DE4332117A1 - Elektromagnetventil - Google Patents

Description

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einem Elektromagnetventil nach der Gat­ tung des Hauptanspruchs. Derartige Elektromagnetventile sind in zahlreichen Bauformen bekannt und werden unter anderem als Druck­ regelventile in Automatikgetrieben in Kraftfahrzeugen eingesetzt. Ein solches Druckregelventil ist beispielsweise aus der DE-OS 41 32 816 bekannt. Um bei derartigen Ventilen die Ankerbewe­ gungen zu dämpfen, wird deren Ankerraum zumeist schon während der Montage mit Druckmittel (Öl) gefüllt. Derartige hydraulische bzw. viskose Dämpfungen der Anker- bzw. Ventilgliedbewegungen haben je­ doch erhebliche Nachteile. Bei der Serienfertigung hydraulisch ge­ dämpfter Elektromagnetventile kann eine für alle Ventile gleich­ bleibende Druckmittelbefüllung nur mit sehr großem Aufwand sicherge­ stellt werden. Darüberhinaus sind erhebliche Maßnahmen zur Ab­ dichtung des Ankerraumes erforderlich. Da bei der hydraulischen bzw. viskosen Dämpfung die Spalthöhe in sehr starkem Maße (in der dritten Potenz) die Dämpfung beeinflußt, führen bereits geringe Fertigungs­ toleranzen zu erheblichen Abweichungen von der Ventilkennlinie. Weiterhin sind derartige hydraulisch gedämpfte Elektromagnetventile in starkem Maße verschmutzungsempfindlich, da über einen notwendigen Volumen- oder Druckausgleich zum Ankerraum leicht verschmutztes Druckmittel eindringen kann. Das kann vor allem bei einer Verschmutzung mit ferromagnetischen Partikeln leicht zum Ausfall des Ventils führen. In besonders starkem Maße beeinflußt die hydrau­ lische bzw. viskose Dämpfung die Ventilkennlinie aufgrund der sich stark ändernden Viskosität des Druckmittels bei schwankenden Tempe­ raturen. Werden derartige Elektromagnetventile beispielsweise als Druckregelventile in Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen einge­ setzt, liegt der übliche Betriebstemperaturbereich bei Temperaturen von 230 bis 420 Kelvin. Innerhalb dieses Temperaturbereiches verän­ dert sich die Viskosität der dafür eingesetzten Druckmittel in er­ heblichem Maße. Die Viskosität des Druckmittels kann dabei bis zu einem Faktor 3000 veränderlich sein. Damit ist es nahezu ausge­ schlossen, bei einem derartigen Elektromagnetventil eine auch nur annähernd konstante Ventilkennlinie und Dynamik zu ermöglichen.

Vorteile der Erfindung

Das erfindungsgemäße Elektromagnetventil, insbesondere Druckregel­ ventil für Automatikgetriebe von Kraftfahrzeugen, mit den kenn­ zeichnenden Merkmalen des Hauptanspruches hat demgegenüber den Vor­ teil, daß mit einfachen Mitteln eine gute Dämpfung der Anker- bzw. Ventilgliedbewegungen ermöglicht wird. Das erfindungsgemäße Elektro­ magnetventil kommt ohne eine Ölbefüllung des Ankerraumes aus und er­ reicht dadurch eine nahezu temperaturunabhängige Dämpfungskonstante. Die Abdichtung des Ankerraums des Magnetventils ist gegenüber einem druckmittelgefüllten Ankerraum wesentlich einfacher, da nur noch der Schutz vor dem Eindringen von Schmutzpartikeln ohne einen Vo­ lumen- bzw. Druckausgleich erforderlich ist. Ein derartiges Elektro­ magnetventil ist auch wesentlich weniger empfindlich gegenüber To­ leranzen der Spaltbreiten an den beweglichen Elementen, da die Spalthöhe an diesen Stellen keinen Einfluß mehr auf die Dämpfung der Anker- bzw. Ventilbewegungen hat.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn der die Dämpfungsmasse aufnehmen­ de Hohlraum im Magnetanker bzw. in einem seiner Bauelemente ausge­ bildet ist, da dann eventuell auftretende Querbelastungen nicht auf das Ventilglied wirken, sondern über die Lagerung des Magnetankers aufgenommen werden können.

