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Die vorliegende Erfindung betrifft Motortechnologie in Fahrzeugen. Insbesondere betrifft die vorliegende Erfindung eine elektromagnetische Stellvorrichtung, eine Nockenwellenanordnung und einen Motor für ein Fahrzeug, insbesondere Automobil sowie ein Fahrzeug.
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Stand der Technik
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Nockenwellen finden in der Motortechnik Verwendung und sind dort Teil des Ventiltriebes. Sie werden verwendet, um die Ein- und Auslassventile eines Motors bzw. einzelner Kolben gemäß konstruktionsmäßig vorgegebenen Steuerzeiten zu öffnen und zu schließen. Eine Nockenwelle ist dabei ein Maschinenelement, auf dem mindestens ein gerundeter Vorsprung, der sogenannte Nocken, angeordnet ist. Die Welle dreht sich um ihre eigene Achse, wobei die durch den Nocken realisierte Längsbewegung zum Öffnen und Schließen der Ventile verwendet wird.
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Eine bestimmte Form und relative Anordnung mehrerer Nocken einer Nockenwelle bestimmen dabei die Charakteristik eines damit angesteuerten Motorelementes.
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Bekannt sind mittlerweile auch Nockenwellen, die eine Veränderung der Motorcharakteristik durch eine Relativverschiebung einer Nockenwelle bereitstellen, so dass je nach geforderter Motorcharakteristik eine unterschiedliche Nockenanordnung an den Ventilen ansteht und diese steuert.
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Eine derartige Realisierung unterschiedlicher Nockenwellenprofile, somit eine variable Ventilsteuerung, verwendet meist eine geeignete elektromagnetische Stellvorrichtung, die zum Aktivieren bzw. Deaktivieren einer gewünschten bzw. bestimmten Nockenwellenanordnung verwendet wird. Herkömmliche elektromagnetische Stellvorrichtungen sind beispielsweise aus der
DE 102 40 774 B4 und der
EP 1 421 591 B1 bekannt. Die hierin beschriebenen elektromagnetischen Stellvorrichtungen verwenden jedoch schwer zu verarbeitende Permanentmagnete, die für den Einsatz im Arbeitsraum eines Ventils gekammert werden müssen. Hierdurch besteht die Gefahr, dass der Permanentmagnet Abrieb- und Schmutzpartikel ansammelt, die zu einer Funktionsstörung bzw. Funktionsbeeinträchtigung der elektromagnetischen Stellvorrichtung führen können. Aufgrund der dem Motor zugewandten Ausgestaltung der Permanentmagnete sind diese verstärkt der Wärmeabgabe des Motors ausgesetzt, wobei maximal zulässige Temperaturen insbesondere bei Permanentmagnetmaterial materialbedingt begrenzt ist. So gehen die Ausrichtung von Elementarmagneten bei hohen Temperaturen verloren.
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Je nach Ausführung der elektromagnetischen Stellvorrichtung ist diese jedoch aufgrund ihrer Bauart und Anordnung im Bereich des Motors eines Fahrzeuges mechanischen, thermischen und Schmutzbelastungen ausgesetzt, die einen langfristigen Betrieb einer elektromagnetischen Stellvorrichtung beeinträchtigen können.
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Offenbarung der Erfindung
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Ein Aspekt der vorliegenden Erfindung kann somit darin gesehen werden, eine verbesserte elektromagnetische Stellvorrichtung bereitzustellen, insbesondere eine derartige elektromagnetische Stellvorrichtung, die aufgrund ihres konstruktiven Aufbaus eine verringerte Beeinträchtigung ihrer Lebensdauer durch mechanische, thermische und Schmutzbelastungen aufweist.
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Demgemäß werden eine elektromagnetische Stellvorrichtung, eine Nockenwellenanordnung, ein Motor sowie ein Fahrzeug, insbesondere ein Automobil gemäß den unabhängigen Ansprüchen angezeigt. Bevorzugte Ausgestaltungen ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Grundanforderungen für eine elektromagnetische Stellvorrichtung ist dabei, einen Steuerstift bzw. eine Stellvorrichtung mehrere Millimeter stabil auszufahren, wobei die Rückstellung des Steuerstiftes über die Nockenwelle selbst erfolgen kann. Der Steuerstift bzw. das Stellelement soll somit in der eingefahrenen Position bzw. der ersten Position und einer ausgefahrenen Position bzw. einer zweiten Position jeweils stabil und insbesondere ohne äußere Energiezufuhr gehalten werden.
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Die erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung weist damit prinzipbedingt zumindest zwei Positionen, eine erste Position und eine zweite Position, ihres Stellelementes auf, die sich außerhalb der elektromagnetischen Stellvorrichtung dahingehend unterscheiden, dass das Stellelement mit unterschiedlicher Länge aus dem Gehäuse herausragt und durch dieses herausragende Ende einen Stellvorgang ermöglicht. Dabei kann das Stellelement insbesondere in der zweiten Position weiter aus dem Gehäuse herausragen als in der ersten Position. Das Stellelement kann dann z.B. in einer geeigneten Führung auf der Nockenwelle eines Motors eine seitliche Verschiebung einer Nockenwellenkulisse auf einer Rotationsachse ermöglichen.
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Durch diese Verschiebung können unterschiedliche Nockenwellenprofile mit den Ventilen in Überlappung gebracht werden und durch die unterschiedlichen Nockenwellenprofile eine veränderte bzw. variable Ventilsteuerung realisieren. Je nach konstruktiver Ausgestaltung mögen hierbei wenige Millimeter bis Zentimeter Längenunterschied des Stellelementes zwischen den beiden Positionen für die Realisierung einer Ventilsteuerung ausreichen. Erfindungsgemäß ist die elektromagnetische Stellvorrichtung dabei derart ausgestaltet, dass die beiden Positionen, wenn sie jeweils eingenommen sind, ohne weitere Energiezufuhr, insbesondere ohne elektrische Energiezufuhr gehalten werden.
