DE4430509A1 - Magnetventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Magnetventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.

Um die Kosten von magnetbetriebenen Elektronik-Elementen zu reduzieren, werden sogenannte gesättigte Treiber (saturated drivers) gegenüber sogenannten Stromhalte-Treibern (peak and hold current drivers) bevorzugt. Die Erstgenannten haben jedoch einen hohen Leistungsbedarf und damit einen hohen Energieverbrauch. Dieser führt zu einer größeren Wärmeerzeugung. Ein minimaler Wicklungswiderstand (der viel größer ist, als jener bei peak and hold drivers) ist notwendig, um den Wärmeanstieg zu verringern. Wenn auch ein Hochwiderstands-Impulsbreiten-Modulator (PWM) mehr Wicklungen bei einem gegebenen Packungsraum enthält, so ist jedoch der Stromanstieg viel langsamer und endet bei einem geringeren Wert, als bei einem Nieder-Widerstand-PMW. Dies führt zu geringerer Magnetkraft für dieselbe Zeitspanne, und damit zu einem Anstieg der Zeitspanne, die notwendig ist, um den Anker am hiermit zusammenarbeitenden Polstück zu schließen. Die vergrößerte Zeitdauer verringert die Gesamtleistung des Ankers und macht auch den inneren Aufbau des Impulsbreiten-Magneten kritisch.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu vermeiden.

Die Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1 gelöst.

Die Erfindung ist anhand der Zeichnungen näher erläutert. Darin ist im einzelnen folgendes dargestellt:

Fig. 1 zeigt in einer fragmentarischen Schnittansicht eine magnetventilbetätigte Druckregeleinheit zur allgemeinen Veranschaulichung eines solchen Gerätes. Das Magnetventil ist hierbei beaufschlagt.

Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich jener von Fig. 1, jedoch unter Einbeziehung der Lehre der Erfindung, und zwar im nicht-beaufschlagten Zustand.

Fig. 3 ist eine Ansicht des Gegenstandes von Fig. 2, jedoch im beaufschlagten Zustand.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht eines der in Fig. 1 gezeigten Elemente.

Fig. 5 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 5-5 in Fig. 4.

Fig. 6 ist eine Ansicht gemäß der Pfeile 6-6 in Fig. 4.

Fig. 7 ist eine Aufrißansicht eines der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Elemente.

Fig. 8 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 8-8 in Fig. 7.

Fig. 9 ist eine Ansicht in Richtung der Pfeile 9-9 in Fig. 7.

Fig. 10 ist ein Axialschnitt durch eines der in Fig. 1 gezeigten Elemente.

Fig. 11 ist eine Draufsicht auf ein weiteres der in Fig. 1 gezeigten Elemente.

Fig. 12 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie 12- 12 in Fig. 11.

Fig. 13 ist eine Schnittansicht eines der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Elemente.

Fig. 14 ist eine Draufsicht auf ein weiteres der in den Fig. 2 und 3 gezeigten Elemente.

Fig. 15 ist eine Schnittansicht gemäß der Schnittlinie 15- 15 in Fig. 14.

Fig. 16 ist eine vergrößerte Teilschnittansicht aus Fig. 2 und veranschaulicht die Bewegung des Ankers gegen sein Polstück.

Aus Fig. 1 erkennt man im einzelnen eine in Grundzügen bekannte, Impulsbreiten-modulierte Magnetventileinheit 10 (pulse width modulated), und zwar kombiniert mit der teilweise dargestellten Gesamtstruktur 12, umfassend ein Ventil, wobei der Druck des von einem Vorrat 14 zu einer Steuervorrichtung 16 strömenden Mediums geregelt wird in Abhängigkeit von ausgewählten Betriebsparametern der zugehörenden Struktur.

Die Magneteinheit 10 und die Gesamtstruktur 12 können ihrerseits innerhalb eines fragmentarisch angedeuteten Gehäuses 18 angeordnet sein. Dieses kann Bestandteil einer Kraftübertragungsanlage sein, so wie im Automobilsektor verwendet, beispielsweise bei Pkws oder Lkws.

Weiterhin erkennt man aus Fig. 1, daß die Magneteinheit 10 eine Spuleneinheit 20 mit einem im wesentlichen zylindrischen hülsenförmigen Mittelteil 22 aufweist, ferner mit in axialem Abstand angeformten Stirnwänden 24 und 26.

Spule 20 besteht in diesem Falle aus einem nicht­ magnetischen Material, beispielsweise aus einem amorphen thermoplastischen Polyether-Kunstharz. Ein umschließendes Gehäuse 30 erstreckt sich im wesentlichen oberhalb der Magneteinheit 10. Es kann ebenfalls aus Kunststoff ohne magnetische Eigenschaften bestehen.

Kunststoffe der verwendeten Art enthalten im allgemeinen gleichförmig verteiltes Glas oder Mica-Glas in Kombination, und zwar in Polyethylene Terephthalate. Bei entsprechender Zusammensetzung ergibt sich beim Formprozeß eine rasche Kristallisation.

Aus den Fig. 1 und 10 erkennt man ferner ein Polstück 32. Dieses ist aufgebaut aus einem zylindrischen Teil 34, das sich in einer Zentralbohrung 36 von Spule 20 befindet. Polstück 32 weist ferner einen erweiterten zylindrischen Teil 42 auf. Dieser befindet sich in einer Bohrung 44, einer sich quer erstreckenden, metallischen, Fluß-leitenden Platte 46. Ein Flansch 48 dient als Auflage für die Platte 46, wenn Platte 46 und Polstück 32 beispielsweise durch Kaltverformung miteinander verankert sind, wobei ein Teil des Fleisches von Platte 46 in unmittelbarer Nachbarschaft von Bohrung 44 durch Kaltverformung mit einem Ringvorsprung 50 versehen ist, der in eine entsprechende Ringnut 52 von Polstückteil 42 eingreift.

