DE2165637B2

DE2165637B2 - Elektromagnetisch betätigtes Ventil

Info

Publication number: DE2165637B2
Application number: DE2165637A
Authority: DE
Inventors: Raymond G. Clarendon Hills Du Page Ill. Reip (V.St.A.)
Original assignee: Singer Co
Current assignee: Singer Co
Priority date: 1971-05-07
Filing date: 1971-12-30
Publication date: 1975-03-06
Also published as: NL7117658A; JPS5214844B1; DE2165637A1; FR2137443B1; FR2137443A1; DE7149482U; ES398389A1; CA945977A; NO133379B; SE376468B; US3696837A; GB1327185A; IT943902B; DE2165637C3; NO133379C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einem aus magnetischem Werkstoff bestehenden rohrförmigen Gehäuse, welches an beiden Enden mit aus magnetischem Werkstoff bestehenden Teilen verschlossen ist, einer sich im Gehäuse gleichachsig zu diesem erstreckenden Spule, und mit einem innerhalb der Spule angeordneten bewegbaren zylindrischen Verschlußstück, welches bei Ansprechen auf Erregung und Entregung der Spule mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung stehende Öffnungen öffnet oder verschließt.

Bei bekannten Ventilen dieser Art (DT-AS 11 51 690, US-PS 29 64 286) wird das Verschlußstück entlang seiner Achse bewegt, die mit der Achse der Spule zusammenfällt. Bei solchen Ventilen besteht eine Reihe von Nachteilen, beispielsweise relativ langsame Arbeitsgeschwindigkeit zufolge langer Sättigungszeit der Spule und großer Änderungen der Reluktanz, kleine Arbeitskräfte zufolge begrenzter Flußdichte an der inneren Polfläche bzw. großem Leckfluß, und begrenzte Lebensdauer zufolge großer Trägheitskräfte, die an sehr kleinen Polflächenbereichen konzentriert sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Ventil der genannten Art so auszuführen, daß die geschilderten Nachteile der bekannten Ventile vermieden sind.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch, daß Magnetpolstücke an gegenüberliegenden Enden innerhalb der Spule angeordnet sind, um darin eine Kammer zu bestimmen, die Polstücke jeweils einen asymmetrischen Umfangsvorsprung aufweisen, die Vorsprünge innerhalb der Spule nahe beieinander angeordnet und durch einen nichtmagnetischen Teil axial getrennt sind, der zwei Einlaßöffnungen aufweist, die im Winkelabstand voneinander angeordnet sind und sich quer zur Achse der Spule in die Kammer öffnen, das zylindrische Verschlußstück so dimensioniert ist, daß es gleichzeitig mit seiner Mantelfläche mit den Vorsprüngen in Eingriff tritt und sich gegen die Einlaßöffnungen legt und daß derjenige Teil der Kammer, der

auf der von den Einlaßöffnungen entfernt liegenden Seite des VerschluBstücks liegt, mit einer Auslaßöffnung in Verbindung stehL

Die Anordnung von magnetischen und nichtmagnetischen Teilen ist bei einem der oben erläuterten bekannten Ventilen bekannt (US-PS 2 964 285).

Durch die Erfindung ist ein Ventil geschaffen, dessen Verschlußstück zufolge der besonderen Ausbildung der Polstücke bei Erregung quer zu seiner Achse und quer zur Achse der Spule bewegt wird, wodurch ein größerer Polflächenbereich und höhere Arbeitsgeschwindigkeit erhalten wird Weiterhin ist ein Ventilsitz größerer Fläche geschaffen, wodurch verringerter Verschleiß erzielt ist. Außerdem ergibt sich zufolge der besonderen Ausrichtung der Einlaßöffnungen und des Verschluß-Stücks eine Rückschlagventilwirkung.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in weiteren Ansprüchen unter Schutz gestellt.

