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Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung.
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Derartige Stellvorrichtungen weisen einen entlang einer Längsachse bewegbaren Stößel auf, der zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegt werden kann. Um den Stößel zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Stellung zu bewegen, weist die Stellvorrichtung eine bestrombare Spuleneinheit auf, mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse der Stellvorrichtung bewegbar gelagerter Anker relativ zu einem Polkern bewegt werden kann. Der Anker wirkt derart mit dem Stößel zusammen, dass die Bewegung des Ankers entlang der Längsachse auf den Stößel übertragen wird. Derartige Stellvorrichtungen werden auch als elektromagnetische Aktuatoren bezeichnet.
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Ein Anwendungsbereich derartiger Stellvorrichtungen sind Ventile, die mit dem Stößel geöffnet und geschlossen werden können. Eine zum Öffnen und Schließen eines Ventils verwendete Stellvorrichtung ist in der
DE 10 2014 113 349 A1 offenbart.
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Darüber hinaus können derartige Stellvorrichtungen als Nockenwellenversteller eingesetzt werden. Nockenwellen weisen eine Anzahl von Nocken auf, die exzentrische Abschnitte auf der Nockenwelle darstellen. Die Nocken können entweder fest auf der Nockenwelle oder auf Nockenwellenabschnitten angeordnet sein, die drehfest aber axial verschiebbar auf eine zylindrische Welle aufbracht werden können. Mit den Nocken können angrenzend angeordnete, axial verschiebbare Bauteile durch Drehen der Nockenwelle in regelmäßigen Abständen verschoben werden. Eine hervorzuheben Anwendung der Nockenwellen stellt dabei das Öffnen und Schließen von Ventilen in einem Verbrennungsmotor dar. In modernen Verbrennungsmotoren ist es möglich, die Motorcharakteristik beispielsweise von einer komfortbetonten zu einer sportlichen Charakteristik zu verändern, was unter anderem durch die Veränderung des Ventilhubs, der durch die Form der Nocken bestimmt wird, umgesetzt wird. Zudem erfordern unterschiedliche Motordrehzahlen variable Ventilhübe, um das Drehmoment und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Andere Verbrennungsmotoren weisen eine Zylinderabschaltung auf, bei denen einige der Zylinder zum Einsparen von Kraftstoff abgeschaltet werden können. In diesem Fall müssen die Ventile der abgeschalteten Zylinder gar nicht mehr geöffnet werden. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, nicht nur einzelne Zylinder abzuschalten, sondern auch variable Ventilhübe aus den oben genannten Gründen zu ermöglichen.
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Derartige Verbrennungsmotoren erfordern Nockenwellen, die Nocken mit unterschiedlicher Größe und Form aufweisen. Um jedoch das Ventil mit den unterschiedlichen Hubkurven öffnen und schließen zu können, muss die Nockenwelle oder der Nockenwellenabschnitt axial verschoben werden, um die jeweils die entsprechenden Nocken mit dem Ventil zusammenwirken zu lassen. Bei bekannten Stellvorrichtungen zum axialen Verschieben der Nockenwelle oder des Nockenwellenabschnitts, die beispielsweise in der der
EP 2 158 596 B1 , der
DE 20 2006 011 904 U1 , der
WO 2016/001254 und der
WO 2008/014996 A1 beschrieben sind, weisen die Nockenwellen verschiedene Nuten auf, in welche eine Stellvorrichtung, auch Aktuator genannt, mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stößeln eingreift. Die Stößel sind zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegbar, wobei die Stößel in der ausgefahrenen Stellung in die Nuten eingreifen. Die Nuten stellen dabei einen Führungsabschnitt dar und bilden zusammen mit den eingreifenden Stößeln eine Kulissenführung zur axialen Verstellung der Nockenwelle oder des Nockenwellenabschnitts, welche hierzu um ein bestimmtes Maß gedreht werden muss.
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In einigen Ausführungen der elektromagnetischen Stellvorrichtung sind der Anker und der Polkern in einem rohrförmigen Körper, auch als Führungsbuchse bezeichnet, mit einem offenen Ende gelagert. Hierdurch kann einerseits die Montage der Stellvorrichtung vereinfacht werden, da der Anker und der Polkern über das offene Ende in den rohrförmigen Körper eingebracht werden können und damit bereits vorpositioniert sind. Weiterhin kann der rohrförmige Körper so ausgestaltet sein, dass der Anker gut geführt wird und gut entlang der Längsachse bewegt werden kann.
