DE4439890A1

DE4439890A1 - Ventilanordnung

Info

Publication number: DE4439890A1
Application number: DE4439890A
Authority: DE
Inventors: Frank Lubischer; Thomas Wald
Original assignee: Lucas Industries Ltd
Current assignee: ZF International UK Ltd
Priority date: 1994-11-08
Filing date: 1994-11-08
Publication date: 1996-05-09
Anticipated expiration: 2014-11-09
Also published as: DE4439890C2; US6120003A; KR970706999A; JPH10508673A; EP0790907B1; WO1996014227A1; EP0790907A1; DE59502925D1; KR100386686B1; JP3744540B2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Ventilanordnung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

In der EP-0492109 A1 ist ein Sperrventil mit einem verbraucher seitigen Ventilsitz und einem druckerzeugerseitigen Schließ glied beschrieben, das durch Magnetkraftwirkung auf einem Anker am Ventilsitz anzugreifen vermag. Zwischen dem Anker und dem Schließglied ist eine Druckfeder angeordnet. Diese übt in der Ventilschließstellung eine auf den Ansprechdruck abgestimmte Schließkraft auf das Schließglied aus. Auf diese Weise ist in der Ventileinheit ein Absperrventil und ein Druckbegrenzungs ventil verwirklicht.

Aus der DE 38 32 023 ist bekannt, gegenparallel zu einem ASR- Umschaltmagnetventil Rückschlagventile mit unterschiedlicher Vorspannung als Sicherheitsventile vorzusehen. Allerdings sind diese Rückschlagventile als separate Baugruppen ausgeführt.

Aus der DE 35 06 287 A1 ist ein Elektroventil zur Steuerung von Antiblockiervorrichtungen in Kraftfahrzeugen bekannt, das den Druckabfall in der Betätigungsvorrichtung steuert, durch den ein blockiertes Rad des Fahrzeugs gelöst wird, so daß die ver lorene Bodenhaftung wieder hergestellt wird. Dazu weist das Elektroventil eine mit dem Steuerkreis zur Steuerung der Kraft fahrzeugbremsen zu verbindende Eingangsöffnung, eine mit einer Betätigungsvorrichtung der zugeordneten Bremse zu verbindende Ausgangsöffnung und eine mit einem Ablaufbehälter verbundene Ablauföffnung auf. Ein Ventilschieberorgan dient zur wahlweisen Verbindung der Ausgangsöffnung mit der Eingangsöffnung und der Ablauföffnung. Das Ventilschieberorgan, das durch elastische Mittel in diejenige Position vorgespannt ist, in der die Aus gangsöffnung mit der Eingangsöffnung in Verbindung steht, läßt sich durch einen Elektromagneten gegen die Wirkung der elasti schen Mittel in diejenige Position bewegen, in der die Aus gangsöffnung mit der Ablauföffnung verbunden ist. Im Bereich der Ablauföffnung ist ein Rückschlagventil angeordnet, welches bewirkt, daß das Fluid nur dann ablaufen kann, wenn sein Druck über einem vorbestimmten Schwellenwert liegt.

Aus der DE 16 50 574 A1 ist ein elektromagnetisch betätigbares Miniaturventil mit einem Magnetsystem, das einen Radial- und einen Axialluftspalt hat, und dessen Ventilglied bei erregtem Magnetsystem auf einem Ventilsitz aufliegt und dadurch dessen Fluidströmungsweg sperrt. Bei diesem Ventil verläuft bei entregtem Magnetsystem der Fluidströmungsweg vom Ventilsitz aus durch den magnetischen Axialluftspalt und dann vom Anker abge wendet durch das Ventilgehäuse nach außen. Damit befindet sich der Anker in einem fluidströmungstoten Raum, da die Fluidströ mung die magnetischen Feldlinien einmal im Axialluftspalt und einmal beim Durchtritt durch das Gehäuse schneidet.

