DE10008958A1 - Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte mit mindestens einem Stößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte mit einem Stößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraftmaschinen, wobei in die Ankerplatte keine Bohrung für den Stößel eingebracht wird, und der Stößel durch ein Fügeverfahren, beispielsweise durch Reibschweißen, mit der Ankerplatte verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte mit mindestens einem Stößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus einem Öffnermagnet und einem Schließermagnet, die durch ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind, welches beispielsweise als Gehäuseteil ausgeführt ist. Der Öffnermagnet und der Schließermagnet sind Elektromagneten, die jeweils aus einem Joch und einer Spule bestehen. Zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet befindet sich die aus einem ferroma­ gnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Spule des Öffnermagneten oder der Spule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Der Öffnermagnet weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselven­ til überträgt. Der Schließermagnet weist eine Durchführung für eine Schubstange, auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte über einen Aktorfederteller auf eine in einer Ausformung des Schließermagneten angeordnete Aktorfeder überträgt.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden die Aktorfeder und die Ventilfeder vorge­ spannt, wobei der Ventilstößel und die Schubstange gegen die Ankerplatte gepreßt werden. An die Kontaktstelle zwischen Ventilstößel und Ventilschaft werden dabei besondere hohe Anforderungen an die Festigkeit der verwendeten Materialien gestellt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte exakt in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet. Das Gaswechselventil befindet sich dabei in einer Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Ventil geschlossen ist, und der Position, in der das Ventil maximal geöffnet ist.

Damit die Kräfte der Elektromagneten, die auf die Ankerplatte wirken, von der An­ kerplatte auf den Ventilstößel und auf die Schubstange übertragen werden können, ist es notwendig, die Ankerplatte fest mit dem Ventilstößel und gegebenenfalls auch mit der Schubstange zu verbinden. Dabei muß die Verbindung dafür ausgelegt sein, daß die Ankerplatte und der Ventilstößel bzw. die Schubstange aus unterschiedli­ chen Materialien gefertigt sind. Während die Ankerplatte aus einem hochfesten und ferromagnetischen Material bestehen muß, muß der Ventilstößel und die Schub­ stange vorzugsweise aus einem hochfesten und nicht ferromagnetischen Material gefertigt werden.

In der Druckschrift DE 196 11 547 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung mit einer Ankerplatte, einem Ventilstößel und einer Schubstange darge­ stellt, wobei die Ankerplatte zur Aufnahme des Ventilstößels oder der Schubstange durchbohrt ist. Durch welches Fügeverfahren der Ventilstößel bzw. die Schubstange in der Durchbohrung der Ankerplatte befestigt werden soll, ist in der Druckschrift nicht angegeben.

In der Druckschrift DE 195 34 959 wird beispielsweise die Befestigung der Anker­ platte mit dem Ventilstößel in der Art vorgeschlagen, daß in der Mitte des ferroma­ gnetischen Materials der Ankerplatte eine Bohrung eingebracht wird, in die, gege­ benenfalls über ein Adapterstück, der Ventilstößel eingesetzt und verbunden wird. Als Verbindungsmethoden werden das Elektronenstrahlschweißen, das Laserstrahl­ schweißen und das Hartlöten genannt.

Beim Betrieb des Aktors ist die Verbindung einer hohen dynamischen Belastung ausgesetzt. Bei der vorgeschlagenen Verbindungsmethode besteht die Gefahr, daß durch die hohe dynamische Belastung die Verbindung gegebenenfalls nach nur geringer Standzeit des Aktors sich lösen kann. Dabei würde die Ankerplatte vom Ventilstößel bzw. von der Schubstange abgleiten, wobei der Aktor sofort außer Funktion gesetzt wäre und zudem die Gefahr besteht, daß sich der Aktor regelrecht selbst zerstört.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zum Verbinden einer An­ kerplatte mit mindestens einem Ventilstößel eines Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung anzugeben, bei dem die Verbindung zwischen der Ankerplatte und dem Ventilstößel bzw. der Schubstange sehr hohe Standzeiten des Aktors gewähr­ leistet, wobei die Verbindung kostengünstig und mit geringem Fertigungsaufwand durchzuführen ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wobei eine Stirnseite des mindestens einen Ventilstößels auf die Oberfläche der Ankerplatte (AP) aufgesetzt wird, und danach der mindestens eine Ventilstößel durch ein Fügeverfahren mit der Ankerplatte verbunden wird.

