Ventileinheit für ein derartiges Elektromagnetventil

Die Erfindung betrifft ein Elektromagnetventil für ein Kraftfahrzeug mit einem Gehäuse, das einen Einlass und einen Auslass aufweist, einem Durchströmungsquerschnitt, der zwischen dem Einlass und dem Auslass ausgebildet ist und von einem Ventilsitz umgeben Ist, einer Ventileinheit mit einem Koppelglied und einem Regelkörper, der auf den Ventilsitz absetzbar und vom Ventilsitz abhebbar ist und einem elektromagnetischen Aktor mit einem Anker, der eine axiale Durchgangsbohrung aufweist, in die das Koppelglied der Ventileinheit ragt, die mit dem Anker bewegbar Ist, sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bewegungseinheit aus einem Anker und einer Ventileinheit für ein derartiges Elektromagnetventil Derartige Elektromagnetventile können vielfältig verwendet werden. Zu nennen ist insbesondere deren Verwendung als Kühlmittelventil zum Absperren oder Freigeben eines Kühlmittelflusses in einem Kühlkreislauf eines Kraftfahrzeugs. Ein derartiges elektromagnetisches Kühlmittelventil weist üblicherweise einen Regelkörper aus einem Kunststoff auf, der mit einem magnetisierbaren und üblicherweise aus einem Metall hergestellten Anker verbunden werden muss, um eine Bewegungskopplung zu erhalten, die dazu führt, dass der Regelkörper durch Bestromung des Elektromagneten auf einen Ventilsitz abgesetzt werden kann oder von diesem abgehoben werden kann. Die Kopplung des Regelkörpers mit dem Anker kann über Koppelgliede und kraft- oder formschlüssige Verbindungen erfolgen, wobei das Material des Koppelgliedes entweder aus Metall oder aus Kunststoff sein kann. So ist es bekannt, den Regelkörper mit einem axialen Vorsprung auszuführen der mittels einer Pressverbindung in einer Bohrung des Ankers befestigt wird.

So wird beispielsweise in der DE 10 2012 010 140 A1 ein elektromagnetisches Schubumluftventil offenbart, bei dem der Verschlusskörper über eine Kugelkopfverbindung mit dem Anker verbunden Ist. Zur Verringerung der Schaltzeiten weist dieses Ventil Durchgangsbohrungen im Regelkörper sowie im Anker auf, so dass ein Druckausgleich zwischen der dem Ventilsitz zugewandten Seite des Regelkörpers und der dem Ventilsitz abgewandten Seite der Einheit aus Regelkörper und Anker erreicht wird. Auf diese Weise wird ein ungewolltes Öffnen des Ventils im Falle eines erhöhten Totaldrucks im Einlassstutzen der Ventilvorrichtung verhindert und eine Unempfindlichkeit bei Pulsationen erreicht. Die Verbindung des Ankers mit dem Regelkörper ist jedoch recht aufwendig herzustellen, da der metallische Anker zur Herstellung des Kugelkopfes und zur Herstellung der Durchgangsbohrungen zunächst ausführlich mechanisch bearbeitet werden muss. Auch weist dieser ein hohes Gewicht im Vergleich zu Kunststoffteilen auf, was auch ein höheres Trägheitsmoment bedeutet, was zu größeren notwendigen Stellkräften führt.

Entsprechend besteht der Nachteil, dass die bekannten Elektromagnetventile insbesondere im Bereich der Bewegungseinheit bestehend aus dem Anker und dem Regelkörper zu schwer sind und in ihrer Herstellung zu teuer sind, insbesondere wenn ein Druckausgleich an der Bewegungseinheit vorgesehen werden soll.

Somit stellt sich die Aufgabe, ein als Kühlmittelventil geeignetes Elektromagnetventil sowie ein Verfahren zur Herstellung eines Elektromagnetventils beziehungsweise der Bewegungseinheit des Elektromagnetventils zur Verfügung zu stellen, mit dem die Kosten zur Herstellung und das Gewicht des Ventils gesenkt werden können und welches auch einen Druckausgleich über die Bewegungseinheit aufweist, um die Stellzeiten und notwendigen Stellkräfte verringern zu können.