Aus der DE 41 12 136 A1 ist eine Baueinheit aus einem Druckbe grenzungsventil und einem Umschaltventil für eine hydraulische Bremsanlage mit einer Blockierschutz- und Antriebsschlupfrege leinrichtung bekannt. Die Baueinheit hat ein aus einem Gehäuse mantel mit einer darin aufgenommenen Spule gebildetes Führungs rohr für einen darin längs bewegbar aufgenommenen Anker. Das Führungsrohr ist an beiden Enden durch jeweilige Jochteile ab geschlossen. Das erste Jochteil weist einen ersten Anschluß des Umschaltventils auf. Dieser außermittig angeordnete Anschluß steht mit dem Innenraum des Führungsrohres in Verbindung. Dar über hinaus weist das erste Jochteil den koaxial zur Längsachse des Führungsrohres verlaufenden dritten Anschluß des Umschalt ventils auf. Dieser dritte Anschluß endet in einem ersten Ven tilsitz. Das zweite Jochteil ist mittig mit dem zweiten An schluß des Umschaltventils versehen. Dieser zweite Anschluß führt im Inneren zu einem zweiten Ventilsitz.

Der Anker des Umschaltventils ist rohrförmig ausgebildet und weist auf der Seite des zweiten Jochteils einen Innenbund auf. An diesem Innenbund ist eine als Schraubendruckfeder ausgebil dete Rückstellfeder abgestützt, welche an dem zweiten Jochteil angreift. Im Anker sind zwei für Druckmittel durchlässige Scheiben aufgenommen, zwischen denen sich eine als Schrauben druckfeder ausgebildete koaxial zur Längsachse verlaufende Fe der befindet. Die Feder ist einer Vorspannkraft unterworfen, aufgrund der die erste Scheibe an einem in den Anker eingefüg ten Anschlagring und die zweite Scheibe am Innenbund abgestützt ist. Auf der Seite des ersten Jochteils ist an der ersten Scheibe eine als erstes Schließglied dienende Kugel befestigt. Das erste Schließglied bildet im Zusammenwirken mit dem Ventil sitz des ersten Jochteils ein erstes Sitzventil des Umschalt ventils. An der zweiten Scheibe des Ankers ist auf der Seite des zweiten Jochteils gleichfalls eine Kugel als zweites Schließglied angeordnet. Das Schließglied bildet im Zusammen wirken mit dem Ventilsitz des zweiten Jochteils ein Sitzventil sowohl des Umschaltventils als auch des Druckbegrenzungsven tils.

Diese Anordnung weist relativ viele Teile auf und ist kompli ziert herzustellen.

Demgegenüber ist es Aufgabe der Erfindung, eine Ventilanordnung einfacher und mit weniger Bauteilen herstellbar zu gestalten.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die eingangs genannte Ven tilanordnung durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 weitergebildet.

Bei einem derartigen Ventil wird bei Überschreiten eines Grenz drucks die Schließkraft überwunden und das Ventil öffnet sich, so daß eine weitere Drucksteigerung nicht möglich ist. Bevor der Grenzdruck erreicht ist, ist der zweite Ventilanschluß ge genüber dem ersten Ventilanschluß gesperrt.

Zur Verringerung des erforderten Bauraumes und zur vereinfach ten Montage kann erfindungsgemäß eine Kombination der beiden Ventilfunktionen, maximale Druckbegrenzung und Absperren der Fluidverbindung, in einer einzigen Ventilanordnung vorgesehen sein.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Ventilanordnung sind Gegen stand weiterer Ansprüche.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Ventilanordnung sind in der nachstehenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 eine Ventilanordnung gemäß der Erfindung in einer schematischen Querschnittsdarstellung;

Fig. 2 ein Diagramm, in dem die Magnetkraft einer Elektromagnetanordnung gegenüber der Breite des Luftspaltes aufgetragen ist;

Fig. 3 ein Diagramm, in dem die Flußdichte in einer Elektromagnetanordnung gegenüber der Feldstärke aufgetragen ist.

