Betätigungselement einer elektromagnetischen Stelleinheit eines Hydraulikventils

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Betätigungselement einer elektromagnetischen Stelleinheit eines Hydraulikventils, das zumindest eine Anker, der in der Stelleinheit längsverschiebbar angeordnet ist, und eine fest mit dem Anker verbundene Stößelstange aufweist und ein Verfahren zur Herstellung eines Betätigungselements.

Derartige Wegeventile werden in Brennkraftmaschinen beispielsweise zur Ansteuerung von hydraulischen Nockenwellenverstellern oder schaltbaren Nockenfolgern eingesetzt. Die Wegeventile bestehen aus einer elektromagnetischen Stelleinheit und einem Hydraulikabschnitt. An dem Hydraulikabschnitt sind zumindest ein Zulaufanschluss, mindestens ein Arbeitsanschluss und ein Tankanschluss ausgebildet. Mittels der elektromagnetischen Stelleinheit können gezielt bestimmte Anschlüsse des Hydraulikabschnitts hydraulisch miteinander verbunden und somit die Druckmittelströme gelenkt werden.

Für den Einsatz eines Wegeventils zur Steuerung eines Nockenwellenvers- tellers ist das Hydraulikventil im Normalfall als 4/3-Proportionalwegeventil ausgebildet. Ein derartiges Proportionalventil ist beispielsweise in der DE 199 56 160 offenbart. In dieser Ausführungsform ist die elektromagnetische Stelleinheit fest mit dem Ventilabschnitt verbunden. Die elektromagnetische Stell- einheit setzt sich in diesem Fall aus einem ersten Magnetjoch, einer Spule, einem zweiten Magnetjoch, einem Gehäuse, einem Betätigungselement und einem Anschlusselement, welches eine elektrische Steckverbindung auf- nimmt, die zur Stromversorgung der Spule dient, zusammen. Das Betätigungselement besteht aus einem Anker und einer Stößelstange.

Der Hydraulikabschnitt besteht aus einem Ventilgehäuse und einem darin axi- al verschiebbar angeordneten Steuerkolben. Das Ventilgehäuse ist innerhalb einer Aufnahmeöffnung des zweiten Magnetjochs angeordnet und ortsfest mit diesem verbunden. An der Außenmantelfläche des Ventilgehäuses sind vier Ringnuten ausgebildet, welche als Druckmittelanschlüsse dienen. In den Nutgründen der Ringnuten sind Öffnungen ausgebildet, wodurch Druckmittel in das Innere des Ventilgehäuses gelangen kann. Im Inneren des Ventilgehäuses ist ein Steuerkolben axial verschiebbar angeordnet, wobei der Außendurchmesser des Steuerkolbens dem Innendurchmesser des Ventilgehäuses angepasst ist. Des Weiteren sind am Steuerkolben ebenfalls Ringnuten ausgebildet, über welche benachbarte Druckmittelanschlüsse miteinander ver- bunden werden können.

Die Spule, das erste und das zweite Magnetjoch sind innerhalb des Gehäuses der elektromagnetischen Stelleinheit koaxial zueinander angeordnet. Das erste und das zweite Magnetjoch sind dabei in axialer Richtung zueinander versetzt. In dem Bereich zwischen dem ersten und dem zweiten Magnetjoch befindet sich radial innerhalb der Magnetjoche der Anker, wobei dieser in radialer Richtung von der Spule umgeben ist. Der Anker, das Gehäuse, das erste und das zweite Magnetjoch bilden einen Flusspfad für die magnetischen Flusslinien, welche durch Bestromen der Spule hervorgerufen werden.

