CN109690036B

CN109690036B - 尤其用于调节内燃机的凸轮轴的电磁调节装置

Info

Publication number: CN109690036B
Application number: CN201780054783.3A
Authority: CN
Inventors: 楚尼奥·苏祖吉; 迈克尔·蒂施斯彻克; 安德列亚斯·卡默勒
Original assignee: Kendrion Villingen GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2016-09-07
Filing date: 2017-08-23
Publication date: 2021-03-09
Anticipated expiration: 2037-08-23
Also published as: DE102016116777A1; CN109690036A; JP6733048B2; US11220935B2; EP3510261A1; WO2018046298A1; US20210003046A1; JP2019532209A

Abstract

本发明涉及一种尤其用于调节内燃机的凸轮轴或凸轮轴部段的电磁调节装置，包括：可通电的线圈单元(48)，借此在通电状态下沿调节装置(10)的纵向轴线(L)移动支承的电枢(34)可相对于极芯(50)在缩回位置和伸出位置之间移动；沿纵向轴线(L)移动支承的至少一个柱塞(24)，其在伸出位置凭借自由端(26)与凸轮轴相互作用以调节凸轮轴，并在内端(32)连接至电枢(34)，其中，柱塞(24)在自由端(26)的区域中具有第一直径(D1)，在内端(32)的区域中具有第二直径(D2)，且第一直径(D1)大于第二直径(D2)。

Description

尤其用于调节内燃机的凸轮轴的电磁调节装置

技术领域

本申请涉及尤其用于调节内燃机的凸轮轴的电磁调节装置。

背景技术

凸轮轴具有很多凸轮，这些凸轮代表凸轮轴上的偏心部段。这些凸轮可固定设置在凸轮轴上或者凸轮轴区段上，该凸轮轴区段可以防转动但轴向可移动的方式安装在柱状轴上。通过旋转凸轮轴，邻近凸轮布置并沿轴向可移动的组件可与凸轮一起以规则的间隔移动。凸轮轴在本文中值得强调的应用在于内燃机中气门的打开和关闭。在现代内燃机中，发动机特性可例如从强调舒适性改变为运动性，这例如通过改变由凸轮形状确定的气门升程来实现。此外，不同的发动机转速需要可变的气门升程以优化扭矩和燃料消耗。某些内燃机具有气缸关停，借此其中一些气缸可被关停以节省燃料。在该情况下，关停的气缸的气门根本不需要打开。在这种内燃机中有利的是，不仅关停各个气缸，而且由于上述原因也允许可变的气门升程。

这种内燃机需要具有包括不同大小和形状的凸轮的凸轮轴。为了能够以不同的升程曲线打开和关闭气门，凸轮轴或凸轮轴部段必须沿轴向移动，以允许相应的凸轮与气门相互作用。在已知的调节装置中，例如EP 2 158 596 B1、DE 20 2006 011 904 U1和WO2008/014996 A1中描述的，凸轮轴具有不同的凹槽，具有不同数量柱塞的致动器接合到这些凹槽中。柱塞可在缩回位置和伸出位置之间移动，其中柱塞在伸出位置处接合到凹槽中。凹槽代表引导部段并与接合的柱塞一起形成了用于凸轮轴轴向调节的滑槽引导件，为此，凸轮轴必须旋转一定量。

在大多数标准四冲程内燃机中，凸轮轴以曲轴的半速旋转，这意味着凸轮轴可以高达3000转/分甚至更高的速度旋转。由于这种高旋转速度，很大的力垂直于纵向轴线作用于柱塞上。由此作用于柱塞的弯矩导致柱塞弯曲足以卡在调节装置中。因此，柱塞不能再在缩回位置和伸出位置之间移动，由此阻止凸轮轴或凸轮轴部段沿轴向移动。

为了克服该缺点，根据DE 10 2013 102 241 A1的柱塞支承在两个明显隔开的轴承点，其中一个轴承点位于极芯中。在WO 2016/001 254A1中，柱塞也支承在两个轴承点，其中一个轴承点布置在电枢中。