Die Erfindung wird nachstehend an Hand der Zeichnungen beispielsweise erläutert

Es ist zu bemerken, daß in der nachstehenden Beschreibung mit der Bezeichnung »magnetisch« magnetisch permeables Material gemeint ist, während mit der Bezeichnung »nichtmagnetisch« magnetisch nichtpermeables Material gemeint ist _2ς

F ι g. 1 ist ein Schnitt nach Linie 1-1 der F i g. 2 eines Ventils gemäß der Erfindung,

F i g. 2 ist eine Stirnansicht des Ventils, gesehen entlang der Linie 2-2 der F i g. 1,

F i g. 3 ist ein Querschnitt nach Linie 3-3 der F i g. 1,

F i g. 4 ist ein Kräftediagramm des Ventils gemäß Fig.1.

Fig.5 ist ein Schema einer hydraulischen Anlage, bei der Ventile gemäß der Erfindung verwendet sind,

F i g. 6 zeigt eine Abwandlung einer Einzelheit des Ventils gemäß Fig. 1,

F i g. 7 ist ein Schnitt nach Linie 7-7 der F i g. 6,

F i g. 8 ist eine schaubildliche Ansicht eines bei dem Ventil gemäß F i g. 6 verwendeten Elementes.

Gemäß den F i g. 1 und 3 umfaßt ein elektromagnetisches Ventil gemäß der Erfindung ein magnetisches rohrförmiges Gehäuse 10, magnetische Stirnplatten 11 und 12, welche das Gehäuse 10 verschließen, eine in dem Gehäuse 10 zwischen den Stirnplatten 11 und 12 angeordnete Spule 13, ringförmige Magnetpolstücke 14 bzw. 15, die in der Spule 13 an den Stirnplatten 11 bzw. 12 angeordnet sind, einen nichtmagnetischen Teil 16, der zwischen den im Abstand voneinander befindlichen Polstücken 14 und 15 befestigt ist, und ein magnetisches Verschlußstück 17, das mit den Polstücken 14, 15 und dem Teil 16 zusammenarbeitet. Das Verschlußstück 17 ist in ausgezogenen Linien >n der geschlossenen Stellung und in unterbrochenen Linien in der offenen Stellung dargestellt

Die Spule 13 besteht aus Standardmagnetdraht 21, der auf eine zylindrische Spule 20 aus geeignetem Isoliermaterial gewickelt ist, welche an den Enden geflanscht ist. Eine Spule dieser Art ist bekannt. Die Spule bildet eine hohle mittlere Kammer, in der die Polstücke 14, 15, das Verschlußstück 17 und der Teil 16 angeordnet sind. Die Spule 13 ist relativ zu dem Gehäuse 10 gleichachsig angeordnet, und sie erstreckt sich zwischen den Stirnplatten II und 12.

Die beiden Polstücke 14 und 15 sind in der Spule 13 einander gegenüberliegend oder entgegengesetzt angeordnet, und sie sind allgemein ähnlich, mit der Ausnahme, daß in dem zweiten Polstück 15 Druckmitteldurchgänge gebildet sind. Das erste Polstück 14 ist als Zylinder gebildet mit einer sich durch ihn erstreckenden Bohrung 24 und mit einer im wesentlichen halbzylindrischen Verlängerung 25 an dem dem Verschlußstück 17 benachbarten Ende, für das Verschlußstück 17 einen halbzylindrischen Sitz 26 zu bilden, gegen den sich das eine Ende des Verschlußstücks 17 legt, wenn die Spule 13 sich in erregtem Zustand befindet In ähnlicher Weise ist das zweite Polstück 15 zylindrisch gestaltet, jedoch mit einer Blindbohrutig 28 gleichachsig damit versehen, die sich in Richtung gegen das Verschlußstück 17 öffnet Das Polstück 15 ist in ähnlicher Weise mit einer halbzylindrischen Verlängerung 29 versehen, die einen Sitz 30 bildet, gegen den sich das benachbarte Ende des Verschlußstückes 17 legt wenn die Spule 13 erregt ist

