DE102007052252A1

DE102007052252A1 - Betätigungsvorrichtung

Info

Publication number: DE102007052252A1
Application number: DE102007052252A
Authority: DE
Inventors: Markus Dipl.-Ing. Lengfeld; Jens Dr.-Ing. Meintschel; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Martin Dr. rer. nat. Ströer; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: Daimler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2007-11-02
Filing date: 2007-11-02
Publication date: 2009-05-07
Also published as: WO2009056223A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Betätigungsstößel (10), der dazu vorgesehen ist, in eine Kulissenbahn (11) einzugreifen, und mit einer Betätigungseinheit (12), die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel (10) zu bewegen. Es wird vorgeschlagen, dass die Betätigungseinheit (12) zumindest zwei Betätigungsmittel (13, 14) mit unterschiedlichen Kraftformen (15, 16) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Es sind bereits Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Betätigungsstößel, der dazu vorgesehen ist, in eine Kulissenbahn einzugreifen, und mit einer Betätigungseinheit, die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel zu bewegen, bekannt.
Der Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine maximal zulässige Umschaltdrehzahl, bei der der schaltbare Ventiltrieb noch umgeschaltet werden darf, zu erhöhen. Die Aufgabe wird jeweils gelöst durch die Merkmale der unabhängigen Patentansprüche, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.
Die Erfindung geht aus von einer Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Betätigungsstößel, der dazu vorgesehen ist, in eine Kulissenbahn einzugreifen, und mit einer Betätigungseinheit, die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel zu bewegen.
Es wird vorgeschlagen, dass die Betätigungseinheit zumindest zwei aktive Betätigungsmittel mit unterschiedlichen Kraftformen aufweist. Unter einer „Kraftform" soll insbesondere eine Kraft verstanden werden, die anhand einer der Kraft zugrunde liegenden Energieform unterscheidbar ist, wie beispielsweise eine Adhäsionskraft, eine elektrische Kraft und/oder, besonders vorteilhaft, eine magnetische Kraft und/oder eine mechanische Kraft. Unter einem „aktiven Betätigungsmittel" soll insbesondere ein Betätigungsmittel verstanden werden, dass zumindest über einen Bereich eines gesamten Hubs des Betätigungsstößels eine Kraft auf den Betätigungsstößel ausübt, die den Betätigungsstößel beschleunigt, wobei diese Kraft vorzugsweise über mehr als 90% des gesamtem Hubs wirkt. Vorzugsweise sind Kräfte, die die beiden Betätigungsmittel auf den Betätigungsstößel ausüben, zumindest über einen Bereich im Wesentlichen gleich groß. Durch eine erfindungsgemäße Ausgestaltung kann eine Kraft auf den Betätigungsstößel erhöht werden, wodurch eine Schaltzeit des Betätigungsstößels verkürzt und somit eine maximale Umschaltdrehzahl erhöht werden kann.
Weiter wird vorgeschlagen, dass jedes Betätigungsmittel eine Betätigungsenergie aufbringt, die zumindest 20% einer Gesamtenergie beträgt, wobei zumindest 25% vorteilhaft und zumindest 33% besonders vorteilhaft sind. Unter einer „Betätigungsenergie" soll dabei eine Energie verstanden werden, die ein einzelnes Betätigungsmittel für die Bewegung des Betätigungsstößels aufbringt, unter einer „Gesamtenergie" eine Summe aller Betätigungsenergien. Dadurch können alle Betätigungsmittel vorteilhaft zu der Umschaltung des Ventiltriebs beitragen.
Vorzugsweise weist zumindest ein Betätigungsmittel eine mechanische Kraftform auf. Eine mechanische Kraftform ist besonders einfach bereitzustellen.
Dabei wird vorgeschlagen, dass das Betätigungsmittel ein Federmittel umfasst. Mittels eines Federmittels ist ein Betätigungsmittel mit einer mechanischen Kraftform besonders einfach realisierbar.
Ebenfalls vorteilhaft ist es, wenn ein Betätigungsmittel eine magnetische Kraftform aufweist. Dadurch kann einfach ein zweites Betätigungsmittel bereitgestellt werden.