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Bei der beispielsweise aus der
WO 2016/001254 bekannten Stellvorrichtung muss allerdings der rohrförmige Körper relativ aufwendig innerhalb der Stellvorrichtung befestigt werden, beispielsweise durch Verkleben oder Verschrauben, wodurch die Montage verkompliziert und verteuert wird.
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Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine Stellvorrichtung zu schaffen, die sich einfach montieren lässt. Insbesondere soll die Befestigung des rohrförmigen Körpers in der Stellvorrichtung vereinfacht werden. Des Weiteren soll insbesondere die axiale Einbaulage der verschiedenen Bauteile der Stellvorrichtung auf einfache Weise festlegbar sein.
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Diese Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen 1 und 9 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
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Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung, umfassend eine bestrombare Spuleneinheit und ein Polkern, mit welchen ein entlang einer Längsachse bewegbar gelagerter Anker zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen Stellung bewegbar ist, einen entlang der Längsachse bewegbar gelagerten Stößel mit einem freien Endabschnitt und mit einem inneren Endabschnitt, mit welchem der Stößel am Anker befestigt ist, wobei der Anker und der Polkern in einem rohrförmigen Körper mit einem offenen Ende angeordnet sind und der rohrförmige Körper zumindest einen radial nach innen oder außen verlaufenden Befestigungsabschnitt aufweist, mit welchem der rohrförmige Körper an der Spuleneinheit anliegt.
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Da der Stößel am Anker befestigt ist, wird die Bewegung des Ankers entlang der Längsachse auf den Stößel übertragen. Die Begriffe „eingefahrene Stellung“ und „ausgefahrene Stellung“ beziehen sich darauf, dass der Stößel in der eingefahrenen Stellung zu einem größeren Teil innerhalb der Stellvorrichtung angeordnet ist als in der ausgefahrenen Stellung.
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Mit dem radial nach innen oder außen verlaufenden Befestigungsabschnitt kann die Position des rohrförmigen Körpers innerhalb der Stellvorrichtung auf einfache Weise festgelegt werden. Der Befestigungsabschnitt wirkt als Anschlag, mit welchem der rohrförmige Körper an der Spuleneinheit anliegt. Hierdurch ist die Position des rohrförmigen Körpers zumindest in eine Richtung bezogen auf die Längsachse festgelegt.
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Gemäß einer weitergebildeten Ausführungsform ist der Befestigungsabschnitt im Bereich des offenen Endes angeordnet. Grundsätzlich kann der Befestigungsabschnitt an einer beliebigen Stelle des rohrförmigen Körpers angeordnet sein. Die Spuleneinheit umgibt den rohrförmigen Körper in etwa ringförmig. Wenn der Befestigungsabschnitt im Bereich des offenen Endes angeordnet ist, braucht die Spuleneinheit nicht mit Absätzen oder ähnlichem versehen zu werden, an denen der Befestigungsabschnitt anliegen kann. Vielmehr kann die ohnehin vorhandene Stirnfläche der Spuleneinheit als Anlagefläche verwendet werden, an welcher der Befestigungsabschnitt anliegt. Zudem lässt sich der Befestigungsabschnitt relativ einfach fertigen, da ein Umformwerkzeug gut über das offene Ende in den rohrförmigen Körper eingebracht werden kann. Der konstruktive Mehraufwand zum Umsetzen der vorschlagsgemäßen Stellvorrichtung wird in dieser Ausführungsform besonders gering gehalten.
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Nach einer weitergebildeten Ausführungsform ist der Befestigungsabschnitt federnd ausgeführt. Wie erläutert, liegt der rohrförmige Körper mit dem Befestigungsabschnitt an der Spuleneinheit an. Mit der federnden Ausführung des Befestigungsabschnitts können Fertigungstoleranzen ausgeglichen werden und es kann gewährleistet werden, dass die Spuleneinheit in der gewünschten Einbaulage innerhalb der Stellvorrichtung angeordnet und in dieser gehalten wird.
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Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform umfasst die Spuleneinheit einen Spulenträger und auf dem Spulenträger aufgewickelte Spulen, wobei der Befestigungsabschnitt am Spulenträger anliegt und den Spulenträger axial in Position hält. Unter anderem aus fertigungstechnischen Gründen bietet es sich an, einen Spulenträger vorzusehen, auf welchem die Spulen aufgewickelt werden können. Die Verwendung des Spulenträgers als Anlagefläche für den Befestigungsabschnitt führt zu einer einfach herzustellenden Stellvorrichtung. Da der Befestigungsabschnitt als Anschlag für den Spulenträger dient, hält der Befestigungsabschnitt den Spulenträger in der gewünschten axialen Position. Bei der Montage wird folglich die axiale Position des Spulenträgers und folglich der Spulen relativ zueinander eindeutig durch Anlage festgelegt, was die Montage vereinfacht. Wenn es konstruktiv gewünscht ist, kann der Spulenträger ohne großen Mehraufwand mit besonders gestalteten Anlageflächen für den Befestigungsabschnitt versesehen werden.
