(57)【要約】  切換弁（１０）であって、ケーシング（１２）内で可動な弁部材（５２）と、該弁部材（５２）に第１の方向で作用する操作装置と、前記弁部材（５２）を第２の方向で負荷するばね装置（１１）とが設けられており、第１の方向と第２の方向とが反対に向けられている形式のものにおいて、ばね装置（１１）が、プログレッシブなばね特性（３８）を有している切換弁（１０）が提案される。
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
切換弁（１０）であって、ケーシング（１２）内で可動な弁部材（５２）と、該弁部材（５２）に第１の方向で作用する操作装置と、前記弁部材（５２）を第２の方向で負荷するばね装置（１１）とが設けられており、第１の方向と第２の方向とが反対に向けられている形式のものにおいて、ばね装置（１１）が、プログレッシブなばね特性（３８）を有していることを特徴とする、切換弁。
【請求項２】
前記ばね装置（１１）が、少なくとも２つのばね区分（１８，２０）の直列接続を有しており、１つのばね区分（１８，２０）の最大のばね距離（３０）が、前記弁部材（５２）の最大の行程（２６）よりも小さく形成されている、請求項１記載の切換弁。
【請求項３】
少なくとも２つのばね区分（１８，２０）が、中間部材（２２）を介して連結されており、弁部材（５２）の最大の行程が達成される前に、中間区分（２２）が、ケーシング（１２）の区分（２８）に当接するので、より柔らかいばね区分（１８）が次いでバイパスされる、請求項２記載の切換弁。
【請求項４】
前記ばね区分（１８，２０）が、互いに異なるばね定数を有している、請求項２または３記載の切換弁。
【請求項５】
少なくとも１つのばね区分（１８，２０）が、コイルばね、皿ばね、環状ディスクばねおよび／または波ワッシャーを有している、請求項２または３記載の切換弁。
【請求項６】
少なくとも２つのばね区分（１８，２０）が、互いに異なる直径を備えたコイルばねを有しており、それぞれ２つのばね区分（１８，２０）が機能的に直列接続されていて、空間的に同軸的に互いに内外に配置されているように、中間部材（２２）がポット形の構造形状を有している、請求項２から４までのいずれか１項記載の切換弁。
【請求項７】
当該切換弁は、電磁的な切換弁（４９）である、請求項１から６までのいずれか１項記載の切換弁。
【請求項８】
当該切換弁は、自動車の噴射装置、自動伝動装置またはアンチロックシステム内の切換弁である、請求項１から７までのいずれか１項記載の切換弁。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、請求項１の上位概念部に記載の切換弁、すなわち切換弁であって、ケーシング内で可動な弁部材と、該弁部材に第１の方向で作用する操作装置と、前記弁部材を第２の方向で負荷するばね装置とが設けられており、第１の方向と第２の方向とが反対に向けられている形式のものに関する。
【０００２】
切換弁、特に迅速に切り換えられる電磁弁は市場から知られている。切換弁は、たとえば自動車分野において、噴射装置、自動伝動装置またはアンチロックシステムで使用される。切換弁は、しばしば短いオン・オフ時間を有していて、これにより高い切換周波数を有している。このような切換弁は、しばしば電磁石により操作される。この場合、磁石アーマチュアは、静止座と、行程ストッパとにより制限される軸方向の運動を実施する。しばしば、アーマチュアは操作時に通電され、かつ電源遮断時に、このアーマチュアは、ばねによって再び元の位置に戻るように運動させられる。さらに、このような切換弁が、当該切換弁の構造形式に適合された装置によって減衰されることも公知である。
【０００３】
