TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft solenoidbetätigte Steuerventile und
insbesondere solche Ventile, die in Verbindung mit schmierenden
Hydraulikfluiden Anwendung in hydromechanischen Vorrichtungen, wie
beispielsweise Automatikgetrieben von Kraftfahrzeugen, finden.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Elektromechanische solenoidbetätigte Steuerventile werden auf dem
Gebiet elektronisch gesteuerter Automatikgetriebe breit verwendet. Zwei
allgemeine Typen derartiger Steuerventile umfassen pulsbreitenmodulierte
(PWM) Steuerventile und lineare Steuerventile. Beide Typen sprechen auf
eine Steuergröße, typischerweise eine über die Zeit variierende Spannung,
an, um einen Leitungsdruck, Kupplungskammerdruck oder Pilotdruck in
einem Trommelventil/Schieberventil zu steuern. Es ist allgemein
bekannt, dass PWM-Ventile einen Anker aufweisen, der eine Hubbewegung
zwischen ersten und zweiten Stellungen im wesentlichen in
Frequenzübereinstimmung mit einem über die Zeit variierenden Spannungssignal
ausführt, während ein lineares Steuerventil einen Anker aufweist, der eine
Gleichgewichtsposition gemäß der elektromagnetischen Kraft, die durch
den mittleren Strom durch die Solenoidwicklung erzeugt wird, und
internen Vorspannfeder- und Hydraulikkräften annimmt.
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PWM-Ventile neigen zu relativ großen Schwankungen im Steuerdruck in
relativ wenig nachgiebigen hydraulischen Situationen, wie beispielsweise
bei einer Versorgung einer vollen Steuerkammer eines Kupplungspaketes.
Diese Eigenschaft kann durch Erhöhung der PWM-Frequenz etwas
abgeschwächt werden, jedoch ist die obere PWM-Frequenz durch Eintritts- und
Austrittszeiten des Solenoides und des Ankers begrenzt.
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Lineare Steuerventile neigen zu einer geringen Variation des
Steuerdrucks, da der Anker während jedes PWM-Zyklus nicht von Anschlag zu
Anschlag läuft, während höhere PWM-Betriebsfrequenzen verwendet
werden. Lineare Steuerventile werden allgemein mit einer Zittergröße
(Dithergröße) in dem Strom durch die Solenoidwicklung betrieben, um
eine mechanische Analogie in Bezug auf den Anker auszuführen, die eine
Steuerdruckvariation für Verbesserungen der
Hystereseleistungsfähigkeiten in Kauf nimmt. Bei PWM-Anwendungen ist der Dither im
Wesentlichen eine Funktion der Impedanzeigenschaften der Solenoidwicklung und
der PWM-Frequenz des Antriebssignals. Wenn ansonsten alles gleich ist,
erhöht die PWM-Frequenz die Neigung, die Hysterese zu erhöhen, und
erfordert eine Verringerung von Ankerreibungskräften.
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Es ist gut bekannt, dass Hydraulikschmutzstoffe von vielerlei Quellen, wie
beispielsweise bei Herstellungs- und Zusammenbauvorgängen wie auch
Verschleiß, Fluidbefüllung, etc., vorhanden sein können und tatsächlich
über die Betriebsdauer eines Kraftfahrzeuggetriebes zunehmen können.
Eisenhaltige Materialien sind Schmutzstoffe, die besonders in Verbindung
mit elektronisch gesteuerten Getrieben problematisch sind und die
Tendenz aufweisen, zu magnetischen Strukturen (d. h. solenoidbetätigten
Ventilen) zu wandern, wenn sie durch das zirkulierende Hydraulikfluid
mitgeführt werden. Eine derartige Kontamination kann in unerwünschten
Erhöhungen von Ankerreibungskräften und einem potentiellen
Verklemmen der Anker resultieren. Da mehr und mehr Getriebekomponenten
durch Pulvermetall-Herstellverfahren hergestellt werden, kann die Gefahr
in Verbindung mit erhöhten Niveaus an eisenhaltiger Verschmutzung von
Hydraulikfluid sowohl in der Anfangsphase des Getriebes als auch
anschließend während seiner Betriebszeit erhöht sein. Die DE-A-44 12 621
offenbart ein Ventil gemäß dem Oberbegriff von Anspruch 1.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung,
Leistungseigenschaften von Solenoidventilen zu verbessern.