Dabei ist es von grundsätzlicher Bedeutung, daß die Ankerplatte nicht zur Aufnahme des Ventilstößels durchbohrt wird.

Der mindestens eine Ventilstößel wird beispielsweise durch Reibschweißen, Laser­ schweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen mit der Ankerplatte verbunden.

Mittels des Fügeverfahrens kann auch ein Ventilstößel mit einer Ankerplatte ver­ bunden werden, wenn der Ventilstößel und die Ankerplatte aus unterschiedlichen Materialien bestehen.

Die Verbindungsstelle zwischen der Ankerplatte und dem Stößel wird vorzugsweise komplementär ausgeformt. Beispielsweise kann die mit der Ankerplatte zu verbin­ dende Stirnseite des Stößels kugelsegmentförmig ausgebildet werden, wobei in der Ankerplatte eine entsprechend kugelsegmentförmige Mulde ausgebildet wird.

In die Ankerplatte und/oder in den mindestens einen Stößel kann im Bereich der Verbindungsstelle eine das Verbinden unterstützende Oberflächenstruktur einge­ bracht werden, beispielsweise ein Muster aus Riefen.

Die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Ankerplatte werden vor dem Verbinden von Stößel und Ankerplatte durch metallurgische, mechanische, thermische Werkstoffbehandlungen eingestellt. Durch das anschließende Fügever­ fahren zum Verbinden des Stößels mit der Ankerplatte werden die Eigenschaften der Ankerplatte nicht verändert.

In einer nächsten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ankerplatte vor dem Verbinden mit dem Stößel in einer Spannvorrichtung konvex oder konkav vorgespannt wird, wodurch Materialspannungen kompensiert werden.

In einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ankerplatte während dem Verbinden mit dem mindestens einen Ventilstößel zur Vermeidung einer De­ gradation der magnetischen Eigenschaften aktiv gekühlt wird.

In einer weiteren vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann vorgesehen werden, daß der Stößel nach dem Verbinden mit der Ankerplatte beispielsweise mittels einer Drehmaschine nachbearbeitet wird.

Der mindestens eine Ventilstößel und/oder die Ankerplatte wird aus mehreren unterschiedlichen Materialien zusammengesetzt, wobei die mehreren unterschiedli­ chen Materialien des mindestens einen Ventilstößels und/oder der Ankerplatte durch weitere Fügeverfahren miteinander verbunden werden.

Dabei ist vorgesehen, daß das Fügeverfahren und ein weiteres Fügeverfahren in einem gemeinsamen Prozeßschritt durchgeführt werden. Beispielsweise kann ein aus zwei Materialien bestehender Stößel und eine Ankerplatte in einem gemeinsa­ men Prozeßschritt miteinander verbunden werden.

In einer letzten Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Ankerplatte in einem Prozeßschritt mit mehr als einem Stößel verbunden wird. Dazu wird die An­ kerplatte fest eingespannt und ein rotierender Stößel wird auf eine Seite der Anker­ platte geschweißt. Zeitgleich wird auf die andere Seite der Ankerplatte ein weiterer rotierender Stößel geschweißt.

Durch das beschriebene Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte mit mindestens einem Ventilstößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung werden sehr hohe Standzeiten erreicht, da die Kraft von der Ankerplatte direkt auf den Ventilstößel wirkt und nicht über einen etwaigen Fügepartner auf den Ventilstößel übertragen wird.

