DE102007057882B4

DE102007057882B4 - Elektrohydraulisches Ventil

Info

Publication number: DE102007057882B4
Application number: DE200710057882
Authority: DE
Inventors: Markus Keutz
Original assignee: Hilite Germany GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2007-11-29
Filing date: 2007-11-29
Publication date: 2014-03-06
Anticipated expiration: 2027-11-30
Also published as: DE102007057882A1

Abstract

Elektrohydraulisches Ventil (1) mit einer Spule (9) und einem einzigen entlang einer Längsachse (2) linearverschieblich innerhalb dieser angeordneten bipolar axial magnetisierten permanentmagnetischen Anker (14), wobei bezüglich der Längsachse (2) axial versetzt zur Spule (9) eine weitere Spule (10) vorgesehen ist, innerhalb derer der Anker (14) angeordnet ist, wobei der Anker (14) beidseitig mittels Schraubendruckfedern (18, 23) an ortsfest zueinander angeordneten Gehäuseteilen (19, 21) abgestützt ist, so dass der Anker (14) aus einer stromlosen Mittelstellung bidirektional längsverschieblich ist, wobei der Anker (14) über einen Hydraulikkolben (24) an der einen Schraubendruckfeder (23) abgestützt ist und wobei der Anker (14) koaxial auf einer Stößelstange (15) angeordnet ist, welche sich an dem Hydraulikkolben (24) abstützt, wobei ein Elektromagnet (3) ein Magnetgehäuse (6) umfasst, innerhalb dessen ein äußerer Spulenträger (7) angeordnet ist, an dessen Innenseite die zwei mittels einer Trennrippe (8) getrennten Spulen (9, 10) angeordnet sind, wobei radial an der Innenseite der Spulen (9, 10) ein innerer Spulenträger (11) angeordnet ist, an dem radial innerhalb eine Metallbuchse (12) aus einem magnetisierbaren Metall anliegt.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektrohydraulisches Ventil gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 33 05 833 A1 und dem DE-GM 82 05 174.7 U1 ist jeweils bereits ein Elektrohydraulisches Ventil mit einer Spule und einem entlang einer Längsachse linearverschieblich innerhalb dieser angeordneten Anker aus permanentmagnetischem Werkstoff bekannt.
Ferner sind Doppelhubmagneten bekannt, die einen Flachankermagneten zwischen zwei erregbaren Spulen aufweisen.
Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektrohydraulisches Ventil mit erweitertem Funktionsumfang zu schaffen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen von Patentanspruch 1 gelöst.
Gemäß einem Vorteil ermöglicht die Verwendung eines bipolar axial magnetisierten permanentmagnetischen Ankers in Verbindung mit zwei Spulen einen aktiven bidirektionalen Betrieb des elektrohydraulischen Ventils.
Diese beiden Spulen erzeugen je ein resultierendes magnetisches Feld. Jedes dieser Felder erzeugt einen axialen Kraftvektor am permanentmagnetischen Anker. Durch Stromstärke und Strompolarität werden die Größe und Richtung dieser Kräfte eingestellt. Die Spulen könne also gleichgerichtet axiale Kräfte am Anker in beide Richtungen erzeugen. Außerdem können die Spulen auch entgegengesetzte Kräfte erzeugen. Die resultierende Position des Ankers ergibt sich aus dem Kräftegleichgewicht der Summe der Magnetkräfte zu den wirkenden Federkräften.
Dieses elektromagnetische Feld übt nun entsprechend der Polarität in Abhängigkeit der resultierenden Feldstärke eine anziehende oder abstoßende Kraft auf den permanentmagnetischen Anker aus.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung stützt sich der Anker – ggfs. über eine Stößelstange und/oder einen Hydraulikkolben – beidseitig an jeweils einer Schraubendruckfeder ab. Mittels dieser beiden Schraubendruckfedern lässt sich eine stromlose Mittelstellung verwirklichen. Diese Mittelstellung hat insbesondere bei 4/3-Wege-Ventilen z. B. bei der Ansteuerung von Nockenwellenverstellern üblicherweise den größten Zeitanteil über die Nutzungszeit. D. h. der Anker befindet sich bei den meisten Nutzungsarten von 4/3-Wege-Ventilen zumeist in oder nahe dieser Stellung. Durch die Stromlosigkeit dieser Stellung wird der Stromverbrauch und damit auch die Eigenerwärmung der Spule und einer diese ansteuernden Endstufe minimiert.
Es ist jedoch auch möglich, den permanentmagnetischen Anker ohne Schraubendruckfedern im Quotientenbetrieb anzusteuern. Hierbei wirken jeweils die gegeneinander auf den Anker wirksamen Erregungen der beiden Spulen.
Vorteilhafte Ansteuerungen des elektrohydraulischen Ventils sind in den Unteransprüchen dargestellt.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigt die einzige Zeichnung ein als 4/3-Wege-Ventil ausgeführtes elektrohydraulisches Ventil 1, welches als cartridge-Ventil ausgeführt ist. Dieses Ventil 1 weist eine Längsachse 2 auf, zu der koaxial ein Elektromagnet 3 angeordnet ist. Dieser Elektromagnet 3 ist

