DE102007051557A1 - Stößel für ein Magnetventil und zugehöriges Magnetventil - Google Patents

Stößel für ein Magnetventil und zugehöriges Magnetventil Download PDF

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Stößel (11) für ein Magnetventil mit einem Schaft (11.1), an den ein Schließelement (11.2) mit einem Dichtelement (11.3) angeformt ist, wobei das Dichtelement (11.3) mit einem Ventilsitz (2.1) ein Hauptventil bildet, um eine Fluidströmung zwischen einem Zufluss (5) und mindestens einem Abfluss (6) einzustellen, und ein zugehöriges Magnetventil. Erfindungsgemäß sind am Schließelement (11.2) Umlenkmittel (11.4) ausgebildet, welche im eingebauten Zustand die entlang der Wand des Schließelements (11.2) geführte Fluidströmung zwischen dem Zufluss (5) und dem mindestens einen Abfluss (6) des Magnetventils direkt in Richtung des mindestens einen Abflusses (6) umlenken.

Description

  • Stand der Technik
  • Die Erfindung betrifft einen Stößel für ein Magnetventil nach der Gattung des unabhängigen Patentanspruchs 1 und ein zugehöriges Magnetventil.
  • Ein herkömmliches als stromlos offenes Regelventil ausgeführtes Magnetventil, insbesondere für ein Fluidaggregat, welches beispielsweise in einem Antiblockiersystem (ABS) oder einem Antriebsschlupfregelsystem (ASR-System) oder einem elektronischen Stabilitätsprogrammsystem (ESP-System) eingesetzt wird, umfasst eine Magnetbaugruppe zur Erzeugung eines Magnetflusses und eine Ventilpatrone, die einen Ventileinsatz, einen innerhalb des Ventileinsatzes beweglich geführten Stößel, der einen Schaft, ein Schließelement und ein Dichtelement aufweist, und einen Ventilkörper mit einem Ventilsitz umfasst, wobei das Dichtelement und der Ventilsitz ein Hauptventil bilden, um eine Fluidströmung zwischen einem Zufluss und mindestens einem Abfluss einzustellen. Zum Schließen des Hauptventils erzeugt die Magnetbaugruppe des herkömmlichen stromlos offenen Magnetventils eine Magnetkraft, welche den Stößel über einen Anker entgegen der Kraft einer Rückstellfeder axial bewegt und das Dichtelement dichtend in den Ventilsitz eintaucht. Somit hält die Federkraft der Rückstellfeder gemeinsam mit einer auf den Stößel wirkenden Kraft, die von der Fluidströmung erzeugt und nachfolgend auch als Hydraulikkraft bzw. Fluidkraft bezeichnet wird, das Hauptventil im unbestromten Zustand des Magnetventils geöffnet.
  • 1 und 2 zeigen schematisch die Größen zur Berechnung der auf einen herkömmlichen Stößel 11 eines Magnetventils wirkenden von der Fluidströmung erzeugten Hydraulikkraft bzw. Fluidkraft.
  • Wie aus 1 und 2 ersichtlich ist, ist die auf den Stößel 1, der einen Schaft 1.1, ein Schließelement 1.2 und ein Dichtelement 1.3 umfasst, wirkende Hydraulikkraft von einem Differenzdruck dp = pzu – pab, der zwischen einem Zufluss 5 und zwei Abflüssen 6 eingestellt ist, und von einem eingestellten Hub h des Stößels 1 abhängig. Somit berechnet sich die wirksame Hydraulikkraft Fhyd gemäß Gleichung (1). Fhyd = Fauf – Fzu (1)
  • Die Kraft Fauf berechnet sich gemäß Gleichung (2), und die Kraft Fzu berechnet sich gemäß Gleichung (3) gilt.
    Figure 00020001
    Fzu = panker·Azu (3)wobei p einem statischen Druck und τ einer Wandschubspannung entspricht.
  • Ist die auf den Stößel 1 wirkende Hydraulikkraft aufgrund höherer Drücke (panker) in einem zwischen dem Stößel 1 und einem Ventileinsatz 3 angeordneten Ankerraum 4 negativ, so reduziert sich der Hub des Stößels 1 ohne weitere öffnende Kräfte.
