DE10051076C2 - Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Ak­ tuators gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der DE 196 31 909 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung ei­ nes Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine bekannt. Der vorbekannte Ak­ tuator umfaßt zwei im Abstand zueinander angeordnete Elektromagnete und einen mit dem Gaswechselventil in Wirkverbindung stehenden Anker, der durch Magnet­ kraft zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft einer Federanordnung aus zwei gegeneinander wirkenden Federn hin- und herbewegbar ist. Der Aktuator weist fer­ ner Stellmittel auf, mit denen die Ruhelage des Ankers, d. h. die Lage des Ankers bei stromlosen Elektromagneten, auf die geometrische Mitte zwischen den beiden End­ positionen des Ankers eingestellt wird. Als nachteilig erweist sich hierbei, daß die Ruhelage sich während des Betriebs verschieben kann, so daß nach etlichen Be­ triebsstunden eine Nachjustierung der Ruhelage erforderlich ist.

Aus der nicht vorveröffentlichten DE 199 27 823 A1 ist ein elektromagnetischer Aktua­ tor der eingangs genannten Art bekannt, bei dem die Vorspannung der Federn der­ art eingestellt wird, daß in den Federn aufgrund der aus der Ankerbewegung resul­ tierenden Komprimierung der Federn die gleiche Energie gespeichert wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 anzugeben, durch das eine für den Betrieb des Aktuators opti­ male und dauerhafte Einstellung der Vorspannung der Federn ermöglicht wird.

Die Aufgabe wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Erfindungsgemäß wird ein elektromagnetische Aktuator, der zwei im Abstand zuein­ ander angeordnete Elektromagnete und einen zwischen den Elektromagneten gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn hin- und herbewegbaren Anker auf­ weist, in zwei aufeinanderfolgenden Verfahrensschritten in Betrieb genommen. Im ersten Verfahrensschritt werden die Federn in sich wiederholenden Komprimie­ rungszyklen jeweils so oft um einen bestimmten Komprimierungswert komprimiert, bis die Energie, die in ihnen aufgrund ihrer Komprimierung gespeichert wird, sich nicht mehr oder nur unwesentlich von der in einem vorangehenden Komprimie­ rungszyklus in der jeweiligen Feder gespeicherten Energie unterscheidet. In einem nachfolgenden Verfahrensschritt wird dann eine Justierung der Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn vorgenommen.

Vorzugsweise wird der Komprimierungswert gleich dem Wert gewählt, um den die Federn beim bestimmungsgemäßen Betrieb des Aktuators komprimiert werden.

Ziel des ersten Verfahrensschritts ist es, ein möglichst vollständiges Setzen der Fe­ dern und der mit dem Anker mitbewegten Teile des Aktuators zu erreichen und zu erkennen. Unter Setzen der Federn und der bewegten Teile des Aktuators versteht man dabei Änderungen der Vorspannung der Federn bzw. der Abmessungen der bewegten Teile der Aktuators, die aus betriebsbedingten Relaxationserschei­ nungen im Materialgefüge der Federn und der verwendeten Bauteile resultiert. Der erste Verfahrensschritt führt somit zu einem stationären Betriebszustand, in dem die Federeigenschaften sich mit zunehmender Anzahl von Komprimierungszyklen, d. h. mit zunehmender Anzahl von Betriebsstunden, nicht mehr oder nur noch unwesent­ lich ändern. Aufgrund der erst im nachfolgenden Verfahrensschritt durchgeführten Justierung der Vorspannung einer der beiden Federn oder der beiden Federn er­ reicht man, daß Setzungserscheinungen im nachfolgenden Betrieb keine Rolle mehr spielen und somit auch keine Nachjustierung der Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn erfordern.

Vorzugsweise wird die in der jeweiligen Feder gespeicherte Energie dadurch ermit­ telt, daß der sich durch die Komprimierung dieser Feder ergebende Verlauf der Fe­ derkraft dieser Feder erfaßt wird und über den der Komprimierung entsprechenden Weg integriert wird.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird die Vorspannung der einen Feder oder der beiden Federn derart justiert, daß in beiden Federn aufgrund ihrer aus der Ankerbewegung resultierenden Komprimierung die gleiche Energie gespei­ chert wird.

