Magnetventil und Verfahren zum Herstellen eines Magnetventils

Abstract

 Die Erfindung betrifft ein Magnetventil (10), mit einer Magnetbaugruppe (18), die eine Magnetspule (20) und einen Magnetkern (21) umfasst, wobei die Magnetbaugruppe (18) in einem Trägerelement (25) angeordnet ist, und mit einem bewegbar angeordneten Magnetanker (13), dessen eine Endposition durch ein Anschlagelement bestimmt ist, das zur Einstellung eines Restluftspalts (36) ausgebildet ist, und an dem der Magnetanker (13) anliegt. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass das Trägerelement (25) das Anschlagelement ausbildet.

Beschreibung

Stand der Technik

[0001] Die Erfindung betrifft ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Magnetventils.

[0002] Ein derartiges Magnetventil ist aus der DE 10 2010 030 600 A1 der Anmelderin bekannt. Das bekannte Magnetventil weist eine Magnetbaugruppe mit einer Magnetspule auf, die in einem Magnetkern angeordnet ist, der wiederum in einer Magnethülse aufgenommen ist, die ein Trägerelement für den Magnetkern ausbildet. Um ein Anhaften bzw. Ankleben des Magnetankers in seiner einen Endlage zu verhindern, ist in üblicher Art und Weise zwischen dem Magnetkern und dem Magnetanker eine Restluftspaltscheibe zur Einstellung eines Restluftspalts angeordnet. Nachteilig dabei ist, dass zur Einstellung des Restluftspalts somit ein zusätzliches Bauelement (Restluftspaltscheibe) erforderlich ist, was den Montage- bzw. Fertigungsaufwand erhöht. Darüber hinaus bedingt die Verwendung einer Restluftspaltscheibe eine Erhöhung der Anzahl der Kontaktflächen, an denen sich ggf. Beläge ablagern können, die die Funktion des Magnetventils über die Lebensdauer betrachtet beeinträchtigen können. Zuletzt können mit derartigen Restluftspaltscheiben lediglich bestimmte, definierte Restluftspalte eingestellt werden, die sich aufgrund der Dicke der Restluftspaltscheiben ergeben.

Offenbarung der Erfindung

[0003] Ausgehend von dem dargestellten Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Magnetventil nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 derart weiterzubilden, dass eine verbesserte Einstellmöglichkeit des Restluftspalts bei verringerter Bauteilanzahl sowie eine erhöhte Robustheit des Magnetventils, insbesondere gegenüber Ablagerungen erzielt wird. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einem Magnetventil mit den Merkmalen des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass das Trägerelement, in dem die Magnetbaugruppe mit seinem Magnetkern angeordnet ist, als Anschlagelement ausgebildet ist, das zur Festlegung bzw. Ausbildung des Restluftspalts dient. Mit anderen Worten gesagt bedeutet dies, dass auf die Verwendung eines separaten Bauteils (Restluftspaltscheibe) erfindungsgemäß verzichtet wird, indem durch eine entsprechende Geometrie bzw. Ausgestaltung des Trägerelements dieses in Art einer Restluftspaltscheibe wirkt, d.h., das dieses eine Anlagefläche für den Magnetanker in seiner der Magnetspule zugewandten Endposition ausbildet.

[0004] Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Magnetventils sind in den Unteransprüchen aufgeführt.

[0005] Um das Anschlagelement an dem Trägerelement auszubilden, wird es vorgeschlagen, dass das Trägerelement auf der dem Magnetanker zugewandten Seite einen vorzugsweise radial umlaufenden ersten Bereich und einen im Bezug zum ersten Bereich in Richtung zum Magnetkern axial zugesetzten zweiten Bereich aufweist. Das bedeutet, dass der erste Bereich die erwähnte Anschlagfläche für den Magnetanker ausbildet, und dass bei an dem ersten Bereich anliegendem Magnetanker zwischen der Stirnfläche bzw. Stirnseite des Magnetankers und dem zweiten Bereich der Restluftspalt ausgebildet ist.

