DE19949757B4

DE19949757B4 - Elektro-hydraulischer Aktuator

Info

Publication number: DE19949757B4
Application number: DE19949757A
Authority: DE
Inventors: Wolfgang Runge; Markus Eisele; Jochen Fischer; Walter Kill; Gunter Philipp; Hubert Remmlinger
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 1999-10-15
Filing date: 1999-10-15
Publication date: 2009-09-24
Anticipated expiration: 2019-10-16
Also published as: DE19949757A1

Abstract

Elektro-hydraulischer Aktuator in Form eines Proportionalventils, Volumenstromventils oder Schaltventils zur Druckregelung insbesondere in einem Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge, mit einem Anker (4) und einem Ventilschieber (6), welche miteinander verbunden in einem Ventilgehäuse (8, 9) verschiebbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass
– der Anker (4) und der Ventilschieber (6) auf einem Rohr (1) verschiebbar gelagert sind, welches den Ankerraum des Ventilgehäuses (8, 9) mittig durchsetzt und eine einseitige axiale und eine radiale Lagerung in dem jochseitigen Ventilgehäuse (9) aufweist und
– der Anker (4) über eine als nicht magnetisches Rohr zur Kraftübertragung ausgestaltete Ankerstange (3) mit dem Ventilschieber (6) verbunden ist, welche das Rohr (1) umgibt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen elektro-hydraulischen Aktuator in Form eines Proportionalventils, Volumenstromventils oder eines Schaltventils, zur Druckregelung insbesondere in einem Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Elektromagnetisch betätigte Proportionalventile als Druckregelventile werden oftmals in Steuerungen für Kraftfahrzeug-Automatgetriebe, Baumaschinen, Regelanlagen mit hydraulischen Stelleinrichtungen, etc. verwendet. Sie bestehen in der Regel aus einem Ventilgehäuse mit einem Druckmittelanschluß, Abflußbohrungen und einem Abströmquerschnitt, der mit einem Schließkörper zusammenwirkt und den abströmenden Druckmittelstrom regelt. Der Schließkörper ist mit einer Ankerstange verbunden, auf dem ein Anker eines Elektromagneten sitzt. Die Ankerstange ist auf beiden Seiten des Ankers im Ventilgehäuse oder in einem Kern des Elektromagneten gelagert. Als Druckmittel wird üblicherweise Hydrauliköl oder Schmieröl verwendet. Der Ankerraum, in dem sich der Anker in axialer Richtung bewegt, ist mit Öl gefüllt. Wird der Elektromagnet betätigt, findet über die Lagerspalte ein Ölaustausch des Ankerraums statt.
Um ein besseres Kennlinienverhalten über die Lebensdauer zu erhalten und eine größere Anzahl von Schaltspielen zu ermöglichen, wurde bereits in der DE 197 16 185 der Anmelderin ein elektromagnetisch betätigbares Druckregelventil mit einer Spule vorgeschlagen, die einen auf einer Ankerstange befestigten Anker umgibt, der über Druckfedern in einer Gleichgewichtslage gehalten und durch Magnetkräfte verstellt wird. Ein mit der Ankerstange verbundener Schließkörper steuert einen Abströmquerschnitt; die Ankerstange ist neben dem Anker in einem Magnetkern bzw. dem Ventilgehäuse gelagert. Zur Lagerung der Ankerstange werden Gleitlager aus Oxidkeramik verwendet.
Es sind ferner elektromechanische Druckregler mit Dämpfungskammer bekannt geworden, welche die axiale Bewegung eines Ankers dämpfen, der von einer Magnetspule und einem Kern umgeben ist, die bei Stromzuführung ein Magnetfeld erzeugen, welches die Kraft zur Bewegung des Ankers aufbringt.
Bei diesen Druckreglern übt eine Drucksäule von zuströmendem Öl Kraft auf einen mit dem Anker fest oder lose verbundenen Stößel aus, wobei der Anker mit der Kraft aus dem elektromagnetischen Feld der Druckkraft der Öldrucksäule entgegenwirkt. Um die durch den Öldruck auf den Stößel ausgeübte Kraft auszugleichen, befindet sich in der Regel an dem Ende des Ankers, welches dem Stößel entgegengesetzt liegt, eine ölbefüllte Dämpfungskammer mit einer Justiereinrichtung. Da andererseits bei Aufbringen eines Magentfeldes relativ hohe Kräfte auf den Anker bzw. den Stößel entgegen der Öldrucksäule ausgeübt