DE10037399A1 - Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Montage eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere eines Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine. Der Aktuator weist einen in einem Aktuatorrahmen gelagerten Drehanker auf, der mit Hilfe von Elektromagneten hin- und herbewegt wird. Um ein verlustarmes Schalten des Aktuators sicherzustellen, müssen die Elektromagneten hochgenau gegenüber dem Drehanker positioniert und fixiert werden. Das wird erreicht, indem der Elektromagnet zunächst lose in den Aktuatorrahmen eingelegt und dann in eine definierte, einer ausgewählten Arbeitsstellung entsprechenden Raumlage gegenüber dem fest im Aktuatorrahmen montierten Drehanker gebracht wird. In dieser Raumlage wird der Elektromagnet dann gegenüber dem Aktuatorrahmen fixiert. Besonders günstig ist es, den Elektromagneten durch Bestromen in die definierte Lage gegenüber dem Drehanker zu ziehen. Zweckmäßigerweise ist der Elektromagnet mit Stegen versehen, welche durch Öffnungen im Aktuatorrahmen in den Außenraum des Aktuators ragen und an denen der Elektromagnet - z. B. mit Hilfe des Laserstrahlschweißens - mit dem Aktuatorrahmen verbunden wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators, insbesondere eines Aktuators zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 und 3.

Aus der DE 197 12 056 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator, insbesondere zur Betätigung eines Gaswechselventils einer Brennkraftmaschine, bekannt. Der Aktuator umfaßt zwei sich ge­ genüberliegende Elektromagnete und einen dazwischen hin- und herbewegbaren Drehanker, der bei abgeschalteten Magneten durch Federkräfte in einer Zwischenlage zwischen den Elektromagneten gehalten wird und beim Einschalten eines der Elektromagnete in eine Endstellung in der Nähe der Polflächen des entsprechenden Elektromagneten gebracht wird. Der Drehanker ist mit dem anzu­ treibenden Teil, in diesem Fall dem Schaft des Gaswechselven­ tils, so verbunden, daß durch wechselseitige Betätigung der Elektromagnete ein Öffnen bzw. ein Schließen des Ventils be­ wirkt werden kann.

Die von dem Schließmagneten und dem Öffnungsmagneten benötigte Energie, auch Fangenergie genannt, um den Drehanker von einem bestimmten Abstand aus anzuziehen, nimmt mit dem Abstand expo­ nentiell zu. Weiterhin ist die zum Halten des Drehankers in Öffnungs- bzw. Schließstellung benötigte Halteenergie umso grö­ ßer, je größer der Spalt zwischen dem angezogenen Drehanker und der Polfläche des aktivierten Elektromagneten ist. Um die Wir­ kungsgradverluste möglichst gering zu halten, müssen deswegen die Polflächen der Elektromagnete hochgenau gegenüber der Schwenkachse des Drehankers ausgerichtet werden, daß die Kon­ taktfläche des Drehankers im Betrieb möglichst genau auf der Polfläche des jeweils aktivierten Elektromagneten aufliegt. Dies ist nur durch eine sehr gute Maßhaltigkeit der Einzelkom­ ponenten des Aktuators und durch eine hochgenaue Ausrichtung der Einzelelemente untereinander zu erreichen. Der hiermit ver­ bundene Bearbeitungs- und Montageaufwand ist extrem hoch und daher mit erheblichen Kosten verbunden. Weiterhin ist dabei aufgrund der vielen zu berücksichtigenden Lage- und Winkelpara­ meter ein äußerst komplexes Montageproblem gegeben, das eine Serienfertigung solcher Aktuatoren praktisch undurchführbar macht.

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein einfaches Montageverfahren zur Herstellung solcher Aktuatoren vorzuschla­ gen, das unempfindlich gegenüber Fertigungsungenauigkeiten der Einzelkomponenten ist und gleichzeitig eine Minimierung der Wirkungsgradverluste im Betrieb sicherstellt.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der Ansprü­ che 1 und 3 gelöst.

Danach wird der Elektromagnet zunächst lose in einen Aktuator­ rahmen eingelegt, gegenüber dem die Schwenkachse des Drehankers über Lagerstellen fixiert ist. Dann wird der Drehanker in eine definierte Arbeitsstellung gebracht und in dieser Position tem­ porär fixiert. Anschließend wird der Elektromagnet in eine de­ finierte Arbeitsstellung gegenüber dem Drehanker gebracht. In dieser Raum- und Winkellage des Elektromagneten gegenüber dem Drehanker wird der Elektromagnet nun gegenüber dem Rahmen blei­ bend fixiert, wodurch die eingestellte Raum- und Winkellage des Elektromagneten gegenüber dem Rahmen eingefroren wird. Dadurch ist der Elektromagnet somit auch gegenüber der fest mit dem Rahmen verbundenen Schwenkachse des Drehankers in einer ausge­ wählten Art verbunden.

