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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Spule-und-Spulenkörper-Anordnung
für ein
solenoidbetätigtes
Proportionalventil mit veränderlicher
Kraft, welches den Druck eines Fluids in Abhängigkeit eines an ein Ventilsolenoid
angelegten elektrischen Stroms steuert, und betrifft im Besonderen
ein solenoidbetätigtes
Proportionalventil mit veränderlicher Kraft,
welches Permanentmagnetsegmente aufweist, die in Taschen in einem
Spulenkörper
angeordnet sind.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Ein
Proportional-Solenoid-Steuerventil mit veränderlicher Kraft, welches relativ
kostengünstig herzustellen
ist und kompakte Abmessungen aufweist und dabei eine im Wesentlichen
lineare proportionale Fluidsteuerung aufrechterhält, ist in dem auf gemeinschaftliche
Inhaberschaft mit Najmolhoda zurückgehenden
US-Patent Nr. 4 988 074 vom 29. Januar 1991 beschrieben. Das patentierte
Proportional-Solenoid-Steuerventil mit veränderlicher Kraft umfasst ein äußeres Stahl-Solenoid-Gehäuse und ein
Aluminium-Ventilgliedgehäuse,
welche mechanisch miteinander gefügt sind, z.B. durch Lappen
an dem Stahl-Solenoid-Gehäuse,
die um Bereiche des Aluminium-Ventilgliedgehäuses gelegt sind.
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Das
Proportional-Steuerventil mit veränderlicher Kraft umfasst einen
ferromagnetischen (z.B. Stahl-)Anker, der von Federn mit niedriger
Federrate an einander gegenüberliegenden
Enden des Ankers innerhalb des Bohrlochs eines kernlosen Solenoid-Spulenkörpers so
gehalten ist, dass er zwischen Positionen, welche zu einer geschlossenen
Ventilstellung und einer vollgeöffneten
Ventilstellung korrespondieren, als Antwort auf einen an eine elektromagnetische
Spule angelegten elektrischen Strom hin- und herbeweglich ist. Die
Position des Ankers wird durch Ausbalancieren der veränderlichen
Kraft eines elektromagnetischen Feldes einer elektromagnetischen
Spule und der Kraft des magnetischen Feldes eines einteiligen Permanentringmagneten
gegen die Kraft einer gewundenen Kompressionsfeder, welche das Ventil
zu der Geschlossenstellung des Ventils hin vorspannt, gesteuert.
Die elektromagnetische Spule, der Spulenkörper und der Anker sind in
dem Stahl-Solenoid-Gehäuse
untergebracht, derart, dass das Stahlgehäuse eine Konzentration des
Flusses des elektromagnetischen Feldes an dem Anker bereitstellt.
Der Permanentringmagnet wird an dem Spulenkörper in Position warmverstemmt.
Das Fluidsteuerventil am Ende des Ankers bewegt sich relativ zu
einem in dem Aluminium-Ventilgehäuse
angeordneten Ventilsitz, um einen Fluideinlass mit Fluidauslassöffnungen
zu verbinden, um so den Fluiddruck an Fluidsteueröffnungen
proportional zur Größe des angelegten
elektrischen Stromes zu regulieren.
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Eine
kommerziell hergestellte Version des obengenannten patentierten
Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventils mit veränderlicher Kraft wurde so modifiziert,
dass sie ein Edelstahlkugelventil und einen separaten, in die Düse gepressten
Edelstahlventilsitzeinsatz aufweist. Das Kugelventil ist in einem
Edelstahlkäfig
zwischen dem Ventilsitz und einem stabartigen, zylinderförmigen Stahlanker,
der sich relativ zu dem Ventilsitz proportional zur Größe des an
die elektromagnetische Spule angelegten elektrischen Stromes bewegt,
eingeschlossen. Wenn sich der Anker relativ zu dem Ventilsitz bewegt,
um das Ventil zu betätigen,
wird das Kugelventil aufgrund des Fluiddrucks in dem Ventilgliedgehäuse und
des Einschlusses in dem Kugelventilkäfig in dem Spulenkörper veranlasst,
dem Ende des Ankers zu folgen. Der Fluideinlass wird durch Öffnen des
Kugelventils mit Fluidauslassöffnungen
verbunden, um so den Fluiddruck an Fluidsteueröffnungen proportional zur Größe des an
die Spule angelegten elektrischen Stromes zu regulieren.
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In
dem Ventilgliedgehäuse
ist ein Steuerschieberventil angeordnet, um eine Zweistufen-Hochfluss-Funktion
bereitzustellen, wobei der Zulauföffnung zugeführtes unter
Druck stehendes Fluid zunächst
an den Steueröffnungen
vorbeigeführt wird
und einem Ende des Steuerschieberventils zufließt, um es von einer Nullfluidfluss-Steuerschieberposition
zu einer Maximumfluidfluss-Steuerschieberposition relativ zu den
Steueröffnungen
zu bewegen, wie durch den für
das Kugelventil durch Einstellen der Kraft der gewundenen Feder
voreingestellten Teilöffnungsdruck
bestimmt. Anschließend
umfasst eine zweite Stufe des Vorgangs das Steuern des Fluidflusses
durch die Steueröffnungen
durch Bewegen des Steuerschieberventils zwischen der Minimal- und
der Maximalfluss-Steuerschieberposition proportional zur Höhe des elektrischen
Stromflusses zu der Spule. Solche Proportional-Solenoid-Steuerventile
mit veränderlicher
Kraft, welche heutzutage kommerziell hergestellt werden, werden
mit einem Aluminiumguss-Getriebekörper oder -gehäuse mit
Hilfe einer mit einer äußeren Düsennut in
Kontakt stehenden Klemmplatte, Bolzen oder beidem operabel verbunden.
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Ferner
beschreibt das US-Patent Nr. 5 611 370 (Najmolhoda) vom 18. März 1997
(entspricht
EP 0 711
944 A ) ein Proportional-Solenoid-Steuerventil mit veränderlicher
Kraft, welches ein im Wesentlichen nichtmagnetisches gemeinsames
Gehäuse
für das
Solenoid und Steuerventil aufweist, um so die Ventilfertigung und
-konstruktion zu vereinfachen und dabei dennoch eine im Wesentlichen
lineare proportionale Fluiddrucksteuerung aufrechtzuerhalten.
