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Die
Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Stellglied gemäß dem Oberbegriff
von Patentanspruch 1 und gemäß Patentanspruch
5 ein Verfahren zur Herstellung eines solchen Stellgliedes.
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Aus
der
DE 44 38 158 A1 ist
bereits ein solches elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil
bekannt. Dieses Stellglied weist einen magnetisierbaren Polkern,
einem magnetisierbares Joch und ein axial zwischen dem Polkern und
dem Joch angeordneten Ring aus Edelstahl auf. Innerhalb des Polkerns und
des Jochs befindet sich eine schlecht magnetische leitende bzw.
nichtmagnetisches Rohr. Das Rohr soll dabei Polkern, Ring und Joch
gegeneinander zentrieren, während
Polkern, Ring und Joch miteinander hart verlötet werden. Ein Ausdrehen/Überdrehen
soll damit entbehrlich gemacht werden. Das Rohr kann ggfs. Als Führung des
Ankers verwendet werden.
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Die
DE 44 38 158 A1 und
die
DE 32 39 345 C2 betreffen
ebenfalls jeweils ein elektromagnetisches Stellglied mit einem magnetisierbaren
ringförmigen
Polkern und einem magnetisierbaren ringförmigen Joch. Axial zwischen
dem Polkern und dem Joch ist ein unmagnetisierbares Zwischenstück angeordnet.
Radial innerhalb des Polkerns und des Jochs ist eine unmagnetisierbaren
Buchse angeordnet.
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Die
DE 34 18 654 A1 betrifft
ein elektromagnetisches Stellglied mit einem magnetisierbaren ringförmigen Polkern
und einem magnetisierbaren ringförmigen
Joch. Es ist eine Hülse
radial außerhalb
des Polkerns und des Jochs vorgesehen, die einen Ankerraum druckfest
gegen eine Wicklung einer Spule abdichtet. Diese Hülse weist
in der Terminologie dieser Druckschrift eine flanschartige Verformung
auf, die in einen Luftspalt zwischen dem Polkern und dem Joch hinein
ragt.
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Aus
der
WO 99/59169 ist
ein elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil mit einem ringförmigen Polkern
und einem ringförmigen
Joch bekannt. Diese sind voneinander mittels eines Ring aus Messing
magnetisch getrennt. Radial innerhalb dieser ist ein Rohr aus Messing
eingelegt. Ferner wird in dieser Druckschrift vorgeschlagen den
Metallring durch Auftragschweißen
in einer v-förmigen
Ringnut eines massiven Vordrehteils einzufügen und anschließend eine
Feinbearbeitung auf ein hohles Bauteil durchzuführen.
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Aus
der
US 4,746,888 ist
ein elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil mit einem unmagnetischem
Ring zwischen einer Hülse
und einem festen Bauteil bekannt.
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Aus
der
DE 32 27 765 A1 ist
ein elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil mit einem ferromagnetischen
Führungsrohr
bekannt, das von einem unmagnetischem Ring unterbrochen ist. An
der Oberfläche
eines Magnetankers sind dabei in der bevorzugten Ausführungsform
Gleitsegmenten befestigt. Diese können in einer aufwändigeren
Alternative auch als Vorsprünge
des Führungsrohres
ausgeführt sein.
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Aus
der
DE 32 39 345 C2 ist
ein elektromagnetisches Stellglied für ein Ventil mit einem Polkern und
Polrohr bekannt. Diese sind voneinander mittels eines nicht magnetisierbaren
Abstandsringes getrennt, der von einem aus Messinglot bestehendem Verbindungsring
umgeben ist. Radial innerhalb dieser ist ein Führungsrohr aus nicht magnetisierbarem Edelstahl
eingelegt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, ein hydraulisch dichtes elektromagnetisches
Stellglied für
ein hydraulisches Ventil zu schaffen, dessen Anker nur mit geringer
Reibung läuft.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den
Merkmalen gemäß Patentanspruch
1 gelöst.
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Patentanspruch
5 betrifft ein vorteilhaftes Verfahren zur Herstellung eines solchen
Stellgliedes.