Fig. 1 zeigt eine Ventilanordnung 18, die als 2/2-Wegeventil mit elektromagnetischer Betätigung ausgestaltet ist. Von dem ersten Fluidanschluß 16 führt im unbetätigten Zustand der Ven tilanordnung 18 eine Strömungsverbindung zu einem zweiten Flui danschluß 20.

Wenn die Ventilanordnung 18 betätigt wird, schaltet ein Steuer signal die Ventilanordnung 18 ein, d. h. deren Elektromagne tanordnung 42 wird angesteuert und ein Ventilglied 44 wird ver schoben, so daß der erste und der zweite Fluidanschluß 16, 20 nicht mehr in Strömungsverbindung stehen (siehe Fig. 1).

Je nach Anwendungsfall der Ventilanordnung 18 kann in deren ge sperrtem Zustand der Fluiddruck sowohl an dem ersten Fluidan schluß als auch an dem zweiten Fluidanschluß der Ventilanord nung 18 ansteigen. Der durch den Druckanstieg hervorgerufenen Kraft F_p am zweiten Fluidanschluß 20 der Ventilanordnung 18 steht als Schließkraft die Axialkomponente der durch die Elek tromagnetanordnung 42 erzeugten Magnetkraft F_L entgegen. Auf grund der vorbestimmten Druck- und Flächenverhältnisse in der Ventilanordnung 18 ergibt sich ein bestimmter maximal möglicher Druck an dem zweiten Fluidanschluß 20, der z. B. etwa 60 bar be tragen kann. Wird dieser maximal mögliche Druck überschritten, gibt das Ventilglied 44 den zweiten Fluidanschluß 20 frei, so daß das Überdruck-Fluid über den ersten Fluidanschluß 16 ent weichen kann. Die Bemessung der einzelnen Komponenten wird wei ter unten erläutert.

Auf diese Weise wird der maximal mögliche Druck am zweiten Fluidanschluß 20 wirksam begrenzt.

Die Ventilanordnung 18 weist eine im wesentlichen zylindrische Gestalt auf, wobei an einer Stirnfläche (in Fig. 1 oben) der zweite Fluidanschluß 20 mündet, während der erste Fluidanschluß 16 radial an der Außenwand der Ventilanordnung 18 mündet.

Die Elektromagnetanordnung 42 ist dem zweiten Fluidanschluß 20 gegenüberliegend (am unteren Ende der Ventilanordnung 18 in Fig. 1) angeordnet.

Die Elektromagnetanordnung 42 weist eine Erregerspule 79 auf, die in einem Dorn 72 zentriert aufgenommen ist. Die Erreger wicklung ist dabei als Topfspule 79 ausgestaltet, in deren zy lindrischer Ausnehmung 72 etwa bis zur Hälfte ein Eisenkern 74 mit einer koaxialen Durchgangsbohrung 76 ragt. In der Durch gangsbohrung 76 ist ein koaxial verschieblicher Tauchanker 78 aufgenommen, der sich an seinem in das Innere der Topfspule 79 reichenden Ende auf den Innendurchmesser der Topfspule 79 durch einen im wesentlichen hohlzylindrischen Eisenkörper 80 verbrei tert. Gegen einen Anschlag 82 der Ventilanordnung 18 kann der Tauchanker 78 durch eine im Inneren des hohlzylindrischen Kör pers 80 angeordnete Schraubenfeder 84 abgestützt sein.

Zwischen der Stirnfläche 86 des in das Innere der Topfspule 79 ragenden Eisenkerns 74 und der ihr gegenüberliegenden Stirnflä che 88 des hohlzylindrischen Körpers 80 ist ein in seiner Höhe veränderbarer Luftspalt S_L ausgebildet.