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Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt in der Bereitstellung einer
Spule-und-Spulenkörper-Anordnung
für ein
Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventil mit veränderlicher Kraft, welche eine
einfachere Konstruktion und geringere Kosten des Steuerventils ermöglicht.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung stellt ein Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventil
mit veränderlicher Kraft
bereit, wie in Anspruch 1 definiert, zum Steuern des Drucks eines
unter Druck stehenden Fluids in einem Fluidsteuersystem im Verhältnis zum
Strompegel eines elektrischen Eingangssignals. In einer Aus führungsform
der vorliegenden Erfindung umfasst das Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventil
mit veränderlicher
Kraft einen Anker in Anlage mit einem Fluiddrucksteuerventil, welcher
als Antwort auf einen elektrischen Strom, der an ein Solenoid angelegt wird,
welches an einem Spulenkörper
in einem Solenoid-Gehäuse
angeordnet ist, bewegbar ist, und Mittel zum Vorspannen des Ankers
in einer Richtung, um eine Ventilfluiddruckantwort auf den dem Solenoid
zugeführten
Strompegel herzustellen (d.h. Fluiddruck in Abhängigkeit vom Solenoid-Strom).
Eine Mehrzahl von axial magnetisierten Permanentmagnetsegmenten,
jeweils mit einer inneren bogenförmigen
Magnetfläche
gegenüber
dem Anker, sind vorgesehen, um gemeinsam ein permanentmagnetisches Feld
bereitzustellen, welches mit dem elektromagnetischen Feld der erregten
Spule zusammenwirkt, um den Anker zu bewegen. Die Permanentmagnetsegmente
sind in einer kreisförmigen
Anordnung um die Peripherie des Ankers in entsprechenden, in Umfangsrichtung
im Abstand voneinander angeordneten, sich axial erstreckenden Taschen
des Spulenkörpers
in einer gemeinsamen transversalen Ebene relativ zu der Längsachse
der Bewegung des Ankers angeordnet. Die Magnetsegmente sind nach
Anzahl und Ausdehnung der bogenförmigen
Oberfläche
so gewählt,
dass sie gemeinsam weniger als 100 % der peripheren Oberfläche des
Ankers umschließen
oder überlagern,
bei Betrachtung im Schnitt quer zu der Längsachse. Bevorzugt umschließen die
inneren bogenförmigen
Oberflächen
der Permanentmagnetsegmente gemeinsam wenigstens ca. 67 %, bevorzugt ca.
70 % bis ca. 80 % der peripheren Oberfläche des Ankers, bei Betrachtung
im quer verlaufenden Schnitt.
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In
einer besonderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist jedes Permanentmagnetsegment eine
innere bogenförmige
Oberfläche gegenüber dem
Anker und eine äußere bogenförmige Oberfläche auf,
um ein im Wesentlichen C-förmiges
Magnetsegment zu bilden. Jedes Magnetsegment weist axiale Seitenflächen auf,
wobei jedes Segment zwischen den Seitenflächen axial magnetisiert ist,
und sich radial erstreckende Endflächen, welche in Umfangsrichtung
von den Endflächen
eines benachbarten Magnetsegments beabstandet sind. Bei Betrachtung
im quer verlaufenden Schnitt sind die Endflächen des Permanentmagnetsegments in
radialen Ebenen angeordnet, welche das Zentrum eines zylinderförmigen Ankers
schneiden.
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Der
Spulenkörper
gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung weist entsprechende, sich axial erstreckende Taschen
auf zur Aufnahme jedes Permanentmagnetsegmentes mit den axialen
Seitenflächen
im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse
der Bewegung des Ankers orientiert. Hierzu ist jede Tasche definiert
durch eine innere bogenförmige Öffnung,
eine äußere bogenförmige Wandung
und sich radial erstreckende Endwandungen. Jede Tasche weist ein
offenes äußeres Ende
auf, durch welches ein jeweiliges Magnetsegment in die Tasche eingeführt wird,
und ein inneres Ende, welches durch eine axiale Taschenwandung verschlossen
ist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse erstreckt. Jedes Magnetsegment
ist in seiner eigenen Tasche eingegrenzt und ist von benachbarten Magnetsegmenten
durch die Endwandungen der Tasche und von dem Anker durch die innere
bogenförmige Öffnung der
Tasche getrennt. Jedes Magnetsegment ist bevorzugt reibschlüssig in
jeder Tasche eingegrenzt, z.B. dadurch, dass die sich radial erstreckenden
Endflächen
des Magnetsegments mit sich axial erstreckenden Festlegepfosten,
welche in jeder Tasche in der Nähe
der äußeren bogenförmigen Oberfläche und
der sich radial erstreckenden Endwandungen vorgesehen sind, in reibschlüssigen Eingriff
kommen, wenn das Segment in die Tasche eingefügt wird. Es ist ein Rücksprung
in der axialen Wandung jeder Tasche hinter dem Magnetsegment vorgesehen
zur Aufnahme von Kunststoffspänen, welche
von den Festlegepfosten abgetrennt werden, wenn das jeweilige Magnetsegment
mit Reibschluss in die jeweilige Tasche eingefügt wird, so dass die Späne das Magnetsegment
in der Tasche nicht fehlorientieren.
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Die
vorliegende Erfindung ist vorteilhaft, weil die Verwendung von mehrfachen
bogenförmigen Permanentsegmenten
die benötigte
Menge an teurem Permanentmagnetmaterial vermindert und die Fertigung
der Permanentmagnetkomponente leichter und weniger kostenaufwändig macht,
ohne abträgliche
Beeinflussung des Betriebs des Steuerventils, durch richtige Kontrolle
der Magnetsegmentzahl und -konfiguration. Ferner werden durch die
Anordnung der Permanentmagnetsegmente in entsprechenden Taschen
des Spulenkörpers
die Konstruktion und Montage des Steuerventils vereinfacht und die
Komplexität
des Warmverstemmens der Segmente in den Taschen vermindert.