Wie man weiterhin aus den Fig. 1 und 10 erkennt, umfaßt Polstück 32 einen ihm axial angeformten Teil 54, der seinerseits einen Flansch 56 aufweist (siehe Fig. 10). Man erkennt eine Zentralbohrung 58, die mit einem kürzeren Zentralkanal 60 in leitender Verbindung steht. Zentralkanal 60 weist einen Ventilsitz 62 auf. Eine Mehrzahl von Kanälen 38 und 40 stellen zwischen Zentralbohrung 58 und einer außerhalb des Polstückes 32 befindlichen Kammer eine leitende Verbindung her.

Fig. 1 zeigt weiterhin, daß der Ansatz 54 des Polstückes 32 von einer Bohrung 64 der Struktur 12 aufgenommen und hierin befestigt ist, und zwar durch Schrauben 66, die durch eine Bohrung 68 in Platte 46 hindurchgeführt und in die Struktur 12 eingeschraubt sind. Schraubenkopf 70 der Schraube 66 erfaßt Platte 46 und drückt diese nach unten gegen die Struktur 12. Demgemäß liegt Platte 46 dichtend an einem O-Ring 72 an, so daß eine Ringkammer 74 gebildet wird, die mit den Kanälen 38 und 40 kommuniziert, außerdem mit Kanälen 76 in Struktur 12 und die über Kanäle 78 zu einer durch Mediumdruck kontrollierte Vorrichtung 16 führt. Ein zweiter O-Ring 80 wird von Fortsatz 54 des Polstückes 32 und der Seitenwand der Aussparung 64 erfaßt, wodurch eine Kammer 82 definiert ist. Eine Ventilkugel 84 befindet sich in Kanal 60 (siehe auch Fig. 10), und zwar gegenüber dem Ventilsitz 62. Die Ventilkugel wird durch eine Feder 86 elastisch an den Sitz 62 angedrückt. Ein Vorrat von Druckmedium befindet sich mit Kammer 82 über Leitungen 88 und 90 in Struktur 12 in leitender Verbindung.

Ein zylindrischer Anker 92 ist in Bohrung 36 der Spule verschiebbar und durch eine Feder 94 in Richtung nach unten beaufschlagt - siehe Fig. 1. Diese Abwärtsbewegung wird normalerweise durch einen Stößel 96, Ventilkugel 84 sowie eine Feder 86 verhindert. Wird die Spule 28 beaufschlagt, so überwindet Anker 92 die Kraft der Feder 86 und bewegt sich so lange nach unten, bis er am oberen Ende von Polstück 32 zum Anschlag gelangt. Hierbei werden Stößel 96 (den man auch "Ventilactuator" nennen kann) nach unten bewegt - siehe wiederum Fig. 1. Dadurch wird Ventilkugel 84 vom Sitz 62 abgehoben, so daß zwischen den Bohrungen 38 und 40 und der Kammer 82 eine leitende Verbindung zustande kommt.

Wie man weiter aus Fig. 1 erkennt, wird zweckmäßiger Weise ein Magnetfluß-Rückführ-Element 98 vorgesehen. Dieses ist im wesentlichen U-förmig mit zwei einander gegenüberliegenden Schenkeln 100 und 102. Das U-förmige Element weist Fußteile 104 und 106 auf, die sich durch Schlitze 108 und 110 in Platte 46 erstrecken und in Abkröpfungen 112 und 114 enden.

Man erkennt ferner, daß das U-förmige Element 98 einen hülsenförmigen, zylindrischen Ansatz 116 aufweist, und zwar im oberen Bereich des U. Dieser ist Bestandteil des U-förmigen Elementes. Der hülsenförmige Teil 116 ist von einer entsprechenden Aussparung 118 der Spule 20 eng umschlossen. Das U-förmige Element 98 dient somit nicht nur als Magnetfluß-Rückführ-Element, sondern nimmt auch körperlich sowohl in radialer als auch in axialer Richtung die Spule 20, den Anker 92, das Polstück 32, den Stößel 96 und die Platte 46 auf.

Man sieht ferner aus Fig. 1, daß die Zentralbohrung 36 der Spule 20 durch eine Wand 120 abgeschlossen ist. Diese weist eine Mehrzahl von Belüftungskanälen 122, 124 auf.

Im folgenden soll auf die Fig. 4, 5 und 6 eingegangen werden. Stößel 96 umfaßt einen Hauptkörper 126, der sich in axialer Richtung erstreckt. Dem Hauptkörper 126 sind rippenartige Führungen 128, 130, 132 und 134 angeformt, die sich in axialer wie in radialer Richtung nach außen erstrecken. Das obere Ende 138 von Stößel 96 ist am besten flach und verläuft normal zur Achse 140 des Stößels 96. Die radial äußeren Flächen der Führungen 128, 130, 132 und 134 verlaufen im wesentlichen parallel zur Achse 140. Dem Hauptkörper 126 ist ein axialer Ansatz 142 angeformt, der mit seinem axialen Ende 144 die Ventilkugel 84 erfaßt - siehe Fig. 1.

Wie man aus den Fig. 1, 4 und 10 erkennt, ist Stößel 96 gleitend in Bohrung 58 von Polstück 32 aufgenommen (Fig. 10). Wird Stößel 96 weiter in die Bohrung eingedrückt, so bewegt er die Ventilkugel 84 entgegen der Kraft der Feder 86 in die Offen-Position - siehe Fig. 10.

