DE60104168T2

DE60104168T2 - Elektromagnetisches Druckregelventil

Info

Publication number: DE60104168T2
Application number: DE60104168T
Authority: DE
Inventors: Anthony Gerhard Oakland Koenings
Original assignee: Eaton Corp
Current assignee: Eaton Corp
Priority date: 2000-05-22
Filing date: 2001-05-16
Publication date: 2005-08-04
Anticipated expiration: 2021-05-17
Also published as: EP1158230A2; BR0102818A; EP1158230A3; EP1158230B1; US6386220B1; ATE270756T1; BR0102818B1; JP2002013661A; AU4384001A; AU782844B2; KR20010107589A; DE60104168D1; ES2222290T3; CA2347610A1; CA2347610C; KR100828938B1

Description

Hintergrund der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Magnetventile, wie sie dazu verwendet werden in Abhängigkeit von einem elektrischen Steuersignal, wie es etwa von einem Mikrocomputer geliefert wird, den Zustrom von unter Druck stehendem Hydraulikfluid zu Aktuatoren in einem Hydrauliksystem zu steuern. Magnetisch betätigte Drucksteuer- oder -regelventile werden bei vielen Anwendungen eingesetzt; eine solche Anwendung besteht in der Steuerung von Schaltkupplungsaktuatoren in automatischen Kraftfahrzeuggetrieben.
Elektrisch betätigte Drucksteuerventile zur Steuerung der Schaltung in einem automatischen Kraftfahrzeuggetriebe haben bisher ein Ventilglied verwendet, das als Schieber mit daran vorgesehenen zylindrischen Steuerkanten ausgebildet ist, um einen Hydraulikfluidstrom zwischen einem Einlass- und einem Steuer- oder Signalauslassanschluss zu steuern, wobei die Drucksteuerung dadurch erfolgt, dass Fluid durch einen Entlastungsauslass abgelassen wird, der den Strom wieder zu der Quelle oder zu einem Sumpf zurückleitet.
Bei der Schaffung eines solchen elektrisch betätigten Drucksteuerventils für die Schaltsteuerung in automatischen Kraftfahrzeuggetrieben sind wegen der magnetischen Eigenschaften des Betätigungselektromagneten Probleme aufgetreten eine angemessene Drucksteuerung über einen weiten Durchsatz bereich zu erreichen, wie er notwendig ist, um die erforderliche Bewegung des Schaltaktuators zu erzielen.
Bei einem gegebenen Wert der elektrischen Erregung des Betätigungsmagneten verändert sich die magnetische Kraft auf einen typischen Magnetanker nicht linear in Abhängigkeit von der Ankerbewegung. Wenn der Anker den Betriebsluftspalt mit dem feststehendem Polstück oder der Flussrückführung verkleinert, steigt die magnetische Kraft tendenziell exponentiell an, wodurch das sich ergebende Ansprechverhalten des mit dem Anker verbundenen Ventilschiebers zu einer unerwünschten Ventilkennlinie führt. Die exponentielle Zunahme der Magnetkraft ergibt bei einer gegebenen Anschluss- und Schiebersteuerkantenausbildung ein unzulässig schnelles Öffnen und Schließen der zugeordneten Anschlüsse und macht damit die ordentliche Steuerung des Hydraulikdrucks in dem Betätigungskreis außerordentlich schwierig. Magnetventilanordnungen dieser allgemeinen Bauweise sind in den Druckschriften US-A 5,246,033 und DE U 18626681 erläutert. Sie sind so aufgebaut, dass sich ein Flussschließungskreis über eine elektrische Spule, einen Anker und eine erste Flussrückführung, die so ausgelegt ist, dass sie einen Betriebsluftspalt mit einem ersten Endteil des Ankers bildet und über eine zweite Flussrückführung schließt, die einen ringförmigen Luftspalt mit einem von dem ersten Endteil entfernten zweiten Endteil des Ankers ausbildet. Die Druckschrift DE A1 197 16 185 beschreibt ein Magnetventil dieser Art, das eine Flussrückführung mit einem Abschnitt kleinerer Fläche aufweist, der einen ringförmigen Luftspalt mit einem Endteil des Ankers bildet. Dieser ringförmige Luftspalt ragt aber nicht weiter in die Flussrückführung hinein, und das Schriftstück offenbart nicht genau die Lage des Betriebsluftspalts.
