DE4326507C2 - Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem elektromagnetisch betätigbaren Proportionalventil, insbesondere einem Proportionaldruckregelventil für Automatikgetriebe von Kraftfahrzeugen, nach der Gattung des Hauptanspruchs. Derartige Proportionalventile sind unter anderem aus der DE 40 35 853 A1 bekannt. Die Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Kennlinie eines derartigen Proportionalventils ist in starkem Maße abhängig von der Viskosität des Druckmittels und damit von dessen Temperatur. Werden derartige Proportionalventile beispielsweise als Proportionaldruckregelventile für Automatikgetriebe eingesetzt, liegt die Betriebstemperatur etwa im Bereich von 230 K bis 320 K. In diesem Temperaturbereich ändert sich die Viskosität eines herkömm­ lichen Druckmittels um einen Faktor von etwa 3000. Proportionalventile die innerhalb eines derart breiten Temperaturbereiches eingesetzt werden, sind in der Regel auf einen Nennbetrieb (d. h. auf eine Nenntemperatur bzw. auf einen Nenntemperaturbereich) eingestellt. Ihre Kennlinie ist entsprechend. Bei höheren Temperaturen und damit abnehmender Viskosität des Druckmittels verschiebt sich diese Kennlinie, weil sich der hydraulische Widerstand am Ventilsitz verringert. Bei relativ geringen Temperaturen vergrößert sich der hydraulische Widerstand am Ventilsitz, so daß sich die Kennlinie in die entgegengesetzte Richtung verschiebt. Gleichzeitig kann es bei Proportionaldruckregelventilen zu einer Druckerhöhung im stationären Zustand kommen. Besonders störend ist in diesem Fall der sog. Restdruck, der sich bei Proportionaldruckregelventilen mit fallender Regeldruck- Erregerstrom-Kennlinie einstellt. Dieser Restdruck stellt sich aufgrund der Viskosität des Druckmittels und des relativ hohen hydraulischen Widerstandes am Ventilsitz ein, wenn der Erregerstrom seinen Maximalwert erreicht. Dieser Restdruck wird aufgrund der Drosselwirkung am geöffneten Ventilsitz verursacht und ist umso höher, je größer der hydraulische Widerstand am Ventilglied bzw. Ventilsitz ist.

Aus der DE 31 26 246 A1 ist darüber hinaus ein elektrisch betätigbares Ventil mit einer veränderlichen Drosselstelle bekannt, bei dem temperaturabhängige Einflußgrößen kompensiert werden sollen. Durch die Verwendung eines Betätigungsstiftes zwischen Magnetanker und der veränderlichen Drosselstelle, dessen linearer Wärmeausdehnungskoeffizient größer ist als derjenige des Gehäuses, soll der durch Temperaturerhöhung bedingte Leistungsabfall des Elektromagneten und der kleinere Druckverlust an der Drosselstelle aufgrund von erwärmtem und damit geringer viskosem Druckmittel ausgeglichen werden. Durch die unterschiedlichen linearen Wärmeausdehnungskoeffizienten von Betätigungsstift und Gehäuse werden bei Temperaturänderungen die Abmessungen des Drosselspaltes verändert. Ein derartiger Aufbau ist jedoch aufwendig und nicht für alle Ventilbauformen geeignet, da insbesondere bei engen Toleranzen des Ventilspiels die Wärmeausdehnungskoeffizienten von Ventilglied und Ventilsitz keine großen Unterschiede aufweisen dürfen.

Weiterhin sind aus der DE 40 26 231 C2 und dem DE 89 01 144 U1 Elektromagnetventile bekannt, deren kugelförmige, metallische Anker jeweils mit zwei aus Kunststoff bestehenden Ventileinsätzen zusammenwirken.

Nachteilig dabei ist, daß durch die Ventileinsätze zwar eine gewisse Temperaturkompensation ermöglicht wird, daß aber andererseits durch die Anordnung der Ventileinsätze der maximal mögliche Durchflußquerschnitt temperaturabhängig verändert wird. Außerdem ist durch die teilweise Verwendung von Kunststoff für die Ventilsitze das Verschleißverhalten nicht optimal.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße elektromagnetisch betätigbare Proportionalventil, insbesondere Proportionaldruckregelventil für Automatikgetriebe von Kraftfahrzeugen, mit den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vorteil, daß die Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Ventilkennlinie erheblich verbessert wird, da die Temperaturabhängigkeit des Ventils vermindert wird. Mit dem erfindungsgemäßen Proportionalventil ist ein Einsatz über einen großen Temperaturbereich möglich, ohne daß es zu Verschiebungen der Kennlinie kommt. Dabei wird auf einfache Weise ein einstellbares Ventil geschaffen, bei dem die Vorspannung der auf den Magnetanker wirkenden Feder veränderbar ist und somit abgeglichen werden kann. Die erfindungsgemäße Ausbildung des Proportionalventils ist für eine Vielzahl von Ausbildungsformen und Einsatzbereiche dieser Ventile geeignet und kommt ohne große bauliche Veränderungen aus, d. h. diese Ventilausbildung ist für vielerlei Standardventile geeignet.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn das Einstellmittel eine im Magnetkern des Magnetgehäuses geführte Einstellschraube ist. Die auf den Magnetanker wirkende Feder läßt sich dann auf einfache und vorteilhafte Weise direkt zwischen die Einstellschraube und den Magnetanker einsetzen.