– an dessen vorderen Ende mit einem hydraulischen Teil 4 und
– an dessen hinteren Ende mit einem Anschlussstecker 5 verbunden.

Der Elektromagnet 3 umfasst ein Magnetgehäuse 6, innerhalb dessen ein äußerer Spulenträger 7 angeordnet ist. An der Innenseite dieses Spulenträgers 7 sind zwei mittels einer radial vom äußeren Spulenträger 7 nach innen ragenden Trennrippe 8 getrennte Spulen 9, 10 angeordnet. Radial an der Innenseite der Spulen 9, 10 ist ein innerer Spulenträger 11 angeordnet. Radial innerhalb des inneren Spulenträgers 11 liegt eine Metallbuchse 12 aus einem magnetisierbaren Metall an. Diese Metallbuchse 12 erstreckt sich axial von einer mittigen Position im axialen Bereich der Trennrippe 8 über circa ein Drittel jeder der beiden Spulen 9, 10. Über die gesamte axiale Länge des inneren Spulenträgers 11 liegt eine Edelstahlbuchse 13 an dem inneren Spulenträger 11 beziehungsweise an der Metallbuchse 12 an. Dazu ist die Edelstahlbuchse 13 im axialen Bereich der Metallbuchse 12 radial nach innen gezogen. Radial innerhalb der Edelstahlbuchse 13 erstreckt sich ein bipolar axial magnetisierter permanentmagnetischer Anker 14 über die axiale Länge der Metallbuchse 12. Dieser Anker 14 besteht beispielsweise aus Samarium-Kobalt oder Neodym-Eisen-Bor und ist mit einer zentrischen Ausnehmung versehen und auf eine Stößelstange 15 geschoben. Dabei ist der Anker 14 in der Stößelstange 15 einerseits mittels eines Absatzes 16 und andererseits mittels eines Axialsicherungsringes 17 axial abgestützt bzw. gesichert. Somit ist der Anker 14 unverschieblich gegenüber der Stößelstange 15. Diese Stößelstange 15 ist an deren beiden Enden mit relativ großem Radialspiel durch zentrale Durchgangsbohrungen von Polkernen 19, 32 geführt. Am hinteren Ende ist der Anker 14 über den Axialsicherungsring 17 und eine hintere Schraubendruckfeder 18 elastisch am hinteren Polkern 19 abgestützt.
Am vorderen Ende ist die Stößelstange 15 über einen Hydraulikkolben 24 des hydraulischen Teils 4 und eine sich diesem anschließende vordere Schraubendruckfeder 23 an einem Stützring 21 abgestützt, welcher in eine zentrale Bohrung 22 einer Buchse 20 des hydraulischen Teils 4 eingepresst ist. Die Buchse 20 führt dabei den Hydraulikkolben 24 in der zentralen Bohrung 22. Der Hydraulikkolben 24 ist mit einer mittigen umlaufenden Ringnut 25 versehen, die axial durch absatzartige Ablaufkanten 26, 27 begrenzt ist. Der Hydraulikkolben 24 ist ferner koaxial hohl gebohrt und mit Querbohrungen 28, 29 zur Rückführung von Hydraulikfluid in einen Tank T vorgesehen. Über die Ablaufkanten 26, 27 kann das Hydraulikfluid von einer Druckversorgung P zu zwei Steuerkanälen A, B geleitet werden. Dazu ist der Hydraulikkolben 24 linearverschieblich innerhalb der Buchse 20 geführt, wobei an den Steuerkanälen A, B Querbohrungen 30, 31 vorgesehen sind. Ebenso sind Querbohrungen 39 an der Druckversorgung P vorgesehen. Die Buchse 20 ist mit Ringstegen 35, 36, 37, 38 versehen, welche die Druckversorgung P und die beiden Steuerkanäle A, B voneinander trennt.