Besonders günstig ist es, wenn die definierte Arbeitsstellung des Elektromagneten gegenüber dem Drehanker eingestellt wird, indem der Elektromagnet bestromt wird (siehe Anspruch 2). Wird nämlich der Elektromagnet bestromt, so baut sich zwischen der Polfläche des Elektromagneten und der dieser Polfläche gegen­ überliegenden Kontaktfläche des Drehankers ein Kraftfeld auf, das den Elektromagneten in eine unter energetischen Gesichts­ punkten günstigste Raum- und Winkellage gegenüber dem Drehanker zieht; in dieser Relativlage ist der Elektromagnet so gegenüber dem Drehanker ausgerichtet, daß die Kontaktfläche des Dre­ hankers auf der Polfläche des aktivierten Elektromagneten auf­ liegt und der dazwischenliegende Luftspalt minimiert wird. Dies entspricht somit der gewünschten Ausrichtung zwischen Elektro­ magnet und Drehanker, bei der im Betriebszustand Wirkungs­ gradverluste minimiert werden können. In dieser Raum- und Win­ kellage wird der Elektromagnet nun gegenüber dem Rahmen blei­ bend fixiert, wodurch die während der Bestromung eingenommene Raum- und Winkellage des Elektromagneten gegenüber dem Rahmen eingefroren wird. Dadurch ist der Elektromagnet somit auch ge­ genüber der fest mit dem Rahmen verbundenen Schwenkachse des Drehankers in einer solchen Weise fixiert, daß die Polfläche des Elektromagneten und die Kontaktfläche des Drehankers bei Bestromung des Elektromagneten - und somit im Betriebszustand des Aktuators - in energetisch optimaler Weise aufeinandertref­ fen.

Diese Lage- und Winkelausrichtung und anschließende Fixierung des Elektromagneten relativ zum Drehanker erfolgt dabei voll­ kommen unabhängig von fertigungsbedingten Ungenauigkeiten die­ ser beiden Komponenten. Der Referenzpunkt bei der Montage des Elektromagneten ist nämlich einzig und allein durch die Aus­ richtung der Polfläche gegeben, die an der Kontaktfläche des Drehankers anliegt. Alle anderen Maße des Elektromagneten spie­ len dabei keine Rolle und können daher mit (Fertigungs-) Unge­ nauigkeiten behaftet sein. Insbesondere können durch die Aus­ richtung des Elektromagneten an der Kontaktfläche des Dre­ hankers auch eventuelle Ungenauigkeiten der Lage der Schwen­ kachse des Drehankers im Rahmen kompensiert werden. Das erfin­ dungsgemäße Verfahren ermöglicht daher eine erhebliche Redukti­ an der Fertigungskosten, da für die hochgenaue Ausrichtung des Elektromagneten keine aufwendige Bearbeitung ausgewählter An­ schlag- und Montageflächen mehr notwendig ist. Auf eine genaue Maßhaltigkeit der Einzelteile kann daher verzichtet werden, und durch die Vermeidung enger Fertigungstoleranzen und Toleranz­ verkettungen kann eine Reduktion der Fertigungskosten erreicht werden.

Weiterhin umfaßt das Verfahren nur wenige, einfache Verfahrens­ schritte; es ist daher kostengünstig und großserientauglich. Schließlich stellt das Verfahren sicher, daß die Montage unter betriebsnahen Bedingungen (Vorspannung des Drehankers, Öff­ nungs- und Schließlagen der Ventile) erfolgt: der Elektromagnet wird nämlich in einer solchen Lage gegenüber dem Drehanker fi­ xiert, daß der Drehanker im späteren Betriebseinsatz beim Be­ stromen des Elektromagneten näherungsweise verspannungsfrei an der Polfläche des Elektromagneten anliegt; dies reduziert die Biegebelastung des Drehankers und erhöht seine Lebenszeit er­ heblich. Insgesamt kann mit Hilfe des vorgeschlagenen Montage­ verfahrens der Wirkungsgrad des Aktuatorsystems erhöht und sein Energiebedarf erheblich gesenkt werden, so daß das Aktuator- Kühlsystem geringere Anforderungen erfüllen muß bzw. auf ein Aktuator-Kühlsystem überhaupt verzichtet werden kann.

Das bisher beschriebene, auf die Fixierung eines einzigen Elek­ tromagneten in einem Aktuator bezogene Verfahren läßt sich in einfacher Weise auf Aktuatoren mit zwei Elektromagneten erwei­ tern, deren Polflächen wenigstens teilweise einander zugewandt sind (siehe Ansprüche 3 und 4). In diesem Fall werden beide Elektromagnete zunächst lose in den Aktuatorrahmen eingelegt, gegenüber dem die Schwenkachse des Drehankers über Lagerstellen fixiert ist. Dann wird der Drehanker in eine erste definierte Arbeitsstellung gebracht und in dieser Position fixiert. Durch Bestromung des ersten (d. h. des dieser Arbeitsstellung entspre­ chenden) Elektromagneten wird dieser Elektromagnet in die die­ ser Arbeitsstellung entsprechende energetisch günstigste Raum- und Winkellage gebracht und in dieser Lage gegenüber dem Rahmen fixiert. Dann wird der Drehanker in eine zweite definierte Ar­ beitsstellung gebracht und in dieser Position temporär fixiert. Durch Bestromung des zweiten (d. h. des der zweiten Arbeitsstel­ lung entsprechenden) Elektromagneten wird dieser zweite Elek­ tromagnet in eine Raum- und Winkellage gebracht, die einer Mi­ nimierung des Spalts zwischen der Polfläche des zweiten Elek­ tromagneten und der dieser Polfläche gegenüberliegende Kontakt­ fläche des Drehankers entspricht, und in dieser Lage gegenüber dem Rahmen fixiert. Beim erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt somit die Positionierung und Fixierung jedes Elektromagneten entkoppelt vom anderen Elektromagneten; somit entfällt die auf­ wendige und fehleranfällige gleichzeitige Montage beider Elek­ tromagneten, die bei herkömmlichen Fertigungsverfahren erfor­ derlich ist.