Darüber hinaus wird eine für den Aufbau des Ventils günstige räumliche Zuordnung ermöglicht. Durch die Trennung von Ventilsitz und Einstellschraube können diese aus unterschiedlichen Materialien bestehen, so daß sowohl Verschleiß- als auch Ausdehnungsverhalten getrennt voneinander optimiert werden können. Gleichzeitig ist der maximal mögliche Durchflußquerschnitt durch das Ventilglied temperaturunabhängig.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung des Proportionalventils ist die Einstellschraube im Bereich des Bodens des Magnetgehäuses verschraubt. Damit läßt sich eine leicht von außen zugängliche Unterbringung der Einstellschraube ermöglichen. Darüberhinaus kann bei dieser Anordnung der Einstellschraube der frei geführte Abschnitt relativ lang sein, so daß eine gute Abstimmung möglich ist. Darüberhinaus bietet diese Anordnung die Möglichkeit eines großen Längenspielraums, d. h. die Länge des freien Abschnittes der Einstellschraube ist über große Bereiche variabel bzw. vorwählbar, so daß ein großer Einsatzbereich für das Proportionalventil gegeben ist. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Federelement zwischen dem Einstellmittel und dem Magnetanker eine progressive Kennlinie hat, weil auch damit die Einflüsse der Strömungskraft auf das Ventilglied verringert werden können.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Magnetanker als Scheibenanker ausgebildet ist, der geeigneterweise an der dem Boden abgewandten Seite der Magnetspule angeordnet ist, da dann ein großzügiger Bauraum für die Einstellschraube und Feder vorhanden ist.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und der Beschreibung.

Zeichnung

Zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt in den Fig. 1 und 2 jeweils einen Längsschnitt durch ein Proportional­ druckregelventil.

Beschreibung der Ausführungsbeispiele

Das in Fig. 1 dargestellte Proportionalventil ist hier als Druck­ regelventil ausgebildet und hat ein etwa topfförmiges Magnetgehäuse 10, von dessen Boden 11 ein hohlzylindrischer Magnetkern 12 ins Innere des Magnetgehäuses 10 ragt. In den Ringraum zwischen Magnet­ kern 12 und der Außenwand 13 des Magnetgehäuses 10 ist eine Magnetspule 14 samt Spulenkörper 15 eingesetzt, deren elektrische Anschlüsse 16 durch den Boden 11 nach außen geführt sind.

Vor der freien Stirnseite der Magnetspule 14 ist im Inneren des Magnetgehäuses 10 ein scheibenförmiger Magnetanker 18 geführt. Dieser Magnetanker 18 hat an seinen beiden Stirnseiten jeweils einen um eine Zentralbohrung 1 angeordneten ringförmigen Fortsatz 20 bzw. 21. An dem dem Magnetkern 12 zugewandten ringförmigen Fortsatz 20 liegt mit ihrem inneren Umfang eine erste Membranfeder 22 an, die im Bereich ihres äußeren Umfanges auf einer Stufe 23 in der Außenwand 13 des Magnetgehäuses 10 aufliegt. Der Magnetanker 18 ist mit Ab­ stand von einem Flußleitring 24 umgeben, der an der ersten Membran­ feder 22 anliegt und diese gegen die Stufe 23 preßt. An diesem Fluß­ leitring 24 ist auf der entgegengesetzten Seite eine zweite Membran­ feder 25 mit ihrem Außenumfang aufgelegt, deren innerer Umfang auf dem ringförmigen Fortsatz 21 des Magnetankers 18 aufliegt. Die Zen­ tralbohrung 19 des Magnetankers 18 wird von einem zylindrischen Stößel 26 durchdrungen, wobei ein Zylinderabschnitt 27 größeren Durchmessers am ringförmigen Fortsatz 20 bzw. der Membranfeder 22 anliegt. Auf der gegenüberliegenden Stirnseite des Magnetankers 18 ist die zweite Membranfeder 25 durch einen in den Stößel 26 ein­ greifenden Sicherungsring 28 mit dem Magnetanker 18 verbunden.