さらに、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０３４０３８号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００７０２８９６０号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００５０２２６６１号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０２００４０６１７９８号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第２００４０１６５５４号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１０３２７４１１号明細書、ドイツ連邦共和国特許出願公開第１９８３４１２１号明細書、欧州特許出願公開第１７０１０３１号明細書、欧州特許出願公開第１４７１２４８号明細書および欧州特許出願公開第１２９６０６１号明細書を参照することができる。
【０００４】
発明の開示
本発明の根底を成す課題は、請求項１の特徴部に記載の特徴を有する切換弁、すなわち切換弁であって、ケーシング内で可動な弁部材と、該弁部材に第１の方向で作用する操作装置と、前記弁部材を第２の方向で負荷するばね装置とが設けられており、第１の方向と第２の方向とが反対に向けられている形式のものにおいて、ばね装置が、プログレッシブ（累進的：progressive）なばね特性を有している切換弁により解決される。
【０００５】
有利な実施形態は、請求項２以下に記載されている。
【０００６】
さらに、本発明にとって重要な特徴は、以下の実施形態の説明および図面から明らかになる。この場合、これらの特徴は、再び明確に示唆されることなしに、単独でも、種々異なる組合せでも、本発明にとって重要であり得る。
【０００７】
本発明による切換弁は、切換弁の切換時間を著しく延長することなしに、弁部材または当該弁部材に連結されたアーマチュアの、ストッパに対する当接速度が減じられるという利点を有している。より遅い当接速度によって、切換弁の摩耗が減じられる。同様に、圧送されるべき媒体内の圧力脈動が減じられる。さらに、機械的な励振、ひいては騒音拡散が減じられる。
【０００８】
本発明は、ばね装置が、ばね距離、つまりたわみ（Federweg）が増すにつれて、線形ではなく、プログレッシブに、つまり累進的に増大するばね力を要するように、ばね装置を設計するという考えから出発している。このようなプログレッシブなばね特性（ばね特性曲線）によって、弁部材の運動は、特に終端位置への到達前に効果的に制動され得る。しかしこの場合、ばね作用は、比較的早期には柔らかく開始し、弁部材の運動の終了近くにようやく著しく強くなる。このことは、弁部材が、広い運動範囲にわたって、ばね装置によって弱くしか負荷されないので、初めは弁部材の迅速な加速が可能にされることを意味している。たとえば弁部材の行程の半ばからプログレッシブに増すばね力の結果として、弁部材の加速はもはや行われない。この場合、操作装置およびばねの特性に応じて、一時的にほぼ一様な運動が生じる。終端位置への到達の比較的直前に、弁部材は著しく強く、かつ遅くとも終端位置において静止状態に至るまで制動される。単に線形に増すばね力に比べて、当接速度は著しく減じられる。この場合、切換弁の切換時間は著しく延長されない。本発明の別の利点は、大きなばね定数を有する唯１つのばね区分を備えた装置に比べて、ばねプリロード力の公差敏感性が減じられていて、したがってばねプリロードの設定が単純化されることにある。
【０００９】
ばね装置が、少なくとも２つのばね区分の直列接続を有している場合に、切換弁はより良好に作動する。この場合、１つのばね区分の最大のばね距離は、弁部材の最大の行程よりも小さく形成されている。少なくとも２つのばね区分のこのような配置によって、ばね装置を多様な形式で寸法設計する前提条件が得られる。この場合、ばね区分の直列接続と、該ばね区分の、場合によっては異なる剛性に相応して、弁部材の行程は、個別のばね区分に分配される。つまり、各ばね区分のうちの１つのばね区分の最大のばね距離は、全体的としてのばね距離よりも小さく形成されている。
【００１０】