Der die Durchgangsbohrung 76 durchragende Tauchanker 78 ragt an seinem von der Elektromagnetanordnung 42 abliegenden Ende 90 in einen Ventilraum 92. Das Ende des Tauchankers 78 ist als Ven tilglied 44 ausgebildet oder steht mit dem Ventilglied 44 in Berührung, das beispielsweise aus einer Kugel 44 gebildet ist.

In der Ruhestellung der Ventilanordnung 18 kann Fluid zwischen der Oberfläche des Ventilgliedes 44 und der Wandung 102 des Ventilraumes strömen, so daß eine Verbindung von dem ersten Fluidanschluß 16 zu dem zweiten Fluidanschluß 20 besteht.

Das Ventilglied 44 ist durch eine Schraubenfeder 106 gegen die obere innere Stirnwand 108 der Ventilanordnung 18 abgestützt, so daß eine definierte Ventilöffnung im Bereich des zweiten Fluidanschlusses gegeben ist.

In der Betätigungsstellung der Ventilanordnung 18 liegt das Ventilglied 44 auf einem Ventilsitz 100 an, so daß der erste Fluidanschluß 16 von dem zweiten Fluidanschluß 20 strömungsmä ßig getrennt ist.

Zur definierten Einstellung der Schließ- bzw. Haltekräfte bei erregter Elektromagnetanordnung 42, wobei Einflüsse durch Tem peratur- und Spannungsschwankungen nach Möglichkeit eliminiert sein sollen, dienen nachfolgende Bemessungsregeln.

Da üblicherweise eine Stromregelung des Betätigungssignals der Elektromagnetanordnung 42 nicht vorgesehen ist, kann ein Pro portionalmagnet nicht verwendet werden. Die Einstellung der Ma gnetkräfte kann damit nur über den Luftspalt S_L, und/oder eine definierte Materialauswahl bzw. geometrische Auslegung erreicht werden.

In den Fig. 2 und 3 ist die Abhängigkeit der Magnetkraft Fm über der Höhe des Luftspalts S_L bzw. die Flußdichte B über der Feldstärke H aufgetragen.

Wie in Fig. 2 gezeigt, steigt ab einem Grenzluftspalt S_L0 < S_L die Magnetkraft überproportional an. Dies bedeutet, daß in dem Bereich 0 . . . S_L0 schon sehr kleine Spaltänderungen zu einem überproportionalen Anstieg der Magnetkräfte führen und somit die Spalttoleranzen zur Einstellung entsprechend eng sein müs sen.

Um die Einstelltoleranzen zu vergrößern, wird nun vorgeschla gen, den Bereich des Luftspaltes S_L zu verwenden, in dem eine konstante oder zumindest nur geringfügig anwachsende Änderung der Magnetkraft (S_L0 < S_L < S_L1) als Spaltenmaß verwendet wird. In diesem Abschnitt der Kurve haben Schwankungen des Luftspal tes (Toleranz) einen geringen Einfluß auf die ausgeübten Ma gnetkräfte.

Um die Temperatur- und Spannungsempfindlichkeit der Elektroma gnetanordnung 22 in der Ventilanordnung zu verringern, wird auf das Diagramm in Fig. 3 Bezug genommen.

Die Temperatur- und Spannungsunempfindlichkeit kann durch eine Sättigung des Magnetkreises erreicht werden. In einem Magnet kreis ist der magnetische Fluß (Produkt aus Feldstärke und Flä che) überall konstant. Daher kann man durch die Einbringung ei nes Materials, das den magnetischen Fluß leitet, an beliebiger Stelle in dem magnetischen Kreis, z. B. an der mit dem Bezugs zeichen 120 bezeichneten Stelle in Fig. 1, den Magnetkreis sät tigen.