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Gemäß eines Aspekts der Erfindung sieht eine verbesserte Ausrichtung
des Ventilankers entlang seiner Hubachse Verringerungen von
Ankerreibungskräften vor.
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Gemäß eines anderen Aspektes der vorliegenden Erfindung ist der
Schmutzstoffeintrag um den Anker herum verringert.
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Diese und andere Aspekte der Erfindung sind in einem Solenoidventil mit
einer elektromagnetischen Wicklung vorgesehen, die einen
ferromagnetischen Anker umgibt. Der Anker weist erste und zweite axiale Enden auf,
und Magnetabschnitte des Solenoides umfassen erste und zweite
Polstücke an gegenüberliegenden axialen Enden der Wicklung: Der Anker ist an
einem der Polstücke so befestigt, dass er an einer radialen Bewegung
gehindert wird, sich aber für eine axiale Hin- und Herbewegung im
Wesentlichen
frei bewegen kann. Ein Ausrichtungsrohr umgibt den Anker
und ist mit einem Ende an dem Polstück befestigt, an dem der Anker
befestigt ist. An dem axial gegenüberliegenden Ende des
Ausrichtungsrohres ist ein nichtmagnetisches Lager befestigt, das das andere Ende des
Ankers umgibt, so dass sich der Anker frei hindurch hin- und herbewegen
kann. Das nichtmagnetische Lager kann mit dem Polstück
gegenüberliegend dem Polstück gekoppelt sein, mit dem der Anker gekoppelt ist,
vorausgesetzt, dass die Befestigung die koaxiale Anordnung des Lagers und
der Hülse nicht stört. Die Hülse sieht zusätzlich einen Ankerhohlraum
vor, der vor dem Eintrag kontaminierten hydraulischen Fluids abgedichtet
ist.
ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG
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Die vorliegende Erfindung wird nun nur beispielhaft unter Bezugnahme
auf die begleitende Zeichnung beschrieben, in welcher die Figur eine
Schnittansicht eines linearen Solenoidventils gemäß der vorliegenden
Erfindung ist.
BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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Ein beispielhaftes lineares Solenoidventil 10 besitzt einen
elektromechanischen Abschnitt, der allgemein mit Bezugszeichen 15 bezeichnet ist, und
einen hydraulischen Abschnitt, der allgemein mit Bezugszeichen 20
bezeichnet ist. Der hydraulische Abschnitt 20 umfasst ein
Fluiddurchgangsgehäuse 51 mit einem Fluideinlass 53, einer Kammer 55, einem
Ventilkegelsitz 59 und Fluidauslassdurchgängen 57. Der Ventilkegel 43, der
zwischen einer an dem Ventilkegelsitz 59 anliegenden Stellung, wie gezeigt
ist, und einer vollständig von dem Ventilkegelsitz getrennten Stellung
verstellbar ist, sieht einen variablen Fluidaustrag von dem Fluideinlass 53
an die Auslassdurchgänge 57 vor. Die Aspekte des Fluidbetriebs sind
Fachleuten allgemein bekannt und daher ist eine weitere Beschreibung
desselben für ein Verständnis der vorliegenden Erfindung nicht
erforderlich.
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Der elektromechanische Abschnitt 15 des Solenoidventils 10 ist allgemein
mit einer elektrischen Wicklung 21 mit mehreren Windungen aufgebaut,
die einen Anker 41 umgibt, der aus einem ferromagnetischen Material
hergestellt ist. Die Wicklung 21 ist herkömmlich um einen
nichtmagnetischen Spulenkörper 22 gewickelt, wie gezeigt ist. Der Spulenkörper 22 ist
bevorzugt mit einem einstückigen Verbinderkörper 75 geformt.