Im folgenden soll hauptsächlich auf die Fig. 1, 11 und 12 Bezug genommen werden. Wie man am besten aus Fig. 12 erkennt, umfaßt Anker 92 ein Teil 146 mit einer zylindrischen Mantelfläche 148 und einer Achse 150. Teil 146 bildet eine sich axial erstreckende Kammer 152 mit einem geschlossenen Ende, und eine Aussparung 154, die einen größeren Durchmesser als die Kammer 152 aufweist. Hierdurch wird eine Ringschulter 156 gebildet, auf welcher die Feder 94 aufliegt - siehe Fig. 1.

Es gibt eine Reihe von Vorrichtungen, die in Wirkverbindung mit der Ventileinheit 10 stehen, und die schematisch in Fig. 1 angedeutet sind. Hierzu gehören elektrische Leiter 162 und 164, die an die entsprechenden Enden der Wicklung 28 angeschlossen sind sowie an eine Gleichstromquelle 166. Die Gleichstromquelle 166 beaufschlagt die Spule 28 in zyklischen Impulsen, gesteuert von einem elektronischen Prozessor P - siehe Bezugszeichen 168. Prozessor 168 wird mit entsprechenden Eingängen versorgt, je nach dem besonderen Anwendungsfall, um die Einschalt-Zeitdauer des Magneten während eines jeden Zyklus zu verändern. Die Einschalt-Zeitdauer ist dabei jene Zeitspanne, während welcher die Wicklung 28 elektrisch beaufschlagt wird. Bei einer automatischen Übertragungssteuerung können die Eingänge des Prozessors beispielsweise die Motordrehzahl, die Fahrzeuggeschwindigkeit, die Drosselklappenstellung usw. beinhalten. Die Impulsfrequenz ist eine feste Frequenz, typischer Weise 50 Hz, und der Prozessor 168 steuert die Länge oder prozentuale Dauer der Zeitspanne, während eines jeden Zyklus, während welchem die Spule beaufschlagt wird.

Aus Fig. 1 erkennt man ferner, daß Prozessor 168 die Gleichstromquelle 166 dazu veranlaßt, die Spule oder Wicklung 28 elektrisch zu beaufschlagen. Diese Beaufschlagung der Spule 28 veranlaßt wiederum den Anker 92 zu einer Abwärtsbewegung - in Fig. 1 gesehen, so daß die Anker-Stirnfläche 160 (siehe Fig. 12) die Stirnfläche 170 des Polstücks 32 erfaßt.

Demgemäß verschiebt Anker 92 den Stößel 96 nach unten, so daß dessen untere Stirnfläche 144 die Ventilkugel 84 vom Ventilsitz 62 entgegen der Kraft der Feder 86 abhebt - siehe Fig. 1 und 10.

Für die Zwecke der Betrachtung sei unterstellt, daß die Druckmediumzufuhr 14 einen Zufuhrdruck von 60,0 psig aufweist, und daß die Ventilkugel 84 an Ventilsitz 62 dichtend anliegt, wobei die Größe des Steuerdruckes innerhalb der Steuervorrichtung 16 und stromabwärts des Ventilsitzes 62 0,0 psig ist.

Bei dem in Fig. 1 dargestellten Betriebszustand ist Ventilkugel 84 von Stößel 96 abgehoben, der seinerseits von dem Magnetfeld-beaufschlagten Anker 92 nach unten verschoben wurde. Dies fand entgegen der Kraft der Feder 86 statt. In diesem Zustand strömt unter Druck beaufschlagtes Medium aus dem Vorrat 14 durch die Bohrungen 88 und 90 in Kammer 82. Von dort aus strömt das Medium zwischen Ventilkugel 84 und zylindrischer Fläche 60 (siehe auch Fig. 10) sowie zwischen Ventilkugel 84 und Sitz 62 in Bohrung 58, sodann durch die Bohrungen 38 und 40 in Kammer 74. Aus Kammer 74 strömt das Medium in die Steuervorrichtung 16 über die Kanäle 76 und 78, so daß unter hohem Druck stehendes Medium von Vorrat 14 zur Vorrichtung 16 gelangt. Wie aus den Fig. 5 und 6 erkennbar, ist Stößel 96 derart gestaltet, daß Medium in axialer Richtung durch die Bohrung 58 hindurchgelangt, und zwar zwischen den Stößelteilen 128, 130, 130, 132, 132 und 134 sowie 134 und 128. Liegt Anker 92 an Ende 170 von Polstück 32 an, so wie in Fig. 1 dargestellt, so hört die Aufwärtsströmung - in Fig. 1 gesehen - von Medium aus Bohrung 58 mittels des Ankers 92 auf.

Anker 92 kann in Bohrung 36 gleiten, und die Luft zwischen Anker 92 und Bohrung 36 ist derart bemessen, daß ein gewisser Leckagestrom hindurch fließen kann und durch die Öffnungen 122 und 124 zum Sumpfdruck P_s abgebaut wird, der vermutlich 0,0 psig beträgt.

Schaltet Prozessor (P) 168 die Stromquelle 166 ab, so hört auch das Magnetfeld der Spule 28 auf, zu existieren, und Feder 86 bewegt Ventilkugel 84 nach oben - in Fig. 1 gesehen - und gleichzeitig wird Stößel 96 nach oben bewegt, was dazu führt, daß auch Anker 92 unter der Einwirkung des Zwischenstößels 96 nach oben bewegt wird. Diese Aufwärtsbewegungen von Ventilkugel 84, Stößel 96 und Anker 92 hält solange an, bis die Ventilkugel 84 am Sitz 62 anliegt.

Kommen die oben beschriebenen Elemente zum Stillstand, so gelangt das obere Ende 158 (Fig. 1 und 12) von Anker 92 wenigstens in die nächste Nähe des oberen geschlossenen Endes 120 von Bohrung 36. Befindet sich Anker 92 somit in nahem Abstand beim oberen, geschlossenen Ende 120, so ist es klar, daß die Vorspannung auf Feder 94 geringer als die Vorspannung von Feder 86 ist, was Ventilkugel 84, Stößel 96 in der genannten oberen Position hält.