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Nach einer fortgebildeten Ausführungsform umfasst der Spulenträger einen ersten Unterabschnitt und einen zweiten Unterabschnitt. In dieser Ausführungsform können die Spulen vollumfänglich vom zweiteiligen Spulenträger umgeben sein, was bei einem einteiligen Spulenträger nicht möglich ist. Einer der beiden Unterabschnitte wirkt als eine Art Deckel, welcher die auf dem anderen Unterabschnitt aufgewickelten Spulen verschließt. Die Spulen sind in dieser Ausführungsform in ihrer Lage fixiert und vor äußeren Einflüssen besser geschützt als bei einem einteiligen Spulenträger.
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Bei einer weitergebildeten Ausführungsform kann der Spulenträger als Spritzgussteil ausgeführt sein. In dieser Ausführungsform lässt sich der Spulenträger besonders kostengünstig in großen Stückzahlen herstellen. Zudem eröffnet sich die Möglichkeit, den rohrförmigen Körper beim Herstellen des Spulenträgers zu umspritzen. Hierdurch kann der Herstellungsprozess weiter vereinfacht werden, da dann die Position des rohrförmigen Körpers in Bezug auf den Spulenträger eindeutig festgelegt werden kann, insbesondere dann, wenn der Befestigungsabschnitt beidseitig vom spritzgegossenen Spulenkörper umgeben ist. Auch die zweiteilige Ausgestaltung des Spulenträgers lässt sich gut im Spritzgussverfahren herstellen, da Hinterschneidungen vermieden werden können.
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In einer weiteren Ausführungsform weist der Spulenträger einen konischen Abschnitt auf. Mittels des konischen Abschnitts kann das Einbringen des rohrförmigen Körpers in den Spulenträger vereinfacht. Weiterhin ermöglicht es der konische Abschnitt, den Befestigungsabschnitt nach dem Einbringen des rohrförmigen Körpers in den Spulenträger insbesondere durch Umformen zu fertigen. Der rohrförmige Körper kann beispielsweise mit dem Spulenträger vercrimpt werden.
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In einer weitergebildeten Ausführungsform kann die Stellvorrichtung einen Befestigungsflansch zum Befestigen der Stellvorrichtung an einem benachbarten Bauteil aufweisen und der Befestigungsabschnitt am Befestigungsflansch anliegen. In dieser Ausführungsform liegt der Befestigungsabschnitt bezogen auf die Längsachse einerseits an der Spuleneinheit und andererseits am Befestigungsflansch an, so dass die Position des rohrförmigen Körpers bezogen auf die Längsachse eindeutig festgelegt ist.
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Eine Ausgestaltung der Erfindung betrifft die Verwendung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ausführungsformen zum Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors, wobei der Stößel mit seinem freien Endabschnitt in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen einer Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt.
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Die technischen Effekte und Vorteile, die sich mit der vorschlagsgemäßen Verwendung erreichen lassen, entsprechen denjenigen, die für die vorliegende Stellvorrichtung erörtert worden sind. Zusammenfassend sei darauf hingewiesen, dass die Montage der Stellvorrichtung insbesondere deshalb vereinfacht werden kann, weil der rohrförmige Körper mittels eines Formschlusses an der Spuleneinheit befestigt werden kann, so dass keine aufwendigen Befestigungsmaßnahmen wie ein Verschrauben oder Verkleben notwendig sind.
