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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft ein elektromechanisches Stellelement für eine Brennkraftmaschine.
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Hintergrund der Erfindung
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Elektromechanische Stellelemente finden in Brennkraftmaschinen vielfältige Einsatzmöglichkeiten. Die nach dem Stand der Technik bekannten elektromechanischen Stellelemente haben eine Spule und einen Anker, der durch die bestromte Spule bewegt wird und bspw. einen Kolben verschiebt. Bekannte elektromechanische Stellelemente mit vorgenannten Aufbau finden sich in Ausbildungen als Zentralmagnet für Zentralventile eines Nockenwellenverstellsystems oder als Baugruppe zur Betätigung von Steuerkolben in Schaltventilen oder Wegeventilen, welche einen Hydraulikmittelfluss in der Brennkraftmaschine steuern, sowie bei Aktoren eines Schiebenockensystems wieder. Nachteilig an den bekannten elektromagnetischen Stellelementen ist, dass die Spulen viel Kupfer beinhalten und dadurch die Materialkosten hoch sind.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, ein elektromechanisches Stellelement anzugeben, der einen besonders einfachen und wirtschaftlichen Aufbau aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Somit ist gemäß der Erfindung der Einsatz von sogenannten EAP-Folien (Abkürzung für elektroaktive Polymerfolien) vorgesehen. Diese haben in der Mitte eine gelochte Elektrode, welche bestromt werden kann. Die Folie kann sie sich unter Bestromung zusammenziehen oder auseinander gedrückt werden. Das elektromechanische Stellelement hat zumindest eine EAP-Folie.
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Hierdurch wird erreicht, dass ein flexibel einsetzbares elektromechanisches Stellelement geschaffen ist, welches im begrenzten Bauraum der Brennkraftmaschinen Platz findet und dabei möglichst viel Variabilität bei gleichzeitig niedrigen Herstellkosten vereint.
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Zudem verbleibt gemäß der Erfindung die Möglichkeit einer direkten elektronischen Ansteuerung, wodurch die bereits vorhandenen Steuergeräte weiterverwendet werden können. Somit lassen sich die bestehenden Spulenlösungen durch das erfindungsgemäße elektromechanische Stellelement austauschen.
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Durch das einfache erfindungsgemäße elektromechanische Stellelement sind vorteilhafterweise lediglich minimale bis keine Änderungen am Motor notwendig.
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Wird mehr Kraft für die Stellung bspw. eines Kolbens durch das elektromechanische Stellelement benötigt, so kann die Mischung der Folie verändert, bzw. in der Stärke angepasst werden.
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Um den Stellweg des elektromechanischen Stellelementes zu vergrößern, werden mehrere EAP-Folien gestapelt angeordnet. Bei Bestromung aller EAP-Folien vollzieht jedes dieser EAP-Folien einen für sich genommenen geringen Weg, welcher sich jedoch durch die gestapelte, einer Reihenschaltung ähnlichen, Anordnung der EAP-Folien zum gewünschten Stellweg addiert. Vorteilhafterweise lassen sich so verschiedene Stellwege durch die unterschiedliche Gesamtanzahl von EAP-Folien im Stapel ausbilden.
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Alternativ kann ein bereits vorhandener Stapel von EAP-Folien vorhanden sein, wobei nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien bestromt wird. Dadurch fährt auch nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien einen Stellweg, welcher geringer ist als der maximal mögliche Stellweg. Vorteilhafterweise ist so ein vordefinierter Stapel von EAP-Folien für unterschiedlich große Stellwege einsetzbar.
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Die EAP-Folien können auch als längerer Abschnitt zusammengerollt (quasi wie ein Bandcoil) und dadurch „übereinander gestapelt” werden. Vorteilhafterweise sind dadurch die Herstellkosten niedriger. Zur effizienten Bestromung muss allerdings ein Kern ins Zentrum der EAP-Rolle und eine Hülse an den Außenbereich, welche bevorzugterweise durch das Gehäuse bereits vorhanden ist, angeordnet werden, damit eine Ausdehnung, die ja eigentlich radial erfolgen würde, nur in axialer Richtung erfolgen kann.
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In einer Ausbildung der Erfindung ist das elektromechanisches Stellelement mit den EAP-Folien zur Betätigung eines Steuerkolbens eines hydraulischen Steuerventils, bspw. eines Zentralventils in Nockenwellenverstellsystemen oder als Schaltventil (2/2 Wegeventil) vorgesehen.