Weist das Betätigungsmittel eine Elektromagneteinheit auf, kann das zweite Betätigungsmittel besonders einfach schaltbar ausgestaltet werden. Alternativ sind auch andere Betätigungsmittel denkbar, wobei ein elektrisches Betätigungsmittel besonders vorteilhaft ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Elektromagnet einen Kern aufweist, der zumindest teilweise einteilig mit einem Gehäuseteil ausgeführt ist. Dadurch kann eine Anzahl von Bauteilen reduziert und eine Stabilität erhöht werden.
Vorteilhafterweise weist ein Gehäuse zumindest zwei Gehäuseteile auf. Dadurch ist die Betätigungsvorrichtung besonders einfach montierbar.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die Betätigungsvorrichtung zumindest eine Querschnittsebene aufweist, die zumindest die zwei Betätigungsmittel aufweist. Dadurch kann ein axialer Bauraum besonders kompakt gestaltet werden, da die Betätigungsmittel so axial benachbart angeordnet sind.
Weiter wird vorgeschlagen, dass die Betätigungsvorrichtung eine Haltevorrichtung aufweist, die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel in zumindest einer Endlage zu halten. Dadurch kann einfach eine Grundstellung definiert werden.
Ist die Haltevorrichtung magnetisch ausgebildet, kann eine besonders einfache und effektive Haltevorrichtung bereitgestellt werden.
Vorteilhafterweise weist die Haltevorrichtung zumindest einen Permanentmagnet auf. Dadurch kann die Haltevorrichtung den Betätigungsstößel ohne Energieaufwand in der Endlage halten.
Vorzugsweise ist der Permanentmagnet fest mit dem Betätigungsstößel verbunden. Dadurch kann die Haltevorrichtung besonders kompakt gestaltet werden. Außerdem kann dadurch der Permanentmagnet vorteilhaft mit der Elektromagneteinheit Wechselwirken.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 die Betätigungsvorrichtung in einer perspektivischen Ansicht,
2 eine Schnittzeichnung der Betätigungsvorrichtung,
3 ein Diagramm einer Gesamtkraft in Abhängigkeit von einem Hub und
4 ein Vergleich einer Gesamtenergie.
1 zeigt eine perspektivische Ansicht einer Betätigungsvorrichtung für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine. Die Betätigungsvorrichtung weist einen Betätigungsstößel 10 auf, der in zumindest einem Betriebsmodus in eine Kulissenbahn 11 des schaltbaren Ventiltriebs, der auf einer Nockenwelle 29 angeordnet ist, eingreift. Der Betätigungsstößel 10 wird über eine Betätigungseinheit 12 bewegt, die zwei Betätigungsmittel 13, 14 mit unterschiedlichen Kraftformen 15, 16 aufweist. Die Betätigungseinheit 12 und der Betätigungsstößel 10 sind in einem gemeinsamen Gehäuse 25 angeordnet, aus dem der Betätigungsstößel 10 teilweise hervorsteht. Das Gehäuse 25 der Betätigungsvorrichtung weist zwei Gehäuseteile 23, 24 auf, wobei die Betätigungseinheit 12 teilweise einteilig mit dem ersten Gehäuseteil 23 ausgeführt ist, und radial von dem zweiten Gehäuseteil 24 umschlossen wird.
Das Betätigungsmittel 13 weist eine mechanische Kraftform 15 auf. Dieses Betätigungsmittel 13 umfasst dazu ein Federmittel 20, das mittels einer Spiralfeder ausgebildet ist. Das zweite Betätigungsmittel 14 weist eine magnetische Kraftform 16 auf und umfasst eine Elektromagneteinheit 21.
Die Elektromagneteinheit 21 weist eine Wicklung 30 auf, die um einen Kern 22 gewickelt ist, der einteilig mit einem Gehäuseteil 23 ausgeführt ist. Das Gehäuseteil 23 bildet einen Stator 31 der Betätigungseinheit 12. Wird die Wicklung 30 bestromt, bildet sich ein Magnetfeld aus, wodurch auf einen Anker 32 der Betätigungseinheit 12 und damit auf den Betätigungsstößel 10 eine Kraft wirkt, die den Betätigungsstößel 10 und die Elektromagneteinheit 21 auseinander treibt.