为了使柱塞接合在凸轮轴凹槽中的自由端的磨损尽可能小，柱塞可旋转地支承在调节装置中。相比之下，DE 10 2013 102 241 A1和WO 2016/001 254 A1中的电枢借助间隙配合连接至柱塞。因此，仅轴向力能够在柱塞和电枢之间传递，而没有绕纵向轴线作用的扭矩。柱塞在接合到凹槽中时的旋转因此不会传递到电枢。柱塞相对于电枢的旋转在电枢和柱塞形成接触的地方产生了磨损点，在调节装置的操作过程中，在这些磨损位置处，柱塞和/或电枢随着时间耗损。这尤其改变了电枢相对于柱塞的轴向位置，使得柱塞不能再以所需量接合到凹槽中。因此，会发生故障、甚至失效。

发明内容

本发明一个实施方式的目的在于提供一种尤其用于调节内燃机的凸轮轴或凸轮轴部段的电磁调节装置，利用该装置可消除或至少显著地减少上述缺点。特别地，提供这样的调节装置，其能够可靠地吸收操作中作用于柱塞的高弯矩，从而避免柱塞卡住。同时，减少了电枢和柱塞之间的磨损，使得它们的相对位置并且尤其是它们相对于彼此的轴向位置在操作中不会改变。

本发明的一个实施方式涉及一种尤其用于调节内燃机的凸轮轴或凸轮轴部段的电磁调节装置，包括：可通电的线圈单元，借此在通电状态下，沿调节装置的纵向轴线移动支承的电枢可相对于极芯在缩回位置和伸出位置之间移动；沿纵向轴线移动支承的至少一个柱塞，在伸出位置，其自由端与凸轮轴相互作用以调节凸轮轴，并在内端连接至电枢，其中，柱塞在自由端的区域中具有第一直径，在内端的区域中具有第二直径，第一直径大于第二直径。

下文中提及柱塞的直径时，这些直径不仅具有沿柱塞纵向轴线无穷小的延伸。柱塞关于截平面为圆锥或弯曲的截面(其中柱塞在严格的数学意义上具有无限多个直径)并不意味着包括在其中。

为了使实施本发明的设计变化尽可能少，第二直径有利地如此选择，使得该第二直径可与已有电枢相互作用。因此，第二直径由电枢的尺寸来确定。由于布置在自由端区域中的第一直径选择为大于第二直径，即使是在较大的力垂直于柱塞的纵向轴线作用时，也能够将柱塞的弯曲减小到这样的程度，即，可极大程度上排除柱塞卡在调节装置中。这显著降低了调节装置的故障概率并对内燃机的操作可靠性产生了贡献。已证明，第一直径和第二直径之间的比率在1.5和3之间，尤其是1.6和2.5之间是有利的。

根据另一实施方式，柱塞在自由端区域和内端区域之间具有第三直径，第三直径小于第一直径。在该实施方式中，柱塞的重量增加与已知柱塞相比通过节省材料而减少甚至是予以补偿，但柱塞在高弯矩下的弯曲没有明显增加。由于柱塞非常快速地加速，确保了调节装置使柱塞移动所需的能量仅略微增加或根本不增加。此外，柱塞的质量惯性保持较低，使得柱塞可快速地加速，但无须增加弹簧元件的强度。

已经证明，选择第三直径大于第二直径是有利的。一方面，有助于保持重量增加与已知柱塞相比较低，另一方面，柱塞的弯曲刚度不会降低太多。为此，第三直径可例如选择成比第二直径大1.1倍至1.4倍。

在进一步改进的实施方式中，调节装置可包括适配器，调节装置利用所述适配器可紧固在尤其是气缸顶盖的构件上，其中，所述适配器形成第一轴承部段，用于将柱塞可旋转地支承在适配器中。适配器可用来使调节装置合适地紧固在尤其是气缸顶盖的构件上。适配器可适配于气缸顶盖的几何特性，而无须改变调节装置的其他构件。适配器有助于调节装置的灵活使用。

在进一步改进的实施方式中，柱塞可在自由端的区域中具有轴承表面，该表面与第一轴承部段相互作用。将轴承表面布置在自由端区域中确保作用于柱塞上的弯矩保持较低，因为在该实施方式中，力垂直于纵向轴线作用在柱塞上的作用点与轴承部段之间的路径较短。

