DE102004029504B4

DE102004029504B4 - Verfahren zur Herstellung eines Aktuators und nach dem Verfahren erhältlicher Aktuator

Info

Publication number: DE102004029504B4
Application number: DE102004029504A
Authority: DE
Inventors: Olaf Dr. Josef; Klaus Dr. Gebauer; Christoph Dr. Hartwig; Ewald Jördens
Original assignee: TRW Automotive GmbH
Current assignee: ZF Automotive Germany GmbH
Priority date: 2004-06-18
Filing date: 2004-06-18
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2024-06-19
Also published as: DE102004029504A1

Abstract

Verfahren zur Herstellung eines Aktuators (14), insbesondere eines Aktuators eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils (12) einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Aktuator (14) einen Stößel (20) und ein am Stößel (20) angebrachtes Target (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) durch ein thermisches Spritzverfahren auf den Stößel (20) aufgebracht und dadurch unmittelbar am Stößel (20) befestigt wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines Aktuators, insbesondere eines Aktuators eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils einer Brennkraftmaschine, wobei der Aktuator einen Stößel und ein am Stößel angebrachtes Target aufweist.
Für die Positions- oder Geschwindigkeitsbestimmung von Magnetankern bei nockenwellenlosen Ventiltrieben werden häufig Weg- bzw. Geschwindigkeitssensoren eingesetzt, die auf dem induktiven Wirkprinzip beruhen oder mit einer Hallsonde bzw. einem anderen magnetische Felder messenden Sensor ausgerüstet sind. Dabei wird ein weichmagnetisches Sensortarget fest mit dem den Ankerschaft bildenden Stößel des Magnetankers verbunden. Mittels eines entsprechend ausgelegten Sensors wird die Position bzw. die Geschwindigkeit des Targets und damit des Stößels erkannt und einer Regel- und Steuereinheit zugeführt. Die Signalgute wird von dem Permeabilitätsunterschied zwischen dem Targetmaterial und dem umgebenden Material des Stößels bzw., bei mit Wechselstrom gespeisten induktiven Sensoren, von dem Unterschied des spezifischen elektrischen Leitwertes zwischen dem Material des Sensortargets und des Stößels beeinflußt. Üblicherweise werden für das Sensortarget weichmagnetische, das heißt ferromagnetische oder ferrimagnetische, Materialien verwendet und der Stößel ist aus einem nichtmagnetischen, das heißt dia-, para- oder antiferromagnetischen Material gebildet. Es können aber auch hochleitende Sensortargets, beispielsweise aus Kupfer, mit einem Stößel aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit verwendet werden. Auch umgekehrte Kombinationen der vorgenannten Materialien für den Stößel und das Sensortarget sind möglich.
Die bisher eingesetzten Sensortargets werden üblicherweise aus Vollmaterial durch Prägen, Drehen, Fräsen oder Erodieren hergestellt und mit dem Ankerschaft verbunden. Hierzu werden die Targets in eine Nut im Stößel eingelötet, eingeklebt oder eingepreßt, oder das Targetmaterial wird durch Galvanisieren aufgetragen. Diese Verfahren sind zeit- und kostenintensiv und können bei der Serienfertigung zu einer Streuung der Signalgüte über größere Stückzahlen führen, falls nicht alle Verfahrensbedingungen in engen Grenzen konstant gehalten werden.
Die DE 101 57 119 A1 offenbart einen Aktuator mit einer Sensoranordnung zur Erfassung der Bewegung eines Ankers, wobei ein axial bewegbares Sensorteil mit einem Kurzschlußelement versehen ist, das von einer feststehenden Spulenanordnung umgeben ist. Insbesondere kann dabei das als Sensortarget ausgebildete Kurzschlußelement in eine Nut des Sensorteils eingesetzt sein.
In der DE 100 21 152 A1 ist eine Anordnung zur kapazitiven Messung eines Ventilhubs beschrieben, wobei als Sensortarget ein Dielektrikum dient, welches bündig in einen Ventilschaft eingelegt ist.
Aus der DE 202 09 369 U1 ist ein elektromagnetischer Aktuator bekannt, der ein am Stößel angebrachtes Target aufweist, und bei dem das Target Eisen oder eine Eisenlegierung enthält und pulvermetallurgisch hergestellt ist. Das so hergestellte Target soll sich durch eine geringe elektrische Leitfähigkeit, eine hohe Permeabilität, eine geringe Koerzitivfeldstärke und eine gute Frequenzstabilität der Permeabilität auszeichnen.