  • Durch Variation des anliegenden Differenzdrucks und des Stößelhubs verändert sich die Strömungstopologie des Fluids. Bei kleinen Ventilhüben bzw. Differenzdrücken strömt das Fluid gemäß einem dargestellten Strömungspfeil 7.1 entlang eines an einem Ventilkörper 2 angeordneten Ventilsitzes 2.1. Bei großen Hüben bzw. Differenzdrücken kann es zum Umklappen der Fluidströmung vom Ventilsitz 2.1 an die Wand des Schließelements 1.2 des Stößels 1 kommen, so dass das Fluid gemäß einem dargestellten Strömungspfeil 7.2 entlang der Wand des Schließelements 1.2 strömt. Aufgrund des Verlaufs der Fluidströmung gemäß dem Strömungspfeil 7.2 können erhöhte Ankerraumdrücke entstehen, da die Fluidströmung vor dem Eintritt in den Abfluss 6 zumindest teilweise in den Ankerraum 4 zwischen dem Stößel 1 und dem Ventileinsatz 3 strömt. Dies kann dazu führen, dass ein stromlos offenes Magnetventil nach dem Umklappen der Fluidströmung an die Wand des Schließelements 1.2 ohne zusätzliche öffnenden Kräfte einer Rückstellfeder im unbestromten Zustand nicht vollständig geöffnet werden kann, d. h. der Stößel 1 führt nicht den maximalen Hub aus. Der sich einstellende Teilhub ist abhängig vom eingestellten Differenzdruck und dem Druck im Ankerraum 4.
  • Offenbarung der Erfindung
  • Der erfindungsgemäße Stößel für ein Magnetventil mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs 1 hat demgegenüber den Vorteil, dass am Schließelement Umlenkmittel ausgebildet sind, welche im eingebauten Zustand die entlang der Wand des Schließelements geführte Fluidströmung zwischen dem Zufluss und dem mindestens einen Abfluss des Magnetventils direkt in Richtung des mindestens einen Abflusses umlenken. Durch diese erfindungsgemäße spezielle Stößelgeometrie kann in vorteilhafter Weise die Entstehung von Ankerraumdrücken beim Umklappen der Strömung an das Schließelement des Stößels nahezu vollständig vermieden werden, bzw. deutlich reduziert werden. Durch die am Schließelement des Stößels angeordneten Umlenkmittel kann die Fluidströmung in vorteilhafter Weise vom Ankerraum weg in Richtung Abfluss gelenkt werden. Zusätzlich wirken die Umlenkungsmittel als druckwirksame Fläche und erhöhen die öffnend auf den Stößel wirkende Hydraulikkraft. So kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass das Hauptventil des Magnetventils vollständig geöffnet wird. Die Wirkung der Umlenkungsmittel kann sich jedoch durch die Erhöhung der wirkenden Hydraulikkraft negativ auf die Stellbarkeit des Magnetventils auswirken. Da die Umlenkmittel erst nach dem Umklappen der Fluidströmung an das Schließelements des Stößels wirken, wird die Stellbarkeit von relevanten Betriebspunkten des Magnetventils bei kleineren bis mittleren Hüben des Stößels, bei denen die Fluidströmung entlang des Ventilsitzes und nicht entlang des Schließelements verläuft, durch die Umlenkmittel in vorteilhafter Weise nicht negativ beeinflusst.
  • Ein erfindungsgemäßes Magnetventil mit einer Magnetbaugruppe und einer Ventilpatrone, die einen Ventileinsatz, einen innerhalb des Ventileinsatzes beweglich geführten erfindungsgemäßen Stößel, der einen Schaft, ein Schließelement und ein Dichtelement aufweist, und einen Ventilkörper mit einem Ventilsitz umfasst, erzeugt eine öffnende Hubbewegung des Stößels durch eine von der Fluidströmung bewirkte Fluidkraft und vermeidet bzw. reduziert die Entstehung von Ankerraumdrücken nach dem Umklappen der Fluidströmung an die Wand des Schließelements.
  • Durch die in den abhängigen Ansprüchen aufgeführten Maßnahmen und Weiterbildungen sind vorteilhafte Verbesserungen des im unabhängigen Patentanspruch 1 angegebenen Stößels und des im unabhängigen Patentanspruch 4 angegebenen Magnetventils möglich.