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Eine beispielhafte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen
- 1a) eine Schnittdarstellung durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung,
- 1b) den in 1a) gekennzeichneten Ausschnitt X in einer vergrößerten Darstellung,
- 2a) eine Schnittdarstellung durch ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung,
- 2b) den in 2a) gekennzeichneten Ausschnitt Y in einer vergrößerten Darstellung,
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1a) zeigt eine Schnittdarstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung 101 . In 1b) ist der in 1a) gekennzeichnete Ausschnitt X vergrößert dargestellt. Die Stellvorrichtung 101 weist einen rohrförmigen Körper 12 mit einem offenen Ende 14 und einem geschlossenen Ende 15 auf, in welchem ein Anker 16 und ein Polkern 18 angeordnet sind. Der Polkern 18 weist eine Durchgangsbohrung 28 auf, in welche ein Stößel 22 eingebracht ist. Der Stößel 22 weist einen freien Endabschnitt 24 und einen inneren Endabschnitt 26 auf. Mit dem inneren Endabschnitt 26 ist der Stößel 22 auf nicht näher gezeigte Weise mit dem Anker 16 verbunden. Mit dem freien Endabschnitt 24 kann der Stößel 22 mit einem nicht dargestellten Ventilkörper oder einem nicht dargestellten Ventilsitz eines Ventils oder einer ebenfalls nicht dargestellten Nut einer Nockenwelle zusammenwirken.
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Der Polkern 18 ragt über das offene Ende 14 des rohrförmigen Körpers 12 hinaus und ist formschlüssig an einem Befestigungsflansch 28 befestigt. Mit dem Befestigungsflansch 28 kann die Stellvorrichtung 101 an einem nicht dargestellten, benachbarten Bauteil, je nach Anwendungsbereich beispielsweise an einem Ventilsitz oder einer Zylinderkopfhaube befestigt werden, wenn die Stellvorrichtung 101 als ein Nockenversteller verwendet wird.
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Ringförmig um den rohrförmigen Körper 12 herum ist eine Spuleneinheit 30 angeordnet, welche einen Spulenträger 32 und darauf aufgewickelte Spulen umfasst. Der Spulenträger 32 kann als Spritzgussteil ausgeführt sein. Radial nach außen ist die Stellvorrichtung 101 mittels eines rohrförmigen Gehäuses 36 und am dem Befestigungsflansch 28 gegenüberliegenden Ende mit einem Deckel 38 verschlossen.
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Wie insbesondere aus 1b) hervorgeht, weist der Spulenträger 32 einen konischen Abschnitt 40 auf, der das Einbringen des rohrförmigen Körpers 12 in den Spulenträger 32 vereinfacht. Weiterhin weist der rohrförmige Körper 12 im Bereich des offenen Endes 14 einen bezogen auf die Längsachse radial nach außen verlaufenden Befestigungsabschnitt 421 auf, der im montierten Zustand der Stellvorrichtung 101 am Spulenträger 32 und am Befestigungsflansch 28 anliegt. Der rohrförmige Körper 12 ist daher bezogen auf die Längsachse L eindeutig positioniert. Weitere Befestigungsmaßnahmen wie Verschrauben oder Verkleben sind nicht notwendig. Der konische Abschnitt 40 ermöglicht es, den Befestigungsabschnitt 421 nach dem Einbringen des rohrförmigen Abschnitts in den Spulenträger 32 unter Zuhilfenahme eines geeigneten Werkzeugs durch Umbiegen des rohrförmigen Körpers 12 bereitzustellen.
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Die Stellvorrichtung 101 wird auf folgende Weise betrieben: In 1a) befindet sich der Anker 16 und der mit dem Anker 16 verbundene Stößel 22 in der eingefahrenen Stellung. Um den Anker 16 in der eingefahrenen Stellung zu halten, kann eine bestimmte Bestromung der Spuleneinheit 30 notwendig sein. Alternativ kann der Anker 16 von einem nicht dargestellten Federelement in die eingefahrene Stellung vorgespannt werden, wobei die Spuleneinheit 30 nicht bestromt werden muss. Bei einer entsprechenden Bestromung wird der Anker 16 vom Polkern 18 angezogen und bewegt sich infolgedessen auf ihn zu, wodurch der Stößel 22 ausgefahren wird. Der Anker 16 und der Stößel 22 befinden sich folglich in der ausgefahrenen Stellung. Wird die Bestromung geändert oder beendet, bewegen sich der Stößel 22 und der Anker 16 wieder in die eingefahrene Position.
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Um zu verhindern, dass beim Bewegen des Ankers 16 zum Polkern 18 hin Luft oder ein anderes Medium komprimiert wird, weist der Anker 16 eine Verbindungsbohrung 44 auf. Folglich kann Luft oder ein anderes Medium von einer zum Polkern 18 hinweisenden Seite des Ankers 16 zu einer zum geschlossenen Ende 15 des rohrförmigen Körpers 12 hinweisenden Seite des Ankers 16 fließen.