Durch Bestromen der Spule wird der Anker in Richtung des zweiten Magnetjochs gedrängt, wobei diese Bewegung mittels der am Anker angebrachten Stößelstange auf den Steuerkolben übertragen wird. Dieser wird nun gegen eine sich am Ventilgehäuse abstützende Feder in axialer Richtung bewegt. Die Stößelstange ist in einer Aufnahme des Ankers angeordnet und fest mit diesem verbunden. Dies ist dadurch realisiert, dass die Stößelstange mit Übermaß zu der Aufnahme hergestellt und in diese eingepresst ist, so dass eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange entsteht. Somit bilden der Anker und die Stößelstange ein Betätigungsele- ment aus, welches durch Bestromen der Spule in axialer Richtung verschoben werden kann und den Steuerkolben des Hydraulikabschnitts betätigt, d.h. innerhalb des Ventilgehäuses des Hydraulikabschnitts positioniert.

Ein weiteres derartiges Wegeventil ist in der DE 10 2006 031 517 A1 offenbart. In dieser Ausführungsform ist der Hydraulikabschnitt separat zu der elektromagnetischen Stelleinheit ausgeführt und in einem Hohlraum einer Nockenwelle aufgenommen, wobei der Hydraulikabschnitt während des Betriebs der Brennkraftmaschine mit der Nockenwelle rotiert. Die Stelleinheit ist ortsfest an einem Zylinderkopfdeckel oder Zylinderkopf befestigt. Die Positionierung erfolgt wiederum durch ein Betätigungselement, welches einen Anker und einer mit diesem verbundenen Stößelstange umfasst. Dabei wird die Stellbewegung des Ankers mittels der Stößelstange, die in eine Aufnahme des Ankers eingepresst ist, auf den Steuerkolben des Ventilabschnitts übertragen.

Wegeventile zur Ansteuerung von schaltbaren Nockenfolgern sind meist als Schaltventile ausgebildet. Ein derartiges Schaltventil ist, in einer Ausführung als 3/2-Schaltventil, beispielsweise aus der DE 102 52 431 A1 bekannt. Die elektromagnetische Stelleinheit besteht wiederum aus einem Gehäuse, einem Betätigungselement, bestehend aus einem Anker und einer Stößelstange, einem Anschlusselement, einem ersten und einem zweiten Magnetjoch. Die Funktion und die Ausbildung der elektromagnetischen Stelleinheit sind in wei- ten Teilen analog zu der des Proportionalventils.

An dem Hydraulikabschnitt sind in diesem Fall ein Zulaufanschluss, ein Ar- beitsanschluss und ein Tankanschluss ausgebildet. Der Arbeitsanschluss kommuniziert über jeweils eine als Ventilsitz ausgebildete Öffnung sowohl mit dem Zulauf- als auch mit dem Tankanschluss. Innerhalb des Ventilgehäuses ist weiterhin ein Steuerkolben angeordnet, an welchem zwei Schließelemente ausgebildet sind. Jedes Schließelement kann, abhängig von der Position des Steuerkolbens innerhalb des Ventilgehäuses, den Druckmittelfluss durch ei- nen der Ventilsitze sperren oder freigeben. Abhängig von der axialen Position des Steuerkolbens kann so der Arbeitsanschluss selektiv mit dem Zulaufan- schluss oder mit dem Tankanschluss verbunden werden. Die axiale Lage des Steuerkolbens wird dabei wiederum über die axiale Position des Betätigungs- elements relativ zum zweiten Magnetjoch festgelegt.

In der DE 100 51 614 A1 ist eine weitere elektromagnetische Stelleinheit eines Proportionalventils offenbart. Dabei ist innerhalb eines Magnetjochs eine Ankerführungshülse angeordnet, in welcher ein Betätigungselement, beste- hend aus einem Anker und einer Stößelstange, axial verschiebbar aufgenommen ist. Die Ankerführungshülse ist topfförmig mit einem Boden und einem zylindrischen Abschnitt mit einer zylindrischen Innenmantelfläche ausgebildet. Die zylindrische Innenmantelfläche dient zur Führung des Ankers, wobei der Boden den axialen Weg des Ankers in eine axiale Richtung begrenzt. Die Reibung zwischen dem Anker und der Ankerführungshülse hat maßgeblichen Einfluss auf die Kenndaten des Hydraulikventils, vor allem auf die auftretende Hysterese. Vorteilhaft sind geringe Reibungskräfte. Aus diesem Grund sind im Stand der Technik reibungsmindernde Maßnahmen, wie Ausformungen des Ankers oder Lagerelemente zwischen diesen Bauteilen vorge- sehen. Beispielsweise kann vorgesehen sein, den Anker mit einem Gleitbelag, beispielsweise Teflon zu versehen.

