DE102010014731A1

DE102010014731A1 - Verschleißfester Proportionalmagnet

Info

Publication number: DE102010014731A1
Application number: DE201010014731
Authority: DE
Inventors: Jochen Grünschlag; Micheal Stockschläder
Original assignee: Thomas Magnete GmbH
Current assignee: Thomas Magnete GmbH
Priority date: 2010-04-13
Filing date: 2010-04-13
Publication date: 2011-10-13
Anticipated expiration: 2030-04-14
Also published as: DE102010014731B4

Abstract

Verschleißfester proportionalwirkender Elektromagnet mit einer aus austenitischem Edelstahl hergestellten Magnethülse und einem darin beweglichen Anker, der aus mindestens zwei Teilen besteht. Der Anker besitzt eine Gleitfläche, mit der er in der Magnethülse gelagert ist, die erheblich kleiner ist als die Mantelfläche des Ankers, und nur diese Gleitfläche ist mit einer harten Beschichtung versehen. In einer bevorzugten Ausführung ist der Kolben des Magnetankers aus gesintertem Eisenmaterial und er trägt einen hart beschichteten Ring.

Description

Die Erfindung betrifft einen Proportionalmagneten mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Proportionalmagnete, zum Beispiel für Nockenwellen-Verstelleinrichtungen sind bekannt, z. B. aus der DE 10 2007 020 092 , DE 10 2006 054 941 und der DE 10 2008 004 531 .
Ebenfalls bekannt sind Maßnahmen zur Minderung der Reibung und des Verschleißes zwischen Magnetkolben und Magnethülse, z. B WO2010/009966 , auch verschleißmindernde Beschichtungen des Magnetkolbens oder der Magnethülse, ebenso die Ausführung des Magnetkolbens eines Schaltmagneten aus Sintermaterial und die Ausführung der Magnethülse aus austenitischem Edelstahl. Die hier betrachtete Hartbeschichtung des Kolbens mit mehreren nacheinander abgeschiedenen Schichten ist für andere Anwendungen als bekannt vorausgesetzt. In der hier zu betrachtenden Anwendung für einen Nockenwellenversteller im Ventiltrieb eines Verbrennungsmotors mit einer Schmierung der Reibpartner durch verunreinigtes Motoröl zeigt die für eine Großserienfertigung angemessene Ausführung des Kolbens aus Sintermaterial keinen ausreichenden Schutz vor Verschleiß, wenn dieser Kolben gegen eine Magnethülse aus austenitischem Stahl läuft. Die Magnethülse sollte aber aus austenitischem Material sein, damit ein magnetischer Kurzschluss zwischen dem Jochflansch und dem Konus vermieden wird.
Eine naheliegende Lösung wäre die Hartbeschichtung des Kolbens, das aber schließt die Verwendung eines gesinterten und nicht nachgearbeiteten Kolbens aus, weil dann die vor der Beschichtung erforderlichen Maßtoleranzen und Rauhigkeiten nicht eingehalten werden können. Damit wäre eine mechanische Bearbeitung des Kolbens erforderlich; die mechanische Bearbeitung und die lange Beschichtungszeit führen zu einer unwirtschaftlichen und damit für die Großserienfertigung ungeeigneten Lösung.
Zweck der Erfindung ist es, eine wirtschaftliche und für die Großserienfertigung geeignete Ausführung des Magneten zu finden, die folgende Ziele erreicht:

– Die für die Lagerung wirksame Oberfläche des Magnetkolbens ist durch eine hochwertige Beschichtung vor Verschleiß geschützt.
– Für die Magnethülse kann unbeschichteter austenitischer Edelstahl verwendet werden
– Für den überwiegenden Gewichtsanteil des Kolbens kann Sintermaterial verwendet werden
– Es sind keine zusätzlichen Lagermaterialien erforderlich
– Die vor Verschleiß schützende Beschichtung ist kostengünstig und für die Großserienfertigung geeignet.
– Die Hubkraft des Magneten wird durch die o. g. Merkmale im Vergleich zu einem konventionell aufgebauten Magneten nicht wesentlich vermindert.

Die oben genannten Ziele werden durch einen Magneten erreicht, der folgende Merkmale aufweist:

– Der Magnetanker besteht vorzugsweise aus drei Teilen: Dem Kolben, dem Ring und dem Stößel.
– Nur der Ring bildet eine Lauffläche zur Magnethülse, der Stößel gleitet im Konus
– Der Ring besteht aus Automatenstahl und wird durch eine mechanische Bearbeitung mit hoher Formgenauigkeit und geringer Oberflächenrauhigkeit hergestellt.
– Der Ring ist mit einer mehrfach schichtweise aufgetragenen harten Beschichtung versehen, nach der Beschichtung erfolgt keine abtragende Nacharbeit
– Der Kolben besteht aus Sintermaterial und wird nach dem Sintern nicht mechanisch nachgearbeitet
– Die innere Oberfläche der Magnethülse aus austenitischem Edelstahl ist nicht beschichtet
– Der Ring wird auf den Kolben aufgepresst, der Stößel wird in den Kolben eingepresst, die Baugruppe bildet den Anker.
– Der Außendurchmesser des Kolbens in dem nicht vom Ring überdeckten Bereich ist zwar kleiner als der Außendurchmesser des Rings, aber nur in geringem Maße, um die Lagerung durch den Ring zu gewährleisten. Der magnetische Fluss soll möglichst ungehindert vom Jochflansch in den Kolben übertreten, deshalb soll der Spalt zwischen dem Kolben und dem Jochflansch (der sogenannte sekundäre Luftspalt) nicht größer sein als der radiale Spalt zwischen dem Kolben und dem Konus. Diese Bedingungen schränken die jeweilige Wahl der Durchmesser von Ring, Kolben und Magnethülse ein.