Wenn die Spule 13 ei regt ist bewegt sich das Verschlußstück 17 seitlich innerhalb der Spule 13, um den magnetischen Spalt zwischen den Polstücken 14 und 15 zu schließen und um die Einlaßöffnungen zu schließen. Um die Bewegung des Verschlußstückes 17 von den Polstücksitzen weg zu begrenzen, wenn die Spule 13 entregt ist, sind in den Bohrungen 24 und 28 Begrenzungsblöcke 31 und 32 vorgesehen, die mit Sackbohrungen oder senkrecht länglichen Schlitzen 33 und 34 versehen sind, um verkleinerte Verlängerungen 35 und 36 aufzunehmen, die sich von den gegenüberliegenden Enden des Verschlußstücks 17 erstrecken. Die Bohrungen oder Schlitze 33 und 34 sind etwas breiter als die verkleinerten Teile 35 und 36, um Bewegungsfreiheit für das Verschlußstück 17 zu schaffen, jedoch um die Bewegung des Verschlußstücks 17 von den Polstücksitzen und dem Teil 16 weg zu begrenzen. O-Ring-Dichtungen 37 und 38 verhindern ein Auslecken von Druckmittel.

Der nichtmagnetische Teil 16 hat im wesentlichen halbzylindrische Gestalt wie die Verlängerungen 25 und 29 an den Polstücken 14 und 15 und. wie aus F i g. 3 ersichtlich, ist er mit im Winkelabstand voneinander liegenden Einlaßöffnungen 40 und 41 versehen, die in Sitzen 4OA und 4M endigen, gegen welche sich das Verschlußstück 17 setzt, wenn es sich mit den Polsiücken 14 und 15 in Sitzlage befindet. Wenn demgemäß die Spule 13 erregt wird, nimmt das Verschlußstück 17 die in den F i g. 1 und 3 in ausgezogenen Linien wiedergegebene Stellung ein, so daß das Ventil als ein Absperrventil wirkt. Wenn die Spule 13 entregt ist, zu den Einlaßöffnungen keine Druckmittelzufuhr stattfindet und Druckmittel versucht, durch das Ventil zurückzufließen, drückt es außerdem das Verschlußstück 17 in die Sitzstellung hinein, so daß das Ventil als ein Rückschlagventil wirkt. Die Einlaßöffnungen 40 und 41, während sie sich im Winkel zueinander und entlang einer einzigen radialen Ebene erstrecken, erstrecken sich rechtwinklig zu der Achse des Verschlußstücks 17. Der Winkel, in welchem die öffnungen 40 und 41 sich relativ zueinander erstrecken, ist größer als 90° und kleiner als 180° und beträgt vorzugsweise etwa 120°.

Wie in F i g. 4 dargestellt, geht von den Einlaßöffnungen 40 und 41, wenn sie mit Druckmittel gespeist werden, eine Kraft F gegen das Verschlußstück 17 aus, die eine senkrechte Komponente Fv und eine waagerechte Komponente Fh aufweist. Die waagerechten Kraftkomponenten heben einander auf, so daß nur die senkrechten Komponenten das Verschlußstück 17 von den Einlaßöffnungen 40 und 41 wegdrücken, wenn die Spule 13 entregt wird. Da der Winkel A, der an den öffnungen auftretenden hydraulischen Kraft relativ zur Horizontalen etwa 30° betragen kann, haben die Kräf-

te. die der elektromagnetischen Schließkraft entgegenwirken, nur eine Größe, die etwa halb so groß ist, wie die Größe, welche sie haben würden, 'wenn nur eine einzige Einlaßöffnung gleichwertiger Strömungskapazität vorhanden wäre. Dieses Merkmal des Druckausgleichs ermöglicht, daß das Ventil gemäß der Erfindung größere Mengen hydraulischer Energie handhabt. Auf diese Weise wirken die hydraulischen Kräfte zufolge des Drucks an den Einlaßöffnungen 40 und 41, wenn diese geschlossen sind, oder die Strömungskräfte, wenn die öffnungen offen sind, gegen das Verschlußstück 17 auf dessen beiden Seiten in einem Winkel.