Um eine gute Führung der beweglichen Bauelemente zu gewährleisten und um Querbelastungen zu vermeiden, ist es vorteilhaft, wenn der Hohlraum zur Aufnahme der Dämpfungsmasse symmetrisch ausgebildet ist und seine Symmetrieachse auf der Symmetrieachse des Magnetankers bzw. Ventilgliedes liegt. Da diese Bauelemente in der Regel zylin­ drisch ausgebildet sind und ihre Symmetrieachse in der Längsachse des Elektromagnetventils liegt, ist eine zylindrische Ausbildung des Hohlraumes vorteilhaft.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Elektromagnetventils ist die Dämpfungsmasse aus einer Vielzahl von Einzelmassenkörpern aufge­ baut, da dann über die bei Bewegungen auftretenden Reibungsverluste und Stoßverluste eine gute Dämpfung ermöglicht wird.

Besonders vorteilhaft ist es, wenn die die Dämpfungsmasse bildenden Einzelmassenkörper zumindestens teilweise aus einem Werkstoff be­ stehen, dessen Stoßzahl wesentlich kleiner als Eins ist. Damit nähern sich die bei der Bewegung erfolgenden Stoßvorgänge der ein­ zelnen Massenkörper stark dem vollkommen unelastischen Stoß an, so daß eine gute Dämpfung ermöglicht wird. In einer weiteren vorteil­ haften Ausgestaltung des Elektromagnetventils ist die Dämpfungsmasse eine Flüssigkeit, die eine möglichst hohe innere Reibung aufweist. Eine dafür geeignete Flüssigkeit wäre beispielsweise Quecksilber.

Um Querbelastungen bei der Bewegung des Magnetankers besser auf­ nehmen zu können bzw. von der Lagerung fernzuhalten, ist es vorteil­ haft, wenn der Magnetanker als Flachanker ausgebildet ist und in am Gehäuse abgestützten Membranfedern geführt wird.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung er­ geben sich aus der Beschreibung.

Zeichnung

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Be­ schreibung und Zeichnung näher erläutert. Letztere zeigt ein Elek­ tromagnetventil im Längsschnitt.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Das Elektromagnetventil 10 hat ein etwa becherformiges Magnetgehäuse 11, von dessen Boden 12 ein mittig angeordneter zylindrischer Magnetkern 13 ins Innere ragt. Um diesen Magnetkern 13 herum ist ein Spulenkörper 14 mit Wicklung 15 angeordnet und zur Abdichtung und Fixierung in Kunststoff 16 eingebettet, z. B. eingespritzt. An der Außenseite 17 des Bodens 12 ist ein ebenfalls aus Kunststoff be­ stehender Steckerkörper 18 angeordnet, dessen Anschlußkontakte auf nicht dargestellte Weise mit der Wicklung 15 kontaktiert sind.

Der Magnetkern 13 ist in Längsrichtung von einer Bohrung 20 durch­ drungen, deren dem Boden 12 zugewandtes Ende als Gewindebohrung 20a ausgebildet und durch eine Einstellschraube 21 verschlossen ist. Diese ist zur Abdichtung mit einer nicht dargestellten Beschichtung versehen.

Unterhalb des Spulenkörpers 14 ist im Magnetgehäuse 11 ein Ankerraum 22 gebildet. In diesem befindet sich der im Ausführungsbeispiel als scheibenförmiger Flachanker ausgebildete, elastisch gelagerte Anker 23. Dieser wird mittig von einer Bohrung 24 durchdrungen und hat an seiner Oberseite 25 und seiner Unterseite 26 je einen um die Bohrung 24 verlaufenden ringförmigen Kragen 27 bzw. 28.

An der freien Stirnseite des oberen Kragens 27 liegt mit ihrem inneren Rand 29 eine mit Durchlässen versehene Membranfeder 30 an, deren äußerer Rand 31 auf einer Ringschulter 32 in der Wandung des Magnetgehäuses 11 mit Abstand zum Spulenkörper 14 anliegt. Die Membranfeder 30 wird an ihrem Außenrand 31 durch einen Flußleitring 34 gegen die Ringschulter 32 gedrückt. Der Innendurchmesser des Flußleitringes ist größer als der Außendurchmesser des Ankers 23. Der innere Rand 29 der Membranfeder 30 ist zwischen dem oberen Kragen 27 des Ankers 23 und der flanschartigen Abschlußplatte 35 eines Trägerbolzens 36 eingeklemmt, der die Bohrung 24 durchdringt. Die Abschlußplatte 35 ragt bis in eine zylindrische Vertiefung 37, die in der freien Stirnseite des Magnetkerns 13 um die Bohrung 20 verlaufend angeordnet ist.