Zwischen dem Boden der Ankerführungshülse und dem bündig an deren Innenmantelfläche anliegenden Anker, ist ein abgeschlossener Hohlraum ausgebildet. Dieser Hohlraum kann zum einen, durch einen in diesem auftreten- den Unterdruck, hemmend auf eine Bewegung des Ankers vom Boden weg wirken. Des Weiteren kann in diesen Hohlraum eintretendes Leckageöl eine axiale Bewegung des Ankers auf den Boden zu hemmen. In der DE 100 51 614 A1 wird zur Lösung dieser Aufgabe vorgeschlagen, den Anker mit axialen Bohrungen oder axial verlaufenden Nuten an dessen Außenman- telfläche zu versehen um den Druckausgleich zwischen den Hohlräumen vor und hinter dem Anker zu ermöglichen. Auch in dieser Ausführungsform ist die Stößelstange kraftschlüssig in eine Aufnahme des Ankers eingepresst. Nachteilig an der vorgeschlagenen Ausführungsform sind deren hohe Herstellungskosten, welche durch die spanende Herstellung und Nachbearbeitung des aus einem magnetisierbaren Material bestehenden Ankers hervorgerufen werden um beispielsweise die axial verlaufenden Nuten oder Bohrungen aus- zubilden. Des Weiteren stellt das Einpressen der Stößelstange in die Aufnahme des Ankers einen kosten- und zeitintensiven Verfahrensschritt dar, der außerdem fehleranfällig ist, so dass die Durchsatzrate relativ niedrig ist und die Herstellungskosten und die Ausschussrate relativ hoch sind. Außerdem kann sich die Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange wäh- rend des Betriebs der Brennkraftmaschine lockern, wodurch die Kennliniencharakteristik negativ beeinflusst wird. Weiterhin nachteilig sind die hohen Herstellungskosten des üblicherweise in einem spanenden Verfahren hergestellten Ankers.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde diese geschilderten Nachteile zu vermeiden und somit ein Betätigungselement einer elektromagnetischen Stelleinheit eines Wegeventils zu schaffen, wobei dessen Herstellungsauf- wand minimiert, die Prozesssicherheit erhöht und somit dessen Herstellungskosten verringert werden sollen.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass der Anker aus Sinterstahl besteht. In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Anker eine Aufnahme aufweist, in die eine Stößelstange zumindest teilweise eingreift, wobei an einer äußeren Fläche der Stößelstange oder der Begrenzungsfläche der Aufnahme zumindest eine Ausbuchtung und an der anderen Fläche zumindest eine Vertiefung ausgebildet sind, wobei die Ausbuchtung derart in die Vertiefung eingreift, dass eine formschlüssige Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange ausgebildet ist.

Dabei kann die Stößelstange massiv, d.h. nicht hohl, ausgebildet sein. In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung weist der Anker zumindest einen Längskanal auf, der in dessen Verschieberichtung verläuft und an beiden in Verschieberichtung des Ankers liegenden Seitenflächen offen ausgebildet ist. Der Längskanal kann beispielsweise als Nut an einer Außenmantel- fläche des Ankers ausgebildet sein. Des Weiteren sind Längskanäle darstell- bar, die vollständig innerhalb des Ankers liegen.

Anker in Sinterbauform sind erheblich kostengünstiger herzustellen, als Anker, die mittels spanender Arbeitsschritte hergestellt werden. Darüberhinaus können weitere Strukturen an dem Anker während des Formgebungsprozes- ses realisiert werden, so dass keine Nachbearbeitungsschritte notwendig sind. Beispielsweise könne Längskanäle in Form von Nuten oder vollständig von dem Anker umschlossenen Kanälen ohne zusätzliche Arbeitsschritte realisiert werden. Darüber hinaus kann die Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange ebenfalls während des Sintervorgangs hergestellt werden.

