ЭЛЕКТРОМАГНИТНЫЙ КЛАПАН Российский патент 2004 года по МПК F16K31/02 

Изобретение относится к арматуре управления потоками и параметрами текучих, в частности гидравлических, сред в системах и агрегатах транспортных средств.

Из патента FR 2509009, F 16 K 31/06 (публ. 07.01.1983 г.) известен регулирующий, пропорциональный, управляемый аксиальным электромагнитом с внутренним втяжным якорем гидравлический клапан, образованный направляющей втулкой, выполненной в виде неферромагнитной трубы, шпулькой, неподвижно установленной на направляющей втулке, обмоткой электромагнита, наружным магнитопроводом, стопом, пробкой, неподвижно закрепленной в противоположном от стопа торце направляющей втулки, магнитоприводом пробки, магнитопроводом стопа, выполненным в виде кольцевых пластин, аксиально установленных между стенками наружного магнитопровода и стопом, якорем, установленным с возможностью продольного перемещения внутри направляющей втулки, штоком, седлом, расположенным в устье центрального канала стопа со стороны якоря, затвором, расположенным между торцом штока и седлом, согласной пружиной сжатия, расположенной между якорем и пробкой. Шпулька выполнена в виде неферромагнитной трубы, ограниченной с торцов простирающимися в сторону наружного магнитопровода радиальными фланцами. Обмотка электромагнита уложена между фланцами шпульки. Наружный магнитопровод выполнен в виде трубы, снабженной радиальным фланцем, простирающимся в сторону ее продольной геометрической оси. Фланец наружного магнитопровода зафиксирован между магнитопроводом пробки и пробкой. Магнитопровод пробки выполнен в виде кольцевой пластины, установленной аксиально стенкам направляющей втулки между фланцами наружного магнитопровода и шпульки. Стоп выполнен в виде фасонной, преимущественно, ферромагнитной детали, снабженной центральным, аксиальным продольной геометрической оси стопа, и вспомогательным, продольная геометрическая ось которого параллельна продольной геометрической оси стопа, гидравлическими каналами одно из устьев каждого из которых расположено на торцевой поверхности стопа со стороны якоря. Якорь снабжен центральным, аксиальным продольной геометрической оси якоря каналом, в котором неподвижно установлен шток, а также боковыми продольными открытыми каналами и кольцевой проточкой, расположенными на его внешней цилиндрической поверхности. Шток выполнен из неферромагнитного материала и неподвижно установлен в центральном канале якоря с возможностью выступания его торцов за торцевые поверхности якоря.

Среди недостатков клапана можно выделить повышенное энергопотребление из-за большого количества переходных сопротивлений и больших зазоров в магнитной цепи электромагнита, а также объединение гидравлической и электромагнитной частей в неразъемную конструкцию, что ограничивает область использования клапана и степень унификации электромагнита.

Из патента US 4250922, F 42 B 12/06 (публ. 17.02.1981 г.) известен управляемый аксиальным электромагнитом с внутренним втяжным якорем гидравлический клапан, образованный стопом, шпулькой, обмоткой электромагнита, магнитопроводом стопа и наружным магнитопроводом, пробкой, завальцованной с противоположной стопу стороны торцевыми стенками наружного магнитопровода, магнитопроводом пробки, втулкой штока, расположенной в пробке, якорем, штоком, затвором, выполненным заедино со штоком, расположенным с возможностью продольного перемещения в канале корпуса клапана, встречной пружиной сжатия, установленной аксиально штоку между стенками расточки канала корпуса шпульки и торцом якоря. Стоп состоит из последовательно расположенных корпуса шпульки, расположенного в части канала шпульки, корпуса плунжера, запрессованного в расточку фланца наружного магнитопровода, и корпуса клапана, выполненных в виде неразъемной, ферромагнитной, фасонной трубы, снабженной уменьшающей ее наружный диаметр на длине корпуса клапана проточкой, увеличивающей диаметр канала на длине корпуса шпульки расточкой, радиальными каналами, золотниковые устья которых расположены на стенках канала корпуса клапана, и вспомогательным каналом, первое устье которого расположено в канале корпуса шпульки, второе - в радиальном канале корпуса клапана. Шпулька выполнена в виде неферромагнитной трубы, ограниченной с торцов радиальными фланцами, направленными в сторону наружного магнитопровода, в противоположной пробке части канала которой расположен неподвижно установленный корпус шпульки. Обмотка электромагнита уложена между фланцами шпульки. Магнитопровод стопа и наружный магнитопровод выполнены заедино в виде фасонной ферромагнитной трубы, снабженной радиальным фланцем, простирающимся в сторону ее продольной геометрической оси, в расточку которого запрессован корпус плунжера. Магнитопровод пробки выполнен в виде кольцевой пластины, расположенной между фланцем шпульки и пробкой. Якорь расположен с возможностью продольного перемещения в канале шпульки и кольце магнитопровода пробки и снабжен сквозным продольным каналом, посредством которого якорь зафиксирован на проходящем через канал подвижном штоке. Шток изготовлен из неферромагнитного материала, первое, выступающее из торца якоря со стороны пробки плечо которого установлено с возможностью продольного перемещения во втулке штока, второе, выступающее из торца якоря со стороны стопа плечо, снабжено выполненными заедино со штоком и последовательно расположенными на единой геометрической оси плунжером, установленным с возможностью продольного перемещения в канале корпуса плунжера, и затвором, установленным с возможностью продольного перемещения в канале корпуса клапана.