[0006] Aus dem Stand der Technik sind bereits Magnetventile bekannt, bei denen die Magnetspule gekapselt, d.h. vor dem Zutritt von Kraftstoff oder ähnlichem geschützt angeordnet ist. Im Rahmen der Erfindung wird es zur Ausbildung eines derartigen, "trockenen" Magnetventils vorgeschlagen, dass das Trägerelement aus einem Innenpolring und einem Außenpolring besteht, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und die mit einem nichtmagnetischen Zwischenelement oder einem Ring miteinander verbunden sind, derart, dass das Trägerelement auf der dem Magnetanker abgewandten Seite einen von einem Magnetankerraum hydraulisch getrennten Aufnahmeraum für die Magnetbaugruppe ausbildet. Eine derartige Ausbildung des Trägerelements lässt sich herstellungstechnisch vorteilhaft ausführen und vermeidet darüber hinaus durch die Trennung der beiden Räume den Zutritt von Kraftstoff zu dem Bereich der Magnetspule.

[0007] Konstruktiv kann der Restluftspalt dadurch ausgebildet werden, dass die beiden Bereiche durch Vertiefungen am Innenpolring und/oder am Außenpolring und/oder am Zwischenelement ausgebildet ist, wobei durch das Maß der Vertiefung die Größe des Restluftspalts eingestellt wird.

[0008] In einer ersten konkreten Ausgestaltung des zuletzt gemachten Vorschlags ist es vorgesehen, das Zwischenelement aus Lotmaterial oder aus Kunststoff besteht, und dass die Vertiefungen durch einen spanenden Arbeitsschritt, insbesondere durch Schleifen erzeugt werden.

[0009] In alternativer Ausgestaltung ist es jedoch auch denkbar, dass das Zwischenelement als Metallring ausgebildet ist, der mit dem Innenpolring und dem Außenpolring verschweißt ist. Eine derartige Verschweißung wird vorzugsweise mittels einer Laserstrahlschweißeinrichtung durchgeführt, die hochpräzise Schweißnähte auch an relativ kleinen Bauteilen ermöglicht und sich darüber hinaus prozesstechnisch gut überwachen lässt.

[0010] Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung, bei der sich die wirksame Polfläche des Außenpolrings und/oder des Innenpolrings vergrößern lässt, schlägt vor, dass der Metallring in Überdeckung mit der dem Metallring zugewandten Stirnseite der Magnetspule angeordnet ist und eine geringere Breite aufweist als die Stirnfläche der Magnetspule. Dadurch ragt der Innenpolring und/oder der Außenpolring mit einem radialen Umfang in den Bereich der Magnetspule, wodurch der magnetische Fluss verstärkt wird.

[0011] Zur Einstellung des Restluftspalts kann der erwähnte Metallring dienen, wozu dieser auf der dem Magnetanker zugewandten Seite über die Stirnfläche des Innenpolrings und des Außenpolrings herausragt. Wenn es fertigungstechnisch gelingt, diesen beim Verschweißen genau genug zum Innenpolring und zum Außenpolring zu positionieren, kann somit auf einen mechanischen Materialabtrag verzichtet werden.

[0012] Zusätzlich kann die Charakteristik des Magnetventils bzw. des Restluftspalts auch über eine strukturierte Stirnfläche des Magnetankers auf der der Magnetspule zugewandten Seite beeinflusst werden. Daher ist es in einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass der Magnetanker auf der dem Magnetkern zugewandten Seite eine strukturierte Stirnfläche aufweist, insbesondere in Form wenigstens einer ringförmig umlaufenden Stufe. Es werden somit insbesondere konzentrisch ausgebildete Bereiche an der Stirnseite des Magnetankers ausgebildet, die zum Magnetkern bzw. zur Magnetspule unterschiedliche Abstände aufweisen.