Diese Aufgabe wird durch ein Elektromagnetventil für ein Kraftfahrzeug mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Herstellung einer Bewegungseinheit aus einem Anker und einer Ventileinheit für ein derartiges Elektromagnetventil mit den Merkmalen des Hauptanspruchs 11 gelöst. Dadurch, dass die Ventileinheit eine axiale Auflagefläche aufweist, gegen die der Anker mit seinem ersten axialen Ende aufliegt, wobei am zweiten axialen Ende des Ankers ein Befestigungselement aufliegt, welches mit dem Koppelglied der Ventileinheit fest verbunden ist, wird der Anker zwischen dem Befestigungselement und der axialen Auflagefläche der Ventileinheit eingeklemmt, so dass ein zwangsweises Mitführen der Ventileinheit mit dem Anker bei Bestromung der Spule des Aktors sichergestellt wird. Eine relative Bewegung des Ankers zum Regelkörper wird entsprechend ausgeschlossen. Der Anker kann entsprechend aus einem einfach geformten und somit kostengünstig herstellbaren Metallteil hergestellt werden, da er eine vollständig rotationssymmetrische etwa hohlzylindrische Form aufweist. Der Regelkörper kann kostengünstig aus einem Kunststoff hergestellt werden und weist entsprechend ein geringes Gewicht auf. So kann das Gesamtgewicht der Bewegungseinheit bestehend aus dem Anker und der Ventileinheit reduziert werden, wodurch auch die Stellkräfte verringert werden können.

Bezüglich des Verfahrens wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass ein Koppelglied der Ventileinheit in eine Durchgangsbohrung des Ankers eingeschoben wird, bis der Anker mit einem ersten axialen Ende auf einer Auflagefläche der Ventileinheit aufliegt, anschließend von einer zu einem Regelkörper der Ventileinheit entgegengesetzten Seite des Ankers in den Anker und ein Sackloch des im Anker angeordneten Koppelgliedes ein Befestigungselement eingesteckt wird, daraufhin das Befestigungselement in Richtung eines entgegengesetzten zweiten axialen Endes des Ankers belastet wird, so dass der Anker gegen die Auflagefläche der Ventileinheit gepresst wird, und abschließend das Befestigungselement am Koppelglied der Ventilelnheit durch Schweißen in dieser Position befestigt wird. Auf diese Weise wird ein fester Sitz des Ankers zwischen dem Befestigungselement und der Auflagefläche an der Ventileinheit und damit die spielfreie Bewegungskopplung zwischen dem Anker und der Ventileinheit sichergestellt. Die Herstellung der Verbindung ist dabei einfach und verhindert ein ungewolltes Lösen der Ventileinheit vom Anker auch bei auftretenden Schwingungen oder Pulsationen durch die stoffschlüssige Verbindung des Befestigungselementes am Koppelglied zuverlässig. Die Bewegungseinheit wird auf diese Weise kostengünstig hergestellt.

Vorzugsweise ist das Befestigungselement ein Stift mit einem Kopf, der direkt oder unter Zwischenlage eines Ringes gegen das zweite axiale Ende des Ankers anliegt und somit eine zweite Auflagefläche am Anker bildet. Somit wird der Anker von beiden axialen Seiten eingeklemmt, wobei die Einzelteile mit sehr großen Toleranzen hergestellt werden können und einfach zu montieren sind.

Besonders einfach wird die Montage, wenn der Stift in ein Sackloch des Koppelgliedes ragt, da dies als Vorfixierung genutzt werden kann, so dass ein seitliches Verschieben zwischen dem Stift und dem Koppelglied ausgeschlossen werden kann. So werden Montagefehler vermieden.