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Die
obengenannten und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung
ergeben sich aus der folgenden, detaillierteren Beschreibung in Verbindung
mit den beigefügten,
nachfolgenden Figuren.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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1 ist
ein Längsschnitt
eines Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventils mit veränderlicher Kraft
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung. Die Darstellung ist entlang der Linie 1-1
von 3 ausgeführt.
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2 ist
ein Schnitt entlang der Linie 2-2 von 1 des Spulenkörpers mit
bogenförmigen
Permanentmagnetsegmenten, welche in den Taschen des Spulenkörpers reibschlüssig eingesetzt
und warmverstemmt sind.
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3 ist
ein Längsschnitt
entlang der Linie 3-3 des Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventils mit veränderlicher
Kraft.
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4 ist
eine Seitenansicht eines Permanentmagnetsegmentes.
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BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
wird nun auf 1 Bezug genommen, gemäß welcher
ein Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventil 10 mit
veränderlicher
Kraft ein Ventilglied 12 und zugehörige Ventilkomponenten, welche
in einem Ventil- oder Düsengehäuse 19a angeordnet
sind, und ein Solenoid 14, welches in einem im Wesentlichen
zylinderförmigen
Solenoid-Gehäuse 19b angeordnet
ist, aufweist, um ein Fluidsteuerventil von im Wesentlichen der
Art bereitzustellen, wie in dem auf gemeinschaftliche Inhaberschaft
zurückgehenden Najmolhoda-US-Patent
Nr. 4 988 074 beschrieben. Das Ventilgehäuse 19a kann aus Aluminium
hergestellt sein, während
das Solenoid-Gehäuse 19b Stahl oder
ein anderes ferromagnetisches Material gemäß US-Patent Nr. 4 988 074 umfassen
kann. Das Ventilgehäuse 19a und
das Solenoid-Gehäuse 19b können mittels
Lappen T, 3, des Solenoid-Gehäuses 19b,
die über
eine Ringschulter des Ventilgehäuses 19a gelegt
sind, wie in US-Patent Nr. 4 988 074 aufgezeigt, gefügt sein,
oder als ein einziges, gemeinsames Gehäuse ausgebildet sein in Einklang
mit dem US-Patent 5 611 370 (Najmolhoda), wobei das gemeinsame Gehäuse aus
einem im Wesentlichen nichtmagnetischen Material mit geringer oder
gar keiner magnetischen Permeabilität hergestellt ist.
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Ein
Material, welches für
ein derartiges gemeinsames oder einziges Gehäuse besonders geeignet ist,
umfasst Aluminium und dessen Legierungen oder thermoplastische Kunststoffe,
welche durch Gießen
oder Spritzgießen
in die erforderliche Gehäusekonfiguration
zur Aufnahme des Ventilgliedes 12 und des Solenoid 14 geformt
werden. Das gemeinsame Gehäuse
umfasst einen Gehäuseabschnitt
oder -bereich zum Umschließen
des Solenoid 14 und einen Düsengehäuseabschnitt oder -bereich
zum Umschließen
des Ventils 12 und zugehöriger Ventilkomponenten.
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Gemäß 1 ist
das Solenoid 14 in dem Solenoid-Gehäuse 19b (oder – im Falle
der Ausführungsform
mit gemeinsamem Gehäuse – in dem
Solenoid-Gehäuseabschnitt)
angeordnet und weist eine elektromagnetische Solenoidspule 16 auf,
welche um eine zylindrische Oberfläche eines Spulenkörpers 18 aus
geformtem Kunststoff gewickelt ist, der ein zylinderförmiges,
seine Längsachse
durchsetzendes Bohrloch 20 aufweist. Der Spulenkörper 18 ist
aus einem glasgefüllten
thermoplastischen Kunststoff hergestellt. Ein in Axialrichtung länglicher,
im Wesentlichen zylindrischer Anker 22, der aus einem ferromagnetischen
Material (z.B. Stahl) hergestellt ist, ist mittels einer dünnen Feder 24 mit
niedriger Federrate, welche an einem hinteren äußersten Ende 22a des
Ankers angeordnet ist, innerhalb des Bohrlochs 20 des Kunststoff-Spulenkörpers 18 gehalten.
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Die
Plattenfeder 24 ist von der Art, wie sie in dem obenerwähnten US-Patent
Nr. 4 988 074 (Najmolhoda) beschrieben ist. Das heißt, die
Federplatte ist aus einem sehr dünnen
nichtmagnetischen austenitischen Edelstahl gebildet, z.B. aus einem
vollkommen harten austenitischen Edelstahl, der eine sehr niederratige
Feder für
die Federkonfiguration nach 5 des
vorgenannten Patents Nr. 4 988 074 ergibt. Die innere Peripherie
der Plattenfeder 24 ist mittels eines nichteisenhaltigen
Ringankerfederhaltegliedes 25 (z.B. aus halbhartem Messing)
am hinteren äußersten
Ende 22a des Ankers 22 angeordnet, so dass der
Anker 22 innerhalb des Spulenkörpers 18 in Axialrichtung
frei längsbeweglich
ist. Das gegenüberliegende,
vordere innere Ende 22b des Ankers kann durch eine ähnliche
optionale Plattenfeder (nicht gezeigt) gehalten sein, oder die Plattenfeder 26 kann
bei der Ausführungsform
nach 1 weggelassen sein, wobei das innere Ende 22b des
Ankers 22 unabgestützt
bleibt, abgesehen von der axialen Peripherie eines Dämpfungsgliedes 25,
welches in einer Dämpfungskammer 80 aufgenommen
ist, wie im Folgenden beschrieben.
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Die äußere Peripherie
der Plattenfeder 24 ist zwischen dem/der radial vergrößerten ringförmigen Endflansch
oder Schulter 18r des Spulenkörpers 18 und einem
gegenüberliegenden
ringförmigen
Ende eine/r/s Ventilgehäusekappe
oder -verschlusses 46 aus einer Aluminiumlegierung (z.B.