[0013] Die Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Herstellen eines erfindungsgemäßen Magnetventils. Dabei ist es vorgesehen, dass der Restluftspalt durch einen Materialabtrag an einem den Magnetkern und die Magnetspule aufnehmenden Trägerelement oder durch Positionieren eines mit dem Trägerelement einstückig verbundenen Rings eingestellt wird. Ein derartiges Verfahren hat den Vorteil, dass eine hochgenaue Einstellung des Arbeitsluftspalts ohne die Verwendung eines separaten Bauteils ermöglicht wird.

[0014] Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiel sowie anhand der Zeichnungen.

[0015] Diese zeigt in:

Fig. 1

einen Teilbereich eines erfindungsgemäßen Magnetventils im Längsschnitt,

Fig. 2 bis Fig. 5

jeweils Details der Fig. 1 im Bereich zwischen dem Anker und einer Magnetbaugruppe unter Verwendung unterschiedlich ausgebildeter Restluftspalte am Trägerelement in einem Teillängsschnitt und

Fig. 6

ein gegenüber den Fig. 1 bis 5 abgewandeltes Magnetventil unter Verwendung eines metallischen Rings zur Verbindung eines Innenpolrings und eines Außenpolrings, ebenfalls in einem Teillängsschnitt.

[0016] Gleiche Elemente bzw. Elemente mit gleicher Funktion sind in den Figuren mit den gleichen Bezugsziffern versehen.

[0017] In der Fig. 1 ist ausschnittsweise ein erfindungsgemäßes Magnetventil 10 dargestellt, wie es vorzugsweise, jedoch nicht einschränkend, als Bestandteil in einem Common-Rail-Injektor 100 zum Einspritzen von Kraftstoff in den Brennraum einer (nicht dargestellten) Brennkraftmaschine, insbesondere einer selbstzündenden Brennkraftmaschine, verwendet wird.

[0018] Das Magnetventil 10 dient zum Auf- und Abbewegen eines lediglich in seinem oberen Teilbereich dargestellten Ventilglieds 11, das im unbestromten Zustand mittels einer Druckfeder 12 gegen einen nicht gezeigten Dichtsitz gedrückt wird. Bei einer Bestromung des Magnetventils 10 hebt das Ventilglied 11 von dem Dichtsitz ab. Diese Öffnungsstellung des Ventilglieds 11 ist in der Fig. 1 dargestellt. Die Betätigung des Ventilglieds 11 erfolgt mittels eines im Querschnitt hutförmigen Magnetankers 13, der mit einem hülsenförmigen Abschnitt 14 auf den Umfang des Ventilglieds 11 aufgepresst ist. Der hülsenförmige Abschnitt 14 ist von einem flachen bzw. plattenförmigen Magnetankerabschnitt 15 umgeben.

[0019] Der Magnetanker 13 wirkt mit einer Magnetbaugruppe 18 zusammen, die eine über Steckeranschlussfahnen 19 elektrisch kontaktierte Magnetspule 20 umfasst, die in einem Magnetkern 21 angeordnet bzw. eingebettet ist. Der Magnetkern 21 ist zusammen mit der Magnetspule 20 in einem Trägerelement 25 angeordnet bzw. aufgenommen, das aus einem hülsenförmigen Innenpolring 26 und einem hülsenförmigen Außenpolring 27 besteht. Das Trägerelement 25 ist mittels einer Überwurfmutter 23 axial mit einem Ventilgehäusekörper 24 verspannt. Die beiden aus magnetischem Material bestehenden Elemente des Trägerelements 25 sind mittels eines nichtmagnetischen Zwischenelements 28 miteinander verbunden. Das Zwischenelement 28 besteht vorzugsweise aus Lotmaterial und verbindet die schräg angeordneten Flächen 29, 30 des Innenpolrings 26 und des Außenpolrings 27 miteinander.

