DE102004042925A1

DE102004042925A1 - Federnde Aktuatorankopplung

Info

Publication number: DE102004042925A1
Application number: DE102004042925A
Authority: DE
Inventors: Heinz Leiber; Thomas Leiber
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2004-09-02
Filing date: 2004-09-02
Publication date: 2006-03-09

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ankoppelung eines antreibenden elektromagnetisch oder elektromotorisch wirkenden Aktuators an ein bewegliches Glied, z. B. den Ventilschaft eines Ventils, wobei der Aktuator einen Stator und einen beweglich gelagerten Läufer aufweist, wobei eine Feder (6, 13) an dem Läufer (1, 9) des Aktuators angeordnet ist, wobei die Feder (6, 13) das bewegliche Glied (4) nur in dessen einer Bewegungsrichtung kraftbeaufschlagt und in der anderen Bewegungsrichtung der Läufer (1, 9) das Ventil (4), insbesondere das freie Ende eines Schaftes des beweglichen Gliedes (4), unmittelbar oder über ein insbesondere nicht federelastisches Kraftübertragungselement kraftbeaufschlagt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Ankopplung eines Aktuators ein bewegliches Glied, insbesondere an den Ventilschaft eines Ventils, insbesondere für Kraftfahrzeugmotoren.
Es existieren Aktuatoren, die z.B. nach dem elektrischen, pneumatischen oder hydraulischen Wirkprinzip arbeiten und die Kraft über eine Drehbewegung auf die Wirkachse des zu bewegenden Elements, z.B. eines Ventils, übertragen.
In vielen Fällen hat das bewegliche Glied wie auch der Aktuator eine Rückstellfeder. Diese Rückstellfedern können voll oder teilweise eingespart werden durch direkte Ankopplung.
Aus der DE 101 44 789 A1 und der DE 101 25 767 C1 sind Antriebe bekannt, bei denen der Aktuator die Kraft direkt auf die Wirkachse überträgt oder der Ventilschaft direkt in den Topf des Läufers eingepresst ist. Bei dem aus der WO 03/038246 A2 bekannten hydraulischen Aktuator wird über eine Keilverbindung der Aktuator-Stellkolben mit dem Ventil verschraubt. Bei den vorgenannten Vorrichtungen muss das Aktuatorgehäuse zur Ventilachse genau positioniert werden. Weiterhin muss die Ventilführung präzise und verschleißfrei arbeiten, da sonst Ventil- und Aktuatorachse nicht übereinstimmen und es zu erhöhter Reibung oder Veränderung der Aktuatoreigenschaften kommen kann. Bei allen Vorrichtungen kann der Aktuator nur in eingebautem Zustand, z.B. in Kombination mit dem eingebauten Zylinderkopf, geprüft werden. Bei einem Ausfall muß somit eine kostenaufwändige Demontage erfolgen.
Bei einem Drehaktuator nach der EP 1144813 B1 erfolgt die Kraftübertragung zum Ventilschaft mittels eines Zwischenglieds oder eines biegsamen Teils. In beiden Fällen ist Spielfreiheit in der Lagerung nicht gegeben. Auch beschränkt zusätzlich das elastische Zwischenglied den Hub bzw. wegen Knickgefahr die maximale Kraftübertragung. Für einen leisen Aktuatorantrieb ist jedoch die Spielfreiheit in der Ventilankopplung zwingend notwendig.
Aufgabe dieser Erfindung ist es, eine Ventilankopplung zwischen Aktuator und Ventilschaft bereitzustellen, die eine einfache Montage und Demontage erlaubt sowie sich durch geringen Verschleiß, Spielfreiheit und wenig Reibungsverluste auszeichnet. Der Aktuator soll außerdem als geschlossene Einheit vorgeprüft werden können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass eine Feder am Aktuator angeordnet ist, welche den Ventilschaft in einer Bewegungsrichtung, nämlich der Schließbewegung z.B. des Ventilschaftes druckbeaufschlagt. Dabei hat die Feder in der anderen Bewegungsrichtung keine Funktion inne, da bei dieser Bewegungsrichtung der Läufer des Aktuators direkt oder über ein nicht-elastisches Zwischenteil auf den Ventilschaft wirkt.