Al-Legierung 6061 T6) angeordnet. Das Solenoid-Gehäuse 19a umfasst
einen ringförmigen
Endflansch 19e, welcher die Kappe oder den Verschluss 46 überlagert,
wie gezeigt, mit einer Belleville-Wellenscheibe 47 zwischen denselben
zum Auffangen von Summentoleranzen.
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Wie
in 1 gezeigt, ist ein Dämpfungsglied 25 an
dem inneren Ende 22b des Ankers 22 mit einem Stahl-Kugelventil 38 in
Anlage. Das Kugelventil 38 wirkt mit einem ringförmigen Ventilsitz 21a an
einem in das Ventil- oder Düsengehäuse 19a gepressten
Kugelventilkäfigeinsatz 21 zusammen.
Das Kugelventil 38 und der Ventilsitz 21a definieren
ein Fluidableitungsventil zum Ableiten von Fluid zu Ablassöffnungen 74 wie
im Folgenden beschrieben. Eine optionale Flussscheibe W kann in
einem Rücksprung des
Spulenkörpers 18 gemäß der im
Vorstehenden erwähnten
US-Patentschrift Nr. 4 988 074 bereitgestellt sein, um den elektromagnetischen
Fluss am inneren Ende des Ankers zu konzentrieren.
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In
Einklang mit der Erfindung sind eine Mehrzahl von axial magnetisierten
Permanentmagnetsegmenten 34 (rein beispielhaft sind zwei
Segmente gezeigt), wobei jedes Segment eine innere bogenförmige Magnetoberfläche 34a gegenüber dem
Anker 22 aufweist, vorhanden, um gemeinsam ein permanentmagnetisches
Feld bereitzustellen, welches mit dem elektromagnetischen Feld der
erregten Spule 16 zusammenwirkt, um den Anker 22 zu
bewegen. Die Permanentmagnetsegmente 34 sind um die äußere zylindrische
Peripherie oder Oberfläche 22e des
Ankers 22 in entsprechenden, in Umfangsrichtung im Abstand
voneinander angeordneten, sich axial erstreckenden Taschen 18a des
Spulenkörpers 18 in einer
gemeinsamen transversalen Ebene relativ zu der Längsachse A der Bewegung des
Ankers 22 und dem Spulenkörperbohrloch 20 angeordnet.
Die Magnetsegmente 34 sind nach Anzahl und umfangsmäßiger Länge bzw.
Ausdehnung der inneren bogenförmigen
Oberflächen 34a so
gewählt,
dass sie gemeinsam weniger als 100 % der äußeren zylindrischen Peripherie
oder Oberfläche 22e des
Ankers umschließen
oder überlagern,
bei Betrachtung im Schnitt quer zu der Längsachse A, siehe 2.
Hierzu können
zwei, drei, vier oder mehr Magnetsegmente 34 vorhanden
sein. Bevorzugt umschließen
oder überlagern
die inneren bogenförmigen
Oberflächen 34a der
Permanentmagnetsegmente 34 gemeinsam wenigstens ca. 67
% der äußeren Ankeroberfläche 22e,
bei Betrachtung im quer verlaufenden Schnitt. Noch bevorzugter umschließen oder überlagern
die inneren bogenförmigen
Oberflächen 34a gemeinsam ca.
70 bis ca. 80 % der äußeren Ankeroberfläche 22e des
Ankers, bei Betrachtung im quer verlaufenden Schnitt, 2.
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Es
wird nun auf die 2 und 4 Bezug genommen,
gemäß welchen
jedes Permanentmagnetsegment 34 eine innere bogenförmige Fläche oder
Oberfläche 34a gegenüber der äußeren Ankeroberfläche 22e aufweist,
gemeinsam gebildet von benachbarten äußeren Oberflächen von
gleicher Ausdehnung des Ankers 22 und Ankerfederhalters 25.
Jedes Segment 34 weist ferner eine äußere bogenförmige Fläche oder Oberfläche 34b,
eine erste und eine zweite axiale Seitenfläche 34c, 34d und eine
erste und eine zweite sich radial erstreckende Endfläche 34e, 34f auf,
um ein im Wesentlichen C-förmiges
Magnetsegment zu bilden. Jedes Segment ist zwischen den Seitenflächen 34a, 34d axial magnetisiert,
wie mit den Magnetpolangaben "N" und "S" in 3 vermerkt,
so dass die Axialrichtung der Magnetisierung im Wesentlichen parallel
zur Längsachse
A des Ankers 22 liegt.
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Die
sich radial erstreckenden Endflächen 34e, 34f sind
in Umfangsrichtung von entsprechenden Endflächen eines benachbarten Magnetsegmentes 34 beabstandet.
Die Endflächen 34e, 34f,
bei Betrachtung im quer verlaufenden Schnitt, sind in radialen Ebenen
angeordnet, welche das Zentrum des Ankers 22 schneiden,
das auf der Längsachse
A liegt. Bei der in den 1–4 gezeigten
Ausführungsform
definieren die sich radial erstreckenden Endflächen 34e, 34f hierzwischen
einen eingeschlossenen Winkel von 120 Grad um das Zentrum des Ankers 22, wobei
jedoch auch andere Winkel im Bereich von ca. 90 bis ca. 140 Grad
bei der Umsetzung der Erfindung Verwendung finden können. Beispielhafte
Bogenlängen
der inneren bogenförmigen
Fläche 34a und
der äußeren bogenförmigen Fläche 34b für den obenerwähnten eingeschlossenen
Winkel von 120 Grad von 4 sind 0,336 Inch bzw. 0,671
Inch, wobei die Längen
der Endflächen
jeweils 0,160 Inch betragen. Die inneren bogenförmigen Flächen 34a jedes Magnetsegmentes
sind typisch in einem radialen Abstand (nominell) von ca. 0,0205
Inch von der äußeren Oberfläche 22e des
Ankers 22 beabstandet. Beispielsweise kann ein Außendurchmesser
D1 der Ankerfläche 22e 0,280
Inch betragen, während
der Innendurchmesser D2 der inneren bogenförmigen Magnetsegmentfläche 34a 0,321
Inch betragen kann.