In einer vorteilhaften Weiterbildung sind die Ventileinheit und der Stift aus Kunststoff und ist der Stift durch Schweißen, insbesondere durch Ultraschallschweißen, mit dem Koppelglied verbunden. Ein solches Schweißen sorgt für eine nicht lösbare stoffschlüssige Verbindung und sichert so die starre Verbindung der Ventileinheit mit dem Anker. Des Weiteren ist vorzugsweise zwischen dem Koppelglied und dem Anker ein Spalt ausgebildet und ist am Kopf des Stiftes oder dem zwischen Kopf und Anker angeordneten Ring zumindest eine Ausnehmung ausgebildet, über die der Spalt mit einem Raum stetig fluidisch verbunden ist, der an der zum Regelkörper entgegengesetzten axialen Seite des Ankers ausgebildet ist. Somit kann Fluid für einen Druckausgleich aus dem Spalt über die mindestens eine Ausnehmung an die Rückseite des Ankers gelangen. Der Spalt und auch die Größe der Ausnehmungen sind dabei je nach Zähigkeit des geregelten Fluids anzupassen, wobei die Bewegung der Bewegungseinheit möglichst nicht durch die erzwungene Bewegung des Fluids bei Betätigung des Ankers gebremst werden sollte. Entsprechend können sehr schnelle Stellzeiten bei geringen Stellkräften realisiert werden.

In einer weiterführenden Ausbildung weist die axiale Auflagefläche an der Ventileinheit zumindest eine Ausnehmung auf, über die der Spalt mit einem Raum fluidisch verbunden Ist, der axial zwischen dem Anker und dem Regelkörper ausgebildet ist. Somit kann Fluid zu den beiden entgegengesetzten Seiten des Ankers strömen, ohne dabei durch den sehr engen Spalt zwischen dem Anker und der Führungshülse fließen zu müssen, der, um ein Kippen des Ankers zu vermieden, sehr klein ausgeführt werden muss und somit keinen ausreichend schnellen Fluidstrom zulässt. Der Anker ist somit druckausgeglichen.

In einer bevorzugten Ausführungsform weist die axiale Auflagefläche an der Ventileinheit drei Ausnehmungen auf, die um 120° zueinander versetzt angeordnet sind, wodurch einerseits eine feste Auflage des Ankers auf der Ventileinheit sichergestellt wird und anderseits auch eine gleichmäßige Durchströmung des Spaltes zwischen dem Anker und der Ventileinheit mit einem ausreichenden zur Verfügung stehenden Durchströmungsquerschnitt sichergestellt wird. Des Weiteren ist vorteilhafterweise der Raum zwischen dem Anker und dem Regelkörper Ober Durchgangsöffnungen im Regelkörper stetig fluidisch mit dem Einlass verbunden. Auf diese Weise wird ein vollständiger Druck- und Kraftausgleich bezüglich der hydraulischen Kräfte über die gesamte Bewegungseinheit sichergestellt, da an der gesamten Einheit der Einlassdruck herrscht.

Auch ist es vorteilhaft, wenn im Aktor eine Feder angeordnet ist, Ober die der Anker mit der Ventileinheit in Richtung des Ventilsitzes belastet ist, wobei ein erstes axiales Ende der Feder gegen den Kopf des Stiftes oder den Ring zwischen dem Anker und dem Kopf des Stiftes aufliegt. Durch die Feder wird das Ventil in eine Sicherheitsstellung bei Ausfall des Aktors verschoben, so dass beispielsweise bei Verwendung als Kühlmittelventil ein Kühlmittelfluss sichergestellt wird. Der Stift dient dabei als Auflage für die Feder, so dass ein Verschleiß des Ankers nicht zu befürchten ist.

In einer weiterführenden Ausführung ist ein axialer Abschnitt des Kopfes des Stiftes von der Feder radial umgeben, wodurch der Kopf als Führungsabschnit für die Feder wirken kann, wodurch ein Verschieben oder ein Wegknicken der Feder zuverlässig vermieden wird.