Diese Art der Ankopplung ist sowohl für rotatorische Aktuatoren, bei denen der Läufer um eine Achse verschwenkt wird, als auch für linear arbeitende Aktuatoren, bei denen der Läufer eine lineare Hin- und Herbewegung vollführt, verwendbar.
Die Feder wirkt bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung idR in Schließrichtung des Ventils, bei der aufgrund der geringeren Gaskräfte eine geringere Federkraft zum Bewegen des Ventils notwendig ist. Die Feder ist dabei vorteilhaft derart vorgespannt, dass beim Schließen des Ventils der Ventilschaft bzw. der am Ventilschaft angeordnete Ventilteller stets an dem Läufer bzw. dessen Welle anliegt, damit die Geräuschentwicklung sowie der Verschleiß des Antriebs minimiert werden.
Nachfolgend werden einige vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung näher erläutert.
Es zeigen:
1: Einen linear arbeitenden Aktuator;
2: einen Aktuator mit um eine Achse verschwenkbar gelagertem Läufer bzw. Rotor;
3a–3c: drei Darstellungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung in verschiedenen Hubstellungen des Ventils;
4: perspektivische Darstellung einer möglichen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung.
1 zeigt einen Aktuator, der in der Wirkachse des beweglichen Ventilgliedes angeordnet ist. Der Läufer 1 entwickelt in der Zusammenwirkung mit dem Stator 2 eine Kraft, die über die Welle 3 auf das bewegliche Glied 4, z.B. ein Ventil, überträgt. Der Läufer 3 ist im Stator 2 mittels der Gleitlager 7 gelagert. Mit der Welle 3 bzw. dem Läufer 1 ist ein Federträger 5 verbunden, an dem eine Blattfeder 6 befestigt ist. Diese vorgespannte Blattfeder 6 greift an einer verjüngten Stelle des Ventilschafts 4 an der Unterseite des Ventiltellers 4a an. In der Bewegungsrichtung (nach unten) zum Öffnen des Ventils, d.h. der Bewegungsrichtung mit höheren Übertragungskräften in Folge von Gaskräften, wirkt die Welle 3 direkt auf den Ventilteller 4a. In der Schließrichtung – nach oben – sind nur geringere Kräfte zur Beschleunigung des Ventils zu übertragen. Die Vorspannung der Feder 6 ist dementsprechend auszulegen.
Der Aktuator ist auf einer Unterlage 8 befestigt. Die Befestigungsmittel sind nicht eingezeichnet. Der gesamte Aktuator bildet mit der Ankopplungsvorrichtung eine geschlossene vorprüfbare Einheit. Bei der Montage mit dem Ventil wird die Blattfeder 6 seitlich in die Ventilverjüngung eingeschoben.
Für das Ventil ist eine Ventildrehung vorteilhaft. Dies wird dadurch ermöglicht, dass der Läufer sich mit der Ankopplung und dem Ventil drehen kann. Die Kräfte hierzu können sowohl durch Gaskräfte am Ventil entstehen als auch im Läufer erzeugt werden.
2 zeigt einen drehbaren Aktuator mit Läufer bzw. Rotor 9 und Stator 10, befestigt auf der Unterlage 8. Die Kraftübertragung vom Läufer 9 zum Öffnen des Ventils bei erhöhten Gegenkräften erfolgt über eine Rolle 11, deren Lagerwelle 17 direkt am Läufer 9 befestigt ist. Ähnlich wie bei der Ausführungsform gem. 1 erfolgt die Kraftübertragung gegen geringe Gegenkräfte über mindestens eine zweite Rolle 12, die mittels der Feder 13 auf den Ventilteller wirkt. Während der Hubbewegung des Ventils bewegen sich beide Rollen 11 und 12 kraftschlüssig am Ventilteller 4a und erzeugen eine kleine Reibkraft. Durch die Federvorspannung ist die Kraftübertragung vom Rotor 9 auf das Ventil 4 spielfrei. Die Federauslegung berücksichtigt neben der kinematischen Auslenkung der Rollen 11, 12 auch einen Abroll- und Lagerverschleiß.