このためには、少なくとも２つのばね区分が、中間部材を介して連結されていることが提案される。この場合、弁部材の最大の行程が達成される前に、中間部材がケーシングの区分に当接するので、その後に柔らかいばね区分はバイパスされる。これによって、ばね装置の作用は、以下のようになる：弁部材の運動の第１の段階では、中間部材がまだケーシングの区分に当接していないので、力は、直列に接続された全ばね区分に作用する。この場合、全てのばね区分は、同じ力で圧縮される。相応して、得られる全体のばね定数は比較的に小さいので、ばね装置は、運動している弁部材を、まず比較的に小さな力で負荷する。弁部材の運動のさらなる経過中に、中間部材は、ケーシングの区分に当接する。これによって、少なくとも１つのばね区分がバイパスされる。なぜならば、このばね区分を、その後により強く圧縮することができないからである。つまり、弁部材の運動のさらなる経過中に、残りのばね区分もしくは残りの複数のばね区分だけがさらに圧縮する。全てのばね区分の直列接続によって、これにより得られるばね定数は大きくなる。つまり、それぞれ同じ距離変更時に、対応する力変化は大きくなる。このようにして、弁部材の運動は、比較的に大きな力で、ひいてはより強く制動される。
【００１１】
ばね装置の基本的な配置により、多数の実施形態が可能である。たとえば、複数のばね区分が直列接続されていてよく、この場合、隣接する２つのばね区分の間には、それぞれ１つの中間部材が配置されている。複数の中間部材が存在する場合、これらの中間部材は、有利には、弁部材の運動の経過中にケーシングに設けられたそれぞれの区分に相前後して当接する。これによって、結果として形成されるばね特性曲線は多様に設計可能である。たとえば、どの中間部材もストッパに当接していないアーマチュア運動の第１の段階を、使用可能な最大のアーマチュア行程内において比較的に大きく設計して、これにより、制動作用を比較的遅く、しかしそのために強く設定することも有利であり得る。しかも、全体的にプログレッシブなばね特性曲線は、個別のばね区分が同一のばね定数を有している場合にも達成され得る。ばね区分は、たとえば別個のばねとして形成されていてよい。この場合、これらの別個のばね区分は、端区分でそれぞれの中間部材を介して固く連結されている。択一的には、ばね区分が、所定の間隔で１つまたは複数の中間部材を装着されている組み立てられたばねを形成している。これによって、全体的に１つのばねしか必要とならず、これによって製造コストが減じられ、ばね装置の信頼性が高められる。
【００１２】
さらに、ばね区分が互いに異なるばね定数を有している切換弁が提案される。この場合、個別のばね区分は、その個数、形態および配置に関係なく、一定のばね特性曲線を有しているか、またはプログレッシブなばね特性曲線を有していてもよい。プログレッシブなばね特性曲線は、たとえば、コイルばねにおいて構造的に可能である。この場合、本発明による切換弁は、ばね特性曲線のプログレッシブ性（累進性）を全体的にさらに強化する。相応して、弁部材の制動時の作用は、終端位置への到達前にさらに強くなる。
【００１３】
少なくとも１つのばねがコイルばね、皿ばね、環状ディスクばねおよび／または波ワッシャーを有していると、本発明による切換弁のばね装置をよりフレキシブルに使用することができる。これによって、ばね装置を、多数の別の実施形態で実施することができるので、ばね装置は、力、特性曲線、ばね行程、スペース要求、耐性または製造コストに関してそれぞれの要求により良好に適合され得る。
【００１４】
本発明の別の実施形態は、少なくとも２つのばね区分が、互いに異なる直径を備えたコイルばねを有していて、かつ中間部材がポット形の構造形状を有しており、この場合、それぞれ２つのばね区分が、機能的に直列接続されており、しかし空間的には同軸的に互いに内外に配置されているようにすることを予定する。このようにして、ばね装置の特にコンパクトな構造形状が製造され得るので、切換弁を全体的に小さく構成することができる。
【００１５】
本発明の別の実施形態は、切換弁が、電磁切換弁であることを予定する。これによって、本発明は、有利には切換弁の特に頻繁に存在する構造形態でも使用され得る。
【００１６】
