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GEBIET DER
ERFINDUNG
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Die
Erfindung betrifft allgemein elektrisch betätigte Steuerventile für die Abgasreinigungsanlage von
Kraftfahrzeugen und insbesondere Abgasrückführventile (AGR-Ventile) für Brennkraftmaschinen, die
als Antrieb für
Kraftfahrzeuge dienen.
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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Ein
Elektromagnet ist ein bekanntes elektrisches Stellglied für ein AGR-Ventil.
Der Elektromagnet umfasst eine elektromagnetische Spule und einen
Stator mit einem Luftspalt, in dem der magnetische Fluss auf einen
Anker einwirkt. Die Ankerbewegung wird auf ein Ventilglied übertragen,
damit ein Medium einen Durchgang des Ventils durchströmen kann.
Der Ankerbewegung wirkt eine Feder entgegen, die entweder direkt
oder über
das Ventilglied auf den Anker einwirkt, um den Anker in einer Richtung so
vorzuspannen, dass das Ventilglied den Durchgang schließt.
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Bei
einem linearen Magnetventil sollten die Verschiebung des Ankers
und auch des Ventilglieds, wenn dieses in exakter Entsprechung mit
dem Anker verschoben wird, theoretisch direkt proportional zum elektrischen
Strom durch die Spule des Elektromagneten sein. Mit anderen Worten,
eine Kurve in einem Diagramm, das die Verschiebung des Ankers über dem
elektrischen Strom für
ein derartiges Ventil darstellt, sollte im Nullpunkt des Diagramms
beginnen und sich von dort mit einer konstanten Steigung erstrecken.
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Üblicherweise
umfasst ein lineares AGR-Ventil einen Stator mit einem oberen Statorteil, das
an einem oberen Ende der Spule angeordnet ist, und mit einem unteren
Statorteil am unteren Ende der Spule. Diese beiden Teile weisen
jeweils zylindrische Wände
auf, die eine konisch und die andere nichtkonisch, die in die offene
Mitte der Spule hineinpassen und jeweils von entgegengesetzten Enden der
Spule aufeinander zulaufen. Die beieinander liegenden Enden der
beiden Wände
haben in dem offenen Inneren der Spule einen Abstand voneinander, und
aufgrund ihrer Bauform und ihrer Anordnung definieren sie einen
kreisförmigen
Luftspalt am Umfang des Ankers. Ein elektrischer Strom durch die
Spule erzeugt einen magnetischen Fluss, der von einer Wand durch
den Luftspalt zum Anker, durch den Anker und zurück durch den Luftspalt zur
anderen Wand verläuft.
Der Fluss bewirkt, dass auf den Anker eine magnetische Kraft ausgeübt wird,
und die axiale Komponente dieser Kraft verschiebt den Anker längs einer
Mittellinie des Elektromagneten in einer im Wesentlichen linearen
Beziehung zwischen Ankerverschiebung und Spulenstrom.
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Wenn
der Fluss durch das Ventil proportional zur Ankerverschiebung ist,
ist die funktionale Beziehung zwischen dem Durchfluss des Mediums
und dem elektrischem Spulenstrom ebenfalls im Wesentlichen linear.
Bei einem AGR-Ventil ist die Kenntnis der Beziehung zwischen Ankerverschiebung
und Spulenstrom für
eine Steuerstrategie, mittels der Abgas mit großer Genauigkeit in das Einlasssystem
des Motors eingeführt
wird, von grundlegender Bedeutung, und eine derartige Linearität erleichtert
das Umsetzen einer Steuerstrategie für einen bestimmten Motor.
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Aus
den verschiedensten Gründen,
beispielsweise bei kleinen Motoren und beim Einsatz mehrerer AGR-Ventile
bei einem Motor, versuchen einige Hersteller von Kraftfahrzeugen
die Größe von AGR-Ventilen
ohne Einbuße
bei der gewünschten Steuergenauigkeit
zu verringern.