Das Federmittel 20 ist teilweise radial innerhalb der Elektromagneteinheit 21 angeordnet. Ein Ende des Federmittels 20, das als eine Druckfeder wirkt, stützt sich an dem Stator 31 der Betätigungseinheit 12 ab. Ein zweites Ende des Federmittels 20 stützt an dem Anker 32, bzw. an dem Betätigungsstößel 10 ab. Eine effektive Masse des Ankers 32, bzw. eine zu be schleunigende Masse des Betätigungsstößels 10, wird dadurch nur unwesentlich erhöht. Der Kern 22 der Elektromagneteinheit 21 weist dazu eine Ausnehmung 33 auf, die das Federmittel 20 größtenteils umschließt und eine Führung für das Federmittel 20 bildet. Auch der Anker 32 weist eine Ausnehmung 34 auf, in die das Federmittel 20 eingebracht ist. Das Federmittel 20 bewirkt eine mechanische Kraft, die den Betätigungsstößel 10 und den Stator 31 auseinandertreibt.
Durch die Betätigungsvorrichtung findet sich eine Querschnittsebene 26, die die beiden Betätigungsmitte 13, 14, bzw. die Elektromagneteinheit 21 und das Federmittel 20, den einteilig mit dem ersten Gehäuseteil 23 ausgeführten Kern 22 der Elektromagneteinheit 21 und das zweite Gehäuseteil 24 aufweist.
Der Betätigungsstößel 10 weist weiter eine Haltevorrichtung 27 auf, die den Betätigungsstößel 10 in der Endlage, die eine Grundstellung bildet, hält, in der der Betätigungsstößel 10 außerhalb eines Eingriffs in die Kulissenbahn 11 steht. Die Haltevorrichtung 27 ist magnetisch ausgebildet und weißt einen Permanentmagneten 28 auf, der fest mit dem Betätigungsstößel 10 verbunden ist. Der Permanentmagnet 28 wechselwirkt mit dem Kern 22 der Elektromagneteinheit 21, wobei dadurch eine magnetische Haltekraft auf den Betätigungsstößel 10 in Richtung der Elektromagneteinheit 21 ausgeübt wird, die größer ist als die Kraft des Federmittels 20. Dadurch wird der Betätigungsstößel 10 außerhalb eines Eingriffs in die Kulissenbahn 11 gehalten, wobei dazu auf eine Energiezufuhr, wie beispielsweise eine elektrische Energiezufuhr, verzichtet werden kann. In der Endlage, die eine Grundstellung bildet, ist der Anker 32 zu dem Stator 31 beabstandet, um ein Festkleben des Ankers 32 am Stator 31 zu verhindern. Ein Abstand zwischen dem Anker 32 und dem Stator 31 wird über einen Ab standselement 35, das als ein Ring um die Ausnehmung 34 für das Federmittel 20 auf dem Anker 32 ausgebildet ist und der sich über eine Grundfläche des Anker 32 erhebt, definiert.
In einem Betriebsmodus, in dem der Betätigungsstößel 10 der Betätigungsvorrichtung in die Kulissenbahn 11 eingreifen soll, wird die Wicklung 30 der Elektromagneteinheit 21 bestromt, wobei die dadurch wirkende magnetische Kraft zwischen dem Stator 31 und dem Anker 32 wirkt und den Betätigungsstößel 10 in Richtung der Kulissenbahn 11 treibt. Der Permanentmagnet 28 wechselwirkt dabei mit der Elektromagneteinheit 21 und verstärkt die magnetische Kraft der Elektromagneteinheit 21, wodurch die magnetische Kraft insbesondere größer ist als die Haltekraft zwischen dem Kern 22 und dem Permanentmagneten 28.