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Eine
Durchgängigkeit
der Buchse verhindert Fluchtungsfehler der Führung des Ankers. Damit können sich
am Anker keine Kippmomente bzw. Querkräfte bilden, welche die Reibung
erhöhen
bzw. die Hystereseeigenschaften verschlechtern. Zudem bildet die
einheitliche Fläche
auch im Bereich eines Zwischenstückes
zur Unterbrechung des magnetischen Flusses eine Dichtigkeit zum
Schutz der Spule vor Hydraulikfluid.
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In
besonders vorteilhafter Weise ist die Verbindung zwischen den unmagnetischen
Teilen – d.
h. dem Zwischenstück
und der Buchse – gegeben,
da diese einteilig ausgeführt
sind. Durch die komplexe Geometrie kann eine sich somit bildende
innere Baueinheit in besonders vorteilhafter Weise pulvermetallurgisch
insbesondere im „Metal
Injection Molding–Verfahren” hergestellt
sein. Bei diesem „Metal Injection
Molding–Verfahren” wird beispielsweise
gegenüber
dem konventionellen Sintern eine höher Dichte und bessere mechanische
Eigenschaften erreicht. Es sind auch komplexerer Geometrien mit
Hinterschnitten möglich,
was besonders an den Grenzflächen
zwischen dem Zwischenstück
und dem Polkern von Vorteil ist, da dort zur Beeinflussung der Kraft-Hub-Kennlinie
ein Steuerkonus vorgesehen sein kann. Im besonders vorteilhafter
Weise ist das „Metal
Injection Molding–Verfahren” bedingt
durch die höhere
Dichte im Gegensatz zum klassischen Sinterverfahren hydraulisch
dicht. Damit wird die Spule des elektromagnetischen Stellgliedes
bzw. eine Grenzfläche
zwischen der Spulenträgereinheit und
der Spule vor dem Eindringen von Hydraulikfluid geschützt.
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Weitere
Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der
Beschreibung und der Zeichnung vor.
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Die
Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es
zeigen
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1 in
einer ersten Ausgestaltungsalternative in einem Halbschnitt ein
elektromagnetisches Stellglied und
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2 eine
weiteren Ausgestaltungsalternative.
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1 zeigt
in einem Halbschnitt ein elektromagnetisches Stellglied
1 für ein hydraulisches
Ventil, welches beispielsweise in der
EP 0 939 259 B1 anhand eines sogenannten
Cartridge-Ventils dargestellt ist. Auch die hydraulischen Ventile
gemäß
DE 10 2006 012 775
B4 und
DE 10 2007
012 967 , welche Cartridge-Ventil für Nockenwellenversteller betreffen,
sollen in dieser Anmeldung als mit aufgenommen gelten. Das elektromagnetische
Stellglied
1 kann auch fluchtend zu einem Zentralventil
innerhalb einer Zentralschraube eines Nockenwellenverstellers angeordnet
sein und dieses Zentralventil verschieben. Ein solches Zentralventil
innerhalb einer Zentralschraube ist beispielsweise in der nicht
vorveröffentlichten
DE 10 2008 030 058 dargestellt.
Ebenso ist es – je
nach Bauraumverhältnissen – auch möglich das
elektromagnetische Stellglied
1 über einen Kipphebel
- – im
Winkel oder
- – parallel
versetzt
zu einem solchen Zentralventil anzuordnen, um einen Nockenwellenwinkel
zu verstellen.
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Das
elektromagnetische Stellglied 1 weist
- – an einem
dem zu verstellenden Hydraulikkolben zugewandten Ende einen magnetisierbaren
Polkern 2 und
- – an
einem vom Hydraulikkolben abgewandten Ende ein magnetisierbares
Joch 3
auf. Der Polkern 2 und das Joch 3 sind
dabei jeweils ringförmig
mit einem winkeligen Profil. Der Polkern 2 und das Joch 3 sind
koaxial zu einer Zentralachse 4 auf einer unmagnetisierbarem
Buchse 5 aus Metall angeordnet. Dabei weisen der Polkern 2 und
das Joch 3 ringfömig
um die Zentralachse 4 umlaufenden Winkelarme 2a, 3a auf,
die sich parallel zur Zentralachse 4 erstrecken. Ferner
weisen der Polkern 2 und das Joch 3 scheibenfömig um die
Zentralachse 4 umlaufenden Winkelarme 2b, 3b auf,
die sich radial von der Zentralachse 4 hinfort erstrecken.