Im folgenden ist das erfindungsgemäße Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte mit mindestens einem Ventilstößel eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung anhand von einem Ausführungsbeispiel im Zusammenhang mit zwei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 die schematische Darstellung eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit einer Ankerplatte und einem Ventilstößel.

Fig. 2 die schematische Darstellung der Baugruppe aus einer ein Kopfstück aufweisenden Ankerplatte und einem Ventilstößel mit Fußstück.

In Fig. 1 ist ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Öffnermagnet 3 und dem Schließer­ magnet 2, besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus dem Joch 2.1, 3.1 mit dem Spulenfenster 2.2, 3.2 und der im Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erreger­ spule 2.3, 3.3. Die Elektromagneten werden durch zwei aus einem nicht ferroma­ gnetischen Material gefertigte Distanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5.1, die mit dem Ventilstößel 6.1 verbun­ den ist. Der Ventilstößel 6.1 überträgt die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Joch 3.1 des Öffnermagneten 3 auf ein Gaswech­ selventil. Am freien Ende des Ventilstößels 6.1 ist ein Fußstück 6.2 befestigt, des­ sen Materialeigenschaften speziell für den Kontakt mit dem Ventilschaft des Gas­ wechselventils ausgelegt sind.

In der Verlängerung des Ventilstößels 6.1 ist auf der entgegengesetzten Seite der Ankerplatte 5.1 ein Kopfstück 5.2 befestigt, auf dem der Federstößel 7.1 aufliegt. Der Federstößel 7.1 ist in einer Durchführung im Joch 2.1 des Schließermagneten 2 gelagert und überträgt die auf die Ankerplatte 5.1 einwirkenden Kräfte auf die Ak­ torfeder 7.2. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5.1 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5.1 preßt. Auf der Seite des Aktorfedertellers 7.3 des Federstößels 7.1 kann vorteil­ haft ein nicht dargestellter Permanentmagnet angebracht werden, der als Signalge­ ber einer Vorrichtung zur Bestimmung der Position der Ankerplatte 5.1 genutzt wird.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Jochs 2.1 des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 8 eingeschraubt ist. Mittels des Schraubdeckels 8 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 bzw. die Position der Ankerplatte 5.1 verändert werden.

In der Fig. 2 ist eine Baugruppe aus der Ankerplatte 5.1 mit dem Kopfstück 5.2 und dem Ventilstößel 6.1 mit dem Fußstück 6.2 für den Aktor zur elektromagneti­ schen Ventilsteuerung dargestellt.

Die Ankerplatte 5.1 und der Ventilstößel 6.1 bestehen aus unterschiedlichen Mate­ rialien. Während die Ankerplatte 5.1 beispielsweise aus einer Silizium-Weicheisen­ legierung gefertigt wird, wird der Ventilstößel 6.1 aus einem nicht magnetischen Ventilstahl hergestellt, der mit der Weicheisenlegierung der Ankerplatte 5.1 hoch­ fest verbunden wird.

Die magnetischen Eigenschaften der Ankerplatte 5.1 werden vor dem Verbinden der Ankerplatte 5.1 mit dem Ventilstößel 6.2 durch metallurgische, mechanische, ther­ mische Werkstoffbehandlungen eingestellt. Zur Vermeidung einer Degradation der magnetischen Eigenschaften kann die Ankerplatte 5.1 gegebenenfalls während dem Verbinden mit dem Ventilstößel 6.1 aktiv gekühlt werden.

Die Verbindung zwischen der Ankerplatte 5.1 und dem Ventilstößel 6.1 kann vor­ teilhaft mittels eines Reibschweißverfahrens hergestellt werden, wobei der Schweiß­ vorgang durch die Relativbewegung zwischen den Grenzflächen von Ankerplatte 5.1 und Ventilstößel 6.1 erfolgt.

Zur Durchführung des Reibschweißverfahrens wird in einer Vorrichtung die Anker­ platte 5.1 fest eingespannt. Dabei wird zur Vermeidung von Materialspannungen durch das Reibschweißen die Ankerplatte 5.1 konvex vorgespannt.