Aufgabe der Erfindung ist es, das Herstellungsverfahren für einen Aktuator mit Sensortarget zu vereinfachen und darüber hinaus einen mit einem Sensortarget versehenen Aktuator zu schaffen, bei dem in der Serienproduktion eine gleichbleibende Qualität des Sensortargets gewährleistet ist.
Dies wird bei einem Verfahren zur Herstellung eines Aktuators, insbesondere eines Aktuators eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils einer Brennkraftmaschine, der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß das Target durch ein thermisches Spritzverfahren auf den Stößel aufgebracht und dadurch unmittelbar am Stößel befestigt wird. Dieses Verfahren führt zu einer guten Haftung des Targets am Stößel, ohne daß eine die magnetischen Eigenschaften der verwendeten Materialien beeinflussende Lötung oder Klebung durchgeführt werden muß. Damit ist auch die Signalgüte des Sensortargets erheblich verbessert und die sogenannte Serienstreuung ist auf ein Minimum reduziert. Schließlich kann das erfindungsgemäße Verfahren in einfacher Weise an verschiedene Targetmaterialien angepaßt werden. Je nach dem gewünschten Meßprinzip des Sensors und dem gewünschten thermischen Spritzverfahren kann das für Verfahren und Sensor am besten geeignete Targetmaterial ausgewählt werden. Insbesondere kann das Target durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen auf den Stößel aufgebracht werden.
Bevorzugt wird das Target aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material, wie beispielsweise Fe, Ni, Co, NiFe, FeSi und FeCo, hergestellt. Bei mit Wechselstrom gespeisten induktiven Sensoren, die ein Sensortarget mit guter elektrischer Leitfähigkeit benötigen, werden bevorzugt elektrisch hochleitende Materialien, wie beispielsweise Kupfer, zur Herstellung des Targets verwendet. Falls Sensoren eingesetzt werden, die ein Target mit einem schlechten elektrischen Leitwert benötigen, wird das thermische Spritzverfahren zur Herstellung des Targets unter oxidierenden Bedingungen durchgeführt. Dadurch bilden sich feine Partikel, die beim Auftreffen auf den Stößel bereits oberflächlich oxidiert sind. Alternativ dazu kann als Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen auch ein bereits voroxidiertes Pulvermaterial verwendet werden.
Besonders vorteilhaft ist, wenn der Stößel eine Umfangsnut aufweist und das Target als ein kreisförmig geschlossener Targetring mit einem thermischen Spritzverfahren in die Nut eingebracht wird.
Gegenstand der Erfindung ist ferner ein Aktuator zur Betätigung eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils einer Brennkraftmaschine, der nach dem oben beschriebenen Verfahren erhältlich ist, und der einen oszillierend bewegten, mit dem Hubventil gekoppelten Stößel aufweist. Das direkt am Außenumfang des Stößels angebrachte Target ist durch ein thermisches Spritzverfahren hergestellt.
In der Nähe des Targetrings ist vorzugsweise ein auf dem Induktionsprinzip arbeitender oder ein auf der Messung magnetischer Felder beruhender Sensor vorgesehen, der die Lage, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Targets und damit des Stößels erfaßt.
Weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform und der Zeichnung, auf die Bezug genommen wird. In der Zeichnung zeigen:
1 einen Längsschnitt durch einen in einer Brennkraftmaschine eingebauten Aktuator und des durch den Aktuator betätigten, nockenwellenlos angetriebenen Hubventils; und
2 eine vergrößerte Ansicht des Stößels im Bereich des Targets.