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Die
vorliegende Erfindung ist eine Folge der Überlegungen des Erfinders im
Hinblick auf derartige kleinere Ventile. Insbesondere hat der Erfinder
beobachtet, dass solche Ventile aufgrund ihrer geringeren Masse
und ihrem weniger robusten inneren Mechanismus im Betrieb gegen äußere Störungen anfälliger sind.
Beispiele derartiger Störungen
sind: Pulsationen in dem Fluid, dessen Durchfluss gesteuert wird;
mechanische Vibrationen vom Betrieb des Fahrzeugs und vom Lauf des
Motors, der das Fahrzeug antreibt; und Instabilitäten bei
den Steuerstrategien für
ein Ventil.
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Solche
Störungen
können
so stark sein, dass sie sich auf die Mechanik des Ventils in einer
Weise auswirken, die der beabsichtigten Steuerstrategie zuwiderläuft. Infolgedessen
ist davon auszugehen, dass Verbesserungen am Elektromagneten, die
derartige Auswirkungen abschwächen
und Idealerweise beseitigen würden,
wünschenswert
sind, und daher ist die Erfindung auf die Erreichung dieses Ziels
gerichtet.
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Die
Patentanmeldung DE A-44 04 740 beschreibt ein einzelnes Magnetventil,
in dem ein geformter Ring zwischen einem Ende eines Ankers und einer
Anschlagoberfläche
bereitgestellt wird.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht daher darin, solche Verbesserungen
bereitzustellen, insbesondere für
lineare Elektromagnet-Stellglieder von AGR-Ventilen.
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Ein
allgemeiner Aspekt der Erfindung betrifft ein Abgasreinigungs-Steuerventil
zum Steuern des Durchflusses von Gasen im Hinblick auf die Brennkammer
einer Brennkraftmaschine. Das Ventil umfasst einen Ventilkörper, der
einen Durchgang mit einem Eingangskanal zum Einlassen von Gasen
und einen Ausgangskanal zum Abführen
von Gasen in die Brennkammer umfasst, und ein Ventilelement, das
selektiv so gestellt wird, dass es den Durchgang selektiv versperrt,
und einen Mechanismus zum selektiven Stellen des Ventilelements
aufweist. Der Mechanismus umfasst einen Elektromagneten mit einer elektromagnetischen
Spule, einem Stator, der der Spule zugeordnet ist und der einen
Magnetkreis aufweist, welcher einen Luftspalt zum Führen des
im Stator erzeugten magnetischen Flusses umfasst, wenn die Spule
von einem elektrischen Strom durchflossen wird, und einen Anker,
der in dem Luftspalt angeordnet ist und entlang einer gedachten
Mittellinie durch den Magnetfluss bewegt werden kann. Der Anker
wird innerhalb einer nichtmagnetischen Hülse geführt. Ein Dämpfungsring ist so angeordnet,
dass er zwischen dem Anker und der Hülse eine Dämpfung der Ankerbewegung innerhalb
der Hülse
bewirkt.
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Die
begleitenden Zeichnungen, die hier inbegriffen sind und einen Teil
dieser Beschreibung darstellen, enthalten eine oder mehrere derzeit
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung und dienen zusammen mit einer oben gegebenen allgemeinen und
einer nachfolgenden ausführlichen
Beschreibung der Darlegung der Grundgedanken der Erfindung gemäß einer
als die beste zur Ausführung
der Erfindung erachtete Ausführungsart.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine Draufsicht, im Wesentlichen als Schnittdarstellung, einer beispielhaften
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung, die ein elektrisches AGR-Ventil mit
einem Elektromagneten als Stellglied aufweist.
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2 ist
eine vergrößerte Ansicht
eines Teils von 1.
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3 ist
eine Draufsicht auf ein einzeln betrachtetes Teil des Ventils mit
Blick in Richtung der Pfeile 3-3 in 2.
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4 ist
eine Ansicht wie die in 3 in einer anderen Ausführungsart
des einen Teils.
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5 ist
eine Teilquerschnittdarstellung einer weiteren Ausführungsform.