Eine Gesamtkraft 36, die auf den Betätigungsstößel 10 wirkt, wird mittels der magnetischen Kraftform 16 der Elektromagneteinheit 21 und der mechanische Kraftform 15 des Federmittels 20 gebildet. Dabei verstärkt die mechanische Kraftform 15 die magnetische Kraftform 16 insbesondere über mehr als 90% eines gesamten Hubs des Betätigungsstößels 10, wobei über einen Bereich von 30% des gesamten Hubs ein Anteil der mechanischen Kraftform 15 an der Gesamtkraft 36 größer ist als die magnetische Kraftform 16. Eine Betätigungsenergie 17, die durch das Betätigungsmittel 13 mit dem Federmittel 20 in die Bewegung des Betätigungsstößels 10 eingebracht wird, beträgt ca. 40% einer Gesamtenergie 19. Eine magnetische Betätigungsenergie 18, die durch das Betätigungsmittel 14 mit der Elektromagneteinheit 21 und den Permanentmagneten 28 eingebracht wird, bildet ca. 60% der Gesamtenergie 19. Der Permanentmagnet 28 trägt deshalb zur Gesamtenergie bei, da er nahe einer zweiten Endstellung mit dem zweiten Gehäuseteil 24 wechselwirkt und dadurch den Betätigungsstößel 10 in Richtung der Kulissenbahn 11 beschleunigt. Ein Diagramm, das die Gesamt kraft 36 in Abhängigkeit vom Hub zeigt, ist in 3 dargestellt. Eine erste Kurve gibt dabei die mechanische Kraftform 15 wieder, die das Federmittel 20 auf den Betätigungsstößel 10 ausübt. Eine zweite Kurve gibt die magnetische Kraftform 16 wieder, die die Elektromagneteinheit 21 auf den Betätigungsstößel 10 ausübt. Eine dritte Kurve zeigt die Gesamtkraft 36, die aus der mechanischen Kraftform 15 und der magnetischen Kraftform 16 zusammengesetzt ist. Die Gesamtenergie 19 mit mechanischer Betätigungsenergie 17 bzw. ohne mechanische Betätigungsenergie 17 ist in 4 dargestellt.
Um die Betätigungsenergie 17 dem Federmittel 20 der Betätigungseinheit 12 wieder zuzuführen, weist die Kulissenbahn 11 am auslaufenden Ende einen radial ansteigenden Nutgrund 38 auf (2). Durch eine Drehung der Nockenwelle 29, die über die Brennkraftmaschine angetrieben wird, wird der Betätigungsstößel 10 in seine Endlage zurückbewegt, wodurch das Federmittel 20 vorgespannt wird. Die Betätigungsenergie 17 wird dabei direkt einer mechanischen Leistung der Brennkraftmaschine entnommen und dem Federmittel 20 zugeführt, wodurch eine Energieaufnahme der Betätigungsvorrichtung sinkt.

Claims

Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Betätigungsstößel (10), der dazu vorgesehen ist, in eine Kulissenbahn (11) einzugreifen, und mit einer Betätigungseinheit (12), die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel (10) zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass die Betätigungseinheit (12) zumindest zwei aktive Betätigungsmittel (13, 14) mit unterschiedlichen Kraftformen (15, 16) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Betätigungsmittel (13, 14) eine Betätigungsenergie (17, 18) aufbringt, die zumindest 20% einer Gesamtenergie (19) beträgt.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Betätigungsmittel (13) eine mechanische Kraftform (15) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsmittel (13) ein Federmittel (20) umfasst.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Betätigungsmittel (14) eine magnetische Kraftform (16) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Betätigungsmittel (14) eine Elektromagneteinheit (21) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromagneteinheit (21) einen Kern (22) aufweist, der zumindest teilweise einteilig mit einem Gehäuseteil (23) ausgeführt ist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch, ein Gehäuse (25), das zumindest zwei Gehäuseteile (23, 24) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch zumindest eine Querschnittsebene (26), die zumindest die zwei Betätigungsmittel (13, 14) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine Haltevorrichtung (27), die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel (10) in zumindest einer Endlage zu halten.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (27) magnetisch ausgebildet ist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltevorrichtung (27) zumindest einen Permanentmagnet (28) aufweist.
Betätigungsvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (28) fest mit dem Betätigungsstößel (20) verbunden ist.
Verfahren für eine Betätigungsvorrichtung, insbesondere für einen schaltbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem Betätigungsstößel (10), der dazu vorgesehen ist, in eine Kulissenbahn (11) einzugreifen, und mit einer Betätigungseinheit (12), die dazu vorgesehen ist, den Betätigungsstößel (10) zu bewegen, dadurch gekennzeichnet, dass der Betätigungsstößel (10) durch zumindest zwei unterschiedliche Kraftformen (15, 16) bewegt wird.