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Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil, insbesondere für sicherheitsrelevante Pneumatiksysteme in Kraftfahrzeugen, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, mit einem durch Bestromen einer elektrischen Wicklung axial innerhalb eines Innenkanals eines die Wicklung an einem Wicklungsabschnitt tragenden Spulenträgers relativ zu dem Spulenträger, einem Kern sowie einem Ventilsitz verstellbaren Anker. Ferner betrifft die Erfindung ein sicherheitsrelevantes Pneumatiksystem, insbesondere ein Pneumatik-Bremssystem für Kraftfahrzeuganwendungen, insbesondere für Nutzfahrzeuganwendungen, bevorzugt ein ABS- oder EBS-System gemäß Anspruch 16.
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Aus der
DE 93 000 39 U1 ist ein Elektromagnetventil bekannt, dessen verstellbarer Anker bei seiner axialen Verstellbewegung am Innenumfang eines Spulenträgers geführt ist. Die
DE 41 39 670 C2 zeigt ein alternatives Elektromagnetventil, bei dem eine derartige Ankerführung ebenfalls realisiert ist. Darüber hinaus zeigt die Druckschrift die einteilige Ausbildung des Ventilsitzes mit dem Spulenträger. Nachteilig bei dem bekannten Elektromagnetventil ist jedoch der notwendigerweise massive Anker, was ein hohes Gewicht und hohe Herstellungskosten verursacht. Die Dämpfung gegenüber dem Kern ist zudem aufwändig über einen im Anker platzierten Federstift realisiert. Die Dichtungsfunktion gegenüber dem Ventilsitz wird über ein axial von dem Federstift beabstandetes Dichtelement gelöst.
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Vorstehende Bauformen von Elektromagnetventilen haben sich nicht für sicherheitsrelevante Anwendungen, beispielsweise für ABS- oder EBS-Bremsventile in Nutzfahrzeug-Druckluftbremsen durchgesetzt, da deren Funktionstüchtigkeit nicht unter allen Einsatzbedingungen gewährleistet ist. So kann es im Extremfall, beispielsweise durch eine ungewollte Überbestromung zu einer Überhitzung der Wicklung (Spule) kommen, wodurch der Spulenträger seinen Innendurchmesser, der bei den bekannten Ausführungsformen das Führungsspiel zum Anker definiert, verringern, was die Gefahr von Ankerklemmern mit sich bringt. Dies ist darauf zurückzuführen, dass die Wicklung, die mit einem entsprechenden Wickelzug aufgebracht ist, dafür verantwortlich ist, dass der Kunststoff des Spulenträgers bei einer Erwärmung sich nicht oder nur in einem geringen Maß nach außen ausdehnt, sondern nach radial innen gezwungen wird, was zu der vorerwähnten, problematischen Verringerung des Spulenträgerinnendurchmessers führt.
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Aus der
DE 10 2005 039 640 A1 ist ein Elektromagnetventil für Pneumatiksysteme in Kraftfahrzeugen bekannt, das ein durch Bestromen einer elektrischen Wicklung innerhalb eines Innenkanals eines die Wicklung tragenden Spulenträgers relativ zu einem Kern sowie relativ zu einem ersten Ventilsitz verstellbaren Anker aufweist.
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In der
DE 10 2011 052 526 A1 der Anmelderin ist in
3 eine elektromagnetische Ventilvorrichtung gezeigt, bei welcher axial in den ausschließlich an seinem Außenumfang geführten Anker mit vergleichsweise großem Radialspiel nicht-elastomere Distanzmittel hineinragen, um mit einem elastomeren Dichtungselement zur Anschlagdämpfung zusammenzuwirken.
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Aus der
DE 102 48 125 A1 ist zudem eine elektromagnetische Stellvorrichtung beschrieben, bei der ein Anker mit einer Gleitbuchse verbunden ist und auf einem Dorn innenliegend schmierungsfrei geführt wird, wobei der Dorn in einem Kern der Stellvorrichtung zentriert befestigt ist. Hierdurch können Querkräfte und Reibungskräfte minimiert und somit die Lebensdauer erhöht und gleichzeitig die Größe des Ankers und daraus folgend die Größe der gesamten Stellvorrichtung reduziert werden.
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Die
US 2012 / 0 326 067 A1 lehrt weiterhin ein elektromagnetisches Ventil mit einem elektromagnetischen Kreis, das eine auf einen Spulenkörper gewickelte Spule, einen Kern, eine magnetische Rückholvorrichtung, ein Ventilschließelement, einen Führungsstift und einen Anker enthält, der im Wesentlichen hohl ist. Der Anker ist so montiert, dass er mit einer nach innen gerichteten Fläche auf dem Führungsstift beweglich ist. Der Anker wirkt zumindest indirekt auf das Ventilschließelement. Der Führungsstift besteht aus einer Fläche. Die Fläche ist so angeordnet, dass sie radial nach außen zeigt, so dass sie einen ersten, zum Kern hin gerichteten Teil und einen zweiten, zum Anker hin gerichteten Teil bildet. Der erste Teil ist so konfiguriert, dass er magnetisiert werden kann. Der zweite Teil ist so konfiguriert, dass er nicht magnetisiert wird. Zwischen dem ersten Teil und dem zweiten Teil wird eine Steuerkante gebildet.