  • Besonders vorteilhaft ist, dass die Umlenkmittel als Umlenkkante ausgeführt sind, welche die druckwirksame Fläche des Schließelements und die wirksame Fluidkraft erhöht. Die als Umlenkkante ausgeführten Umlenkmittel weisen beispielsweise einen vorgebbaren Umlenkradius und/oder einen vorgebbaren Umlenkwinkel auf. Der Umlenkradius und/oder der Umlenkwinkel der am Schließelement ausgebildeten Umlenkmittel können so mit der Anordnung der mindestens einen Auslassöffnung im Magnetventil abgestimmt werden, dass die Fluidströmung nach dem Umklappen vom Ventilsitz an die Wand des Schließelements direkt vom Schließelement in Richtung des mindestens einen Abflusses umgelenkt wird. Die Hubbewegung des Stößels wird in Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen dem Zufluss und dem mindestens einen Abfluss des Magnetventils eingestellt. Zudem kann der Stößel nach dem Umklappen der Fluidströmung an die Wand des Schließelements durch die Erhöhung der druckwirksamen Fläche am Schließelement in vorteilhafter Weise die maximale Hubbewegung ausführen, so dass das Hauptventil vollständig geöffnet werden kann.
  • In Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Magnetventils kann die öffnende Hubbewegung des Stößels in vorteilhafter Weise ohne Druckfeder nur durch die von der Fluidströmung bewirkte Fluidkraft erzeugt werden, wobei durch die von den Umlenkmitteln bewirkte Erhöhung der druckwirksamen Fläche das Hauptventil vollständig geöffnet wird.
  • Vorteilhafte, nachfolgend beschriebene Ausführungsformen der Erfindung sowie die zu deren besserem Verständnis oben erläuterten, herkömmlichen Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen dargestellt. In den Zeichnungen bezeichnen gleiche Bezugszeichen Komponenten bzw. Elemente, die gleiche bzw. analoge Funktionen ausführen.
  • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • 1 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines in einem Magnetventil eingebauten herkömmlichen Stößels.
  • 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details II aus 1.
  • 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Stößels für ein Magnetventil.
  • 4 zeigt eine schematische Darstellung eines Details IV aus 3.
  • 5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung des erfindungsgemäßen Stößels im eingebauten Zustand.
  • 6 zeigt ein Kennliniendiagramm der an einem erfindungsgemäßen Stößel wirkenden Hydraulikkräfte in Abhängigkeit vom Hub des Stößels.
  • Ausführungsformen der Erfindung
  • Wie aus 3 und 4 umfasst ein erfindungsgemäßer Stößel 11 für ein Magnetventil einen Schaft 11.1, an den ein Schließelement 11.2 mit einem Dichtelement 11.3 angeformt ist. Am Schließelement 11.2 sind Umlenkmittel 11.4 ausgebildet, welche eine entlang der Wand des Schließelements 11.2 geführte Fluidströmung 7.3 umlenken. Wie aus 4 weiter ersichtlich ist, ist das Dichtelement 11.3 beispielsweise als Kugelkalotte ausgeführt und das Schließelement 11.2 ist beispielsweise als Kegelstumpf ausgeführt, dessen Durchmesser ausgehend vom Dichtelement kegelförmig zunimmt. Die Umlenkmittel 11.4 sind beispielsweise Umlenkkante ausgeführt, die einen vorgebbaren Umlenkwinkel 11.5 zum Stößelschaft 11.1 aufweist und über einen vorgebbaren Umlenkradius 11.6 in die Wand des Schließelements 11.2 übergeht.
  • Wie aus 5 ersichtlich ist, kann der erfindungsgemäße Stößel 11 in einem Magnetventil verwendet werden, das eine nicht dargestellte Magnetbaugruppe und eine Ventilpatrone umfasst, die einen Ventileinsatz 3 und einen Ventilkörper 2 mit einem Ventilsitz 2.1 umfasst. Der erfindungsgemäße Stößel 11 ist innerhalb des Ventileinsatzes 3 beweglich geführt, wobei das Dichtelement 11.3 und der Ventilsitz 2.1 ein Hauptventil bilden, um eine Fluidströmung zwischen einem Zufluss 5 und einem Abfluss 6 des Magnetventils einzustellen. Der Stößel 11 wird durch eine von der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetkraft über einen nicht dargestellten Anker axial bewegt, so dass das Dichtelement 11.3 dichtend in den Ventilsitz 2.1 eintaucht. Im unbestromten Zustand des Magnetventils kann das Dichtelement 11.2 des Stößels 11 durch die Kraft einer Rückstellfeder und durch die von der Fluidströmung bewirkte Fluidkraft aus dem Ventilsitz 2.1 gehoben und das Hauptventil geöffnet werden. Alternativ kann das Magnetventil ohne Rückstellfeder ausgeführt werden, so dass das Dichtelement 11.2 des Stößels 11 nur durch die von der Fluidströmung bewirkte Fluidkraft ohne Rückstellfeder aus dem Ventilsitz 2.1 gehoben und das Hauptventil geöffnet wird, d. h. die Hubbewegung des Stößels 11 wird in Abhän gigkeit vom Differenzdruck zwischen dem Zufluss 5 und dem Abfluss 6 des Magnetventils eingestellt.