К недостаткам данной конструкции можно отнести высокие трудоемкость изготовления и энергопотребление клапана, являющиеся следствием большого количества деталей, повышенной точности изготовления штока и высоких переходных сопротивлений в магнитных цепях электромагнита, а также объединение гидравлической и электромагнитной частей в неразъемную конструкцию, что ограничивает степень унификации электромагнита и область использования клапана.

Прототипом изобретения является известный из авторского свидетельства SU 1576764, F 16 K 31/02 (публ. 07.07.1990 г.) управляемый аксиальным электромагнитом с внутренним втяжным якорем гидравлический клапан, образованный шпулькой, обмоткой электромагнита, магнитопроводом пробки, направляющей втулкой, неферромагнитной кольцевой вставкой, расположенной в разрыве направляющей втулки в районе торца стопа, наружным магнитопроводом, расположенным аксиально стенкам направляющей втулки, пробкой, завальцованной в противоположном стопу торце наружного магнитопровода, якорем, установленным с возможностью продольного перемещения внутри направляющей втулки, стопом и магнитопроводом стопа, штоком, расположенным с возможностью продольного перемещения в канале стопа, корпусом клапана, присоединенным к стопу с помощью элементов сочленения с обратной от якоря стороны стопа, фасонной крышкой, снабженной аксиальным относительно продольной геометрической оси корпуса клапана каналом, установленной в расточке корпуса клапана со стороны стопа, затвором, установленным с возможностью продольного перемещения в расточке корпуса клапана и аксиальном канале фасонной крышки, уплотнительными кольцами, установленными между стенками затвора и стенками расточки корпуса клапана, между стенками затвора и стенками аксиального канала фасонной крышки, встречной пружиной сжатия, установленной аксиально продольной геометрической оси затвора между стенками расточки корпуса клапана и фланцем затвора. Шпулька, выполненная в виде неферромагнитной трубы, ограниченной с торцов простирающимися в сторону наружного магнитопровода фланцами, установлена на направляющей втулке. Обмотка электромагнита уложена между фланцами шпульки. Магнитопровод пробки выполнен заедино с направляющей втулкой в виде простирающегося в сторону наружного магнитопровода фланца, расположенного на торце направляющей втулки со стороны пробки. Направляющая втулка выполнена из ферромагнитного материала заедино с магнитопроводом пробки. Противоположный магнитопроводу пробки торец направляющей втулки соединен с торцом стопа. Стоп и магнитопровод стопа выполнены заедино в виде фасонной ферромагнитной трубы, снабженной радиальным фланцем, простирающимся в сторону наружного магнитопровода. Корпус клапана снабжен радиальными гидравлическими каналами и аксиально расположенной относительно продольной геометрической оси корпуса клапана ступенчатой расточкой. Затвор выполнен в виде заглушенной со стороны штока трубы, снабженной расположенным на средине ее длины неподвижным радиальным кольцом и перфорированными между кольцом и заглушенным торцом трубы стенками.