Um eine möglichst geringe Verformung des Elektromagneten und des Rahmens während der Fixierung des Elektromagneten zu errei­ chen und somit einen möglichst spannungsarmen Zusammenbauzu­ stand zu erhalten, erfolgt die Fixierung des Elektromagneten vorzugsweise mit Hilfe eines verzugsarmen Fügeverfahrens (siehe Anspruch 5). Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei der Einsatz des Laserschweißens erwiesen, da es ein schnelles Fügen der beiden Fügepartner mit lokal eng begrenzter Wärmezufuhr ge­ währleistet (siehe Anspruch 6).

Was die konkrete Ausgestaltung des Fügebereiches zwischen Elek­ tromagnet und Rahmen betrifft, so empfiehlt es sich, den Elek­ tromagneten mit einem abragenden Steg zu versehen, welcher in Zusammenbaulage des Aktuators durch eine Öffnung in der Wandung des Rahmens in den Außenraum hindurchragt (siehe Anspruch 7). Bei der oben beschriebenen Bestromung des Elektromagneten nimmt der fest mit dem Magneten verbundene Steg eine bestimmte Raum- und Winkellage ein, in welcher er gegenüber dem Rahmen fixiert werden muß. Diese Fixierung erfolgt durch ein festes Verbinden des durch die Rahmenwandung nach außen ragenden Endes des Ste­ ges mit dem Rahmen. Der eigentliche Fügebereich kann dadurch in den Außenbereich des Aktuators gelegt werden, was die Einseh­ barkeit und die Zugänglichkeit der Fügestelle erheblich erhöht und somit den Fügevorgang wesentlich vereinfacht.

Um Verspannungen des Drehankers zu vermeiden, muß die Öffnung in der Rahmenwandung, durch die das Ende des Steges hindurchge­ führt wird, so groß bemessen sein, daß - unabhängig von den Fertigungsungenauigkeiten der zu montierenden Einzelteile - der Steg beim Bestromen des Elektromagneten frei durch die Öffnung geführt werden kann, ohne die Ränder der Öffnung zu berühren. Im bestromten Zustand des Elektromagneten liegt daher zwischen dem Steg und den Rändern der Öffnung ein umlaufender Spalt vor, der durch das Fügeverfahren überbrückt werden muß. Zur Über­ brückung dieses Spalts wird zweckmäßigerweise ein Verbindungs­ element verwendet, das flächig auf dem Rahmen aufliegt. Dieses Verbindungselement wird zunächst spaltfrei gegenüber dem Steg positioniert mit dem Steg gefügt; anschließend wird das Verbin­ dungselement im Überlappungsbereich mit dem Rahmen gefügt (sie­ he Anspruch 8). Dies ermöglicht die Fixierung des Stegendes in beliebiger Raum- und Winkellage gegenüber der Öffnung des Rah­ mens.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert; dabei zei­ gen

Fig. 1 eine schematische perspektivische Ansicht eines Aktuators;

Fig. 2 einen Längsschnitt durch einen Aktuator in einer schematischen Darstellung;

Fig. 3 einen Axialschnitt durch den Aktuator der Fig. 2 gemäß der Schnittlinie III-III;

Fig. 4 eine schematische Darstellung des Aktuators beim Fixieren. . .

Fig. 4a . . . des Schließmagneten

Fig. 4b . . . des Öffnungsmagneten, und

Fig. 5 eine Detail-Aufsichtsdarstellung des Verbindungs­ bereiches zwischen einem Steg eines Elektromagneten und einer Öffnung einer Endplatte.

Fig. 1 und 2 zeigen einen elektromagnetischen Aktuator 1 zur Betätigung eines Gaswechselventils 2 einer nicht näher darge­ stellten Brennkraftmaschine. Der Aktuator 1 umfaßt eine elek­ tromagnetische Einheit mit zwei Elektromagneten 3, 4 (Öffnungs­ magnet 3 und Schließmagnet 4). Jeder der Elektromagnete 3, 4 be­ sitzt eine auf einem Spulenträger 5, 5' aufgewickelte Magnetspu­ le 6, 6' und einen Spulenkern 7, 7' mit zwei Jochschenkeln 8, 8', die mit ihren Stirnseiten Polflächen 9, 9' bilden. Zwischen den Polflächen 9, 9' ist ein Drehanker 10 um eine Schwenkachse 11 hin- und herschwenkbar gelagert. Der Drehanker 10 wirkt über einen Ventilschaft 12 auf das Gaswechselventil 2. Der Ventil­ schaft 12 ist über eine Schaftführung 13 in einem Zylinderkopf 14 der Brennkraftmaschine axial verschiebbar gelagert.