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Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt der Erfindung daher die Aufgabe zugrunde, ein Elektromagnetventil mit einem zur Begrenzung der axialen Baulänge innerhalb eines Innenkanals eines Spulenträgeres verstellbaren Anker anzugeben, bei dem die Gefahr von Ankerklemmern minimiert wird, insbesondere um das Elektromagnetventil für sicherheitsrelevante Pneumatiksysteme in Kraftfahrzeugen, insbesondere in Nutzfahrzeugen einsetzen zu können. Ferner besteht die Aufgabe darin, ein sicherheitsrelevantes Pneumatiksystem, insbesondere ein Bremssystem mit mindestens einem solchen Elektromagnetventil anzugeben.
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Diese Aufgabe wird hinsichtlich des Elektromagnetventils mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, d.h. bei einem gattungsgemäßen Elektromagnetventil dadurch, dass in dem Anker ein Führungskanal ausgebildet ist, in den axial ein an dem Kern festgelegtes Führungsbauteil zum Führen des Ankers bei seiner axialen Verstellbewegung hineinragt. Hinsichtlich des sicherheitsrelevanten Pneumatiksystems wird die Aufgabe mit den Merkmalen des Anspruchs 16 gelöst.
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Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben. In den Rahmen der Erfindung fallen sämtliche Kombinationen aus zumindest zwei von in der Beschreibung, den Ansprüchen und/oder den Figuren offenbarten Merkmalen.
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Der Erfindung liegt der Gedanke zugrunde, zur Vermeidung von Ankerklemmern und zur gleichzeitigen, zumindest abschnittsweisen Aufnahme des bevorzugt als Hülsenstumpf oder Hülse ausgebildeten Ankers innerhalb eines Innenkanals des Spulenträgers den Anker nicht oder zumindest nicht ausschließlich wie im Stand der Technik an seinem Außenumfang zu führen, sondern stattdessen eine Ankerinnenführung zu realisieren, und zwar über ein am Kern festgelegtes, bevorzugt den Kern dabei unmittelbar kontaktierendes bzw. unmittelbar mit dem Kern verbundenes Führungsbauteil, an dessen Außenumfang der Anker mit einem einen Führungsdurchmesser aufweisenden Innenumfang (des Führungskanals) geführt ist. Dabei ist, wie ausgeführt, das Führungsbauteil zur Gewährleistung einer guten Achsparallelität an dem, bevorzugt abschnittsweise im Innenkanal des Spulenträgers (Wicklungsträgers) aufgenommenen Kern festgelegt und erstreckt sich axial innerhalb eines die Wicklung tragenden Wicklungsabschnittes des Spulenträgers, wobei das Führungsbauteil bevorzugt den Spulenträger axial durchsetzt. Anders ausgedrückt ist erfindungsgemäß innerhalb des Ankers ein Führungskanal (Führungsöffnung) ausgebildet, dessen Innenumfang mit dem Außenumfang eines am Kern fixierten, insbesondere wie später noch erläutert werden wird, in eine Kernvertiefung eingepressten, Führungsbauteils ein Führungsspiel begrenzt, um den Anker mittels des Führungsbauteils an seinen Innenumfang zu führen, entweder zusätzlich zu einer Führung des Ankers an seinem Außenumfang oder bevorzugt alternativ hierzu ohne zusätzliche Ankeraußenführung, d.h. ausschließlich mittels des Führungsbauteils. Anders ausgedrückt ist es besonders bevorzugt, wenn der Anker ausschließlich an seinem Innenumfang über das Führungsbauteil geführt ist, welches den Anker mit einem radial innerhalb des Wicklungsabschnittes des Spulenträgers befindlichen Führungsabschnitt führt. Hierdurch ist es möglich, den Radialspalt (Luftspalt) zwischen dem Ankeraußendurchmesser und Innenkanaldurchmesser zu vergrößern, so dass selbst bei einer Verringerung des Innenkanaldurchmessers, in Folge einer Überhitzung, keine Gefahr eines Ankerklemmers besteht. Der Führungskanal selbst befindet sich dabei ausreichend radial beabstandet von dem kritischen Heißbereich der Wicklung, insbesondere auch beabstandet über den Anker selbst, so dass eine mögliche temperaturbedingte Ausdehnung des Außendurchmessers des Führungsbauteils vergleichsweise gering ausfällt, mit der Folge, dass das Führungsspiel zwischen dem Außendurchmesser des Führungsbauteils und dem Innenumfang des Ankers wesentlich geringer ausgelegt werden kann. Dies wiederum beeinflusst vorteilhaft den tribologischen Verschleiß und garantiert somit bei gleichzeitig minimierter Gefahr von Ankerklemmern die Lebensdauer des nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Elektromagnetventils, was dieses für den Einsatz in sicherheitsrelevanten KFZ-Pneumatik-Systemen prädestiniert.