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Der
Spulenkörper 18 gemäß einer
Ausführungsform
der Erfindung umfasst entsprechende, sich axial erstreckende, (in
der Endansicht) im Wesentlichen trapezförmig gestaltete Taschen 18a auf, um
jedes Permanentmagnetsegment 34 mit den axialen Seitenflächen 34c, 34d im
Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse
A des Ankers ausgerichtet aufzunehmen. Jede Tasche 18a ist
definiert durch eine innere bogenförmige Öffnung 18b, eine äußere bogenförmige Wandung 18c und
eine erste und eine zweite, sich radial erstreckende Endwandung 18d, 18e.
Jede Tasche weist ein offenes äußeres axiales Ende
auf, durch welches ein jeweiliges Magnetsegment in die Tasche eingeführt wird,
und ein inneres axiales Ende, welches durch eine axiale Taschenendwandung 18f verschlossen
ist, die sich im Wesentlichen senkrecht zu der Längsachse A erstreckt. Der Spulenkörper umfasst
ferner eine ringförmige Umfangsendnut 18j benachbart
zu der ringförmigen Schulter 18r.
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Zwischen
den Taschen 18a sind leere, sich axial erstreckende, (in
der Endansicht) im Wesentlichen trapezförmig gestaltete Rücksprünge 18k angeordnet.
Jeder Rücksprung 18k umfasst
eine innere bogenförmige
Wand 18w und eine äußere bogenförmige Wand,
die Teile von kontinuierlichen Umfangswänden 18m des Spulenkörpers umfasst,
die ferner die äußeren bogenförmigen Wandungen 18c der
Taschen 18a definiert, wie aus 2 ersichtlich.
Die sich radial erstreckenden Wände
jedes leeren Rücksprungs 18k werden
mit der benachbarten Tasche 18a geteilt.
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Jedes
Magnetsegment 34 ist in seiner eigenen Tasche 18a eingegrenzt
und ist von benachbarten Magnetsegmenten durch die leeren Rücksprünge 18k getrennt
und von dem Anker 22 durch die innere bogenförmige Öffnung 18b der
Tasche getrennt. Jedes Magnetsegment 34 ist bevorzugt reibschlüssig in jeder
Tasche 18a eingegrenzt, dadurch, dass jede äußere bogenförmige Fläche 34b und
sich radial erstreckende Endfläche 34e, 34f mit
einem ersten, zweiten und dritten sich axial erstreckenden Festlegepfosten 18g, 18h, 18i,
welche in jeder Tasche 18a integral ausgebildet (z.B. geformt)
mit der äußeren bogenförmigen Wand 18c und
den sich radial erstreckenden Endwandungen 18d, 18e derselben
vorgesehen sind, in Reibschluss kommt, wenn das Segment in die Tasche
eingefügt
wird. Bevorzugt ist ein halbkugelförmiger Rücksprung 18p in der
axialen Endwandung 18f jeder Tasche hinter dem Magnetsegment 34,
in 2, in der Nähe
der Festlegepfosten 18g, 18h, 18i vorgesehen
zur Aufnahme von Kunststoffspänen
(nicht gezeigt), welche von den sich axial erstreckenden Festlegepfosten 18g, 18h, 18i abgetrennt
werden, wenn das Magnetsegment 34 mit Reibschluss in die
jeweilige Tasche eingefügt wird,
so dass die Späne
das Magnetsegment in seiner Tasche nicht fehlorientieren.
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Die
Permanentmagnetsegmente 34 sind aus einem Selten-Erden-Permanentmagnetmaterial
gebildet, z.B. Sm-Co oder bevorzugt Nd2Fe14B, wodurch die Verwendung von Magnetsegmenten
mit verminderten Abmessungen, die ein kompaktes Solenoid ergeben,
möglich
wird. Die axial magnetisierten Permanentmagnetsegmente 34 erzeugen
gemeinsam ein permanentmagnetisches Feld, welches den Anker 22 auch
in Abwesenheit eines elektrischen Stromflusses zu der Spule 16 im
Wesentlichen axial sättigt.
Es ist also ein relativ kleineres Magnetfeld nötig, um den Anker 22 zwischen
der axialen Position, welche in 1 gezeigt
ist, die zu einer Ventil-Geschlossenstellung korrespondiert (in
der das Kugelventil 38 auf dem Ventilsitz 21a sitzt),
und einer axialen Position, in 1 nach links,
welche zu einer Ventil-Offenstellung korrespondiert (in der das
Kugelventil 38 von dem Ventilsitz 21a getrennt
ist) zu bewegen.
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Bei
einer Verfahrens-Ausführungsform
der Erfindung werden die Permanentmagnetsegmente 34 jeweils
in den entsprechenden Taschen 18a des Spulen körpers 18 positioniert,
so dass sie um die Peripherie des Bohrlochs 20 angeordnet
sind, wobei die inneren bogenförmigen
Oberflächen 34a gemeinsam weniger
als 100 % des Bohrlochs 20 und damit der Ankeroberfläche 22a überlagern,
bei Betrachtung im Schnitt quer zu der Längsachse A. Bevorzugt werden die
Permanentmagnetsegmente 34 so in jede Tasche eingeführt, dass
Reibschluss zwischen der äußeren bogenförmigen Fläche 34b und
ersten und zweiten sich radial erstreckenden Endfläche 34e, 34f jedes Magnetsegmentes 34 mit
den sich axial erstreckenden Festlegepfosten 18g, 18h, 18i jeder
Tasche beim Positionieren jedes Magnetsegmentes in derselben entsteht.
Beim Einführen
jedes Magnetsegmentes werden Späne,
welche von den Spulenkörperpfosten 18g, 18h, 18i entfernt
werden, in den Vorsprüngen 18p in
der axialen Spulenkörperendwandung 18f in der
Nähe der
Festlegepfosten aufgenommen, derart, dass die Späne das Magnetsegment 34 in
der Tasche nicht fehlorientieren. Nach erfolgter Positionierung
der Permanentmagnetsegmente 34 in den jeweiligen Taschen 18a werden
sie in denselben warmverstemmt durch Erhitzen und Verformen von
Bereichen der radialen Endwandungen 18d, 18e des
Spulenkörpers 18 als
Warmverstemmlappen 18t über
die Magnetsegmente, 1 und 3.
