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Die Erfindung geht aus von einem Magnetventil zur Steuerung eines Hydrauliksystems mit einer durch einen elektrischen Leiter gebildeten Spule und einem zumindest teilweise innerhalb der Spule angeordneten Anker, der mit einem Ventilglied zum Öffnen und Verschließen einer Durchflussöffnung des Magnetventils in Verbindung steht.
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Stand der Technik
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Magnetventile sind in vielen Fällen ein wesentlicher Bestandteil von Hydrauliksystemen. Durch eine Bestromung des elektrischen Leiters wird ein Magnetfeld erzeugt, das auf den Anker wirkt und eine Kraft auf ihn ausübt, wodurch dieser bewegt wird. Durch die Verbindung von Anker und Ventilglied wird auch das Ventilglied entsprechend bewegt, wodurch ein Hydraulikölfluss durch die Durchflussöffnung gesteuert werden kann. Bei vielen Anwendungen ist die Reaktionszeit, d. h. die Zeit, die zwischen einem Aktivierungssignal und einer Reaktion des Hydrauliksystems verstreicht, von entscheidender Bedeutung. Beispielsweise werden in der Kraftfahrzeugtechnik oftmals Kupplungen durch Hydrauliksysteme angesteuert. Das Fahrverhalten eines Fahrzeugs hängt von der Stelldynamik der Kupplung – und damit von der Reaktionsgeschwindigkeit des die Kupplung ansteuernden Hydrauliksystems – ab. Um das Fahrverhalten des Fahrzeugs auch in kritischen Situationen zuverlässig beeinflussen zu können, sind schnell und präzise reagierende Magnetventile der eingangs beschriebenen Art erforderlich.
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Eine bestimmte Klasse von Magnetventilen weist einen mit Hydrauliköl gefüllten Ventilraum auf, in dem der Anker angeordnet ist und der in Fluidverbindung mit dem Hydrauliksystem steht, so dass der Anker im Hydrauliköl des Hydrauliksystems bewegbar gelagert ist. Bei dieser Art von Magnetventilen mit einem in Hydrauliköl "schwimmenden" Anker wird das Hydrauliköl bei jedem Schaltvorgang in dem Ventilraum durch den Anker verdrängt. Mit anderen Worten bewegt sich der Anker in dem Öl, wodurch eine Strömungsbewegung des Hydrauliköls erzeugt wird. Der dem Anker entgegenwirkende Strömungswiderstand des Hydrauliköls hängt unter anderem von dessen Viskosität ab. Bei einer hohen Viskosität des Hydrauliköls wird die Bewegung des Ankers bei einer Aktivierung des Magnetventils stärker gebremst als bei einer niedrigen Viskosität des Hydrauliköls. Eine hohe Viskosität des Hydrauliköl führt somit zu einer Verschlechterung der Schaltdynamik des Magnetventils und damit des gesamten Hydrauliksystems. Derartige Situationen treten insbesondere dann auf, wenn das Hydrauliköl kalt ist, beispielsweise bei Inbetriebnahme eines Kraftfahrzeugs. Ein weiterer Aspekt für ein hochqualitatives Magnetventils betrifft den Schmutzeintrag im Hydrauliköl. Durch den Eintrag von ferromagnetischen Eisenpartikeln sowie anderen metallischen Verunreinigungen verschlechtern sich die funktionellen Eigenschaften eines Magnetventils. Die Verunreinigungen haben Einfluss auf die hydraulische Hysterese auf die Schaltzeiten des Ventils sowie auf sein Regelverhalten.
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Eine hohe Verunreinigungspartikeldichte beeinflusst die Haltbarkeit des Magnetventils negativ was bis zu einem Funktionsverlust führt, wenn Partikel die beweglichen Ventilteile verstopfen und sich Anker und/oder Stange nicht mehr bewegen können.
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Daher ist es aus dem Stand der Technik bekannt durch geeignete Bohrungen in der Ankerstangenlagerung einen Ölaustausch zu minimieren und dem Eintrag von Verschmutzungspartikeln zu reduzieren.
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Die erfindungsgemäße Lösung schlägt eine bauliche Ausgestaltung vor, in der durch den Einsatz einer Scheibe der Hydraulikölaustausch im Ankerraum eines Magnetventils reduziert wird.
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Durch die stärkere Entkopplung von Arbeitskreislaufs vom Pumpkreislauf werden Verunreinigungen, die über den Arbeitskreislauf kommen können, minimiert.
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Beschreibung der Erfindung
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Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung umrissen und beispielhaft in der einzigen Zeichnung dargestellt.