werden, ist der Anker bei den aus der Praxis bekannten Ausführungen üblicherweise in einem mit Öl befüllten Ankerraum gelagert, der sich zwischen zwei radialen Lagerungen des Ankers bzw. des Stößels befindet. Bei seiner Axialbewegung verrichtet der Anker Hubarbeit und verdrängt die im Ankerraum befindliche Ölmenge. Das Öl entweicht innerhalb des Ankerraumes entlang eines Spaltes am Umfang des Ankers und der Anker übt bei seiner Rückbewegung somit eine Art Pumpwirkung auf das im Ankerraum befindliche Öl aus. Entlang dem Stößel, der üblicherweise in einer öldurchlässigen Radialführung gelagert ist, ist ein ständiger Austausch der Ölmenge im Ankerraum mit dem Getriebeöl möglich.
Um eine bessere Dämpfung des Ankers zu ermöglichen für einen Druckregler für elektrohydraulische Getriebesteuerungen und damit eine Verringerung der Pumpwirkung des Ankers und des Schmutzeintrages in den Bereich des Magnetkreises wurde bereits in der deutschen Patentanmeldung DE 196 06 318 der Anmelderin ein Druckregler für elektrohydraulische Getriebesteuerungen vorgeschlagen, der sich insbesondere für Automatgetriebe in Kraftfahrzeugen und Baumaschinen eignet und der als Sitzdruckregler ausgestaltet ist, mit einer Magnetspule und einem Kern, die einen durch die Kraft eines Magnetfeldes axial verschieblichen Anker umgeben, wobei der Anker in einer vorderen und einer hinteren Lagerung gelagert ist; ein Stößel, der an einem Ende mit einer Stirnseite des Ankers im Bereich von dessen vorderem Lager fest verbindbar ist oder lose an dieses angrenzt, ist im Druckregler vorgesehen, wobei er an seinem anderen Ende in einem Schließteil für eine Öldurchflußbohrung gelagert ist. Der Stößel wird von einer Stößelführung umgeben und ist im ölbefüllten Ankerraum angeordnet, der von dem Anker in zwei Dämpfungsvolumina unterteilt ist, wobei eine ölbefüllte Dämpfungskammer zwischen einer Justiereinrichtung und der hinteren Lagerung des Ankers auf seiner dem Stößel abge wandten Seite ausgebildet ist. Das Schließteil weist einen größeren Durchmesser als der Stößel auf, wobei zwischen der vorderen Lagerung des Ankers und der Stößelführung ein mit Öl befüllter Dämpfungsraum ausgebildet ist, der über eine Entlastungsbohrung mit dem Ankerraum verbunden ist.
In der GB 1 597 016 sind mehrere Proportionalventile angegeben, welche jeweils einen Anker und einen Ventilschieber aufweisen, die miteinander verbunden in einem Ventilgehäuse verschiebbar gelagert sind. Die einstückig ausgeführte Anker/Ventilschieber-Einheit weist entlang ihrer gesamten Längsachse eine Bohrung auf. In Betrieb ist die Bohrung mit Hydraulikflüssigkeit gefüllt, wobei die gesamte mit der Bohrung versehene Anker/Ventilschieber-Einheit in Bewegung ist. Die Lagerung der Anker/Ventilschieber-Einheit erfolgt hierbei entlang der nahezu gesamten Einheit durch das Ventilgehäuse.
In der US 3,606,241 ist ein hydraulisch gedämpftes Magnetventil angegeben, welches einen in einem Ventilgehäuse angeordneten Anker aufweist, der kraftschlüssig bzw. mittels einer Feder in Wirkverbindung stehend mit einer rohrförmigen Welle verbunden ist, wobei die Welle den Ankerraum des Ventilgehäuses mittig durchsetzt. In Betrieb ist die Bohrung der Welle mit Gas gefüllt, wobei die gesamte Anker/Welle-Einheit in Bewegung ist. Die Lagerung der Anker/Welle-Einheit erfolgt hierbei an einem Ende der Welle durch das Gehäuse und am anderen Ende der Welle durch einen Magnetstopfen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen elektrisch betätigbaren hydraulischen Aktuator zu schaffen, der in Form eines Baukastens für unterschiedliche Ventilarten, wie Proportionaldruckregel-, Volumenstrom- und Schaltventile einsetzbar ist, mit einer identischen Grundkonstruktion für alle diese Ventiltypen, sodass der Aufwand für Werkzeugkosten erheblich reduziert werden kann bei gesteigerter Schmutzunempfindlichkeit und der in einem großen Druckbereich von ca. 0 bis 20 bar sich zur Direktsteuerung eignet.
