DE10044486A1

DE10044486A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens eines Hydraulikventils

Info

Publication number: DE10044486A1
Application number: DE10044486A
Authority: DE
Inventors: Jens Schaefer
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 1999-10-05
Filing date: 2000-09-08
Publication date: 2001-04-12

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens (3) eines Hydraulikventils (1, 1'), das vorzugsweise der Beaufschlagung eines Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors dient. DOLLAR A Die hohe Verlustleistung des überwiegend in mittlerer Regellage betriebenen Hydraulikventils (1) wird dadurch minimiert, dass die Lageregelung des Ankers (5, 29) eines Elektromagneten (4, 24') von einer stromlosen, mittleren Regellage ausgeht und in Richtung seiner Endposition mit steigender Bestromung erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens eines Hydraulikventils, insbesondere nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche 1, 2 und 3.

Hintergrund der Erfindung

In der DE 197 45 234 A1 ist unter anderem ein Hydraulikventil beschrieben, dessen Ventilkolben durch Bestromung eines Elektromagneten zwischen sei nen Endpositionen kontinuierlich verstellt bzw. geregelt wird. Derartige Hy draulikventile dienen vorzugsweise der Lageregelung von Nockenwellenver stellern für Verbrennungsmotoren.

Während etwa 90% der Betriebsdauer wird ein Nockenwellenversteller in sei ner Regellage, d. h. mit dem Ventilkolben nahe seiner Mittellage betrieben. Zum Halten des Ventilkolbens in seiner Mittellage muss der Elektromagnet mit einem Haltestrom bestromt werden. Dieser führt zu einer Verlustleistung (Pv = R × i²), die eine Aufheizung des Elektromagneten bewirkt. Dessen thermi sche Dauerfestigkeit bestimmt die bei höchster Umgebungstemperatur maximal zulässige Verlustleistung. Diese wiederum bestimmt Bauraum, Platz- und Mate rialbedarf sowie Gewicht und damit die Kosten des Elektromagneten sowie dessen Lebensdauer und Verfügbarkeit.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Elektromagneten, durch des sen Bestromung die axiale Stellung des Ventilkolbens eines Hydraulikventils zwischen zwei Endpositionen kontinuierlich verstellt bzw. geregelt wird, so auszubilden, dass dessen Verlustleistung minimiert wird.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1, 2 und 3 gelöst.

Dadurch, dass gemäß Verfahrensanspruch 1 die Lageregelung des Ankers von dessen stromloser, mittlerer Regellage ausgehend in Richtung seiner Endposi tionen mit steigender Bestromung erfolgt und der Nockenwellenversteller wäh rend etwa 90% seiner Betriebsdauer mit der mittleren Regellage des Elektro magneten betrieben wird, halbiert sich dessen Verlustleistung in etwa. Dies führt bei konventioneller Auslegung des Elektromagneten zu einer Tempera turabsenkung, wodurch dessen Verfügbarkeit und Zuverlässigkeit steigen. Bei einer Auslegung auf maximal zulässige Betriebstemperatur sinken Bauauf wand, Volumen, Gewicht und Kosten des Elektromagneten.

Die Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1 weist einen ersten Elektromagneten mit zwei hintereinander angeordneten, gegenpoligen Magnetspulen und einen von zwei entgegengerichteten Druckfedern in unbe stromter Mittellage gehaltenen ersten Anker auf. Die beiden gegenpoligen Ma gnetspulen werden einzeln bestromt und bewegen dadurch den ersten Anker gegen die Federkraft einer der entgegengerichteten Druckfedern in Richtung Endposition.