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Das
Kugelventil 38 ist in einem mit flachen Seiten versehenen
Rücksprung
oder Käfig,
der durch maschinelle Bearbeitung oder sonstwie in dem Edelstahleinsatz 21 zwischen
dem inneren Ende des Ankers 22 und dem Ventilsitz 21a gebildet
ist, aufgenommen und seitlich begrenzt. In dieser Ventilanordnung
ist das Kugelventil 38 durch die gewundene Feder 42 gegen
das Ankerende 22b vorgespannt und folgt der Bewegung des
Ankers 22 zu dem Ventilsitz 21a hin bzw. von diesem
weg infolge des Fluiddrucks auf das Kugelventil und infolge seines
Eingeschlossenseins in dem Käfig 21b.
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Die
gewundene Kompressionsfeder 42 (Federvorspannungsmittel)
ist in einer zylindrischen Anker-Senkbohrung zwischen dem axialen
Ankerende 22a und einem zentralen, sich axial erstreckenden Vorsprung 46a der/des
Ventilgehäusekappe
oder -verschlusses 46 festgehalten. Der Vorsprung 46a nimmt
die gewundene Federfeder 42 mit dem Ende der Feder 42 in
Anlage mit der inneren Oberfläche oder
Wandung der Kappe 46 auf. Der Anker 22 ist durch
die gewundene Feder in die Ventil-Geschlossenstellung vorgespannt,
wenn die Solenoidspule 16 energielos ist. Die Kappe oder
der Verschluss 46 umfasst eine zylindrische Außenfläche, welche
in einer zylindrischen Senkbohrung des Spulenkörpers 18 aufgenommen
ist, um die Feder 24 festzuhalten, wie gezeigt.
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Ein
Kunststoffverbinderkörper 52 ist
an dem Spulenkörper 18 angeordnet
und tritt aus dem Solenoid-Gehäuse 19b durch
eine geeignete Öffnung 19f in
demselben aus. Elektrische Kontakte 54 (nur einer gezeigt)
erstrecken sich durch den Spulenkörper 18 und durch Öffnungen
in dem Verbinderkörper 52. Derartige
elektrische Kontakte 54 sind in dem obengenannten US-Patent
Nr. 4 988 074 (Najmolhoda) aufgezeigt. Die Enden der elektrischen
Kontakte 54 sind mit den Drähten der elektromagnetischen
Spule 16 verbunden, um ein elektrisches Stromsignal von einer
veränderlichen
Stromquelle (nicht gezeigt) zu empfangen.
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Das
Ankerdämpfungsglied 25 umfasst
einen im Wesentlichen mit flachen Seiten versehenen scheibenförmigen Abschnitt 25b,
welcher an dem inneren Ankerende 22b gebildet ist. Das
Ankerdämpfungsglied 25 umfasst
das ferromagnetische Ankermaterial, z.B. Stahl, um einen verbesserten
Magnetflussträger
bereitzustellen, um den magnetischen Fluss direkt in das Ankerende 22b zu
lenken und dabei gleichzeitig die Abmessungen der Solenoideinheit
zu reduzieren.
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Der
scheibenförmige
Endabschnitt 25b umfasst eine zylindrische äußere periphere
Oberfläche 25c,
welche mit einer in dem Ventil- oder Düsengehäuse 19a angeordneten
zylindrischen Dämpfungskammer 80 zusammenwirkt,
um Druckschwingungen zu reduzieren oder zu dämpfen, welche aus dem elektrischen,
mechanischen und/oder hydraulischen Geräusch in dem/der gesteuerten
Fluidsystem oder -schaltungsanordnung resultieren; d.h. dem/der
Fluidsystem oder -schaltungsanordnung, bei dem es sich z.B. um eine
durch das Ventil 12 gesteuerte Automatikgetriebeschaltungsanordnung
handeln kann, wie in der parallel anhängigen, auf gemeinschaftliche Inhaberschaft
zurückgehenden
Anmeldung, Serial No. 08/978 257 mit dem Titel Proportional Variable Force
Solenoid Control Valve With Armature Damping, beschrieben. Hierzu
ist ein kontrollierter Zwischenraum zwischen der äußeren, zylindrischen,
peripheren Oberfläche 25c des
Dämpfungsgliedes 25 und
der Kammerwandung 80a vorgesehen. Die Dämpfungskammer 80 ist
durch mechanische Bearbeitung oder sonstwie in dem Ventil- oder
Düsengehäuse 19a gebildet
und steht in Verbindung mit den Ablassöffnungen 74 (zwei
gezeigt, wobei sich zwei zusätzliche,
nicht gezeigte Ablassöffnungen
in die Zeichenebene hinein und aus ihr heraus erstrecken).
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Im
Einsatz in einer Automatikgetriebeanwendung, wobei das Steuerventil
im Hydraulikgetriebefluid voll eingetaucht ist, wird die Dämpfungskammer 80 typisch überwiegend
hydraulisches Fluid enthalten, wobei jedoch auch etwas Luft in der
Dämpfungskammer 80 vorhanden
sein kann.
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Die
Querschnittsfläche
des Dämpfungsgliedes 25 und
der Zwischenraum zwischen der Oberfläche 25c und der mit
ihr zusammenwirkenden Wand 80a der Dämpfungskammer 80 sind
so gewählt,
dass sie eine Reduzierung oder Dämpfung
von Druckschwingungen, welche aus dem Geräusch in dem/der gesteuerten
Fluidsystem oder -schaltungsanordnung resultieren, bewirken, welche
Druckschwingungen zu einem nichtlinearen Ventilantwortverhalten
führen
können.
Eine beispielhafte Querschnittsfläche des Scheibenabschnitts 25b (Querschnittsfläche berechnet
unter Verwendung des Außendurchmessers
des Dämpfungsgliedes 25)
kann 0,039 Inch2 betragen (0,54 Inch Außendurchmesser des
Dämpfungsglied-Scheibenabschnitts).
