CN110475950A - 尤其用于调节内燃机的凸轮轴的电磁调节装置 - Google Patents

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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(44)，利用所述线圈单元(44)，沿纵向轴线(L)移动地支承的电枢(12)可相对于极芯在缩回位置和伸出位置之间移动；沿所述纵向轴线(L)移动地支承的柱塞(26)，所述柱塞(26)具有自由端部段(28)和内端部段(30)，所述柱塞(26)在所述伸出位置处利用所述自由端部段(28)与凸轮轴相互作用以调节所述凸轮轴，所述柱塞(26)利用所述内端部段(30)附接至所述电枢(12)，其中，所述柱塞(26)借助可变形的连接元件以形状配合方式附接至所述电枢(12)。本发明还涉及一种将这种电磁调节装置(42)的柱塞(26)形状配合地附接至电枢(12)的方法。

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部段上，其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。在用于轴向移动凸轮轴或凸轮轴部段的已知的调节装置中，例如EP 2 158 596B1、DE 20 2006 011 904 U1和WO 2008/014996 A1中描述的，凸轮轴具有多个凹槽，具有不同数量柱塞的调节装置(也称为致动器)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或凸轮轴部段轴向调节的滑槽引导件，为此，凸轮轴或凸轮轴部段必须旋转一定量。
为了使柱塞在缩回位置和伸出位置之间移动，调节装置具有可通电的线圈单元，利用该线圈单元，在通电状态下，沿着调节装置的纵向轴线可移动地支承的电枢可相对于极芯移动。电枢与柱塞相互作用，使得电枢沿纵向轴线的运动传递到柱塞。
从WO2016/001254A1中得知，柱塞使用保持垫圈紧固在电枢上。在本说明书的图1a)和图1b)中示意性示出了根据WO2016/001254A1、柱塞与电枢建立连接的过程。参照图1a)和图1b)中所选择的图示，柱塞从下方沿柱塞纵向轴线的引导运动通过电枢的开口，直到柱塞的下凸肩贴合在电枢上。随后，保持垫圈从上方引入到电枢中并滑到柱塞上，直到保持垫圈贴合在柱塞的上凸肩上。保持垫圈的尺寸如此设定，使得其径向突出超过电枢的开口。现在，冲压工具从上方引入到电枢中，于是柱塞变形，使得保持垫圈形状配合地紧固在柱塞上。由于变形，柱塞呈现蘑菇状形状。参照纵向轴线，现在，柱塞相对于电枢的位置是固定的，一方面利用第一凸肩，另一方面利用保持垫圈。可沿纵向轴线提供一定的游隙，例如以补偿由于温度波动引起的长度变化。
该连接的缺点是，冲压工具必须引入到电枢中并且柱塞必须承受相对严重的变形。由于操作过程中作用于柱塞上的上述高径向力，柱塞由相应的高质量和高强度钢制成，其难以变形。相应高的力是变形所必需的，这使得难以提供连接。在许多情况下，柱塞硬化，使得柱塞的变形仅在力和能量高输出的情况下发生，这在批量生产中是不可行的。然而，为了仍然建立连接，硬化后的柱塞在欲变形的部分通过进一步的热处理过程而再次软化。除了附加的热处理过程耗时且产生附加成本之外，柱塞的强度总体上受到损害。
发明内容
因此，本发明的目的是提供一种尤其用于调节内燃机的凸轮轴的电磁调节装置，利用该电磁调节装置可克服上述缺点。特别地，调节装置应如此设计，使得可以更简单且更成本效益的方式建立电枢和柱塞之间的连接。
该目的利用权利要求1和8中指定的特征来实现。有利的实施方式是从属权利要求的主题。
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，利用所述线圈单元，沿所述调节装置的纵向轴线可移动地支承的电枢可在缩回位置和伸出位置之间移动；沿所述纵向轴线可移动地支承的柱塞，所述柱塞具有自由端部段和内端部段，所述柱塞在所述伸出位置处利用所述自由端部段与凸轮轴相互作用以调节所述凸轮轴，所述柱塞利用所述内端部段紧固在所述电枢上，其中，所述柱塞借助可变形的连接元件形状配合地紧固在所述电枢上。