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Im Gegensatz zu einer alternativ realisierbaren Konfiguration, bei der eine Ankerführung einteilig mit dem Spulenträger ausgebildet ist, hat die erfindungsgemäße Lösung, bei der Spulenträger und Führungsbauteil als voneinander separate, bzw. eigenständige Bauteile ausgeführt sind den Vorteil, dass die Bauteile hinsichtlich ihrer jeweiligen Funktion materialoptimiert werden können und nicht zwingend aus demselben Material ausgestaltet sein müssen. So kann, wie später noch erläutert werden wird, beispielsweise das Spulenträgermaterial zur Erfüllung entsprechender Festigkeitsanforderungen Glasfaserbeimischungen enthalten, während das Führungsbauteil keine Glasfaserbeimischung enthält oder bevorzugt zumindest einen geringeren Gewichtsprozentanteil an Glasfasern als das Spulenträgermaterial, um zu verhindern oder den Effekt zumindest zu minimieren, dass sich randseitig überstehende Glasfasern negativ auf das Reibungsverhalten zwischen Anker und Führungsdom auswirken. Insbesondere bei einem hohen Glasfasergewichtsanteil ist mit einer abrasiven Wirkung im Führungsbereich zwischen Anker und Führungsbauteil zu rechnen, was sich über die Laufzeit negativ auf eine Leckagemenge auswirken kann. Ganz allgemein kann durch die erfindungsgemäße, separate Ausbildung von Spulenträger und Führungsbauteil das Führungsbauteilmaterial hinsichtlich verbesserter tribologischer und möglichst geringer abrasiver Eigenschaften optimiert werden, während das Spulenträgermaterial insbesondere im Hinblick auf erhöhte Festigkeitsanforderungen optimiert werden kann. Auch kann durch eine entsprechende Materialoptimierung zur Ausbildung des Führungsbauteils in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil auf eine reibminimierende Ankerbeschichtung, insbesondere eine PTFE-Beschichtung verzichtet werden.
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Durch die feste Positionierung des Führungsbauteils am, insbesondere im Kern und einer bevorzugt gleichzeitigen festen Fixierung des Kerns an einem dem Spulenträger umschließenden und fest relativ zu diesem positionierten Gehäuse sowie durch die bevorzugt abschnittsweise Aufnahme des Kernes im Spulenträgerinnenkanal kann eine ausreichend gute Achsparallelität zwischen Spulenträger, Führungsbauteil und Anker umgesetzt werden, insbesondere bei einer besonders bevorzugten, später noch zu erläuternden Ausführungsform, bei der das Führungsbauteil durch Einpressen in eine, bevorzugt als Sacklochöffnung ausgebildete, bevorzugt zentrische Vertiefung im Kern eingepresst ist.
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Als vorteilhaft hat es sich herausgestellt, wenn das Führungsbauteil zumindest in einem im Führungskanal (Führungsöffnung) des Ankers aufgenommenen Führungsabschnitt stangenförmig ausgestaltet ist, insbesondere mit einer kreiszylinderstangenförmigen Konturierung. Besonders zweckmäßig, insbesondere im Hinblick auf eine später noch zu erläuternde Fixierung des Führungsbauteils in einer Kernvertiefung durch Einpressen, ist es bevorzugt, wenn das Führungsbauteil insgesamt, d.h. axial durchgehend stangenförmig ausgebildet ist, besonders bevorzugt in Form eines eine kreisförmige Grundfläche aufweisenden Zylinders.
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Wie vorstehend bereits erläutert, können das Führungsbauteil und der Spulenträger aus unterschiedlichen Materialien zum Erfüllen unterschiedlicher Anforderungen ausgestaltet sein. Für den bevorzugten Fall der Ausbildung des Spulenträgers aus Kunststoff, insbesondere durch die Realisierung eines Kunststoffspritzgussteils ist es von Vorteil, wenn es sich um einen glasfaserverstärkten Kunststoff handelt. Für den bevorzugten Fall, dass das Führungsbauteil ebenfalls aus Kunststoff ausgebildet werden soll ist es von Vorteil, wenn hier das zur Anwendung kommende Material keine Glasfaserbeimischung enthält oder zumindest einen, bevorzugt um mindestens 10%, geringeren Gewichtsprozentanteil an Glasfasern als der Kunststoff des Spulenträgers.
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Für den Fall der Ausbildung des Führungsbauteils aus Kunststoff ist es bevorzugt, wenn dem Führungsbauteilmaterial reibungsminimierende Beimischungen, insbesondere PTFE beigemischt sind. Auch ist es möglich - unabhängig von der konkreten Ausbildung des Spulenträgers - das Führungsbauteil aus Metall, insbesondere aus einer Messinglegierung auszubilden. Das Metall sollte so gewählt sein, dass es den funktionsbedingt bei einem erfindungsgemäßen Elektromagnetventil auftretenden magnetischen Fluss nicht oder zumindest schlecht leitet. Durch die Realisierung eines Metall-Führungsbauteils können noch exaktere Rundheitsanforderungen erfüllt werden.
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Im Hinblick auf die konkrete Realisierung der festen Verbindung zwischen dem Führungsbauteil und dem Kern, ist es bevorzugt in dem Kern eine, bevorzugt als Sacklochöffnung ausgebildete, noch weiter bevorzugt gestufte, Vertiefung vorzusehen und das, bevorzugt stabförmige Führungsbauteil durch Einpressen in diese Vertiefung am Kern zu fixieren. Anders ausgedrückt ist zwischen dem Innenumfang der vorgenannten Vertiefung und einem Fixierabschnitt des Führungsbauteils eine Presspassung ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Führungsbauteil ausschließlich durch Einpressen in die Vertiefung, d.h. durch das Realisieren einer Presspassung am Kern festgelegt, wobei, wie im Folgenden noch erläutert werden wird, zusätzlich oder alternativ andere (zusätzliche oder alternative) Befestigungsmaßnahmen umsetzbar sind. Zusätzlich oder alternativ zur Realisierung einer Presspassung zwischen dem Führungsbauteil und der Kernvertiefung ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, das Führungsbauteil durch Verkleben mit dem Kern an diesem festzulegen. Auch ist es (zusätzlich oder alternativ) möglich das Führungsbauteil am Kern festzulegen, d.h. fest zu diesem zu positionieren, in dem das Führungsbauteil, insbesondere axial gegen den Kern federkraftbeaufschlagt wird bzw. ist, insbesondere mit einer bevorzugt vorgesehenen Rückstellfeder für den Anker, die den Anker von dem Kern axial weg federkaftbeaufschlagt. Bevorzugt weist das Führungsbauteil hierzu eine Ringschulter auf, an der sich die vorzugsweise als Rückstellfeder dienende Anpressfeder zum Anpressen des Führungsbauteils an den Kern abstützen kann. Bevorzugt stützt sich das Führungsbauteil mittels dieser Ringschulter axial an dem Kern ab. Die Ringschulter, d. h. der Umfangsbund des Führungsbauteils, an dem sich bevorzugt eine entsprechende Feder abstützt, liegt hierzu bevorzugt auf einer Ringschulter einer dann bevorzugt als gestufte Vertiefung, insbesondere Stufenbohrung ausgebildeten Vertiefung im Kern auf bzw. stützt sich dort axial ab.