Среди недостатков данной конструкции можно выделить повышенное энергопотребление, уменьшенное быстродействие, шум, возникающий при срабатывании клапана, что является следствием увеличенных переходных сопротивлений в магнитных цепях электромагнита, большой площади касания в паре направляющая втулка - якорь, малого зазора между цилиндрическими стенками якоря и направляющей втулки, наличия гарантированного зазора между торцом якоря и пробкой.

Задачей изобретения было создание электромеханической арматуры управления текучими, в частности гидравлическими, средами, обладающей пониженным акустическим шумом при срабатывании клапана, высокими быстродействием и долговечностью.

Поставленная задача решается в электромагнитном клапане, включающем в себя пробку, стоп, неподвижно закрепленную между торцом стопа со стороны якоря и торцом пробки втулку, продольная геометрическая ось канала которой совпадает с продольной геометрической осью якоря, якорь, установленный с возможностью скольжения в канале втулки и/или канале пробки, по меньшей мере, один открытый боковой канал, расположенный на цилиндрической поверхности якоря, противолежащие устья которого расположены на противоположных торцах якоря, согласную пружину сжатия, синфазную магнитным силам, воздействующим на якорь, расположенный в теле стопа канал стопа, продольная геометрическая ось которого, преимущественно, совпадает с продольной геометрической осью якоря, шток, расположенный с возможностью продольного перемещения в канале стопа и канале затвора корпуса клапана, корпус клапана, установленный с обратной от якоря стороны стопа, выполненный в корпусе клапана канал затвора, продольная геометрическая ось которого, преимущественно, совпадает с продольной геометрической осью якоря, по меньшей мере один сливной канал, золотниковое устье которого расположено в примыкающей к торцу стопа части канала затвора, затвор, установленный с возможностью продольного перемещения в канале затвора корпуса клапана, встречную пружину сжатия, установленную противофазно согласной пружине сжатия.

Поставленная задача решается тем, что стоп, втулка и пробка соединены герметично, открытый боковой канал, расположенный на цилиндрической поверхности якоря, выполнен, преимущественно, в виде продольно-винтового канала, преимущественно, постоянного сечения, стоп и/или шток снабжены, по меньшей мере, одним вспомогательным каналом, первое устье которого расположено на торцевой поверхности стопа со стороны якоря в пределах контура канала втулки, а второе устье расположено на торцевой поверхности стопа со стороны корпуса клапана в пределах контура канала затвора, жесткость встречной пружиной сжатия больше жесткости согласной пружиной сжатия. Вспомогательный канал может быть образован каналом стопа и расположенным с зазором в канале стопа штоком. Встречная пружина сжатия может быть расположена в аксиальной расточке канала стопа между стенками расточки и торцом якоря, а согласная пружина сжатия может быть расположена между затвором и торцом стопа со стороны затвора. При этом якорь, шток и затвор, предпочтительно, должны быть выполнены в виде продольно неразъемной конструкции.

Изобретение позволяет снизить акустический шум при срабатывании клапана вследствие исключения зазоров между затвором и штоком, штоком и якорем, вследствие исключения свободного хода между якорем и пробкой, увеличить быстродействие клапана из-за снижения степени влияния среды, окружающей подвижные детали электромагнита, вследствие соединения вспомогательным каналом стопа и боковыми каналами якоря переменных полостей, ограниченных стенками канала затвора, торцом стопа и торцом затвора, стенками втулки, торцом стопа и торцом якоря со стороны стопа, каналом пробки, торцом якоря со стороны пробки и глухим торцом пробки, из-за уменьшения площади трения якоря вследствие введения боковых каналов на его цилиндрической поверхности, а также дополнительного действия согласной пружины сжатия, усилие которой максимально при нахождении якоря в непосредственной близости к заглушенному торцу пробки, увеличить долговечность клапана вследствие придания боковым каналам якоря продольно-винтовой направленности, ослабляющей процесс изнашивания стенок направляющей втулки и/или канала пробки, что также уменьшает степень нарастания шума в процессе длительной эксплуатации клапана.