与开头描述的现有技术中柱塞紧固在电枢上的方式不同，提出使用附加元件，即连接元件，该连接元件变形以连接柱塞与电枢。因此，电枢和柱塞都不需要变形以进行连接。由于难以实现局部有限的变形，因而在现有技术中很可能发生，尤其是柱塞以非最佳执行的变形扭曲，使得柱塞不再理想地呈圆形，而是略微偏心。这导致在调节装置的操作中磨损增加且噪声增加。由于根据本提案不需要柱塞或电枢上的变形，因而噪声和磨损可保持最低，从而提高了调节装置的便利性和使用寿命。
可变形的连接元件应理解为是这样的连接元件，其具有如此低的变形阻力，使得连接元件可用手或用诸如钳子之类的工具实现变形，而不需要特殊的热处理。这里，连接元件可塑性或弹性变形。作为可弹性变形的连接元件，可使用锁环，例如卡紧环。根据该提案，连接元件的材料可自由地选择，使得尽可能容易地实现安装期间的变形过程。此外，连接元件的材料可如此选择，使得确保电磁调节装置的功能，尤其是可靠地吸收操作中产生的力。连接元件的材料，可使用金属，尤其是钢。已经证明，使用易切削钢，例如11S Mn 30级是特别有利的。
根据另一实施方式，柱塞具有第一凸肩和第二凸肩，所述柱塞利用第一凸肩贴合在电枢上，所述柱塞利用第二凸肩贴合在连接元件上。以这种方式，可以简单的方式实现不需要使用附加紧固元件的形状配合。由此，根据本提案的调节装置的制造过程可简单，因此成本有效地得以保持。
在另一实施方式中，柱塞具有延伸自第二凸肩的凹陷部，连接元件通过变形可引入到或被引入到凹陷部中。一旦连接元件被引入到凹陷部中，其位置相对于柱塞固定，从而不必为此采取进一步措施。由此，根据本提案的调节装置的制造过程可简单，因此成本有效地得以保持。
在另一实施方式中，连接元件可设计为可变形的套筒。在该实施方式中，可使用市售的连接元件，因此可获得多种尺寸且低成本的连接元件，从而可避免定制产品。特别地，压接套筒可用作连接元件，其可利用同样可获得的压接工具相应地变形。因此，不需要制造特殊工具，从而制造过程可进一步简化并且是有成本效益的。
在一个改进的实施方式中，柱塞可具有第三凸肩，柱塞利用该第三凸肩贴合在套筒上。在安装时，套筒可简单地滑到柱塞上，直到其贴合在第三凸肩上。由此，套筒至少预先定位，使得不必为此采取进一步的措施。由此，加速和简化了安装。
在另一实施方式中，套筒具有变形部段。通过变形部段可影响套筒变形的方式。例如，变形部段可借助减小的壁厚来实现。由此，实现的是，即使用于变形的工具没有按预期接合在套筒上，套筒仍然根据需要变形。此外，通过设置变形部段可减小变形所需的力，从而简化了变形过程。
一个改进的实施方式的特征在于，柱塞始终硬化。如开头所述，在调节装置的操作过程中对柱塞施加有高力。在现有技术中，柱塞是硬化的。然而，它们不能或者仅以不合理的费用如图1a)或图1b)所示变形。因此，在柱塞应变形的区域中，柱塞经受进一步的热处理，使得它们在该区域中更软并因此可变形。由此使制造过程复杂化并降低了柱塞的强度。由于根据本提案不再需要使柱塞变形以紧固在电枢上，因而能够使用始终或完全硬化的柱塞。可省去进一步的热处理。此外，在整个柱塞上始终保持强度。
在另一实施方式中，柱塞可旋转地紧固在电枢上。在该实施方式中，在连接元件和电枢之间形成磨损位置。连接元件的材料可如此选择，使得磨损保持最小化或大致限于连接元件。如已经提到的，柱塞在接合到凸轮轴的凹槽中时旋转。当柱塞不可旋转地紧固在电枢上时，电枢在操作中将与柱塞一起旋转。电枢通常借助弹簧元件来施加预应力，使得旋转传递到弹簧元件。这可能导致弹簧元件的负载增加，甚至是弹簧元件的损坏，尤其是因为弹簧元件可旋开。此外，弹簧元件和电枢在接触部位将受到增大的磨损。由于柱塞可旋转地支承在电枢上，因而电枢和弹簧元件与柱塞分开并因此不会受到上述的负载。
本发明的一个实施方式涉及一种将根据前述实施方式中任一项所述的电磁调节装置的柱塞形状配合地紧固在电枢上的方法，包括以下步骤：
提供可变形的连接元件；以及
通过所述连接元件的变形来将柱塞形状配合地连接在电枢上。
利用根据本提案的方法可获得的技术效果和优点对应于已针对本调节装置所讨论的那些技术效果和优点。总之，应注意，与开头描述的现有技术中将柱塞紧固在电枢上的方式不同，根据本提案，使用附加元件，即连接元件，该连接元件变形以将柱塞与电枢连接。因此，电枢和柱塞都不需要变形以进行连接。由于难以实现局部有限的变形，因而现有技术中很可能，尤其是柱塞在非最佳执行的变形时扭曲。这导致柱塞不再理想地呈圆形，而是略微偏心。这导致调节装置的操作过程中磨损增加且噪声增加。由于根据本提案不需要柱塞或电枢上的变形，因而噪声和磨损得以保持最小化，从而可提高调节装置的便利性和使用寿命。
根据该方法的一个改进的实施方式，其中，柱塞具有第一凸肩和第二凸肩，以及延伸自第二凸肩的凹陷部，所述方法包括以下步骤：