Die Feder 6 bzw. 13 reduziert zudem die Stoßkraft, wenn das Ventil 4 in den Ventilsitz gelangt und die Regelung mit noch nicht optimierter Auftreffgeschwindigkeit arbeitet bzw. in der Adaptionsphase ist. Hierbei schwingt der Läufer 1 in 1 bzw. der Rotor 9 in 2 etwas über die Endlage, so dass die Stoßenergie nicht im Ventilsitz, sondern in der Feder 6 bzw. 13 aufgenommen wird.
Die Montage des Aktuators kann analog zu der Montage des Aktuators aus 1 erfolgen.
In beiden Fällen wurde auf Details der Aktuatorausgestaltung wie z. B. Spulen verzichtet.
Die 3a bis 3c zeigen die Kinematik des drehbaren Aktuators aus 2 während der Hubbewegung.
Die 3a zeigt die obere Hubendlage, also die Schließposition bei einem Ventil als beweglichem Glied. Die Rollen 11 und 12 sind über die vorgespannte Feder 13 mit dem Ventilteller 4a kraftschlüssig verbunden. Der Winkel zwischen den Zentren der Rollen und dem Drehzentrum des Aktuators beträgt α. Die Feder 13 in der Stellung gem. 3a ist vorgespannt.
Die 3b zeigt die Hubmittelstellung. Die Kinematik kann hierbei so ausgelegt werden, dass die Federkraft von der oberen Stellung (3a) hin zur Mittenstellung (3b) abnimmt. Dies ist zulässig, da die Beschleunigung und somit auch die Massenkräfte, welche die Ventilankopplung übernehmen, im Umkehrpunkt Null sind. Aufgrund der Kinematik ergibt sich ein Spalt zwischen Ventilteller und der unteren Rolle. Dieser Spalt wird von der Feder unterdrückt, entsprechend ist α₁ < α. Dementsprechend verändert sich die Federkraft. Die Spannung in der Feder nimmt somit ab.
Die 3c zeigt die Endstellung des Aktuators und des Ventils. α₂ ist so auszulegen, dass die max. Verzögerungskraft beim Annähern an die Endstellung bzw. die Beschleunigungskraft bei der nachfolgenden Schließbewegung von der Feder aufgenommen wird. In den 3b und 3c ist der Ventilschaft 4 nicht dargestellt.
Die 4 zeigt die Ventilankopplung für den drehbaren Aktuator in perspektivischer Darstellung. Die Feder 13 ist aufgeteilt in zwei Blattfedern 13a und 13b, welche über einen Träger 15 miteinander verbunden sind. Die Blattfedern 13a und 13b sind im Träger 15 geführt und mittels der Deckplatte 16 auf dem Träger 15 aufgepresst und verschweißt. Weiterhin sind im Träger 15 beidseitig unter dem Ventilteller 4a die Rollen 12a und 12b gelagert. Oberhalb des Ventiltellers 4a befindet sich die Rolle 11, welche über die Welle 17 mit dem Rotor (nicht dargestellt) verbunden ist. Die Kraftwirkrichtung der Rolle ist um einen bestimmten Bereich durch entsprechende Dimensionierung von der Ventilachse versetzt und wirkt somit asymmetrisch auf den Ventilteller. Während der Hubbewegung wirkt auf den Ventilteller somit eine Rotationskraft, welche zu der gewünschten Ventildrehung führt. Verursacht wird die Drehung durch Tangentialkräfte der Rollen, die proportional zur Federvorspannung und der Antriebskraft des Aktuators sind. Da die Rolle 11 asymmetrisch auf die Ventilachse wirkt, wirkt auch die Tangentialkraft asymmetrisch, d.h. außenmittig und verursacht somit die Drehung, da sich die Rollen während der Bewegung auf dem Ventilteller abwälzen. Dagegen wirken die Rollen 12a und 12b symmetrisch.
In einer weiteren Ausgestaltung des Trägers 15 mit untenliegenden Federn, kann die Welle 17 gleich als Rolle ausgestaltet werden. In diesem Fall bietet es sich an, die Welle beidseitig in Wälzlagern im Rotor 9 zu lagern. Damit verringern sich Bauaufwand und Reibungsverluste.
