DE102009022092A1

DE102009022092A1 - Elektromagnetisches Ventil

Info

Publication number: DE102009022092A1
Application number: DE102009022092A
Authority: DE
Inventors: Joachim Günther; Heidebrecht Wjatscheslaw
Original assignee: EKS Elektromagnetik Dr Scheuerer KG
Current assignee: EKS Elektromagnetik Dr Scheuerer KG
Priority date: 2009-05-20
Filing date: 2009-05-20
Publication date: 2010-11-25

Abstract

Die Erfindung betrifft elektromagnetisches Ventil mit einer stationären, strombeaufschlagbaren Spule (2) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, einem stationären Kern (3) zur elektromagnetischen Flussführung sowie einem als Reaktion auf eine Bestromung der Spule in einer axialen Richtung bewegbaren Anker (5), wobei ein im Kern gebildeter Ein- und/oder Auslasskanal (6) eine erste Ventilöffnung (7) ausbildet, die durch am Anker vorgesehene Dichtungsmittel (12) verschließbar ist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Anker einen weichmagnetischen Ankerkörper (19) aufweist, der in einem axialen Hohlraum ein sich axial erstreckendes Trägerelement (11) umschließt und mit diesem durch einen mechanischen Umformvorgang fest verbunden ist und das Trägerelement einen Dichtkörper (12) als Dichtungsmittel aus einem Elastomermaterial so hält, dass der Dichtkörper dichtend mit der Ventilöffnung zusammenwirken kann.