定位柱塞使得其贴合在第一凸肩上；以及
通过使连接元件变形来将连接元件引入到凹陷部中。
在该方法的该实施方式中，柱塞可以非常简单但精确的方式紧固在电枢上。由此，根据本提案的调节装置的制造过程得以简单并因此低成本地保持。
附图说明
以下参照附图更详细地说明本发明的示例性实施方式。在附图中：
图1a)和图1b)是现有技术中柱塞与电枢连接方式的示意图；
图2是连接元件的实例实施例的剖视图；
图3是通过图2所示的连接元件与电枢连接的柱塞的剖视图；和
图4是电磁调节装置的基本剖视图，其中柱塞通过图2所示的连接元件连接至电枢。
具体实施方式
图1a)和图1b)示意性示出现有技术中柱塞10与电枢12的连接方式。参照图1a)和图1b)中选择的图示，柱塞10从下方沿柱塞10的纵向轴线L方向引导运动通过电枢12的开口13，直到柱塞10的下凸肩14贴合电枢12上。随后，保持垫圈16从上方引入到电枢12中并滑到柱塞10上，直到保持垫圈16贴合柱塞10的上凸肩18上。保持垫圈16的尺寸如此设定，使得其径向突出超过电枢12的开口13。随后，未示出的冲压工具从上方引入到电枢12中，于是柱塞10变形，使得保持垫圈16形状配合地紧固在柱塞10上。柱塞10由于变形而呈现蘑菇状形状。现在，柱塞10相对于纵向轴线L的位置一方面通过下凸肩14且另一方面通过保持垫圈16而固定。这里，可沿纵向轴线L提供一定的游隙，例如以补偿由于温度波动引起的长度变化。
图2以剖视图示出提出的连接元件20的实例实施例。连接元件20实施为具有变形部段24的管状套筒22。在变形部段24中，套筒22具有减小的壁厚。
图3示出通过图2中所示的连接元件20连接至电枢12的所提出的柱塞26的剖视图。电枢12精确地按照图1a)和图1b)中所示的电枢12构造。图形偏差应忽略。柱塞26具有自由端部段28和内端部段30，其中，柱塞26在内端部段30内具有第一凸肩32、第二凸肩34、延伸自第二凸肩34的凹陷部36，以及第三凸肩38。
再次参照图3中选择的图示，柱塞26从下方沿柱塞26的纵向轴线L的方向引导运动，内端部段30通过电枢12的开口13，直到柱塞26的第一凸肩32贴合在电枢12上。随后，套筒22滑到柱塞26上，直到套筒22贴合柱塞26的第三凸肩38。第三凸肩38如此布置，使得柱塞26的第一凸肩32贴合电枢12时，第三凸肩38与电枢12的底表面40齐平或者略微突出超过底表面40。随后，未示出的工具从上方滑到套筒22上。工具可实施为使得其贴合在从变形部段24或从减小的壁厚到套筒22的整个壁厚的过渡部上。由此实现工具的定位。随后，套筒22利用该工具变形，使得套筒22引入到凹陷部36中，如图3所示。现在套筒22在柱塞26上的位置固定。随后，工具从电枢12中抽出。柱塞26现在形状配合地紧固在电枢12上。
图4示出电磁调节装置42的基本剖视图，其中柱塞26通过图2中所示的连接元件20连接在电枢12上。仅示出了理解调节装置42的运作方式所需的那些部件。
柱塞26以未进一步示出的方式支承在调节装置42中使得其可沿着其纵向轴线L移位，为此可使用由合成材料或不可磁化材料制成的滑动轴承。
为了移动电枢12，调节装置42包括线圈单元44，该线圈单元44以形成有间隙的方式环绕电枢12。此外，调节装置42具有磁体单元46，该磁体单元46包括未明确示出的极芯和永磁体，它们被视为包括在磁铁单元46的图示中。
此外，设置有弹簧元件48，其具有第一端50和第二端52。弹簧元件48可提供大致沿纵向轴线L作用的预应力。弹簧元件48的第一端50支撑在底表面40上(参见图3)且其第二端52支撑在磁体单元46上。
调节装置42以如下方式操作：未示出的永磁体对电枢12施加沿纵向轴线L作用的吸引力，使得在移入状态下电枢26由永磁体吸引并贴合在上止挡件54上。由此，压缩弹簧元件48，使得弹簧元件48提供预应力，但其小于永磁体的吸引力。因此，电枢12和柱塞26占据未示出的缩回位置。