[0020] Das konzentrisch innerhalb des Außenpolrings 27 angeordnete Innenpolring 26 nimmt in einer als Durchgangsbohrung ausgebildeten Stufenbohrung 32 die Druckfeder 12 auf. Durch die Stufenbohrung 32 erfolgt darüber hinaus ein Rückfluss von Kraftstoff zu einem Kraftstoffrücklaufstutzen 31, wozu der Magnetanker 13 wenigstens eine, vorzugsweise jedoch mehrere in gleich großen Winkelabständen zueinander angeordnete Durchgangsbohrungen 33 aufweist, die die Stufenbohrung 32 mit einem Magnetankerraum 34 hydraulisch verbindet. Durch das Zwischenelement 28 wird von dem Trägerelement 25 auf der dem Magnetanker 13 gegenüberliegenden Seite ein Aufnahmeraum 35 für die Magnetbaugruppe 18 ausgebildet, der gegenüber den Kraftstoff führenden Bereichen des Injektors 100 abgedichtet ist. Bei einer Bestromung des Magnetventils 10 wird der Magnetanker 13 in Richtung zur Magnetbaugruppe 18 bzw. zur Magnetspule 20 gezogen, wodurch sich das mit dem Magnetanker 13 verbundene Ventilglied 11 von seinem Dichtsitz abhebt einen Kraftstofffluss in Richtung zum Magnetankerraum 34 freigibt.

[0021] Um in der in den Figuren dargestellten (oberen) Endstellung des Magnetankers 13 zu vermeiden, dass der Magnetanker 13 beim Abschalten der Bestromung der Magnetspule 20 an dem Trägerelement 25 anhaften bleibt, und somit nicht von der Druckfeder 12 in Richtung des Dichtsitzes bewegt wird, ist es erforderlich, zwischen dem Magnetanker 13 und dem die Magnetbaugruppe 18 aufnehmenden Trägerelement 25 einen Restluftspalt 36 auszubilden. Bei der in den Fig. 1 und 2 dargestellten ersten Ausgestaltung zur Ausbildung des Restluftspalts 36 weist das Trägerelement 25 einen ringförmigen ersten Bereich 37 auf, an dem der Magnetanker 13 mit seiner Stirnfläche 38 in der dargestellten Endposition anliegt. Der erste Bereich 37 bildet somit einen Anschlag für den Magnetanker 13 aus. Radial innerhalb des ersten Bereichs 37 ist ein zweiter Bereich 39 ausgebildet, der in Form einer Vertiefung 40 ausgebildet ist. Die Vertiefung 40 ist bei dem in den Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungsbeispiel an der dem Magnetanker 13 zugewandten Stirnseite des Innenpolrings 26 und des Zwischenelements 28, sowie in einem kleinen Teilbereich des Außenpolrings 27 ausgebildet. Die geometrische Dimensionierung der Vertiefung 40 bestimmt dabei die Größe des Restluftspalts 36. Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, dass die Vertiefung 40 durch einen spanenden Bearbeitungsgang, insbesondere durch Schleifen, ausgebildet bzw. eingestellt wird.

[0022] In der Fig. 3 ist ein abgewandeltes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei der der Restluftspalt 36 durch eine Vertiefung 40a ausgebildet ist, die im Bereich des Außenpolrings 27, des Zwischenelements 28, sowie eines kleinen Teilbereichs des Innenpolrings 26 ausgebildet ist.

[0023] Bei dem in der Fig. 4 dargestellten Ausführungsbeispiel der Erfindung sind zwei, jeweils ringförmige Vertiefungen 40b, 40c im Bereich des Innenpolrings 26 sowie des Außenpolrings 27 ausgebildet. In diesem Fall bildet der ringförmige, erhabene Abschnitt 41 des Zwischenelements 28a das Anschlagelement für den Magnetanker 13 aus.

[0024] In der Fig. 5 ist ein gegenüber der Fig. 4 abgewandeltes Ausführungsbeispiel dargestellt, bei der das Zwischenelement 28b im Bereich des Außenpolrings 27 die Stirnfläche 38 des Magnetankers 13 überdeckt. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist die Vertiefung 40d im Wesentlichen nur im Bereich des Innenpolrings 26 ausgebildet.

