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Die
Erfindung betrifft einen Elektromagnet zur Betätigung von Ventilen, entsprechend
dem Oberbegriff des Anspruches 1.
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Stand der Technik
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Im
Bereich von fluidtechnischen Anwendungen wird ein Ventil, das von
einem Elektromagneten betätigt
wird, von einem Fluid in Form von Hydrauliköl, Gas, Luft, Bremsflüssigkeit
oder anderen Fluiden durchströmt
oder ist mit einem solchen Medium gefüllt. Um die Wirkung eines Zuström- bzw.
Abströmdruck
nutzen zu können,
ist ein Druckausgleich notwendig, der über Bohrungen oder Öffnungen
nicht nur innerhalb des Ventils erfolgt, sondern auch zwischen dem
Ventil und dem Elektromagneten erfolgt. Daher sind beide über Druckausgleichsöffnungen miteinander
verbunden.
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Zur
Vermeidung des hyperbolischen Anstiegs der Magnetkraft im Endhubbereich
des Magneten, sind Antiklebscheiben vorgesehen, die an der radialen
Aufprallfläche
des Konusses des Elektromagneten mittels Presssitz angeordnet sind.
Der Presssitz der Antiklebscheibe erstreckt sich meist über den gesamte
radiale Fläche
des Konuses. Die Antiklebscheibe besteht aus einem robusten, nichtmagnetischen
Material.
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Zur
Herstellung einer kompakten Bauweise ist das Stellorgan des Ventils,
z. B. in Form eines Ventilschiebers oder Kegel, mit einem Hubankerkolben
des Magneten über
eine Betätigungsstange
verbunden, die durch eine zentrische Bohrung im Konus von dem Ankerkolben
abragt.
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Neben
der Anordnung der Antiklebscheibe am Konus ist alternativ auch deren
Anordnung direkt an der Betätigungsstange
vorge sehen, wie dies beispielsweise aus der
DE 199 34 846 A1 ersichtlich
ist.
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Für den Druckausgleich
zwischen dem Hubankerraum des Magneten und dem Ventil sind die Ausgleichsöffnungen
als achsparallele Bohrung im Konus ausgeführt. Durch die Anordnung der
Antiklebscheibe an der Innenstirnwand des Konusses werden diese
Ausgleichsöffnungen
an den radialen äußeren Rand
verlegt. Damit wird die für
die Magnetkraft wirksame Fläche
des Konusses reduziert, was zu einer Schwächung der Magnetkraft führt. Angestrebt
wird daher insbesondere diesen Bereich des Konusses möglichst
als Vollmaterial zu erhalten.
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DE 197 17 445 C2 zeigt
einen Elektromagneten, insbesondere zum Betätigen von Ventilen, mit einem
Hubankerkolben und einer davon abragenden Betätigungstange, die durch eine
zentrische Bohrung des Konusses mit einem Stellelement des Ventils verbunden
ist. Zwischen dem Ankerkolben und der zugehörigen Aufprallwand des Konusses
ist eine kreisrunde Antiklebscheibe mit einer zentrischen Öffnung zum
Durchlass für
die Betätigungsstange
vorgesehen. Der Druckausgleich zwischen dem Inneren des Elektromagneten
und dem Ventil erfolgt über
die zentrische Bohrung des Konusses, die dazu einen vergrößerten Durchmesser
aufweist, so dass zwischen dem Stangendurchmesser und dem Bohrungsdurchmesser
ein Spalt entsteht.
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DE 90 05 411 U1 ,
das als gattungsbildend angesehen wird, zeigt einen weiteren Elektromagneten
zur Betätigung
eines Ventils, bei der die Betätigungsstange
in einer Gleitbuchse geführt
ist, die gleichzeitig Lagerfunktion für die Stange ausübt. Die Antiklebscheibe
ist im Presssitz auf der Betätigungsstange
aufgebracht. Der erforderliche Druckausgleich zwischen Magnet und
Ventil erfolgt über achsparallele
Bohrungen im Konus des Magneten. Der Abstand der Aus gleichsbohrung
zu der zentrischen Bohrung wird durch den Durchmesser der Antiklebscheibe
festgelegt; so dass diese vorwiegend im Außenbereich des Konuses angeordnet
sind. Dies wiederum führt
zu einer Schwächung
des magnetischen Flusses in diesem Bereich.