Изобретение поясняется чертежами:

фиг.1, где изображено продольное сечение гидравлического электромагнитного клапана;

фиг.2, где изображено поперечное сечение якоря.

Гидравлический электромагнитный клапан реализован наружным магнитопроводом 1, пробкой 2, магнитопроводом пробки 3, магнитопроводом стопа 4, стопом 5, противоположный якорю торец которого снабжен резьбовым штуцером 6, втулкой 7, якорем 8, установленным с возможностью скольжения в соосных канале втулки 7 и канале пробки 2, согласной пружиной сжатия 9, обмоткой электромагнита 10, штоком 11, корпусом клапана 12, канал затвора 13 которого снабжен расположенной в устье канала со стороны стопа резьбовой расточкой, геометрические размеры которой согласованы с геометрическими размерами резьбового штуцера 6 стопа 5, затвором 14, встречной пружиной сжатия 15, кольцевым упором 16, расположенным в противоположном стопу 5 конце канала затвора 13 корпуса клапана 12, вспомогательным каналом 18, сливным каналом 19 и прокладкой 20.

Втулка 7 выполнена в виде неферромагнитной цилиндрической трубы, первое, расположенное со стороны стопа 5, и второе, расположенное со стороны пробки 2, плечи которой снабжены калиброванными расточками канала. Стоп 5 и магнитопровод стопа 4 выполнены заедино в виде фасонной ферромагнитной трубы, внешняя поверхность которой снабжена фланцем, описывающая мидель окружность которого больше окружности, описывающей мидель трубы стопа. Стоп 5 снабжен расположенной между фланцем и торцом стопа со стороны якоря 8 калиброванной проточкой, размеры которой согласованы с размерами калиброванной расточки канала первого плеча втулки 7, а также расположенным с противоположного якорю 8 торца стопа резьбовым штуцером 6, размеры которого согласованы с резьбовой расточкой канала затвора 13 корпуса клапана 12. Канал фасонной трубы, выполненных заедино стопа и магнитопровода стопа снабжен расположенной со стороны якоря 8 конусной расточкой, размеры которой согласованы с размерами конусной проточки торца якоря 8. Пробка 2 и магнитопровод пробки 3 выполнены заедино в виде фасонной, заглушенной с противоположного стопу 5 торца, ферромагнитной трубы, снабженной фланцем, описывающая мидель окружность которого больше окружности, описывающей мидель трубы пробки, концевой участок открытого конца которой снабжен калиброванной проточкой, размеры которой согласованы с размерами калиброванной расточки канала второго плеча втулки 7. Якорь 8 выполнен в виде стержня, первое плечо которого расположено со стороны стопа 5, а второе - со стороны пробки 2. Первое плечо якоря снабжено расположенной на наружной поверхности со стороны стопа 5 конусной проточкой, геометрические размеры которой согласованы с геометрическими размерами конусной расточки канала стопа, а также расположенным аксиально продольной геометрической оси якоря глухим каналом штока 11, устье которого расположено на торце первого плеча якоря. При этом геометрические размеры глухого канала первого плеча якоря 8 согласованы с геометрическими размерами штока 11. Второе плечо якоря снабжено расположенным аксиально продольной геометрической оси глухим каналом согласной пружины сжатия 9, устье которого расположено на торце второго плеча якоря. При этом геометрические размеры глухого канала второго плеча якоря 8 согласованы с геометрическими размерами согласной пружины сжатия 9 и ходом якоря. Цилиндрическая поверхность первого и второго плеч якоря 8 снабжена четырьмя боковыми открытыми продольно-винтовыми каналами 17, первые устья которых расположены на внешней поверхности конусной проточки первого плеча якоря, вторые устья боковых открытых каналов расположены на торце второго плеча якоря. Шток 11, выполненный в виде стержня, неподвижно закреплен в канале штока первого плеча якоря 8. На цилиндрических поверхностях втулки 7, стопа 5 и пробки 2, герметично и неподвижно установленных своими калиброванными проточками в соответствующих расточках втулки 7, расположена обмотка электромагнита 10. При этом диаметры каналов втулки 7 и пробки 2 согласованы с наружными геометрическими размерами и ходом якоря 8. В полости, образованной каналом стопа 5, каналом втулки 7, каналом пробки 2 с заглушенным с противоположного стопу торцом, установлены якорь 8, расположенный с возможностью скольжения в канале втулки 7 и канале пробки 2, неподвижно установленный в канале первого плеча якоря 8 шток 11, расположенный с возможностью продольного перемещения в канале стопа 5 и канале затвора 13, а также согласная пружина сжатия 9, расположенная между торцом якоря 8 и заглушенным торцом пробки. Вспомогательный канал 18 образован каналом стопа и расположенным с зазором в канале стопа штоком 11. Сливной канал 19 выполнен в виде расположенного аксиально продольной геометрической оси затвора 14 канала. Сливное устье сливного канала 19 расположено на торце затвора со стороны кольцевого упора 16. Золотниковое устье сливного канала 19 выполнено в виде сквозного радиального сверления 20, расположенного в конце затвора со стороны штока 11. Между торцевыми поверхностями стопа 5 и корпуса клапана 12 установлена расположенная аксиально штуцеру 6 прокладка 21. Наружный магнитопровод 1 выполнен в виде ферромагнитной трубы, канал которой снабжен первым, расположенным в районе магнитопровода стопа 4, вторым, расположенным в районе магнитопровода пробки 3, концевыми калиброванными участками, геометрические размеры которых согласованы с соответствующими наружными геометрическими размерами магнитопроводов стопа и пробки. Корпус клапана и электромагнит соединены посредством резьбового штуцера 6 стопа 5 и резьбовой расточки канала затвора 13 корпуса клапана 12.