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 im Bereich des Zylinderkopfes dargestellt, bei der das Hubventil 12 durch einen nockenwellenlosen Ventiltrieb in Form eines elektromagnetischen Aktuators 14 betätigt wird. Der Aktuator 14 umfaßt zwei Elektromagnete 16, 18, durch die sich ein Anker oder, allgemeiner gesagt, ein Stößel 20 erstreckt, der an seinem unteren Ende zeitweilig an den Ventilschaft 22 anschlägt, so daß die axiale, oszillierende Bewegung des Stößels 20 unmittelbar eine entsprechende Bewegung des Hubventils 12 hervorruft. Die Axialbewegung des Stößels 20 soll weggesteuert erfolgen, weshalb die Lage des Stößels 20 möglichst exakt und schnell ermittelt werden muß. Ein den Stößel 20 umgebender induktiv arbeitender oder auf der Messung magnetischer Felder beruhender Sensor 24 ist für die Positionsbestimmung des Stößels 20 vorgesehen. Radial einwärts des Sensors 24 ist ein Targetring 26 in einer Umfangsnut 60 im Stößel spiel- und spaltfrei aufgenommen. Der Sensor 24 bestimmt die Lage des Targetrings 26 und damit des Stößels 20 und des Hubventils 22.
Der Targetring 26 ist gemäß einer Ausführungsform aus einem weichmagnetischen Material, insbesondere aus ferromagnetischen bzw. ferrimagnetischen Elementen oder Legierungen wie beispielsweise Fe, Ni, Co, NiFe, FeSi oder FeCo, hergestellt. Gemäß einer anderen Ausführungsform kann zur Herstellung des Targets 26 ein elektrisch hochleitendes Material, wie zum Beispiel Kupfer, verwendet werden. Je nach dem Material des Ankerschafts und/oder dem Arbeitsprinzip des Sensors kann das Target schließlich auch aus einem Material mit einem schlechten elektrischen Leitwert bestehen. Hierzu werden insbesondere oberflächlich oxidierte Metallpulver und ganz besonders bevorzugt reines Eisenpulver (Reinheitsgrad größer als 95%) mit oxidierter Außenoberfläche der Pulverteilchen verwendet.
Der Stößel 20 ist vorzugsweise aus einem nicht-magnetischen Werkstoff, beispielsweise einer nicht-magnetischen Stahlstange, gefertigt. Das Hubventil 12 wird bei der in 1 gezeigten Ausführungsform durch eine Druckfeder 30 in die gezeigte Schließstellung gedrückt, die an einem am Ventilschaft 22 befestigten Federteller 28 angreift.
Die Herstellung des Targets 26 erfolgt erfindungsgemäß durch ein thermisches Spritzverfahren, wie beispielsweise Plasmaspritzen oder Flammspritzen. Das Ausgangsmaterial für das Target 26, beispielsweise ferromagnetische bzw. ferrimagnetische Elemente oder Legierungen wie Fe, Ni, Co, NiFe, FeSi, FeCo, oder ein hochleitendes elektrisches Material wie Kupfer, kann dabei pulverförmig oder in fester Form, beispielsweise als Draht, vorliegen. In einer mit Druckgas betriebenen Spritzpistole werden diese Ausgangsmaterialien durch Erhitzen oder in einem Plasma geschmolzen bzw. plastifiziert und in kleinste Partikel zerstäubt. Diese treffen in der noch fast flüssigen Phase auf die Oberfläche des Stößels 20 im Bereich der Umfangsnut 60 auf, wo sich die einzelnen Partikel zu einer zusammenhängenden Schicht aneinanderlagern und sich untereinander und mit der Oberfläche des Stößels 20 verklammern. Das thermische Spritzverfahren wird üblicherweise unter einer Inertgasatmosphäre durchgeführt. Falls ein Target 26 mit schlechtem elektrischen Leitwert benötigt wird, kann das themische Spritzverfahren auch in einer oxidierenden Atmosphäre, beispielsweise mit Druckluft, durchgeführt werden. Es ist ebenso möglich, bereits voroxidierte Metallpulver als Ausgangsmaterial für das thermische Spritzen zu verwenden.
Die Auswahl des geeigneten Targetmaterials erfolgt im Hinblick auf das gewünschte Meßprinzip des Sensors 24 und das gewünschte Spritzverfahren. Um eine hohe Signalgüte zu erreichen, ist ein möglichst großer Permeabilitätsunterschied zwischen dem Material des Targets 26 und des Stößels 20 einzustellen. Bei mit Wechselstrom gespeisten induktiven Sensoren 24 soll der Unterschied des spezifischen elektrischen Leitwerts zwischen dem Target 26 und dem Material des Stößels 20 möglichst groß sein. Es können daher entweder weichmagnetische Targets 26 mit einem nichtmagnetischen Stößel 20 und/oder ein hochleitendes Target 26 mit einem Stößel 20 aus einem Material mit geringer elektrischer Leitfähigkeit, und umgekehrt, eingesetzt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren gestattet die Verwendung einfacher und kostengünstiger Beschichtungstechniken zur Herstellung des Targets 26, die insbesondere für die Serienproduktion geeignet sind und eine hohe Signalgüte bei einer geringen Serienstreuung ergeben.