Demgemäß besteht seit langem ein Bedürfnis nach einem elektromagnetisch betätigten Drucksteuerventil zur Steuerung des Hydraulikfluiddurchsatzes in einem Betätigungsschaltkreis, das einen verhältnismäßig langen Ankerhub bei im Wesentlichen linearem Ansprechverhalten bei einem vorgegebenen Wert der Erregung des Betätigungsmagneten ergibt und das eine im Wesentlichen lineare oder proportionale Drucksteuerung über den Betriebsbereich der Spulenerregung liefert.
Kurze Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung, wie sie in dem Patentanspruch 1 definiert ist, spricht das oben erwähnte Problem an und schafft ein elektromagnetisch betätigtes Drucksteuerventil einer Bauweise mit einem zur Steuerung des Durchstromes von einem Einlass- zu einem Steuer- oder Signalauslassanschluss und zu einem Entlastungsanschluss zur Aufrechterhaltung der Drucksteuerung in einem Ventilkörper beweglichen Ventilschieber. Der Schieber des Ventilglieds weist bei der vorliegenden Erfindung zwei voneinander beabstandete Steuerkanten auf, um den Durchstrom zu dem Steuer- und dem Entlastungsanschluss in Abhängigkeit von einer Bewegung des Schiebers durch den Magnetanker zu steuern. Der Betätigungsmagnet ist so aufgebaut, dass er, bei einem gegebenen Wert der Spulenerregung, beim Schließen des Betriebsluftspaltes an einem Ende des Ankers an einem davon abliegenden Ende des Ankers einen verringerten magnetischen Fluss ergibt. Der Fluss wird an dem einen Ende des Ankers durch einen Teil verringerter Durchtrittsfläche der Flussrückführung vermindert, der das distale Ende des Ankers unter Ausbildung eines ringförmigen Luftspalts mit diesem umgibt. Die Verkleinerung des Flusses an dem abliegenden Ende des Ankers ergibt eine im Wesentlichen lineare Kraft-/Hublinie des Betätigungsmagneten bei der Erregung der Spule auf einen bestimmten Wert. Der an dem Steuerdruckauslass sich ergebende Druck ändert sich damit im Wesentlichen proportional bezüglich einer sich ändernden Spulenerregung.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
1 ist eine perspektivische Ansicht der erfindungsgemäßen Ventilanordnung, von deren magnetseitigem Ende her gesehen;
2 ist eine Ansicht ähnlich 1, von dem ventilkörperseitigen Ende her gesehen;
3 ist eine Längsschnittdarstellung der Ventilanordnung nach 1;
4 ist eine Explosionsdarstellung der Ventilanordnung nach 1;
5 ist ein Teil einer Längsschnittdarstellung ähnlich 3, unter Veranschaulichung des Ventilschiebers in einer Stellung geringen Durchstroms;
6 ist eine Ansicht ähnlich 3 unter Veranschaulichung des Ventilschiebers in einer Stellung großen Durchstroms;
7 ist eine Kennlinie des Druckluftdrucks an dem Steuerausgang, dargestellt als Funktion des Spulenstroms; und
8 ist eine Kennlinie, die die magentische Kraft auf den Anker als Funktion des Ankerhubs bei einem gegebenen Wert des Spulenstroms wiedergibt.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Bezugnehmend auf die 1 bis 4 ist die erfindungsgemäße Ventilanordnung dort allgemein mit 10 bezeichnet und weist einen Ventilkörper 12 auf, der an einem Sockel oder einem halternden Flussrückführungsteil 14 befestigt ist, über das ein Ende eines äußeren Flussleitteils gesteckt ist, das daran befestigt und als eine zylindrische Hülse 16 ausgebildet ist und das an einer an dem Flussrückführungsteil 14 ausgebildeten Schulter 18 aufsitzt. Das Flussrückführungsteil 14 weist einen ringförmigen Teil 20 verkleinerten Durchmessers auf, der an ihm ausgebildet ist und sich von ihm aus axial erstreckt, wobei dessen magnetische Funktion im nachfolgenden beschrieben wird.