Ferromagnetische Polstücke, die allgemein mit 31 und 34 bezeichnet sind, sind
benachbart der Wicklung 21 an deren gegenüberliegenden axialen Enden
angeordnet. Jedes Polstück 31 und 34 weist einen jeweiligen im
Wesentlichen ringförmigen Abschnitt 32 und 33 auf, der sich radial über den
Außenumfang der Wicklung 21 hinaus erstreckt. Das Polstück 34 besitzt
eine zentrale Öffnung, die durch den ringförmigen Abschnitt 33 definiert
ist und sich bevorzugt im allgemeinen in der inneren Seitenwand des
Spulenkörpers fortsetzt, um einen sich axial erstreckenden zylindrischen
Abschnitt 35 mit ähnlich bemessener Öffnung zu definieren. Das Polstück
31 besitzt auch eine zentrale Öffnung, die durch einen ringförmigen
Abschnitt 32 definiert ist, und einen sich axial erstreckenden zylindrischen
Abschnitt 37. Wie in der Figur gezeigt ist, ist der ringförmige Abschnitt 32
des Polstückes 31 in dem Bereich des Verbinderkörpers 75 am Rand
verkürzt, um die Außenverbindung mit der elektrischen Schnittstelle
unterzubringen. Eine ferromagnetische Hülse 13 umgibt die Wicklung 21
und den Spulenkörper 22 im Wesentlichen und erstreckt sich axial
zwischen den Polstücken 31 und 34 an den Außenumfängen der jeweiligen
ringförmigen Abschnitte 32 und 33. Selbstverständlich schließt eine
Unterbringung des Verbinderkörpers eine vollständige Umhüllung der Spule
und des Spulenkörpers zumindest in deren begrenztem allgemeinem
Bereich aus.
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Der Anker 41 ist im wesentlichen koaxial mit der Öffnung durch den
ringförmigen Abschnitt 33 des Polstücks 34 angeordnet, so dass er sich in
beabstandeter Nachbarschaft zu dem zylindrischen Abschnitt 35 des
Polstückes 34 befindet. Diese nicht lagernde Positionsbeziehung wird
durch ein radial nicht nachgiebiges Element 65 vorgesehen, das sich
radial von dem Anker zu einem Abschnitt des Polstückes 34 erstreckt. Das
Element 65 nimmt die Form einer Membranfeder ein, die aus langlebigem
rostfreiem Stahl geformt ist, wie beispielsweise einem Material, wie
7C27MO2 rostfreiem Stahl, der von Sandvik, Inc., Fair Lawn, NJ
erhältlich ist. Bei der vorliegenden Ausführungsform ist der Anker 41 durch
mehrere Abschnitte oder Stufen mit zunehmend kleinerem Durchmesser
gekennzeichnet, die praktische Befestigungsvorkehrungen zum
Aufstecken des Elementes 65 vorsehen. Ähnliche Stufen sind auf analoge Art
und Weise an dem Außenumfang des ringförmigen Abschnitts 33 des
Polstücks 34 vorgesehen, die gleichermaßen praktische
Befestigungsvorkehrungen für den Außenumfang des Elements 65 vorsehen. Eine
flexible Dichtung 63 ist ähnlicherweise zwischen dem Anker 41 und dem
Polstück 34 angeordnet. Eine Dichtung 63 sitzt ähnlicherweise an
jeweiligen gestuften Abschnitten des Ankers 41 und dem ringförmigen Abschnitt
33 des Polstücks 34. Ein hydraulischer Abschnitt 20 des Solenoidventils
10 liegt an dem Außenumfang des Elements 65 an einer Außenlippe oder
-einfassung 51 an. Ein Rahmen 23 ist über einen ringförmigen Abschnitt
32 des Polstücks 31 gefalzt oder gewalzt, um die beschriebenen
Anordnungen zu halten.