[0025] In Abwandlung zu dem in der Fig. 5 dargestellten Ausführungsbeispiel kann es auch vorgesehen sein, dass das Zwischenelement 28b auch den Bereich des Innenpolrings 26 auf der dem Magnetanker 13 zugewandten Stirnseite vollständig überdeckt (nicht dargestellt). In diesem Fall bildet das Material des Zwischenelements 28b zwischen dem Innenpolring 26, dem Außenpolring 27 und dem Magnetanker 13 den Restluftspalt 36 aus. Zur Einstellung des Restluftspalts 36 ist es in diesem Fall erforderlich, das Zwischenelement 28b entsprechend zu bearbeiten bzw. in seiner Dicke entsprechend dem gewünschten Restluftspalt 36 auszubilden.

[0026] Zuletzt ist in der Fig. 6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt, bei dem das Zwischenelement 28, 28a, 28b gemäß der Fig. 1 bis 5 durch einen metallischen, nichtmagnetischen Ring 42 ersetzt ist. Der Ring 42 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel fluchtend zur Magnetspule 20 angeordnet und weist eine geringere Breite auf als die Magnetspule 20. Das bedeutet, dass der Innenpolring 26 und der Außenpolring 27 mit jeweils geringen Flächenabschnitten 43, 44 in Überdeckung mit der Stirnfläche der Magnetspule 20 angeordnet sind. Der Ring 42 ragt über die jeweils ebenen, und sich auf demselben Niveau befindlichen Stirnflächen des Innenpolrings 26 und des Außenpolrings 27 auf der dem Magnetankers 13 zugewandten Seite über den Innenpolring 26 und den Außenpolring 27 heraus, wobei der Restluftspalt 36 durch das Maß bestimmt wird, um das der Ring 42 über den Innenpolring 26 und den Außenpolring 27 herausragt.

[0027] Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass der Ring 42 mittels zweier, auf der Seite der Magnetspule 20 angeordneter, jeweils ringförmig umlaufender Schweißnähte 45, 46 mit dem Innenpolring 26 und dem Außenpolring 27 fest und dicht verbunden ist. Die Ausbildung der Schweißnähte 45, 46 erfolgt bevorzugt durch eine Laserstrahlschweißeinrichtung.

[0028] Zusätzlich kann es vorgesehen sein, dass der Magnetanker 13, beispielsweise in einem radial inneren Bereich, eine Vertiefung bzw. Stufe 47 aufweist, so dass der Restluftspalt 36 im Bereich der Stufe 47 gegenüber einem radial äußeren Bereich des Magnetankers 13 vergrößert ist. Ergänzend wird erwähnt, dass eine derartige Oberflächenstrukturierung des Magnetankers 13 auf der der Magnetspule 20 zugewandten Seite auch bei den in den Fig. 1 bis 5 dargestellten Ausführungsbeispielen denkbar ist. Eine derartige Oberflächenstrukturierung kann in Form einer einzigen Vertiefung, oder aber in Form mehrerer Vertiefungen vorgesehen sein. Auch ist deren Form und Anordnung im Wesentlichen von dem jeweiligen Anwendungsfall abhängig. Eine derartige Strukturierung des Magnetankers13 ermöglicht es, die Funktion des Restluftspalts 36 zusätzlich zu beeinflussen bzw. einzustellen.