Ferner besitzt der Aktuator 1 einen Federmechanismus mit zwei vorgespannten Ventilfedern 15, 16, und zwar mit einer als Dreh­ stabfeder ausgebildeten, in Öffnungsrichtung 17 wirkenden Ven­ tilfeder 15 und mit einer als Schraubendruckfeder ausgebilde­ ten, in Schließrichtung 18 wirkenden Ventilfeder 16. Die Dreh­ stabfeder 15 dient als Lagerstelle des Drehankers 10, stützt sich an dem Aktuatorrahmen 19 ab und wirkt über den Ventil­ schaft 12 auf das Gaswechselventil 2. Die Schraubendruckfeder 16 stützt sich über eine erste Federauflage 20 am Zylinderkopf 14 ab und wirkt über eine zweite Federauflage 21 und über den Ventilschaft 12 auf das Gaswechselventil 2. Bei nicht erregten Elektromagneten 3, 4 wird der Drehanker 10 durch die Ventilfe­ dern 15, 16 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Polflächen 9, 9' der Elektromagneten 3, 4 gehalten.

Um ein verlustarmes Schalten des Drehankers 10 durch die Elek­ tromagnete 3, 4 sicherzustellen, muß eine hochgenaue Ausrichtung der Raum- und Winkellage der Elektromagnete 3, 4 gegenüber dem Drehanker 10 gegeben sein. Insbesondere muß jeder Elektromagnet 3, 4 so angeordnet sein, daß im bestromten Zustand dieses Elek­ tromagneten 3, 4 die Kontaktfläche 22, 22' des Drehankers 10 mög­ lichst spaltfrei an der Polfläche 9, 9' des jeweiligen Elektro­ magneten 3, 4 anliegt.

Zur Montage des Aktuators 1 mit der Zielsetzung einer solchen hochgenauen Ausrichtung der Elektromagnete 3, 4 relativ zum Dre­ hanker 10 kommt das erfindungsgemäße Montageverfahren zum Ein­ satz. Hierzu werden zunächst die Elektromagneten 3, 4 und der Drehanker 10 in den Aktuatorrahmen 19 eingelegt; der Drehanker 10 wird hierbei über seine beiden Lager 23 gegenüber dem Aktua­ torrahmen fixiert, während die Elektromagneten 3, 4 lose in den Aktuatorrahmen eingelegt werden.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel umfaßt der Aktuatorrahmen zwei Endplatten 24, welche den Aktuator in Richtung der Schwen­ kachse 11 endseitig begrenzen. Jeder Elektromagnet 3, 4 ist - wie aus der schematischen Schnittansicht der Fig. 3 ersicht­ lich - mit je zwei in Richtung jeder Endplatte 24 abragenden Stegen 25-28 versehen, die in Zusammenbaulage durch Öffnungen 29-32 in den Endplatten 24 hindurch in den Außenraum des Aktua­ tors 1 ragen (siehe Fig. 3). Die Öffnungen 29 und 30 sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel durch Löcher in den Endplatten 24 gebildet, während die Öffnungen 31 und 32 durch Randbereiche der Endplatten gebildet sind; somit durchragen die Stege 25, 26 die Endplatten 24, während die Stege 27, 28 seitlich an den End­ platten 24 in unmittelbarer Nachbarschaft dieser Endplatten 24 vorbeiragen.

Zu Beginn des Montagevorgangs wird der Drehanker 10 an seinen beiden Lagerstellen 23 mit je einer Endplatte 24 verbunden, so daß die beiden Endplatten 24 über den Drehanker 10 relativ zu­ einander fixiert sind. Die Elektromagnete 3, 4 werden lose zwi­ schen die beiden Endplatten 24 eingelegt, wobei die in Richtung der Endplatten 24 abragenden Stege 25-28 durch die Öffnungen 29-32 in den Endplatten 24 hindurchragen.

Im vorliegenden Beispiel sind die Stege 25-28 der Elektromagne­ te 3, 4 als endseitige Verlängerungen von Fixierungsklammern 33, 34 gebildet, welche die Jochschenkel 8 der Elektromagnete 3, 4 seitlich begrenzen. Jedoch sind auch alternative Ausgestal­ tungen der Stege 25-28 als axiale Verlängerungen der Spulenker­ ne 7, als endseitig auf den Elektromagneten 3, 4 vorgesehene zu­ sätzliche Elemente etc. möglich.