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Das Festlegen des Führungsbauteils durch Einpressen in die Vertiefung oder das Federkraftbeaufschlagen des Führungsbauteils gegen den Kern oder das Verkleben des Führungsbauteils mit dem Kern, insbesondere innerhalb einer Vertiefung des Kerns können, wie erwähnt, einzeln, d.h. jeweils ohne eine der anderen Maßnahmen realisiert werden oder in beliebiger Kombination.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn für den Fall der Realisierung einer Klebelösung das Führungsbauteil zusätzlich in einer Vertiefung des Kerns aufgenommen ist, wobei dann hier nicht zwingend eine Presspassung realisiert werden muss. Auch ist es bevorzugt, wenn das Führungsbauteil für den Fall der Realisierung der vorgenannter Feder-Lösung in eine Vertiefung im Kern hineinragt bzw. abschnittsweise darin aufgenommen ist, wobei auch hier dann nicht zwingend eine Presspassung vorgesehen sein muss, bei Bedarf jedoch vorgesehen sein kann.
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Im bevorzugten Fall der Ausbildung der Vertiefung als gestufte Vertiefung, kann in Weiterbildung der Erfindung in einem dem Anker zugewandten, verbreiterten Vertiefungsabschnitt abschnittsweise eine Rückstellfeder aufgenommen werden, um den Anker in Richtung Ventilsitz federkraftzubeaufschlagen. In einem hinteren, einen geringeren Durchmesser aufweisenden Vertiefungsabschnitt kann dann in bevorzugter Weise eine Presspassung zu dem Führungsbauteil realisiert werden. Bevorzugt dient die Rückstellfeder zusätzlich als Anpressfeder zum Anpressen des Führungsbauteils an den Kern, um das Führungsbauteil auf diese Weise an dem Kern festzulegen, d.h. fest zu diesem zu positionieren. Bei einer solchen Ausführungsform kann zusätzlich eine Verklebung und/oder eine Verpressung mit der Kernvertiefung vorgesehen werden.
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Bevorzugt ist der Anker am Führungsbauteil über mindestens die Hälfte seiner Ankeraxialerstreckung geführt. Bei Bedarf kann der Anker bei einer axialen Verstellbewegung zusätzlich zu der realisierten Ankerinnenführung an seinem Außenumfang am Spulenträger geführt sein, bevorzugt, zumindest abschnittsweise, weiter bevorzugt vollständig axial außerhalb des Wicklungsabschnittes.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn das radiale Führungsspiel zwischen dem Außenumfang des Führungsdoms und dem Innenumfang des Ankers kleiner ist als ein Radialspiel zwischen dem Außenumfang des Ankers und Rohres, um in soweit ein im Hinblick auf eine minimierte Ankerklemmneigung optimiertes Ventil zu erhalten. Bevorzugt ist das Führungsspiel (Radialspiel) zwischen dem Innenumfang des Ankers und dem Außenumfang des Führungsdoms aus einem Wertebereich zwischen 0,01mm und 0,1mm (entspricht einer Durchmesserdifferenz zwischen dem Innendurchmesser des Ankers und dem Außendurchmesser des Führungsdoms zwischen 0,02mm und 0,2mm) gewählt. Bevorzugt ist eine minimale Spaltbreite (Radialspiel) zwischen dem Außenumfang des Ankers und dem Innenumfang des Rohres größer als das vorgenannte Radialspiel, bevorzugt größer als 0,15mm, noch weiter bevorzugt größer als 0,2mm.
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Grundsätzlich ist es möglich, dass der Anker unmittelbar mit dem Ventilsitz zusammenwirkt - besonders bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform bei der die Dichtfunktion über ein Dichtelement realisiert ist, weiter bevorzugt über ein Elastomerteil, wobei noch weiter bevorzugt das Dichtelement formschlüssig am Anker festgelegt ist, bevorzugt, indem das Dichtelement in einer im Anker ausgebildeten Ringnut oder einer radialen Vertiefung gehalten ist, insbesondere den im Bereich eines den Ventilsitz zugewandten axialen Ankerendbereichs, um somit axial mit dem Ventilsitz zusammenwirken zu können. Der Ventilsitz befindet sich bevorzugt auf einer vom Kern abgewandten Axialseite des Kerns. Durch eine vorteilhafte, weiterbildungsgemäße formschlüssige Verbindung zwischen dem Dichtelement und dem Anker kann auf die sonst üblichen Haftvermittler verzichtet werden. Insbesondere dann, wenn dem Dichtelement, bevorzugt auf der Kernseite, gleichzeitig die Funktion einer Anschlagdämpfung zukommt, sorgt dies für eine Minimierung von Schaltgeräuschen sowie eine Verschleißminimierung durch Vermeidung von metallisch harten Anschlägen und damit einer Steigerung der Lebensdauer. Es ist besonders bevorzugt, wenn der Ventilsitz an einem einstückig mit dem Spulenträger ausgebildeten Ventilsitzabschnitt des Spulenträgers ausgebildet ist. Bevorzugt befindet sich der Ventilsitz dabei axial beabstandet, d.h. außerhalb des Wicklungsabschnittes des Spulenträgers.