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In einer alternativen Ausbildung der Erfindung ist das elektromechanisches Stellelement mit den EAP-Folien zur Betätigung eines Pins vorgesehen, welcher in Eingriff mit einem Nutstück eines Schiebenockensystems bringbar ist.
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Denkbar sind auch Verwendungen des elektromechanisches Stellelement mit den EAP-Folien in einem Kolbenspritzventil oder in einem Schubumluftventil eines Abgasturboladers.
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Das erfindungsgemäße, elektromechanische Stellelement mit den EAP-Folien lässt sich in vielfältigen Anwendungen in der Brennkraftmaschine oder in anderen Automotivebereichen, bspw. in Automatikgetrieben und/oder Drehmomentwandlern, zur rotatorischen und/oder translatorischen Betätigung von peripheren Bauteilen einsetzen.
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Die Erfindung ermöglicht, ein elektromechanisches Stellelement kostenoptimal und flexibel zu gestalten. Das elektromechanische Stellelement ist durch die Verwendung von EAP-Folien im Aufbau stark vereinfacht.
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Durch die niedrigen Kosten ist das elektromechanische Stellelement eine bevorzugte Lösung für verschiedene Anwendungen in der Brennkraftmaschine.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine Schnittdarstellung durch den EAP-Aktor,
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2 eine Abdichtung Kolbenring,
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3 eine Abdichtung mittels PTFE Ringe und
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4 eine Abdichtung mittels Faltenbalg.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Stellelement 1 mit mehreren EAP-Elementen 2 und einem zu betätigenden peripheren Element, welches als Pin 9 ausgebildet ist. Die beispielhafte Ausbildung, hier als EAP-Aktor 1a, nach 1 eignet sich zur Anwendung in einem aus dem Stand der Technik bekannten Schiebenockensystem.
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Die EAP-Elemente 2 werden in ein als gezogene Hülse ausgebildetes Gehäuse 5 eingeschoben. Dieses Gehäuse 5 ist im unteren Bereich 16 dickwandig ausgebildet. Am Ende des Gehäuses 5, im unteren Bereich 16, befindet sich im Außenbereich ein Einstich 15 welcher den O-Ring 6 beherbergt. Dieser verhindert den Ölfluss aus dem Motorbereich. Sollte dieser Bereich 16 bei einer anderen Anwendung trocken sein, kann auf diesen Einstich 15 verzichtet werden. Die Bohrung 17 des Gehäuses 5 ist geschliffen. Der Pin 9 ist an seinem Außendurchmesser ebenso geschliffen. Eine lange Führungslänge verhindert den Ölfluss vom unteren Bereich 16 hin zum EAP-Aktor 1a. Die Führungslänge ist für die Stabilität, insbesondere bei der Anwendung des EAP-Aktors 1a in einem Schiebenockensystem, vorteilhaft. Die Feder 4 sorgt für einen sicheren Rückhub des EAP-Aktors 1a bzw. des Pins 9. Die Feder 4 alternativ ersetzend kann eine zweite EAP-Einheit eingebracht werden, die dann quasi gegen die erste wirken kann. Vorteilhafterweise würde hierbei die Hysterese reduziert werden sowie die nicht lineare Dämpfung der Pinbewegung in beiden Richtungen. Eine Haltelasche 7 wurde an das Gehäuse 5 angeclincht oder geschweißt. Alternativ sind andere Verbindungsverfahren hier denkbar. Die Haltelasche 7 kann je nach Anwendung variieren (eine, zwei oder drei Verbindungselemente). Mittels der Haltelasche 7 ist der EAP-Aktor 1a mit dem Gestell 3 fest verbunden. Dazu weisen Haltelasche 7 und Gestell 3 zueinander fluchtende Aufnahmen 18 für verschiedene, aus dem Stand der Technik bekannte, Verbindungselemente auf. Der Deckel 8 weist vorzugsweise die gleiche Materialstärke wie das Gehäuse 5 auf und ist ebenfalls mit allen erdenklichen Verbindungsmöglichkeiten montierbar. Es ist jedoch von Vorteil, wenn hier noch eine Lücke für die Kabel 14 und den Druckausgleich vorhanden bleibt. Dieser Deckel 8 kann aber auch mit einem Kunststoffspritzverfahren aufgebracht werden. In diesem Falle sollte er etwas steifer ausgelegt werden und mit einem hier nicht dargestellten Stecker versehen werden.