Nachdem die Elektromagnete 3, 4 lose in den Aktuatorrahmen 1 eingelegt sind, bestehen die nächsten Verfahrensschritte nun darin, die Optimallagen des Öffnungsmagneten 3 und des Schließ­ magneten 4 relativ zum Drehanker 10 in Öffnungs- bzw. Schließ­ lage des Ventils 2 zu ermitteln und zu fixieren. Hierzu wird eine Einstellvorrichtung 35 verwendet, mit Hilfe derer die bei­ den Betriebsstellungen des Ventils 2 simuliert werden können (siehe Fig. 4a und 4b). Die Einstelleinrichtung 35 umfaßt einen Grundkörper 36 mit einer Referenzaufnahme 37 und einen Stößel 38, der axial verschieblich im Grundkörper 36 geführt ist; der Stößel 38 ist mit zwei Flanschen 39, 40 versehen, mit Hilfe derer der Stößel 38 in zwei definierte Endlagen "Ventil offen" und "Ventil geschlossen" gegenüber dem Grundkörper 36 versetzt werden kann. Die Referenzaufnahme 37 der Einstellvor­ richtung 35 dient der lagegenauen Positionierung des Aktuators 1 gegenüber der Einstellvorrichtung 35 und ist so gestaltet, daß sie der Aufnahme des Aktuators 1 auf der Brennkraftmaschine entspricht; somit ist sichergestellt, daß der Aktuator 1 gegen­ über dem Stößel 38 in Zusammenbaulage mit der Einstelleinrich­ tung 35 die gleiche Raumlage einnimmt wie gegenüber dem Ventil 2 in Zusammenbaulage mit der Brennkraftmaschine. Der Drehanker 10 kann also mit Hilfe des Stößels 38 in die beiden Endlagen gedrückt werden, die der Öffnungs- und der Schließstellung des Ventils 2 entsprechen. Im Beispiel der Fig. 4a und 4b ist die Referenzaufnahme 37 schematisch durch Verschraubungsstellen dargestellt, an denen der Aktuatorrahmen 19 mit der Einstell­ vorrichtung 35 verschraubt wird.

In einem ersten Schritt soll die Optimallage des Schließmagne­ ten 4 gegenüber dem Drehanker 10 in Schließstellung des Ventils 2 gefunden und der Schließmagnet 4 in dieser Lage fixiert wer­ den. Hierzu wird der Stößel 38 der Einstelleinrichtung 35 in die Endlage "Ventil geschlossen" versetzt, wodurch der Dreh­ anker 10 des Aktuators 1 entgegen der Federkraft der Drehstab­ feder 15 in die der Öffnungsstellung des Ventils 2 entsprechen­ de Lage gedrückt wird. Nun wird der lose im Aktuatorrahmen 19 eingelegte Schließmagnet 4 bestromt. Dadurch erfährt der Schließmagnet 4 eine Anziehungskraft gegenüber dem Drehanker 10, durch die er in die energetisch günstigste Raumlage gegen­ über dem Drehanker 10 gezogen wird (siehe Fig. 4a); dies ent­ spricht genau der gewünschten spaltminimierenden Lage, die im Betrieb des Aktuators 1 einen verlustminimierendes Schalten und Halten des Drehankers 10 sicherstellt. In dieser Lage wird der Schließmagnet 4 nun gegenüber dem Aktuatorrahmen 19 fixiert, indem beidseitig die durch die Öffnungen der Endplatten 24 hin­ durchragenden Stege 25-28 fest mit der jeweiligen Endplatte 24 verbunden werden. Zur Überbrückung der Spalte 41 zwischen den Stegen 25-28 und den Wänden 42 der Öffnungen 29-32 werden Ver­ bindungselemente 43 verwendet, welche einerseits mit jeweils einem Steg 25-28, andererseits mit einer Endplatte 24 verbunden werden. Im vorliegenden Fall werden die Verbindungselemente 43 durch ein Metallplättchen 44 gebildet, welche flächig auf den Endplatten 24 aufliegen und so gegenüber den Stegen 25-28 ver­ schoben werden, daß sie seitlich am jeweiligen Steg 25-28 an­ liegen; dann werden die Plättchen 44 in dieser Lage mit dem je­ weiligen Steg 25-28 und der Endplatte 24 fest verbunden. Da­ durch ist der Schließmagnet 4 in der gewünschten Lage gegenüber den Endplatten 24 fixiert.

Im nächsten Schritt soll nun die Optimallage des Öffnungsmagne­ ten 3 gegenüber dem Drehanker 10 in Öffnungsstellung des Ven­ tils 2 eingestellt und der Öffnungsmagnet 3 in dieser Lage fi­ xiert werden. Hierzu wird (in unbestromtem Zustand der beiden Elektromagneten 3, 4) der Stößel 38 der Einstellvorrichtung 35 in die Endlage "Ventil offen" zurückgezogen, wodurch sich der Drehanker 10 des Aktuators 1 aufgrund der Federkraft der Dreh­ stabfeder 15 in die der Schließstellung des Ventils 2 entspre­ chende Lage bewegt. Nun wird der lose im Aktuatorrahmen 19 ein­ gelegte Öffnungsmagnet 3 bestromt; dadurch wird der Öffnungsma­ gnet 3 in die energetisch günstigste Raumlage gegenüber dem Drehanker 10 gezogen, was genau der gewünschten spaltminimie­ renden Lage des Öffnungsmagneten 3 gegenüber dem Drehanker 10 entspricht. In dieser Lage wird der Öffnungsmagnet 3 gegenüber dem Aktuatorrahmen 19 fixiert, indem - analog zur Fixierung des Schließmagneten 4 - beidseitig die durch die Öffnungen 29'-32' der Endplatten 24 hindurchragenden Stege 25'-28' fest mit der jeweiligen Erdplatte 24 verbunden werden. Auch hier werden zur Überbrückung der Spalte 41 zwischen den Stegen 25'-28' und den Wänden 42' der Öffnungen 29'-32' Metallplättchen 44 als Verbin­ dungselemente 43 verwendet, die sowohl mit dem jeweiligen Steg 25'-28' als auch mit der jeweiligen Endplatte 24 fest verbunden werden. Somit sind nun die beiden Elektromagnete 3, 4 in einer solchen Lage gegenüber dem Drehanker 10 fixiert, daß ein ver­ lustarmes Schalten und Halten des Drehankers 10 im Aktuator 1 gewährleistet ist.