Eine Abwandlung der oben genannten Erfindung besteht darin, den Kolben des Magnetankers zwar einteilig aus Automatenstahl herzustellen, aber mit einem im Vergleich zur restlichen Teillänge vergrößerten Absatz auszuführen und nur diesen Absatz zu beschichten. Nur dieser Absatz dient der Lagerung.
Mit dieser Abwandlung können allerdings nicht alle Vorteile der vorher beschriebenen Ausführung erreicht werden; der Kolben kann nicht aus Sintermaterial hergestellt werden und muss bei der Beschichtung abgedeckt werden.
Eine weitere Abwandlung besteht darin, den Kolben einteilig aus Sintermaterial mit einem Absatz wie oben beschrieben herzustellen, diesen Absatz mechanisch zu bearbeiten und nur diesen Absatz zu beschichten.
Auch bei dieser Abwandlung können nicht alle Vorteile der zuerst beschriebenen Ausführung erreicht werden; der durch Sintern hergestellte Kolben muss nachgearbeitet werden und er muss bei der Beschichtung abgedeckt werden.
Die beschriebenen Ausführungen zeichnen sich durch einen deutlich besseren Verschleißschutz und eine geringere Reibung im Vergleich zu einer Ausführung ohne Hartbeschichtung aus. Dabei sind die Herstellkosten für die zuerst beschriebene Ausführung erheblich niedriger als bei einer Ausführung mit einteiligem beschichtetem Kolben, weil nur der kleinere Ring beschichtet werden muss und der Kolben aus Sintermaterial hergestellt werden kann.
Als weiterer Vorteil ergibt sich bei der zuerst beschriebenen Ausführung eine geringere Masse des Ankers im Vergleich zur Ausführung mit einem einteiligen Kolben aus Automatenstahl, weil durch das Sinterverfahren eine massesparende komplexere Formgebung des Kolbens ohne Mehrkosten möglich ist.
Im Vergleich zu einer Ausführung des Kolbens mit einem aufgepressten Lager ergibt sich hier der Vorteil, dass der magnetische Fluss mit geringem Widerstand von dem Jochflansch zum Kolben übertreten kann.
Die Erfindung ist für alle Proportionalmagnete geeignet, die hohe Ansprüche an die Verschleißfestigkeit der Reibstelle zwischen dem Magnetkolben und der Magnethülse aufweisen, also vor allem für Proportionalmagnete, die von stark verschmutztem Motoröl oder von Schmierstoff mit geringem Verschleißschutz geschmiert werden. Auch für Proportionalmagnete mit sehr geringer Bauhöhe im Vergleich zur Länge ist diese Erfindung geeignet, weil die kurze Lagerlänge solcher Magnete verschleißfördernd wirkt, was durch die erfindungsgemäßen Merkmale wieder aufgehoben wird.
An einem Ausführungsbeispiel gemäß der Zeichnung 1 soll das erfindungsgemäße Gerät näher erläutert werden.
Der Proportionalmagnet (1) wird durch einen elektrischen Strom angesteuert, der die Spule (7) durchfließt. Dadurch wird ein magnetischer Fluss erzeugt, der von dem Topf (6), dem Jochflansch (3), dem Kolben (9) und dem Konus (4) geleitet wird. Im Luftspalt (12) erzeugt der magnetische Fluss eine axial wirkende Kraft. Der Magnetanker besteht aus dem Kolben (9), dem Ring (10) und dem Stößel (11). Der Stößel überträgt die Kraft auf den Verbraucher.
Der Magnetanker ist zweifach gelagert, der Ring (10) gleitet in der Magnethülse (5), und der Stößel (11) gleitet im Konus (4).
Zur Verbesserung des Verschleißschutzes ist der Ring (10) mit einer harten Beschichtung versehen, die aus mehreren nacheinander aufgebrachten Schichten aufgebaut ist.
Der Kolben (9) wird durch Sintern hergestellt, dabei wird in dem Kolben eine Innenform (13) eingebracht, wie 2 zeigt. Diese Innenform erfüllt mehrere Aufgaben, sie nimmt den Stößel (11) auf, sie erlaubt einen Flüssigkeitsaustausch zwischen den Räumen an den beiden Stirnseiten des Kolbens und sie vermindert die Masse des Kolbens. Die Außenform des Kolbens ist so gestaltet, dass der Ring auf einem Teil der Kolbenlänge aufgenommen werden kann und dass im gefügten Zustand beider Teile der Kolben auf der nicht vom Ring überdeckten Länge einen geringfügig kleineren Durchmesser als der Außendurchmesser des Rings hat, damit der Ring die Führung in der Magnethülse übernimmt, aber dass dennoch der magnetische Fluss ohne unnötig großen Widerstand vom Jochflansch (3) in den Kolben übertreten kann. Dazu sollte der Lagerspalt zwischen Ring und Magnethülse kleiner sein als die Hälfte des Spalts zwischen Kolben und Magnethülse, aber der Spalt zwischen dem Kolben und der Magnethülse sollte nicht größer sein als der radiale Spalt zwischen dem Kolben und dem Konus (4).
Eine erste alternative Ausführung besteht darin, dass der Magnetanker entsprechend dem Anspruch 7 aus nur zwei Teilen besteht, nämlich aus einem Kolben (9) und einem Stößel (11). Der Kolben besteht aus gesintertem Eisenmaterial und ist im Außendurchmesser so abgesetzt, dass nur eine kleine Teilfläche der äußeren Zylinderfläche die Lagerfunktion in der Magnethülse übernimmt. Diese Teilfläche mit einem geringfügig größeren Außendurchmesser wird nach dem Sintern spanabhebend nachgearbeitet und danach hart beschichtet. Bei der Beschichtung werden die anderen Flächen des Kolbens abgedeckt.
Eine zweite alternative Ausführung besteht darin, dass der Magnetanker ebenfalls aus nur zwei Teilen besteht, aber der Kolben aus Automatenstahl hergestellt ist. Bei dieser Ausführung kann der zu beschichtende abgesetzte Teil der Außenfläche so genau bearbeitet werden, dass nach der Beschichtung keine weitere Bearbeitung des Kolbens erforderlich ist.
Bezugszeichenliste