Es wird somit ein Elektromagnetventil geschaffen, dass bezüglich der hydraulischen Kräfte in allen Stellungen ausgeglichen ist und kurze Stellzeiten aufweist. Dies wird noch verstärkt durch das geringe Gewicht der Bewegungseinheit, die besonders kostengünstig und einfach hergesteilt werden kann, da viele leichte Kunststoffteile verwendet werden können. Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Elektromagnetventils ist in den Figuren dargestellt und wird nachfolgend anhand einer Ausführung als Kühlmittelventil beschrieben. Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines erfindungsgemäßen

Elektromagnetventils ln geschnitener Darstellung, Figur 2 zeigt eine perspektivische Ansicht eines Ausschnitts der Bewegungseinheit des Elektromagnetventils aus Figur 1.

Das in Figur 1 dargestellte Kühlmittelventil besteht aus einem Gehäuse 10, welches zweiteilig ausgeführt ist und ein Strömungsgehäuse 12 mit einem darin ausgebildeten Strömungskanal 14 und ein am

Strömungsgehäuse 12 befestigtes Aktorgehäuse 16 aufweist, in dem ein elektromagnetischer Aktor 18 angeordnet ist.

Der elektromagnetische Aktor 18 weist einen elektromagnetischen Kreis auf, der aus einer Spule 20, die auf einen Spulenträger 22 gewickelt ist und über einen Stecker 24 bestrombar ist, sowie einem magnetisierbaren Kern 26, Rückschusselementen 28, einem Joch 30 und einem beweglichen Anker 32 besteht. Bei Bestromung der Spule 20 wird der Anker 32 in bekannter Weise durch die entstehenden magnetischen Kräfte in Richtung des Kerns 26 bewegt.

Der Anker 32 bildet mit einer Ventileinheit 34, die aus Kunststoff hergestellt ist und aus einem Regelkörper 36 und einem Koppelglied 38 besteht, eine Bewegungseinheit 40. Hierzu weist der Anker 32 eine axiale Durchgangsbohrung 42 auf, in die das Koppelglied 38 ragt, welches als zylindrischer Vorsprung des Regelkörpers 36 ausgebildet ist und eine geringere axiale Länge als die Durchgangsbohrung 42 des Ankers 32 sowie einen geringfügig kleineren Durchmesser aufweist, so dass ein Spalt 44 zwischen dem Koppelglied 38 und dem Anker 32 in der Durchgangsbohrung 42 gebildet wird. Am in die Durchgangsbohrung 42 ragenden axialen Ende des Koppelgliedes 38 ist ein sich axial erstreckendes Sackloch 46 ausgebildet, in welches erfindungsgemäß ein Befestigungselement 48 gesteckt wird, welches am Koppelglied 38 befestigt wird.

Das Befestigungselement 48 besteht in vorliegendem Ausführungsbeispiel aus einem Stift 50 aus Kunststoff, der einen Kopf 52 mit vergrößertem Durchmesser aufweist. Zur Befestigung der Ventileinheit 34 am Anker 32 wird zunächst das Koppelglied 38 in die Durchgangsbohrung 42 des Ankers 32 geschoben bis das zum Regelkörper 36 weisende erste axiale Ende 54 des Ankere 32 gegen eine axiale Auflagefläche 56 der Ventileinheit 34 anliegt, die als Absatz des Koppelgliedes 38 ausgeführt ist, so dass sich das Koppelglied 38 von dieser Auflagefläche 56 aus mit vergrößertem Durchmesser in Richtung des Regelkörpers 36 erstreckt.

Die Auflagefläche 56 weist drei Ausnehmungen 58 auf, die um 120° zueinander versetzt angeordnet sind, so dass eine fluidische Verbindung zwischen dem Spalt 44 und einem Raum 60 vorhanden ist, der zwischen dem Anker 32 und dem Regelkörper 36 angeordnet ist. Selbstverständlich können auch mehr oder weniger Ausnehmungen 58 vorgesehen werden, wobei je nach Zähigkeit des Fluids entsprechende Durchströmungsquerschnitte vorzusehen sind, um ein schnelles Durchströmen zu ermöglichen.