Description

Die Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Ventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektromagnetisch betätigte Ventile werden für eine Vielzahl von Anwendungen in der Pneumatik und Hydraulik eingesetzt. Sowohl in der Nutzfahrzeugpneumatik, als auch in steigendem Maße in der PKW-Luftfederung kommen diese Ventile zum Einsatz. Dabei müssen diese Ventile preisgünstig herstellbar und kompakt in der Bauweise sein, wobei an die Zuverlässigkeit der Steuerfunktion hohe Anforderungen gestellt werden.
Bekannte elektromagnetische Ventile weisen eine strombeaufschlagte Spule zur Erzeugung eines elektrischen Feldes auf, welches in einem Magnetkreis aus weichmagnetischem Material geführt wird. Dieser Magnetkreis besteht üblicherweise aus einem die Spule zumindest teilweise umgebenden Joch, einem stirnseitig angeordneten Kern und einem in einer Führung beweglich gelagerten Anker. Im Kern ist ein Strömungskanal vorgesehen, der etwa achsparallel zur Spule angeordnet ist und mit einer Ventilöffnung in den Innenraum des Ventiles mündet. Im Innenraum ist auf der gegenüberliegenden Seite eine zweite Ventilöffnung vorgesehen, die das Ende eines typischerweise ebenfalls achsparallel verlaufenden Strömungskanals ist, und gegebenenfalls sind eine oder mehrere Öffnungen vorhanden, die mit dem Arbeitsanschluss der Ventilanwendung durch entsprechend abgedichtete Kanäle verbunden sein können.
Ein etwa achsparallel zur Spule geführtes Ventilelement, welches einen Anker und eine Dichtung zum wechselseitigen Verschließen der Ventilöffnungen aufweist, ist in einer Längsführung im Innenraum des Ventils gelagert. Dieser Anker und/oder der Innenraum des Ventils sind so gestaltet, dass das zu schaltende Medium, ein Gas oder eine Flüssigkeit, durch entsprechende Kanäle im Anker oder seiner Führung von einer Seite des Ankers zur anderen Seite des Ankers strömen kann. Eine Feder hält den Anker im nicht bestromten Zustand in der Position, die die eine Ventilöffnung verschließt.
Bei einer Strombeaufschlagung der Spule wird das entstehende elektromagnetische Feld durch das Joch, den Anker und den Kern geführt, wobei das Feld den Arbeitsluftspalt zwischen dem Anker und dem Kern verkleinert und somit den Anker gegen die Federkraft bewegt. Das mit dem Anker verbundene Dichtelement wird hierbei von der einen Ventilöffnung gelöst und gegen die andere Ventilöffnung gepresst, so dass diese dicht verschlossen wird.
Dieses Dichtelement wird bei bekannten Ventilen durch Einmontieren in den Anker oder durch Aufvulkanisieren des Dichtmaterials auf den Anker direkt oder ein Trägerteil hergestellt, wie es zum Beispiel auch in DE 101 46 497 A1 beschrieben ist. Diese Montagearbeiten sind speziell bei kleinen Ventilen mit relativ kleinen Teilen mit hohem Montage- und Handhabungsaufwand verbunden. Die Vulkanisierprozesse bei einvulkanisierten Dichtungen erfordern ebenfalls einen nicht unerheblichen Aufwand durch die Einlegeteile im Vulkanisierwerkzeug und zur Aktivierung derer Oberflächen zur Erzielung einer prozesssicheren Haftung zwischen Dichtmaterial und Anker oder Trägerteil. Auch ergibt sich bei der Aufvulkanisation direkt auf den Anker die Notwendigkeit, durch zusätzliche Fertigungsschritte für die Strömungsführung notwendige Kanäle zu erzeugen. Bei dem in DE 101 46 497 A1 beschriebenen Trägerteil, das die Strömungskanäle ermöglicht, kommt zu dem Vulkanisieraufwand noch der Aufwand der notwendigen Einschraubmontage mit den Kosten für die hierzu notwendige Sondermaschine, so dass diese Variante nicht in kostenoptimierten Ventilen eingesetzt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein elektromagnetisches Ventil nach dem Oberbegriff des Hauptanspruchs zu schaffen, welches im Hinblick auf einfache Fertigkeit, insbesondere Großserientauglichkeit, vereinfacht und verbessert ist, dabei zuverlässig und betriebssicher eine Fixierung der Dichtungsmittel am bzw. im Anker ermöglicht und bevorzugt für Hydraulikanwendungen, auch im Zusammenhang mit mehreren Ventilöffnungen, benutzt werden kann.
Die Aufgabe wird durch das Ventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs sowie Verwendung nach dem unabhängigen Patentanspruch 14 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
In erfindungsgemäß vorteilhafter Weise umschließt der (ideal hohlzylindrisch bzw. hülsenartig ausgebildete) Ankerkörper als Komponente des Ankers ein Trägerelement (Träger), welches zum einen als Träger für einen Dichtkörper dient, zum anderen durch ein mechanisches Umformverfahren, etwa ein Bördeln oder dergleichen an einem Rand des Ankerkörpers, mit diesem fest und unlösbar verbunden ist.