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DE 10 2004 028 871
A1 zeigt einen weiteren gattungsgemäßen Elektromagneten mit einer
buchsenförmigen
Antiklebscheibe, die mit einem radialen Abstand ein stangenförmiges Betätigungsteil
des Magnetankers umfasst. Die Buchse ist mit ihrem radialen Bereich
an der radialen Aufprallwand des Konusse für den Anker angeordnet. Ihr
axialer Bereich erstreckt sich in eine Öffnungsbohrung des Konusses für die Betätigungsstange.
Zwischen dem Durchmesser der Stange und dem der Öffnungsbohrung des Konusses
sind Druckausgleichsöffnungen
vorgesehen.
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DE 42 15 237 A1 zeigt
einen weiteren gattungsgemäßen Elektromagneten
mit einer buchsenförmigen
Antiklebscheibe, die jedoch an einer radialen Aufprallwand des Magnetankers
mit dem Konus angeordnet ist, und nicht an der des Konusses. Der Anker
weist an der Aufprallwand eine axiale Sacklochbohrung zur Aufnahme
einer Rückstellfeder
auf, die im radialen Abstand von der Buchse umgeben ist. Der axiale
Bereich der Buchse ist in der Sacklochbohrung angeordnet. Der radiale
Bereich der Buchse erstreckt sich bis nahezu zum äußeren radialen
Rand des Ankerkolbens, in dem achsparallele Druckausgleichsbohrung
angeordnet sind.
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Aufgabe der Erfindung
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Es
ist die Aufgabe der Erfindung, die Druckausgleichsöffnungen
im Konus möglichst
achsennah anzuordnen, wobei jedoch die Funktion „Reduktion der Resthaltekraft" des Ankerkolbens
durch die Antiklebscheibe an der Aufprallwand nicht beeinträchtigt werden
soll. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß in Verbindung mit dem Oberbegriff
durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruches 1 gelöst.
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Die
Erfindung verwendet eine druckausgleichende Einpressbuchse als Antiklebscheibe.
Das Bauteil erfüllt
die Funktionalität
einer Antiklebscheibe, verhindert aber den Druckausgleich im Magneten nicht.
Die Buchse weist einen radial zur Achse gerichteten Kragen mit Ausnehmungen
auf, der sich radial an der zum Ankerkolben gerichteten Stirnwand des
Konusses anpresst und somit den Ankerkolben und den Konus auf Abstand
hält.
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Durch
die in radialer Richtung angeordneten Ausnehmungen im Kragen der
Buchse können
jetzt die Druckausgleichsöffnungen
näher in
Richtung der Achse des Magneten angeordnet werden. Der achsaxiale
Abstand wird lediglich durch den Durchmesser der zentrischen Bohrung
für die
Betätigungsstange
begrenzt. In einer weiter unten noch ausführlicher beschriebenen Ausführungsform
der Erfindung können
die Druckausgleichsöffnungen
sogar direkt in der zentrischen Bohrung für die Betätigungsstange angeordnet werden.
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Die
vorgeschlagene Lösung
hat das Potential, sehr kostengünstig
zu sein. Denn zusätzlich
erforderliche Nuten oder Bohrungen können auf eine Mindestanzahl
reduziert werden, so dass bauraum sparend konstruiert werden kann.
Die Buchse selbst kann kostengünstig
als umgeformtes Bauteil hergestellt werden.
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In
einer vorteilhaften Ausführung
der Erfindung ist die Buchse im Presssitz mit ihrem axialen Bereich
in der zentrischen Bohrung des Konusses eingepresst, durch die die
von dem Ankerkolben abragende Betätigungsstange gleitend geführt ist.
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Die
Buchse liegt nicht mit ihrem gesamten axialen Umfang am Durchmesser
der zentrischen Bohrung an, sondern vorteilhaft nur an speziell
hierzu vorhanden radial nach außen
gerichteten Ausbuchtungen. Diese Ausbuchtungen sind so ausgelegt, dass über ihre
elastische bzw. plastische Verformung der Presssitz sichergestellt
wird.
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In
einer weiteren vorteilhaften Ausführung kann die druckausgleichende
Buchse in ihrem sich axial erstreckenden Bereich zusätzlich als
Führungs- oder
Gleitlager für
die Betätigungsstange
in der zentrischen Bohrung im Konus verwendet werden, wodurch sich
zusätzliche
Lager- und Führungsstellen der
Stange in der Konusbohrung erübrigen.
