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Die
Erfindung betrifft ein Magnetventil gemäß den Merkmalen des Oberbegriffs
des Anspruchs 1.
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Das
in
WO 87/00963 A1 beschriebene
Proportionalitäts-Magnetventil
weist einen innerhalb eines Magnetkernes axial angeordneten Betätigungsstift
auf, an dessen Stirnseite ein Ventilkegel zum Abdichten einer Öffnung eines
Ventilsitzes an einer Drosselstelle des Magnetventils vorgesehen
ist. An seinem dem Ventilkegel abgewandten Ende ist der Betätigungsstift
feststehend mit einer sogenannten Rückschlußplatte in Verbindung. Die
Rückschlußplatte
ist durch das Magnetfeld der Erregerspule betätigbar und stellt somit das
verstellbare Teil der Betätigungseinrichtung
dar, während
der Magnetkern das feststehende Teil bildet. Auf der Seite der Rückschlußplatte
ist in dem Gehäuse
des Magnetventils eine Rückstellfeder
in Form einer Scheibenfeder an ihrem Außenumfang in axialer Richtung
festgelegt. An ihrer radialinneren Einspannstelle ist die Rückstellfeder
durch eine zwischen der Rückschlußplatte und
der Rückstellfeder
angeordnete Tellerfeder in Anlage an einem an der Rückschlußplatte
angebrachten Bund gehalten.
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Ein
weiteres Proportionalitätsventil
ist aus
DE 44 15 096
A1 bekannt. Das Magnetventil weist innerhalb eines zylindrischen Gehäuse eine
auf einen Spulenkörper
gewickelte Erregerspule auf. In einer Durchgangsöffnung des Spulenkörpers ist
ein bei Bestromung der Erregerspule entlang einer Mittenachse verschiebbarer
Ankerkolben angeordnet, durch den ein an einer Stirnseite des Ankerkolbens
angeordnetes Dichtelement in einen Ventilsitz eines Ventilteiles
druckbar ist. Gemäß der Erfindung
ist das Dichtelement und der Ventilsitz exzentrisch zur Mittenachse
des Ankerkolbens angeordnet. Darüber
hinaus ist eine Druckmittelzuführung
in den Innenraum des Gehäuses
vorgesehen, um Druckmittel durch diese Druckmittelzuführung in
den Innenraum des Gehäuses
zu leiten und auf den Ankerkolben in Richtung Dichtelement Druck
auszuüben.
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Um
bei diesem bekannten Proportionalitäts-Magnetventil eine weitgehende.
Unabhängigkeit von
unterschiedlichen hydraulischen Kräften und damit unterschiedlichen
Pumpendrücken
zu erreichen, ist dem Proportionalitäts-Magnetventil eine Federkraft überlagert.
Die bei Bestromung der Erregerspule auftretende Magnetkraft muss
folglich gegen die am Ventilsitz auftretenden hydraulische Kraft
des Druckmittels sowie gegen die Federkraft arbeiten, welche gegenüber der
am Ventilsitz auftretenden hydraulischen Kraft sehr groß ist. Zur
Betätigung
des bekannten Magnetventils ist somit sowohl eine große Magnetkraft
als auch eine große
Hubarbeit erforderlich. Da sich zudem das zentral angeordnete zwangsgeführte Dichtelement
an der Spitze des Betätigungsstiftes
bzw. Stößels nie
exakt konzentrisch im Ventilsitz befindet, treten zwangsweise am
Dichtelement Reibungskräfte
auf. Diese Reibungskräfte
haben eine Vergrößerung der
hydraulischen Hysterese des Magnetventils zur Folge.
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Aus
der
DE 39 07 408 A1 ist
ein elektromagnetisch betätigbares
Ventil bekannt, das über
eine Membrane mit Ventilöffnung
und Ventilsitz verfügt. Das
Ventil ist derart ausgebildet, dass es stromlos geschlossen ist.
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Die
Erfindung hat das Ziel, ein Magnetventil anzugeben, das die erwähnten Nachteile
nicht aufweist, in einfacher Weise herzustellen ist und bei dem sichergestellt
ist, dass das Magnetventil unabhängig vom
Pumpendruck immer bei einem gleich groß angelegten Strom vollständig geschlossen
ist. Für
permanente Anwendungen im Druckbereich von einigen mbar sind Lösungen,
die als nächstkommender Stand
der Technik anzusehen sind, z. B. aus der
DE 43 29 396 A1 oder der
DE 39 07 408 A1 bekannt.