Am hinteren Ende weist das elektrohydraulische Ventil 1 den Anschlussstecker 5 auf, an den sich eine Spannung anlegen lässt. Je nachdem, wie die beiden Spulen 9, 10 verschaltet bzw. verdrahtet sind, ist dieser Anschlussstecker 5 ausgebildet.
So ist beispielsweise an beide Spulen eine eigene Spannung anlegbar.
Sind die beiden Spulen 9, 10 hingegen in Reihe geschaltet, so kann der Anschlussstecker 3-polig ausgeführt sein, wobei die Ansteuerung des elektrohydraulischen Ventils 1 mittels bidirektionaler Endstufe mit Mittelabgriff oder zwei monopolarer Endstufen erfolgt.
Bei dieser Verschaltung in Reihe ist es möglich, eine stromlose Mittelstellung des Ankers 14 und damit des Hydraulikkolbens 24 einzustellen, welche aus den entgegengerichteten Federkräften der beiden Schraubendruckfedern 18, 23 resultiert.
Es ist auch eine Ausführungsform des elektrohydraulischen Ventils ohne die beiden Schraubendruckfedern 18, 23 möglich. Werden bei einer solchen Ausführungsform durch die beiden Spulen 9, 10 gleich große Ströme geleitet, so entstehen – abhängig von der Strompolarität – entgegenwirkende Kräfte am Anker 14, die diesen Anker 14 in der Mittelstellung halten. Damit wird die Mittelstellung dann in dem so genannten Quotientenbetrieb angesteuert.
Es ist auch möglich, die beiden Spulen 9, 10 parallel zu schalten. In diesem Fall kann der Anschlussstecker 5 2-polig ausgeführt sein. Dabei erfolgt ein bidirektionaler Betrieb des Elektromagneten 3 über eine Stromumkehr. In dem Fall wird eine bipolare Endstufe verwendet.
Die Spannung, welche an die Spule bzw. die Spulen angelegt wird, kann pulsweitenmoduliert sein. Alternativ ist eine konventionelle Spannungs- oder Stromansteuerung möglich.
Im Bereich 33 der Durchgangsbohrung durch den vorderen Polkern 32 ist ein nicht näher dargestelltes selbst-dichtendes Lager eingesetzt. Durch diese Abdichtung des hydraulischen Teils 4 gegenüber dem elektromagnetischen Teil 3 wird ein Festsetzen von magnetischen Partikeln am Anker 14 vermieden. Alternativ können auch andere Dichtungen zur Abdichtung des Ankers 14 gegen verschmutztes Hydraulikfluid vorgesehen sein. So kann beispielsweise eine Membran vorgesehen sein, die einerseits dicht an einem gehäusefesten Bauteil anliegt. Andererseits liegt diese Membran an dem Anker oder einem am Anker befestigten Bauteil – d. h. insbesondere der Stößelstange – dicht an.
Der Spulenträger 7 mit den Spulen 9, 10 ist mit der Trennrippe 8 aus Kunststoff ausgeführt. Um den magnetischen Fluß zu erhöhen, kann in einer alternativen Ausführungsform im Bereich der Trennrippe 8 auch eine magnetisch leitende Scheibe zwischen den beiden Spulen 9, 10 vorgesehen sein.
Das elektrohydraulische Ventil kann Anwendung als Volumenstromregler, als Druckregler, als Proportionalventil oder als Schaltventil finden. Dabei muss das Ventil nicht als 4/3-Wege-Ventil ausgeführt sein, sondern kann auch in einer anderen Ventilform Anwendung finden. Insbesondere kann es auch als 4/2-Wege-Ventil oder als 3/2-Wege-Ventil ausgeführt sein.
Das elektromagnetische Ventil kann insbesondere einen Flügelzellen-Nockenwellensteller steuern. Solch ein Ventil ist beispielsweise in der EP 1 025 343 B1 dargestellt.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.