Ausgehend von einem elektro-hydraulischen Aktuator der eingangs näher genannten Art erfolgt die Lösung dieser Aufgabe mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen; vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Erfindungsgemäß wird nun vorgesehen, dass der Anker und der Ventilschieber auf einem Rohr gelagert sind, das den Ankerraum mittig durchsetzt und sich bis in die Nähe des Sensors erstreckt, der in eine Öffnung, die im Ankerraum mündet in druckdichter Weise eingesetzt ist. Die Ankerstange besteht aus einem nicht magnetischen Rohr, das auf dem ersten Rohr für den Anker verschiebbar gelagert ist; die das Magnetfeld erzeugende elektrische Spule ist auf das Ventilgehäuse aufgesteckt.
Der erfindungsgemäß ausgestaltete elektro-hydraulische Aktuator weist einen einfachen und fertigungsgünstigen Aufbau auf, der unter Verwendung von Halbzeugen herstellbar ist und nur wenig Zerspanungsaufwand erfordert. Wegen großer Schmutzunempfindlichkeit und der Möglichkeit, einen Drucksensor zu integrieren, kann der Aktuator durch Verwendung eines Baukastensystems für unterschiedliche Einsatzzwecke ausgelegt sein, d. h. als direkt gesteuertes Schalt-, Volumenstrom-, und Proportionaldruckregelventil. Insbesondere Proportionalventile sind für die direkte Kupplungsbetätigung in Automatgetrieben erforderlich; ein Druckbereich von 0 bis 20 bar erlaubt z. B. auch einen großen Durchfluß an Hydrauliköl, z. B. für die Kupplungsbefüllvorgänge und Kupplungsentleervorgänge in Größenordnungen von 25 bis 40 l/min. Die Direktsteuerung ermöglicht eine Vereinfachung und Teilereduzierung durch Entfall der Vorsteuerung.
Es wurde festgestellt, dass ein erfindungsgemäß ausgestalteter elektro-hydraulischer Aktuator ein gutes Kennlinienverhalten aufweist, wobei die Druck-Strom-Kennlinie über den gesamten Regelbereich stetig ansteigt in einem Druckbereich von 0 bis 18 bar. Die direkte Druckrückführung durch das Lagerrohr für den Anker an den Drucksensor zeigt eine nahezu deckungsgleiche Arbeits- und Sensordruckkennlinie, sodass der Aktuator insbesondere für die direkte Kupplungsbetätigung in Automatgetrieben für Kraftfahrzeuge besonders geeignet ist. Auch für automatisierte Vorwärts-Rückwärts-Schaltungen oder PMS-Lenkgetriebe (Pulse Modulated Steering) sowie Trollingventile eignet sich der elektrohydraulische Aktuator mit der erfindungsgemäßen Ausgestaltung.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Zeichnung näher erläutert, in der ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel dargestellt ist.
In der einzigen Figur ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Aktuator dargestellt. Da derartig betätigbare hydraulische Aktuatoren dem Fachmann geläufig sind, sind nur die für das Verständnis der Erfindung notwendigen Bauteile bezeichnet und im folgenden beschrieben.
Mit 1 ist ein den Ankerraum mittig durchsetzendes langgestrecktes Rohr bezeichnet, das als Lagerung für den Anker 4 sowie den mit dem Anker 4 über eine Ankerstange verbundenen Ventilschieber 6 dient. Die Ankerstange ist hierbei als nicht-magnetisches Rohr 3 zur Kraftübertragung ausgestaltet, welches das Rohr 1 für die Lagerung von Anker und Ventilschieber umgibt.
Mit 2 ist eine das Magnetfeld erzeugende elektrische Spule bezeichnet, die auf das Ventilgehäuse 8, 9 aufsteckbar ist und je nach Einbauanforderung für Getriebeinnenanbau oder -außenanbau geeignet ist. Mit 5 ist eine Ringfläche zur Fixierung des hydraulisch betätigbaren Aktuators nach dem Einbau, beispielsweise in ein Automatgetriebe bezeichnet.
Der Ventilschieber 6 ist im Falle eines Proportionalventils ein gestufter Ventilschieber, im Falle eines Volumenstrom- bzw. Schaltventils jedoch ein nicht gestufter Ventilschieber.
Mit 7 ist ein Drucksensor bezeichnet, der in eine entsprechende Bohrung im Ventilgehäuse 9 in druckdichter Weise, beispielsweise mittels eines Adapters, eingesetzt ist; eine Druckrückführung zum Drucksensor 7 erfolgt durch das als Lagerung für den Anker und den Ventilschieber dienende Rohr 1.

