DE10337206B4

DE10337206B4 - Proportional-Hydraulik-Magnetventil

Info

Publication number: DE10337206B4
Application number: DE10337206A
Authority: DE
Inventors: Michael Reichenmiller; Michael Scheurer
Original assignee: ZF Lenksysteme GmbH
Current assignee: Pump Technology Solutions Ps De GmbH
Priority date: 2003-08-13
Filing date: 2003-08-13
Publication date: 2006-04-13
Anticipated expiration: 2023-08-14
Also published as: DE10337206A1

Abstract

Proportional-Hydraulik-Magnetventil (10, 11), insbesondere zur Volumenstrom-Steuerung an einer volumetrischen Hydraulikpumpe, z.B. Kraftfahrzeug-Lenkhelfpumpe, mit den folgenden Merkmalen:
a) ein Ventilkörper (16), der einen Magnetanker (15) trägt, ist in einem Ventilgehäuse (17, 23) beweglich gelagert;
b) der Magnetanker (15) ist von einem Spulenkörper (12, 13, 14) umgeben, mit einer elektrischen Spule (12), der eine variable Stromstärke zuführbar ist;
c) der Spulenkörper (12, 13, 14) bildet einen nach außen hermetisch geschlossenen Innenraum (30), der durch den Magnetanker (15) in zwei Bereiche unterteilt ist und der mit dem Innenraum (31) des Ventilgehäuses (17, 23) kommuniziert, so dass im Betrieb beide Innenräume mit der Hydraulikflüssigkeit angefüllt sind;
d) in den Innenraum (30) des Spulenkörpers (12, 13, 14) erstreckt sich, ausgehend vom Ventilgehäuse (17, 23), ein Steuerhohlzylinder (18), in den der Magnetanker (15) im erregten Zustand mit einem sich verjüngenden Bereich eintaucht;
dadurch gekennzeichnet, dass
die beiden Bereiche des...

Description

Die Erfindung betrifft ein Proportional-Hydraulik-Magnetventil, insbesondere zur Volumenstrom-Steuerung an einer volumetrischen Hydraulikpumpe, nach der im Oberbegriff von Anspruch 1 näher definierten Art.
Derartige Einrichtungen benötigt man z.B. in hydraulischen Hilfskraftlenkungen für Kraftfahrzeuge. Der Zweck besteht darin, dass die von einem Fahrer zur Durchführung von Lenkbewegungen aufzubringende Kraft reduziert bzw. hydraulisch unterstützt wird.
Die Erfindung geht aus von einem Proportional-Hydraulik-Magnetventil, welches beschrieben ist als Teil einer hydraulischen Hilfskraftlenkung in der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung DE 102 05 859.8 vom 13.02.2002. Das dort beschriebene Magnetventil umfasst einen beweglichen stangenförmigen Ventilkörper, auch Regelstift genannt, an dem ein Magnetanker befestigt ist. Der Ventilkörper dient also zugleich als Ankerachse. Zu deren Lagerung ist eine Ankerführung, auch Einschraubstück genannt, in ein Ventilgehäuse eingesetzt. An der Ankerführung ist ein Spulenkörper befestigt, der in bekannter Weise eine elektrische Spule und einen Spulenkäfig umfasst, durch den sich eine nicht-magnetisierbare Hülse erstreckt, die den Magnetanker unmittelbar umhüllt.
Betriebsbedingt ist der Innenraum des Ventilgehäuses mit Flüssigkeit gefüllt. Der stangenförmige Ventilkörper (= Ankerachse) weist eine durchgehende zentrale Bohrung auf. Somit ist der nach außen hermetisch geschlossene Innenraum des Spulenkörpers (insbesondere der genannten Hülse) ebenfalls mit Flüssigkeit gefüllt.
Die bisherigen Magnetventile der vorbeschriebenen Art erfüllen ihren Zweck noch nicht in befriedigender Weise. Die Kennlinien "Ankerhub über Stromstärke" und/oder "Volumenstrom über Stromstärke" sind zum Teil wellig oder gar unstetig; außerdem sind sie bei verschiedenen Magnetventilen einer Serie teilweise unterschiedlich. Anscheinend erfolgt manchmal ein ruckartiges Lösen des Magnetankers aus der Endposition, bei welcher das Ventil geschlossen, nahezu geschlossen oder offen ist (je nach Ausführung des Stellgliedes). Manchmal stellt man auch fest, dass ein Magnetventil unterschiedlich reagiert, wenn sich die Viskosität der Flüssigkeit (insbesondere Hydrauliköl) ändert, so insbesondere bei unterschiedlichen Temperaturen. Häufig ist auch störend, dass die Kennlinie eine starke Hysterese aufweist.