Der zweite unabhängige Vorrichtungsanspruch zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 1 beschreibt einen zweiten Elektromagneten, mit einer umpolbaren Magnetspule und einem in Reihe angeordneten Dauermagneten sowie einen zweiten Anker, der von der Magnetkraft des Dauermagneten und der dieser entgegenwirkenden Federkraft einer zweiten Druckfeder in der un bestromten Mittellage gehalten ist. Durch Bestromen der umpolbaren Magnet spule in wechselnder Stromrichtung wird das Magnetfeld des Dauermagneten verstärkt oder geschwächt und so der zweite Anker mit oder gegen die Feder kraft der zweiten Druckfeder in Richtung seiner beiden Endpositionen bewegt.

Weil die Magnetspulen Polkerne mit Ansätzen in Konusform aufweisen, besit zen die Magnetspulen eine annähernd lineare Kraft-Hub-Kennlinie.

Eine kostengünstige Lösung besteht darin, dass die Anker mit den Ventilkolben einteilig ausgebildet sind. Das gleiche gilt auch dafür, dass die gegenpoligen Magnetspulen und die entgegenwirkenden Druckfedern sowie die Anker jeweils gleich ausgebildet sind.

Vorteilhaft ist, dass die unbestromte Regellage des Ventilkolbens durch unter schiedliche Vorspannung der entgegenwirkenden Druckfedern geringfügig au ßermittig ist. Auf diese Weise ist der stromlose Arbeitspunkt leicht über die hydraulische Mittellage des Ventilkolbens hinaus verschoben. Der dadurch bedingte geringe Ölstrom dient dem Ausgleich von Ölzuführungs- und Ver stellerleckagen.

Es ist erforderlich, dass das Ventilgehäuse aus nicht magnetischem Material, vorzugsweise aus austenitischem Stahl besteht. Dadurch kann sich der Ma gnetkreis trotz des magnetisierbaren Ventilkolbens nicht über das Ventilgehäu se schließen.

Es ist von Vorteil, wenn die Magnetspulen in Regellage ("unbestromte" Lage) des Ankers eine geringe Bestromung, beispielsweise von 0,15 Ampere, auf weisen. Das Verhältnis Kraft/Strom ist für geringe Ströme nicht linear. Um die sen Effekt im Falle eines Betriebs des Magneten mit einfachem Regler zu eli minieren, werden die gegengepolten Magnetspulen auch für den Betrieb des Nockenwellenverstellers in geregelter Position mit einem geringen Strom be aufschlagt. Hierdurch wird während des Betriebs des Hydraulikventils nur der annähernd lineare Bereich der Kraft-Strom-Kennlinie genutzt.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass zwischen den gegenpoligen Magnetspulen eine gemeinsame Jochscheibe mit einer Füh rungsbohrung vorgesehen ist, die als radiale Führung des ersten Ankers dient. Die Jochscheibe schließt den Magnetkreis und dient gleichzeitig der radialen Ankerlagerung, während der mit dem Anker verbundene Ventilkolben im Ven tilgehäuse geführt ist. Es ist aber auch möglich den Anker anderweitig, bei spielsweise über Kugellager oder dergleichen, zu führen.

Für die Verschleißfestigkeit von Anker und Jochscheibe ist es vorteilhaft, wenn die Führungsbohrung eine reibungsmindernde (z. B. durch eine Zinn- oder Nickel-PTFE-Beschichtung) und/oder eine verschleißfeste (z. B. nitrierte) Ober fläche aufweist. Eine Schmiernut in der Führungsbohrung kann für einen Ölvor rat in der Führungsbohrung sorgen, um immer flüssige Reibung zu gewährlei sten.

Die Verwendung von magnetischen Folien anstelle des Dauermagneten ver mindert den Platzbedarf des Elektromagneten.