Nachdem die Ventileinheit mit ihrem Koppelglied 38 in die Durchgangsbohrung 42 und gegen die Auflagefläche 56 geschoben ist, wird der Stift 50 mit seinem Kopf 52 oder mit einem den Stift 50 umgebenden Ring 61 der axial gegen den Kopf 52 anliegt, gegen das zweite axiale Ende 62 des Ankers 32 gepresst. Dabei taucht der Stift 50 in das Sackloch 46 des Koppelgliedes 38 ein. In dieser Position ist der Anker 32 zwischen dem Kopf 52 des Stiftes 50 und der Auflagefläche 56 axial eingeklemmt, so dass keine axiale Relativbewegung des Ankers 32 zur Ventileinheit 34 möglich ist. In dieser Position wird der Stift 50 durch Ultraschallschweißen am Koppelglied 38 verschweißt und somit befestigt. Der Kopf 52 des Stiftes 50 oder der zwischenliegende Ring 61 weist zumindest eine weitere Ausnehmung 64 auf, über die ein Raum 66 an der zum Regelkörper 36 entgegengesetzten Seite des Ankers 32 und zwar zwischen dem Anker 32 und einer Hülse 68, in der der Anker 32 geführt Ist, mit dem Spalt 44 zwischen dem Anker 32 und dem Koppelglied 38 stetig fluidisch verbunden ist.

Die Hülse 68, in der der Anker 32 geführt Ist, nimmt auch den Kern 26 auf und erstreckt sich radial im Innern des Aktors 18 bis in einen Gehäusevorsprung 70 des Aktorgehäuses 16, der sich axial in das Strömungsgehäuse 12 erstreckt. Zwischen diesem Gehäusevorsprung 70 und einem Endbereich der Hülse 68 ist ein O-Ring 72 angeordnet, über den der radial äußere Bereich der Hülse 68 gegenüber dem geförderten Kühlmittel abgedichtet wird, so dass kein Kühlmittel zur Spule 20 gelangen kann.

Des Weiteren begrenzt die Hülse 68 den Raum 60, der an einer von einem Einlass 74 des Strömungsgehäuses 12 abgewandten Seite des Regelkörpers 36 und axial zwischen dem Regelkörper 36 und dem Anker 32 gebildet wird und der gegenüber einem radialen Auslass 76 des Strömungsgehäuses 12 mittels eines Lippendichtringes 78, dessen geschlossene Seite zum Auslass 76 weist, abgedichtet wird. Der Lippendichtring 78 wird mit dem Regelkörper 36 bewegt und ist über seinen inneren Schenkel in einer Radialnut 80 des Regelkörpers 36 befestigt und liegt mit seinem äußeren Schenkel gegen die Hülse 68 an. Axial liegt der Lippendichtring 78 mit seiner geschlossenen Seite auf einer Auflagefläche 82 des Regelkörpers 36 auf, die als umlaufender radialer Vorsprung am Regelkörper 36 ausgebildet ist.

Der Raum 60 ist über im Regelkörper 36 ausgebildete Durchgangsöffnungen 84 die als axiale Durchgangsbohrungen ausgeführt sind, kontinuierlich mit dem Einlass 74 verbunden. Diese Verbindung des Einlasses 74 mit dem Raum 60 erfolgt nicht vollständig axial über die Durchgangsöffnungen 84, da die Enden der Durchgangsöffnungen 84 größtenteils durch einen Partikelschutzschirm 86 verdeckt sind, der zentral am zum Einlass 74 weisenden Ende des Regelkörpers 36 ausgebildet ist. Die Einströmung in die Durchgangsöffnungen 84 erfolgt entsprechend zunächst zwischen dem Partikelschutzschirm 86 und einem sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprung 88, mit dem der Regelkörper 36 auf einen Ventilsitz 90 aufsetzbar ist. Von hier aus erfolgt zunächst eine Umlenkung der Strömung nach radial innen in die Durchgangsöffnungen 84 und von hier aus axial in den Raum 60.