Hierdurch erreicht man, daß der Anker, wenn er aus seinen beiden Endpositionen losgelassen wird und frei schwingt, sich den jeweils gegenüberliegenden Endposi­ tionen gleich weit nähert. Infolgedessen wird der Einfluß fertigungsbedingter Tole­ ranzen der Bauteile, insbesondere der Federn, auf das Schwingverhalten des Ankers reduziert. Zudem wird der Gesamtenergiebedarf des Aktuators optimiert, da beide Elektromagnete aufgrund des sich ihnen gleich weit nähernden Ankers den gleichen Strombedarf aufweisen. Würde der Anker sich nämlich beim freien Schwingen dem einen Elektromagneten stärker nähern als dem anderen, dann würde der Strombe­ darf des einen Elektromagneten zwar um einen bestimmten Betrag sinken, der Strombedarf des anderen Elektromagneten würde aber um ein Vielfaches dieses Betrags ansteigen, so daß auch der Gesamtenergiebedarf des Aktuators gegenüber dem optimalen Wert ansteigen würde.

Ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren näher beschrieben. Es zeigen:

Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines elektromagnetischen Aktuators zur Be­ tätigung eines Gaswechselventils in einer Brennkraftmaschine,

Fig. 2 ein Kraft-Weg-Diagramm für Federkräfte zweier Federn des Aktuators aus Fig. 1,

Fig. 3 die in einer Feder gespeicherte Energie in Abhängigkeit der Anzahl von Komprimierungszyklen.

Gemäß der Fig. 1 umfaßt der Aktuator einen mit einem Gaswechselventil 5 in Kraftwirkung stehenden Stößel 4, einen mit dem Stößel 4 quer zur Stößel- Längsachse befestigten Anker 1, einen als Schließmagnet wirkenden Elektromagne­ ten 3 sowie einen als Öffnungsmagnet wirkenden weiteren Elektromagneten 2, der vom Schließmagnet 3 in Richtung der Stößel-Längsachse beabstandet angeordnet ist. Die Elektromagnete 2, 3 weisen jeweils eine Erregerspule 20 bzw. 30 und einander gegenüberliegende Polflächen auf. Durch abwechselnde Bestromung der beiden Elektromagnete 2, 3, d. h. der Erregerspulen 20 bzw. 30, wird der Anker 1 entlang eines durch die Elektromagnete 2, 3 begrenzten Hubweges zwischen den Elektro­ magneten 2, 3 hin- und herbewegt. Eine Federanordnung mit einer über einen er­ sten Federteller 60 in Öffnungsrichtung auf den Anker 1 wirkenden ersten Feder 61 und einer über einen zweiten Federteller 63 in Schließrichtung auf den Anker 1 wir­ kenden zweiten Feder 62 bewirken, daß der Anker 1 im stromlosen Zustand der Erregerspulen 20, 30 in einer Gleichgewichtslage zwischen den Elektromagneten 2, 3 festgehalten wird. Ferner sind Stellmittel 71, 72 zur Einstellung der Vorspannun­ gen der Federn 61, 62 vorgesehen. Die Stellmittel 71, 72 können beispielsweise als Scheiben ausgeführt sein, die eine Komprimierung der Federn 61, 62 bewirken und somit die Vorspannung der jeweiligen Feder 61, 62 vorgeben. Sie können aber auch steuerbar ausgeführt sein und eine stufenlose Variation der Vorspannung ermögli­ chen.

Zum Starten des Aktuators wird einer der Elektromagnete 2, 3 durch Anlegen einer Erregerspannung an die entsprechende Erregerspule 20 bzw. 30 bestromt, d. h. eingeschaltet, oder es wird eine Anschwingroutine initiiert, durch die der Anker 1 zunächst durch wechselweises Bestromen der Elektromagnete 2, 3 in Schwingung versetzt wird, um nach einer Einschwingzeit auf die Polfläche des Schließmagneten 2 oder die Polfläche des Öffnungsmagneten 3 aufzutreffen.

Bei geschlossenem Gaswechselventil 5 liegt der Anker 1 wie in Fig. 1 gezeigt an der Polfläche des Schließmagneten 3 an und er wird solange in dieser Position - der oberen Endposition oder Schließposition - festgehalten, solange der Schließmagnet 3 bestromt wird. Um das Gaswechselventil 5 zu öffnen wird der Schließmagnet 3 abgeschaltet und anschließend der Öffnungsmagnet 2 bestromt. Die in Öffnungs­ richtung wirkende erste Feder 61 beschleunigt den Anker 1 über die Ruhelage hin­ aus. Durch den nun bestromten Öffnungsmagneten 2 wird dem Anker 1 zusätzlich kinetische Energie zugeführt, so daß dieser trotz etwaiger Reibungsverluste die Pol­ fläche des Öffnungsmagneten 2 erreicht und dort an der in Fig. 1 gestrichelt ange­ deuteten unteren Endposition oder Offenposition bis zur Abschaltung des Öff­ nungsmagneten 2 festgehalten wird. Zum erneuten Schließen des Gaswechselven­ tils 5 wird der Öffnungsmagnet 2 abgeschaltet und der Schließmagnet 3 anschlie­ ßend wieder eingeschaltet. Der Anker 1 wird somit durch die zweite Feder 62 zum Schließmagneten 3 bewegt und dort an dessen Polfläche in der Schließposition festgehalten.