在另一实施方式中，柱塞在其自由端和轴承表面之间具有第四直径，所述第四直径小于第一直径。轴承表面必须具有高的表面质量，以确保可靠且耐磨损的支承。然而，提供必要的表面质量相对昂贵。在该实施方式中，轴承表面的尺寸减小至最小，这使得轴承表面的制造成本也保持较低。第四直径必须仅略小于第一直径。第一直径和第四直径之间的比率尤其是介于1.02和1.1之间。由此确保了制造轴承表面所需的工具可容易地朝向轴承表面移动。这尤其适用于具有第三直径的另外的区域连接至内端时的情况。

进一步改进的另一实施方式的特征在于，柱塞在第一直径到第四直径的过渡处形成凸肩。在该情况下，柱塞在过渡处具有大致垂直于纵向轴线延伸的表面。借助该表面，污物可从调节装置，尤其是适配器中移出。

根据另一实施方式，调节装置形成用于将柱塞可旋转地支承在电枢外部的第二轴承部段。为了使接合在凸轮轴的凹槽中的柱塞自由端的磨损尽可能小，柱塞可旋转地支承在调节装置中。在常规的调节装置中，柱塞借助间隙配合相对于电枢旋转支承在电枢中。如上所述，这将在电枢和柱塞之间产生磨损点，使得电枢和柱塞之间的轴向位置改变，从而导致调节装置的功能损坏或功能失效。由于调节装置形成将柱塞可旋转地支承在电枢外部的第二轴承部段，因而柱塞和电枢可压在一起，从而防止它们相对于彼此旋转。因此，消除了磨损点，从而显著降低了与磨损有关的功能损坏或功能失效的概率。

进一步改进的实施方式的特征在于，柱塞由不锈钢制成。在许多情况下，不锈钢比常规钢更硬，从而根据该实施方式的柱塞可吸收甚至更高的力而不会卡住。此外，不锈钢可硬化以吸收更高的力。这里，提出使用非磁性或可磁化的不锈钢，以免不利地影响线圈单元在通电状态下产生的磁力线的走向。

附图说明

下面参照附图详细说明本发明的示例性实施方式。在附图中：

图1是本文提出的电磁调节装置的示例性实施例的原理性剖视图。

具体实施方式

图1是根据本发明的电磁调节装置10的示例性实施例的原理性剖视图。从图1中可看出，调节装置10具有两个构造相同的结构单元。为了清楚起见，以下仅描述其中一个结构单元，该描述同样适用于另一结构单元。

调节装置10具有壳体12，该壳体12在所示示例性实施例中具有大致管状的设计。按照图1中所选择的视角，壳体12在上端用盖14封闭，在下端用凸缘16封闭。调节装置10具有能够附装至凸缘16的适配器18。该适配器18可用来将调节装置10紧固至内燃机的气缸顶盖(未示出)。适配器18具有凹陷部20，未示出的密封件可插入其中以相对于气缸顶盖密封调节装置10。

适配器18形成用于可沿调节装置10的纵向轴线L移动的柱塞24的第一轴承部段22。柱塞24具有自由端26，其从适配器18中伸出。柱塞24在自由端26的区域中具有第一直径D1。在第一轴承部段22中，适配器18与柱塞24相互作用的内表面具有相应的表面质量。在自由端26的区域中，柱塞24具有与第一轴承部段22相互作用的轴承表面28。轴承表面28也具有相应的表面质量。在轴承表面28和自由端26之间，柱塞24具有第四直径D4，其仅略小于第一直径D1。柱塞24在第一直径D1至第四直径D4的过渡处形成凸肩30。

第一轴承部段22借助内燃机的机油进行润滑。为了可靠地吸收操作期间作用于柱塞24上的高轴向力，柱塞24和适配器18两者由硬化的不锈钢制成。

此外，柱塞24具有内端32。在内端32的区域中，柱塞24具有第二直径D2，其小于第一直径D1和第四直径D4。此外，柱塞24的内端32与电枢34压在一起，并以防转动方式连接至电枢34。防转动连接也可以其他方式实现，例如通过焊接。为了实现良好压缩，电枢34具有柱塞24接合其中的凹陷部。