Ist der Magnetkreis gesättigt, stellt sich ein Funktionsverlauf der magnetischen Induktion B über der magnetischen Erregung H(I) gemäß Fig. 3 ein. Wird die Elektromagnetanordnung 42 in dem im wesentlichen konstanten Bereich in Fig. 3 betrieben, kann der Temperatureinfluß fast vollständig eliminiert werden, da der Magnetkreis hier immer gesättigt ist. Der untere Ar beitsbereich ergibt sich dabei aus der minimalen Spannung (U_min), dem maximalen Widerstand (R_max) und der maximalen Tempe ratur (T_max). Der obere Arbeitsbereich ergibt sich entsprechend aus der maximalen Spannung (U_max), dem minimalen Widerstand (R_min) und der minimalen Temperatur (T_min).

Mit diesen Angaben kann unter Berücksichtigung der Federkraft der Feder 106 oder der resultierenden Federkraft der Federn 84 und 106 sowie den Abmessungen des Ventilsitzes 100 der An sprechpunkt der Ventilanordnung 18 festgelegt werden, bei dem die von der Elektromagnetanordnung 42 bewirkte Verschiebung des Ventilgliedes 44 durch einen an dem zweiten Fluidanschluß 20 herrschenden Druck soweit überwunden ist, daß die Kugel 44 von ihrem Ventilsitz 100 weggedrückt wird, so daß die Ventilkammer 92 und damit beide Fluidanschlüsse 16, 20 der Ventilanordnung 18 in Strömungsverbindung stehen.

Wenn die Erregerspule 79 mit Strom beaufschlagt wird, wird über die Elektromagnetanordnung am Anker 78 eine Axialkraft erzeugt. Diese ist in der Lage, das Ventilglied 44 gegen die Kraft der Schraubenfeder 106 zu verschieben, so daß das Ventilglied 44 an seinem Ventilsitz 100 anliegt. Dadurch wird die Verbindung von dem ersten Fluidanschluß 16 zu dem zweiten Fluidanschluß 20 ge sperrt.

Aufgrund der Ventilflächendimensionierung, den Federkräften und den Magnetkräften reicht die hydraulische Kraft am Fluidan schluß 20 ab einem bestimmten Maß aus, um das Ventilglied 44 von ihrem Ventilsitz 100 abzuheben. Sobald dies eintritt, strömt solange Fluid zu dem ersten Fluidanschluß 16, bis ein vorhandener Überdruck abgebaut ist. Der Druck am zweiten Flui danschluß 20 bricht dann sofort zusammen und die Magnetkraft kann den Ventilsitz 100 wieder schließen. Dieser Öffnungs- und Schließvorgang kann sich fortlaufend in einer Art "Shuttle- Bewegung" wiederholen.

Auf diese Weise ist der Druck in dem zweiten Fluidanschluß 20 auf einen voreinstellbaren Wert begrenzbar. Ein weiterer Para meter, um die durch die Elektromagnetanordnung 42 erzeugbaren Kräfte einzustellen, besteht darin, den Effekt der sogenannten Magnetkraftscherung auszunutzen. Dabei werden Magnetkräfte nicht nur in axialer Richtung des Tauchankers 78 wirksam, son dern auch quer dazu. Sobald der Tauchanker 78 in den Scherungs bereich eintaucht, wird die axiale Kraftkomponente um die dann erzeugte Querkraft verringert.

Dazu ist, wie in Fig. 1 veranschaulicht, die Durchgangsbohrung 76 als Stufenbohrung 76a, 76b ausgeführt. In entsprechender Weise ist der an dem Tauchanker 78 angeformte hohlzylindrische Teil an seinem in das Innere der Erregerspule 70 weisenden Sei te mit einer Stufe 140 versehen, so daß ein verjüngter Bereich 80a in den Bereich 76b der Stufenbohrung eintauchen kann.