Für beide Antriebsarten – linear und rotatorisch – ist mit dieser Konzeption eine einfache Lösung aufgezeigt, welche die Aufgabenstellung der Erfindung erfüllt. Damit können die individuellen Vorteile des linearen und rotatorischen Antriebs abhängig von der Applikation voll genutzt werden.

Claims

Vorrichtung zur Ankoppelung eines antreibenden elektromagnetisch oder elektromotorisch wirkenden Aktuators an ein bewegliches Glied, z.B. den Ventilschaft eines Ventils, wobei der Aktuator einen Stator und einen beweglich gelagerten Läufer aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass eine Feder (6, 13) an dem Läufer (1, 9) des Aktuator angeordnet ist, wobei die Feder (6, 13) das bewegliche Glied (4) nur in dessen einer Bewegungsrichtung kraftbeaufschlagt und in der anderen Bewegungsrichtung der Läufer (1, 9) das Ventil (4), insbesondere das freie Ende eines Schaftes des beweglichen Gliedes (4) unmittelbar oder über ein insbesondere nicht federelastisches Kraftübertragungselement kraftbeaufschlagt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Kraftübertragungselement mindestens eine am Läufer (9) drehbar gelagerte Rolle (11) umfaßt, welche an dem Schaft oder einem daran befestigten Teller, insbesondere Ventilteller (4a) während der Hubbewegung des Gliedes bzw. Ventils (4) abrollt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6, 13) mit ihrem einen Ende am Läufer (1) und mit ihrem anderen Ende an der dem Aktuator abgewandten Seite des Tellers (4a) angreift oder befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (13) mit ihrem einen Ende am Läufer (9) befestigt ist, und dass am anderen Ende der Feder (13) mindestens eine Rolle (12) insbesondere drehbar gelagert ist, welche an dem Schaft oder dem Teller (4a) während der Hubbewegung des Gliedes (4) abrollt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung lösbar am Schaft bzw. Ventilschaft und/oder dem Läufer des Aktuators befestigt ist, insbesondere seitlich auf den Schaft bzw. Ventilschaft mit seinem Teller bzw. Ventilteller aufschiebbar ist, wobei insbesondere der Schaft hierzu eine Verjüngung aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer eine Welle aufweist, an dem die Vorrichtung, insbesondere lösbar befestigt ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder vorgespannt ist, derart, dass die Feder den Schaft bzw. Ventilschaft in Richtung des Läufers bzw. dessen Welle druckbeaufschlagt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem mit dem Schaft bzw. Ventilschaft zusammenwirkenden Ende der Feder (13) ein Träger (15) befestigt ist, an dem mindestens eine Rolle (12a, 12b) drehbar gelagert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Träger (15) zwei Rollen (12a, 12b) drehbar gelagert sind, zwischen denen der Schaft bzw. Ventilschaft angeordnet ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine Feder mit biegeelastischem Profil vorhanden ist, wobei die Feder (6, 13) insbesondere eine Blattfeder ist.
Aktuatorantrieb für ein bewegliches Glied, insbesondere ein Ventil mit einer Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (9) drehbar gelagert ist, wobei mindestens eine koaxial am Läufer (9) drehbar angeordnete Rolle (11) auf den Schaft bzw. Ventilschaft wirkt.
Aktuatorantrieb für ein bewegliches Glied, insbesondere ein Ventil mit einer Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) den Läufer (1) linear hin und her bewegt.
Aktuatorantrieb nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Läufer (1) eine axial im Stator (2) gelagerte Welle (3) hat.
Aktuatorantrieb nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass am Läufer, insbesondere an dessen Welle (13) die Feder (6) direkt oder mittels eines Federträgers (5) befestigbar oder befestigt ist, und dass die Feder (6) den Schaft bzw. Ventilschaft mit dessen Teller bzw. Ventilteller (4a) gegen die Welle (3) oder ein Zwischenteil druckbeaufschlagt.
Aktuatorantrieb nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) mittels Gleitlagern (7) im Stator (2) verschieblich gelagert ist.
Aktuatorantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 15, da durch gekennzeichnet, dass die Rolle (11) oder deren Achse (17) in Wälzlagern gelagert ist.
Aktuatorantrieb nach einem der Ansprüche 11 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (3) die Funktion der Rolle (11) hat.