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BESCHREIBUNG
DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM
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1 zeigt
ein Beispiel eines EAGR-Ventils 10, das eine Gehäuseanordnung 12 mit
einem Außengehäuse 14 mit
einem offenen oberen Ende umfasst, das von einer Kappe 16 verschlossen
ist. Das Außengehäuse 14 umfasst
des Weiteren eine flache Bodenwand 18, die oben auf einer
flachen oberen Oberfläche
an einer Basis 22 mit einem Abstandstück 25 zwischen diesen
aufgesetzt ist. Mit Hilfe von Befestigungselementen (nicht gezeigt)
ist das Außengehäuse an der
Basis befestigt. Die Basis 22 ist so ausgelegt, dass sie
auf einer Komponente der Brennkraftmaschine montiert werden kann,
die in der Zeichnung nicht gesondert gezeigt wird.
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Das
Ventil 10 umfasst einen Strömungsdurchgang 36,
der sich zwischen einem Eingangskanal 38 und einem Ausgangskanal 40 durch
die Basis 22 erstreckt. Wenn das Ventil 10 am
Motor befestigt ist, stellt der Eingangskanal 38 eine Verbindung
zu den Motorgasen dar, die aus den Motorzylindern ausgestoßen werden,
und der Ausgangskanal 40 stellt eine Verbindung mit dem
Eingangsstrom in die Zylinder dar.
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Ein
ringförmiges
Ventilsitzelement 42 mit einer Durchgangsbohrung befindet
sich im Durchgang 36, wobei sein äußerer Umfang dichtend an der Durchgangswand
anliegt. Ein einstückiges
Ventilglied 44 umfasst einen Ventilkopf 46 und
einen Ventilschaft 48, der sich koaxial vom Kopf 46 entlang
einer gedachten Mittellinie CL des Ventils erstreckt. Der Kopf 46 ist
so geformt, dass er mit dem Sitzelement 42 zusammenwirken
kann, um die Durchgangsbohrung in dem Sitzelement zu verschließen, wenn
sich das Ventil 10 wie in 1 gezeigt
in einer Schließposition
befindet.
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Das
Ventil 10 umfasst des Weiteren ein Lagerelement 50,
das im Wesentlichen ein kreisförmiges
zylindrisches Element mit einem kreisförmigen Flansch 52 ist,
damit es in einer Senkung an einem Ende eines Loches auf der Mittellinie
CL aufsitzen kann.
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Das
Element umschließt
den Schaft 48 eng und dient daher dazu, die Ventilbewegung
entlang der Mittellinie CL zu führen.
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Der
Schaft 48 erstreckt sich diametral verjüngt über das obere Ende des Lagerelements 50 hinaus,
wo ein Federführungselement 54 eingesetzt ist,
um einen Sitz für
ein axiales Ende einer Schraubenfeder 56 bereitzustellen.
Das Lagerelement 50 kann einen Werkstoff umfassen, der
einen gewissen Grad an Schmierfähigkeit
für eine
Führung
unter geringer Reibung des Ventilelements 44 längs der
Mittellinie CL aufweist. Das entgegengesetzte axiale Ende der Feder 56 sitzt
auf einer inneren Schulter eines unteren Polstücks 76 auf.
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Das
Ventil 10 umfasst weiterhin ein elektromagnetisches Stellglied 60,
bei dem es sich um einen Elektromagneten handelt, der innerhalb
des Außengehäuses 14 koaxial
zur Mittellinie CL angeordnet ist. Das Stellglied 60 umfasst
eine elektromagnetische Spule 62 und einen Spulenkörper 64 aus
einem Polymerwerkstoff. Der Spulenkörper 64 umfasst einen zentralen
rohrförmigen
Kern 66 und Flansche 68, 70 an entgegengesetzten
Enden des Kerns 66. Die Spule 62 umfasst einen
Draht einer bestimmten Länge, der
zwischen den Flanschen 68, 70 um den Kern 66 gewickelt
ist. Die entsprechenden Enden des Magnetspulendrahts sind zu jeweiligen
elektrischen Anschlüssen
zusammengeführt,
die sich nebeneinander auf dem Flansch 68 befinden, wobei
in 1 nur ein Anschluss 72 gezeigt ist.
