DE4430509A1 - Magnetventil - Google Patents
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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 Ps 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 Ps 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 Ps 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
Ps, 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 Ps 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 Ps und dem Inneren von Bohrung 36a, die das
Polstück 32a und den Anker 200 enthält. Demgemäß herrscht
der niedere Sumpfdruck Ps zwischen der Mantelfläche 204 und
der gegenüberliegenden inneren Zylinderfläche 36a von Spule
20a - siehe Fig. 16. Derselbe niedrige Druck Ps 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 Ps 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 Ps 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 Ps 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 Ph, der durch die Längsräume von Stößel 96a übertragen wird.
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 Ps 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 Ph, 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 Ps;
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 Ps; 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 Ps
angefüllt, so wie auch der Raum 302 zwischen Anker 200 und
Polstück 32a. Da Ventilkugel 84a den Strom von Medium
relativ hohen Druckes Ph abgesperrt hat (siehe Fig. 2), so
ist der gesamte verfügbare Raum von Bohrung 58a mit Medium
niedrigen Druckes Ps 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 Ph von Vorrat 14 zu öffnen.
In Fig. 16 deuten die kräftigen Pfeile 320-320 den Zustrom
von Medium an, das unter hohem Druck Ph 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 Ph 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 Ps, 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 Ph 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 Ph 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 Ph 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 Ph 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 Ph 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.
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