Auf diese Weise kann vorteilhaft ein Anker realisiert werden, welcher etwa einen axialen Fluidströmungskanal im Anker (genauer: gebildet im bzw. angeboten durch das Trägerelement bzw. Durchbrüche darin) besitzt. Auch ist auf diese Weise in sehr betriebssicherer und herstellungstechnisch günstiger Weise eine Befestigung des Dichtkörpers als Dichtungsmittel am bzw. im Anker möglich, ohne dass in aufwändiger Weise ein Vulkanisieren, Verkleben oder dergleichen erfolgen muss.
Vielmehr ist es vorteilhaft und weiterbildungsgemäß im Rahmen der Erfindung vorgesehen, dass das Trägerelement in der Art einer hülsenförmigen Aufnahme den Dichtkörper aufnimmt und, je nach Ausgestaltung, etwa ein axiales oder aber ein laterales (d. h. quer zur axialen Richtung erfolgendes) Einsetzen des elastomeren Dichtkörpers ermöglicht.
Weiterbildungsgemäß ist es zudem von der Erfindung umfasst, diesen Dichtkörper kraft- und/oder formschlüssig am Trägerelement und damit auch axial fixiert (als Grundlage für einen festen Verschluss einer Ventilöffnung) vorzusehen, wobei bevorzugt etwa die im Trägerelement gebildete hülsenartige und sich axial erstreckende Aufnahme radiale Vorsprünge aufweist, die kraft- und/oder formschlüssig mit dem Elastomermaterial des Dichtkörpers zusammenwirken und dieses in der gewünschten Weise gegen axiales Verschieben sichern.
Auf diese Weise ist es möglich, nicht nur einen einends eine Ventilöffnung verschließenden Anker zu realisieren, vielmehr ist es gemäß einer bevorzugten Realisierungsform der Erfindung vorgesehen, etwa in der Art eines 3/2-Ventils, den Anker so auszubilden, dass dieser durch das darin vorgesehene Trägerelement durch axiale Bewegung beidseitig eine jeweils zugeordnete Ventilöffnung gesteuert öffnen bzw. verschließen kann, wobei der sich im Rahmen dieser bevorzugten Ausführungsform axial durch das Trägerelement und damit durch den Anker erstreckende Dichtkörper geeignet einstückig jeweils stirnseitig eine gummielastische Verschlussfläche anbietet.
Herstellungstechnisch besonders günstig ist das (etwa als Kunststoff-Spritzgießteil ausgestaltete, weiter bevorzugt einstückige) Trägerelement so ausgebildet, dass es mittig in den Ankerkörper einsteckbar und mit diesem (etwa durch das beschriebene Bördeln) verbindbar ist. Das Trägerelement selbst weist dann einen langgestreckten, hülsenartigen Mittelbereich zum Einsetzen des Dichtkörpers auf, wobei besonders bevorzugt das Trägerelement einen seitlichen Durchbruch, etwa in der Art eines Längsschlitzes, aufweist, durch welchen dann z. B. durch manuelles seitliches Einstecken der Dichtkörper in das Trägerelement eingeführt werden kann und dort in der vorbeschriebenen Weise durch radiale Vorsprünge kraft- bzw. formschlüssig verankert wird.
Besonders bevorzugt ist es zudem, das Dichtelement so auszugestalten, dass dieses mantelseitig einen z. B. rippenförmigen Vorsprung ausbildet, welcher wiederum durch den bevorzugt vorgesehenen Durchbruch des Trägerelementes reichen und auf diese Weise etwa die Anordnung gegen eine innere Hohlwand des Ankerkörpers abstützen kann.
Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, den Dichtkörper aus einem thermoplastischen Elastomermaterial so zu realisieren, dass er in aufeinanderfolgenden Spritzvorgängen, z. B. im Rahmen eines 2K- Spritzverfahrens, zusammen mit dem Trägerelement gespritzt werden kann und auf diese Weise dann die Baugruppe, bestehend aus Dichtkörper und Trägerelement, auf einfache Weise automatisiert und großserientauglich hergestellt werden kann.
Während die vorliegende Erfindung in besonders geeigneter Weise als Hydraulik- bzw. Pneumatikventil, etwa für den Fahrzeugeinsatz, verwendet werden kann, ist der Einsatzbereich der vorliegenden Erfindung hierauf nicht beschränkt. Vielmehr ist von der vorliegenden Erfindung jegliches Einsatzgebiet umfasst, welches von der erfindungsgemäß vorteilhaften Realisierung des Ankers aus Ankerkörper, darin aufgenommenem Trägerelement und von diesem gehaltenen Dichtkörper Gebrauch machen kann.
Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen; diese zeigen in:
1: in einer schematischen Längsschnittdarstellung ein elektromagnetisches Ventil am Beispiel eines 3/2-Wege-Ventils in Ruheposition;
2: die Anordnung nach 1 mit bestromter Spule und angezogenem Ventilelement;
3: in perspektivischer Ansicht die Dichtung und den Dichtungsträger;
4: den Längsschnitt durch das Ventilelement und
5: die Draufsicht auf die Stirnseite des Ventilelements.