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Die
Aufgabe der Erfindung liegt also in der Bereitstellung von adäquaten Magnetventilen
für den Hydraulikbetrieb.
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Diese
Aufgabe wird durch ein Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs
1 erreicht.
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Weiterbildungen
der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Das
Magnetventil nach der Erfindung weist also im wesentlichen eine
stirnseitig am Gehäuse des
Magnetventils angeordnete Membrane auf, die feststehend mit einem
Ventilsitz verbunden ist. Beim Einsatz des Magnetventils kann so
der Pumpendruck auf die Stirnfläche
der Membran einwirken, um diese in Richtung Anker auszulenken. Durch
die feststehende Verbindung des Ventilsitzes mit der Membran wird
auch der Ventilsitz ausgelenkt, so daß sich bei höheren Pumpendrücken im
Vergleich zu niederen Pumpendrücken
der Anker samt Ankerstößel weniger
weit bewegen muß,
um das Dichtelement, z. B. eine Dichtkugel, in den Ventilsitz zu
pressen, so daß das
Ventil sicher schließt.
Dies bedeutet auch, daß das
Magnetventil, unabhängig
vom außen
anstehenden Pumpendruck, der stirnseitig an der Membran anliegt,
immer bei einem gleich hohen Strom, der durch die Erregerspule fließt, sicher
geschlossen ist.
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Bei
dem Magnetventil nach der Erfindung ist es möglich bei vorgegeben Bestromung
der Erregerspule, unabhängig
vom Pumpendruck, an einer Meßblende
einen zum jeweiligen Pumpendruck gleichen prozentualen Steuerdruck
zu erzeugen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung ist der Anker des Magnetventiles an seinen beiden
Stirnseiten an jeweils einer Federeinrichtung, z. B. einer Druckfeder,
abgestützt.
Durch die beiderseitig am Ankerkolben angeordnete Federeinrichtung wird
garantiert, daß die
Federkraft in Hubanfangsstellung, d. h. bei keiner Bestromung, Null
ist. Ferner ist durch die Federeinrichtung bei kleinster Ankerbewegung
ein präziser
Federkraftanstieg sichergestellt.
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In
einer besonderen Weiterbildung der Erfindung ist die Membran aus
Metall, z. B. Stahl gefertigt und plattenförmig bzw. scheibenförmig ausgebildet. Die
platten- bzw. scheibenförmige
Membran ist an ihrem außen
umlaufendem Rand mit einem Kragen versehen, der feststehend am Gehäuse des
Magnetventils be festigt ist. Der umlaufende Kragen kann beispielsweise
durch Verschweißen,
Kleben oder ähnliches
an dem Gehäuse
des Magnetventiles befestigt werden.
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Vorzugsweise
weist die Membran im Bereich der Mittenachse eine Öffnung auf,
in welcher ein den Ventilsitz bildendes Teil feststehend gehalten
ist. Diese Lösung
stellt sicher, daß das
Druckmittel einerseits die Membran stirnseitig beaufschlagen kann, damit
diese auslenkt, und andererseits das Druckmittel durch die Membran
in den Ventilsitz strömen
kann, um im Falle des geöffneten
Ventiles, d. h. freigegebenem Dichtelement, das Dichtelement beiseite
zu drücken.
Dann kann das Druckmittel in den Ausgangskanal des Magnetventiles
fließen.
Drückt
dagegen der Anker bei entsprechender Bestromung das Dichtelement
mit ausreichender Kraft dank einer Bestromung der Erregerspule gegen
den Ventilsitz, kann das Druckmittel nicht durch das Magnetventil
fließen.
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Zweckmäßigerweise
ist das in einer Dichtelementführung
geführte
Dichtelement als Kugel ausgebildet. Die Dichtelementführung und
Kugel weisen eine gute Oberflächengüte auf,
so daß eine
Bewegung des Dichtelementes innerhalb der Dichtelementführung wenig
Reibung ausgesetzt ist. Die Dichtelementführung kann aus Metall oder
einem geeigneten Kunststoff bestehen.