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An dem axialen Ende des Ankers 41, das dem Polstück 34 am nächsten
ist, ist ein Kegel 43 vorgesehen, der bevorzugt ein Teil ist, das separat
hergestellt und in dem Anker 41 mittels Druckpassung oder anderweitig
an diesem befestigt wird. Diese Anordnung besitzt strenge
Abmessungstoleranzen, um in der Lage zu sein, eine Überlappung des Ankers 41
bezüglich des Polstückes 31 und insbesondere des zylindrischen Abschnittes 37
einzustellen. Entlang der axialen Länge des Ankers 41 ist eine Vielzahl von
Kanälen 47 vorgesehen, um Fluiddrücke in dem Ankerhohlraum zu
entlasten und auszugleichen. Während es im allgemeinen unerwünscht ist,
während des Betriebs einen Hydraulikfluideintrag in den Ankerhohlraum
zuzulassen, wird eine kleine Menge desselben oder eines kompatiblen
unbenutzten Fluides darin während eines Zusammenbaus zur
Schmierung des Ankers und des Lagers 61 vorgesehen, wie später beschrieben
ist. Das andere axiale Ende des Ankers 41 weist eine Bohrung auf, die
durch eine verjüngte Seitenwand 45 definiert ist. Eine Vorspannfeder 27
ist in der Bohrung angeordnet und steht mit deren Basis in Verbindung.
Das Merkmal der verjüngten Seitenwand verhindert, dass die Feder 27 in
der Bohrung verklemmt und trägt zu den gesamten erwünschten
magnetischen Eigenschaften einer derartigen linearen Vorrichtung bei. Das
gegenüberliegende Ende der Feder 27 liegt an einer Schraube 19 an, die in
einen ferromagnetischen Kragen 17 geschraubt ist. Der Kragen 17 kann
seinerseits mit dem zylindrischen Abschnitt 18 des Polstückes 31 durch
Gewinde oder Presspassung verbunden sein. Alternativ dazu kann der
Kragen 17 einstückig mit dem Polstück 31 ausgebildet sein. Während sie
separat beschreiben sind, können der Kragen 17 und die Schraube 19 als
Abschnitte des Polstückes 31 betrachtet werden. Eine Schraube 19 sieht
einen Bereich zur Einstellung der Federvorspannkraft vor. Der Kragen 17
ist im wesentlichen mit dem Endabschnitt der verjüngten Seitenwand 45
des Ankers 41 ausgerichtet, wobei der Fluss dazwischen bei höheren
Strompegeln allgemein eine erhöhte axiale Antriebskraft vorsieht, wenn
der Anker zunehmend in Richtung nach links in der Figur verstellt wird.
Wenn sich der Anker jedoch in der vollständig rechten Stellung befindet,
wie gezeigt ist, ist der Großteil der axialen Antriebskraft gegenüberliegend
dem Fluss zwischen der verjüngten Seitenwand und dem zylindrischen
Abschnitt des Polstückes 31 angelegt. Der Spalt zwischen dem Kragen 17
und der Anker 41 ist so eingestellt, um die gewünschten Eigenschaften
des Solenoidventils bezüglich der Kraft in Abhängigkeit von der
Verstellung auf eine Art und Weise herzustellen, die Fachleuten bekannt ist.
Daher wird die Einsetztiefe des Kragens 17 in den zylindrischen Abschnitt
18 durch die gewünschten Leistungseigenschaften der bestimmten
Anwendung bestimmt. Der Polstück 31 schließt allgemein das jeweilige Ende
des Solenoides, wie durch die verschlossene Funktion des Kragens 17 und
der Schraube 19 dargestellt ist. Wenn das zusätzliche Merkmal der
Einstellbarkeit der Federvorspannkraft nicht erwünscht ist, kann der
zylindrische Abschnitt 18 beseitigt und das Polstück 31 ohne die Zentralöffnung
hindurch geformt werden.
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Das axiale Ende des Ankers 41, das dem Polstück 31 am nächsten ist, ist
durch ein nichtmagnetisches Lager 61 verschiebbar angeordnet.