Weitere Proportional-Hydraulik-Magnetventile sind in der DE 102 40 774 A1 , der DE 199 12 488 A1 oder der DE 197 17 445 A1 beschrieben. Auch diese Lösungen können jedoch nicht zur Beseitigung der oben angeführten Probleme beitragen.

Somit liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, die bisherigen Proportional-Hydraulik-Magnetventile dahingehend zu verbessern, dass möglichst viele der nachfolgend angegebenen Forderungen erfüllt werden:

A) Die Kennlinien des Magnetventils "Ankerhub über Stromstärke" und/oder "Volumenstrom über Stromstärke" sollen stetig und möglichst glatt verlaufen.
B) Die Hysterese der Kennlinie soll möglichst weitgehend verringert werden.
C) Der Einfluss unterschiedlicher Viskosität des zu steuernden Flüssigkeitsstromes soll möglichst weitgehend verringert werden;
D) ein ruckartiges Lösen des Ankers aus seiner Endposition soll vermieden werden.
E) Bei Serienfertigung sollen die Einzelstücke möglichst gleiche Eigenschaften aufweisen, insbesondere gleichförmige Kennlinien.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch den kennzeichnenden Teil von Anspruch 1 gelöst.

Zu der erfindungsgemäßen Lösung, die im Kennzeichen des Anspruchs 1 angegeben ist, führte die Erkenntnis, dass man im Innenraum des Spulenkörpers den Flüssigkeitsströmen, die durch ein Bewegen des Magnetankers ausgelöst werden, ausreichende Beachtung schenken muss. Insbesondere muss vermieden werden, dass der Magnetanker bei einer achsparallelen Bewegung innerhalb der nicht-magnetischen Hülse wie ein Kolben eines Hy draulikzylinders wirkt. Jedenfalls muss berücksichtigt werden, dass der Magnetanker den nach außen hermetisch geschlossenen Innenraum des Spulenkörpers in zwei Bereiche unterteilt.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die beiden Bereiche des Spulenkörper-Innenraums miteinander kommunizieren, sodass bei einer (den Ventilkörper verstellenden) Bewegung des Magnetkörpers ein im wesentlichen ungedrosselter Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Bereichen des Spulenkörper-Innenraums gewährleistet ist. Hierdurch kann die aus Ventilkörper und Magnetanker bestehende bewegliche Baueinheit auf eine Änderung der Stromstärke wesentlich rascher und zuverlässiger als bisher reagieren.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung kann vorgesehen sein, dass der größte Außendurchmesser des Magnetankers kleiner ist als der Innendurchmesser des den Magnetanker unmittelbar umhüllenden Bereiches des Spulenkörpers, vorzugsweise also der nicht-magnetischen Hülse. Außerdem können im Magnetanker und/oder in dem den Anker umhüllenden Bereich des Spulenkörpers Kanäle vorgesehen werden, welche die beiden Bereiche des Spulenkörper-Innenraumes miteinander verbinden.

Um die Leichtgängigkeit der (aus Ventilkörper und Magnetanker bestehenden) beweglichen Baueinheit noch weiter zu erhöhen, kann – gemäß einem wichtigen weiterführenden Gedanken der Erfindung – folgendes vorgesehen werden: Es wird sichergestellt, dass ein im wesentlichen ungedrosselter Flüssigkeitsaustausch auch zwischen dem Innenraum des Spulenkörpers und dem In nenraum des Ventilgehäuses stattfindet. Dies geschieht dadurch, dass die bewegliche Baueinheit bzw. der Ventilkörper in der Ankerführung (= Einschraubstück) mit einem gewissen Spiel geführt ist. Außerdem ist folgendes zu beachten: Damit sich der Ankerhub proportional zur Stromstärke verhält, erstreckt sich in den Innenraum des Spulenkörpers ein Steuerhohlzylinder, in den der Magnetanker im erregten Zustand mit einem sich verjüngenden Bereich eintaucht. Im Innenraum des Steuerhohlzylinders ist ein sogenannter Vorderanschlag vorgesehen; daran legt sich beim Gesamt-Ankerhub eine nicht-magnetisierbare Antihaftscheibe an, die an der einen Ankerstirnfläche vorgesehen ist. Um ein mechanisches Hängenbleiben der Antihaftscheibe am Steuerzylinder mit Sicherheit zu vermeiden, ist vorgesehen, dass die Antihaftscheibe auch schon im nicht-erregten Zustand (wobei der Anker am oberen Endanschlag anliegt) zumindest teilweise in den Steuerhohlzylinder eingetaucht ist.