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Als
Dichtelementführung
können
beispielsweise radial um die Mittenachse herum angeordnete Führungsstege
vorgesehen werden.
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Weitere
Vorteile und Ausführungsformen
der Erfindung werden nachfolgend im Zusammenhang mit Figuren näher erläutert. Es
zeigen
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1 eine
Schnittansicht eines erfindungsgemäßen Magnetventiles mit Ventilsitz,
welcher feststehend mit einer Membran verbunden ist und
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2 eine
Steuerdruck/Strom-Kennlinie zu dem Magnetventil von 1.
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In
den nachfolgenden Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen, sofern
nicht anders angegeben, gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
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In 1 ist
ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Magnetventils
dargestellt, welches unabhängig
von einem hydraulisch anstehenden Zulaufdruck P eines Druckmittels
bei gleich großer
Bestromung einer Erregerspule 11 mindestens annähernd den
gleichen prozentualen Steuerdruck Pst an
einer Meßblende
erzeugt. Ein solches Magnetventil wird auch als druckausgeglichenes
Proportionalitäts-Magnetventilbezeichnet.
Dies bedeutet, daß das
Magnetventil bei voller Bestromung trotz unterschiedlich großer Kräfte am Ventilsitz 3,
die durch unterschiedliche Zulaufdrücke P hervorgerufen werden, gerade
sperrt.
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Das
in 1 dargestellte Magnetventil weist ein zylindrisches
Gehäuse 1 auf,
in welchem die Erregerspule 11 auf einen Spulenkörper 12 gewickelt ist.
Das Gehäuse 1 des
Magnetventils schließt
an seinem in 1 gezeigten linken Ende mit
einem noch näher
zu erläuternden
Ventilteil ab. In einer axialen Durchgangsöffnung des Spulenkörpers ist
ein Ankerkolben 9 entlang seiner Mittenachse X verschiebbar
angeordnet. Hierfür
sitzt in einer Durchgangsöffnung
des Ankerkolbens 9 eine Ankerstange 8, die sich über die
beiden stirnseitigen Enden des Ankerkolbens 9 u. a. hinaus
erstreckt. Die Ankerstange 8 dient dem Ankerkolben 9 als
Führung.
Die Stange 8 kann mit ihrem in 1 links
dargestellten Ende auf ein Dichtelement 5, hier eine Dichtkugel,
einwirken, und diese gegen eine Öffnung
des Ventilsitzes 4 drücken,
sofern die Erregerspule 11 in ausreichender Weise bestromt
wird, wobei der Anker 9 samt Ankerstange 8 nach
links bewegt wird.
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Im
dargestellten Ausführungsbeispiel
von 1 ist der geschlossene Zustand des Magnetventiles
gezeigt. Bei Bestromung der Erregerspule 11 mit einem über Zuleitungen 16 geführten Strom
wird eine Magnetkraft auf den Ankerkolben 9 ausgeübt, so daß sich dieser
in Richtung Ventilsitz 4 bewegt. Das Dicht element 5 ist
zum Abdichten der bereits erwähnten Öffnung 18 des
Ventilsitzes 4 am Ende einer zur Zuführung des Druckmittels dienenden
Bohrung 19 angeordnet. Die Bohrung 19 läuft im Ausführungsbeispiel
von 1 durch den gesamten Ventilsitz 4 und endet
in der Öffnung 18,
die durch die Dichtkugel 5 verschließbar ist. Die Bohrung 19 ist
im dargestellten Ausführungsbeispiel
auf der Mittenachse X liegend angeordnet.
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Darüber hinaus
verfügt
das Magnetventil über
Ablaufbohrungen 20, aus denen das Druckmittel austreten
kann, sofern der Ventilsitz 4 freigegeben ist. Dies ist
der Fall, wenn die Erregerspule 11 nicht von Strom durchflossen
wird, der Ankerkolben 9 samt Ankerstange 8 in
seine Ruhestellung bewegt ist und die Dichtkugel 5 aufgrund
des Druckes P des angelegten Druckmittels von der Öffnung 18 weggedrückt wird.