Als Fügeverfahren zur Verbindung des Verbindungselements 43 mit den Stegen 25-28 und den Endplatten 24 eignet sich insbesondere das Laserschweißen, da dieses einerseits eine kurze Prozeßzeit beansprucht und andererseits minimale Verzüge der verschweißten Bauteile mit sich bringt; eine solche verzugsarme Verbindung ist notwendig, um eine spannungsarme Aufhängung der Elektroma­ gnete 3, 4 gegenüber den Endplatten 24 und somit auch gegenüber dem Drehanker 10 sicherzustellen. Um eine lagegenaue Fixierung des Metallplättchens 44 zu erreichen, wird das Metallplättchen 44 zuerst linienhaft mit dem Steg 25-28 verschweißt und an­ schließend mit der Endplatte 24 verschweißt. Zur genauen Posi­ tionierung der Lasernähte 50 kann bei einem automatisierten Großserieneinsatz ein (optisches) Nahtverfolgungssystem einge­ setzt werden, das sicherstellt, daß die Lasernaht prozeßsicher im Berührungsbereich 45 von Steg 25-28 und Metallplättchen 44 plaziert wird. Alternativ zum Laserschweißen sind auch andere Fügeverfahren anwendbar.

Die Stege 25-28 sind im vorliegenden Beispiel durch vom Elek­ tromagneten 3, 4 in Axialrichtung abragende Metallstreifen ge­ bildet. Die Stege 25-28 weisen somit eine gewisse Flexibilität gegenüber Verbiegungen und Schwingungen auf, was zu einer ge­ wissen "Weichheit" des zusammengesetzten Systems führt. Soll eine festere Ankopplung des Elektromagneten 3, 4 an den Aktua­ torrahmen 19 erreicht werden, so empfiehlt es sich, die Stege 25-28 zusätzlich mit versteifenden Sicken etc. zu versehen. Weiterhin können die Stege schräg vom Elektromagneten abragen, um die Verbindung zwischen Elektromagnet 3, 4 und Aktuatorrahmen 19 mit einer zusätzlichen, seitwärts gerichteten Kraftkomponen­ te zu versehen.

Während des eigentlichen Fügevorgangs brauchen die Magnete 3, 4 im erfindungsgemäßen Verfahren nicht bestromt zu sein, es muß lediglich gewährleistet sein, daß sie während des Fügevorgangs in der dem Bestromungszustand entsprechenden Lage verbleiben. Weiterhin kann es vorteilhaft sein, die Zahl der Freiheitsgra­ de, die die Elektromagnete 3, 4 während der Positionierung/­ Fixierung einnehmen können, mit Hilfe von Anschlägen 46 zu re­ duzieren. So ist z. B. in Fig. 4a gestrichelt ein Anschlag 46' angedeutet, der die Position des Schließmagneten 4 bezüglich des Abstands zur Schwenkachse 11 des Drehankers 10 seitlich be­ grenzt und somit die Lage der Berührungsbereiche 47 der Polflä­ chen relativ zu den Kontaktflächen 22 des Drehankers 10 be­ stimmt. Bei der Auslegung der Anschläge 46 muß unbedingt beach­ tet werden, daß die Anschläge 46 während der Bestromung des Elektromagneten 3, 4 zu keinen Spannungen in der Lage dieses Elektromagneten 3, 4 führen, damit die durch die Fixierung ein­ gefrorene Aufhängung des Elektromagneten 3, 4 wirklich der Opti­ mallage gegenüber dem Drehanker 10 entspricht.

Statt der oben beschriebenen Einstellvorrichtung 35 kann auch eine beliebige andere Einstellvorrichtung verwendet werden, welche die definierte (Betriebs-)Einstellung der Öffnungs- und der Schließstellung des Ventils 2 simuliert. Insbesondere kann als Einstellvorrichtung auch die Brennkraftmaschine selbst ver­ wendet werden; in diesem Fall werden die Elektromagnete 3, 4 al­ so erst nach der Montage des Aktuatorrahmens 19 auf die Brenn­ kraftmaschine positioniert und fixiert, und zur Einstellung des Drehankers 10 in Schließ- und Öffnungsposition werden die Ven­ tile 2 selbst verwendet.