1 zeigt eine schematische Längsschnittdarstellung eines elektromagnetischen Ventils am Beispiel eines 3/2-Wege-Pneumatikventiles. Je nach Anwendungsfall können auch Ventile in anderen Anschluß- und Stellkombinationen, sowie auch Ventile beispielsweise im Hydraulikbereich vorgesehen sein. Das gezeigte 3/2-Wege-Ventil 1 umfasst ein Joch 4 in dem die strombeaufschlagbare Spule 2 zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes angeordnet ist. Im Bereich eines stirnseitigen Endes des Ventils 1 ist ein Kern 3 zur Führung des von der Spule 2 erzeugbaren elektromagnetischen Feldes vorgesehen, wobei der aus weichmagnetischem Material gebildete Kern 3 etwa koaxial zur Spule 2 angeordnet ist und mit einer Seite teilweise innenseitig in die Spule 2 hineinragt. Auf seiner gegenüberliegenden Seite ist der Kern 3 mit seinem Außendurchmesser in das Joch 4 eingepasst, das ebenfalls der Führung des elektromagnetischen Feldes dient. Mittig im Kern 3 ist etwa achsgleich zur Spule 2 ein Auslasskanal 6 angeordnet, welcher über eine Ventilöffnung 7 in einen Innenraum 8 des Ventils 1 mündet. Der Innenraum 8 des Ventils wird durch den Kern 3, das Rohr 15, das mit einem Dichtring 16 zu dem Kern 3 hin abgedichtet wird und das Anschlussteil 17, das mit dem Rohr 15 verbördelt ist, gebildet und sitzt koaxial zur Spule 2. Auf seiner dem Auslasskanals 6 gegenüber liegenden Seite des Ventils 1 liegt das Anschlussteil 17 das einen Einlasskanal 14 beinhaltet, der über eine weitere Ventilöffnung 9 mit dem Innenraum 8 verbunden ist. Nahe der weiteren Ventilöffnung 9 hat das Anschlussteil 17 eine oder mehrere Drucköffnungen 10 zur Verbindung des Innenraumes 8 mit möglichen externen Anschlüssen.
Innenseitig des Rohres 15 und etwa achsgleich dazu ist ein Ventilelement 18 längsverschieblich geführt. Das Ventilelement 18 weist einen aus weichmagnetischem Material bestehenden Anker 5, ein Trägerteil 11 und eine Dichtung 12 auf. Der Anker 5 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel als zylindrisches hohles Rohr 19 ausgebildet mit dem das Trägerteil 11 durch Umformen des Ankerrandes 20 fest verbunden ist. Die Dichtung 12 ist zuvor in das Trägerteil 11 seitlich eingesetzt und wird durch die Wand des Ankers 5 fixiert. Die Dichtung 12 steht an beiden Enden des Trägerteils 11 über und liegt in der gezeigten Anordnung auf der weiteren Ventilöffnung 9 auf, da das Ventilelement 18 durch die Feder 13, die innerseitig im Dichtelement 18 angeordnet ist, in dieser Position fixiert wird, wenn kein Strom durch die Spule fließt und somit keine elektromagnetischen Kräfte auf den Anker 5 wirken. Bedingt durch die Kraft der Feder 13 verschließt das Dichtelement die weitere Ventilöffnung 9.
Das Ventilelement 18 weist innenseitig zwischen dem Trägerteil 11 und dem Anker 5 einen Strömungskanal 21 auf, über den bei der gezeigten Stellung des Ventilelements 18 die erste Ventilöffnung 7 bzw. Der Auslasskanal 6 mit den Drucköffnungen 10 im Innenraum 8 strömungsleitend verbunden ist.
2 zeigt die Anordnung nach 1 mit strombeaufschlagter Spule 2. Das durch den Stromfluss in der Spule 2 aufgebaute elektromagnetische Feld fließt durch das Joch 4 in den Kern 3 und über den Arbeitsluftspalt 22 in den Anker 5 und von hier radial zurück in das Joch 4. Die auf den Anker 5 wirkende Magnetkraft bewegt das Ventilelement 18 gegen die Kraft der Feder 13, bis die Dichtung 12 von der weite ren Ventilöffnung 9 abhebt und auf der Gegenseite auf der Ventilöffnung 7 aufliegt und diese dicht verschließt. Infolgedessen wird nun eine strömungsleitende Verbindung zwischen der weiteren Ventilöffnung 9 bzw. dem Einlasskanal 14 und den Drucköffnungen 10 hergestellt.
3 zeigt das Trägerteil 11 mit der Dichtung 12 in perspektivischer Ansicht. Das Trägerteil 11 besteht aus einem zylindrischen Grundkörper 23 mit sternförmig angeordneten Längsrippen 24 und einer Aussparung 27, die durch die Dichtung 12 ausgefüllt wird sowie einem an den Enden der Rippen 24 angesetzten Ring 25, der ebenfalls im Bereich der Rippe 26 der Dichtung 12 unterbrochen ist. Es sind insgesamt drei Rippen 24 vorgesehen, es kann aber je nach Anwendungsfall eine andere Anzahl und Verteilung sinnvoll sein.
Auf diese Weise, vgl. auch die nachstehend beschriebenen Figuren, erstreckt sich die Richtung 12 durch die (z. B. schlitzförmige) Aussparung (Durchbruch) 27 und liegt an der Innenseite des Ankerrohres (Ankerkörpers) 19 an.
4 zeigt den Längsschnitt durch das Ventilelement 18 mit dem Ankerrohr 19, dem Trägerteil 11 und der Dichtung 12. Hier erkennt man die Befestigung des Trägerteils 11 mit seinem Ring 25 durch Umformung des Randes 20 des Ankerrohres 19 und die axiale Befestigung der Dichtung 12 im Trägerteil 11 durch die beiden Formschlussbereiche 28 und 29.
5 zeigt die stirnseitige Ansicht des Ventilelements 18 in der man die Strömungskanäle 21 zwischen dem Ankerrohr 19 und dem Trägerteil 11 erkennen kann, die von den Rippen 24 und der Rippe 26 voneinander getrennt werden. Die Rippe 26 der Dichtung 12 stützt sich gegen die Innenseite des Ankerrohres 19 ab und wird somit in ihrer Position gehalten.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10146497 A1 [0006, 0006]