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Besonders bevorzugt ist eine Ausführungsform, bei der das Dichtelement mit seiner dem Ventilsitz zugewandten Axialseite dichtend in einer entsprechenden Schaltstellung mit dem Ventilsitz zusammenwirkt und in einer anderen, in Richtung Kern verstellten Schaltstellung mit dem Führungsbauteil, insbesondere einem axialfreien Ende des, bevorzugt stabförmigen, Führungsbauteils. Bei einer solchen, im Folgenden noch zu erläuternden Ausführungsform kommt dem Dichtelement eine Doppelfunktion zu.
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So wirkt das Dichtelement, insbesondere wenn dieses als Elastomerteil ausgebildet ist, zu beiden axialen Seiten hin als, vorzugsweise einziges, aus einem Elastomermaterial ausgebildetes Endanschlag-Dämpfungselement, so dass auf die im Stand der Technik gezeigte, aufwändige Federstiftkonstruktion verzichtet wird und hat darüber hinaus eine Dichtfunktion zur Abdichtung des Ventilsitzes. Diese vorteilhafte Ausführung des Elektromagnetventils ist insbesondere dann einfach realisierbar, wenn das Führungsbauteil axial bis radial innerhalb des Wicklungsabschnittes in den Anker hineinragt, wodurch die jeweiligen Wechselwirkungsflächen zur Wechselwirkung mit dem Ventilsitz und dem Kern näher zusammenrücken als im Stand der Technik. Hierdurch ist es konstruktiv vorteilhaft möglich, vorstehend erläuterte Doppelfunktion eines Dichtelementes zu realisieren.
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Wollte man eine Einstückigkeit von Dichtung und Dämpfung bei dem aus der
DE 41 39 670 C2 bekannten Ventil realisieren, so wäre dies nur äußerst aufwändig mittels Elastomer-Durchvulkanisierung durch den Anker oder Montage eines sehr langen Elastomerbauteils im Anker möglich. In diesem Fall würde die Länge dieses einstückigen Elastomerteils in der Größenordnung der Ankerlänge liegen und durch den elastomertypischen Ausdehnungskoeffizienten zwischen etwa 130 und 185 × 10
-6mm/K typischerweise mehrere zehntel Millimeter Temperaturausdehnung zeigen, insbesondere im typischen Temperatureinsatzbereich für Kraftfahrzeuge zwischen etwa -40°C und 125°C zzgl. Eigenerwärmung. Diese Ausdehnung müsste im Ankerhub vorgehalten werden, wobei jedoch eine größere Ankerhub-Auslegung bei gleicher Schließkraft eine Überdimensionierung des Magneten mit einem größeren Eisen- und Kupferanteil im Flusskreis erfordert und somit neben einem erhöhten Bauraumbedarf zu erhöhten Herstellungskosten führen würde.
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Besonders bevorzugt ist es, wenn die Axialerstreckung des dann sowohl mit dem Führungsbauteil als auch mit dem gegenüberliegenden Ventilsitz wechselwirkenden Dichtelementes deutlich geringer ist als die Axialerstreckung des Ankers. Bevorzugt beträgt die Axialerstreckung des Dichtelementes weniger als 50%, noch weiter bevorzugt weniger als 40%, ganz besonders bevorzugt weniger als 30% der Axialerstreckung des Ankers. Ganz besonders bevorzugt ist die Axialerstreckung des eine Doppelfunktion erfüllenden Dichtelementes aus einem Wertebereich zwischen etwa 10% und 30%, noch weiter bevorzugt zwischen etwa 15% und 25% der axialen Ankerlänge gewählt. Für den Fall, dass dem Dichtelement die zuvor im Detail beschriebene Doppelfunktion vorkommt, wird bevorzugt auf ein von dem Dichtelement separates Hubendlagendämpfungselement zur Wechselwirkung mit dem Kern und/oder dem Führungsbauteil verzichtet. Alternativ ist es möglich, insbesondere auf einem von dem Dichtelement abgewandten Bereich, insbesondere kernseitigen Endbereich des Ankers ein, bevorzugt als Elastomerteil ausgebildetes Hubendlagendämpfungselement vorzusehen, welches besonders bevorzugt radial benachbart zum Führungsbauteil unmittelbar mit dem Kern zu Zwecken der Anschlagdämpfung in Wechselwirkung tritt.
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Um bei einem axialen Verstellen des Ankers relativ zu dem Führungsbauteil für einen Druckausgleich Sorge zu tragen, ist es bevorzugt, wenn ein Ankerinnenraum, der einends von dem am Anker festgelegten Dichtelement und anderenends von dem Führungsbauteil begrenzt ist, fluidleitend mit einem Fluidraum radial benachbart zum Ventilsitz und/oder ein Arbeitsanschluss des Elastomermagnetventils zu verbinden. Bevorzugt liegt in diesem Fluidraum das Druckniveau eines Arbeitsanschlusses des Elektromagnetventils an, während innerhalb des Ventilsitzes bevorzugt ein Versorgungsanschlussdruck anliegt.