Axial zwischen dem Polkern 2 und dem Joch 3 ist
ein Zwischenstück 6 aus
einem unmagnetisierbaren Werkstoff vorgesehen. Dieses Zwischenstück 6 liegt
an den beiden einander zugewandten Enden der sich parallel zur Zentralachse 4 erstreckenden
Winkelarme 2a, 3a an. Dabei erstreckt sich die
Grenzfläche 7 zwischen
dem Joch 3 und dem Zwischenstück senkrecht zur Zentralachse 4.
Hingegen erstreckt sich die Grenzfläche 8 zwischen dem
Polkern 2 und dem Zwischenstück 6 in einem Winkel, der
sich in die auf den Hydraulikkolben weisenden Richtung öffnet. Dieser sich öffnende
Winkel am Polkern 2 wird als Steuerkonus bezeichnet und
beeinflusst die Kraft-Hub-Kennlinie.
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Die
Buchse 5 weist eine Topfform auf, deren Topfboden 11 auf
der vom Hydraulikkolben abgewandten Ende liegt. In der Buchse 5 ist
ein magnetisierbarer kolbenförmiger
Anker 12 mit sehr geringem Laufspiel aufgenommen.
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Der
Polkern 2, das Joch 3 und das Zwischenstück 6 schließen gemeinsam
mit einer Gehäusewand 9 aus
magnetisierbaren Stahlblech eine Spule 10 ein, an welche
eine elektrische Spannung anlegbar ist. Somit kann ein magnetischer
Fluss durch die magnetisierbaren Teile den Anker 12 in
die auf den Hydraulikkolben weisende Richtung verschieben. Infolge
eines geringen Laufspieles kann es nicht zum Kippen der Ankers 12 in
der Buchse 5 führen,
so dass radiale Abstände
des Ankers 12 zum Polkern 2 und Joch 3 und
damit die dort wirkenden Magnetkräfte stets die gleichen sind.
Die Buchse 5 weist dabei nach eine Wanddicke von 0,1 mm
auf. Diese Wanddicke stellt ein Optimum dar, da bei einer wesentlich stärkeren Wanddicke
die Magnetkraft nachlässt
wohingegen bei einer wesentlich dünneren Wanddicke die Feldlinien
auf den Anker 12 überspringen.
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Das
Zwischenstück 6 und
die Buchse 5 sind einteilig gefertigt. Dazu ist ein pulvermetallurgisches Verfahren
vorgesehen, das üblicherweise
als Metal Injection Molding-Verfahren bzw. MIM-Verfahren bezeichnet
wird.
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Beim „Metal
Injection Molding-Verfahren” wird
zunächst
ein Metallpulver mit einem Binder gemischt. Dabei beträgt das Verhältnis von
Metallpulver zu Binder 57 zu 43 Volumenprozent.
Der Binder kann insbesondere ein Polypropylen sein. Zunächst werden
das Metallpulver und der Binder bei erhöhter Temperatur von ca. 160°C bis 200°C gemischt.
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Dieses
sich somit bildende homogenisierte Gemisch wird mittels einer Spritzgießanlage
in eine mehrteilige Spritzgussform spritzgegossen, in welche der Polkern 2 und
das Joch 3 bereits als Einlegeteile eingelegt sind. Die
Spritzgussform hat dabei eine Temperatur von 30 bis 50°C. Das in
diese Spritzgussform gedrückte
Gemisch hat eine Massetemperatur von 180 bis 200°C. Dabei wird aus dem homogenisierten
Gemisch eine inneren Baueinheit 13 aus Zwischenstück 6 und
Buchse 5 spritzgegossen, so dass sich eine Spulenträgereinheit 14 bildet,
welche
- – die
inneren Baueinheit 13,
- – den
Polkern 2 und
- – das
Joch 3
aufweist.