An den Einlaßöffnungen 40 und 41 sind kurze Durchgänge 45 und 46 vorgesehen, die sich zur Öffnungsachse rechtwinklig erstrecken und die mit ausgerichteten Durchgängen 47 und 48 verbunden sind, welche in dem Polstück 15 gebildet sind und welche ihrerseits mit öffnungen 49 und 50 in der Stirnplatte 12 in Verbindung stehen. Auf diese Weise ist ein Einlaß 51 für das Ventil gebildet, der an eine Druckmittelquelle angeschlossen werden kann.

Ein Auslaß 52 ist durch eine öffnung 53 in der Stirnplatte 12 gebildet die mit einem Durchgang 54 ausgerichtet ist, der in dem zweiten Polstück 15 gebildet ist und mit einer in der Spule 13 gebildeten Kammer 55 in Verbindung steht Der Druckmittelfluß durch das Ventil, wenn die Spule 13 entregt ist ist durch Pfeile dargestellt

Es ist ersichtlich, daß das Verschlußstück 17, wenn es sich in der Sitzsteilung befindet, über dem Spalt liegt, der zwischen den Polstücken 14 und 15 gebildet ist und daß es den magnetischen Kreis zwischen den Polstükken vervollständigt wobei der Weg des Magnetflusses in F i g. 1 durch eine unterbrochene Linie 60 dargestellt ist Die magnetische Zugkraft ist an die Enden des VerschliJlistücks 17 angelegt und schafft eine Magnetkraft mit einer 2:1- Übersetzung gegenüber der hydraulischen Kraft

Eine andere Ausführung der Anbringung des Verschlußstücks und der Bewegungsbegrenzung des Verschlußstücks ist in den F i g. 6 bis 8 dargestellt in denen das Verschlußstück mit 17/4 bezeichnet ist. Die Polstükke 14 und 15 und der Öffnungsabschnitt 16 sind denen gemäß F i g. 1 identisch. An dem einen Ende des Verschlußstücks 17Λ ist eine Kugel 64 vorgesehen, die in einer Fassung 65 eines Lagers 66 aufgenommen ist, welches durch die Sackbohrung 28 des Polstücks 15 gehalten ist Auf diese Weise ist das Verschlußstück 17Λ an dem dem Polstück 15 benachbarten Ende durch die Ausführung mit Kugel 64 und Fassung 65 schwenkbar angebracht

Von dem anderen Ende des Verschlußstücks 17/4 erstreckt such ein Vorsprung 67, der an seinem freien Ende in einem Flansch 68 endet Eine Hülse 69 aus federndem Kunststoff ist über dem Achsstummel 67 aufgenommen und auf diesem durch den Flansch 68 gehalten, so daß sie als Stoßdämpfer wirkt Ein kombinierter Anschlag- und Führungsarm 70, der an dem Polstück 14 angebracht ist, wirkt mit der federnden Hülse und dem VerschluBstück 17/4 zusammen, um Schwenkbewegung des Verschlußstücks von der Sitzstellung weg zu begrenzen und um irgendwelche seitliche Bewegung des Verschlußstücks UA zu verhindern.

Der Lagerarm 70, wie er in Fig.8 dargestellt ist umfaßt gegenüberliegende Halteflansche 71 und 72, die an im Abstand voneinander befindlichen waagerechten Verlängerungsflächen 25a und 256 befestigt sind, welche an der Verlängerung 25 gebildet sind. Senkrechte Wände 73 und 74 erstrecken sich von den Halteflanschen 71 und 72 nach oben, und sie sind an dem einen Ende mittels eines Querbandes 75 verbunden, das als Anschlag wirkt um mit dem Stoßdämpfer 69 zusammenzuwirken und Schwenkbewegung des Verschlußstücks 17/4 zu begrenzen. Der Stoßdämpfer 69 dämpft wenn er an den Anschlag 75 bzw. das Anschlagkissen

ίο auftrifft, das Verschlußstück 17/4 gegen unangemessene Stöße, wodurch dessen Lebensdauer verlängert wird.