An der freien Stirnseite 38 der Abschlußplatte 35 ist mittig ein Führungszapfen 39 angebracht, der von dem einen Ende einer in der Bohrung 20 befindlichen Druckfeder 40 umfaßt wird, die an der Ab­ schlußplatte 35 anliegt. Das andere Ende der Druckfeder 40 liegt an der Einstellschraube 21 an.

Am unteren Kragen 28 des Ankers 23 liegt der innere Rand 42 einer zweiten Membranfeder 43 an, die ebenfalls mit Durchlässen versehen ist, und deren äußerer Rand 44 am Flußleitring 34 anliegt. Der innere Rand 42 der zweiten Membranfeder 43 ist durch einen Siche­ rungsring 45, der mit dem Trägerbolzen 36 zusammenwirkt, gegen den unteren Kragen 28 des Ankers 23 gedrückt.

Der äußere Rand 44 der zweiten Membranfeder 43 ist durch den Be­ festigungsflansch 46 eines Ventilanschlußteils 47 gegen den Fluß­ leitring 34 gedrückt. Das Ventilanschlußteil 47 wird durch Umbördeln des unteren, als Bördelrand 48 ausgebildeten, Abschnittes des Magnetgehäuses 11 fixiert und fest mit diesem verbunden.

Der Magnetkreis des Elektromagnetventils wird durch das die Magnet­ spule 15 aufnehmende Magnetgehäuse 10 mit dem Magnetkern 13 und dem Flußleitring 34 sowie den beweglichen Bauelementen Anker 23 und Trägerbolzen 36 gebildet. Der scheibenförmige Anker 23 bildet zu­ sammen mit dem Trägerbolzen 36 den Magnetanker des Magnetkreises, d. h. die beweglichen Bauelementes dieses Kreises. Die beweglichen Bauelemente und die feststehenden Bauelemente des Magnetkreises sind demzufolge aus magnetisch gut leitenden Werkstoffen hergestellt. Um magnetische Verluste zu vermeiden sind das Ventilanschlußteil 47 und die darin befindlichen Ventilbauelemente aus nicht magnetischen Werkstoffen gefertigt.

In die dem Anker 23 zugewandte Stirnseite des Befestigungsflansches 46 des Ventilanschlußteils 47 ist eine zylindrische Vertiefung 50 eingelassen, deren Durchmesser etwa dem Innendurchmesser des Fluß­ leitringes 34 entspricht. Der Befestigungsflansch 46 wird von einer mittig angeordneten, zweifach gestuften Längsbohrung durchdrungen, die bis in das Ventilanschlußteil 47 ragt, deren Bohrungsabschnitte von der Vertiefung 50 ausgehend mit 52a-52c bezeichnet sind. Der Bohrungsabschnitt 52c ist mit einer achsgleich verlaufenden Bohrung 53 verbunden, die von der freien Stirnseite 54 des Ventilanschluß­ teils 47 ausgeht und die mit einer Druckleitung 55 verbunden ist.

Der Übergang vom Bohrungsabschnitt 52b zum Bohrungsabschnitt 52c dient als Ventilsitz 56 und wirkt mit der Stirnseite 57 eines aus zwei Zylinderabschnitten 59, 60 bestehenden Ventilstößels 58 zu­ sammen. Der Zylinderabschnitt 59 größeren Durchmessers wirkt mit seiner Stirnseite 57 mit dem Ventilsitz 56 zusammen. Der Durchmesser des Zylinderabschnittes 59 ist dazu etwas größer als der des im Aus­ führungsbeispiel als Flachsitz ausgebildeten Ventilsitzes 56.

Der Ventilstößel 58 wird mit seinem Zylinderabschnitt 60 geringeren Durchmessers in der Längsbohrung 62 eines zylinderförmigen Führungs­ einsatzes 63 geführt, der in den Bohrungsabschnitt 52a eingepaßt ist. Der Zylinderabschnitt 60 ragt in den Ankerraum 22 und wirkt dort mit der freien Stirnseite 61 des Trägerbolzens 36 zusammen.