调节装置10具有第二轴承部段36，其在所示示例性实施例中布置在第一轴承部段22之后并由管状体38形成,第一轴承部段22从自由端26开始。在所示示例中，第二轴承部段36如此布置，使得仅柱塞24安装在第二轴承部段36中。因此，第二轴承部段36位于壳体12内，而第一轴承部段22位于适配器18中并因此位于壳体12外。第一轴承部段22和第二轴承部段36两者如此配置，使得柱塞24和电枢34支承成可绕纵向轴线L旋转且可沿纵向轴线L移动。在所示示例性实施例中，柱塞24在与第二轴承部段36相互作用的地方具有第二直径D2。

此外，调节装置10具有呈环状构造围住柱塞24的弹簧板40，该弹簧板40具有相对于柱塞24的间隙配合，并在柱塞24的直径增大部42的区域中抵接柱塞24。在伸出位置处，柱塞24的直径增大部42抵接适配器18。因此，直径增大部42用作止挡件。直径增大部42如此定尺寸，使得其赋予柱塞24必要的稳定性。同时，直径增大部42用作弹簧板40的支承件，弹簧板40由永磁体41吸引并将柱塞24保持在伸出位置处，使得柱塞24不会意外地例如通过粘性油向缩回位置移动。

此外，设置有弹簧元件43，其具有第一端44和第二端45。弹簧元件43可提供大致沿纵向轴线L作用的偏置力。弹簧元件43在其第一端44由弹簧板40支撑，在其第二端45由管状体38支撑。因此，弹簧板40实施与电枢34和柱塞24相同的、沿纵向轴线L的轴向运动。由于弹簧板40相对于柱塞24的间隙配合，柱塞24的旋转运动仅在弹簧板40压抵直径增大部42的偏置力超过一定值时才传递至弹簧板40。

柱塞24包括在自由端26的区域和内端32的区域之间、具有第三直径D3的另外的区域46。在所示示例性实施例中，第三直径D3小于第一直径D1和第四直径D4，但大于第二直径D2。

为了移动电枢34，调节装置10包括呈环状构造围住电枢34的线圈单元48，因此形成间隙。此外，设置有极芯50，其关于图1中所选择的视角布置在电枢34上方。此外，调节装置10具有另外的永磁体52，其紧固至盖14并布置在极芯50上方。

由于电枢34和柱塞24压在一起，它们实施相同的运动。因此，柱塞24和电枢34不会相对于彼此移动，这意味着不存在由于电枢34和柱塞24之间的相对运动而引起的磨损点。

调节装置10操作如下：另外的永磁体52向电枢34施加沿纵向轴线L作用的吸引力，使得在缩回状态下，电枢34被另外的永磁体52吸引并抵靠极芯50。结果，弹簧元件43被压缩，使得弹簧元件43提供偏置力，但该偏置力小于另外的永磁体52的吸引力。因此，电枢34和柱塞24位于缩回位置(参见图1)。

若线圈单元48通电，则产生磁场，该磁场诱导了与弹簧元件43提供的偏置力相同方向作用于电枢34的磁力，因此抵消了另外的永磁体52的吸引力。磁力和偏置力的总和大于另外的永磁体52的吸引力，使得电枢34并由此柱塞24沿纵向轴线L移动远离另外的永磁体52，直到弹簧板40接触止挡件54，由此柱塞24和电枢34达到伸出位置(未示出)。在该伸出位置，柱塞24的自由端26接合到未示出的凸轮轴或未示出的凸轮轴部段的凹槽中。凹槽具有相对于凸轮轴的旋转轴线呈螺旋状的走向，使得柱塞24在凹槽中的接合与凸轮轴绕其自身旋转轴线的旋转的结合引起沿凸轮轴的旋转轴线的纵向调节。为了传递相应的轴向力，柱塞24接触凹槽其中一个侧壁并沿其滚动，使得柱塞24在接合到槽中时以非常高的转速旋转。由于电枢34与柱塞24压在一起，柱塞24的旋转运动也传递至电枢34。适配器18的止挡件54和凹槽的深度如此选择，使得在伸出位置处，柱塞24的自由端26不会接触凹槽的底表面。为了防止柱塞24由于例如聚集在柱塞24下方的粘性油移回到缩回位置，柱塞24在直径增大部42处由永磁体41保持处于其伸出位置。但是凹槽的深度朝向端部减小，使得柱塞24的自由端26从一特定旋转角度开始接触凹槽的底表面，由此柱塞24再次朝向另外的永磁体52移动，由此克服了永磁体41的保持力，该保持力随着直径增大部42距永磁体41距离的增大而减小。一旦柱塞24从凹槽中朝向缩回位置移动，线圈单元48的通电就中断，使得另外的永磁体52施加至电枢34的吸引力再次大于弹簧元件43提供的偏置力与由于线圈单元48未通电而不再作用的磁力之和。因此，柱塞24和电枢34再次位于缩回位置，直到线圈单元48再次通电。