Die Buchse weist hierzu an ihrem dem Konus abgewandten axialen Ende
eine radial nach innen auf den Stangendurchmesser gerichtete Umlenkung
ihrer Aussenwandung auf. Die Umlenkung können auch als DU Gleitlager
ausgeführt
sein.
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Die
Lagerung der Einpressbuchse erfolgt vorteilhaft in einem radial
vergrößerten Hohlraum
der zentrischen Bohrung, die somit in Richtung des Ankerkolbens
radial nach außen
abgesetzt ist. Der axiale Bereich kann somit mit einen vergrößertem Durchmesser
gefertigt werden, wodurch die Ausbuchtungen für die Klemmung im Konus fertigungstechnisch
besser herstellbar werden. Dies betrifft insbesondere auch die oben
erwähnten
Lager- und Führungseigenschaften
für die
Stange.
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In
einer ersten vorteilhaften Variante der Erfindung sind die Druckausgleichsöffnungen
als separate, achsparallele und durchgehende Bohrungen im Konus
angeordnet, wobei diese in dem Bereich der Ausnehmungen der Buchse
münden.
Durch die Ausnehmungen ist es möglich,
die zusätzlichen
Druckausgleichsbohrungen mit minimalem achsparalllem Abstand zur
zentrischen Bohrung anzuordnen. Der minimale radiale Abstand zur
Achse des Konusses wird durch den Durchmesser der zentrischen Bohrung
oder des Hohlraumes in der zentrischen Bohrung bestimmt.
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In
einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung der Erfindung ist vorgesehen,
die Druckausgleichsöffnungen
in der zentrischen Bohrung des Konusses anzuordnen, wobei zwischen
dem Stangendurchmesser und dem Bohrungsdurchmesser ein axial sich
erstreckender Spalt vorgesehen ist, durch den das Fluid zum Druckausgleich
strömt.
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Die
Ausbuchtungen des Presssitzes der Buchse werden dabei so ausgelegt,
dass über
ihre Verformung zwar ihr Presssitz sichergestellt wird, aber zugleich
zwischen den Ausbuchtungen ein weiterer Spalt entsteht, durch den
das Fluid zum Druckausgleich strömen
kann. Im Bereich des Hohlraumes mündet der Spalt vorteilhaft
in dem Bereich der Ausnehmungen am Kragen der Buchse.
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In
der oben beschriebenen Ausführung
ist es weiter vorteilhaft, dass die Betätigungsstange auf ihrer axialen
Länge Laufflächen in
Form von Abflachungen oder eines Polygonprofil aufweist. Die Spaltenbildung
erfolgt hier zwischen den axialen Abflachungen der Stange und dem
zentrischen Bohrungsdurchmesser. Die erhebenden Laufflächen am
Stangenumfang können
zusätzlich
als zusätzliche
Führungs-
oder Gleitlager der Stange im Konusbereich verwendet werden.
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Weitere
vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den
Unteransprüchen
sowie der nachfolgend beschriebenen Zeichnung.
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Ausführungsbeispiel
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1 zeigt
eine schematische Seitenansicht einen Elektromagnet mit aufgeflanschtem
Ventil.
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2 zeigt
eine perspektivische Darstellung der Einpressbuchse.
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3 zeigt
in einer perspektivischen Darstellung eine Variante der Erfindung.
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1 zeigt
in einer schematischen Seitenansicht einen Elektromagneten 1 in
der Bauart eines zylinderförmigen
Hubmagneten, der ein Ventil 2 ansteuert. Bei dem Ventil 2 handelt
es sich um eine 2/2 Wegesitzventil, das in einer fluidischen Strömung angeordnet
ist, wobei das Fluid einen Zu- bzw. Abfluss 3 durchströmt. Der
hydraulische Zu- und Abfluss 3 wird durch einen Sitzkörper 4 in
Form eines stumpfen Kegels (siehe 3) in einem
Ventilsitz 5 gesteuert. Der Sitzkörper 4 kontaktiert
in axialer Richtung eine Betätigungsstange 6,
die ihrerseits an die Stirnseite eines Hubankerkolbens 7 des
Elektromagneten 1 stößt. Der
Sitzkörper 4 wird
mittels einer radial angeordneten Flachfeder 18 nach Betätigung durch
den Elektromagneten 1 wieder in seinen Sitz 5 gedrückt. Dargestellt
ist die stromlos geschlossene Ausführungsform des Ventils 2.