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Ein Gehäuse 5 welches vorzugsgemäß gezogen ist, beherbergt eine Lauffläche, in der der Pin 9 läuft. Im Außenbereich des Gehäuses 5 besteht die Möglichkeit einen Einstich 15 einzubringen, welcher eine als O-Ring ausgebildete Dichtung 6 beherbergt. Im Innenbereich wird die Feder 4 und anschließend der Pin 9 montiert. Der Pin 9 wiederum besteht aus einem als gezogene Tellerplatte ausgebildeten Kolben 11 und einer Nadel eines Nadellagers. Der Pin 9 kann aber auch als einteilige Variante gefertigt werden. Auf den Kolben 11 werden die EAP-Elemente 2 gestapelt aufgesetzt. Der EAP-Aktor 1a wird am Ende mit einem Deckel 8 oder einer Kunststoffumspritzung verschlossen. Bei einer Montage des Deckels 8 kann der Stecker direkt mit den Kabeln 14 der EAP-Elemente 2 verbunden sein. Alternativ kann bei einer Kunststoffumspritzung der Stecker vorzugsweise mit dem Gehäuse 5 vergossen sein. Es ist auch ein vollständig umspritztes Gehäuse 5 denkbar.
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Der lange Passungssitz des Pins 9 sorgt für eine gute Führung und weitestgehend für eine Öldichtheit.
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Werden die EAP-Elemente 2 bestromt, so dehnen sich diese aus und drücken den Kolben 11 gegen die Feder 4. Durch die Bewegung des Kolbens 11 wird auch der Pin 9 in gleicher Richtung bewegt. Die Feder 4 sorgt für eine Rückstellung des Kolbens 11 in seine Ausgangslage, wenn die EAP-Elemente 2 nicht mehr bestromt sind.
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Zur Abdichtung sind verschiedene Varianten in den 2, 3 und 4 dargestellt.
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2 zeigt ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Stellelement 1 mit mehreren EAP-Elementen 2 wobei die Abdichtung durch einen Kolbenring 10 ausgebildet ist.
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Zusätzlich zur Dichtung 6 ist am Außenumfang des Kolbens 11 ein Kolbenring 10 angeordnet, welcher die EAP-Elemente 2 vor Leckageöl schützt, welches über den Spalt zwischen Pin 9 und Bohrung 17 in das Innere des Gehäuses 5 gelangen kann.
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3 zeigt ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Stellelement 1 mit mehreren EAP-Elementen 2 wobei die Abdichtung mittels PTFE Ringe realisiert ist.
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Zusätzlich zur Dichtung 6 sind am Innenumfang der Bohrung 17 mehrere PTFE Ringe angeordnet, welcher die EAP-Elemente 2 und die Feder 4 vor Leckageöl schützt, welches über den Spalt zwischen Pin 9 und Bohrung 17 in das Innere des Gehäuses 5 gelangen kann.
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4 ein erfindungsgemäßes elektromechanisches Stellelement 1 mit mehreren EAP-Elementen 2 wobei die Abdichtung durch einen Faltenbalg ausgebildet ist.
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Zusätzlich zur Dichtung 6 ist ein Faltenbalg 13 in Inneren der Feder 4 angeordnet. Der Faltenbalg 13 wird in seiner Lage im Innern der Feder 4 und somit auch im Inneren des Gehäuses 5 durch die Feder 4 fixiert. Dazu sind die tellerförmigen Enden des Faltenbalges 13 zwischen den jeweiligen Enden der Feder 4 und dem Gehäuse 5 bzw. dem Kolben 11 angeordnet. Durch den Faltenbalg 13 werden die EAP-Elemente 2 und die Feder 4 vor Leckageöl geschützt, welches über den Spalt zwischen Pin 9 und Bohrung 17 in das Innere des Gehäuses 5 gelangen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromechanisches Stellelement
- 1a
- EAP-Aktor
- 2
- EAP-Element
- 3
- Gestell
- 4
- Feder
- 5
- Gehäuse
- 6
- Dichtung (O-Ring)
- 7
- Haltelasche
- 8
- Deckel
- 9
- Pin
- 10
- Kolbenring
- 11
- Kolben
- 12
- Dichtung (PTFE-Ring)
- 13
- Faltenbalg
- 14
- Kabel
- 15
- Einstich
- 16
- Unterer Bereich
- 17
- Bohrung
- 18
- Aufnahme