Der Hubweg Im des Ankers 1, d. h. der Weg, den der Anker 1 während seiner Bewe­ gung durchläuft - die Bewegung des Ankers 1 wird im folgenden als Flug bezeichnet -, ist aufgrund des vorgegebenen Abstands zwischen den Elektromagneten 2, 3 begrenzt. Die Verläufe der Federkräfte der beiden Federn 61, 62, d. h. der Kräfte, mit denen die Federn 61, 62 auf den Anker 1 wirken, sind von der Ankerposition I abhängig und lassen sich anhand von Federkennlinien beschreiben. Im Kraft-Weg- Diagramm aus Fig. 2 ist die Federkennlinie der ersten Feder 61 mit F1 bezeichnet und die Federkennlinie der zweiten Feder 62 mit F2 bezeichnet. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel werden unterschiedliche Federn verwendet; ihre Federkennlini­ en unterscheiden sich somit voneinander. Denkbar ist jedoch auch die Verwendung gleicher Federn.

Beim Flug des Ankers 1 von der oberen Endposition zur unteren Endposition, d. h. von der Ankerposition 0 zu der Ankerposition Im, fällt die Kraft der ersten Feder 61 von einem Haltewert F11 auf einen Endwert F10 ab, der bei der Ankerposition Im, d. h. bei am Öffnungsmagneten 2 anliegendem Anker 1, erreicht wird. Die Federkraft der zweiten Feder 62 steigt hingegen von einem in der oberen Endposition des An­ kers 1 wirkenden Endwert F20 auf einen Haltewert F21 an, der in der unteren End­ position des Ankers 1 erreicht wird. Die Endwerte F10, F20 geben die Vorspannung der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 an und die Flächen A1 und A2 unter den Feder­ kennlinien F1 bzw. F2 entsprechen der Energie, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 gespeichert wird, wenn diese aufgrund der Ankerbewegung um den Betrag I = Im komprimiert wird.

Durch die während des Betriebs auftretende Setzung der Federn 61, 62 und der bewegten Teile des Aktuators, insbesondere durch Setzung von Keilen, über die der zweite Federteller 63 mit dem Gaswechselventil 5 verbunden ist, sinkt die Vorspan­ nung der Federn ab, was zu einer Verschiebung der Federkennlinien F1, F2 und da­ mit zu einer Reduzierung der Flächen A1, A2 unter den Federkennlinien F1, F2 führt. Das heißt aber auch, daß die Energie, die durch die aus der Ankerbewegung resultie­ rende Komprimierung der Federn 61, 62 in diesen jeweils gespeichert wird, mit zu­ nehmender Anzahl der Komprimierungszyklen reduziert wird.

Fig. 3 zeigt den Zusammenhang zwischen der in einer Feder gespeicherten Energie A und der Anzahl n von Komprimierungszyklen, in denen die Feder jeweils um den gleichen Wert komprimiert wird. Es ist ersichtlich, daß die Energie A mit zunehmen­ der Anzahl n der Komprimierungszyklen abnimmt und sich dabei asymptotisch ei­ nem Endwert Ae nähert. Nach einer bestimmten Anzahl nx von Komprimierungszy­ klen ist die Energie A nahezu gleich dem Endwert Ae und der Setzungsvorgang kann als beendet angesehen werden.

Um eine für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Aktuators optimale Einstellung der Vorspannung der beiden Federn 61, 62 zu ermöglichen, ist es erforderlich, zu gewährleisten, daß die Federkennlinien F1, F2 sich während des Betriebs nicht ver­ schieben. Dies erreicht man dadurch, daß bei der Herstellung des Aktuators zu­ nächst ein Teilaufbau vorgenommen wird, bei dem die erste Feder 61 in den die Elektromagnete 2, 3 und den Anker 1 umfassenden Teil eingebaut wird und die zweite Feder 62 mit dem Gaswechselventil 5 und dem zweiten Federteller 63 in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine eingebaut wird und daß die Federn in diesen Teilaufbauten unabhängig voneinander in sich wiederholenden Komprimierungszy­ klen jeweils um einen bestimmten Komprimierungswert komprimiert werden, wobei die Komprimierungszyklen so oft wiederholt werden, bis der Setzvorgang beendet ist. Der Komprimierungswert wird dabei gleich demjenigen Wert gewählt, um den die Federn 61, 62 während des bestimmungsgemäßen Betriebs des Aktuators kompri­ miert werden.