Unterhalb des Magnetankers 18 ist in das Magnetgehäuse 10 der flanschförmige Rand 30 eines Ventilanschlußelementes 31 eingesetzt. Dieser Ventilanschlußflansch 30 preßt die zweite Membranfeder 25 ge­ gen den Flußleitring 24 und ist durch Umbördeln des freien Randes 32 des Magnetgehäuses 10 fest mit diesem verbunden. Das Ventilanschluß­ element 31 hat eine durchgehende gestufte Längsbohrung 34, in der ein flacher Ventilsitz 35 ausgebildet ist. An diesem Ventilsitz 35 liegt die flache Stirnseite 36 eines Ventilgliedes 37 an, das in der Längsbohrung 34 geführt ist und dessen andere Stirnseite am Stößel 26 anliegt. Zwischen Stößel 26 und dem flachen Ventilsitz 35 wird die Längsbohrung 34 von einer Querbohrung 38 durchdrungen.

Der Stößel 26 des Magnetankers 18 ragt mit seinem Zylinderabschnitt 27 bis in eine zylindrische Vertiefung 40 in der freien Stirnseite des Magnetkerns 12. An der Unterseite des Zylinderabschnittes 27 stützt sich das eine Ende einer Druckfeder 41 ab, die in eine Längs­ bohrung 42 im Magnetkern 12 ragt und dort an einer Einstellschraube 43 anliegt. Die Längsbohrung 42 durchdringt den Magnetkern 42 und ist im Bereich des Bodens 11 als Gewindebohrung 44 ausgebildet. In diesem Bereich weist auch die Einstellschraube 43 ein entsprechendes Außengewinde 45 aus, von dem aus ein freier Abschnitt 46 in die Längsbohrung 42 ragt. Der freie Abschnitt 46 der Einstellschraube 43 ist relativ lang gegenüber dem mit dem Außengewinde 45 versehenen eingespannten Abschnitt der Einstellschraube 43 und hat einen ge­ ringen Abstand zur Außenwand der Längsbohrung 42.

Die Einstellschraube 43, d. h. wenigstens der frei geführte Abschnitt 46, besteht aus einem Material, dessen Wärmeausdehnungskoeffizient großer ist als der des Magnetkerns 12 bzw. des Magnetgehauses 10. Durch die relativ lange Ausbildung des frei geführten Abschnittes 46 sind über einen relativ großen Einsatztemperaturbereich große Wärme­ dehnungen möglich. Der Magnetkern 12 bzw. das Magnetgehäuse 10 ist in der Regel aus Stahl gefertigt, um eine ausreichende magnetische Leitfähigkeit aufzuweisen. Demgegenüber kann also die Einstell­ schraube 43 bzw. deren frei geführter Abschnitt 46 aus Aluminium, Kupfer, Messing oder einem geeigneten Kunststoff hergestellt werden.

Bei hohen Betriebstemperaturen, die vor allem durch die Temperatur des Druckmittels vorgegeben sind, dehnt sich der frei geführte Ab­ schnitt 46 der Einstellschraube gegenüber dem Magnetkern 12 aus, d. h. er wird länger. Damit wird die Vorspannung der Feder 41 erhöht, wodurch sich die Federkraft auf den Stößel 26 erhöht. Damit wird einem Absinken des Regeldruckes bei hohen Betriebstemperaturen ent­ gegengewirkt, da der Verringerung des hydraulischen Widerstandes und dem damit sinkenden Regeldruck durch die Erhöhung der Federkraft entgegengewirkt wird. Umgekehrt ist das Einstellverhalten bei tiefen Betriebstemperaturen. Die Einstellschraube 43 bzw. deren frei ge­ führter Abschnitt 46 zieht sich gegenüber dem Magnetkern 12 zu­ sammen, so daß die Vorspannung der Feder und damit die Federkraft auf den Stößel 26 verringert wird. Damit wird am Ventilglied 37 ein größerer Strömungsquerschnitt freigegeben. Dies führt zu einem Ab­ sinken des Regeldruckes bzw. einem Ausgleich des sich vergrößernden hydraulischen Widerstandes. Damit wird auch einer Erhöhung des Rest­ druckes bei maximaler Betriebsstromstärke des Druckregelventils ent­ gegengewirkt. Durch entsprechende Auswahl, Verarbeitung und Formge­ bung des Werkstoffes der Einstellschraube 43 kann dabei auch bis zu einem gewissen Grad das nichtlineare Verhalten bei der Veränderung der Druckmittelviskosität berücksichtigt werden. Die Federkonstante der Druckfeder 41 ist dabei geeigneterweise auf das Ausdehnungsver­ halten des frei geführten Abschnittes 46 der Einstellschraube 43 ab­ gestimmt, d. h. die Federsteifigkeit ist relativ groß. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Druckfeder 41 eine progressive Kennlinie hat. Dazu kann sie im Gegensatz zum dargestellten Ausführungsbeispiel als kegelförmige Schraubenfeder ausgebildet sein. Diese Maßnahme kann natürlich auch mit anderen Mitteln zur Strömungskraftbeeinflussung auf den Stößel kombiniert werden.