1: Rohr
2: Spule
3: nicht magnetisches Rohr
4: Anker
5: Ringfläche
6: Ventilschieber
7: Drucksensor
8: Ventilgehäuse (kernseitig)
9: Ventilgehäuse (jochseitig)

Claims

Elektro-hydraulischer Aktuator in Form eines Proportionalventils, Volumenstromventils oder Schaltventils zur Druckregelung insbesondere in einem Automatgetriebe für Kraftfahrzeuge, mit einem Anker (4) und einem Ventilschieber (6), welche miteinander verbunden in einem Ventilgehäuse (8, 9) verschiebbar gelagert sind, dadurch gekennzeichnet, dass – der Anker (4) und der Ventilschieber (6) auf einem Rohr (1) verschiebbar gelagert sind, welches den Ankerraum des Ventilgehäuses (8, 9) mittig durchsetzt und eine einseitige axiale und eine radiale Lagerung in dem jochseitigen Ventilgehäuse (9) aufweist und – der Anker (4) über eine als nicht magnetisches Rohr zur Kraftübertragung ausgestaltete Ankerstange (3) mit dem Ventilschieber (6) verbunden ist, welche das Rohr (1) umgibt.
Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die das Magnetfeld erzeugende elektrische Spule (2) auf das Ventilgehäuse (8, 9) aufgesteckt ist.
Elektro-hydraulischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventilgehäuse (8, 9) Ringfläche (5) zur Fixierung des Aktuators im eingebauten Zustand aufweist.
Elektro-hydraulisch Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Ventilschieber (6) zum Erhalt eines Proportionalventils gestuft ist.
Elektro-hydraulischer Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Rohr (1) sich bis zu einer Bohrung im jochseitigen Ventilgehäuse (9) erstreckt, die in den Ankerraum mündet und in die ein Drucksensor (7) eingesetzt ist, wobei eine Druckrückführung durch das Rohr (1) zum Drucksensor (7) derart erfolgt, dass Arbeits- und Sensordruckkennlinien nahezu deckungsgleich sind.