Es ist klar, daß zu jener Zeit, zu welcher die genannten Elemente von Feder 86 nach oben bewegt sind, jeglicher Strömung in Bohrung 58 sowie zwischen Anker 92 und Bohrung 58 unter einem Druck von 0,0 psig stehen.

Wird die Wicklung 28 in zyklischen Impulsen einer durch den Prozessor (P) 168 definierten Zeitspanne zwischen aufeinanderfolgenden Impulsen de-aktiviert, so nimmt der Druck, der der Steuervorrichtung 16 zugeführt wird, einen Prozentwert des Druckdifferentials zwischen der Zufuhr 14 und dem Sumpfdruck P_s an, gleich dem Prozentsatz der Zeitspanne, während welcher die Wicklung 28 de-aktiviert ist. So möge beispielsweise Vorrat 14 Medium bei einem Druck von 60,0 psig liefern und der an Steuervorrichtung 16 herrschende Druck 0,0 psig betragen, welcher gleich dem Druck P_s ist, wenn Wicklung 28 50% der Zeitspanne de­ aktiviert wird, und der der Steuervorrichtung 16 zugeführte Druck liegt in der Größenordnung von 30,0 psig.

Im folgenden soll jener Zustand betrachtet werden, in welchem die Wicklung 28 nicht beaufschlagt ist und Feder 86 Ventilkugel 84, Stößel 96 und Anker 92 nach oben bewegt hat. Der Hub, um welchen sich Stößel 96 (oder Bewegungs­ übertragungselement) nach oben bewegt hat, ist gleich dem Hub, den Ventilkugel 84 zurückgelegt hat zwischen der in Fig. 1 dargestellten Position und der Abdichtposition, in welcher Ventilkugel 84 an Sitz 62 anliegt - siehe auch Fig. 10. Anker 92 und insbesondere die axiale Stirnfläche 160 dieses Ankers wird demgemäß ebenfalls von der axialen Stirnfläche 170 des Polstückes 32 um denselben Abstand nach oben verschoben, den Ventilkugel 84 bis zu ihrem Anliegen an Ventilsitz 62 zurückgelegt hat.

Ist die Wicklung 28 nicht beaufschlagt, so wie oben unterstellt, und wird die Wicklung 28 sodann beaufschlagt, so laufen folgende Vorgänge ab: In dem Augenblick, in dem Wicklung 28 beaufschlagt wird, entfernt sich Stirnfläche 160 von Anker 92 (Fig. 12) von der gegenüberliegenden Stirnfläche 170 von Polstück 32 (siehe Fig. 10).

Der magnetische Fluß der beaufschlagten Wicklung 28 beginnt, Anker 92 gegen die sodann einen Abstand einnehmende Stirnfläche 170 von Polstück 32 zu bewegen. Beim Beginn dieser Bewegung beginnt auch Stößel 96 mit einer Abwärtsbewegung. Dieses Einleiten der Abwärtsbewegung durch Stößel 96 hebt Ventilkugel 84 ab und läßt Medium aus Zufuhr 14 unter relativ hohem Druck über die Ventilkugel 84 hinaus und durch die axialen Räume des genuteten Stößels 96 strömen. Dieses unter relativ hohem Druck stehende Medium füllt den axialen Raum zwischen der Anker-Stirnfläche 160 und der Stirnfläche 170 des Polstückes 32 aus. Die Existenz des unter relativ hohem Druck stehenden Mediums im Zwischenraum zwischen den Stirnflächen 160 und 170 führt relativ rasch zu einem hohen Druckaufbau und zu einer entsprechenden Kraft, entgegen der Stirnfläche 160 des Ankers 92, die einer Bewegung des Ankers 92 gegen das Polstück 32 widersteht. Es ist klar, daß diese hydraulische Gegenkraft zu einer Verzögerung der Bewegung des Ankers 92 aus dem nicht-beaufschlagten Zustand in den voll­ beaufschlagten Zustand führt. Die Gesamt-Wirkung des Ankers 92 ist somit verringert, was den inneren Aufbau des Impulsbreiten-Magnets kritisch macht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen das Magnetventil, das die Lehre der Erfindung verwirklicht. Wenn nicht anders vermerkt, so sind sämtliche Elemente, die ähnlich oder gleich den in Fig. 1 dargestellten Elementen sind, mit denselben Bezugszeichen versehen, unter Beifügung des Buchstabens "a".

Wie man aus den Fig. 2 und 3 erkennt, wird gemäß der Erfindung ein Anker 200 verwendet, der im Aufbau verschieden vom Anker 92 von Fig. 1 ist. Stößel 96a gemäß der Fig. 2 und 3 ist zwar im allgemeinen gleich Stößel 96 von Fig. 1, weist jedoch gewisse Unterschiede auf.

Wie man aus den Fig. 2, 3, 7, 8 und 9 erkennt, ist die axiale Länge des Stößels 96a wesentlich größer als diejenige von Stößel 96. Der obere Teil 202 des Stößels 96a ist am besten von vergleichsweise verringertem Querschnitt und verringerter Querschnittsfläche.

Polstück 32a der Fig. 2, 3 und 13 ist mit der Querflußplatte 46a verbunden, so wie in Fig. 1 dargestellt.