Der Anschlag 75 erstreckt sich gemäß F i g. 8 von der Vorderkante nach hinten bis etwa zur Mitte der Längslänge der Wand 74, damit Spielraum für Aufwärtsbewegung des Verschlußstücks geschaffen ist. Die Hinterenden 73a und 74a der Wände 73 und 74 wirken als Führung für die Schwenkbewegung des Verschlußstücks 17/4 entlang eines geradlinigen Weges, wodurch seitliche Bewegung des Verschlußstücks 17/4 verhindert ist. Um Längsbewegung des Verschlußstücks 17/4 aus der Kugelfassung 65 heraus zu verhindern, ist ein sich senkrecht erstreckender Anschlag 76 an dem Lagerarm 70 vorgesehen, der sich von der Vorderkante des waagerechten Anschlags 75 nach unten erstreckt In F i g. 6 ist das Verschlußstück 17Λ in ausgezogenen Linien in der Sitzstellung bzw. in der geschlossenen Stellung und in unterbrochenen Linien nach Schwenkbewegung in seine offene Stellung dargestellt

Ein Beispiel der Verwendung des Ventils gemäß der Erfindung ist in F i g. 5 dargestellt und zwar bei der Steuerung eines doppeltwirkenden hydraulischen Zylinders 80. Ein Kolben 81 in dem Zylinder 80 gibt Et.-ergie über eine Kolbenstange 82 ab. Vier der kleinen Ventile gemäß der Erfindung, wie sie beispielsweise in F i g. 1 dargestellt sind, werden verwendet um die vollständige Steuerung des Zylinders zu erhalten. Diese Ventile sind mit 83, 84,85 und 86 bezeichnet Das Auslaßende des Ventils 83 und das Auslaßende des Ventils 85 sind mit dem Behälter 87 verbunden, während der Einlaß des Ventils 83 mit dem einen Ende des Zylindei s 80, und der Einlaß des Ventils 85 mit dem anderen Ende des Zylinders 80 verbunden ist Der Einlaß der Ventile 84 und 86 ist mit einer Pumpe 88 (P) verbunden, während der Auslaß des Ventils 84 mit dem einen Ende des Zylinders 80, und der Auslaß des Ventils 86 mit dem anderen Ende des Zylinders 70 verbunden ist Um im Betrieb den Kolben 81 in dem Zylinder 80 nach rechts zu bewegen, werden die Ventile 83 und 86 erregt und daher geschlossen, während die Ventile 84 und 85 entregt und daher offen sind. Um den Kolben 81 nach links zu bewegen, werden die Ventile 83 und 86 entregt und sind daher offen, während die Ventile 84 und 85 erregt und daher geschlossen sind. Um den hydraulischen Stromkreis vollständig zu schließen und abzusperren,

um den Kolben in irgendeiner besonderen Stellung zu halten, werden alle Ventile erregt und damit geschlossen.

Die Lebensdauer der oben beschriebenen Ventile ist größer als die Lebensdauer üblicher elektromagnetisch

betäügbarer Arbeitsmittelsteuerventile, weil die Pol· stücke an beiden Enden des Verschlußstücks eine große feste Räche bilden, um den Stoß der Schließkräfte zu absorbierea und das Verschlußstück selbst ist frei, sich zu drehen, so daß Abnutzung und Erosion über