Anschließend wird der Ventilstößel 6.1 beispielsweise bei einer Drehzahl von 3000 Umdrehungen pro Minute, einer spezifischen Reibkraft von 400 Newton pro Qua­ dratmillimeter und einer spezifischen Stauchkraft von 500 Newton pro Quadratmil­ limeter gegen die Ankerplatte 5.1 gepreßt. Bei dieser Reibschweissung verkürzt sich der Ventilstößel 6.1 um ca. 5 Millimeter.

Alternativ kann der Ventilstößel 6.1 mit einer Drehzahl von 25000 Umdrehungen pro Minute, einer spezifischen Reibkraft von 150 Newton pro Quadratmillimeter und einer spezifischen Stauchkraft von 150 Newton pro Quadratmillimeter gegen die Ankerplatte 5.1 gepreßt werden. Durch die geringeren Schweisskräften verkürzt sich der Ventilstößel 6.1 lediglich um ca. 3 Millimeter, wobei die insgesamt auf die Werkstücke einwirkenden Kräfte geringer sind.

Durch das Reibschweißverfahren bildet sich am Ventilstößel 6.1 an der Verbin­ dungsstelle ein Wulst aus verdrängtem Material aus. Diesem verdrängten Material wird in einem weiteren Bearbeitungsschritt beispielsweise mittels einer Drehma­ schine eine die Festigkeit der Verbindung steigernde Form gegeben.

Zur Vergrößerung der verschweißenden Fläche sowie zur Zentrierung kann die Ankerplatte 5.1 vorteilhaft eine Mulde als Ausformung aufweisen, in welcher der Ventilstößel 6.1 verschweißt wird. Die mit der Ankerplatte 5.1 zu verbindende Stirn­ seite des Ventilstößels 6.1 ist dabei komplementär zur Ausformung der Ankerplatte 5.1, beispielsweise kugelsegmentförmig, geformt.

Der Federstößel 7.1 wird aus einem nicht ferromagnetischen Ventilstahl gefertigt. Um zu vermeiden, daß am Federstößel 7.1 und/oder an der aus einem Weicheisen bestehende Ankerplatte 5.1 Verschleiß entsteht, wird auf der Ankerplatte 5.1 ein Kopfstück 5.2 befestigt. Das Material des Kopfstückes 5.2 wird dabei für die zwi­ schen Federstößel 6.1 und Kopfstück 5.2 auftretenden Beanspruchungen ausgelegt. Das Kopfstück 5.2 kann beispielsweise durch Kondensatorentladungsschweißen auf der Ankerplatte 5.1 befestigt werden. Gegebenenfalls kann das Kopfstück 5.2 auch in die Ankerplatte 5.1 eingearbeitet werden.

Ebenso kann der Ventilstößel 6.2 aus mehreren unterschiedlichen, miteinander verbundenen Materialien hergestellt werden. Beispielsweise kann an dem der An­ kerplatte 5.1 entgegengesetzten Seite des Ventilstößels 6.1 ein Fußstück 6.2 befe­ stigt werden. Das Material des Fußstücks 6.2 wird dabei für die zwischen dem Gaswechselventil und dem Kopfstück 6.2 auftretenden Beanspruchungen ausgelegt. Das Fußstück 6.2 kann beispielsweise ebenfalls durch Kondensatorentladungs­ schweißen an dem Ventilstößel 6.1 befestigt werden.