Anker 200 (Fig. 2, 3, 14 und 15) weist eine zylindrische Wand 208 von im wesentlichen gleichförmiger Querschnittsstärke auf, eine äußere zylindrische Fläche 204 sowie Stirnflächen 210 und 212. Man erkennt ferner aus Fig. 15 eine Kammer 205 mit einer inneren zylindrischen Fläche 206, die dem Anker 200 angeformt ist. Diese ist gegen die Stirnfläche 212 hin offen und zur Mantelfläche 204 konzentrisch. Eine zweite Kammer 214 ist gegen die Stirnfläche 210 hin offen. Sie ist am besten ebenfalls konzentrisch zur Mantelfläche 204 und damit auch zur inneren Fläche 206. Bei der bevorzugten Ausführungsform weist Anker 200 eine Zwischenwand 216 auf, die die beiden Kammern 214 und 205 voneinander trennt.

Sitzt Ventilkugel 84a auf dem Sitz, so wird stromaufwärts der geschlossenen Ventilkugel 84a (Fig. 2) ein relativ hoher Mediumdruck aufrechterhalten. Dies ist bereits bei der Ausführung gemäß Fig. 1 der Fall.

Die folgende Beschreibung soll sich weiterhin mit den Fig. 2 und 3 befassen. Ist Ventilkugel 84a gegen jenseits befindlichem Medium abgesperrt, so wird der relativ hohe Mediumdruck der Zufuhr 14 in Kanal 88a, Kanal 90a und Kammer 82a gehalten, allesamt stromaufwärts von Ventilkugel 84a.

Zu diesem Zeitpunkt ist Vorrichtung 10a elektrisch de­ aktiviert. Der niedrige oder Sumpfdruck oder Steuerdruck P_s, der 0,0 psig betragen kann, herrscht in Kanal 78a, und in Kanal 76a, die zu Kammer 74a führt. Von hier aus gelangt durch den O-Ring 72a kein Medium radial nach außen, und durch O-Ring 80a sowie durch den relativ hohen Druck, der sich bereits in Kammer 82a befindet, auch nicht nach unten in Kammer 82a.

Medium unter geringem Druck P_s in Kammer 74a strömt durch Radialkanäle 38a und 40a, sodann durch Kanal 58a nach oben und insbesondere durch die sich in Längsrichtung erstreckenden Räume zwischen den sich radial erstreckenden Rippen 128a, 130a, 132a und 134a.

Die Öffnungen 122a und 124a kommunizieren zwischen dem Sumpfdruck P_s und dem Inneren von Bohrung 36a, die das Polstück 32a und den Anker 200 enthält. Demgemäß herrscht der niedere Sumpfdruck P_s zwischen der Mantelfläche 204 und der gegenüberliegenden inneren Zylinderfläche 36a von Spule 20a - siehe Fig. 16. Derselbe niedrige Druck P_s herrscht in Ankerkammer 214 sowie zwischen Ende 210 des Ankers 200 und Wand 120 von Spule 20a - siehe Fig. 2. Medium, das unter demselben niedrigen Druck P_s steht, wird in Kammer 205 sowie zwischen die einander gegenüberliegenden Stirnflächen 212 von Anker 200 und 170a von Polstück 32a eingeführt.

Der im wesentlichen hülsenförmige Teil 22a von Spule 20a weist eine Reihe von sich axial erstreckenden Nuten auf, von denen die Nut 240 dargestellt ist. Diese kommunizieren mit Ausnehmungen von Stirnwand 26a der Spule 20a; siehe Ausnehmung 242. Demgemäß strömt unter relativ niedrigem Sumpfdruck P_s stehendes Medium durch diese Kanäle, Schlitze oder Nuten und umgehen somit Spule 20a, elektrische Wicklung 28a und Anker 200.

Befindet sich Ventilkugel 84a in Offen-Position, so wie in Fig. 3 gezeigt, so strömt Medium, das unter relativ hohem Druck steht und das von der geschlossenen Ventilkugel 84a (Fig. 2) abgesperrt war, nunmehr aus Kammer 82a über Ventilkugel 84a in Kanal 58a des Polstückes 32a. Medium dieses hohen Druckes strömt ebenfalls durch die Kanäle 38a und 40a in Kammer 74a, von wo aus Kanäle 76a und 78a bei hohem Mediumdruck zur Steuervorrichtung 16a führen. Medium hohen Druckes strömt durch die Längsräume, die aus dem Stößel 96a gebildet sind, in den Raum, der zuvor herrschte zwischen Stirnfläche 212 des Ankers und Stirnfläche 170a des Polstückes - siehe Fig. 2. Liegt Anker 200 jedoch an der Stirnfläche 210 des Polstückes 32a, so passiert folgendes:
Das Medium zwischen Anker 200 und Bohrung 36a, in den Längsnuten 240, in den Aussparungen 242 sowie um Spule 20a und um die Wicklungen 28a herum nimmt einen relativ niedrigen Druck P_s an, und behält diesen auch bei Kammer 205 von Anker 200 umschließt jedoch in der in Fig. 3 gezeigten Position den oberen Teil des Stößels 96a mit dem relativ hohen Mediumdruck P_h, der durch die Längsräume von Stößel 96a übertragen wird.

Erzeugt Prozessor 168a das nächste Signal, so schaltet die elektrische Energiequelle 166a ab, so daß die Wicklung 28a über die Leiter 162a und 164a nicht beaufschlagt wird. Demgemäß bewegt Feder 86a die Ventilkugel 84a so lange nach oben, bis diese am Sitz 62a anliegt, so daß die Strömung abgesperrt wird. Die Bewegung der Ventilkugel 84a führt zu einer Aufwärtsbewegung von Stößel 96a. Dies führt wieder zu einer Bewegung des Ankers 200 in einer Richtung hinweg von Polstück 32a und gegen die Querwand 120a mit den Belüftungsöffnungen 122a und 124a. Nehmen die einzelnen Elemente dann ihre in Fig. 2 gezeigten Positionen ein, so ist der Mediumdruck stromabwärts der Ventilkugel 84a, wie zuvor beschrieben, auf einen Wert von 0,0 psig oder P_s; dieser niedrige Mediumdruck herrscht natürlich auch in Kammer 205 von Anker 200.