Das erfindungsgemäße Proportionalventil ist nicht nur als Druckre­ gelventil in Sitzbauweise (wie in Fig. 1 beschrieben) geeignet, sondern kann auch für andere Bauformen von Proportionalventilen ein­ gesetzt werden. In Fig. 2 ist dazu ein Proportionaldruckregelventil in Schieberbauweise beschrieben, bei dem der Aufbau des Magnetge­ häuses im wesentlichen dem des in Fig. 1 beschriebenen entspricht. Im Gegensatz zum zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiel wird bei diesem Proportionaldruckregelventil die Längsbohrung 34A, die hier ungestuft ausgebildet ist, von drei Querbohrungen 50 bis 52 durch­ drungen. In der Längsbohrung 34A ist ein Ventilschieber 54 geführt, dessen zwei Kolbenabschnitte 55 und 56 jeweils mit einer Steuer­ ringnut 57 bzw. 58 auf an sich bekannte Weise zusammenwirken. Die Steuerringnut 57 ist dabei im Bereich der ersten Querbohrung 50 an­ geordnet, während die zweite Steuerringnut 58 im Bereich der dritten Querbohrung 52 angeordnet ist. Die dazwischen angeordnete zweite Querbohrung 51 mündet zwischen den beiden Kolbenabschnitten 55 und 56 in die Längsbohrung 34A. Die erste Querbohrung 50 ist dabei mit einem Behälter verbunden, dessen Anschluß mit T bezeichnet ist und in dem der Rücklaufdruck p_O herrscht. Die zweite Querbohrung 51 ist mit dem Verbraucher verbunden, dessen Anschluß mit A bezeichnet ist und an dem der geregelte Druck p_R ansteht. Von dieser Querbohrung 51 wird der am Verbraucher anstehende Regeldruck p_R über eine Rückführleitung 59 auf die freie Stirnseite 60 des Ventilschiebers 54 zurückgeführt. Die Querbohrung 52 ist mit einer Druckmittelquelle verbunden, deren Anschluß mit P bezeichnet ist und an der der Zulaufdruck p_Zu vorherrscht. Das hier dargestellte Druckregelventil regelt auf an sich bekannte Weise den am Verbraucher anstehenden Regeldruck über die Drosselwirkungen an den Steuerkanten der beiden Kolbenabschnitte 55 und 56. Zu den Einflüssen auf das Regelverhalten bzw. auf die Kennlinie bei unterschiedlichen Betriebs- bzw. Druckmitteltemperaturen gilt das zuvor im Zusammenhang mit dem in Fig. 1 beschriebenen Druckregelventil angeführte.

Claims (7)

1. Elektromagnetisch betätigbares Proportionalventil, insbe­ sondere Proportionaldruckregelventil für Automatikgetriebe von Kraftfahrzeugen, mit einem Magnetgehäuse (10) und einem Magnetanker (18), der mit einem wenigstens einen Ventilsitz (35, 57, 58) bildenden Ventilglied (37, 54) und einer Magnetspule (14) mit einem Magnetkern (12) zusammenwirkt, wobei der Magnetanker (18) von einem Federelement (41) beaufschlagt wird, dessen Vorspannung durch ein im Magnetgehäuse (10) befestigtes Einstellmittel (43) veränderbar ist, wobei das Einstellmittel (43) und das Ventilglied (37, 54) als durch den Magnetanker (18) voneinander getrennte Bauteile ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellmittel (43) einen frei geführten Abschnitt (46) aufweist und zumindest teilweise aus einem Material besteht, dessen Temperaturausdehnungskoeffizient größer ist als der des Magnetgehäuses (10), und daß das Federelement (41) auf dem frei geführten Abschnitt (46) frei aufliegt, so daß der Weg des Federelements (41) von einer Stirnseite des Magnetkerns (12) begrenzt ist.

2. Proportionalventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einstellmittel (43) eine im Magnetkern (12) des Magnetgehäuses (10) geführte Einstellschraube ist.

3. Proportionalventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellschraube (43) im Bereich des Bodens (11) des Magnetge­ häuses (10) mit diesem verschraubt ist.

4. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Länge des frei geführten Abschnittes (46) des Einstellmittels (43) größer ist als die Länge des im Magnetgehäuse befestigten eingespannten Abschnittes (45).

5. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Federelement (41) eine progressive Kennlinie hat.

6. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß sich das Federelement (41) an der freien Stirn­ seite der Einstellschraube (43) abstützt.

7. Proportionalventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Magnetanker (18) als Scheibenanker ausgebildet ist.