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Das
Stellglied 60 umfasst in Verbindung mit der Spule 62 eine
Statorstruktur zur Bildung des Pfades eines Magnetkreises. Die Statorstruktur
umfasst ein oberes Polstück 74,
der an einem Ende des Stellglieds koaxial zur Mittellinie CL angeordnet
ist, und ein unteres Polstück 76 ist
am entgegengesetzten Ende des Stellglieds koaxial zur Mittellinie
CL angeordnet. Der Teil des Außengehäuses 14 zwischen den
Polstücken 74, 76 schließt die Statorstruktur
um die Spule und den Spulenkörper herum
ab. Die Kappe 16 umfasst einen äußeren Rand, der mittels eines Klemmrings 94 fest
gegen einen Rand 92 an dem ansonsten offenen Ende der Außengehäuseseitenwand
gedrückt
wird. Die Kappe wird gegen das Außengehäuse durch eine kreisförmige Dichtung 96 angedichtet.
Die Kappe 16 umfasst ein erstes Paar elektrischer Anschlüsse, von
denen lediglich der Anschluss 100 in 1 gezeigt
ist, die mit den Anschlüssen
auf dem Spulenkörperflansch 68 jeweils zusammenpassen.
Die Kappenanschlüsse
ragen aus dem Kappenwerkstoff heraus, wo sie von einer Einfassung 102 des
Kappenwerkstoffs begrenzt werden und eine Steckverbindung bilden,
die mit dem Steckelement eines Kabelbaums (nicht gezeigt) zusammenpasst,
damit das Stellglied an eine elektrische Steuerschaltung angeschlossen
werden kann.
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Die
Kappe 16 umfasst des Weiteren einen Aufsatz 104,
der einen Innenraum für
einen Lagesensor bereitstellt, der mehrere elektrische Anschlüsse umfasst,
von denen in der Abbildung nur ein Anschluss 106 gezeigt
ist, und die in die Einfassung hereinragen, um über die entsprechenden Anschlüsse am Kabelbaum
eine Verbindung des Sensors zu einem Schaltkreis herzustellen.
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Der
Aufbau des Ventils 10 ist so gestaltet, dass eine Leckage
zwischen dem Durchgang 36 und dem Luftzirkulationsraum 80 verhindert
wird. Der Ventilschaft 48 hat einen ausreichend dichten
Gleitsitz innerhalb des Lagerelements 50, so dass Leckagen
zwischen dem Durchgang 36 und dem Luftzirkulationsraum 80 nicht
auftreten können
und trotzdem eine Führung
des Schafts längs
der Mittellinie CL mit geringer Reibung möglich ist.
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Das
obere Polstück 74 ist
ein ferromagnetisches Teil, das eine zentrale, sich axial erstreckende Nabe 110 mit
zylindrischen Wänden
sowie einen kreisförmigen
radialen Flansch 112 an einem Ende der Nabe 110 aufweist.
Die Nabe 110 ist koaxial innerhalb des oberen Endes einer
kreisrunden Durchgangsbohrung im Spulenkörperkern 66 konzentrisch zur
Mittellinie CL angeordnet, und der Flansch 112 liegt an
dem Spulenkörperflansch 68 an,
wodurch der Spulenkörper 64 und
das obere Polstück 74 in
axialer und radialer Beziehung zueinander sind. Der Flansch 112 weist
für die
Anschlüsse 72 am
Spulenkörper
einen Schlitz auf.
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Das
untere Polstück 76 ist
ferromagnetisch und umfasst einen kreisförmigen Ring 118, der
ihn umgibt und in eine zentrale kegelförmige Nabe 114 passt,
die sich vom Ring 118 in die Spulenkörper-Kerndurchgangsbohrung
hinein erstreckt, aber nicht so weit bis zur Nabe 110 geht.