Alternativ dazu kann auch der Anker 1 bei vollständig montiertem und somit be­ triebsbereitem Aktuator bei der Inbetriebnahme des Aktuators, d. h. vor dem be­ stimmungsgemäßen Betrieb, in sich wiederholenden Bewegungszyklen, die den Komprimierungszyklen der Federn 61, 62 entsprechen, so oft zwischen seinen durch die Elektromagnete 2, 3 vorgegebenen Endpositionen 0, Im hin- und herbe­ wegt werden, bis der Setzvorgang beendet ist. Der Anker 1 kann dabei durch die Magnetkraft der Elektromagnete 2, 3 oder durch externe Krafteinwirkung in Bewe­ gung versetzt werden.

In den aufeinanderfolgenden Komprimierungszyklen wird die Energie A1, A2 ermit­ telt, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 aufgrund ihrer Kompression gespeichert wird. Die Ermittlung der Energie A1 bzw. A2 erfolgt dabei dadurch, daß die sich wäh­ rend der Ankerbewegung ergebende Federkraft F1 bzw. F2 abschnittsweise gemes­ sen und abschnittsweise über den Federweg integriert wird. Die Messung der Fe­ derkraft F1 bzw. F2 kann mittels einer Kraftmeßdose oder einer Meßuhr aber auch mit anderen Drucksensoren, insbesondere mit Piezokristallen, erfolgen. Ist der Un­ terschied zwischen der im aktuellen Komprimierungszyklus ermittelten Energie A1 bzw. A2 und der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus für die gleiche Fe­ der 61 bzw. 62 ermittelten Energie kleiner als ein vorgegebener Wert, so ist dies ein Indiz dafür, daß der Setzvorgang beendet ist. Die Komprimierungszyklen werden somit so oft wiederholt, bis die Energie A1 bzw. A2, die in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 aufgrund der aus der Ankerbewegung resultierenden Federkomprimierung gespeichert wird, sich nicht mehr oder nur unwesentlich, d. h. um einen im Rahmen der Meßgenauigkeit vernachlässigbaren Wert, von der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder 61 bzw. 62 gespeicherten Energie unterscheidet.

Durch den Vergleich der in aufeinanderfolgenden Komprimierungszyklen in den je­ weiligen Federn 61 bzw. 62 gespeicherten Energien A1 bzw. A2 ist es möglich, den Zeitpunkt zu ermitteln, zu dem der Setzvorgang beendet ist, um dann anschließend die für den bestimmungsgemäßen Betrieb optimale Justierung der Vorspannung der ersten und/oder zweiten Feder 61 bzw. 62 vorzunehmen. Hinsichtlich des Energie­ bedarfs hat sich eine Justierung als optimal erwiesen, die dazu führt, daß in beiden Federn 61, 62 die gleiche Energie A1, A2 gespeichert wird, wenn die Federn 61, 62 jeweils um den dem Hubweg Im entsprechenden Weg komprimiert werden.

Claims (4)

1. Verfahren zur Herstellung eines elektromagnetischen Aktuators, der zwei im Ab­ stand zueinander angeordnete Elektromagnete (2, 3) und einen zwischen den Elek­ tromagneten (2, 3) gegen die Kraft zweier gegensinnig wirkender Federn (61, 62) hin- und herbewegbaren Anker (1) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Fe­ dern (61, 62) in sich wiederholenden Komprimierungszyklen so oft um einen be­ stimmten Komprimierungswert komprimiert werden, bis die in jeder Feder (61, 62) aufgrund ihrer Komprimierung gespeicherte Energie (A1, A2) sich nicht mehr oder nur unwesentlich von der in einem vorangehenden Komprimierungszyklus in der jeweiligen Feder (61, 62) gespeicherten Energie unterscheidet, und daß anschlie­ ßend eine Justierung der Vorspannung (F10, F20) einer der Federn (61, 62) oder der beiden Federn (61, 62) vorgenommen wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der bestimmte Kom­ primierungswert gleich dem Wert gewählt wird, um den die Federn (61, 62) während des Betriebs des Aktuators komprimiert werden.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die in den Fe­ dern (61, 62) gespeicherte Energie (A1, A2) ermittelt wird, indem der sich durch die Komprimierung der jeweiligen Feder (61, 62) ergebende Verlauf der Federkraft (F1, F2) dieser Feder erfaßt und über den der Komprimierung entsprechenden Weg inte­ griert wird.

4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Vorspannung (F10, F20) der einen Feder oder der beiden Federn (61, 62) derart justiert wird, daß in beiden Federn (61, 62) aufgrund ihrer Komprimierung die glei­ che Energie (A1, A2) gespeichert wird.