Zusätzlich besteht über die Ausnehmungen 58 an der Auflagefläche 56 der Ventileinheit 34 eine Verbindung zum Spalt 44 zwischen dem Anker 32 und dem Koppelglied 38 sowie über die Ausnehmungen 64 am Kopf 52 des Stiftes 50 eine stetige fluidische Verbindung zu dem Raum 66, der durch die Hülse 68 und den Anker 32 an der zum Regelkörper 36 entgegengesetzten Seite des Ankers 32 ausgebildet ist. Die Bewegungseinheit 40 ist somit druckausgeglichen. Da zusätzlich die Gesamtfläche des Regelkörpers 36 radial innerhalb des Ventilsitzes 90 am Einlass 74 gleich der Summe der Flächen am Anker 32 und am Regelkörper 36, auf die der Fluiddruck in entgegengesetzter Richtung wirkt, gleich sind, besteht auch eine hydraulische Kraftausgeglichenheit, die zu einer leichten Aktuierbarkeit des Elektromagnetventils führt. Entsprechend ist die Bewegungseinheit 40 durch die vorhandenen Verbindungen zwischen den Front- und Rückseiten der Ventileinheit 34 und des Ankers 32 in allen Positionen bezüglich der hydraulischen Kräfte ausgeglichen, da das Fluid über die Ausnehmungen 58, 64, die Durchgangsöffnungen 84 und den Spalt 44 jeweils schnell vom Einlass 74 zur gegenüberliegenden Seite der Bewegungseinheit 40 gelangen kann, was in einer ausreichenden Geschwindigkeit über den Spalt zwischen der Hülse 68 und dem Anker 32 nicht möglich wäre, da dieser mit einem engen Spiel ausgeführt werden muss, um ein Kippen des Ankers 32 zu verhindern.

Die einzige Kraft die der Aktor 18 beim Öffnen oder Schließen des Ventils überwinden muss, ist daher die Kraft einer Feder 92, über welche die Bewegungseinheit 35 in einer vom Kern 26 weg weisenden Richtung belastet wird, wodurch der Regelkörper 36 auf den Ventilsitz 90 gedrückt wird, der im Strömungsgehäuse 12 zwischen dem axialen Einlass 74 und dem radialen Auslass 76 ausgebildet ist. Bei Bestromung der Spule 20 übersteigt die magnetische Kraft die Kraft der Feder 92, wodurch der Regelkörper 36 vom Ventilsitz 90 abgehoben wird und somit den Durchströmungsquerschnitt freigibt. Bei Ausfall des Aktors 18 wird somit eine geöffnete Sicherheitssteliung des Elektromagnetventils hergestellt. Die Feder 92 stützt sich mit ihrem ersten axialen Ende 94 gegen einen Absatz des Kopfes 52 des Stiftes 50 ab, so dass ein axialer Abschnitt 96 des Kopfes 52 mit kleinerem Durchmesser in das Innere der Feder 92 ragt, die sich mit ihrem entgegengesetzten axialen Ende am Kern 26 abstützt. So bildet der Kopf 52 einerseits eine Auflagefläche für die Feder 92 und andererseits eine Führung im unteren Bereich, wodurch ein Verschieben der Feder 92 ausgeschlossen wird.

Das erfindungsgemäße Elektromagnetventil stellt entsprechend eine schnelle Verstellbarkeit mit geringen Stellkräften sicher und ist andererseits sehr einfach zu fertigen, da die Einzelteile mit großen Toleranzen herstellbar sind und viele Kunststoffteile verwendet werden können, die durch das Verfahren des Spritzgießens auch mit komplexen Formen einfach und kostengünstig hergestellt werden können. Zusätzlich weist das Elektromagnetventil durch den hohen Anteil an Kunststoff ein geringes Gewicht auf. Auch ist der Anker aufgrund der einfachen Form mit wenig Aufwand herstellbar, wodurch ebenfalls Kosten eingespart werden können. Es sollte deutlich sein, dass der Schutzbereich des vorliegenden Hauptanspruchs nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt ist. So können die Auflageflächen und Ausnehmungen am Kopf oder am Koppelglied ebenso wie das Koppelglied selbst anders ausgeformt oder in ihrer Anzahl variiert werden. Auch kann ein separater Ring zwischen dem Kopf und dem Anker verwendet werden, an dem dann auch die Ausnehmung auszubilden ist. Weitere konstruktive Änderungen sind selbstverständlich ebenfalls denkbar.