Alternativ kann das Kopfstück 5.2 ebenfalls durch Reibschweißen mit der Ankerplat­ te 5.1 verbunden werden, wobei der Ventilstößel 6.1 und das Kopfstück 5.2 zeit­ gleich in einem gemeinsamen Prozeßschritt mit der Ankerplatte 5.1 verbunden werden. Dazu wird die Ankerplatte 5.1 in eine Reibschweißvorrichtung eingespannt, wobei der Ventilstößel 6.1 von einer Seite der Ankerplatte 5.1 gegen die Ankerplat­ te 5.1 geführt wird, und das Kopfstück 5.2 von der anderen Seite der Ankerplatte 5.1 gegen die Ankerplatte 5.1 geführt wird. Dabei besteht die Möglichkeit für den Ventilstößel 6.1 und für das Fußstück 5.2 unterschiedliche Drehzahlen sowie unter­ schiedliche spezifische Reib- und Stauchkräfte einzustellen.

Das beschriebene Verfahren zur Herstellung einer aus Ankerplatte 5.1 und Ven­ tilstößel 6.1 bestehenden Baugruppe eines Aktors zur elektromagnetischen Ventil­ steuerung bei Brennkraftmaschinen gewährleistet eine hochfeste Verbindung, die auch einer sehr hohen Belastung standhält, wobei das Verfahren Energie, Zeit und somit Kosten einspart.

Claims (12)

1. Verfahren zum Verbinden einer Ankerplatte (5.1) mit mindestens einem Stößel (6.1) eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung, dadurch gekenn­ zeichnet, daß eine Stirnseite des mindestens einen Stößels (6.1) auf die Ober­ fläche der Ankerplatte (5.1) aufgesetzt wird, und daß danach der mindestens ei­ ne Stößel (6.1) durch ein Fügeverfahren mit der Ankerplatte (5.1) verbunden wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der mindestens eine Stößel (6.1) durch Reibschweißen, Laserschweißen, Elektronenstrahlschweißen oder Kondensatorentladungsschweißen mit der Ankerplatte (5.1) verbunden wird.

3. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels des Fügeverfahrens Stößel (6.1) Ankerplatte (5.1) aus unter­ schiedlichen Materialien verbunden werden.

4. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Verbindungsstelle von Ankerplatte (5.1) und Stößel (6.1) komple­ mentär ausgeformt wird.

5. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß in die Ankerplatte (5.1) und/oder in den mindestens einen Stößel (6.1) im Bereich der Verbindungsstelle eine das Verbinden unterstützende Oberflä­ chenstruktur eingebracht wird.

6. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die magnetischen und mechanischen Eigenschaften der Ankerplatte (5.1) vor dem Verbinden von Stößel (6.1) und Ankerplatte (5.1) eingestellt wer­ den, und daß die Eigenschaften der Ankerplatte (5.1) durch das Fügeverfahren nicht verändert werden.

7. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ankerplatte (5.1) vor dem Verbinden mit dem mindestens einen Stößel (6.1) in einer Vorrichtung konvex oder konkav vorgespannt wird.

8. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ankerplatte (5.1) während dem Verbinden mit dem mindestens ei­ nen Stößel (6.1) gekühlt wird.

9. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der Stößel (6.1) nach dem Verbinden mit der Ankerplatte (5.1) nachbe­ arbeitet wird.

10. Verfahren nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeich­ net, daß der mindestens eine Stößel (6.1) und/oder die Ankerplatte (5.1) aus mehreren unterschiedlichen Materialien gefertigt werden, und daß die mehreren unterschiedlichen Materialien des mindestens einen Stößels (6.1) und/oder der Ankerplatte (5.1) durch weitere Fügeverfahren miteinander verbunden werden.

11. Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß das Fügeverfahren und zumindest ein weiteres Fügeverfahren in einem gemeinsamen Prozeßschritt durchgeführt werden.

12. Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zum Verbinden einer Ankerplatte (5.1) mit mehr als einem Stößel (5.2; 6.1) die Ankerplatte (5.1) eingespannt und ein rotierender Stößel (6.1) auf eine Seite der Ankerplatte (5.1) geschweißt wird, und daß zeitgleich, in einem gemeinsamen Prozeßschritt, auf die andere Seite der Ankerplatte (5.1) ein weiterer rotierender Stößel (5.2) geschweißt wird.