1: Proportionalmagnet
2: Gehäuse
3: Jochflansch
4: Konus
5: Magnethülse
6: Topf
7: Spule
8: Formring
9: Kolben
10: Ring
11: Stößel
12: Luftspalt
13: Innenform des Kolbens

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 102007020092 [0002]
DE 102006054941 [0002]
DE 102008004531 [0002]
WO 2010/009966 [0003]

Claims

Verschleißfester proportionalwirkender Elektromagnet mit einer aus austenitischem Edelstahl hergestellten Magnethülse und einem darin beweglichen Anker, der aus mindestens zwei Teilen besteht, dadurch gekennzeichnet dass die Gleitfläche, mit der der Anker in der Magnethülse gelagert ist, erheblich kleiner ist als die Mantelfläche des Ankers, die in den Ankerraum des Magneten ragt, und dass nur diese Gleitfläche mit einer harten Beschichtung versehen ist.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus drei Teilen aufgebaut ist, nämlich dem Kolben aus gesintertem Eisenmaterial, dem Ring und dem Stößel, wobei nur der Ring mit einer harten Beschichtung versehen ist und nur dieser Ring wegen seines im Vergleich zum Kolben größeren Außendurchmessers in der Magnethülse die Lagerfunktion übernimmt.
Elektromagnet nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtung des Ringes aus mehreren nacheinander aufgetragenen Schichten besteht, die wesentlich härter sind als der Ring.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Ring aus Automatenstahl mit solcher Formgenauigkeit und Oberflächenqualität hergestellt ist, dass nach der Beschichtung keine abtragende Bearbeitung mehr erforderlich ist.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kolben aus gesintertem Eisenmaterial mit solchen Maßtoleranzen durch den Sinterprozess hergestellt wird, dass er ohne mechanische Nacharbeit mit dem Ring und dem Stößel verpresst werden und dann eingebaut werden kann.
Elektromagnet nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der größte Außendurchmesser des Kolbens um so viel kleiner als der Außendurchmesser des Ringes ist, dass die Dicke des Spalts zwischen dem Kolben und der Magnethülse mindestens zweimal so groß ist wie die Dicke des Lagerspalts zwischen dem Ring und der Magnethülse. Der Spalt zwischen dem Kolben und der Magnethülse ist aber nicht größer als der radiale Luftspalt zwischen dem Kolben und dem Konus des Magneten.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus zwei Teilen besteht, nämlich aus einem Kolben und einem Stößel, und dass der Kolben aus gesintertem Eisenmaterial besteht und im Außendurchmesser so abgesetzt ist, dass nur eine kleine Teilfläche der äußeren Zylinderfläche die Lagerfunktion übernimmt. Diese Teilfläche hat einen geringfügig größeren Durchmesser als der restliche Kolben, sie wird nach dem Sintern mechanisch nachgearbeitet und danach hart beschichtet, wobei die anderen Flächen abgedeckt werden.
Elektromagnet nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anker aus zwei Teilen besteht, nämlich aus einem Kolben und aus einem Stößel, und dass der Kolben aus Automatenstahl hergestellt ist, und dabei am Außendurchmesser so abgesetzt ist, dass nur eine kleine Teilfläche der äußeren Zylinderfläche die Lagerfunktion übernimmt. Diese Teilfläche wird hart beschichtet, wobei die anderen Flächen abgedeckt werden.