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2a) zeigt eine Schnittdarstellung eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung 102 . In 2b) ist der in 2a) gekennzeichnete Ausschnitt Y vergrößert dargestellt. Der prinzipielle Aufbau und der Betrieb der Stellvorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel gleichen demjenigen der Stellvorrichtung 101 nach dem ersten Ausführungsbeispiel. Insofern wird im Folgenden nur auf die wesentlichen Unterschiede der Stellvorrichtung 101 nach dem ersten Ausführungsbeispiel und der Stellvorrichtung 102 nach dem ersten Ausführungsbeispiel eingegangen.
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Wie insbesondere aus einem Vergleich der 1b) und 2b) ersichtlich, weist der Befestigungsabschnitt 422 der Stellvorrichtung 102 nach dem zweiten Ausführungsbeispiel mehrere gegeneinander abgewinkelte Bereiche 46, 48, 50 auf. Im in 2b) dargestellten Ausführungsbeispiel weist der Befestigungsabschnitt 422 radial von innen nach außen gesehen einen ersten Bereich 46 auf, welcher im Wesentlichen senkrecht zur Längsachse L verläuft. Anschließend weist der Befestigungsabschnitt 422 einen zweiten Bereich 48 auf, der gegenüber dem ersten Bereich 46 in etwa um 45° zum geschlossenen Ende 15 des rohrförmigen Körpers 12 hin geneigt ist. Weiterhin weist der Befestigungsabschnitt 422 einen dritten Bereich 50 auf, welcher im Wesentlichen parallel zum ersten Bereich 46 und damit senkrecht zur Längsachse L verläuft. Radial nach außen ist der dritte Bereich 50 etwas abgewinkelt. Mit dem dritten Bereich 50 liegt der Befestigungsabschnitt 422 an der Spuleneinheit 30 an. Aufgrund der drei gegeneinander abgewinkelten Bereiche 46, 48, 50 weist der Befestigungsabschnitt 422 eine federnde Wirkung auf.
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Im zweiten Ausführungsbeispiel der Stellvorrichtung 102 umfasst der Spulenträger 32 der Spuleneinheit 30 einen ersten Unterabschnitt 33 und einen zweiten Unterabschnitt 35. Die beiden Unterabschnitte 33, 35 sind im Wesentlichen U-förmig ausgestaltet und umschließen die Spulen 34 vollständig. Mit den beiden äußeren Schenkeln greifen die beiden Unterabschnitte 33, 35 ineinander ein und sind formschlüssig miteinander verbunden. Der Befestigungsabschnitt 422 liegt mit dem dritten Bereich 50 am zweiten Unterabschnitt 35 an.
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Am gegenüberliegenden Ende weist der zweite Unterabschnitt 35 einen ringförmigen Vorsprung 52 auf, auf den im montierten Zustand der Stellvorrichtung 102 der Deckel 38 des Gehäuses 36 aufliegt. Bei der Montage kann die Einbaulage der Spuleneinheit 30 mit einer entsprechenden Positionierung des Deckels 38 beeinflusst werden, da der Befestigungsabschnitt 422 aufgrund seiner federnden Wirkung in gewissen Grenzen bei einer entsprechenden Kraftbeaufschlagung vorgespannt werden kann. Der Deckel 38 kann hierzu beispielsweise in das Gehäuse 36 eingeschraubt werden und bringt eine entsprechende Vorspannkraft über die Vorsprünge 52 auf die Spuleneinheit 30 und folglich auf den Befestigungsabschnitt 422 auf.
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Bezugszeichenliste
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- 10, 101, 102
- Stellvorrichtung
- 12
- rohrförmiger Körper
- 14
- offenes Ende
- 15
- geschlossenes Ende
- 16
- Anker
- 18
- Polkern
- 20
- Durchgangsbohrung
- 22
- Stößel
- 24
- freier Endabschnitt
- 26
- innerer Endabschnitt
- 28
- Befestigungsflansch
- 30
- Spuleneinheit
- 32
- Spulenträger
- 34
- Spulen
- 36
- Gehäuse
- 38
- Deckel
- 40
- konischer Abschnitt
- 42, 421, 422
- Befestigungsabschnitt
- 44
- Verbindungsbohrung
- 46
- erster Bereich
- 48
- zweiter Bereich
- 50
- dritter Bereich
- 52
- Vorsprung
- X,Y
- Ausschnitt
- L
- Längsachse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102014113349 A1 [0003]
- EP 2158596 B1 [0005]
- DE 202006011904 U1 [0005]
- WO 2016/001254 [0005, 0007]
- WO 2008/014996 A1 [0005]