Der Ventilkörper 12 ist mit einer in ihm ausgebildeten Ventilbohrung 22 versehen, in der mit enger Passung ein Ventilschieberelement 24 verschieblich aufgenommen ist, das zwei an ihm ausgebildete, voneinander beabstandete zylindrische Ventilsteuerkanten (lands) 26 trägt, die ggfs. in die Bohrung 22 eingeläppt sind, um die erforderliche enge Passung zu erzielen.
Die außenliegende Hülse 16 ist an ihrem gegenüberliegenden Ende mit einem zweiten Flussrückführungsteil 30 verbunden und gegen eine an diesem vorgesehene Schulter 32 abgestützt. Zwischen der Hülse 16 und den Flussrückführungsteilen 14, 30 ist ein Spulenkörper 34 angeordnet, auf den, wie in 3 dargestellt, eine elektrische Spule 36 aufgewickelt ist.
An jedem der Flussrückführungsteile 14, 30 ist ein Lager 38 bzw. 40 vorgesehen. In den Lagern 38, 40 ist eine Betätigungsstange 42 verschieblich. Die Betätigungsstange 42 trägt einen aufgesetzten Anker 44. Eine Anschlagscheibe 46 wirkt als magnetisches Abstandsstück zwischen dem Anker 44 und dem Polstück 30. Auf das Ende der Stange 42 ist ein Federteller 48 aufgesetzt, während eine Feder 50 mit einem Ende gegen das Federteller 48 und mit dem gegenüberliegenden Ende gegen die Unterseite eines Einstellstopfens 52 abgestützt ist, der in das Flussrückführungsteil 30 eingeschraubt ist.
Das dem Flussrückführungsteil 30 benachbarte Ende des Ankers 30 ist kegelförmig, wie dies mit dem Bezugszeichen 54 angegeben ist; außerdem weist das Flussrückführungsteil 30 eine entsprechend kegelförmige in ihm ausgebildete Ausnehmung 46 auf, wobei die kegelförmigen Teile 54, 56 zwischen dem Anker 44 und dem Flussrückführungsteil 30 einen Betriebsluftspalt bilden, von dem ein Teil ringförmig ausgebildet ist.
Bei der vorliegenden praktischen Ausführungsform der Erfindung hat es sich als zweckmäßig erwiesen das Ende 54 des Ankers unter einem Winkel von zweiundzwanzig Grad (22°) zu der Spulenachse abzuschrägen.
In ähnlicher Weise begrenzt der Innenumfang des Teils 20 reduzierten Durchmessers des Flussrückführungsteils 14 einen ringförmigen Luftspalt mit dem von dem kegelförmigen Ende 54 distalen Ende des Ankers 44.
Bei der Ausführungsform nach den 1 bis 4 hat der Ventilkörper 12 einen Einlass, der nahe seines freien Endes in einem Sammelring 62 ausgebildete Öffnungen 60 aufweist.
Außerdem ist längs der Bohrung 22 beabstandet, ein Steuer- oder Signaldruckausgang vorgesehen, der Öffnungen 64 aufweist, welche in einem Sammelring 66 ausgebildet sind. In weiterem Abstand längs der Bohrung 22 ist ein Entlastungs(Abström)auslass vorgesehen, der Öffnungen 68 aufweist. Die Einlassöffnungen 60 sind an einer solchen Stelle längs der Bohrung 22 angeordnet, dass die Ventilsteuerkante 28 bei Bewegung den Durchfluss durch die Öffnungen 60 steuern kann, der in dem Bereich zwischen den Steuerkanten 28, 26 in die Ventilbohrung 22 eintritt.
