließvorgang zu beschleunigen, wobei aller­ dings gleichzeitig das Öffnen verlangsamt wird. Eine An­ wendung ist aber jedenfalls dort sinnvoll, wo es auf ein schnelles Schließen des Ventils ankommt, die Geschwindig­ keit des Öffnens aber nur von untergeordneter Bedeutung ist. Ferner läßt sich die Erfindung auch bei solchen Schieberventilen anwenden, die in der Ruhestellung geöffnet und in der Arbeitsstellung geschlossen sind. Hierbei ergibt sich der Vorteil, daß beim Rückhub aus der Arbeitsstellung der Überdeckungshub Ü durch die hohe Federkraft schnell durchfahren wird und das Ventil somit schnell öffnet.

Ein genereller Vorteil der Erfindung liegt darin, daß beim Abschalten des Magneten der Restmagnetismus zwischen Anker und Polplatte durch die erfindungsgemäß hohe Federkraft schneller überwunden wird und somit der Rückhub vorzeitig, also früher beginnt. Somit wird durch einen vorzeitigen Rückhubbeginn und eine größere Dynamik der Rückhub wesent­ lich schneller durchfahren.

Abschließend sei bemerkt, daß die Erfindung bislang nicht auf die im Anspruch 1 definierte Merkmalskombination beschränkt ist, sondern auch durch jede beliebige andere Merkmalskombination von bestimmten Merkmalen aller ins­ gesamt offenbarten Einzelmerkmale definiert sein kann. Dies bedeutet, daß grundsätzlich praktisch jedes Einzelmerkmal des Anspruchs 1 weggelassen bzw. durch mindestens ein an anderer Stelle der Anmeldung offenbartes Einzelmerkmal ersetzt werden kann. Insofern ist der Anspruch 1 lediglich als ein erster Formulierungsversuch für eine Erfindung zu verstehen.

Claims (8)

1. Magnetventil mit einem durch einen Elektromagnet (10) gegen die Kraft einer Rückstellfeder (8) von einer Ruhestellung (s₀) um einen Ventilhub (s) in eine Arbeitsstellung (s₂) beweglichen Ventilelement (6), wobei der Elektromagnet (10) eine Magnetkraft-Kenn­ linie (F_M) besitzt, die ausgehend von der Ruhestellung (s₀) von einem Minimalwert (F_{Mo min}) in Richtung der Arbeitsstellung (s₂) überproportional ansteigt, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (8) eine Federkraft-Kennlinie (F_F) mit einem bezüglich der Steigung zumindest annähernd an die überproportional ansteigende Magnetkraft-Kennlinie (F_M) angepaßten, in Richtung der Arbeitsstellung (s₂) progressiv ansteigenden Verlauf aufweist.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstellfeder (8) derart ausgelegt ist, daß ihre Federkraft-Kennlinie (F_F) in einem zwischen der Ruhe­ stellung (s₀) und einer bestimmten Auslegungshub­ stellung (s₁) liegenden Bereich des Ventilhubes (s) unterhalb einer konstanten, ventilspezifischen, sich im wesentlichen aus Reibungs- und Gewichtskräften (F_R, F_G) zusammensetzenden Betätigungskraft (F_B) des Ven­ tilelementes (6) liegt.

3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (10) derart ausgelegt ist, daß seine Magnetkraft-Kennlinie (F_M) in jeder Hubstellung (s) zumindest geringfügig oberhalb einer Gesamt-Ventil­ kraft-Kennlinie (F_V) liegt.

4. Magnetventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die progressive Kennlinie (F_F) der als Schraubendruckfeder ausgebildeten Rückstellfeder (8) durch eine bestimmte Wickelart und/oder einen bestimmten Drahtstärken- bzw. Drahtquerschnittsverlauf erzeugt ist.

5. Magnetventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die progressive Kennlinie (F_F) der Rückstellfeder (8) da­ durch erzeugt ist, daß die Rückstellfeder (8) aus min­ destens zwei Einzelfederelementen besteht, die derart parallel oder in Reihe geschaltet und jeweils mit un­ terschiedlichen Einzelkennlinien (F₁, F₂) in bestimmten Hubbereichen wirksam sind, daß sich die Federkraft- Kennlinie (F_F) aus der Summe (F₁ + F₂) der Einzelkenn­ linien (F₁, F₂) ergibt.

6. Magnetventil nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch eine Ausfüh­ rung als Schieberventil, wobei das Ventilelement (6) als Keramik-Steuerscheibe (4) ausgebildet ist, die dichtend an mindestens einer ortsfest angeordneten Keramik-Wegescheibe (14) anliegt und relativ zu dieser verschiebbar geführt ist.

7. Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein Strömungsweg (20-16-22-16-20) des Schieberventils in der Ruhestellung (s_o) geschlossen und in der Arbeits­ stellung (s₂) geöffnet ist, wobei die Auslegungshub­ stellung (s₁) derjenigen Stellung entspricht, in der der Strömungsweg gerade vollständig schließt bzw. gerade noch vollständig geschlossen ist.

8. Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Strömungsweg (20-16-22-16-20) des Schieberventils in der Arbeitsstellung geschlossen und in der Ruhestel­ lung geöffnet ist.