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1 zeigt ein Magnetventil 0, das den Durchfluss von Hydrauliköl eines Hydrauliksystems durch eine Durchlassöffnung 12, 16 steuert. Das Hydrauliksystem kann beispielsweise einem Verteilergetriebe eines Kraftfahrzeugs (nicht gezeigt) zugeordnet sein. Derartige Verteilergetriebe dienen der selektiven Verteilung eines Antriebsmoments auf die Achsen des Fahrzeugs. Bei einer solchen Anwendung kann das Magnetventil 0 beispielsweise als Ablassventil genutzt werden, das nur aktiviert wird – d. h. in der dargestellten Ausführungsform geschlossen wird –, wenn beide Achsen des Kraftfahrzeugs mit Antriebsdrehmoment versorgt werden sollen. Ansonsten wird das Ventil 0 nicht aktiviert, da das Hydrauliksystem nicht zur Betätigung einer Kupplung des Verteilergetriebes benötigt wird.
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In dem dargestellten geöffneten Zustand des Magnetventils 0 kann das Hydrauliköl von unten durch den Arbeitsanschluss 11, der den Eingang darstellt, nach oben und dann rechts und links durch die Tankanschlüsse 12, also die Druckausgänge fließen.
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Das Magnetventil 0 weist eine Spule 3 auf, die auf einen Spulenträger gewickelt ist und die über eine nicht dargestellte Kabelverbindung mit einem Steuergerät verbunden ist. Die Spule 3 liegt in einer Ummantelung mit Eisenrückschluß 10, wobei die Ummantelung mit einem Stecker 8 verbunden ist, der Steckerstifte 9 enthält.
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Das Steuergerät kann die Spule 3 selektiv bestromen, um ein Magnetfeld zu erzeugen, das auf einen Anker 1 wirkt. Der Anker 1 ist zumindest teilweise im Inneren der Spule 3 angeordnet. Er besteht zumindest teilweise aus magnetischem Material. Der Anker 1 wird in im Ankerraum 14 geführt, wobei der Anker und die mit ihm verbunden Bauteile den Ankerraum 14 fast vollständig ausfüllen.
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Wenn durch die Spule 3 ein Magnetfeld erzeugt wird, so wirkt dieses mit der Magnetisierung des Ankers 1 zusammen und drückt den Anker 1 nach unten. Dadurch wird auch eine mit dem Anker 1 in Verbindung stehende Stange 5 nach unten verschoben.
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Die magnetische Kraft, erzeugt durch die Spule 3, wird in eine Translationsbewegung – in der Zeichnung von oben nach unten – umgewandelt. Der Anker 1 baut über eine Stange 5 und einen Dichtkolben 6 eine Gegenkraft zur einer Feder 17 auf. Die Feder 17 umfasst den Dichtkolben 6, der an einem Ende ein angephastes Endstück 6a und zum anderen Ende, das auf der Seite des Ankers 1 liegt, eine Verdickung 6b aufweist, an der die Feder 17 anliegt. Der Dichtkolben 6 bewegt sich in einem Ventilsitz 18, der sowohl einen ersten Hohlraum 20 für Dichtkolben und Verdickung sowie einen Teil der Stange 5 aufweist als auch die Ein- und Ausgangsöffnungen 11 und 12 begrenzt.
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Bei Bestromung der Spule 3 stellt sich eine Schließkraft in Richtung Ventilsitz 18 ein. Anker 1 mit Stange 5 und Dichtkolben 6 bewegen sich nach unten bis die Verdickung 6a im Ventilsitz anliegt und die Öffnungen 12, die Druckausgänge verschlossen sind. Eine Dichtscheibe 7, die sich innerhalb des Ventilsitzes im Bereich des Druckeingangs 11 befindet schließt das Ventil ab. Durch einen angelegten Öldurchfluss bzw. Öldruck am Druckeingang 11 entsteht ein statisches Gleichgewicht, gegen die vom Anker initiierten Stellkraft. Die resultierende Haltekraft entspricht einem gewissen Öffnungshub des Dichtkolbens 6. Über einen weiten Bereich kann somit proportional zur angelegten Stromstärke ein Öldruck am Arbeitsanschluss 11 eingestellt werden.