Die Ventilsteuerkante 26 kann die Abströmung aus der Bohrung 22 durch die Entlastungsöffnungen 68 steuern.
Wie in 3 gestrichelt dargestellt, umfassen die Entlastungsöffnungen 68 eine mit dem Bezugszeichen 72 bezeichnete nasenförmige Nut, die beim anfänglichen Öffnen des Entlastungsauslasses es gestattet, eine kleine Menge Hydraulikfluid auszulassen und umgekehrt beim Schließen einen plötzlichen schnellen Verschluss des Entlastungsauslasses zu verhindern.
Der Ventilschieber 24 ist in der Bohrung 22 durch eine Feder 74 gehalten, die an einem Ende gegen eine in dem Ende der Steuerkante 28 ausgebildete Ausnehmung 76 abgestützt ist, während das gegenüberliegende Federende in einem Federtopf 76 aufgenommen ist, der in das Ende des Ventilkörpers 12 eingepresst ist.
In der Nähe des Endes des Ventilkörpers 12 ist eine Nut 78 vorgesehen, in die ein Sprengring 80 eingesetzt ist, der in leicht zu verstehender Weise dazu benutzt wird, den Ventilkörper in einer (nicht dargestellten) Bohrung in dem Hydraulikkreis der zu steuerenden Vorrichtung zu halten. Bezugnehmend auf 5 ist der Schieber 24 dort in einer Stellung geringen Durchstroms dargestellt, in der die Ventilsteuerkante 26 lediglich den nasenförmigen Nutteil 72 des Anschlusses 68 geöffnet hat; außerdem ist die Steuerkante 28 so angeordnet, dass sie lediglich einen kleinen Durchfluss durch den Einlass 60 in die Bohrung 22 erlaubt, und demgemäß ist der Druck in dem Steueranschluss 64 auf einem niedrigen Wert gehalten.
Bezugnehmend auf 6 ist dort der Schieber 24 in einer Stellung dargestellt, in der die Steuerkante 26 den Ablass-Anschluss 60 verschließt, während die Steuerkante 28 den Einlass 60 im Wesentlichen geöffnet hat, so dass ein freier Zustrom zu dem Steueranschluss 64 ermöglicht ist.
Bezugnehmend auf 7 ist dort der Druck P_c an dem Steuerauslass 64 als Funktion des Spulenerregerstroms I_c dargestellt. Aus 7 ist zu ersehen, dass der Steuerdruck in dem Anschluss 64 im Wesentlichen proportional mit steigendem Spulenstrom zunimmt.
Bezugnehmend auf die 1, 2 und 4 ist dort das Flussrückführungsteil 30 so dargestellt, dass es eine Anzahl in ihm ausgebildeter, längs des Umfanges voneinander beabstandeter Aussparungen aufweist, die gegenüber jeweils entsprechenden Aussparungen 64 angeordnet sind, welche in der zylindrischen Hülse 16 vorgesehen sind. Das Flussrückführungsteil 30 ist in der Hülse 16 zu Verstellzwecken verdrehbar, um damit die Lage der Ausschnitte 82, 84 zueinander zu verändern und so die dadurch gebildeten Fluss-Knotenpunkte einzustellen, um auf diese Weise die Ankerbewegung bezüglich eines gegebenen Werts der Spulenerregung zu kalibrieren.
Zu bemerken ist, dass, wenn der Anker zu dem Flussrückführungsteil 30 hin gezogen wird und der kegelförmige Teil 54 des Ankers 44 sich der Ausnehmung 56 im Schließungssinne annähert, der Magnetfluss über den kegelförmigen Luftspalt im Wesentlichen exponentiell zunimmt. Dabei verringert aber der Teil 20 verringerten Durchmessers des Flussrückführungsteils 14 den Fluss über den ringförmigen Luftspalt an dem der kegelförmigen Fläche 54 gegenüberliegenden Ende des Ankers 44 in der Weise, dass die rasche Flusszunahme an dem kegelförmigen Ende des Ankers kompensiert wird.
