DE10224866A1 - Elektromagnetischer Aktuator - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Schwenkanker, der mit einem Lagerrohr fest verbunden ist, das an seinen beiden Enden jeweils über ein Lager in den Seitenwänden eines Gehäuses schwenkbar gelagert ist, wobei in dem Lagerrohr eine Drehstabfeder angeordnet ist, die einerseits mit dem Lagerrohr und andererseits mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass die Drehstabfeder über ein elastisch und/oder plastisch verformbares Element, dessen elastisches bzw. plastisches Verhalten auf den Einsatzfall abgestimmt werden kann, mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der DE 36 16 540 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator zum Betätigen eines Gaswechselventils einer Hubkolbenbrennkraftmaschine bekannt. Ein Anker ist zwischen zwei Elektromagneten des Aktuators angeordnet, die wechselweise periodisch erregt werden und dabei den Anker anziehen. Der Anker ist über einen Ankerstößel an einem einarmigen Ventilhebel angelenkt, der entgegen der Federspannung einer Drehstabfeder hin und her geschwenkt wird und dabei das Gaswechselventil öffnet und schließt.
• Der Ventilhebel ist an einem Ende als Lagerrohr ausgebildet, das an seinen beiden Seiten in Lagerböcken gelagert ist. Die Drehstabfeder ragt mit ihrem einen Ende in das Lagerrohr und ist im Bereich des einen Lagerbocks mittels einer Kerbverzahnung drehfest mit dem Lagerrohr verbunden. Mit ihrem anderen Ende ist die Drehstabfeder auf die gleiche Art in einer Haltebuchse drehfest eingespannt, die ihrerseits an einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angeflanscht ist. Die Haltebuchse weist eine definierte Drehlage auf, welche die Vorspannung der Drehstabfeder bestimmt. Durch Verschwenken der Haltebuchse in Langlöchern ist ihre Drehlage und damit die Vorspannung der Drehstabfeder einstellbar. Die Betätigungseinrichtung des Gaswechselventils ist aufwändig und beansprucht einen großen Bauraum.
• In der DE 199 48 209 A1 wird eine elektromagnetische Stelleinrichtung mit zwei Elektromagneten und einem Anker beschrieben, die mit Hilfe eines Trägers auf einem Zylinderkopf einer Hubkolbenbrennkraftmaschine befestigt sind. Der Anker ist mit einem Lagerrohr verbunden, das um eine Achse schwenkbar in einem Gehäuse gelagert ist. In dem Lagerrohr ist eine Drehstabfeder angeordnet, die an ihrem einen Ende mit dem Lagerrohr und an ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Die Drehstabfeder und eine Ventilfeder bilden auf den Anker wirkende entgegengesetzt gerichtete Federkräfte, die den Anker im Zusammenwirken mit den Elektromagneten hin und her bewegen. Der Anker wirkt über einen angeformten Finger auf einen Schaft eines Gaswechselventils, das im Zylinderkopf axial verschiebbar geführt ist.
• Indem die Drehstabfeder an einem Ende fest mit dem Anker verbunden ist und am anderen Ende unter Zwischenschalten einer Aufnahme mit dem Träger verschweißt ist, besteht nach dem Zusammenbau in diesem Bereich keine Möglichkeit zum Nachjustieren. Das Justieren erfolgt ausschließlich über die Elektromagnete, deren Magnetjoche am Halteträger verschraubt sind und in einer speziellen Montagevorrichtung gegenüber dem Anker ausgerichtet werden können.
• Aus der DE 100 05 953 A1 ist ein weiterer elektromagnetischer Aktuator mit zwei Elektromagneten und einem schwenkbaren Anker bekannt. Der Anker wird durch Magnetkraft in Verbindung mit der Federkraft einer Drehstabfeder wechselweise in eine von zwei Endstellungen gebracht. Um in den Endstellungen einen möglichst hohen Magnetwirkungsgrad zu erhalten, wird in den Endstellungen ermittelt, welchen Einfluss der Luftspalt zwischen den Polflächen und dem Anker auf die auf das Joch einwirkende Magnetkraft und auf die auf den Anker einwirkende Federkraft hat. Nach den ermittelten Werten erhalten dann die Polflächen der Magnetjoche und/oder die Ankerflächen ein entsprechendes Profil, so dass ein gewünschter minimaler Luftspalt zwischen den magnetisch wirksamen Flächen entsteht.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit einfachen Mitteln das Federverhalten der Drehstabfeder auf den jeweiligen Einbaufall abzustimmen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nach der Erfindung ist die Drehstabfeder über ein elastisch und/oder plastisch verformbares Verbindungselement, dessen elastisches bzw. plastisches Verhalten auf den Einsatzfall abgestimmt werden kann, mit dem Gehäuse drehfest verbunden. Die Elastizität des Verbindungselements ergibt zusammen mit der Federsteifigkeit der Drehstabfeder eine resultierende Federsteifigkeit, mit der die Drehstabfeder auf den Anker wirkt. Da das Verbindungselement leicht mit abgestuften Federsteifigkeiten hergestellt werden kann, kann das Federsystem einfach ohne großen Aufwand durch Auswechseln des Verbindungselements die gewünschte resultierende Federsteifigkeit erhalten.
• Ferner besteht die Möglichkeit, dass das Verbindungselement sich unter einer vorgegebenen Last in einer definierten Weise plastisch verformt. Dadurch kann die Drehlage der Drehfeder einer gewünschten Drehlage angepasst werden, indem das Verbindungselement im montierten Zustand so weit unter einer vorgegebenen Last plastisch verformt wird, bis die gewünschte Drehlage der Drehstabfeder erreicht ist. Zur Einstellung des Federsystems kann es ausreichen, dass das Verbindungselement nur in Bezug auf seine Elastizität oder seine plastische Verformung modifiziert wird. Es kann aber auch vorteilhaft sein, sowohl die elastische Nachgiebigkeit als auch die plastische Verformung kombiniert zu modifizieren.