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Erfindungsgemäß ist der
Ventilsitz 4 feststehend mit einer Membran 3 verbunden.
Die Membran 3, die ein Metallteil, z. B. ein Stahlteil,
sein kann, weist im vorliegenden Ausführungsbeispiel ein scheibenförmiges Teil 3a auf,
welches mit einer mittigen Öffnung 3c versehen
ist. In dieser Öffnung 3c ist
der Ventilsitz 4 gehalten. Das scheibenförmige Teil 3a der Membran 3 wird
in seiner Dicke dem jeweiligen Bereich des Pumpendrucks angepaßt. Das
scheibenförmige
Teil 3a der Membran steht orthogonal zur Mittenachse X
und weist an seinem außen
umlaufenden Rand einen in Richtung Anker 9 vorspringenden
Kragen 3b auf. Dieser Kragen 3b ist feststehend
mit dem Gehäuse 1 bzw.
einem Polkern 2 des Magnetventiles in Verbindung. Im Ausführungsbeispiel
von 1 ist der umlaufende Kragen 3b der Membran 3 feststehend
mit dem Polkern 2, in dem sich auch die Ablaufbohrungen 20 befinden,
verbunden. Dies kann beispielsweise durch Schweißen, Kleben oder ähnliche Verfahren
erfolgen.
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Die
Membran 3 muß bei
dem Magnetventil nach der Erfindung so dimensioniert sein, daß unterschiedliche
Zulaufdrücke
P an der Stirnseite der Membran 3 dazu führen, daß die Membran
unterschiedlich weit ausgelenkt wird. Bei höheren Zulaufdrücken P muß die Auslenkung
größer sein
als bei niedrigen Zulaufdrücken
P, so daß mit
zunehmendem Zulaufdruck der Weg der Ankerstange 8, und
damit auch der Weg des Ankers 9, kürzer ist, um die Öffnung 18 des
Ventilsitzes 14 sicher zu schließen.
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Bei
größeren Pumpendrücken wird
die Membran 3 mehr in Richtung Anker 9 gewölbt, so
daß sich die
Schließbahn
der Ankerstange 8 in entsprechender Weise verkürzt. Somit
kann mit gleichem Strom durch die Erregerspule 11 bei unterschiedlich
anstehenden Zulaufdrücken
P des Druckmittels dafür
gesorgt werden, daß der
gleiche prozentuale Steuerdruck Pst in den
Ablaufbohrungen 20 vor der Meßblende ansteht.
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Wie
aus der Schnittansicht von 1 ersichtlich,
weist das Magnetventil eine besondere Führungseinrichtung für den Anker 9 bzw.
die Ankerstange 8 auf. So ist die Ankerstange 8 an
ihren beiden Enden in Lagerbuchsen 13 gelagert. Die links dargestellte
Lagerbuchse 13 ist am Polkern 2 befestigt, während die
rechts dargestellte Lagerbuchse 13 in einem Justierteil 7 sitzt,
das sich koaxial um die Lagerbuchse 13 herumerstreckt und
mit einem Dichtring 15 gegen eine Innenwandung eines Flanschrohres 6 abgedichtet
ist.
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Der
Ankerkolben 9 stützt
sich an seiner linken und rechten Stirnseite jeweils über eine
Federeinrichtung 10 ab. Die Federeinrichtung 10 ist
im Ausführungsbeispiel
von 1 als schraubenförmige Druckfeder ausgebildet,
die die aus dem Ankerkolben 9 herausragenden Enden der
Ankerstange 8 teilweise umgibt. Die an der linken Stirnseite
des Ankerkolbens 9 vorgesehene Federeinrichtung 10 stützt sich
einerseits am Polkern 2 und andererseits an der rechten
Stirnseite des Ankerkolbens 9 ab. Die gegenüberliegende
Federeinrichtung 10 stützt
sich an der rechten Stirnseite des Ankerkolbens 9 einerseits
und andererseits an dem Justierteil 7 ab, über die
die Hublage des Ankerkolbens 9 einstellbar ist. Das Justierteil 7 ist über eine
Stellschraube 21 axial verschiebbar, wodurch die Hublage
des Ankerkolbens 9 sowie die Hublage des Ventilsitzes 5 exakt
vorjustierbar ist.