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen Ausführungsbei spiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher er läutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch ein Hydraulikventil mit einem er sten Elektromagneten, der zwei gegenpolige Magnetspulen aufweist;

Fig. 1a einen Schnitt A-A durch einen geschlitzten Polkern;

Fig. 2 einen Längsschnitt gemäß Fig. 1, jedoch mit einem zweiten Elektromagneten, der einen Dauermagneten und eine um polbare Magnetspule aufweist;

Fig. 3 ein Spulenstrom-Magnetkraft-Diagramm;

Fig. 4 ein Federweg-Federkraft-Diagramm für die entgegenwirken den Druckfedern;

Fig. 5 ein Ventildurchfluss-Diagramm.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen Längsschnitt durch ein Hydraulikventil 1, das in seiner un bestromten Regellage dargestellt ist. Es weist ein Ventilgehäuse 2 mit einem Ventilkolben 3 und einem ersten Elektromagneten 4 mit einem ersten Anker 5 auf.

Am Ventilgehäuse 2 sind ein Druckanschluß P und zwei Kammeranschlüsse A und B vorgesehen. Der Druckanschluß P ist mit einer nicht dargestellten Druckquelle, in der Regel der Schmierölpumpe des Verbrennungsmotors, ver bunden, die Kammeranschlüsse A und B mit entsprechenden Kammern des ebenfalls nicht dargestellten Nockenwellenverstellers.

Das Ventilgehäuse 2 weist eine koaxiale Führungsbohrung 6 auf, in der der Ventilkolben 3 dichtend geführt ist. Jeder der Anschlüsse P, A, B weist eine äußere Ringnut 7 und die Anschlüsse A und B eine innere Ringnut 8 auf, die durch radiale Verbindungsbohrungen 9 miteinander verbunden sind. Die Kan ten zwischen den inneren Ringnuten 8 und der Führungsbohrung 6 bilden die Steuerkanten, die von den Steuerzylindern 10 des Ventilkolbens 3 beherrscht werden. Dieser weist eine Mittenbohrung 11 und zwei Querbohrungen 12 auf, die zu einem Tankanschluß T führen.

Der erste Elektromagnet 4 weist zwei in Reihe angeordnete, gegengepolte Magnetspulen 13, 13' mit je einem Polkern 14, 14' an deren freien Enden und einer gemeinsamen Jochscheibe 15 zwischen beiden auf. Die Magnetspulen 13, 13' sind von einer Hülse 16 umschlossen, die an einem Ende mit einem Stromanschluß 17 verbördelt und am anderen Ende über einen Preßsitz und einen Runddichtring 18 mit dem Ventilgehäuse 2 öldicht verbunden ist.

Die Jochscheibe 15 weist eine nitrierte oder mit Zinn bzw. Nickel-PTFE be schichtete Gleitbohrung 19 auf, die zur Führung des mit dem Ventilkolben 3 einstückig ausgebildeten ersten Ankers 5 dient. Dieser ist durch zwei gleiche, aber unterschiedlich vorgespannte und entgegenwirkende erste Druckfedern 20, 20' axial beaufschlagt, die sich auf den ersten Polkernen 14, 14' abstützen. Die kostengünstige, einteilige Ausbildung von Ventilkolben 3 und Anker 5 hat einen magnetischen Ventilkolben 3 zur Folge. Damit sich der Magnetkreis nicht über den magnetisierbaren Ventilkolben 3 und das Ventilgehäuse 2 schließt, ist dieses aus nicht magnetisierbaren, austenitischen Stahl hergestellt. Dieser weist gegenüber dem ebenfalls geeigneten Leichtmetall einen die Dichtheit fördernden geringeren thermischen Ausdehnungskoeffizienten auf.

Am ventilkolbennahen Ende des ersten Ankers 5 ist eine Ankernut 21 vorgese hen, auf deren Schulter 22 sich die erste Druckfeder 20' abstützt. Die Montage des ventilgehäusenahen ersten Polkerns 14' erfordert, wie aus Fig. 1a her vorgeht, einen Montageschlitz 23 in denselben.