Für diese beispielhafte
Querschnittsfläche
des Dämpfungsgliedes 25 kann
ein beispielhafter radialer Zwischenraum von ca. 0,005 Inch zwischen
der Scheibenoberfläche 25c und
der Kammerwand 80a für
das in 1 gezeigte Proportional-Solenoid-Fluidsteuerventil
mit veränderlicher
Kraft, welches zur Verwendung in einer Automatikhydraulikgetriebeanwendung zum
Steuern einer hydraulischen Gangschaltungsanordnung ausgebildet
ist, vorgesehen sein. Allgemeiner kann der obenerwähnte radiale
Zwischenraum im Bereich von 0,004 bis 0,0055 Inch liegen für einen Scheibenabschnitt-Außendurchmesser
im Bereich von 0,54 bis 0,542 Inch und eine axiale Länge der Oberfläche 25c im
Bereich von 0,070 bis 0,074 Inch in einer Dämpfungskammer mit einem Innendurchmesser
von 0,550 bis 0,551 Inch, um eine Dämpfungsfläche im Bereich von 0,0003 bis
0,0004 Inch2 bereitzustellen.
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In
der Tat stellen die Dämpfungskammer 80 und
das Dämpfungsglied 25 ein
eingeschlossenes Fluidvolumen bereit, welches überwiegend Hydraulikfluid umfasst
und welches durch die begrenzte Zwischenraumfläche zwischen der Oberfläche 25c und der
Wand 80a hindurchbewegt werden muss und dabei die aus dem
elektrischen, mechanischen und/oder hydraulischen Geräusch in
dem/der gesteuerten Fluidsystem oder -schaltungsanordnung resultierenden
Druckschwingungen reduziert oder dämpft.
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Das
Ventil- oder Düsengehäuse 19a weist
einen longitudinalen Durchgang 66 auf mit einer im Wesentlichen
zylindrischen Konfiguration zur Aufnahme eines Steuerschiebers 67 aus
einer Aluminiumlegierung (z.B. Al-Legierung 6262), der in dem Durchgang 66 in
Steuerschieberendbereichen satt anliegend und axial hin- und herverschieblich
angeordnet ist.
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Das
Gehäuse 19a ist
in einer Bohrung oder Kammer (nicht gezeigt) in einem Aluminiumgussgetriebekörper (nicht
gezeigt) oder anderen Fluidsteuersystem angeordnet. Äußere O-Ringdichtungen 51, 52 an
dem Ventilgehäuse 19a dichten
an dem Getriebegehäuse
und trennen die Versorgungs- und Steuerleitungen oder -kanäle (nicht
gezeigt) der Hydraulikgetriebeschaltungsanordnung.
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Das
Ventilgehäuse 19a weist
eine Druckfluid-Zulauf- oder Einlassöffnung 72, eine Mehrzahl
von Steueröffnungen 83,
eine Mehrzahl von ersten Ablassöffnungen 81,
welche den Steueröffnungen
zugeordnet sind, und eine Mehrzahl von zweiten Ablassöffnungen 74,
welche dem Kugelventil 38 zugeordnet sind, auf. Das Ventilgehäuse 19a umfasst
die Dämpfungskammer 80,
welche mit dem Kugelventil 38 in Verbindung steht und damit
auch mit den entsprechenden Ablassöffnungen 74. Diese Öffnungen
können
durch Gießen,
maschinelle Bearbeitung oder sonstwie in dem Ventilgehäuse 19a gebildet
sein. Die Steueröffnungen 83,
die Ablassöffnungen 81 und
die Ablassöffnungen 74 sind
auf dem Umfang des Düsenabschnitts 19a im
Abstand voneinander angeordnet. Typisch weist das Ventilgehäuse 19a zwei
Steueröffnungen 83,
vier Ablassöff nungen 81 und
vier Ablassöffnungen 74 auf.
Eine röhrenförmige Fluidfiltersiebanordnung
FSA ist an dem Düsengehäuse 19a mittels
eines Halters 75 gehalten und durch einen O-Ring 77 an
demselben gedichtet. Die Anordnung umfasst Filtersiebe F, welche
die Einlass- und Steueröffnungen 72, 83 überlagern,
wie gezeigt, um Fluidfluss durch darüberliegende Öffnungen
OP in dem Filterstützring
R zu ermöglichen
und den Zutritt von schädlichen
Schmutz- oder Abriebteilchen
zu verhindern, die in dem Fluid vorhanden sein können. Die Filtersiebe F werden
von dem Stützring
R getragen.
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Die
Einlassöffnung 72 steht
in Verbindung mit einer ringförmigen
Kammer 73, die ihrerseits mit einem radialen Fluiddurchgang 67a des
Steuerschiebers 67 in Verbindung steht. Der Durchgang 67a steht
in Verbindung mit einem longitudinalen zentralen Durchgang 67b des
Steuerschiebers 67, der einen mit Presssitz darin gefügten Öffnungsstopfen 67h aufweist.
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Das
verschiebliche Steuerschieberventil 67 ist in dem Ventilgehäuse 19a angeordnet,
um eine Zweistufen-Operation bereitzustellen, gemäß welcher
in der ersten Stufe unter Druck stehendes Fluid der Einlass- oder
Zulauföffnung 72 zugeführt wird, wobei
das Ende 67c des Steuerschieberventils gegen eine Gehäusestopendwand
(nahe Einsatz 21) anliegt, wie in 1 gezeigt,
wie von einer Feder 68 vorgespannt, und wobei das Kugelventil 38 gegen den
Ventilsitz 21a anliegt, ohne elektrischen Stromfluss zu
der Spule 16. Die Feder 68 liegt an einem Endverschluss 69 an.