  • Wie aus 5 weiter ersichtlich ist, verändert sich die Strömungstopologie durch Variation des zwischen dem Zufluss 5 und dem Abfluss 6 anliegenden Differenzdrucks und des Stößelhubs. Bei kleinen Stößelhüben bzw. Differenzdrücken strömt das Fluid analog zum herkömmlichen Stößel 1 aus 2, gemäß einem dargestellten Strömungspfeil 7.1 entlang des am Ventilkörper 2 angeordneten Ventilsitzes 2.1. Bei großen Hüben bzw. Differenzdrücken kann es nach dem Überschreiten eines Schwellwertes SW, der in 6 durch eine gestrichelte Linie dargestellt ist, zum Umklappen der Fluidströmung vom Ventilsitz 2.1 an die Wand des Schließelements 11.2 des Stößels kommen, so dass das Fluid gemäß einem dargestellten Strömungspfeil 7.3 entlang der Wand des Schließelements 1.2 strömt und von den am Schließelement 11.2 ausgebildeten Umlenkmitteln 11.4 direkt in Richtung des Abflusses 6 umgelenkt wird, ohne in den zwischen einem Ventileinsatz 3 und dem Stößel 11 angeordneten Ankerraum 4 zu strömen. Das bedeutet, dass die als Umlenkkante ausgeführten Umlenkmittel 11.4, d. h. der vorgegebene Umlenkwinkel 11.5 und der vorgegebene Umlenkradius 11.6, so mit der Anordnung der Abflussöffnung 6 des Magnetventils abgestimmt sind, dass die Fluidströmung nach dem Umklappen vom Ventilsitz 2.1 an die Wand des Schließelements 11.2 vom Schließelement 11.2 über die Umlenkmittel 11.4 direkt in Richtung des mindestens einen Abflusses 6 umgelenkt wird. Durch diese erfindungsgemäße Stößelgeometrie kann die Entstehung von Ankerraumdrücken nach dem Umklappen der Fluidströmung an die Wand des Schließelements 11.2 des Stößels 11 in vorteilhafter Weise nahezu vollständig vermieden, bzw. deutlich reduziert werden.
  • Die Umlenkungsmittel 11.4 wirken zusätzlich als druckwirksame Fläche und erhöhen die auf den Stößel 11 öffnend wirkende Hydraulikkraft, so dass in vorteilhafter Weise sichergestellt werden kann, dass das Hauptventil des Magnetventils auch ohne Rückstellfeder vollständig geöffnet wird. Da die Umlenkmittel 11.4 erst nach dem Umklappen der Fluidströmung 7.3 an die Wand des Schließelements 11.2 des Stößels 11 wirken, wird die Stellbarkeit von relevanten Betriebspunkten des Magnetventils bei kleineren bis mittleren Hüben des Stößels 11, bei denen die Fluidströmung 7.1 entlang des Ventilsitzes 2.1 und nicht entlang des Schließelements 11.2 verläuft, durch die Umlenkmittel 11.4 in vorteilhafter Weise nicht negativ beeinflusst.
  • Wie aus 6 ersichtlich ist, ergeben sich in Abhängigkeit vom zwischen dem Zufluss 5 und dem Abfluss 6 herrschenden Differenzdruck verschiedene Kennlinien K1, K2, K3. Wie aus 6 weiter ersichtlich ist, nimmt die Fluidkraft über dem Stößelhub bis zum Erreichen des Schwellwertes SW ab, der den Umklapppunkt der Fluidströmung vom Ventilsitz 2.1 an die Wand des Schließelements 11.2 repräsentiert, wobei die Fluidkraft nach dem Schwellwert SW aufgrund der Erhöhung der druckwirksamen Fläche am Schließelement 11.2 wieder zunimmt, so dass der Stößel 11 die maximale Hubbewegung ausführen kann und das Hauptventil vollständig geöffnet wird.