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Im
anschließenden
Verfahrensschritt durchläuft
die Spulenträgereinheit 14 eine
chemische Entbinderungsanlage. Dabei wird die innere Baueinheit 13 bei
einer Temperatur von 45°C
für 4 Stunden
mit dem Lösungsmittel
Hexan entbindert. Dieser Verfahrensschritt löst ungefähr die erste Hälfte des
Binders mittels des Lösungsmittels
Hexan. Nach dieser chemischen Entbinderung wird in einer weiteren
Anlage bei einer Temperatur von bis zu 280°C die übrige Hälfte des Binders thermisch
zersetzt.
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Nach
diesem Verfahrensschritt ist die innere Baueinheit 13 noch
relativ weich, so dass die Wand der Buchse 5 mit der Übermaß von 0,3
bis 0,5 mm auf ein Maß von
ca. 0,12 mm bearbeitet werden kann. Bei diesem Materialabtrag kann
die Buchse 5 geahlt, gerieben oder feingedreht werden.
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Im
Anschuss wird die innere Baueinheit 13 entgratet, so dass
die sehr hohen Restschmutzanforderungen bei hydraulischen Ventilen
erfüllt
werden und auch keine scharfe Kante verbleibt, welche die Reibung
des Ankers gegenüber
der Buchse erhöhen könnte.
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Im
Anschluss wird die Spulenträgereinheit
im Sinterofen in einem Medium aus Wasserstoff, Stickstoff und Argon
auf eine Temperatur von 1250 bis 1360°C erhitzt. Dabei schwindet die
Spulenträgereinheit 14 um
ca. 20 bis 22% auf deren Endmaß,
so dass die Wandungsdicke der Buchse ca. 0,1 mm beträgt. Da die
metallurgischen Körner
beim Sintern an den Korngrenzen ineinander fließen, hat die innere Baueinheit
schlussendlich die üblichen
metallischen Eigenschaften. Infolge der Gegenüber dem klassischen Sintern
höheren
Metalldichte ist die Buchse auch dicht gegenüber Hydraulikfluid.
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In
einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung erfolgt das Ahlen,
Reiben oder Feindrehen auf das Endmaß erst nach dem Sinterprozeß, so dass die
Toleranzen infolge des Schwindens fortfallen, wobei jedoch infolge
der härteren
Eigenschaften der Buchse das Bearbeitungswerkzeug stärker verschleißt.
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Unabhängig davon,
ob vor oder nach dem Sintern das überschüssige Material abgetragen wird, kann
nach dem Sintern noch die Innenfläche der Buchse 5 gleitgeschliffen,
geschliffen, carbonitriert, einsatzgehärtet, ausscheidungsgehärtet oder
oberflächenbeschichtet
werden.
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Der
Winkel an den Grenzflächen
zwischen Zwischenstück
und Polkern bzw. Joch kann je nach Einsatzweck und gewünschter
Kraft-Hub-Kennlinie des Stellgliedes variieren.
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2 zeigt
ein elektromagnetische Stellglied 101 in einer alternativen
Ausgestaltungsform. Ein dem zu verstellenden Hydraulikkolben zugewandter magnetisierbaren
Polkern 102 bildet auch den Anschlag für deinen Anker 112,
wobei zusätzlich
eine unmagnetisierbare Antiklebscheibe 120 und eine mit dem
Anker verbundene Stößelstange 121 vorgesehen
ist. An dem vom Hydraulikkolben abgewandten Ende des Stellgliedes 101 ist
ein magnetisierbares Joch 103 angeordnete, das im Gegensatz
zu dem Joch 3 gemäß 1 an
dem dem Polkern 102 zugewandten Ende angeschrägt ist.
Die Schräge
des Jochs 103 ist dabei kleiner als die Schräge des Polkerns 102.
Axial zwischen dem Polkern 102 und dem Joch 103 ist
ein Zwischenstück 106 aus
einem unmagnetisierbaren Werkstoff vorgesehen. Dieses Zwischenstück 106 ist
analog der ersten Ausgestaltungsform einteilig mit einer Buchse 105 im „Metal
Injection Molding-Verfahren” hergestellt.
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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.