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Ein weiterer wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Elektromagnetventils besteht darin, dass der Anker im Vergleich zu einer Vollmateriallösung deutlich gewichtsreduziert ist. Grundsätzlich ist es möglich den zumindest abschnittsweise hülsen- bzw. hülsenstumpfförmigen Anker als Drehteil auszubilden, wobei eine kostengünstige Fertigung durch Sintern oder Kaltfließpressen, jedenfalls als formgebundenes Bauteil bevorzugt ist. Die resultierende Gewichtsreduzierung ist auch für die magnetische Auslegung, u.a. den Kupferanteil der Wicklung von Vorteil, da bei gleicher Vibrationssicherheit eine vorzugsweise vorgesehene, weiter bevorzugt axial zwischen Kern und Anker aufgenommene, Rückstellfeder, gegen deren Federkraft der Anker bei Bestromung der Wicklung axial verstellbar ist, schwächer ausgelegt werden kann, als bei einem vergleichbaren Vollmaterialanker.
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In Weiterbildung der Erfindung ist mit Vorteil vorgesehen, dass das Führungsbauteil sich weit axial innerhalb des Innenkanals erstreckt. Besonders bevorzugt ist es, wenn das Führungsbauteil axial über mindestens ein Viertel der Axialerstreckung der Wicklung bzw. des Wicklungsabschnittes in den Wicklungsabschnitt hineinragt, ganz besonders bevorzugt über mindestens ein Drittel der Axialerstreckung des Wicklungsabschnittes, noch weiter bevorzugt, zumindest näherungsweise um die hälftige Axialerstreckung des Wicklungsabschnittes, so dass ein minimale axiale Baulänge bei guter Funktionalität und bauraumoptimierter Anbringung des Kerns, bevorzugt innerhalb des Spulenträgers möglich ist. Auch ist eine Ausführungsform realisierbar, bei der das Führungsbauteil den Wicklungsabschnitt axial vollständig durchsetzt.
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Besonders zweckmäßig ist es, wie eingangs bereits angedeutet, wenn der Kern zumindest abschnittsweise innerhalb des Spulenträgers angeordnet ist, um eine gute Achsparallelität des am Kern festgelegten Führungsbauteils zu gewährleisten. Ganz besonders bevorzugt ist dabei eine Ausführungsform, bei der der Kern gegenüber dem Spulenträger in radialer Richtung, insbesondere über eine am Außenumfang des Kerns vorgesehene Ringdichtung und/oder über eine am Innenumfang des Spulenträgers vorgesehene Ringdichtung abgedichtet ist, um einen Druckluftaustritt in axialer Richtung in einem Bereich zwischen Spulenträger und Kern zu vermeiden.
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Besonders zweckmäßig ist es, wenn der Arbeitshub des Ankers durch axiales Verstellen und anschließendes Sichern des Kerns, insbesondere durch Verstemmen eines den Spulenträger axial überragenden Kernabschnittes mit einem metallischen, den magnetischen Fluss leitenden, vorzugsweise als Ventilgehäuse ausgebildeten, Flussleitblechs, einstellbar und/oder eingestellt ist. Hierdurch kann eine optimierte Energieeffizienz des elektromagnetischen Antriebs realisiert werden. Darüber hinaus ist eine derartige Montage bei gegebenen Toleranzen gut beherrschbar.
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Das nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete Ventil lässt sich bevorzugt als im bestromten Zustand der Wicklung geschlossenes Ventil, insbesondere 2/2-Wegeventil ausgestalten, wobei in diesem Fall die Rückstellfeder den Anker bevorzugt in Richtung Kern federkraftbeaufschlagt.
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Die Erfindung führt auch auf ein sicherheitsrelevantes Pneumatiksystem, insbesondere ein (Pneumatik-) Bremssystem für Kraftfahrzeuganwendungen, bevorzugt für Nutzfahrzeuganwendungen. Ganz besonders bevorzugt handelt es sich bei dem sicherheitsrelevanten System um ABS- oder EBS-Bremssystem, bei welchem ein nach dem Konzept der Erfindung ausgebildetes Elektromagnetventil eingesetzt wird, das besonders bevorzugt die Funktion eines ABS-Bremsventils oder eines EBS-Bremsventils übernimmt. Durch das robuste Konstruktionsprinzip ist die Eignung für derartige sicherheitsrelevante elektromagnetische Ventile in sicherheitsrelevanten Pneumatiksystemen gegeben. Unabhängig davon ist das nach dem Konzept der Erfindung ausgebildete, bevorzugt als Pneumatikventil ausgebildete Ventil auch für andere, nicht zwingend fahrzeugspezifische und/oder sicherheitsrelevante Anwendungen einsetzbar.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen:
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Diese zeigen in:
- 1: eine geschnittene Darstellung eines als im unbestromten Zustand geschlossenen 2/2-Wegeventils, und
- 2 eine geschnittene Darstellung eines als im unbestromten Zustand geschlossenen 2/2-Wegeventils in einer alternativen Ausführung mit axial gegen den Kern federkraftbeaufschlagtem Führungselement.