Im Ergebnis wird der eintretende Fluidstrom an den Steueröffnungen 83 vorbeigeführt und
stattdessen so gerichtet, dass er durch die Steuerschieberdurchgänge 67a, 67b und
den Öffnungsstopfen 67h zu
dem axialen Fluiddurchgang des Ventileinsatzes 21 strömt. Das
Kugelventil 38 sitzt zunächst – infolge der Kraft der gewundenen
Feder 42 – auf
dem Ventilsitz 21a. Die Position des Steuerschieberventils 67,
welche zu einer Minimalfluidfluss-Steuerschieberventilposition relativ
zu den Steueröffnungen 83 korrespondiert,
tritt auf, wenn die ringförmige
Steuerschieber-Steuerfläche 67e nicht mit
der Einlassöffnung 72 in
Verbindung steht. Sobald jedoch das Fluid den Ventilsitz 21 erreicht,
steigt der Fluiddruck auf ein solches Maß, dass das Steuerschieberventil 67 entgegen
der Feder 68 ausreichend nach rechts in 1 bewegt
wird, um die ringförmige
Steuerfläche 67e mit der
Einlassöffnung 72 in
Verbindung zu bringen, wobei die Ablassöffnungen 81 geschlossen
werden. Diese Stellung des Steuerschieberventils 67 korrespondiert
zu einer Maximalfluidfluss-Steuerschieberventilposition relativ
zu den Steueröffnungen 83,
wobei die ringförmige
Steuerschiebersteuerkammer mit der Einlassöffnung 72 in Verbindung
steht. Durch die Verbindung der Steuerschieber-Steuerfläche 67e mit
der Einlassöffnung 72 wird
auch das Ende 67d des Steuerschieberventils 67 via
Durchgang 67g mit der Steuerdrucköffnung 83 verbunden.
Wenn also die stationären
Strömungszustände verwirklicht
sind, sind die einander gegenüberliegenden
Enden des Steuerschieberventils 67 dem gleichen Fluiddruck
ausgesetzt.
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Anschließend umfasst
eine zweite Stufe des Vorgangs das Steuern des Fluidflusses durch
die Steueröffnungen 83 durch
die Steuerschieberventilbewegung zwischen der obenerwähnten Minimum- und
Maximumfluss-Steuerschieberposition. Die Bewegung des Steuerschieberventils
wird durch Ableiten von Fluid von dem Ventilsitz 21a durch
die Ablassöffnungen 74 gesteuert,
um den Fluidddruck auf lineare proportionale Weise zu verändern. Beispielsweise
wird der Spule 16 über
die Kontakte 54 ein elektrischer Strom zugeführt, um
ein elektromagnetisches Feld zu erzeugen, welches – zusätzlich zu
dem permanentmagnetischen Feld der Permanentmagnetsegmente 34 und
der Kraft des Fluiddrucks auf das Kugelventil 38 – die gewundene
Feder 42 und die geringe Kraft der Federplatte 24 überwindet,
um den Anker 22 linear proportional zu dem an die Spule 16 angelegten
Strompegel zu bewegen. Weil das Kugelventil 38 sich mit
dem Anker 22 bewegt, öffnet
sich das Kugelventil 38 linear proportional zu dem an die Spule 16 angelegten
Strom und leitet Fluid aus den Ablassöffnungen 74 ab, um
den Fluiddruck an den Steuerschieberventilgliedenden außer Gleichgewicht zu
setzen, um die Steuerschieberventilposition linear proportional
zwischen der obenerwähnten
Minimal- und Maximalfluidfluss-Steuerschieberposition relativ zu
den Steueröffnungen 83 und
Ablassöffnungen 81 des
Ventilgehäuses 19a zu
steuern. Dies sorgt für
einen kontrollierten Fluidfluss aus den Steueröffnungen 83 heraus
im direkten Verhältnis
zur Öffnung
des Kugelventils 38 gemäß der linearen
Bewegung des Ankers 22, die ihrerseits direkt proportional
zur Größe des der
Spule 16 des Solenoid 14 zugeführten elektrischen Stromes
ist.
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Eine
derartige axiale Steuerschieberbewegung, wie im Vorstehenden beschrieben,
liefert einen Negativverstärkungsmodus
der Fluidflusssteuerung, wobei ein linearer Rückgang des Fluiddrucks an den Steueröffnungen 80 im
Verhältnis
zu einem Anstieg des elektrischen Stromflusses zu der Spule 16 steht. Es
kann aber auch ein Positivverstärkungsmodus
der Fluidflusssteuerung durch das beschriebene Proportional-Fluidsteuerventil 10 mit
veränderlicher
Kraft erhalten werden durch Umkehrung des elektrischen Stromflusses
in der Spule 16 und durch Zuführen von Zulaufdruck durch
die Einlassöffnung 72 bei
vollgeöffnetem
Kugelventil 38, wie durch die Stellung des Ankers 22 bei
stromdurchflossener Spule 16 bestimmt, wie in dem obenerwähnten US-Patent
Nr. 5 611 370 beschrieben.
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Unabhängig davon,
ob das Proportional-Solenoid-Steuerventil 10 mit veränderlicher
Kraft in einem Positiv- oder Negativverstärkungsmodus betrieben wird,
werden die Ankerscheibe 25 und Dämpfungskammer 80 zusammenwirken,
um Fluiddruckschwingungen zu vermindern oder zu dämpfen, weiche
aus dem elektrischen, mechanischen und/oder hydraulischen Geräusch in
dem/der gesteuerten Fluidsystem oder -schaltung resultieren, welche
Druckschwingungen ihrerseits zu einem nichtlinearen Ventilantwortverhalten
führen
können.
In einer elektronisch gesteuerten Fahrzeuggetriebeanwendung kann
elektromechanisches Geräusch
in dem/der gesteuerten System oder Schaltungsanordnung seinen Ursprung
in dem Getriebekontrollmodul (z.B. ein zerhacktes Pulsbreitensteuersignal)
und Schwingungen der Kupplung oder Gangschaltungsventile in dem Getriebekörper haben
und Fluiddruckschwingungen und nichtlineares Ventilverhalten erzeugen.
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Es
wurden bestimmte bevorzugte Ausführungsformen
des Proportional-Solenoid-Ventils mit veränderlicher Kraft und der Fluidsteuervorrichtung für ein elektronisches
Getriebe gemäß der Erfindung aufgezeigt
und im Detail beschrieben; es versteht sich jedoch, dass Variationen
oder Modifikationen möglich
sind, ohne den Bereich der vorliegenden Erfindung zu verlassen.