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Um
ein sicheres Sperren des Ventilsitzes 4 durch das Dichtelement 5 zu
gewährleisten,
mußte bisher
der Ankerkolben 9 mindestens so viel Kraft auf das Dichtelement 5 ausüben, daß dieses
gegen die Kraft des Druckmittels, also den Zulaufdruck P, in die Öffnung des
Ventilsitzes 4 gedrückt
wird. Der bei nicht druckausgeglichenen Magnetventilen hierfür notwendige
Strom mußte
bisher nachteiligerweise um so höher
eingestellt werden, je höher
der Zulaufdruck P am Ventilsitz war.
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Erfindungsgemäß wird dieser
Nachteil durch die Verwendung der auslenkbaren Membran 3 vermieden.
Bei höheren
Zulaufdrücken
P verschiebt sich der Ventilsitz 4 dank der feststehenden
Verbindung mit der Membran 3 in Richtung Anker 9,
so daß der
Hubweg für
ein sicheres Verschließen
der Öffnung 18 im
Ventilsitz 4 mit höheren
Zulaufdrücken
P verkürzt
wird.
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Wie
aus der Schnittansicht von 1 weiter ersichtlich,
wird das Dichtelement 5 in Dichtelementführungen 17 geführt. Diese
Dichtelementführungen 17 können beispielsweise
Führungsstege 17a sein, die
im Winkel von 90° zueinander
versetzt um das Dichtelement 5, hier die Dichtkugel, angeordnet
sind. Vorzugsweise weisen die Außenoberfläche des Dichtelementes 5 und
die Innenoberflächen
der Dichtelementführungen 17 eine
gute Oberflächengüte auf,
so daß das
Dichtelement 5 weitgehend reibungsfrei innerhalb der Dichtelementführung 17 geführt werden kann.
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In 2 ist
ein Diagramm dargestellt, das die Abhängigkeit des prozentualen Steuerdruckes
Pst an einer Meßblende bei verschiedenen Stromstärken I des
Stromes durch die Erregerspule 11 darstellt. Über das
Justierteil 7 von 1 ist das
Magnetventil in diesem Beispiel so justiert, daß bei einem Strom von I = 0
und einem Zulaufdruck P = 60 bar ein Steuerdruck Pst =
6,2 bar vor der Meßblende
d. h. an der Ablaufbohrung 20 ansteht. Der Strom I wurde
zur Aufnahme der Kennlinie bei einem Zulaufdruck von P = 60 bar
kontinuierlich auf 1,0 Ampere erhöht und die entsprechende Kennlinie
in das Kennlinienfeld eingetragen.
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In
einem zweiten Versuch wurde ähnlich
vorgegangen, allerdings betrug der Zulaufdruck P jetzt 100 bar.
In einem dritten Versuch wurde der Zulaufdruck P = 20 bar gewählt. Ergebnis
der Messung war, daß sich
der Kennlinienverlauf nahezu nicht änderte, dank der an der Stirnseite
sitzenden Membran 3, die feststehend mit dem Ventilsitz 4 verbunden
ist.
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Damit
ist gezeigt, daß der
prozentuale Steuerdruck Pst unabhängig vom
außen
anstehenden Zulaufdruck P des Druckmittels bei gleicher Bestromung
der Erregerspulen immer den gleichen prozentualen Wert des Pumpendrucks
aufweist.
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- 1
- Gehäuse
- 2
- Polkern
- 3
- Membrane
- 3a
- scheibenartiges
Teil
- 3b
- Kragen
- 3c
- Öffnung
- 4
- Ventilsitz
- 5
- Dichtkugel
- 6
- Flanschrohr
- 7
- Justiersitz
- 8
- Ankerstange
- 9
- Anker
- 10
- Druckfeder
- 11
- Spule
- 12
- Spulenkörer
- 13
- Lagerbuchse
- 14
- Dichtring
- 15
- Dichtring
- 16
- Spulenanschluß
- 17
- Dichtelementführung
- 17a
- Stege
- 18
- Öffnung
- 19
- Bohrung
- 20
- Ablaufbohrung
- 21
- Einstellschraube
- X
- Mittenachse