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In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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In 1 ist eine Bauform eines nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten Elektromagnetventils als 2/2-Wegeventil in in Nullstellung geschlossener Ausführung gezeigt. Zu erkennen ist ein aus Kunststoff ausgebildeter Spulenträger 1, der in einem axialen Wicklungsabschnitt eine bestrombare Wicklung 2 trägt. Die Bestromung der Wicklung 2 erfolgt über einen Kontaktpin 3. Der Spulenträger 1 ist bevorzugt als Kunststoffspritzgussteil aus einem Kunststoffmaterial mit Glasfaserbeimischung ausgebildet.
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Innerhalb des Spulenträgers 1 ist ein von diesem begrenzter, als Durchgangskanal verwirklichter Innenkanal 4 mit einem Innenumfang 5 ausgebildet. Innerhalb des Innenkanals 4 ist ein hülsenförmiger Anker 6 aufgenommen, der mit einem Führungskanal 8 versehen ist, der auf der vom Kern 7 abgewandten Seite offen ist. Durch Bestromen der Wicklung 2 ist der Anker 6 innerhalb des Innenkanals 4 des Spulenträgers 1 axial verstellbar, hier in der Zeichnungsebene nach oben in Richtung Kern 7. Zur Rückstellung des Ankers 6 bei Nichtbestromung der Wicklung 2 ist eine Rückstellfeder 9 vorgesehen, die sich einenends am Kern 7 und anderenends am Anker 6 abstützt.
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Zu erkennen ist, dass der Spulenträger 1 von einem den magnetischen Fluss leitenden, metallischen Gehäuse 10 umschlossen ist, so dass der magnetische Fluss innerhalb des Kerns 7 in axialer Richtung von dem Anker 6 weg dann radial nach außen in das Gehäuse 10, dann wieder axial innerhalb des Gehäuses 10 an der Wicklung 2 vorbei in der Zeichnungsebene nach unten und wieder innerhalb des Gehäuses 10 nach radial innen fließen kann, über einen von dem Spulenträger 1 und einem Radialspalt 11 gebildeten Luftspalt in den Anker 6 und in diesem in axialer Richtung zum Kern 7, wobei der magnetische Fluss dabei einen zwischen Anker 6 und Kern 7 gebildeten Luftspalt 12 überbrücken muss. Dem Gehäuse 10 kommt gleichzeitig eine Jochscheibenfunktion zu.
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Zur Führung des Ankers 6 ist ein hier beispielhaft als Kunststoffspritzgussteil ohne Glasfaserbeimischung oder alternativ als Metallteil, beispielsweise aus einer Messinglegierung ausgebildetes Führungsbauteil 13 vorgesehen, an dem ein Führungsabschnitt 14 ausgebildet ist.
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Das Führungsbauteil 13 ist mit seinem Führungsabschnitt 14 axial in den Führungskanal 8 (Führungsöffnung) des Ankers 6 hineingeführt und überragt dabei den Wicklungsabschnitt des Spulenträgers in Richtung Ventilsitz. Zwischen dem Führungsbauteil 13, genauer dessen Führungsabschnitt 14 und dem Innenumfang des Führungskanals 8 ist ein Führungsspalt 15 ausgebildet, der deutlich geringer bemessen ist als der Radialspalt 11 zwischen dem Innenumfang des Innenkanals 4 und dem Außenumfang des Ankers 6, so dass der Anker 6 ausschließlich an seinem Innenumfang, nicht jedoch am Innenumfang des Innenkanals 4 geführt ist.
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Innerhalb des Kerns 7 ist eine gestufte, in Richtung Anker 6 offene, als Sacklochöffnung ausgebildete Vertiefung 16 eingebracht, in die das in dem Ausführungsbeispiel axial durchgehend stangenförmige und kreiszylinderförmig konturierte Führungsbauteil 13 mit einem endseitigen Fixierabschnitt 17 eingepresst ist. Eine entsprechende Presspassung ist zwischen dem Außenumfang des Fixierabschnitts und dem Innenumfang der Vertiefung 16, genauer eines durchmesserreduzierten vom Ventilsitz abgewandten Abschnittes der Vertiefung 16 ausgebildet.
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Zu erkennen ist, dass sich die Feder 9 in einem verbreiteten Vertiefungsabschnitt aufgenommen ist und sich dort axial an einer Ringschulter abstützt. Die Rückstellfeder 9 ist axial durchsetzt von dem Führungsbauteil 13.
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Bei unbestromter Wicklung 2 wirkt der Anker 6, genauer ein formschlüssig am Anker 6 festgelegtes, hier elastomeres Dichtelement 18, welches in einer Innenumfangsnut 19 (Ringnut) im Anker 6 aufgenommen bzw. formschlüssig gehalten ist mit einem Ventilsitz 20 zusammen. In Richtung auf diesen ersten Ventilsitz 20 wird der Anker 6 mittels der bereits erwähnten Rückstellfeder 9 kraftbeaufschlagt. Der Ventilsitz 20 ist dabei an einem Ventilsitzabschnitt 21 ausgebildet, der einstückig mit dem Spulenträger 1 ausgebildet ist. In dem Ventilsitzabschnitt 21 findet sich auch ein Versorgungskanal 28, der den Ventilsitz 20 mit einem Versorgungsanschluss P fluidleitend verbindet.