In Fig. 2 ist ein alternatives Hydraulikventil 1' ebenfalls in stromloser Regella ge dargestellt, dass sich vom Hydraulikventil 1 durch einen geänderten, zwei ten Elektromagneten 24 unterscheidet. Dieser weist eine einzige, umpolbare Magnetspule 25 auf, die mit einem Dauermagneten 26 in Reihe geschaltet ist, der am ventilgehäusenahen Ende der umpolbaren Magnetspule 25 auf dem Ventilgehäuse 2 stehend angeordnet ist. Der zweite Anker 29 wird auf seiner ventilgehäusenahen Seite von einer zweiten Druckfeder 27 beaufschlagt, die im Gleichgewicht mit den jeweiligen Magnetkräften steht. Der ventilgehäusena he zweite Polkern 28' benötigt ebenfalls einen Montageschlitz.

Das Hydraulikventil 1 funktioniert folgendermaßen:

In der sogenannten unbestromten Regellage sind beide Magnetspulen 13, 13' mit einem annähernd gleichen, geringen aber gegengerichteten Strom be stromt. Das hat, wie Fig. 3 zeigt, zur Folge, dass für den Regelbetrieb der annähernd lineare Bereich der Kraft-Strom-Kennlinie zur Verfügung steht, wo durch ein einfacher Regler verwendbar ist.

Die leicht unterschiedliche Vorspannung der ersten Druckfedern 20, 20' hat, wie aus Fig. 4 hervorgeht, zur Folge, dass die unbestromte Mittellage von Anker 5 bzw. Ventilkolben 3 geringfügig außermittig liegt. Dadurch fließt gemäß Fig. 5, die den Durchfluss Q über dem Ankerhub s zeigt, ein geringer Ölstrom, der zum Ausgleich der Leckage an der Ölzuführung zum Versteller und in dem selben sowie zur Kompensation der Schleppmomente des Ventiltriebs dient.

Während jede der beiden Magnetspulen 13, 13' des ersten Elektromagneten 4 zur Bestreichung des Regelbereichs beiderseits der Mittellage einzeln und mit unterschiedlichem, aber jeweils gleichbleibend gepoltem Strom beaufschlagt wirde, wird die einzige, umpolbare Magnetspule 25 des zweiten Elektroma gneten 24 von Fig. 2 abwechselnd mit unterschiedlich gepoltem Strom betrie ben. Dabei überlagern sich das Magnetfeld des Dauermagneten mit den Ma gnetfeldern der unterschiedlich gepolten Magnetspule 25, was zu einer Stär kung oder Schwächung des Dauermagnetfeldes und dessen Magnetkraft führt.

Dadurch wird die zweite Druckfeder 27 mehr oder weniger vorgespannt und der Regelbereich des Ventilkolbens 3 zwischen den Endpositionen durchfahren.

Die stromlose Regellage im Bereich der Mittellage des Ventilkolbens 3 deckt erfahrungsgemäß ca. 90% der Betriebszustände des Nockenwellenverstellers ab, während mit den bestromten, in Richtung Endpositionen gerichteten Re gellagen die restlichen 10% aller Betriebszustände bestritten werden. Das führt zu einer drastischen Verringerung von Stromverbrauch und Verlustlei stung bei beiden Ausführungen. Je nach Auslegung der Magnetspulen kann dieser Gewinn eine deutliche Temperatursenkung der Magnetspulen 13, 13' und 25 oder eine Verringerung von deren Bauvolumen, Baugewicht und Bau kosten zur Folge haben.