Claims

Verfahren zur Herstellung eines Aktuators (14), insbesondere eines Aktuators eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils (12) einer Brennkraftmaschine (10), wobei der Aktuator (14) einen Stößel (20) und ein am Stößel (20) angebrachtes Target (26) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) durch ein thermisches Spritzverfahren auf den Stößel (20) aufgebracht und dadurch unmittelbar am Stößel (20) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen angebracht wird
Verfahren nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material hergestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem Material aus der Gruppe Fe, Ni, Co, NiFe, FeSi und FeCo ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem elektrisch hochleitenden Material, vorzugsweise Kupfer, hergestellt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das thermische Spritzverfahren unter oxidierenden Bedingungen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zur Herstellung des Targets (26) ein wenigstens teilweise oxidiertes Pulver verwendet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stößel (20) eine Umfangsnut (60) aufweist und das Target als ein kreisförmig geschlossener Targetring in die Umfangsnut (60) eingebracht wird.
Aktuator (14), insbesondere zur Betätigung eines nockenwellenlos angetriebenen Hubventils (12) einer Brennkraftmaschine (10), erhältlich nach dem Verfahren gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, mit einem oszillierend bewegten, mit dem Hubventil (12) gekoppelten Stößel (20), dadurch gekennzeichnet, daß am Außenumfang des Stößels (20) wenigstens ein Target (26) durch thermisches Spritzen hergestellt und dadurch unmittelbar am Stößel (20) befestigt ist.
Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß nahe des Targets (26) ein auf dem Induktionsprinzip oder der Messung magnetischer Felder beruhender Sensor (24) vorgesehen ist, der die Lage, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Targets (26) und damit des Stößels (20) erfasst.
Aktuator nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator (14) ein elektromagnetischer Aktuator ist und der Stößel (20) den Ankerschaft bildet, wobei der Ankerschaft einen Ventilschaft (22) antreibt.
Aktuator nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) in einer Umfangsnut (60) am Stößel (20) aufgenommen ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) durch Flammspritzen oder Plasmaspritzen am Stößel (20) angebracht ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem ferromagnetischen oder ferrimagnetischen Material besteht.
Aktuator nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem Material besteht, das aus der Gruppe von Fe, Ni, Co, NiFe, FeSi und FeCo ausgewählt ist.
Aktuator nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem elektrisch hochleitenden Material, vorzugsweise Kupfer, besteht.
Aktuator nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß das Target (26) aus einem wenigstens teilweise oxidierten Metallpulver besteht.