  • Der erfindungsgemäße Stößel für ein Magnetventil leitet im eingebauten Zustand über am Schließelement ausgebildete Umlenkmittel die entlang der Wand des Schließelements geführte Fluidströmung zwischen dem Zufluss und dem mindestens einen Abfluss des Magnetventils direkt in Richtung des mindestens einen Abflusses um, und vermeidet bzw. reduziert in vorteilhafter Weise die Entstehung von Ankerraumdrücken beim Umklappen der Fluidströmung vom Ventilsitz an die Wand des Schließelements des Stößel. Durch die am Schließelement des Stößels angeordneten Umlenkmittel kann die Fluidströmung in vorteilhafter Weise vom Ankerraum weg in Richtung Abfluss gelenkt werden. Zusätzlich wirken die Umlenkungsmittel als druckwirksame Fläche und erhöhen die auf den Stößel öffnend wirkende Hydraulikkraft. So kann in vorteilhafter Weise sichergestellt werden, dass das Magnetventil vollständig geöffnet wird.

Claims (9)

  1. Stößel für ein Magnetventil mit einem Schaft (11.1), an den ein Schließelement (11.2) mit einem Dichtelement (11.3) angeformt ist, wobei das Dichtelement (11.3) mit einem Ventilsitz (2.1) ein Hauptventil bildet, um eine Fluidströmung zwischen einem Zufluss (5) und mindestens einem Abfluss (6) einzustellen, dadurch gekennzeichnet, dass am Schließelement (11.2) Umlenkmittel (11.4) ausgebildet sind, welche im eingebauten Zustand die entlang der Wand des Schließelements (11.2) geführte Fluidströmung zwischen dem Zufluss (5) und dem mindestens einen Abfluss (6) des Magnetventils direkt in Richtung des mindestens einen Abflusses (6) umlenken.
  2. Stößel nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel (11.4) als Umlenkkante ausgeführt sind, welche die druckwirksame Fläche des Schließelements (11.2) erhöht.
  3. Stößel nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die als Umlenkkante ausgeführten Umlenkmittel (11.4) einen vorgebbaren Umlenkradius (11.6) und/oder einen vorgebbaren Umlenkwinkel (11.5) aufweisen.
  4. Magnetventil mit einer Magnetbaugruppe und einer Ventilpatrone, die einen Ventileinsatz (3), einen innerhalb des Ventileinsatzes (3) beweglich geführten Stößel (11), der einen Schaft (11.1), ein Schließelement (11.2) und ein Dichtelement (11.3) aufweist, und einen Ventilkörper (2) mit einem Ventilsitz (2.1) umfasst, wobei das Dichtelement (11.3) und der Ventilsitz (2.1) ein Hauptventil bilden, um eine Fluidströmung zwischen einem Zufluss (5) und mindestens einem Abfluss (6) des Magnetventils einzustellen, wobei die Fluidströmung bei kleinen Hüben des Stößels (11) und niedrigen Differenzdrücken entlang des Ventilsitzes (2.1) in Richtung des mindestens einen Abflusses (6) verläuft, wobei die Fluidströmung ab einem vorgegebenen Hubschwellwert (SW) umklappt und entlang der Wand des Schließelements (11.2) des Stößels (11) verläuft, und wobei eine von der Magnetbaugruppe erzeugte Magnetkraft den Stößel (11) über einen Anker axial bewegt und das Dichtelement (11.3) dichtend in den Ventilsitz (2.1) eintaucht, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (11) nach einem der Ansprüche 1 bis 3 ausgebildet ist.
  5. Magnetventil nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die öffnende Hubbewegung des Stößels (11) durch eine von der Fluidströmung bewirkte Fluidkraft ohne Druckfeder erzeugbar ist.
  6. Magnetventil nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hubbewegung des Stößels (11) in Abhängigkeit vom Differenzdruck zwischen dem Zufluss (5) und dem mindestens einen Abfluss (6) eingestellt ist.
  7. Magnetventil nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Umlenkmittel (11.4) als Umlenkkante ausgeführt sind, welche die druckwirksame Fläche des Schließelements (11.2) und die wirksame Fluidkraft erhöht.
  8. Magnetventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die als Umlenkkante ausgeführten Umlenkmittel (11.4) einen vorgebbaren Umlenkradius (11.6) und/oder einen vorgebbaren Umlenkwinkel (11.5) aufweisen, welche so mit der Anordnung der mindestens einen Auslassöffnung (6) abgestimmt sind, dass die Fluidströmung nach dem Umklappen vom Ventilsitz (2.1) an die Wand des Schließelements (11.2) direkt vom Schließelement (11.2) in Richtung des mindestens einen Abflusses (6) umgelenkt ist.
  9. Magnetventil nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stößel (11) nach dem Umklappen der Fluidströmung an die Wand des Schließelements (11.2) durch die Erhöhung der druckwirksamen Fläche am Schließelement (11.2) die maximale Hubbewegung ausführt und das Hauptventil vollständig geöffnet ist.
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