Claims

Elektrohydraulisches Ventil (1) mit einer Spule (9) und einem einzigen entlang einer Längsachse (2) linearverschieblich innerhalb dieser angeordneten bipolar axial magnetisierten permanentmagnetischen Anker (14), wobei bezüglich der Längsachse (2) axial versetzt zur Spule (9) eine weitere Spule (10) vorgesehen ist, innerhalb derer der Anker (14) angeordnet ist, wobei der Anker (14) beidseitig mittels Schraubendruckfedern (18, 23) an ortsfest zueinander angeordneten Gehäuseteilen (19, 21) abgestützt ist, so dass der Anker (14) aus einer stromlosen Mittelstellung bidirektional längsverschieblich ist, wobei der Anker (14) über einen Hydraulikkolben (24) an der einen Schraubendruckfeder (23) abgestützt ist und wobei der Anker (14) koaxial auf einer Stößelstange (15) angeordnet ist, welche sich an dem Hydraulikkolben (24) abstützt, wobei ein Elektromagnet (3) ein Magnetgehäuse (6) umfasst, innerhalb dessen ein äußerer Spulenträger (7) angeordnet ist, an dessen Innenseite die zwei mittels einer Trennrippe (8) getrennten Spulen (9, 10) angeordnet sind, wobei radial an der Innenseite der Spulen (9, 10) ein innerer Spulenträger (11) angeordnet ist, an dem radial innerhalb eine Metallbuchse (12) aus einem magnetisierbaren Metall anliegt.
Elektrohydraulisches Ventil nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Trennrippe (8) radial vom äußeren Spulenträger (7) nach innen ragt.
Elektrohydraulisches Ventil nach Patentanspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker im Quotientenbetrieb angesteuert wird.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (9, 10) im bestromten Zustand in Reihe schaltbar sind.
Elektrohydraulisches Ventil nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) einen 3-poligen Anschlussstecker (5) aufweist, wobei die Ansteuerung des Ventils (1) mittels einer bidirektionalen Endstufe mit Mittelabgriff erfolgt.
Elektrohydraulisches Ventil nach Patentanspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) einen 3-poligen Anschlussstecker (5) aufweist, wobei die Ansteuerung des Ventils (1) mittels zwei monopolaren Endstufen erfolgt.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der Patentansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Spulen (9, 10) im bestromten Zustand parallel schaltbar sind, wobei ein 2-poliger Anschlussstecker (5) vorgesehen ist, wobei die Ansteuerung des Ventils (1) mittels einer bidirektionalen Endstufe erfolgt.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil (1) als 4/3-Wege-Ventil ausgeführt ist.
Elektrohydraulisches Ventil nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Dichtung in einem Bereich (33) vorgesehen ist, die einerseits dichtend an einem gehäusefesten Bauteil (32) und andererseits an dem Anker (14) oder einem gegenüber diesem Anker (14) festen Bauteil dicht anliegt.