切換弁の別の実施形態は、当該切換弁が自動車の噴射装置、自動伝動装置またはアンチロックシステム内の切換弁であることを規定している。このような用途は、切換弁の特に正確な作動を要求する。正確な作動は、正確に製造され得る機械的な構成部材から成る、本発明によるばね装置により支援される。これによって、切換弁全体の正確な作動が生じる。特に、本発明は、コモンレール噴射システム内の燃料高圧ポンプの流量制御弁において使用するために適している。
【００１７】
以下に、発明の例示的な実施形態を図面につき詳しく説明する。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】切換弁のばね装置の機能的なブロック図である。
【図２】図２のばね装置に相応するばね特性曲線である。
【図３】切換弁の実施形態を示す断面図である。
【００１９】
全ての図面において、機能類似の構成部材およびサイズに対しては、異なる実施形態においても同一の参照符号を使用する。
【００２０】
図１は、電磁的な操作装置９と、ばね装置１１とを備えた切換弁１０の１つの領域を概略的な簡略図で示している。この切換弁１０は、たとえば、コモンレール燃料システム内の高圧ポンプに供給される燃料量を制御する電磁流量制御弁（Mengensteuerventil）であってよい。
【００２１】
ケーシング１２（詳細には説明しない）の種々異なる区分が示されている。図１の左側部分には、アーマチュア１４が示されている。このアーマチュア１４は、弁部材（図１には示さない）に連結されていて、図示された出発位置では静止座１６に当て付けられている。上記操作装置の、たとえばコイルまたは磁心のような別の構成部材は、図１には示されていない。静止座１６は、ケーシング１２の構成部材であるか、またはケーシング１２に結合されている。図右側には、ケーシング１２の区分１３が示されている。この区分１３には、ばね装置１１の第１のばね区分１８が支持されている。第１のばね区分１８には、図左側に向かって、第２のばね区分２０が接続している。第２のばね区分２０は、該第２のばね区分２０の左側の端区分でアーマチュア１４に当て付けられている。つまり、両ばね区分１８，２０は、アーマチュア１４と、ケーシング区分１３との間に緊締されている。第１のばね区分１８と第２のばね区分２０との間には、中間部材２２が配置されている。ケーシング１２に所属する行程ストッパ２４は、アーマチュア１４の、図右側に向かう運動を制限する。可能なアーマチュア行程は、参照符号２６で示されている。同じくケーシング側のストッパ２８は、中間部材２２の運動を制限する。この場合、中間部材２２の可能な運動は、参照符号３０で示されている。図示された領域では、切換弁１０は実質的に回転対称に構成されている。
【００２２】
図１には、切換弁１０の、通電されていない出発位置が示されている。アーマチュア１４が、該アーマチュア１４の静止座１６に当て付けられている一方で、中間部材２２は、該中間部材２２のストッパ２８に当て付けられていない。アーマチュア１４、両ばね区分１８，２０ならびに中間部材２２の運動は、軸方向に行われる、つまり、図１の図中では、水平方向に行われる。これは、矢印３２により表されている。
【００２３】
切換弁もしくは励磁コイルの通電時に、アーマチュア１４は、矢印３２に相応して運動させられる。この場合、ばね区分１８および２０には圧力がかけられる、つまり圧縮される。この場合、第２のばね区分２０は、第１のばね区分１８よりも大きなばね定数を有している。相応して、アーマチュア１４の運動時に、第１のばね区分１８は、第２のばね区分２０よりも強く圧縮される。つまり、第２のばね区分２０は、比較的に硬い。アーマチュア１４の運動に関連して、中間部材２２がストッパ２８に当接する。これによって、第１のばね区分１８がバイパスされる、もしくは橋渡しされる（ueberbruecken）。つまり、第１のばね区分１８はさらに圧縮することができず、その限りで無効となる。その結果、ばね装置のばね作用は、次いでより硬い第２のばね区分２０によってのみ規定される。第２のばね区分２０のより大きなばね定数により、ばね装置の挙動は、「飛躍的に」プログレッシブ（累進的）に作用する。この場合、より硬い第２のばね区分２０の作用は、主に行程ストッパ２４の近傍でアーマチュア１４の運動領域に影響している。したがって、アーマチュア運動のこの最終段階で、アーマチュア１４は特に強く制動される。アーマチュア１４の運動は、行程ストッパ２４で終了する。この行程ストッパ２４では、場合によっては残留している運動エネルギが完全に消失する。