Fig. 16 ist eine vergrößerte Teilansicht des Gegenstandes von Fig. 2. Man erkennt hieraus noch genauer die relativen Positionen von Anker 200, Feder 94a, Stößel 96a, Polstück 32a und Teil 22a von Spule 20a. Im übrigen entspricht die Darstellung von Fig. 16 im wesentlichen jener von Fig. 2. Die Spule 28a wurde de-aktiviert, so daß Feder 86a die Ventilkugel 84a nach oben drücken konnte - so wie in Fig. 2, und zwar solange, bis Ventilkugel 84a an Sitz 62a anliegt. Bei dieser Bewegung liegt Ventilkugel 84a an Stößel 96a an, so daß Anker 200 gegen die Kraft der Feder 94a in die in Fig. 16 dargestellte Position verbracht wird. Zu diesem Zeitpunkt herrscht der maximal mögliche Abstand zwischen Anker 200 und dem Polstück 32a. Ferner bilden die Stirnfläche 212 des Ankers 200 und die Stirnfläche 170a des Polstückes 32a einen Arbeitsspalt G. Schließlich ist der hülsenförmige Raum 300 zwischen der Außenfläche 204 von Anker 200 und der Innenfläche 36a der Spule 20a mit Medium gefüllt, das unter niedrigem Druck steht, beispielsweise P_s; Medium dieses Druckes kommuniziert mit der Umgebung über die Belüftungsöffnungen 122a und 124a mit der Umgebung. Zu diesem Zeitpunkt ist Kammer 205 ebenfalls mit Medium niedrigen Druckes P_s angefüllt, so wie auch der Raum 302 zwischen Anker 200 und Polstück 32a. Da Ventilkugel 84a den Strom von Medium relativ hohen Druckes P_h abgesperrt hat (siehe Fig. 2), so ist der gesamte verfügbare Raum von Bohrung 58a mit Medium niedrigen Druckes P_s angefüllt.

Beaufschlagt die elektrische Energiequelle 166a aufgrund des Kommandos des Prozessors 168a sodann wiederum die Wicklung 28a so wird Anker 200 nach unten gegen das Polstück 32a bewegt. Bei der bevorzugten Ausführungsform beginnt in dem Augenblick, in welchem Anker 200 seine Abwärtsbewegung beginnt - siehe Fig. 2, 3 oder 16 -, auch Stößel 96a seine Abwärtsbewegung. Weiterhin beginnt Ventilkugel 84a (siehe Fig. 2) ebenfalls in dem Augenblick, in welchem Stößel 96a beginnt, sich nach unten zu bewegen, ihre Abwärtsbewegung. Hierbei beginnt sie, Kanal 62a (Fig. 13) gegenüber der Strömung relativ hohen Mediumdrucks P_h von Vorrat 14 zu öffnen.

In Fig. 16 deuten die kräftigen Pfeile 320-320 den Zustrom von Medium an, das unter hohem Druck P_h steht, und zwar durch die Bohrung 58a.

Im folgenden soll auf die Fig. 1, 4, 5, 6, 10, 11 und 12 eingegangen werden. Ist Wicklung 28 beaufschlagt, so ist Ventilkugel 84 vom Sitz abgehoben. Medium unter hohem hydraulischen Druck P_h beaufschlagt unverzüglich die Stirnfläche 160 des Ankers 92. Der resultierende Druck wirkt entgegen der Bewegung des Ankers 92 in abwärtiger Richtung, und vergrößert die Zeitspanne, die notwendig ist, damit Anker 92 mit Polstück 32 in Kontakt gelangt. Damit wird auch die Zeitspanne vergrößert, die notwendig ist, damit Steuerdruck gegen die Atmosphäre abgesperrt wird. Wird Wicklung 28 de-aktiviert, so ist die Abfallzeit des Ankers 92 ebenfalls groß, aufgrund der kleinen hydraulischen Fläche, die auf den Anker 92 wirkt. Diese Fläche ist die projizierte Querschnittsfläche der Bohrung 58 von Polstück 32. Die langen Anzugs- und Abfallzeiten beim Stande der Technik verringern den wirksamen Arbeitszyklusbereich vorbekannter, modulierter Impulsbreiten-Magneteinheiten; der Unterschied zwischen den Anzugs- und Abfallzeiten verringert das Druckverhältnis bei einem gegebenen Arbeitszyklus (duty cycle).

Im folgenden soll auf die Fig. 2, 3, 7, 8, 9, 13, 14, 15 und 16 eingegangen werden, die die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wiedergeben. Kammer 205 von Anker 200 ist zunächst leer. Sie muß bei geringer Verzögerung mit Medium aus Vorrat 14 angefüllt werden, bevor ein nennenswerter Anstieg des hydraulischen Druckes auftreten kann. Eine derart geringe Verzögerung des hydraulischen Druckanstieges erlaubt eine größere Anfangsbewegung des Ankers 200 gegen Polstück 32a, bevor die volle Druckkraft des Mediums, das unter Ph steht, auf den Anker 200 aufgebracht wird, und zwar in einer Richtung, die eine Bewegung des Ankers 200 gegen das Polstück 32a widersteht.