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Am Kern 7 kann sich der Anker gemäß der dargestellten Ausführungsform mit einem zusätzlich zu dem Dichtelement 18 vorgesehenen Hubendlagendämpfungselement 22 axial abstützen, welches von dem Führungsbauteil 13 durchsetzt ist und welches ebenfalls in einer Innenumfangsnut des Ankers axial beabstandet zu dem Dichtelement 18 fixiert ist. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der auf das Hubendlagendämpfungselement 22 verzichtet wird und stattdessen die Dämpfungsfunktion bei entsprechender Dimensionierungsanpassung, insbesondere Verlängerung des Führungsbauteils 13, von dem Dichtelement 18 übernommen wird, welches insoweit mit seiner von dem Ventilsitz 20 abgewandten axialen Stirnseite endanschlagsdämpfende mit der freien Stirnseite des Führungsbauteils 13 zusammenwirken kann.
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Bei geöffnetem Ventilsitz 20, d.h. bei bestromter Wicklung 2 kann Druckluft über einen ersten, als Zentralkanal ausgebildeten Fluidkanal, hier den Versorgungskanal 28 in einen Bereich radial benachbart des Ventilsitzes 20 strömen und von dort aus über einen zweiten Fluidkanal 26 axial zurück in Richtung Arbeitsanschluss A. Zu erkennen ist, dass ein axial von dem Führungsbauteil 13 und dem Dichtelement 18 sowie umfangsseitig von dem Anker 6 begrenzter Ankerinnenraum 27 über einen Axialkanal 29 fluidleitend verbunden ist mit dem Bereich radial benachbart des Ventilsitzes 20, d.h. mit dem zweiten Fluidkanal 26 bzw. dem Versorgungsanschluss A, um somit bei einer Verstellung des Ankers relativ zu dem Führungsbauteil 13 das veränderliche Volumen des Ankerinnenraums 27 mit Fluid, insbesondere Luft, ausgleichen zu können.
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Selbstverständlich kann das Elektromagnetventil auch in entgegengesetzter Richtung durchströmt werden (dann ändern sich die Anschlussbezeichnungen entsprechend).
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In Einbaulage ist der Versorgungsanschluss P gegenüber dem Arbeitsanschluss A über eine O-Ringdichtung 23 abgedichtet, die sich axial an einer Ringschulter 24 des Ventilsitzabschnitts 21 abstützt. Gegenüber der Umgebung wird der Versorgungsanschluss P abgedichtet über eine weitere O-Ringdichtung 25, die sich am Systemträger axial abstützt.
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Der Aufbau der alternativen Ausführungsform eines Elektromagnetventils gemäß 2 entspricht im Wesentlichem den Aufbau gemäß 4, so dass zur Vermeidung von Wiederholungen im Folgenden im Wesentlichen nur auf die Unterschiede zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 eingegangen wird. Im Hinblick auf die Gemeinsamkeiten wird auf vorstehende Figurenbeschreibung sowie auf 1 verwiesen.
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Zu erkennen ist, dass im Unterschied zu dem Ausführungsbeispiel gemäß 2 das Führungsbauteil 13 eine Ringschulter 30 (Bund bzw. Umfangsbund) aufweist, an welchem sich axial die Rückstellfeder 9 abstützt, welche somit die Ringschulter 30 und damit das Führungsbauteil 13 gegen den Kern 7 axial federkraftbeaufschlagt und auf diese Weise festlegt. Bei Bedarf kann die Federkraftbeaufschlagung des Führungsbauteils 13 die einzige axiale Befestigung des Führungsbauteils am Kern sein. Bei Bedarf kann zusätzlich eine Verklebung des Führungsbauteils 13 am Kern 7 realisiert sein und/oder die Realisierung einer Presspassung zwischen dem Fixierabschnitt 17 und dem Kern 7.
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Auch ist es möglich, bei dem Ausführungsbeispiel gemäß 1 die Realisierung einer Presspassung mit einem Verkleben zu kombinieren oder alternativ auf die Realisierung einer Presspassung zu verzichten und das Führungsbauteil ausschließlich durch Verkleben am Kern festzulegen, wobei generell es bevorzugt ist, wenn bei einer Verklebelösung und/oder einer Anpresskraftlösung das Führungsbauteil 13 in einer, insbesondere als Sacklochbohrung ausgeführten Vertiefung im Kern aufgenommen ist. Es kann, muss jedoch dann nicht zwingend eine Presspassung realisiert werden, da die eigentliche Fixierung dann bevorzugt mit Hilfe eines geeigneten Klebers bzw. mittels der Anpressfeder erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Spulenträger
- 2
- Wicklung
- 3
- Kontaktpin
- 4
- Innenkanal
- 5
- Innenumfang
- 6
- Anker
- 7
- Kern
- 8
- Führungskanal
- 9
- Rückstellfeder
- 10
- Gehäuse
- 11
- Radialspiel
- 12
- Luftspalt
- 13
- Führungsbauteil
- 14
- Führungsabschnitt
- 15
- Führungsspalt
- 16
- Vertiefung
- 17
- Fixierabschnitt
- 18
- Dichtelement
- 19
- Innenumfangsnut
- 20
- Ventilsitz
- 21
- Ventilsitzabschnitt des Spulenträgers
- 22
- Hubendlagendämpfungselement
- 23
- O-Ringdichtung
- 24
- Ringschulter
- 25
- O-Ringdichtung
- 26
- zweiter Fluidkanal
- 27
- Ankerinnenraum
- 28
- Versorgungskanal
- 29
- Axialkanal
- 30
- Ringschulter
- A
- Arbeitsanschluss
- P
- Versorgungsanschluss