В исходном положении под действием встречной пружины сжатия 15 затвор 14, шток 11 и якорь 8 смещены в сторону пробки 2, согласная пружина сжатия 9 сжата. При подключении электрического питания к обмотке электромагнита 10 якорь 8 под воздействием согласной пружины сжатия 9, установленной между торцом якоря 8 и заглушенным торцом пробки 2, и нарастающего с некоторым градиентом магнитного поля перемещается в сторону стопа 5. При этом неподвижно закрепленный в канале первого плеча якоря шток 11, расположенный с возможностью продольного перемещения в канале стопа 5 и канале затвора 13 корпуса клапана 12, перемещает затвор 14 в сторону кольцевого упора 16, сжимая встречную пружину сжатия 15, расположенную между кольцевым упором 16 и затвором 14. Среда, расположенная в уменьшающейся полости, ограниченной стенками канала направляющей втулки 7, торцом первого плеча якоря 8 и торцом стопа 5 перетекает через продольно-винтовые каналы 17 первого и второго плеч якоря 8 в увеличивающуюся полость, образованную торцом второго плеча якоря 8, стенками заглушенного с торца канала пробки 2, а также через вспомогательный канал 18 стопа 5 в увеличивающуюся полость, ограниченную стенками канала затвора 13 корпуса клапана 12, торцом стопа 5 со стороны затвора, затвором 14, и поступает далее в сливной канал 19. При обесточивании обмотки электромагнита 10 встречная пружина сжатия 15 перемещает затвор 14, шток 11 и якорь 8 в сторону пробки 2, сжимая согласную пружину сжатия 9. Среда, расположенная в уменьшающейся полости, образованной каналом затвора 13 корпуса клапана 12, затвором 14 и торцом стопа 5 со стороны затвора, перетекает частично в сливной канал 19 затвора 14 и частично, посредством вспомогательного канала 18, в увеличивающуюся полость, образованную стенками канала втулки 7, торцом первого плеча якоря 8 и торцом стопа 5. Среда, расположенная в уменьшающейся полости, ограниченной торцом второго плеча якоря 8, стенками канала и заглушенным торцом пробки 2, перетекает через продольно-винтовые каналы 17 якоря 8 в увеличивающуюся полость, образованную стенками канала втулки 7, торцом первого плеча якоря 8 и торцом стопа 5.