[0029] Ergänzend wird erwähnt, dass der Ring 42 anstatt durch Schweißen auch auf andere Art und Weise, beispielsweise durch Kleben, mit dem Innenpolring 26 und dem Außenpolring 27 verbunden werden kann. Auch ist es denkbar, den Ring 42 in Form eines Blechteils auszubilden, das mit den ebenfalls als Blechteilen ausgebildeten Innenpolring 26 sowie Außenpolring 27 durch Verbördeln verbunden ist. Zuletzt ist es auch denkbar, den Innenpolring 26 und den Außenpolring 27 im Rahmen einer pulvermetallurgischen Herstellung auszubilden. Eine derartige pulvermetallurgische Ausbildung kann im Sintern oder im MIM-Verfahren erfolgen und umfasst die Verwendung mindestens zweier pulverförmiger Werkstoffe mit unterschiedlichen magnetischen Eigenschaften. Bezüglich des Zwischenelements 28 wird erwähnt, dass dieses auch aus Kunststoff bestehen kann und durch Anspritzen an den Innenpolring 26 und den Außenpolring 27 ausgebildet wird.

Ansprüche

1. Magnetventil (10), mit einer Magnetbaugruppe (18), die eine Magnetspule (20) und einen Magnetkern (21) umfasst, wobei die Magnetbaugruppe (18) in einem Trägerelement (25) angeordnet ist, und mit einem bewegbar angeordneten Magnetanker (13), dessen eine Endposition durch ein Anschlagelement bestimmt ist, das zur Einstellung eines Restluftspalts (36) ausgebildet ist, und an dem der Magnetanker (13) anliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägerelement (25) das Anschlagelement ausbildet.

2. Magnetventil nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägerelement (25) auf der dem Magnetanker (13) zugewandten Seite einen vorzugsweise radial umlaufenden ersten Bereich (37) und einen in Bezug zum ersten Bereich (37) in Richtung zum Magnetkern (21) axial zurückgesetzten zweiten Bereich (39) aufweist.

3. Magnetventil nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Trägerelement (25) aus einem Innenpolring (26) und einem Außenpolring (27) besteht, die konzentrisch zueinander angeordnet sind und die mit einem nichtmagnetischen Zwischenelement (28; 28a; 28b) oder einem Ring (42) miteinander verbunden sind, derart, dass das Trägerelement (25) auf der dem Magnetanker (13) abgewandten Seite einen von einem Magnetankerraum (34) hydraulisch getrennten Aufnahmeraum (35) für die Magnetbaugruppe (18) ausbildet.

4. Magnetventil nach Anspruch 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die beiden Bereiche (37, 39) durch Vertiefungen (40; 40a bis 40d) am Innenpolring (26) und/oder am Außenpolring (27) und/oder am Zwischenelement (28; 28a; 28b) ausgebildet ist.

5. Magnetventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement (28; 28a; 28b) aus Lotmaterial oder aus Kunststoff besteht, und dass die Vertiefungen (40; 40a bis 40d) durch einen spanenden Arbeitsschritt, insbesondere durch Schleifen erzeugt werden.

6. Magnetventil nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Zwischenelement als ein aus Metall besehender Ring (42) ausgebildet ist, der mit dem Innenpolring (26) und dem Außenpolring (27) verschweißt ist.

7. Magnetventil nach Anspruch 6,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ring (42) fluchtend mit der dem Ring (42) zugewandten Stirnseite der Magnetspule (20) angeordnet ist und eine geringere Breite aufweist als die Stirnfläche der Magnetspule (20).

8. Magnetventil nach einem der Ansprüche 6 oder 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Ring (42) auf der dem Magnetanker (13) zugewandten Seite über die Stirnfläche des Innenpolrings (26) und des Außenpolrings (27) herausragt.

9. Magnetventil nach einem der Ansprüche 1 bis 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Magnetanker (13) auf der dem Magnetkern (21) zugewandten Seite eine strukturierte Stirnfläche aufweist, insbesondere in Form wenigstens einer ringförmig umlaufenden Stufe (47).

10. Verfahren zum Herstellen eines Magnetventils (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Restluftspalt (36) durch einen Materialabtrag an einem den Magnetkern (21) und die Magnetspule (20) aufnehmenden Trägerelement (25) oder durch Positionieren eines mit dem Trägerelement (25) einstückig verbundenen Rings (42) eingestellt wird.

Zeichnung