【００２４】
中間部材２２の最大の行程３０は、アーマチュア１４が行程ストッパ２４に当て付けられる前に、中間部材２２がストッパ２８に当て付けられるように選択されていなければならないことが判る。全体的に、ばね装置の作用は、アーマチュア１４が、静止座１６を起点とした当該アーマチュア１４の第１の運動段階では、まずはあまり制動されないようになっている。このことは、アーマチュア運動を比較的に迅速に行うことができ、かつ切換弁１０が、同じく迅速に切り換えられることを意味している。行程ストッパ２４への到達の直前にようやく、比較的強い制動がばね装置によって開始される。これによって、行程ストッパ２４へのアーマチュア１４の当接速度は著しく減じられる。
【００２５】
通電が遮断されると、矢印３２の方向に作用する磁力が消失する。その結果、アーマチュア１４はばね装置１１によって、矢印３２の方向とは反対方向に、再び静止座１６に戻るように運動させられる。アーマチュア１４を静止座１６に戻し運動させるために、たとえば第２の励磁コイルのような、場合によっては設けられる付加的な装置は、図１には示されていない。
【００２６】
切換弁の図示していない別の実施形態は、図１に相応して構成されており、２つのばね区分ではなく３つのばね区分を有しており、相応して唯１つの中間部材ではなく２つの中間部材を有している。この場合、ケーシング区分の近傍に位置しているばね区分は、小さなばね定数を有していて、アーマチュアの近傍に位置するばね区分は大きなばね定数を有していて、ケーシング区分の近傍に位置しているばね区分と、アーマチュアの近傍に位置するばね区分との間に配置された中間のばね区分は、中間のばね定数を有している。これに合わせて、第２の中間部材の行程を規定する区間の大きさは、アーマチュア行程を規定する区間と、第１の中間部材の行程を規定する区間との中間の大きさである。
【００２７】
切換弁の図示していないさらに別の実施形態は、皿ばねと環状ディスクばねとを備えたそれぞれ１つのばね区分を有している。切換弁の図示していないもう１つの別の実施形態は、コイルばねと、波ワッシャーとを備えたそれぞれ１つのばね区分を有している。
【００２８】
図２は、２つのばね区分から成る図１と類似の装置において得られたばね特性曲線を示している。座標系において、横座標にはアーマチュア１４の運動を規定するばね距離（Federweg：たわみ）３４を、縦座標にはばね力３６を表している。ばね特性曲線３８は、その関係を示している。この場合、「ゼロ」のばね距離３４は、図１による通電されていない出発状態に一致する。
【００２９】
図２の左側領域のばね距離「ゼロ」を基点として、ばね力４０から開始して、ばね力はばね距離もしくはたわみが増すにつれて増大する。ばね距離４２で、ばね力４４が得られる。ばね距離４２は、まさに中間部材２２がストッパ２８に当接するばね距離である。この行程から、第１のばね区分１８はバイパスされる。つまり第１のばね区分１８は、もはや圧縮されない。行程ストッパ２４の方向へのアーマチュア１４の運動のさらなる経過において、もはや第２のばね区分２０しか負荷されない。第２のばね区分２０のより大きなばね定数に相応して、ばね特性曲線３８の傾斜は、ばね距離４２以降更に増大する。つまり、この特性曲線は全体的に見てプログレッシブ（累進的：この場合、ばね係数がばねの圧縮に応じて増加することを表す）である。ばね距離４６で、最終的に、アーマチュア１４が行程ストッパ２４に衝突する。この場合、最大のばね力４８が得られる。ばね距離４６は図１に示した区間２６に一致する。
【００３０】
２つのばね区分１８，２０の直列接続により、得られたばね特性曲線３８が、当該ばね特性曲線３８の傾斜の飛躍的な変化を伴って著しくプログレッシブになる様子が判る。ばね特性曲線３８のプログレッシブ性（累進性）自体は、第１のばね区分１８および第２のばね区分２０のばね定数が同一である場合にも生じる。このことは、同じく、図１の図面とは異なり、両ばね区分１８，２０が唯１つのばねを形成し、中間部材２２が、単にばねの螺旋状の螺条部に永久に嵌め込まれている場合に生じる。