Eine kreisrunde Wellenfeder 120 ist zwischen dem Ring 118 und
dem Spulenkörperflansch 70 angeordnet
und sorgt dafür, dass
der Spulenkörperflansch 68 am
Flansch 112 anliegt, um eine differentielle thermische
Ausdehnung zu kompensieren.
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Das
Stellglied 60 umfasst ferner einen ferromagnetischen Anker 135,
der sich entlang der Mittellinie CL bewegen kann. Die Ankerbewegung
wird auf eine geeignete Weise geführt, z.B. durch ein zylindrisches
nicht ferromagnetisches Teil oder eine Hülse 126, die koaxial
in die Nabe 110 hineinpasst. Der Anker 135 wirkt
zur Bildung des Magnetkreises des Stellglieds 60 mit der
Statorstruktur zusammen.
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Der
Anker 135 umfasst eine kreisrunde, zylindrische äußere Wand 138 von
geeigneter radialer Wanddicke für
den magnetischen Fluss, den sie durchsetzt. Der Anker 135 hat
auf halbem Wege zwischen seinen entgegengesetzten Enden eine Querwand 140.
Die Feder 56 drückt
ein spitzes Ende des Federführungselements 54 gegen
eine Seite der Wand 140, während der Kolben des Positionssensors
im Aufsatz 104 gegen das entgegengesetzte Ende der Wand 140 gedrückt wird.
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1 zeigt
die geschlossene Position des Ventils 10, wobei eine Vorspannkraft
durch die Feder 56 aufgebracht wird, um den Ventilkopf 46 gegen
das Sitzelement 42 zu drücken, und den Durchgang 36 für den Medienfluss
zwischen den Eingang 38 und Ausgang 40 zu verschließen. Wenn
der Strom anfängt,
verstärkt
durch die Spule 62 zu laufen, übt der Magnetkreis eine zunehmende
Kraft aus und drückt den
Anker 135 wie in 1 gezeigt
nach unten. Wenn die Kraft groß genug
ist, die Vorspannkraft der Feder 154 zu überwinden,
beginnt der Anker 135, sich abwärts zu bewegen, das Ventilelement 44 bewegt
sich entsprechend, und das Ventil 10 öffnet und lässt einen Fluss durch den Durchgang 36 zwischen Eingang
und Ausgang passieren. Das Ausmaß der Ventilöffnung wird
durch den elektrischen Strom durch die Spule 62 gesteuert,
und durch die Verfolgung der Ventilbewegung kann der Positionssensor ein
für die
Ventilposition repräsentatives
Rückmeldesignal
und somit eine Angabe für
den Öffnungsgrad liefern.
Die eigentliche Steuerstrategie für das Ventil wird als Teil
der gesamten Motorsteuerstrategie bestimmt, die durch eine zugehörige elektronische
Motorsteuerung verkörpert
wird.
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Gemäß den Grundgedanken
der Erfindung wird für
das Stellglied 60 absichtlich eine Dämpfung eingeführt, um
die Ankerbewegung entlang der Mittellinie CL zu bedämpfen. Eine
erste Ausführungsform
ist in den 2 und 3 dargestellt,
und es sollte klar sein, dass diese Ausführungsform bei dem Maßstab von 1 nicht
ausreichend deutlich erscheint, sie aber in der Tat darin enthalten
ist. Die erste Ausführungsform
umfasst einen geteilten Ring 170, der in eine Umfangsnut 172 im
Anker 135 passt. 4 zeigt
eine zweite Ausführungsform
des geteilten Ringes. Die Außenkante
jedes Ringes ist im Wesentlichen kreisförmig. Der Unterschied zwischen den
beiden Darstellungen liegt im Wesentlichen in der Form der Innenkante.
Die Dicke ist gleich. Jeder Ring kann umfangsmäßig aufgeweitet werden, damit er über das
Ende des Ankers 135 passt und entlang dem Anker in Richtung
Nut 172 bewegt werden kann. Wenn der Ring die Nut erreicht,
wird er entspannt und zieht sich aufgrund seiner Elastizität zusammen
und liegt mit seiner Innenkante in der Nut. Die Außenkante
des geteilten Ringes ragt dann nach außen über den Außendurchmesser des Ankers hinweg.