Die Öffnungen 29-32 der Endplatten 24, durch die die Stege 25-28 in Zusammenbaulage hindurchdringen, sind so gestaltet, daß die Stege 25-28 nach Fixierung der Elektromagnete 3, 4 die Wände 42 der Öffnungen 29-32 nicht berühren (siehe Fig. 3 sowie die Fig. 5, welche eine Aufsicht auf die Öffnung 29 zeigt); wei­ terhin ist der Abstand der Innenflächen 48 der Endplatten 24 in Zusammenbaulage größer als die Länge der Elektromagnete 3, 4, so daß zwischen den Elektromagneten 3, 4 und den Endplatten 24 in Zusammenbaulage ein Spalt 49 vorliegt. Hierdurch ist sicherge­ stellt, daß die Elektromagnete 3, 4 während der Positionierung im Aktuatorrahmen 19 frei drehbar und verschiebbar sind und so­ mit in optimaler Funktionslage gegenüber dem Drehanker 10 fi­ xiert werden können und dabei vernachlässigbar geringen Span­ nungen und Verzügen durch die Fixierung gegenüber den Endplat­ ten 24 ausgesetzt sind. Um dies zu gewährleisten, muß die Lage und die Größe der Öffnungen 29-32 der Endplatten 24 sowie der Abstand der Endplatten 24 (bzw. die Länge der Elektromagnete 3, 4) den maximal zu erwartenden Gesamtungenauigkeiten in der Maßhaltigkeit der Elektromagnete 3, 4 und der Drehanker 10 ange­ paßt sein. Die Größe der Spalte 41, 49 beträgt typischerweise einige Zehntel Millimeter.

Die Endplatten 24 können als massive, ebene Metallplatten aus­ gestaltet sein. Um demgegenüber Gewichtsersparungen zu errei­ chen, können die Endplatten 24 auch durch Tiefziehteile gebil­ det werden, deren Dicke geringer ist als diejenige der Metall­ platten und die zur Erreichung der benötigten Biegefestigkeit mit steifigkeitserhöhenden Strukturen versehen sind.

Ergänzend sollte erwähnt werden, daß die Anwendung des erfin­ dungsgemäßen Verfahrens nicht unbedingt dazu führt, daß im fer­ tig montierten Zustand die Symmetrieachsen der Elektromagnete 3, 4 parallel zur Schwenkachse 11 des Drehankers 10 verlaufen; insbesondere dann, wenn der Drehanker 10 eine gewisse Flexibi­ lität aufweist und die Kontaktfläche unter der Krafteinwirkung des Ventilschafts 12 nicht nur um die Schwenkachse 11 gedreht, sondern auch gegenüber der Schwenkachse 11 gekippt wird, führt das erfindungsgemäße Verfahren zu einer Nichtparallelität von Elektromagneten 3, 4 und Schwenkachse 11, da die Elektromagnete 3, 4 verfahrensbedingt gegenüber der Kontaktfläche 22, 22' des Drehankers 10 unter Betriebsbedingungen, nicht gegenüber der Schwenkachse 11 des Drehankers 10 eingestellt werden.

Obwohl es zur lagegenauen Positionierung und Fixierung der Elektromagnete 3, 4 relativ zum Drehanker 10 nicht unbedingt notwendig ist, empfiehlt es sich, die Polflächen 9, 9' der Joch­ schenkel 8, 8' und die Kontaktflächen 22, 22' des Drehankers 10 eben zu bearbeiten. Aufgrund der kompensierenden Wirkung des oben beschriebenen erfindungsgemäßen Montageverfahrens sind dies jedoch die einzigen Maße auf den beteiligten Einzelelemen­ ten des Aktuators 1, die einer hochgenauen Bearbeitung bedür­ fen.

Wurde bisher das Verfahren zur Einstellung eines Aktuators 1 für Gaswechselventile beschrieben, der zwei Elektromagnete 3, 4 (Öffnungsmagnet 3 und Schließmagnet 4) umfaßt, so ist das Ver­ fahren analog auch für Aktuatoren 1 anwendbar, die nur einen einzigen Elektromagnet 4 umfassen. Weiterhin ist das Verfahren auf Einstellung von Aktuatoren 1 erweiterbar, die mehr als zwei Elektromagnete umfassen (z. B. Aktuatoren mit zweimal zwei Elek­ tromagneten zur Betätigung von zwei Ventilen).

Während in dem oben dargestellten Verfahren die Elektromagnete 3, 4 bestromt wurden, um sie in eine definierte, der Öffnungs- bzw. Schließlage des Ventils 2 entsprechende Arbeitsstellung gegenüber dem Drehanker 10 zu bringen, so können auch andere Arten der Krafteinwirkung angewandt werden, um die Elektroma­ gnete 3, 4 in die ausgewählte Raum- und Winkellage zu bringen. Insbesondere können unter Ausnutzung der Schwerkraft die Elek­ tromagnete 3, 4 in die gewünschte Raum- und Winkellage "fallen", wenn während der Montage der Elektromagnete 3, 4 eine entspre­ chende Ausrichtung des Aktuators 1 gewählt wird, bei der der jeweils zu fixierende Elektromagnet unter Einwirkung der Schwerkraft in der gewünschten Position auf den Drehanker 10 gedrückt wird. Alternativ bzw. zusätzlich können die Elektroma­ gnete 3, 4 durch gezielte Druck- und/oder Zugkräfte in die ge­ wünschte Position gebracht werden.