Der Bohrungsabschnitt 52b wird von einer Querbohrung 65 durch­ drungen, die mit einem nicht dargestellten Behälter verbunden ist, dessen Anschluß mit T bezeichnet ist. Die Druckleitung 55 ist über eine Drossel 66 mit einer Druckmittelquelle P verbunden. Zwischen Drossel 66 und Bohrung 53 zweigt von der Druckleitung 55 eine Ver­ braucherleitung 68 ab, die zu einem nicht dargestellten Verbraucher führt, dessen Anschluß mit A bezeichnet ist.

Das Elektromagnetventil 10 ist in eine hydraulische Brückenschaltung als elektrisch einstellbares Druckregelventil in Verbindung mit der Blende 66 eingesetzt. Der Druck in der Verbraucherleitung 68 ent­ spricht dem sich einstellenden Gleichgewicht aus der auf den Ventil­ stößel 58 von der Druckleitung 55 her ausgeübten Druckkraft und der über den Trägerbolzen 36 auf den Ventilstößel 58 wirkenden Kraft der Druckfeder 40. Wird die Wicklung 15 von einem Strom durchflossen, wird der Anker 23 gegen die Wirkung der Druckfeder 40 angezogen. Die Kraft durch die Druckfeder 40 auf den Ventilstößel 58 wird also durch die auf den Anker 23 einwirkende Magnetkraft verringert. Die für das Kräftegleichgewicht benötigte Druckkraft auf den Ventil­ stößel 58 über die Druckleitung 55 ist also geringer, d. h. der sich einstellende Druck in der Verbraucherleitung 68 ist niedriger. Mit dem Elektromagnetventil kann also eine fallende Erregerstrom-Druck- Kennlinie realisiert werden.

Im Betrieb führen der Anker 23 und der Trägerbolzen 36 entsprechend der elektrischen Sollwertvorgabe Regelbewegungen aus. Der Ventil­ stößel 58 liegt dabei mit seiner dem Anker zugewandten Stirnseite aufgrund der Wirkung des an der gegenüberliegenden Stirnseite 57 anstehenden Druckes ständig am Trägerbolzen 36 an. Um die Bewegungen der beweglichen Elemente des Magnetkreises (Anker 23 und Träger­ bolzen 36) sowie des Ventilgliedes 58 zu dämpfen, ist im Träger­ bolzen eine Sackbohrung 70 ausgebildet, die von der dem Ventilstößel 58 zugewandten Stirnseite ausgeht und durch einen eingepreßten Ver­ schlußstopfen 71 verschlossen ist. Die verschlossene Sackbohrung 70 bildet im Trägerbolzen 36 einen abgeschlossenen Hohlraum 72, der mit einer Vielzahl von einzelnen Massenkörpern 73 gefüllt ist, die zu­ sammen eine Dämpfungsmasse 74 bilden. Der Hohlraum 72 ist nur teil­ weise mit den Einzelmassenkörpern 73 der Dämpfungsmasse 74 gefüllt, d. h. sein Volumen ist größer als das Volumen der Dämpfungsmasse, so daß bei einer Bewegung des Trägerbolzens 36 Verschiebungsbewegungen der Dämpfungsmasse 74 auftreten. Bei den Verschiebungsbewegungen der Einzelmassenkörper 73 treten Reibungsverluste und Stoßverluste auf, durch die Bewegungsenergie abgebaut wird. Die Bewegungen des Träger­ bolzens 36 bzw. des Magnetankers werden demzufolge gedämpft. Die Dämpfung der Bewegungen des Magnetankers (Anker 23 und Trägerbolzen 36) bzw. des Ventilgliedes 58 werden besonders gut bedämpft, wenn die Stoßverluste bei Bewegungen und insbesondere Schwingungen mög­ lichst groß sind. Dazu sollte die Stoßzahl der zusammenwirkenden Einzelmassenkörper 73 möglichst klein bezogen auf eine theoretische Stoßzahl von Eins sein. Eine Stoßzahl von Eins entspricht dabei dem theoretischen völlig elastischen Stoß, während die Stoßzahl Null die für den vollkommen unelastischen Stoß zugrundegelegte Maßzahl ist.