Claims

Elektromagnetisches Ventil mit einer stationären, strombeaufschlagbaren Spule (2) zur Erzeugung eines elektromagnetischen Feldes, einem stationären Kern (3) zur elektromagnetischen Flussführung sowie einem als Reaktion auf eine Bestromung der Spule in einer axialen Richtung bewegbaren Anker (5), wobei ein im Kern gebildeter Ein- und/oder Auslasskanal (6) eine erste Ventilöffnung (7) ausbildet, die durch am Anker vorgesehene Dichtungsmittel (12) verschließbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker einen weichmagnetischen Ankerkörper (19) aufweist, der in einem axialen Hohlraum ein sich axial erstreckendes Trägerelement (11) umschließt und mit diesem durch einen mechanischen Umformvorgang fest verbunden ist und das Trägerelement einen Dichtkörper (12) als Dichtungsmittel aus einem Elastomermaterial so hält, dass der Dichtkörper dichtend mit der Ventilöffnung zusammenwirken kann.
Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement (11) ein nicht-elastisches Formstück, insbesondere ein Kunststoff-Spritzgießteil, ist.
Ventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement einen Fluidströmungskanal (21) durch den axialen Hohlraum des Ankerkörpers ausbildet und/oder begrenzt.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement eine sich axial und bevorzugt mittig erstreckende, weiter bevorzugt hülsenförmige Aufnahme für den Dichtkörper (12) ausbildet.
Ventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aufnahme für den Dichtkörper so zum kraft- und/oder formschlüssigen Zusammenwirken mit dem Dichtkörper ausgebildet ist, dass mindestens ein sich radial erstreckender Vorsprung (28, 29) in das Elastomermaterial des Dichtkörpers eingreift und diesen in der axialen Richtung fixiert.
Ventil nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der radiale Vorsprung (28, 29) axial ein- oder beidends endseitig in der Aufnahme gebildet, insbesondere einstückig an das Trägerelement (11) angeformt ist.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil eine bezogen auf den Anker (5) der ersten Ventilöffnung (7) axial gegenüberliegende zweite Ventilöffnung (9) aufweist, die dichtend mit dem Anker zusammenwirkt, wobei die Dichtungsmittel selektiv die erste und die zweite Ventilöffnung verschließen können.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch einen einzelnen, sich axial langgestreckt durch das Trägerelement erstreckenden und beidends endseitig freiliegenden Dichtkörper (12) als Dichtungsmittel.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Mehrzahl von axial im Trägerelement vorgesehenen, einer jeweiligen einer Mehrzahl von Ventilöffnungen des Ventils zugeordneten Dichtkörpern.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement einen Angriffsabschnitt für eine Ankerfeder (13), insbesondere Rückstellfeder, anbietet.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Trägerelement einen seitlichen und/oder mantelseitigen Durchbruch (27), insbesondere sich axial erstreckenden Längsschlitz, zum Aufnehmen und/oder Einsetzen des mindestens einen Dichtkörpers (12) aufweist.
Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper einen bevorzugt rippenförmigen, weiter bevorzugt sich axial erstreckenden Vorsprung (26) aufweist, der so ausgebildet ist, dass er den Durchbruch durchgreifen und sich an einer Hohlraum-Innenwand des Ankerkörpers (19) abstützen kann.
Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Dichtkörper (12) aus einem thermoplastischen Elastomermaterial so realisiert ist, dass er als Baugruppe zusammen mit dem umgebenden Kunststoff-Trägerelement (11) in einem mehrstufigen Spritzvorgang herstellbar ist.
Verwendung des Ventils nach einem der Ansprüche 1 bis 13 als Hydraulik- oder Pneumatikventil, insbesondere für ein Kraftfahrzeug.