Claims (8)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktua­ tors, insbesondere eines Aktuators zur Betätigung eines Gas­ wechselventils einer Brennkraftmaschine,
wobei der Aktuator mindestens einen Elektromagneten um­ faßt,
und wobei der Aktuator einen schwenkbaren Drehanker um­ faßt, welcher beim Einschalten des Elektromagneten in eine Endstellung in der Nähe der Polfläche des Elektromagneten gebracht wird,
und wobei der Aktuator weiterhin einen Rahmen zur Aufnahme des Elektromagneten und des Drehankers aufweist,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• a) der Elektromagnet (4) und der Drehanker (10) werden in den Rahmen (19) eingelegt, wobei die Schwenkachse (11) des Drehankers (10) in einer Lagerstelle (23) im Rahmen (19) fixiert wird;
• b) der Drehanker (10) wird in eine definierte Arbeitsstel­ lung gebracht;
• c) der Elektromagnet (4) wird in eine definierte Arbeits­ stellung gegenüber dem Drehanker (10) gebracht;
• d) der Elektromagnet (4) wird gegenüber dem Rahmen (19) fixiert, wodurch die in Verfahrensschritt (iii) einge­ nommene Raum- und Winkellage des Elektromagneten (4) gegenüber dem Rahmen (19) eingefroren wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in Verfahrensschritt (iii) der Elektromagnet (4) durch Bestromen in die definierte Arbeitsstellung gegenüber dem Drehanker (10) gebracht wird.

3. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktua­ tors, insbesondere eines Aktuators zur Betätigung eines Gas­ wechselventils einer Brennkraftmaschine,
wobei der Aktuator zwei Elektromagneten umfaßt, deren Pol­ flächen wenigstens teilweise einander zugewandt sind,
und wobei der Aktuator einen zwischen den Polflächen hin- und herschwenkbaren Drehanker umfaßt, welcher beim Ein­ schalten eines der Elektromagneten in eine der beiden End­ stellungen in der Nähe der Polflächen des betreffenden Elektromagneten gebracht wird,
und der Aktuator weiterhin einen Rahmen zur Aufnahme des Elektromagneten und des Drehankers aufweist,
gekennzeichnet durch die Verfahrensschritte:

• a) die Elektromagnete (3, 4) und der Drehanker (10) werden in den Rahmen (19) eingelegt, wobei die Schwenkachse (11) des Drehankers (10) in einer Lagerstelle (23) im Rahmen (19) fixiert wird;
• b) der Drehanker (10) wird in eine erste definierte Ar­ beitsstellung gebracht;
• c) der erste Elektromagnet (4) wird in eine definierte Ar­ beitsstellung gegenüber dem Drehanker (10) gebracht;
• d) der erste Elektromagnet (4) wird gegenüber dem Rahmen (19) fixiert, wodurch die in Verfahrensschritt (iii) eingenommenen Raum- und Winkellage des ersten Elektro­ magneten (4) gegenüber dem Rahmen (19) eingefroren wird;
• e) der Drehanker (10) wird in eine zweite definierte Ar­ beitsstellung gebracht;
• f) der zweite Elektromagnet (3) wird in eine definierte Arbeitsstellung gegenüber dem Drehanker (10) gebracht;
• g) der zweite Elektromagnet (3) wird gegenüber dem Rahmen (19) fixiert, wodurch die in Verfahrensschritt (vi) eingenommenen Raum- und Winkellage des zweiten Elektro­ magneten (3) gegenüber dem Rahmen (19) eingefroren wird.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß in den Verfahrensschritten (iii) und (vi) der jeweilige Elektromagnet (3, 4) durch Bestromen in die definierte Ar­ beitsstellung gegenüber dem Drehanker (10) gebracht wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (3, 4) mit Hilfe eines verzugsarmen Fü­ geverfahrens gegenüber dem Rahmen (19) fixiert wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (3, 4) mit Hilfe des Laserschweißens gegenüber dem Rahmen (19) fixiert wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromagnet (3, 4) im Bereich eines fest mit dem Elektromagneten (3, 4) verbundenen, durch die Wandung des Rahmens (19) in den Außenraum ragenden Verbindungssteges (25-28) gegenüber dem Rahmen (19) fixiert wird.

8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet,
daß das in den Außenraum ragende Ende des Verbindungsstegs (25-28) in der vom Elektromagneten (3, 4) in den Verfah­ rensschritten (iii), (vi) eingenommenen Raum- und Winkella­ ge zunächst mit einem gegenüber dem Rahmen (19) verschieb­ baren, abschnittsweise flächig auf dem Rahmen (19) auflie­ genden Verbindungselement (43) verbunden wird,
und daß das Verbindungselement (43) dann gegenüber dem Rahmen (19) fixiert wird.