Dazu wird die Stößelstange in die Sinterform eingelegt, so dass diese teilweise in das Ausgangsmaterial des Ankers, beispielsweise Stahlpulver, eingreift. Anschließend wird der Sinterprozess durchgeführt, wodurch gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange her- gestellt wird, ohne dass ein weiterer Montageschritt nötig ist. Darüber hinaus kann zusätzlich ein Formschluss zwischen den beiden Bauteilen realisiert werden. Zu diesem Zweck ist die Stößelstange mit zumindest einer Ausbuchtung oder Vertiefung versehen. Während des Sinterprozesses passt sich das Material des Ankers der Form der Stößelstange an, wodurch an diesem eine Vertiefung bzw. Ausbuchtung ausgebildet wird, die mit der Ausbuchtung bzw. Vertiefung der Stößelstange eine formschlüssige Verbindung herstellt. Durch den Formschluss wird die Verbindung zwischen dem Anker und der Stößelstange gestärkt, so dass diese während des Betriebs der Brennkraftmaschine nicht gelöst wird.

Die Aufgabe wird darüber hinaus durch ein Verfahren zur Herstellung eines Betätigungselements einer elektromagnetischen Stelleinheit eines Hydraulik- ventils gelöst, wobei das Betätigungselement zumindest eine Anker, und eine fest mit dem Anker verbundenen Stößelstange aufweist, wobei erfindungsgemäß der Anker mittels eines Sinterverfahrens hergestellt ist. Dabei kann vorgesehen sein dass in die Sinterform das den Anker bildende Material eingebracht und eine Stößelstange derart eingelegt wird, dass diese teilweise in dem Material angeordnet ist, wobei anschließend der Anker sintertechnisch ausgeformt wird und während dieser Ausformung des Ankers die Stößelstange fest, beispielsweise kraftschlüssig oder kraftschlüssig und zusätzlich formschlüssig, mit dem Anker verbunden wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Er- findung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen

Figur 1 eine elektromagnetische Stelleinheit eines Hydraulikventils mit einem erfindungsgemäßen Betätigungselement,

Figur 2 einen Längsschnitt durch das Betätigungselement auf Figur 1 ,

Figur 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungselements,

Figur 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungselements.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Figur 1 zeigt eine elektromagnetische Stelleinheit 1 eines Hydraulikventils mit einer ersten erfindungsgemäßen Ausführungsform eines Betätigungselements 22 im Längsschnitt. Die elektromagnetische Stelleinheit 1 weist einen Spulenkörper 2 und ein einteilig mit diesem ausgebildetes Anschlusselement 3 auf. Der Spulenkörper 2 trägt eine aus mehreren Windungen eines geeigneten Drahtes bestehende Spule 4 und ist zumindest teilweise von einer Um- spritzung 5 aus nichtmagnetisierbarem Material umgeben. Innerhalb der Um- spritzung 5 ist ein erstes Magnetjoch 6 angeordnet, das in der dargestellten Ausführungsform einen scheibenartigen und einen hülsenartigen Abschnitt 6a, 6b aufweist. Der hülsenartige Abschnitt 6b greift in einen Hohlraum radial innerhalb der Umspritzung 5 der Spule 4 ein, wobei dessen Außendurchmesser dem Innendurchmesser der Umspritzung 5 angepasst ist. Der scheibenartige Abschnitt 6a legt sich in axialer Richtung an die Umspritzung 5 an und bestimmt somit die axiale Position des ersten Magnetjochs 6.