Zu bemerken ist, dass das kegelförmige Ende des Ankers ggfs. auch alternativ umgekehrt und zu dem Flussrückführteil 14 hin angezogen werden kann und bei Verwendung dieser alternativen Anordnung die kegelförmige Ausnehmung 56 ggfs. in dem Rückführteil 14 vorgesehen ist, um die Bewegung des Ankers für eine umgekehrte Ventilsteuerbewegung des Schiebers 24 mit Bezug auf eine Spulenerregung, umzukehren.
Bezugnehmend auf 8 ist dort die Wirkung des Teils 20 verringerten Durchmessers des Flussrückführteils 14 veranschaulicht. Die Kraftkennlinie des Betätigungsmagneten als Funktion des Ankerhubs ist graphisch veranschaulicht; sie ist, wie dargestellt, ziemlich linear und hat eine so geringe Steigung, dass diese als im Wesentlichen konstant bezeichnet werden kann. Die vorliegende Erfindung ermöglicht deshalb einen längeren Ankerhub bei einem gegebenen Spulenstrom und ergibt deshalb eine größere Flexibilität oder eine höhere Auflösung bei der Steuerung der Durchströmung der Ventilanschlüsse.
Wenngleich die Erfindung im Vorstehenden mit Bezug auf die veranschaulichten Ausführungsformen beschrieben wurde, so versteht sich doch, dass die Erfindung der Abwandlung und Veränderung fähig und lediglich durch die nachfolgenden Patentansprüche beschränkt ist.

Claims

Magnetventilanordnung, die aufweist: (a) einen Ventilkörper (12), der eine Ventilkammer (22) begrenzt, welche einen mit der Kammer in Verbindung stehenden Einlassanschluss (60) und wenigstens einen mit der Kammer in Verbindung stehenden Auslassanschluss (68) aufweist; (b) ein Ventilglied (24), das in der Kammer (22) angeordnet und in dieser derart beweglich ist, dass es bei Anschluss einer Druckfluidquelle an den Einlassanschluss den Fluiddurchstrom von dem Einlassanschluss zu dem wenigstens einen Auslassanschluss steuern kann; (c) eine Betätigungsmagnetanordnung, die eine an dem Ventilkörper befestigte Ankerführung (38, 40) und einen in der Führung beweglich angeordneten Anker (44) aufweist, wobei die Bewegung des Ankers dazu dient, die Bewegung des Ventilglieds (24) zu bewirken; (d) eine Spule (36), die rings um die Ankerführung angeordnet ist und die dazu dient bei elektrischer Erregung die Bewegung des Ankers (44) zu bewirken; und (e) eine Einrichtung zum Schließen eines Flussschließungskreises über die Spule (36), der ein äußeres Teil (16) und ein erstes Flussrückführungsteil (30), welches so ausgebildet ist, dass es einen Betriebsluftspalt mit einem ersten Endteil (54) des Ankers (44) bildet und ein zweites Flussrück führteil (14) beinhaltet, das einen ringförmigen Luftspalt mit einem von dem ersten Endteil entfernten zweiten Endteil des Ankers ausbildet, wobei das zweite Flussrückführteil (14) einen Teil (20) verringerter Durchtrittsfläche aufweist, der den massiven Körper des zweiten Flussrückführteils (14) in Achsrichtung fortsetzt, wobei der ringförmige Luftspalt an beiden Teilen – dem massiven und dem flächenreduzierten – des zweiten Flussrückführteils (14) ausgebildet ist, derart dass bei Spulenerregung und Bewegung des Ankers zu dem ersten Flussrückführteil (30) hin der Fluss über den ringförmigen Luftspalt durch den Bereich verringerter Durchtrittsfläche progressiv verkleinert wird, so dass die von der zunehmenden Abnahme des Betriebsluftspaltes herrührende Zunahme der magnetischen Kraft auf ein Minimum reduziert wird.