• In der Regel ist die Drehstabfeder im Lagerrohr angeordnet und mit einem Ende im Bereich einer Lagerstelle drehfest mit diesem verbunden. Das andere Ende der Drehstabfeder ragt im Bereich der anderen Lagerstelle aus dem Lagerrohr heraus und ist über das Verbindungselement mit dem Gehäuse verbunden. Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Verbindungselement ein Hebel, der mit einem Ende fest auf der Drehstabfeder sitzt und dessen anderes Ende zweckmäßigerweise durch Schweißen oder durch eine Halterung mit einer engen Passung quer zu seiner Längsrichtung am Gehäuse fixiert ist.
• Der Hebel ist so dimensioniert, dass er im Betrieb nur elastisch verformt wird und die feste Verbindung der Drehstabfeder mit dem Gehäuse somit eine ausreichende Stabilität aufweist, welche sich zudem über die Betriebsdauer nicht verstellt. Beim Einstellvorgang der Federvorspannung kann der Hebel in engen Grenzen plastisch verformt werden. Die dazu erforderlichen Kräfte bzw. Momente sind durch Versuche zu ermitteln. Die Elastizität des Hebels kann weit gehend durch seine Formgebung und Dimensionierung modifiziert werden, z. B. durch seine Länge, Breite und Dicke sowie durch zusätzliche Bohrungen, Schlitze und Aussparungen. Dadurch kann ein beliebiges Federverhalten erzeugt werden. Ferner kann durch eine entsprechende Auswahl des Werkstoff die Elastizität des Hebels beeinflusst werden.
• Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen der Drehstabfeder und dem Hebel ein Verbindungselement mit einer inneren und einer äußeren Hülse vorgesehen, die über Streben miteinander verbunden sind und wobei jeweils eine Hülse fest mit der Drehstabfeder und die andere mit dem Hebel verbunden ist. Die Streben sind elastisch und in Grenzen plastisch verformbar. Die Funktionsweise ist gleich mit der oben beschriebenen, so dass die Maßnahmen einzeln oder in Kombination miteinander entsprechend den vorhandenen Platzverhältnissen angewendet werden können. Vorteilhafterweise sind alle Ausgestaltungen der Erfindung günstig herzustellen und einfach zu handhaben.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
• Es zeigen:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines elektromagnetischen Aktuators und eines Gaswechselventils,
• Fig. 2 einen Schnitt gemäß einer Linie II-II in Fig. 1 und
• Fig. 3-4 Varianten zu Fig. 1.
• Ein Aktuator 10 besitzt einen oberen Elektromagneten 11 und einen unteren Elektromagneten 12. Diese haben jeweils eine Spule 13 bzw. 14 und ein Joch 15 bzw. 16, zwischen denen ein Schwenkanker 17 mittels eines Schwenklagers 18 drehbar gelagert ist. Der Schwenkanker 17 betätigt über seinen Finger 19 ein Gaswechselventil 20. Dieses ist mit seinem Ventilschaft 21 in einer Ventilführung 24 in einem Zylinderkopf 27 axial in Bewegungsrichtung 29 verschiebbar geführt. Das Gaswechselventil 20 steuert einen Gaswechselkanal 28, an dessen Mündung ein Ventilsitzring 23 eingelassen ist, an dem ein Ventilteller 22 des Gaswechselventils 20 im geschlossenen Zustand anliegt. Eine Ventilfeder 25, die sich einerseits am Zylinderkopf 27 und andererseits über einen Federteller 26 am Ventilschaft 21 abstützt, belastet das Gaswechselventil 20 in Schließrichtung.
• Der Schwenkanker 17 ist mit einem Lagerrohr 31 fest verbunden, das an seinen Enden in einem Gehäuse 30 gelagert ist. Im Lagerrohr 31 befindet sich eine Drehstabfeder 33, die an einem Ende 36 mit dem Lagerrohr 31 drehfest verbunden ist und mit ihrem anderen Ende 35 über das Lagerrohr 31 vorsteht und aus dem Gehäuse 30 ragt. Auf dem Ende 35 sitzt ein Hebel 32, der mit seinem freien Ende am Gehäuse 30, z. B. durch eine Schweißnaht 34 oder eine andere geeignete Verbindung fixiert ist (Fig. 2). Bei den Ausführungen nach Fig. 3 und Fig. 4 sind die Hebel 37, 41 in einer Halterung 42 quer zu Längsrichtung der Hebel 37, 41 gehalten, so dass sie in Längsrichtung frei beweglich sind.
• Im stromlosen Zustand der Elektromagnete 11, 12 befindet sich der Schwenkanker 17 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Kräften der Drehstabfeder 33 und der Ventilfeder 25, die im Regelfall einer Mittellage zwischen den Elektromagneten 11, 12 entspricht. Nach der Erfindung kann diese Lage durch die Modifizierung der Hebel 32, 37, 41 und/oder dem Verbindungselement 43 (Fig. 4) justiert werden.
• Die Abstimmung der Hebel 32, 37, 41 und/oder des Verbindungselements 43 auf das Federsystem 25, 33 kann einerseits durch die Gestaltung dieser Bauteile und andererseits durch die Werkstoffauswahl erfolgen. So können z. B. Hebel 32, 37, 41 unterschiedlicher Länge, Breite und Dicke eingesetzt werden. Ferner kann der Hebel 32 Bohrungen 39 aufweisen, die ggf. während der Montage eingebracht werden. Ferner können Schlitze 40 vorgesehen werden, die z. B. von einer Außenseite des Hebels 32 ausgehen und bis zu der Bohrung 39 reichen. Durch die Bohrungen 39 und die Schlitze 40 wird der Hebel an definierten Stellen geschwächt, wodurch er eine größere Elastizität erhält und in diesen Bereichen leichter plastisch verformt werden kann.
• Das Verbindungselement 43 nach Fig. 4 besitzt eine äußere Hülse 44, die mit dem Hebel 37 verbunden ist. Die äußere Hülse 44 ist über Streben 38 mit einer inneren Hülse 45 verbunden, die fest auf dem Ende 35 der Drehstabfeder 33 sitzt. Die Streben 38 können eine definierte Elastizität aufweisen und beim Einstellen unter einer vorgegebenen Last definiert verformt werden, so dass der Schwenkanker 17 eine definierte Ausgangslage zwischen den Elektromagneten 11 und 12 einnimmt.