Wichtig ist nun, dass zwischen der Außenkontur der Antihaftscheibe und der Innenwand des Steuerzylinders wiederum ein ausreichender Strömungsquerschnitt vorgesehen ist, der einen im wesentlichen ungedrosselten Flüssigkeitsausgleich zwischen den beiden Seiten der Antihaftscheibe ermöglicht. Vorzugsweise wird eine ovale Form der Antihaftscheibe vorgesehen. Andere Formen sind ebenso möglich, wie z.B. Dreieck, Quadrat, Stern oder dergleichen.

Gemäß einem weiteren Erfindungsgedanken wird an dem genannten (im Steuerhohlzylinder befindlichen) Vorderanschlag eine großzügige Fase vorgesehen. Hierdurch wird eine bisher dort vorhandene relativ scharfe Kante vermieden, so dass die Flüssigkeit dort nunmehr weitgehend verwirbelungsfrei geführt wird. Außerdem wird die Flüssigkeitsströmung nunmehr durch die dort meistens befindliche Druckfeder weniger behindert als bisher.

Die zuvor beschriebene Fase, welche eine bisherige scharfe Kante beseitigt, sorgt zusätzlich für einen überraschenden Effekt: Die magnetischen Feldlinien verlaufen wesentlich günstiger, d.h. harmonischer als bisher. Anscheinend hat nämlich die bisherige scharfe Kante als sogenannte Streukante gewirkt, wodurch bisher die magnetischen Feldlinien ungleichmäßig und streuend verlaufen sind. Dank der Erfindung konnte nunmehr ein verbesserter Wirkungsgrad des Elektromagneten erzielt werden, d.h. eine höhere Ankerkraft bei einer vorgegebenen Stromstärke. Wiederum ist auch für die Serienfertigung durch die Fase ein Vorteil erzielbar: Die magnetischen Eigenschaften der Einzelstücke sind viel gleichmäßiger als bisher; d.h. die Einzelstücke haben weitgehend gleiche Wirkungsgrade und einen weitgehend gleichen Kennlinienverlauf.

Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den weiteren Unteransprüchen. Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung beschrieben.
Es zeigt:
1 einen Längsschnitt durch ein Proportional-Hydraulik-Magnetventil; dargestellt ist der stromlose Zustand bei dem das Ventil geöffnet ist,
2 den Zustand bei maximaler Stromstärke (Gesamt-Ankerhub), mit stark gedrosseltem Volumenstrom; und
3 einen Querschnitt entlang der Linie III-III der 2.
Das in 1 dargestellt Proportional-Hydraulik-Magnetventil umfasst einen Proportional-Elektromagneten 10 und ein Hydraulikventil 11 zur Steuerung des Druckes und/oder des Volumenstroms einer Flüssigkeit, vorzugsweise eines Hydrauliköls. Der Elektromagnet 10 hat einen Spulenkörper umfassend eine elektrische Spule 12, die sich in einem magnetisierbaren Spulenkäfig 13 befindet und eine nicht-magnetische Hülse 14. Die Hülse 14 erstreckt sich durch den Spulenkäfig 13, sie umhüllt einen in Achsrichtung der Spule 12 beweglichen Magnetanker 15. Das in der Zeichnung obere Ende der Hülse 14 begrenzt den Innenraum des Elektromagneten 10 nach außen hin flüssigkeitsdicht. Der Magnetanker 15 ist auf einer Ankerachse 16 befestigt, mit deren Hilfe er in einer stationären Ankerführung 17 (auch "Einschraubstück" genannt) geführt ist. Das andere Ende der Ankerachse 16 ist als Ventilkörper ausgebildet.
Der durch den Magnetanker 15 angetriebene Ventilkörper 16 ist Teil des genannten Hydraulikventils 11. Dieses umfasst ein Ventilgehäuse 23 mit Blendeneinsatz 25, Zulaufkanal 28 und Ablaufkanal 29. Der Blendeneinsatz 25 besitzt eine Blendenöffnung 26, die durch Bewegung des Ventilkörpers 16 mehr oder weniger geöffnet oder geschlossen wird.
An die in das Ventilgehäuse 23 eingeschraubte Ankerführung 17 ist ein magnetisierbarer Steuerhohlzylinder 18 angeformt, der sich in Richtung zum Magnetanker 15 hin erstreckt, so dass sich der Steuerhohlzylinder 18 im Inneren der nicht-magnetischen Hülse 14 befindet.
Der Magnetanker 15 verjüngt sich in Richtung zum Steuerhohlzylinder 18; er ist beispielsweise konisch. Er kann beispielsweise auch zusammengesetzt sein aus einem zylindrischen Bereich und einem sich in Richtung zum Steuerhohlzylinder verjüngenden Bereich. In jedem Fall ist der Magnetanker 15 derart gestaltet, dass er im erregten Zustand in den Steuerhohlzylinder 18 eintauchen kann. An seiner dem Steuerhohlzylinder 18 zugewandten Stirnfläche ist eine nicht-magnetisierbare Antihaftscheibe 20 vorgesehen, die sich ständig – zumindest teilweise – im Inneren des Steuerhohlzylinders befindet.
Zwischen dem Magnetanker 15 mit seiner Antihaftscheibe 20 einerseits und der Ankerführung 17 andererseits kann eine Druckfeder 22 eingespannt sein. Im stromlosen Zustand drückt die Druckfeder 22 den Magnetanker 15 an einen (in der Zeichnung oberen) Endanschlag 21a, der an die Hülse 14 angeformt ist. Bei voller Erregung des Elektromagneten (2), also wenn der Magnetanker den gesamten Ankerhub zurückgelegt hat, liegt die Antihaftscheibe 20 an einem (in der Zeichnung unteren) Vorderanschlag 21b an, der am Steuerhohlzylinder 18 angeformt ist. Die Antihaftscheibe 20 erleichtert das Wiederablösen des Magnetankers vom Vorderanschlag 21b.
Die Anordnung ist derart getroffen, dass im nicht-erregten Zustand (wie in 1 dargestellt) die dem Steuerhohlzylinder 18 zugewandte Ankerstirnfläche sich noch außerhalb des Steuerhohlzylinders 18 befindet, jedoch in einem relativ kleinen Abstand, der nur einem Bruchteil des Gesamt-Ankerhubs entspricht. Dieser Abstand kann beispielsweise 20 bis 30 % des Gesamt-Ankerhubs betragen.
Beim Betrieb des Proportional-Hydraulik-Magnetventils ist nicht nur das Innere des Ventilkörpers 23 mit Flüssigkeit gefüllt, sondern über die zentrale Bohrung 27 der Ankerachse 16 auch der Innenraum der Hülse 14 und des Steuerhohlzylinders 18. Damit die zum Verstellen des Ventils 11 erforderlichen Bewegungen der (aus Anker 15, Ankerachse 16 und Antihaftscheibe 20 bestehenden) Baueinheit möglichst unbehindert stattfinden können, ist gemäß der Erfindung folgendes vorgesehen:
Der größte Außendurchmesser des (ähnlich einer Birne geformten) Magnetankers 15 ist deutlich kleiner als der Innendurchmesser der Hülse 14. Ferner weist der Magnetanker 15 einige Kanäle 32 auf, so das z.B. bei einer Bewegung des Ankers nach unten Flüssigkeit im wesentlichen ungedrosselt nach oben strömen kann.
Die Antihaftscheibe 20 hat (als Beispiel) gemäß 3 eine im wesentlichen ovale Form, wobei ihr größter Außendurchmesser D größer ist als der kleinste Außendurchmesser des z.B. konischen Teils des Magnetankers. Wiederum kann bei einer Bewegung des Ankers 15 z.B. nach unten Flüssigkeit aus dem Inneren des Steuerzylinders 18 im wesentlichen ungedrosselt nach oben strömen. Ein Teil dieser Flüssigkeit kann jedoch auch nach unten abströmen, weil am Vorderanschlag 21b eine großzügige Fase 19 vorgesehen ist und weil zwischen Ankerachse 16 und Ankerführung 17 ein weites Spiel vorhanden ist.