Bevorzugt wird nichtmagnetischer rostfreier Stahl für das Lager 61 verwendet,
da ein derartiges Material Wärmeausdehnungseigenschaften ähnlich
denjenigen des ferromagnetischen Materials des zylindrischen Abschnitts
37 des Polstücks 31 aufweist und Zyklusverschleißqualitäten besitzt, die
eine lange Lebensdauer vorsehen. Ein Lager 61 ist dadurch fixiert mit
einem zylindrischen Abschnitt 37 des Polstückes 31 gekoppelt, dass eine
zylindrische Verlängerung desselben an der Innenfläche des zylindrischen
Abschnittes 37 des Polstückes 31 mittels Presspassung gekoppelt ist. Da
es für den Hochfrequenz-PWM-Betrieb kritisch ist, weist die tatsächliche
Lagerfläche, d. h. die Innenfläche des Lagers 61, eine im Wesentlichen
glatte Oberflächenbeschaffenheit auf. Es hat sich herausgestellt, dass eine
Oberflächenrauheit von im Wesentlichen 0,5 um unter Verwendung von
rostfreiem Stahl eine akzeptable Leistungsfähigkeit bei PWM-Frequenzen
von im Wesentlichen 600 Hz vorsieht. Lagetoleranzen des Lagers sind
auch streng gesteuert, um eine glatte Kolbenbewegung des Ankers entlang
einer Achse zu erleichtern, die koaxial zu der Ankerachse liegt. Daher ist
eine Ausrichtungshülse 71 mit einem Ende derselben über dem Lager 61
des Polstückes 31 mittels Druckpassung befestigt. Das axial
gegenüberliegende Ende der Ausrichtungshülse ist ähnlicherweise mittels
Druckpassung über den zylindrischen Abschnitt 35 des Polstücks 34 befestigt. Die
beschriebene Anordnung sieht die erwünschte koaxiale Beziehung
zwischen der Kolbenbewegung des Ankers 41 und dem Lager 61 vor. Es sei
hier jedoch angemerkt, dass der Außendurchmesser des Lagers 61 größer
als der Außendurchmesser des zylindrischen Abschnitts 37 ist, um
auszuschließen, dass eine mangelnde Rundheit oder mangelnde
Konzentrizität des zylindrischen Abschnitts 37 relativ zu dem Lager 61 die
erwünschte Lagetoleranz des Lagers negativ beeinflusst. Die beschriebene
Anordnung und insbesondere die Befestigungs- und Ausrichtungsvorkehrungen
des zylindrischen Abschnitts 35 relativ zu der Ausrichtungshülse sind
aufgrund ihrer Vereinfachung beim Zusammenbau und der Robustheit
der Anordnung bevorzugt. Es können alternative Anordnungen zwischen
der Ausrichtungshülse und dem Polstück 34 vorgesehen werden,
selbstverständlich vorausgesetzt, dass das Ziel der Ausrichtung des Lagers 61
an dem distalen Ende der Hülse eine Kolbenbewegung des Ankers
vorsieht, die mit ihrer physikalischen Hauptachse koaxial ist.
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Die Hülse 71 ist bevorzugt aus einem nichtmagnetischen rostfreiem Stahl
geformt, der wiederum Wärmeausdehnungseigenschaften aufweist, die
ähnlich zu seinen damit in Verbindung stehenden Teilen erwünscht sind,
und die bauliche Einstückigkeit aufweist, um eine Abmessungsstabilität
über die Herstellprozesse hinweg beizubehalten, insbesondere bei einer
Befestigung desselben mittels Druckpassung an einem zylindrischen
Abschnitt 35 des Polstückes 34 und dem Lager 61.
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Vorteilhafterweise sieht die Ausrichtungshülse 71 einen Verschluss um
den Ankerhohlraum herum vor, um einen Eintrag von Schmutzstoffen,
insbesondere eisenhaltigen Partikeln zu verhindern. Wie vorher erwähnt
wurde, sieht zumindest teilweise infolge der Unterbringungsvorkehrungen
für den elektrischen Verbinderkörper der Rahmen 23 keine vollständige
Abdichtung der eingeschlossenen Anordnung des Solenoidventils vor. Wie
aus der Figur ersichtlich ist, wird der Haupteintragsweg zumindest von
dem am besten sichtbaren direkten Weg des Durchgangs des
Verbinderkörpers durch das Ausrichtungsrohr beseitigt, das zwischen das Polstück
34 und das Lager 61 gekoppelt ist, wodurch ein im wesentlichen
abgedichteter Ankerhohlraum vorgesehen wird.
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Während die Erfindung unter Bezugnahme auf eine bevorzugte
Ausführungsform einschließlich insbesondere eines bevorzugten linearen
Steuerventils beschrieben worden ist, ist eine derartige Beschreibung nur
beispielhaft
und nicht dazu bestimmt, den Schutzumfang der Erfindung
einzuschränken.