Claims (9)

1. Elektromagnetischer Aktuator mit einem Schwenkanker, der mit einem Lagerrohr fest verbunden ist, das an seinen beiden Enden jeweils über ein Lager in den Seitenwänden eines Gehäuses schwenkbar gelagert ist, wobei in dem Lagerrohr eine Drehstabfeder angeordnet ist, die einerseits mit dem Lagerrohr und andererseits mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (33) über ein elastisch und/oder plastisch verformbares Element (32, 41, 43), dessen elastisches bzw. plastisches Verhalten auf den Einsatzfall abgestimmt werden kann, mit dem Gehäuse (30) drehfest verbunden ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Element ein Hebel (32, 41) ist, der an einem Ende drehfest mit der Drehstabfeder (33) und an seinem freien Ende drehfest mit dem Gehäuse (30) verbunden ist.

3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (32, 41) mit dem Gehäuse (30) verschweißt ist.

4. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (32, 41) in einer Halterung (42) am Gehäuse (30) mit einer engen Passung quer zu seiner Längsrichtung gehalten ist.

5. Aktuator nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (32, 41) zur Einstellung bei der Montage gezielt über seine Fließgrenze beansprucht und plastisch verformt wird.

6. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hebel (32) mindestens eine Bohrung (39) aufweist, durch die das elastische und/oder plastische Verhalten der Hebels (32) eingestellt wird.

7. Aktuator nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass von der Bohrung (39) mindestens ein radialer Schlitz (40) ausgeht.

8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Hebel (37) und der Drehstabfeder (33) ein elastisch und/oder plastisch verformbares Verbindungselement (43) vorgesehen ist.

9. Aktuator nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Verbindungselement (43) mit einer inneren Hülse (45) drehfest auf der Drehstabfeder (33) sitzt, wobei die innere Hülse (45) über Streben (38) mit einer äußeren Hülse (44) verbunden ist, an der der Hebel (37) fest angeordnet ist.