Der Spulenkörper 2 ist weiterhin in einem topfförmigen Gehäuse 7 angeordnet, in dessen Boden eine Aufnahmeöffnung 8 vorgesehen ist. In der Aufnahmeöffnung 8 ist ein zweites Magnetjoch 9 aufgenommen, das in axialer Richtung in die Umspritzung 5 hinein ragt. Dabei stehen sich die offenen Enden 10 des ersten und zweiten Magnetjochs 6, 9 über einen Luftspalt 11 axial gegenüber.

Das erste und zweite Magnetjoch 6, 9 begrenzen einen Ankerraum 12, in dem ein axial verschiebbares Betätigungselement 22 angeordnet ist. Das Betätigungselement 22 umfasst einen Anker 13 und eine fest mit dem Anker 13 verbundene Stößelstange 14. Die Stößelstange 14 ist teilweise in einer Aufnahme 23 des Ankers 13 angeordnet und erstreckt sich durch eine am zweiten Magnetjoch 9 ausgebildete Öffnung 15, wobei ein Ende der Stößelstange 14 im montierten Zustand der Stelleinheit 1 an einem nicht dargestellten Steuerkolben des nicht dargestellten Hydraulikabschnitts des Hydraulikventils anliegt. Somit wird durch Bestromen der Spule 4 das Betätigungselement 22 verschoben und somit der Steuerkolben des Wegeventils betätigt. Innerhalb der Öffnung 15 ist eine Gleithülse 16 vorgesehen, um Reibungsverluste an dieser Stelle zu minimieren.

Während des Betriebs wird die Bestromung der Stelleinheit 1 geregelt, wodurch ein Magnetfeld innerhalb der Stelleinheit 1 generiert wird. Das erste Magnetjoch 6, das Gehäuse 7, das zweite Magnetjoch 9 und der Anker 13, die aus magnetisierbaren Materialien bestehen, dienen dabei als Flusspfad, der durch den Luftspalt 11 zwischen dem Anker 13 und dem ersten und zweiten Magnetjoch 6, 9 komplettiert wird. Bei Bestromung der Spule 4 wirkt auf den Anker 13 eine Kraft in Richtung des zweiten Magnetjochs 9, die abhängig von der Höhe der Bestromung der Spule 4 ist. Durch Ausbalancieren der magnetischen Kraft, die auf den Anker 13 wirkt, und einer Federkraft, die auf den Steuerkolben wirkt, kann der Anker 13 und damit der Steuerkolben in jeder beliebigen Stellung zwischen zwei Extremstellungen positioniert werden.

An der Außenmantelfläche 17 des Ankers 13 ist Längskanal 18 ausgebildet, der in dessen axialer Richtung verläuft und an beiden axialen Seitenflächen des Ankers 13 offen ausgebildet ist. Der Längskanal 18 verbindet somit zwei Hohlräume 19, die in axialer Richtung des Ankers 13 angeordnet sind und von diesem getrennt werden. Während der Bewegung des Ankers 13 kann über den Längskanal 18 ein Druckausgleich zwischen den Hohlräumen 19 stattfinden und in der Stelleinheit 1 vorhandenes Schmiermittel ausgetauscht werden. Somit wird die Reibung zwischen dem Anker 13 und dem ersten Magnetjoch 6 und die Hysterese der Strom-Weg Kennlinie der Stelleinheit 1 reduziert.

Figur 2 zeigt eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungselements 22 in einer vergrößerten Darstellung. Der Anker 13 besteht aus einem magnetisierbaren Sintermaterial, beispielsweise einem geeigneten Sinterstahl. Die Stößelstange 14 ist separat zu dem Anker 13 hergestellt, massiv, d.h. nicht hohl, ausgebildet und besteht vorteilhafterweise aus einem nicht magnetisierbaren Material.