Beim Eintauchen baut sich ein Teil des magnetischen Flusses in Querrichtung auf und leistet keinen Beitrag zur Schließkraft der Ventilanordnung. Das heißt, der Querkraftaufbau verringert die zum Geschlossenhalten des Ventils zur Verfügung stehende Kraft in vorherbestimmbarer Weise. Die mit dem Bezugszeichen 145 versehenen Feldlinien spalten sich so auf, daß der pro gressiv ansteigende Bereich des Magnetkraftverlaufs wesentlich abgeschwächt werden kann, so daß die Magnetkraftänderungsfunk tion über den Luftspalt in einen Bereich relativer Konstanz verlagert wird, der nahezu unabhängig von der Maßtoleranz des Luftspaltes ist.

Darüber hinaus wird durch die gestufte Ausführung des Eisen kerns 74 und des Tauchankers 78 mit seinem zylindrischen Ansatz 80, 80a die Querschnittsfläche des Luftspaltes verringert, wo durch eine Sättigung des Magnetkreises bei niedrigen Strömen möglich wird.

Claims

1. Ventilanordnung mit

- einem ersten und einem zweiten Fluidanschluß (16. 20) mit je weiligen vorherbestimmten Strömungsquerschnitten,
- wenigstens einem Ventilglied (44), das durch eine erste Fe deranordnung (106) in eine erste Stellung vorgespannt ist, in der der erste und der zweite Fluidanschluß (16, 20) in Strö mungsverbindung stehen und
- einer Ventilbetätigungseinrichtung (42), durch die das Ven tilglied (44) bewegbar ist, um dieses in eine zweite Stellung zu bringen, in der der erste und der zweite Fluidanschluß (20) gegeneinander gesperrt sind,

dadurch gekennzeichnet, daß

- die Vorspannung der ersten Federanordnung (106), die durch die Ventilbetätigungseinrichtung (42) auf das Ventilglied (44) ausübbare Kraft und die Strömungsquerschnitte der Fluidan schlüsse (16, 20) so bemessen sind, daß bei einem vorbestimmten Fluiddruck an dem zweiten Fluidanschluß (20) das Ventilglied (44) den zweiten Fluidanschluß (20) soweit öffnet, daß eine Strömungsverbindung zu dem ersten Fluidanschluß (16) entsteht.

2. Ventilanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungseinrichtung eine Elektromagnetanord nung (42) aufweist.

3. Ventilanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn zeichnet, daß die Elektromagnetanordnung (42) durch wenigstens eine Erregerwicklung (70) gebildet ist, die mit einem Eisenkern (74) verbunden ist, der über einen veränderlichen Luftspalt S_L mit einem Ankerelement (78, 80) zusammenwirkt, durch das das Ventilglied (44) bewegbar ist.

4. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß bei der Erregung der Elektromagne tanordnung (42) die Veränderung des Luftspaltes S_L in einem Be reich (S_L0 < S_L < S_L1) erfolgt, in dem sich die erzeugte Ma gnetkraft (F_L0 < F_L < F_L1) zumindest annähernd linear ändert.

5. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektromagnetanordnung (42) in der magnetischen Sättigung betreibbar ist.

6. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Luftspalt S_L der Elektromagne tanordnung (42) zumindest abschnittsweise eine stufenförmige Querschnittsgestalt (71) aufweist.

7. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungseinrichtung (42) als Topfspule (79) mit Eisenkern (74) und einem Tauchanker (78, 80) ausgebildet ist.

8. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ventilbetätigungseinrichtung (42) durch eine zweite Federanordnung (84) in Richtung der zweiten Stellung des Ventilgliedes (44) vorgespannt ist, wobei die Federkräfte der beiden Federanordnungen (106, 84) so bemes sen sind, daß bei erregter Ventilbetätigungseinrichtung und bei an den ersten und zweiten Fluidanschlüssen (16, 20) anliegenden vorbestimmten Drucken das Ventilglied (44) nicht von seinem Ventilsitz (100) abhebt.

9. Ventilanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ventilglied (44) und das Betä tigungsglied (90) als separate Bauteile ausgeführt sind.