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Der
Hubankerkolben 7 ist in einer Lagerhülse 8 angeordnet,
die in einem Spulenkörper
angeordnet ist, der aus einer stromdurchflossenen Zylinderspule 9,
dem Joch 10 und einer rückwärtigen Abdeckung 19 mit
einem Stecker 11 für
den Stromanschluss besteht. Der Elektromagnet 1 wird nach
außen
durch einen Mantel 13 abdeckt. Im vorderen Bereich des Elektromagneten 1 in
Richtung des Ventils 2 ist ein Konus 12 vorgesehen,
der Teil der Ventilhülse 14 des Ventils 2 ist.
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Bei
Bestromung de Zylinderspule 9 wird der Hubankerkolben 7 durch
Magnetkraft zum Konus hin gezogen. Der Ventilsitzkörper 4 wird
von seinem Sitz 5 angehoben und verbindet somit Zu- und
Abfluss 3 miteinander.
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Der
Konus 12 bzw. die Ventilhülse 14 weist eine
durchgehende axiale zentrische Bohrung 15 auf, durch die
die Betätigungsstange 6 hindurchragt. In
der Ausführung
nach 1 ist vorgesehen, dass die Stange 6 einen
kreisrunden Querschnitt aufweist. Die Bohrung 15 öffnet sich
an ihrem zum Hubankerkolben 7 gerichteten Ende zu einen
zylinderförmigen Hohlraum 16,
an dessen axialer Wandung eine Buchse 17 im Presssitz festgeklemmt
ist.
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Einer
der beiden Zu- bzw. Abflüsse 3 ist
axial an der Stirnseite des Ventils 2 angeordnet, das dazu korrespondierende
Teil verläuft
radial und mündet
in die zentrische Bohrung 15 des Konusses 12 oder
der Ventilhülse 14.
In diesem Bereich weist die kreisrunde Betätigungsstange 6 einen
verringerten Querschnitt auf, um einen ausreichenden Durchfluss
des Fluid zu gewährleisten
und den Kegel in den Sitz zu zentrieren.
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Die
Buchse 17, die separat in 2 in perspektivischer
Darstellung dargestellt ist, weist einen zylinderförmigen axialen
Bereich auf, an dessen Umfangswandung radial nach außen gerichtete
Ausbuchtungen 20 angeordnet sind, die einen sicheren Presssitz
in der Wandung des Hohlraumes 16 gewährleisten. Die Buchse 17 weist
zusätzlich
einen in radialer Richtung herausragenden Kragen 21 auf,
an dessen Umfang radial nach innen gerichtete Ausnehmungen 22 vorgesehen
sind. Im Einbau (siehe 1 und 3) ist der
Kragen 21 mit seinen Ausnehmungen 22 an der radialen
Stirnwand des Konusses 12 angeordnet, und dient auf diese
Weise als Hubbegren zung des Ankerkolbens 7. Sie erfüllt damit
in dieser Position die Funktion einer Antiklebscheibe zur Vermeidung
des hyperbolischen Anstiegs der Magnetkraft im Endhubbereich des
Ankerkolbens 7 am Konus 12 des Magneten 1.
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Der
axiale Bereich der Buchse 17 weist an seinem dem Kragen 21 abgewandten
Ende eine radial nach innen zur Betätigungsstange 6 gerichtete Umlenkung 24 (siehe 1)
seiner Umfangswandung auf, die als Führungs- bzw. Gleitlager für die Stange 6 dient.
Ansonsten wird die Stange über
die zentrische Bohrung 15 geführt.
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Die
durch die Durchströmung
des Ventils 2 bedingten Druckwirkungen müssen von
der Ventilseite auch in das Innere des Elektromagneten 1 geführt werden
können.
Aus diesem Grunde weist die Anordnung nach 1 eine zusätzliche
achsparallele Bohrung im Konus 12 als Drucksausgleichsöffnung 23 auf.