Im Folgenden wird die Herstellung des Betätigungselements 22 erläutert. Zunächst wird das Ausgangsmaterial des Ankers 13, beispielsweise Stahlpulver, und die vorgefertigte Stößelstange 14 in eine geeignete Sinterform eingebracht. Dabei taucht die Stößelstange 14 teilweise in das Ausgangsmaterial ein. Anschließend wird der Sinterprozess durchgeführt. Dabei entsteht der Anker 13 und gleichzeitig eine kraftschlüssige Verbindung zwischen der Be- grenzungsfläche der Aufnahme 23 des Ankers 13 und der äußeren Fläche des Teils der Stößelstange 14, die in den Anker 13 eingreift. Durch die Herstellung des Ankers 13 eines Betätigungselements 22 in Sintertechnologie können zusätzliche Strukturen, wie beispielsweise Längskanäle 18, während des Formgebungsprozesses ausgebildet werden. Dazu muss lediglich die Sinterform entsprechend angepasst werden. Kosten- und zeitaufwändige Nachbearbeitungsschritte entfallen. Gleichzeitig kann die Verbindung zu der Stößelstange 14 ebenfalls während des Formgebungsprozesses hergestellt werden. Somit entfällt das kosten- und zeitaufwändige und fehleranfällige Einpressen der Stößelstange 14 in die Aufnahme 23 des Ankers 13 nach dessen Formgebung. Darüber hinaus müssen keine Maßnahmen getroffen werden um die Aufnahme 23 auszubilden, da diese durch das Einlegen der Stößelstange 14 in die Sinterform automatisch ausgebildet wird. Somit entfallen aufwändige Arbeitsschritte und zusätzliche Strukturen können einfach und kostenneutral, durch Anpassungen der Sinterform, realisiert werden.

Figur 3 zeigt eine zweite Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Betätigungselements 22. Im Unterschied zur ersten Ausführungsform (Figur 2) ist hier die Stößelstange 14 nicht vollständig zylindrisch ausgebildet. An dem Teil der Stößelstange 14, die in der Aufnahme 23 des Ankers 13 angeordnet ist, ist eine Vertiefungen 20, in der dargestellten Ausführungsform eine Ringnut, ausgebildet, in die eine Ausbuchtung 21 der Begrenzungsfläche der Aufnahme 23 eingreift. Somit ist ein Formschluss zwischen dem Anker 13 und der Stößelstange 14 hergestellt, wodurch deren Verbindung erheblich ver- stärkt ist.

Figur 4 zeigt eine weiter erfindungsgemäße Ausführungsform eines Betätigungselements 22. Im Unterschied zu der zweiten Ausführungsform (Figur 3) ist hier die Ausbuchtung 21 in Form einer Ringwulst an der äußeren Fläche der Stößelstange 14 ausgebildet. Diese Ausbuchtung 21 greift in eine Vertiefung 20 (Ringnut) ein, die an der Begrenzungsfläche der Aufnahme 23 ausgebildet ist. Diese Ausführungsformen können auf gleichem Wege wie die erste Ausfüh- rungsform hergestellt werden. Dadurch kann der Formschluss zwischen dem Anker 13 und der Stößelstange 14 während des Sinterprozesses hergestellt werden, ohne dass ein zusätzlicher Arbeitsschritt anfällt. Neben einer Ausbuchtung 21 bzw. Vertiefung 20, können auch mehrere Ausbuchtungen 21 bzw. Vertiefungen 20 vorgesehen sein. Darüber hinaus können auch nur lokale Ausbuchtungen 21 bzw. Vertiefungen 20 vorgesehen sein, die von der Form einer Ringnut bzw. Ringwulst abweichen.

Bezugszeichen

1 Stelleinheit

2 Spulenkörper

3 Anschlusselement

4 Spule

5 Umsphtzung

6 erstes Magnetjoch

6a scheibenartiger Abschnitt

6b hülsenartiger Abschnitt

7 Gehäuse

8 Aufnahmeöffnung

9 zweites Magnetjoch

10 Ende

11 Luftspalt

12 Ankerraum

13 Anker

14 Stößelstange

15 Öffnung

16 Gleithülse

17 Außenmantelfläche

18 Längskanal

19 Hohlraum

20 Vertiefung

21 Ausbuchtung

22 Betätigungselement

23 Aufnahme