Bei der Darstellung von Fig. 16 befindet sich Anker 200 in seiner obersten Position, da die Wicklung 28a nicht beaufschlagt ist. Man erkennt ferner den Arbeitsspalt G zwischen der Anker-Stirnfläche 212 und dem Polstück 170a. Weiterhin steht in diesem nicht-beaufschlagten Zustand jegliches Medium höchstens unter dem Druck P_s, und zwar in den folgenden Räumen:

• a) verfügbarer Innenraum der Bohrung 58a; (b) Raum 302;
• c) zylinderartiger Raum 300; (d) Raum in Aussparung 214;
• e) Raum 322 axial zwischen Stirnfläche 210 von Anker 200 und Fläche 324 der gegenüberliegenden Stirnwand 120a; (f) Belüftungskanäle 122a und 124a zur Umgebung; (g) Kammer 205 in Anker 200.

Wird sodann Wicklung 28a beaufschlagt so bewegt sich Anker 200 rasch um den dargestellten angenommenen Hub D gegen Polstück 32a, und zwar bevor Medium unter relativ hohem Druck Ph zum Anker gelangen kann. Diese Fähigkeit von Anker 200, sich relativ rasch aus der in Fig. 16 ausgezogenen Position in die gestrichelte Position zu bewegen, so wie zuvor beschrieben, wird durch die zusätzliche Zeitspanne ermöglicht, die notwendig ist, bis unter hohem Druck Ph stehendes Medium Kammer 205 von Anker 200 anfüllt. Zu dem Zeitpunkt, zu dem dies eintritt, hat sich Anker 200 bereits in die gestrichelt dargestellte Position 212′ bewegt. Hierbei beachte man folgendes: Erreicht Anker 200 Position D, so ist dies keine Stelle, an welcher Anker 200 anhält; vielmehr ist dies eine angenommene Stelle, bis zu welcher sich Anker 200 bis zu jenem Zeitpunkt bewegt hat, zu welchem unter hohem Druck Ph stehendes Medium den Anker 200 voll beaufschlagt.

Anker 200 bewegt sich aus der gestrichelt dargestellten Position 212′ gegen die Stirnfläche 170a des Polstücks 32a.

Man beachte, daß sich Anker 200 zur gestrichelt dargestellten Position 212′ in einer deutlich kürzeren Zeitspanne bewegt hat, als dies bei Anker 92 gemäß dem Stand der Technik möglich wäre, da Anker 92 unverzüglich mit der vollen Kraft des hohen Druckes P_h beaufschlagt würde. Statt dessen erfährt Anker 200 eine Verzögerung, bevor der hohe Druck Ph Anker 200 voll und ganz beaufschlagt, und zwar hauptsächlich im Hinblick auf die Existenz des Volumens 205.

Demgemäß nimmt Anker 200 zunächst die Position 212′ auf. Dies führt zu einem weiteren Vorteil: Indem Anker 200 zunächst die Position 212′ erreicht, wird der Arbeitsluftspalt zwischen der Anker-Stirnfläche 212′ und der Stirnfläche 170a des Polstücks 32a schneller verringert. Dadurch wird der Magnetkraftzuwachs verstärkt, und damit der Anker 200 bei seiner Bewegung zum Polstück 32a hin weiterhin beschleunigt.

Dieser schneller reagierende Anker 200 berührt Polstück 32a rascher, und dichtet damit rascher den Steuerdruck gegen die Atmosphäre. Dies führt zu einer Verringerung der Anzugzeitspanne. Auch die Abfallzeit des Ankers 200 wird verringert. Dies geht darauf zurück, daß die hydraulische Fläche, die auf Anker 200 wirkt, vergrößert ist. Dies läßt sich aus den Fig. 3 und 16 erkennen. Gelangt Anker 200 mit Polstück 32a in Kontakt, so befindet sich die Strömung des unter relativ hohem Druck P_h stehenden Mediums, das durch den verfügbaren Raum in Bohrung 58a des Polstückes 32a strömt, in direkter leitender Verbindung mit Kammer 205 von Anker 200. Die Querschnittsfläche von Kammer 205, auf welcher der genannte relativ hohe Druck Ph steht, ist viel größer, als die Fläche des Ankers 92 gemäß dem Stande der Technik. Bei der Darstellung von Fig. 1 wird der relativ hohe Mediumdruck P_h auf die Querschnittsfläche aufgebracht, die durch Bohrung 58 definiert ist. Nichts im Stande der Technik ist jedoch vorhanden, das eine Verzögerung des Aufbaus des hohen Druckes P_h von Druckquelle 14 veranlaßt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Kammer 205 genau zylindrisch; das Wesen der Erfindung besteht jedoch darin, daß überhaupt ein durch die Kammer 205 geschaffener Raum vorhanden ist. Es kommt auch in Betracht, daß der axial obere Teil der zylindrischen Wand 206 und die Kammer 205 seitlich erweitert sind, so wie in Fig. 16 gezeigt.

Bei der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist Einlaß 326 zu Raum 205 von Anker 200 ferner derart angeordnet, daß er im wesentlichen mit der Richtung des unter hohem Druck Ph stehenden Druckes fluchtet, so wie durch die Pfeile 320-320 veranschaulicht. Die besten Ergebnisse werden dann erzielt, wenn Kammer 205 und Einlaßöffnung 326 derart angeordnet sind, daß sie soweit wie möglich mit der Richtung der Strömung des unter hohem Druck P_h stehenden Mediums fluchten.