【００３１】
第１のばね区分のためのばね定数Ｒ１と、第２のばね区分のためのばね定数Ｒ２とを合成すると、以下の数式による関係が得られる：
Ｒｇｅｓ＝１／（１／Ｒ１＋１／Ｒ２）。
【００３２】
つまり、生じる全体的なばね定数Ｒｇｅｓは、それぞれＲ１およびＲ２よりも小さく、したがって、両ばね区分が機能している限りは比較的に柔らかい。
【００３３】
図２では、この数式が、ゼロと、ばね距離４２との間の第１のばね距離３４の区間に該当する。これに対して、ばね距離４２とばね距離４６との間では、第１のばね区分２０のばね定数Ｒ１はもはや有効ではなく、ばね定数Ｒ２だけが有効である。一般的に、複数のばね区分の本発明による直列接続では、ばね距離の経過中に、得られるばねの剛性は増大することしかできず、減少することはできない。
【００３４】
図３は、流体を切り換えるための電磁的な切換弁４９としての切換弁１０の１実施形態を示している。流体を案内する領域は、図３の視点では示されていない。図３に示された構成部材は、軸線５０を中心として実質的に回転対称に構成されている。軸線５０は、図３では垂直方向に延びている。
【００３５】
ケーシング１２内には、軸方向に移動可能な弁部材５２が位置しており、該弁部材５２は、当該弁部材５２上に固く配置された弁ヘッド５４を備えている。この場合、アーマチュア１４は、やはり弁部材５２に固く連結されている。ポット形の中間部材２２と、ストッパ２８との間には、第１のばね区分１８が配置されている。ポット形の中間部材２２と、弁ヘッド５４との間には、第２のばね区分２０が配置されている。両ばね区分１８，２０は、中間部材２２を介して連結されており、機能的に直列に接続されている。この場合、両方のばね区分１８，２０は、互いに異なる直径を備えたコイルばねとして実施されている。
【００３６】
図３に示した切換弁１０の状態は、図１に示した通電されていない出発状態に相当する。この場合、弁ヘッド５４が静止座１６に当て付けられている。
【００３７】
切換弁１０への通電時に、アーマチュア１４と、該アーマチュア１４に固く結合された弁部材５２とは、矢印５６の方向に、図上方に向かって運動する。この場合、第１のばね区分１８と、第２のばね区分２０との間に緊締されたポット形の中間部材２２が一緒に案内されて、区間３０の経過後にストッパ２８に当接する。したがって、アーマチュア１４の残りの行程のためには、ばね区分２０だけが圧縮されて、該ばね区分２０の大きなばね定数により弁部材５２を運動の最終段階において特に強く制動する。運動は、弁ヘッド５４の、行程ストッパ２４への当接をもって終了する。
【００３８】
中間部材２２の最大の行程を設定する区間３０は、弁ヘッド５４もしくはアーマチュア１４の行程を規定する区間２６よりも小さいことが判る。切換弁１０の寸法と比べて、両方の区間２６，３０は小さく形成されている。両ばね区分１８，２０は、中間部材２２において外側もしくは内側で同心的に配置されている。中間部材２２を規定するポット形状は、特に、ばね装置１１、ひいては切換弁１０全体が省スペースに構成されていることに寄与する。図３に示した切換弁は、自動車において、噴射装置、自動伝動装置またはアンチロックシステムにおいて使用するために適している。
【００３９】
通電が遮断されると、切換弁は再び、図３に示された出発位置を占める。適用可能な限りで、この過程は、図１に対する説明に一致する。
【図１】
2013511673.tif 000003
【図２】
2013511673.tif 000004
【図３】
2013511673.tif 000005
【国際調査報告】
2013511673.tif 000006
2013511673.tif 000007
2013511673.tif 000008
2013511673.tif 000009
2013511673.tif 000010
2013511673.tif 000011