由于柱塞24在自由端26的区域中具有第一直径D1，其大于在内端32的区域中的第二直径D2，柱塞24与已知柱塞相比具有增大的弯曲刚度，从而可吸收高弯矩，而不会导致柱塞24弯曲并因此卡在两个轴承部段22、36中。具有第三直径D3的另外的区域46如此设计，使得一方面柱塞24的重量与已知柱塞相比不会增加或仅略微增加，但增大了弯曲刚度。

凸肩30使得在自由端26的区域中积聚在适配器18和柱塞24之间的污物在柱塞24从缩回位置移动到伸出位置时从适配器18中推出。由此避免了由于污物颗粒的进入而阻塞柱塞24或损坏第一轴承部段22。

附图标记说明：

10 调节装置

12 壳体

14 盖

16 凸缘

18 适配器

20 凹陷部

22 第一轴承部段

24 柱塞

26 自由端

28 轴承表面

30 凸肩

32 内端

34 电枢

36 第二轴承部段

38 管状体

40 弹簧板

41 永磁体

42 直径增大部

43 弹簧元件

44 第一端

45 第二端

46 另外的区域

48 线圈单元

50 极芯

52 另外的永磁体

54 止挡件

D1 第一直径

D2 第二直径

D3 第三直径

D4 第四直径

L 纵向轴线

Claims

1.一种用于调节内燃机的凸轮轴或凸轮轴部段的电磁调节装置，包括：

可通电的线圈单元(48)，借此在通电状态下，沿所述调节装置(10)的纵向轴线(L)移动支承的电枢(34)可相对于极芯(50)在缩回位置和伸出位置之间移动；

沿所述纵向轴线(L)移动支承的至少一个柱塞(24)，在所述伸出位置，所述柱塞(24)凭借自由端(26)与所述凸轮轴相互作用以调节所述凸轮轴，并在内端(32)连接至所述电枢(34)，

其中，

所述柱塞(24)在所述自由端(26)的区域中具有第一直径(D1)，在所述内端(32)的区域中具有第二直径(D2)，且

所述第一直径(D1)大于所述第二直径(D2)，

其中，所述调节装置(10)包括适配器(18)，所述调节装置(10)利用所述适配器(18)能够紧固至气缸顶盖，其中，所述适配器形成第一轴承部段(22)，用于将所述柱塞(24)可旋转地支承在所述适配器(18)中，

其中所述柱塞(24)在所述自由端(26)的区域中具有与所述第一轴承部段(22)相互作用的轴承表面(28)，

其中所述柱塞(24)在所述自由端(26)和所述轴承表面(28)之间具有小于所述第一直径(D1)的第四直径(D4)，

其中所述柱塞(24)在从所述第一直径(D1)到所述第四直径(D4)的过渡处形成凸肩(30)，从而在所述过渡处形成垂直于所述纵向轴线(L)延伸的表面，所述表面配置成将污物从所述调节装置中移出。

2.根据权利要求1所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(24)在所述自由端(26)的区域和所述内端(32)的区域之间具有另外的区域(46)，所述另外的区域(46)具有小于所述第一直径(D1)的第三直径(D3)。

3.根据权利要求1或2所述的电磁调节装置，其特征在于，所述调节装置形成第二轴承部段(36)，用于将所述柱塞(24)可旋转地支承在所述电枢(34)外部。

4.根据权利要求1或2所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(24)由不锈钢制成。