eine große Fläche verteilt ist

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektromagnetisch betätigtes Ventil mit einem aus magnetischem Werkstoff bestehenden rohrförmigen Gehäuse, welches an beiden Enden mit aus magnetischem Werkstoff bestehenden Teilen verschlossen ist, einer sich im Gehäuse gleichachsig zu diesem erstreckenden Spule, und mit einem innerhalb der Spule angeordneten bewegbaren zylindrischen Verschlußstück, welches bei Ansprechen auf Erregung und Entregung der Spule mit dem Gehäuseinnenraum in Verbindung stehende öffnungen öffnet oder verschließt, dadurch gekennzeichnet, daß Magnetpolstücke (14, 15) an gegenüberliegenden Enden innerhalb der Spule (13) angeordnet sind, um darin eine Kammer (55) zu bestimmen, die Polstücke (14, 15) jeweils einen asymmetrischen Umfangsvorsprung (25 bzw. 29) aufweisen, die Vorsprünge (25,29) innerhalb der Spule (13) nahe beieinander angeordnet und durch einen nichtmagnetischen Teil (16) axial getrennt sind, der zwei Einlaßöffnungen (40, 41) aufweist, die im Winkelabstand voneinander angeordnet sind und sich quer zur Achse der Spule (13) in die Kammer (55) öffnen, das zylindrische Verschlußstück (17) so dimensioniert ist, daß es gleichzeitig mit seiner Mantelfläche mit den Vorsprüngen (25, 29) in Eingriff tritt und sich gegen die Einlaßöffnungen (40,41) legt und daß derjenige Teil der Kammer (55), der auf der von den Einlaßöffnungen (40, 41) entfernt liegenden Seite des Verschlußstücks (17) liegt, mit einer Auslaßöffnung (52) in Verbindung steht.

2. Ventil nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (40,41) in einer Ebene liegen und in einem Winkel zwischen 90° und 180" angeordnet sind.

3. Ventil nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Einlaßöffnungen (40, 41) in einem Winkel von 120° angeordnet sind.

4. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Auslaßöffnung (52) mit der den Einlaßöffnungen (40, 41) abgewandten Seite des Verschlußstückes (17) in Verbindung steht.

5. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Verschlußstück (17) bei Abdichtung gegen die Polstücke (14,15) und die Einlaßöffnungen (40, 41) mit der Spule (13) im wesentlichen gleichachsig ausgerichtet angeordnet sind.

6. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Polstücke (14,15) das Verschlußstück (17) jeweils teilweise umgebend angeordnet sind.

7. Ventil nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch eine Einrichtung (31, 32; 65, 75) zum Begrenzen der Wegbewegung des Verschlußstückes (17; 17A) von den Einlaßöffnungen (40,41).

8. Ventil nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Bewegungsbegrenzungseinrichtung zusammenwirkende Teile (31, 33, 35, 32, 34, 36) aufweist, die an den gegenüberliegenden Enden des Verschlußstückes (17) und an den Polstücken (14, 15) angeordnet sind.

9. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammenwirkenden Teile im Durchmesser verkleinerte Verlängerungen (35, 36) an den gegenüberliegenden Enden des Verschlußstücks

(17) aufweisen, die in Fassungen (33.34) in den Polstücken (14,15) frei aufgenommen angeordnet sind, und daß die Fassungen (33,34) größere Abmessungen als die Verlängerungen (35,36) haben.

10. Ventil nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet daß die zusammenwirkenden Teile eine Kugel-Buchsen-Verbindung (64, 65) zwischen einem Ende des Verschlußstücks (17.4) und dem dazugehörigen Polstück (15) und einem mit einem Anschlag (70) an dem anderen der Polstücke (14) zusammenwirkenden Vorsprung (67) an dem anderen Ende des Verschlußstücks (17A) zum Ermöglichen begrenzter Bewegungsfreiheit für den Vorsprung (67) aufweisen (F i g. 6).

11. Ventil nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Vorsprung (67) zum Dämpfen des Anschlages des Vorsprungs (67) gegen den Anschlag (70) eine federnde Einrichtung (69) angeordnet ist (F ig. 6).

12. Ventil nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung (73a, 74a) zum Führen der Bewegung des Verschlußstücks (17A) auf einem geradlinigen Weg von dem anderen Polstück weg an einem Ende des Verschlußstücks (17A) angeordnet ist (F i g. 8).