Claims (8)

1. Magnetventileinheit zum Steuern des Durchsatzes eines Mediums, das unter relativ hohem Druck steht, zwischen einer Mediumquelle (14) und einer Steuervorrichtung (16), auf die mittels des Mediums eingewirkt werden soll, mit den folgenden Merkmalen:

• 1.1 eine Magneteinheit mit einer elektrisch beaufschlagbaren Wicklung (28) zum Erzeugen eines Magnetfeldes;
• 1.2 mit einer Spule, die die Wicklung (28) trägt und die eine Zentralbohrung (36) aufweist;
• 1.3 mit einem Polstück (32), das an einem Ende der Zentralbohrung (36) angeordnet ist;
• 1.4 mit einem Anker (92, 200), der gleitend in der Zentralbohrung (36) angeordnet ist und der zwei Stirnflächen (210, 212) aufweist;
• 1.5 mit einem Ventilelement (84, 84a) zum Freigeben und Absperren des unter hohem Druck stehenden Mediums;

gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 1.6 es ist eine Leitung vorgesehen, die von dem Polstück definiert wird und die von dem Ventilelement (84a) zu einem axialen Raum zwischen der ersten Stirnfläche des Ankers und einer Stirnfläche des Polstückes führt, wobei bei elektrischem Beaufschlagen der Wicklung (28) das Ventilelement (84a) öffnet, so daß Medium, welches unter relativ hohem Druck steht, von der Quelle (14) sowie durch die Leitung zur ersten Stirnfläche des Ankers fließt;
• 1.7 bei elektrischer Beaufschlagung der Wicklung (28) wird auf den Anker (200) durch das Magnetfeld eingewirkt, um diesen gegen die genannte Fläche des Polstückes zu bewegen;
• 1.8 der Anker (200) umfaßt eine Kammer (205), ferner eine Kammeröffnung in der ersten Stirnfläche des Ankers (200);
• 1.9 Medium des genannten relativ hohen Druckes, das zur ersten Stirnfläche des Ankers (200) strömt, strömt in die Kammer (205), während sich der Anker (200) gegen die Stirnfläche des Polstückes hinbewegt;
• 1.10 die volle Kraft des unter relativ hohem Druck stehenden Mediums wird auf den Anker (200) aufgebracht, um der Bewegung des Ankers gegen die genannte Stirnfläche des Polstückes dann entgegenzuwirken, wenn die Kammer (205) mit dem unter relativ hohem Druck stehenden Medium gefüllt wird.

2. Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Bewegungs-übertragendes Element (Stößel 96) vom Anker (200) erfaßbar und durch diesen gegen das Ventilelement (84a) bewegbar ist, um zeitweise das Ventilelement (84a) von einem zugeordneten Ventilsitz abzuheben, um eine Strömung von Medium unter relativ hohem Druck von der Quelle (14) zu ermöglichen.

3. Magnetventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (96a) in dem Kanal gleitbar angeordnet ist.

4. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (96a) in der Kammer angeordnet ist und mit einer Stirnfläche des die Kammer enthaltenen Ankers in Wirkverbindung steht.

5. Magnetventil nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein Teil des Stößels (96a) in der Kammer des Ankers (200) angeordnet ist, daß der Anker (200) und das Ventilelement (84a) sowie der Stößel (96a) in geradliniger Richtung vorzugsweise einteilig miteinander sind, daß eine erste Feder dem Anker (200) und dem Stößel (96a) zugeordnet sind, um diese gegen das Ventilelement (84a) zu drücken, und daß eine zweite Feder vorgesehen ist, die auf das Ventilelement (84a) gegen den Stößel (96a) und den Anker (200) einwirken, wobei die Vorspannung der zweiten Feder größer als die Vorspannung der ersten Feder ist.

6. Magnetventil mit einer elektrisch beaufschlagbaren Wicklung (28), mit einem Polstück (32) zum Erzeugen eines magnetischen Flusses bei Beaufschlagung der Wicklung, sowie mit einem Ventilelement (84a), das mit einem Ventilsitz zusammenarbeitet, um zeitweise zu öffnen und damit ein Medium relativ hohen Druckes, das von einer Quelle (14) herangeführt ist, zeitweise durchzulassen, mit einem zylindrischen Anker, der bei Beaufschlagen der Wicklung (28) gegen das Polstück bewegbar ist, und der in eine relativ entfernte Position bewegbar ist, in welcher er bei De- Aktivierung der Wicklung (28) vom Polstück am weitesten entfernt ist, ferner mit einem Stößel, der das Ventilelement (84a) in Offenstellung bewegt, und der im wesentlichen zwischen Anker (200) und Ventilelement (84a) angeordnet ist, wobei ein genügend großer Hub des Ankers (200) gegen das Polstück dazu führt, daß der Stößel (96a) das Ventilelement (84a) öffnet, gekennzeichnet durch die folgenden Merkmale:

• 6.1 ein genügend großer axialer Hub des Ankers (200) gegen das Polstück (32) führt dazu, daß der Stößel (96a) das Ventilelement (84) öffnet;
• 6.2 ein elektrisches Beaufschlagen der Wicklung (28) und des Ankers führt dazu, daß durch Bewegen des Polstückes das Medium relativ hohen Druckes der Bewegung des Ankers (200) gegen das Polstück entgegenwirkt;
• 6.3 es ist eine Kammer vorgesehen, um jenen Zeitpunkt zu verzögern, zu welchem die volle Größe des relativ hohen Mediumdruckes voll und ganz auf den Anker aufgebracht wird, um hierdurch den Anker in die Lage zu versetzen, sich gegen das Polstück während eines Anfangshübes zu bewegen, während welches die volle Größe des relativ hohen Mediumdruckes nicht voll auf den Anker aufgebracht wird.

7. Magnetventil mit einem in einer ersten Richtung bei Beaufschlagen einer elektrischen Wicklung bewegbaren Anker, dadurch gekennzeichnet, daß ein relativ hoher Mediumdruck auf den Anker dann aufgebracht wird, wenn sich dieser in der ersten Richtung bewegt, und daß eine Kammer im Anker vorgesehen ist, um einen anfänglichen Teil des unter relativ hohen Druck stehenden Mediums aufzunehmen und hierdurch den Zeitpunkt des Aufbringens der vollen Kraft des relativ hohen Mediums auf den Anker zu verzögern.