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Jede Bewegung des Ankers 1 im Ankerraum 14 bedeutet ein Umströmen des enthaltenen Öls. Da die Volumina vor und nach dem Anker 1 unterschiedlich groß sind, entsteht eine Pumpwirkung. Durch Einsetzen einer frei schwimmenden Scheibe 4 im Ankerraum zwischen Dichtkolben und Stange 5 werden die bewegten Ölvolumina des Ankerraums 14 vom Druckausgang 12 bzw. Druckeingangs 11 nahezu gänzlich getrennt. Die Schmutzpartikel im Öl des Arbeitskreislaufs, der durch den Druckein- und Druckausgang bestimmt ist, können somit von den Lagerstellen im Ankerraum 14 ferngehalten werden. Da die Scheibe 4 frei schwimmend auf der Stange 5 gelagert ist, kann sie die Pumpbewegungen im Ankerraum 14 ausgleichen. Die schwimmende Lagerung hat dabei den Vorteil, dass sie Scheibe 4 keinem Verschleiß ausgesetzt ist. Sie schützt das Magnetventil von Verunreinigungseinträgen und verhindert dass sich Partikel an den relevanten Lagerstellen wie es die Führung 21 der Stange 5 darstellt ablagern.
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Aufgrund des lediglich sehr dünn ausgeführten Ringraums zwischen dem Anker 1 und der Ankerraum 14 kann nur schwer Hydrauliköl von einer Seite des Ankers 1 zur anderen transportiert werden. Dies beeinträchtigt die Bewegung des Ankers 1, da er bei einer Schaltbewegung Hydrauliköl verdrängen muss.
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Geht man beispielsweise von einer geschlossenen Ventilstellung aus, so wird bei einer Unterbrechung der Bestromung der Spule 3 der Anker 1 durch den auf den Dichtkolben 6 wirkenden Hydraulikdruck nach oben gedrückt. Dabei muss das in einem Raum zwischen einer Stirnwand der Ankerraums 14 und dem Anker 1 angeordnete Öl an dem Anker 1 vorbei nach unten transportiert werden. Der Strömungswiderstand des Öls bremst aufgrund des verhältnismäßig kleinen Querschnitts des Ringraums die Bewegung des Ankers und beeinträchtigt damit die Stelldynamik des Magnetventils 0. Das genannte Problem tritt insbesondere dann auf, wenn das Hydrauliköl kalt ist und daher eine hohe Viskosität aufweist. Daher weist der Anker 1 Ausnehmungen 15 auf, entlang deren das Hydrauliköl strömen kann.
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Das Vorsehen von Ausnehmungen reduziert durch die Entfernung von Material allerdings das magnetische Moment des Ankers 1, wodurch die von dem Magnetventil 0 maximal erzeugbare Kraft zum Schließen der Durchlassöffnungen 11, 12 verringert wird bzw. zur Beibehaltung der Schließkraft eine höhere Schaltspannung erforderlich ist.
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Um die Ausgestaltung der Scheibe 4 optimal zu gestalten muss ein Material eingesetzt werden, das über Temperatur und Zeit sehr beständige mechanische Eigenschaften, hohe mechanische Festigkeitswerte, hohe chemische Beständigkeit vor allem gegenüber dem Hydrauliköl, einen geringer Längenausdehnungskoeffizient aufweist. Das Material muss für ausreichend hohe Fertigungstoleranzen geeignet sein und darf keine hohen Kosten verursachen.
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Als vorteilhafter Werkstoff für die schwimmende Scheibe wird zum Beispiel ein glasfaserverstärkter Kunststoff verwendet, ein beispielhaftes Material wäre Polyphenylensulfid mit 40% Glasanteil.
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Es ist auch möglich karbonverstärktes Material einzusetzen. Da die Scheibe im Hydrauliköl schwimmen soll muss sie eine Materialdichte ähnlich der des hydraulischen Fluids bei Betriebstemperatur aufweisen. Je nach gewählter Materialdichte wird die Ruhelage der Scheibe beeinflusst und die Position im ersten Hohlraum 20 durch die Dichte bestimmt. Dadurch lässt sich die Scheibe bezüglich des Hohlraums und er Stange optimal anordnen.
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Die Ruhelage der Scheibe kann dadurch so beeinflusst werden, dass der Volumenaustausch minimiert wird.
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Bezugszeichenliste
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- 0
- Magnetventil
- 1
- Anker
- 2
- Polrohr
- 3
- Spule
- 4
- Schwimmende Scheibe
- 5
- Stange
- 6
- Dichtkolben 6a angephastes Ende, 6b Verdickung
- 7
- Dichtscheibe
- 8
- Stecker
- 9
- Steckerstifte
- 10
- Ummantelung mit Eisenrückschluss
- 11
- Arbeitsanschluss (pA), Druckeingang
- 12
- Tankanschluss (pT), Druckausgang
- 13
- O-Ring
- 14
- Ankerraum
- 15
- Ankerbohrung
- 16
- Ölfluss von pA nach pT
- 17
- Feder
- 18
- Ventilsitz
- 20
- erster Hohlraum
- 21
- Lagerung der Stange 5
- 22
- Anschlag ankerseitig