Bezugszahlenliste

1

Hydraulikventil

1

' alternatives Hydraulikventil

2

Ventilgehäuse

3

Ventilkolben

4

erster Elektromagnet

5

erster Anker

6

Führungsbohrung

7

äußere Ringnut

8

innere Ringnut

9

Verbindungsbohrung

9

' Steuerzylinder

11

Mittenbohrung

12

Querbohrung

13

,

13

' gegenpolige Magnetspulen

14

,

14

' erste Polkerne

15

Jochscheibe

16

Hülse

17

Stromanschluß

18

Runddichtring

19

Gleitbohrung

20

,

20

' entgegenwirkende Druckfedern

21

Ankernut

22

Schulter

23

Montageschlitz

24

zweiter Elektromagnet

25

umpolbare Magnetspule

26

Dauermagnet

27

zweite Druckfeder

28

,

28

' zweite Polkerne

29

zweiter Anker

Claims

1. Verfahren zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens eines Hydrau likventils, das vorzugsweise der Beaufschlagung des Nockenwellenver stellers eines Verbrennungsmotors dient, wobei der Ventilkolben in Wirk verbindung mit einem Anker eines Elektromagneten steht, durch dessen entsprechende Bestromung der Ventilkolben zwischen seinen Endpositio nen kontinuierlich verstellt bzw. geregelt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Lageregelung des Ventilkolbens (3) von einer stromlosen, mittle ren Regellage ausgeht und in Richtung seiner Endpositionen mit steigen der Bestromung erfolgt.

2. Vorrichtung zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens eines Hy draulikventils, das vorzugsweise der Beaufschlagung eines Nockenwellen verstellers eines Verbrennungsmotors dient, wobei der Ventilkolben in Wirkverbindung mit einem Anker eines Elektromagneten steht, durch des sen entsprechende Bestromung der Ventilkolben zwischen seinen Endpo sitionen kontinuierlich verstellbar bzw. regelbar ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet als erster Elektromagnet (4) zwei hintereinander angeordnete Magnetspulen (13, 13') mit einem ersten Anker (5) aufweist, der von zwei entgegenwirkenden, ersten Druckfedern (20, 20') in unbe stromter Mittelstellung gehalten ist.

3. Vorrichtung zur Regelung der axialen Lage des Ventilkolbens eines Hy draulikventils, das vorzugsweise der Beaufschlagung eines Nockenwellen verstellers eines Verbrennungsmotors dient, wobei der Ventilkolben in Wirkverbindung mit einem Anker eines Elektromagneten steht, durch des sen entsprechende Bestromung der Ventilkolben zwischen seinen Endpo sitionen kontinuierlich verstellbar bzw. regelbar ist, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet als zweiter Elektromagnet (24) eine umpolbaren Magnetspule (25) mit einem in Reihe angeordneten Dauermagneten (26) und einem zweiten Anker (29) aufweist, der von der Magnetkraft des Dau ermagneten (26) und der dieser entgegenwirkenden Federkraft einer zweiten Druckfeder (27) in der unbestromten Mittellage gehalten ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Magnetspulen (13, 13', 25) Polkerne (14, 14', 28, 28') mit Ansätzen in Ko nusform aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Anker (5, 29) mit dem Ventilkolben (3) einteilig ausgebildet sind.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ma gnetspulen (13, 13') und die entgegenwirkenden Druckfedern (20, 20') so wie die Anker (5, 29) jeweils gleich ausgebildet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die unbe stromte Regellage des Ventilkolbens (3) durch unterschiedliche Vorspan nung der entgegenwirkenden Druckfedern (20, 20') geringfügig außermittig ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ventil gehäuse (2) aus nichtmagnetischem Material, vorzugsweise aus austeniti schem Stahl besteht.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ma gnetspulen (13, 13', 25) in Regellage ("unbestromte" Lage) des Ankers (5, 29) eine geringe Bestromung, beispielsweise von 0,15 Ampere, aufweisen.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen den gegenpoligen Magnetspulen (13, 13') eine gemeinsame Jochscheibe (15) mit einer Führungsbohrung (6) vorgesehen ist, die als radiale Führung des ersten Ankers (5) dient.

11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Füh rungsbohrung (6) eine reibungsmindernde und/oder verschleißfeste Ober fläche aufweist, beispielsweise durch eine Zinn- oder Nickel-PTFE-Be schichtung oder durch Nitrieren.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass anstelle des massiven Dauermagneten (26) magnetische Folien vorgesehen sind.