Durch geeignete Wahl von Form, Größe und Stoßzahl der Einzelmassen­ elemente 73 in Relation zum Volumen des Hohlraumes 72 und zur Masse der beweglichen Bauelemente läßt sich die Dämpfung des Elektro­ magnetventils abstimmen bzw. optimieren. Die Bestückung des Hohl­ raumes 72 mit festen Einzelmassenkörpern 73 hat dabei den Vorteil, daß die Dämpfung relativ unabhängig von der Temperatur und von Fer­ tigungstoleranzen ist. Preisgünstig und einfach läßt sich die Dämpfungsmasse 74 beispielsweise aus Bleischrot bzw. Bleikugeln aus­ bilden.

Um Querbeanspruchungen bei der Bewegung des Ankers 23 bzw. Ventil­ gliedes 58 zu vermeiden, ist es sinnvoll, wenn die Bohrungsachse der Sackbohrung 70 auf der Längsachse des Elektromagnetventils bzw. auf der Längsachse des Trägerbolzens 36 bzw. des Ankers 23 liegt.

Es ist auch möglich, anstelle der Einzelmassenkörper 73 die Dämpfungsmasse 74 durch eine Flüssigkeit auszubilden. Diese Flüssig­ keit sollte zur Erzielung eines guten Dampfungsverhaltens eine mög­ lichst hohe innere Reibung haben. Die Wahl der die Dämpfungsmasse 74 bildenden Flüssigkeit ist aber auch in erheblichem Maße vom Ein­ satztemperaturbereich des Elektromagnetventils abhängig. Bei den zu­ vor geschilderten Einsatztemperaturen eines als Druckregelventil in Automatikgetrieben eingesetzten Elektromagnetventils ist beispiels­ weise die Befüllung des Hohlraumes 72 mit Quecksilber möglich, wobei auch hier das durch das Quecksilber bzw. die Dämpfungsmasse 74 ein­ genommene Volumen kleiner ist als das Volumen des Hohlraumes 72.

Im Gegensatz zu dem hier dargestellten Verschlußstopfen 71 kann die Sackbohrung 70 auch durch eine eingepreßte Kugel oder andere Ver­ schlußelemente verschlossen sein.

Die erfindungsgemäße Ausbildung des Ventilgliedes ist nicht auf das hier beschriebene Ausführungsbeispiel eines Elektromagnetventiles mit einem durch Membranfedern geführten Flachanker beschränkt. Es ist ohne weiteres möglich, die Anordnung eines Hohlraumes mit Dämpfungsmasse auch in anderen Ventilbauarten vorzunehmen, bei­ spielsweise bei Elektromagnetventilen mit gleitgelagertem Zylinder­ anker.

Claims (8)

1. Elektromagnetventil, insbesondere Druckregelventil für Automatik­ getriebe von Kraftfahrzeugen, mit einem Magnetgehäuse (11, 12, 13) zur Aufnahme einer Magnetspule (15) und einem beweglichen Magnet­ anker (23, 36), der mit einem beweglichen Ventilglied (58) zusammen­ wirkt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eines der beweglichen Bauelemente (23, 36; 58) einen abgeschlossenen Hohlraum (72) hat, der mit einer Dämpfungsmasse (74) gefüllt ist, wobei das Volumen des Hohlraumes (72) größer ist als das Volumen der Dämpfungsmasse (74).

2. Elektromagnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (72) in einem Bauelement (36) des Magnetankers ausge­ bildet ist.

3. Elektromagnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Hohlraum (72) symmetrisch ausgebildet ist, wobei seine Symmetrieachse auf der Symmetrieachse des Magnetankers (23, 36) liegt.

4. Elektromagnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dämpfungsmasse (74) aus einer Vielzahl von Einzelmassenkörpern (73) besteht.

5. Elektromagnetventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelmassenkörper (73) mindestens teilweise aus einem Werkstoff bestehen, dessen Stoßzahl sehr viel kleiner als Eins, jedoch größer als Null ist.

6. Elektromagnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Dämpfungsmasse (74) eine Flüssigkeit ist.

7. Elektromagnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die die Dämpfungsmasse (74) bildende Flüssigkeit eine im Vergleich zu Wasser hohe innere Reibung hat.

8. Elektromagnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Magnetanker (23, 36) ein Flachanker ist, der mit mindestens einer Membranfeder (30, 43) im Magnetgehäuse (11) ge­ führt ist.