Протекающие по продольно-винтовым каналам 17 якоря 8 потоки среды создают тангенциальный по отношению к продольной геометрической оси якоря 8 реактивный момент, вращающий якорь 8 в плоскости, поперечной к продольной геометрической оси якоря 8, на угол, величина которого зависит от угла наклона продольно-винтовых каналов 17, амплитуды и скорости перемещения якоря 8, вязкости среды, жесткости и геометрических характеристик согласной пружины сжатия 9, а также моментов трения в парах втулка 7 - якорь 8, торцевая поверхность штока 11 - торцевая поверхность затвора 14 со стороны стопа 5.

Электромагнитный клапан предназначен для использования в управлении потоками. Электромагнитный клапан содержит стоп, втулку и пробку. Последние три элемента соединены герметично. Жесткость согласной пружины сжатия меньше жесткости встречной пружины сжатия. Открытый боковой канал на цилиндрической поверхности якоря выполнен продольно-винтовым. Стоп и шток снабжены, по меньшей мере, одним вспомогательным каналом. Первое устье вспомогательного канала расположено на торцевой поверхности стопа со стороны якоря в пределах контура канала втулки. Второе устье расположено на торцевой поверхности стопа со стороны корпуса клапана в пределах контура канала затвора. Шток и якорь образуют продольно неразъемную конструкцию. Элемент сочленения стопа выполнен в виде резьбового штуцера. Согласная пружина сжатия установлена между якорем и пробкой. В противоположном стопу конце канала затвора расположен кольцевой упор. Обеспечивается снижение акустического шума при срабатывании клапана и увеличение быстродействия клапана. 2 ил.

1. Электромагнитный клапан для управления потоками и параметрами текучих, в частности гидравлических, сред, включающий в себя пробку, неподвижно установленную в торцевой расположенной с противоположной стопу стороны части втулки, стоп, неподвижно установленный в торцевой расположенной с противоположной пробке стороны части втулки, расположенную между торцом стопа со стороны якоря и пробкой втулку, продольная геометрическая ось канала которой совпадает с продольной геометрической осью якоря, якорь, установленный с возможностью скольжения во внутреннем канале втулки и/или пробки, по меньшей мере один открытый боковой канал, расположенный на цилиндрической поверхности якоря, противолежащие устья которого расположены на противоположных торцах якоря, согласную пружину сжатия, синфазную магнитным силам, воздействующим на якорь, расположенный в теле стопа канал стопа, продольная геометрическая ось которого совпадает с продольной геометрической осью якоря, шток, расположенный с возможностью продольного перемещения в канале стопа и канале затвора корпуса клапана, корпус клапана, установленный с обратной от якоря стороны стопа, выполненный в корпусе клапана канал затвора, продольная геометрическая ось которого преимущественно совпадает с продольной геометрической осью якоря, по меньшей мере один сливной канал, золотниковое устье которого расположено в примыкающей к торцу стопа части канала затвора, затвор, установленный с возможностью продольного перемещения в канале затвора корпуса клапана, встречную пружину сжатия, установленную противофазно согласной пружине сжатия, отличающийся тем, что стоп, втулка и пробка соединены герметично, жесткость согласной пружины сжатия меньше жесткости встречной пружины сжатия, открытый боковой канал, расположенный на цилиндрической поверхности якоря, выполнен продольно-винтовым, стоп и/или шток снабжены по меньшей мере одним вспомогательным каналом, первое устье которого расположено на торцевой поверхности стопа со стороны якоря в пределах контура канала втулки, а второе устье расположено на торцевой поверхности стопа со стороны корпуса клапана в пределах контура канала затвора.2. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что шток и якорь образуют продольно неразъемную конструкцию.3. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что вспомогательный канал образован каналом стопа и расположенным в канале стопа штоком.4. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что элемент сочленения стопа выполнен в виде резьбового штуцера.5. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что элемент сочленения корпуса клапана выполнен в виде резьбовой расточки канала затвора корпуса клапана со стороны стопа.6. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что согласная пружина сжатия установлена между якорем и пробкой.7. Электромагнитный клапан по п.1, отличающийся тем, что в противоположном стопу конце канала затвора расположен кольцевой упор.8. Электромагнитный клапан по п.7, отличающийся тем, что встречная пружина сжатия установлена в канале затвора корпуса клапана между противоположным стопу торцом затвора и кольцевым упором, расположенным в противоположном стопу конце канала затвора корпуса клапана.