Die Druckausgleichsbohrung 23 ist durchgehend und erstreckt
sich vom Bereich des Ventilsitzes 5 bis zur radialen Stirnwand
des Konusses 12, an dem der Kragen 21 der Buchse 17 anliegt.
Die Druckausgleichsbohrung 23 mündet im Hubbereich des Ankerkolbens 7 im
Bereich der Ausnehmungen 22 des Kragens 21 der
Buchse 17. Die Bohrung 23 kann jetzt möglichst
nahe zur zentrischen Bohrung 15 angeordnet werden.
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In
der weiteren Figurenbeschreibung sind gleiche Funktionsteile mit
denselben Bezugszeichen versehen.
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3 zeigt
in einer perspektivischen Längsschnittdarstellung
eine Variante der Erfindung, bei der die Druckausgleichsöffnungen 23 in
der zentrischen Bohrung 15 angeordnet sind, also auf eine
zusätzliche
Bohrung für
den Druckausgleich verzichtet wird. Dargestellt ist die Ausführungsform,
bei der die Betätigungsstange 6 im
Bereich des Lagerung der Buchse 17 keinen gleichmäßigen runden
Querschnitt aufweist, sondern einen in axialer Richtung sich erstre ckenden
tangentiale Abflachungen 28 oder ein Polygonquerschnitt
aufweist. Der sich in Richtung des Ventilsitzes 5 erstreckende
weitere Bereich der Stange 6 besitzt weiterhin einen kreisrunden
Querschnitt.
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Im
Abflachungs- oder Profilbereich der Stange 6 entsteht somit
zwischen dem Stangendurchmesser und dem Durchmesser der zentrischen
Bohrung ein Spalt 25, über
den eine Verbindung vom Ventil 2 zum Inneren des Elektromagneten 1 erfolgen kann.
Der Spalt 25 geht im Hohlraum 16, im Lagerbereich
der Buchse 17, in einen weiteren Spalt 27 über, der
zwischen den Ausbuchtungen 20 der Buchse 17 entsteht.
Der sich durch die gesamte zentrische Bohrung 15 erstreckende
Spalt 25 mündet,
was aus 3 nicht ersichtlich ist, in
den Bereich der radialen Ausnehmungen 22 des Kragens 21 der
Buchse 17.
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Aus 3 ist
ferner ersichtlich, dass der profilierte Bereich der Stange an seinem äußeren Randbereich
Laufflächen 26 in
Form von Abflachungen, Rundungen oder Fasen aufweist. Diese erfüllen die Führungs-
oder Gleitfunktion für
die Stange 6 in der zentrischen Bohrung 15 des
Konusses 12 oder der Ventilhülse 14.
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Ein
ausreichender Druckausgleich in der zentrischen Bohrung kann, in
Abwandlung der Darstellung der 3, auch
bei kreisrundem Stangenquerschnitt erfolgen. Es muss hierzu nur
sichergestellt werden, dass das Fluid in dem Spalt 25 nach der
Abdichtung durch den Ventilssitz 5 in das Innere des Elektromagneten 1 strömen kann
und somit den Druckausgleich erzeugt. Der Durchmesser der zentrischen
Bohrung 15 ist für
die Spaltbildung dementsprechend zu vergrößern. Für die Führungs- und Gleitfunktion der
Stange 6 sind im axialen Abstand zueinander zusätzlich radial
sich ersteckende Halteelemente in Form von Gleitlager mit einem
axialen Durchlass für
die Fluidströmung
vorzusehen.
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- 1
- Elektromagnet
- 2
- Ventil
- 3
- Zu-
bzw. Abfluss
- 4
- Sitzkörper
- 5
- Ventilsitz
- 6
- Betätigungsstange
- 7
- Hubankerkolben
- 8
- Lagerhülse
- 9
- Zylinderspule
- 10
- Joch
- 11
- Stecker
- 12
- Konus
- 13
- Mantel
- 14
- Ventilhülse
- 15
- Zentrische
Bohrung
- 16
- Hohlraum
- 17
- Buchse
- 18
- Flachfeder
- 19
- rückwärtige Abdeckung
- 20
- Ausbuchtung
- 21
- Kragen
- 22
- Ausnehmung
- 23
- Druckausgleichsöffnung (Bohrung)
- 24
- Umlenkung
- 25
- Spalt
- 26
- Lauffläche
- 27
- Spalt
- 28
- Abflachungen