如果现在线圈单元44通电，则产生磁场，该磁场感生了作用于电枢12上的磁力，该磁力以与弹簧元件48提供的预应力相同的方向作用，并因此对抗永磁体的吸引力。永磁体的磁力与预应力之和大于永磁体的吸引力，使得电枢12并因此柱塞26沿纵向轴线L移动远离永磁体，直到电枢12抵靠下止挡件56，由此柱塞26和电枢12到达图4中所示的伸出位置。在该伸出位置处，柱塞26的自由端部段28接合到未示出的凸轮轴部段的凹槽中。参照凸轮轴的旋转轴线，凹槽具有螺纹状或螺旋状走向，使得柱塞26在凹槽中的接合与凸轮轴绕其自身旋转轴线的旋转相结合实现了沿凸轮轴旋转轴线的纵向移位。为了传递相应的轴向力，柱塞26贴合在凹槽的其中一个侧壁上并在其表面上滚动，使得柱塞26在接合到凹槽中时以非常高的旋转速度旋转。凹槽深度朝向端部减小，使得从凸轮轴某一旋转角度起，柱塞26的自由端部段28与凹槽的底部相接触，由此柱塞26再次在永磁体的方向上移动。最迟在这一点，线圈单元44的通电中断，使得永磁体施加在电枢12上的吸引力再次大于弹簧元件48提供的预应力与由于线圈单元44不通电而不再作用的磁力之和。因此，柱塞26和电枢12再次占据缩回位置，直到线圈单元44重新通电。调节装置的运行方式的更多描述也可从WO2016/001254A1中获得。
如已解释的，柱塞26在接合到凸轮轴的凹槽中时绕纵向轴线L旋转。然而，由于柱塞26可旋转地支承在电枢12上，因而旋转不会传递到电枢12上并因此也不会传递到弹簧元件48上。因此，相对于旋转而言，柱塞26是与电枢12和弹簧元件48分离的。
附图标记列表：
10 根据现有技术的柱塞
12 电枢
13 开口
14 下凸肩
16 保持垫圈
18 上凸肩
20 连接元件
22 套筒
24 变形部段
26 柱塞
28 自由端部段
30 内端部段
32 第一凸肩
34 第二凸肩
36 凹陷部
38 第三凸肩
40 底表面
42 调节装置
44 线圈单元
46 磁体单元
48 弹簧元件
50 第一端
52 第二端
54 上止挡件
56 下止挡件
L 纵向轴线

Claims (10)

1.一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(44)，利用所述线圈单元(44)，沿纵向轴线(L)可移动地支承的电枢(12)可在缩回位置和伸出位置之间移动；
沿所述纵向轴线(L)可移动地支承的柱塞(26)，所述柱塞(26)具有自由端部段(28)和内端部段(30)，所述柱塞(26)在所述伸出位置处利用所述自由端部段(28)与凸轮轴相互作用以调节所述凸轮轴，所述柱塞(26)利用所述内端部段(30)紧固在所述电枢(12)上，其中，
所述柱塞(26)借助可变形的连接元件(20)形状配合地紧固在所述电枢(12)上。
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(26)具有第一凸肩(32)和第二凸肩(34)，所述柱塞(26)利用所述第一凸肩(32)贴合在所述电枢(12)上，所述柱塞(26)利用所述第二凸肩(34)贴合在所述连接元件(20)上。
3.根据权利要求2所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(26)具有延伸自所述第二凸肩(32)的凹陷部(36)，所述连接元件(20)通过变形可引入或被引入到所述凹陷部(36)中。
4.根据前述权利要求中任一项所述的电磁调节装置，其特征在于，所述连接元件(20)设计为可变形套筒(22)。
5.根据权利要求4所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(26)具有第三凸肩(38)，所述柱塞(26)利用所述第三凸肩(38)贴合在所述套筒(22)上。
6.根据权利要求3或4所述的电磁调节装置，其特征在于，所述套筒(22)具有变形部段(24)。
7.根据前述权利要求中任一项所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(26)始终硬化。
8.根据前述权利要求中任一项所述的电磁调节装置，其特征在于，所述柱塞(26)可旋转地紧固在所述电枢(12)上。
9.一种将根据前述权利要求中任一项所述的电磁调节装置(42)的柱塞(26)形状配合地紧固在电枢(12)上的方法，包括以下步骤：
提供可变形的连接元件(20)；以及
通过所述连接元件(20)的变形来将所述柱塞(26)形状配合地连接在所述电枢(12)上。
10.根据权利要求8所述的方法，其中所述柱塞(26)具有第一凸肩(32)和第二凸肩(34)，以及延伸自所述第二凸肩(34)的凹陷部(36)，所述方法包括以下步骤：
定位所述柱塞(26)使得其贴合在所述第一凸肩(32)上；以及
通过所述连接元件(20)的变形来将所述连接元件(20)引入到所述凹陷部(36)中。
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