10: Proportional-Elektromagnet
11: Hydraulik-Proportionalventil
12: Spule
13: Spulenkäfig
14: Hülse
15: Magnetanker
16: Ankerachse = Ventilkörper
17: Ankerführung = Einschraubstück
18: Steuerhohlzylinder
19: Fase
20: Antihaftscheibe
21a: Endanschlag
21b: Vorderanschlag
22: Druckfeder
23: Ventilgehäuse
24
25: Blendeneinsatz
26: Blendenöffnung
27: zentrale Bohrung
28: Zulaufkanal
29: Ablaufkanal
30: Innenraum des Spulenkörpers
31: Innenraum des Ventilgehäuses
32: Kanal

Claims

Proportional-Hydraulik-Magnetventil (10, 11), insbesondere zur Volumenstrom-Steuerung an einer volumetrischen Hydraulikpumpe, z.B. Kraftfahrzeug-Lenkhelfpumpe, mit den folgenden Merkmalen: a) ein Ventilkörper (16), der einen Magnetanker (15) trägt, ist in einem Ventilgehäuse (17, 23) beweglich gelagert; b) der Magnetanker (15) ist von einem Spulenkörper (12, 13, 14) umgeben, mit einer elektrischen Spule (12), der eine variable Stromstärke zuführbar ist; c) der Spulenkörper (12, 13, 14) bildet einen nach außen hermetisch geschlossenen Innenraum (30), der durch den Magnetanker (15) in zwei Bereiche unterteilt ist und der mit dem Innenraum (31) des Ventilgehäuses (17, 23) kommuniziert, so dass im Betrieb beide Innenräume mit der Hydraulikflüssigkeit angefüllt sind; d) in den Innenraum (30) des Spulenkörpers (12, 13, 14) erstreckt sich, ausgehend vom Ventilgehäuse (17, 23), ein Steuerhohlzylinder (18), in den der Magnetanker (15) im erregten Zustand mit einem sich verjüngenden Bereich eintaucht; dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche des Spulenkörper-Innenraumes (30) miteinander kommunizieren, um bei einer Bewegung des Magnetankers (15) einen im wesentlichen ungedrosselten Flüssigkeitsaustausch zwischen den beiden Bereichen des Spulenkörper-Innenraumes (30) zu ermöglichen.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilkörper (16) mit Spiel in dem Ventilgehäuse (17) gelagert ist, um bei einer Bewegung des Magnetankers (15) einen im wesentlichen ungedrosselten Flüssigkeitsaustausch auch zwischen dem Innenraum (30) des Spulenkörpers (12, 13, 14) und dem Innenraum (31) des Ventilgehäuses (17, 23) zu ermöglichen.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bereiche des Innenraumes (30) durch Kanäle (32) miteinander kommunizieren, die sich im Magnetanker (15) und/oder in dem den Magnetanker (15) umhüllenden Bereich des Spulenkörpers (12, 13, 14) befinden.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Spulenkörper (12, 13, 14) einen magnetisierbaren Spulenkäfig (13) umfasst, durch den sich eine nicht-magetisierbare Hülse (14) erstreckt.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruche 4, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Anker-Außendurchmesser (D) kleiner als der Innendurchmesser der Hülse (14) ist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass an der dem Steuerhohlzylinder (18) zugewandten Ankerstirnfläche eine nicht-magnetisierbare Antihaftscheibe (20) vorgesehen ist, die beim Gesamt-Ankerhub (2) an einem Vorderanschlag (21b) anliegt, der im Innenraum des Steuerhohlzylinders (18) gebildet ist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftscheibe (20) auch schon im nicht-erregten Zustand, wobei der Magnetanker (15) am Endanschlag (21a) anliegt, zumindest teilweise in den Steuerhohlzylinder (18) eingetaucht ist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen der Außenkontur der Antihaftscheibe (20) und der Innenwand des Steuerhohlzylinders (18) für einen im wesentlichen ungedrosselten Flüssigkeits ausgleich ein ausreichender Strömungsquerschnitt vorgesehen ist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftscheibe (20) eine ovale Form aufweist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Antihaftscheibe (20) mehrere am Umfang verteilte Ausnehmungen aufweist, sodass sie nach Art eines Sternes geformt ist.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Vorderanschlag (21b) eine Fase (19) vorgesehen ist, die den Flüssigkeitsaustausch zwischen dem Innenraum des Steuerhohlzylinders (18) und dem Innenraum (31) des Ventilgehäuses (17, 23) erleichtert.
Proportional-Hydraulik-Magnetventil nach einem der Ansprüche 8 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D) der Antihaftscheibe (20) größer ist als der Außendurchmesser des verjüngten Endes des Magnetankers (15).