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der der Teil (20) verringerter Durchtrittsfläche des zweiten Flussrückführteils einen ringförmigen Abschnitt verringerten Durchmessers aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der das erste Ankerende (54) eine kegelförmige Gestalt aufweist und das erste Flussrückführteil (30) eine entsprechend kegelförmige Ausnehmung (54) aufweist und der erste Luftspalt einen ringförmigen kegelförmigen Abschnitt aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der das äußere Element (16) eine Anzahl Flächen (82) aufweist, die einen ersten Satz von Fluss-Knotenstellen bilden und das erste Flussrückführteil (30) eine Anzahl Flächen (84) aufweist, die einen zweiten Satz von Fluss-Knoten stellen bilden, wobei das erste Flussrückführteil (30) zur Einstellung des Flusses zwischen dem ersten und dem zweiten Satz von Knotenstellen beweglich ist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der das Ventilglied einen Schieber (24) aufweist und der wenigstens eine Auslassanschluss einen ersten Signalauslassanschluss (64) und einen zweiten Entlastungsauslassanschluss (68) aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der der wenigstens eine Auslassanschluss einen Drucksteuerungsauslassanschluss und einen Entlastungsauslassanschluss aufweist und das Ventilglied einen Schieber (24) aufweist, der eine den Durchfluss zu dem Drucksteuerauslass steuernde erste Steuerkante (28) und eine den Durchfluss zu dem Entlastungsauslass steuernde zweite Steuerkante (26) aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der das äußere Element eine im Wesentlichen zylindrische Hülse (16) aufweist.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der das äußere Element ein hohles zylindrisches Element (16) aufweist, das einen Satz von Fluss-Knotenstellen trägt, die eine Anzahl Aussparungen (84) an einem ihrer Enden aufweisen.
Ventilanordnung nach Anspruch 1, bei der der Ventilkörper (12) an dem zweiten Flussrückführteil (14) befestigt ist.
Verfahren zum Herstellen einer Magnetventilanordnung (20), das beinhaltet: (a) Anordnen eines Ventilgliedes (24) in einem Ventilkörper (12) und Bewegen des Ventilgliedes und Steuern des Durchflusses von einem Einlass (60) zu wenigstens einem Auslass (68); (b) Anordnen eines Ankers (44) in einer Ventilführung und betriebsmäßiges Anschließen des Ankers, um eine Bewegung des Ventilgliedes (24) zu bewirken; (c) Anordnen einer Spule (36) rings um den Anker (44) und der Ankerführung und Schließen eines Flussschließungskreises durch die Spule mittels eines äußeren Elementes (16) und eines ersten Flussrückführteils (30) und Ausbilden eines Betriebsluftspaltes zwischen dem Anker und dem ersten Flussrückführteil und Anordnen eines zweiten Flussrückführteils (14), das von dem ersten Flussrückführteil (30) beabstandet ist und Ausbilden eines ringförmigen Luftspalts zwischen dem Anker und dem zweiten Flussrückführteil; (d) Ausbilden eines Teils verringerter Durchtrittsfläche auf dem zweiten Flussrückführteil (14), Verlängern des massiven Körpers des zweiten Flussrückführteils (14), wobei der ringförmige Luftspalt an beiden Teilen – dem massiven und dem flächenreduzierten – des zweiten Flussrückführteils (14) ausgebildet ist, wodurch bei Erregung der Spule der Fluss durch den zweiten Luftspalt progressiv verkleinert und die Zunahme der magnetischen Kraft bei der Verkleinerung des Betriebsluftspalts auf ein Minimum reduziert wird.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Schließens eines Flussschließungskreises das Ausbilden eines ersten Satzes von Fluss-Knotenstellen an dem ersten Flussrückführteil (30) und das Ausbilden eines zweiten Satzes Fluss-Knotenstellen an dem äußeren Element (16) und das Verdrehen des ersten Flussrückführteils (30) bezüglich des äußeren Elementes (16) und das Kalibrieren der Bewegung des Ankers (44) beinhaltet.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem der Schritt des Ausbildens eines Betriebsluftspaltes das Anschrägen eines Endes (56) des Ankers (44) und das Ausbilden einer entsprechend kegelförmigen Ausnehmung (54) in dem ersten Flussrückführteil (30) beinhaltet.