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Der
Ring in 3 weist eine im Wesentlichen
kreisförmige,
gratfreie Innenkante auf. Das Selbstzentrieren des Rings in 4 auf
dem Anker erfolgt dadurch, dass die Innenkante drei im Wesentlichen
unter gleichen Winkeln beabstandete Flächenabschnitte 174 aufweist.
Die äußere Kante
des Ringes definiert einen Durchmesser, der um einen bestimmten
Betrag geringer ist als der innere Durchmesser der Hülse 126.
Je nach Ausführungsart
kann der Außendurchmesser
des Ringes 170 ohne Beeinträchtigung geringfügig größer als
der Innendurchmesser der Hülse
sein, wobei die Außenkante
in diesem Falle eine nach außen
gerichtete Kraft gegen die Hülsenwand
ausübt
und dadurch Reibung verursacht. Die durch eine solche Reibung auftretende Dämpfung der
Ankerbewegung kommt zu der pneumatischen Dämpfung, die durch das Vorhandensein des
Rings 170 im Spalt zwischen dem Anker und der Hülse entsteht,
hinzu. Geeignete Werkstoffe für
den geteilten Ring 170 sind Kunststoffe, z.B. Polytetrafluroethylen
(PTFE).
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5 zeigt
ein weiteres Beispiel, in dem der Ring 170 die Form einer
Schale mit einem in der Nut 172 aufsitzenden Rand hat.
Der Außenrand
bildet eine gebogene Lippe 176, die an der Hülsenwand
wischend entlang fahren kann.
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Der
Gesamtdämpfungsbetrag
ist eine Funktion verschiedener Faktoren, die zu den verschiedenen
Ausführungsformen
des Ringes 170 hinzukommen. Mit der Erfindung kann je nach
konstruktiven Ausführungsdetails
der Dämpfungsgrad
von vorwiegender Reibungsdämpfung
bis hin zu vorwiegender pneumatischer Dämpfung reichen. Das Ausmaß der auf
die Hülse
einwirkenden Kraft des geteilten Ringes ist bei der Reibungsdämpfung ein
Hauptfaktor. Die Luftmenge, die in den verschiedenen Hohlräumen eingeschlossen
ist, deren Volumen sich entsprechend der Ankerbewegung ändert, ist
ein Hauptfaktor bei der pneumatischen Dämpfung. Wenn die Ankerwand 140 nicht
perforiert ist, kann die Luft nicht durch sie hindurch, sondern
nur um den Anker herum durch den Spalt zwischen Anker und Hülse strömen, und
dies in einer Menge, die der Spalt eben zulässt.
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Die
Masse des Ankers, seine radiale Magnetkraft und Eigenschaften der
Feder 56 beeinflussen ebenfalls die Dämpfung. Die Eigenschaften des Ventilmechanismus,
z.B. die Größe des Ventilkopfes und
der Betrag des Kräfteausgleichs,
gehören
ebenfalls zu den Einflussfaktoren.
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Bei
den bestimmten Ausführungsformen,
die in den Zeichnungen dargestellt werden, wird ein einzelner geteilter
Ring verwendet. Bei diesen Ausführungsformen
weist die äußere zylindrische
Oberfläche
der Ankerwand 138 vorzugsweise Schmiereigenschaften auf,
um die Reibung mit der Innenwand der Hülse 126 so gering
wie möglich
zu halten. Andere Ausführungsformen,
die nicht gesondert dargestellt werden, umfassen zwei geteilte Ringe,
die entlang der Mittellinie CL axial voneinander beabstandet sind.
Das Zusammenwirken der beiden geteilten Ringe mit der Hülsenwand 126 sorgt
für eine
Führung des
Ankers.
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Im
Vorgehenden wurde zwar eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden
Erfindung beschrieben, es dürfte
jedoch klar sein, dass die erfinderischen Grundgedanken auf jede
Form Anwendung finden können,
die in den Umfangsbereich der nachfolgenden Ansprüche fallen.