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Die elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung verwendet dabei das Prinzip einer mechanischen Schnellkupplung. Bei einer mechanischen Schnellkupplung werden zwei Elemente miteinander verbunden bzw. verrastet, indem ein Verriegelungselement eines Elementes in eine geeignete Aussparung bzw. Nut eines weiteren Elementes eingreift. In einem geschlossenen Zustand ist dabei dieser Eingriff formschlüssig, so dass die beiden Elemente nicht gegeneinander bewegt werden können, während in einem zweiten, offenen Zustand der formschlüssige Eingriff des Verriegelungselenmentes in die Nut des weiteren Elementes gelöst wird und diese somit gegeneinander verschoben werden können.
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Dieses Prinzip wird vorliegend auf eine elektromagnetische Stellvorrichtung angewendet. Auch hier ist ein Verriegelungselement bzw. ein Rastelement vorgesehen, das in geeignete Nuten eingreift und durch diesen Eingriff einen Formschluss bereitstellt, so dass zumindest ein Element gegenüber weiteren Elementen unbeweglich ist.
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Vorliegend weist eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung ein Stellelement auf, welches in zwei Positionen, einer ersten Position und einer zweiten Position, angeordnet sein kann. Das Stellelement ragt dabei aus dem Gehäuse einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung heraus, und abhängig von der ersten bzw. zweiten Position des Stellelementes weist dieser Herausstand eine unterschiedliche Größe auf. Exemplarisch kann in einer Anordnung in der zweiten Position das Stellelement weiter aus dem Gehäuse herausragen als in einer ersten Position.
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Das Stellelement kann geeignete Formschlussmittel aufweisen wie beispielsweise eine Nut, in welche ein Rastelement derart eingreift, dass eine Verschiebung des Stellelementes unterbunden wird. Erfindungsgemäß ist ein Federelement vorgesehen, welches, die freie Beweglichkeit des Stellelementes vorausgesetzt, das Stellelement von seiner ersten Position in die zweite Position verschieben kann bzw. möchte. Eine Rastanordnung mit zumindest einem Rastelement ist jedoch derart vorgesehen, dass in einem verrasteten Zustand, welcher in der ersten Position eingenommen werden kann, ein Formschluss auftritt und so ein Verschieben des Stellelementes aus der ersten Position heraus unterbunden wird.
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Wird nun die Rastanordnung betätigt, so wird dabei dem Rastelement ermöglicht, den Formschluss zwischen Rastelement und Stellelement zu lösen und damit eine Verschiebbarkeit des Stellelementes zu realisieren. Um eine Betätigung der Rastanordnung zu realisieren, wird erfindungsgemäß ein Entriegelungsmechanismus bereitgestellt, der über ein Spulenelement die Rastanordnung derart beeinflussen kann, so dass das Rastelement ausrastet bzw. seinen Formschluss mit dem Stellelement löst. Bei einer kurzzeitigen Bestromung des Spulenelementes wird somit der Entriegelungsmechanismus derart betätigt, dass der Formschluss der Rastanordnung mit dem Stellelement gelöst und dieses verschiebbar wird.
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Durch den gelösten Formschluss vermag ein Federelement nachfolgend das Stellelement aus der ersten in die zweite Position zu verschieben. Geeignete Anschlagmittel können vorgesehen sein, welche verhindern, dass das Stellelement über die zweite Position hinaus verschoben wird und möglicherweise aus der elektromagnetischen Stellvorrichtung hinausgleitet, Einen solchen Anschlag mag auch die Nockenwelle selbst bereitstellen, z.B. dadurch, dass das Stellelement in der zweiten Position (auch) an einem Element der Nockenwelle ansteht. Ein Transport mag insbesondere mit dem Stellelement in der ersten Position erfolgen.
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Die Rastanordnung kann dabei derart ausgebildet sein, so dass, sobald das Stellelement die erste Position verlassen hat, ein Wiedereinrasten des Stellelementes verhindert wird bzw. dieses erst wieder bzw. ausschließlich in der ersten Position erfolgen kann.
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Gleichfalls kann das Stellelement vergleichbar mit der Nut der ersten Position zumindest eine weitere Nut aufweisen, in welcher das Stellelement beispielsweise in einer weiteren bzw. der zweiten Position formschlüssig festlegbar ist. Dies ist jedoch als Sonderfall zu betrachten, allgemein ist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung derart ausgebildet, dass das Stellelement in der ersten Position einen Formschluss ausbildet und damit vor einer Verschiebung gesichert ist, während das Stellelement in der zweiten Position keinen Formschluss des Stellelementes ausbildet, so dass das Stellelement in dieser Position durch eine auf das Stellelement wirkende Zug- oder Schubkraft bewegt, insbesondere in die erste Position zurückgeführt werden mag.
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Der Formschluss der Rastanordnung kompensiert bzw. blockiert dabei die Kraft des Federelementes, das das Stellelement in Richtung der zweiten Position bewegen möchte. In anderen Worten wird dadurch die (versuchte) Bewegung mit einer Gegenkraft aufgehoben bzw. eine Sperrkraft bereitgestellt, welche die Bewegung in die zweite Position unterbindet.
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Ausführungsformen sind in den Figuren dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.
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Es zeigen
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1a, b eine exemplarische Ausgestaltung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung in der ersten Position gemäß der vorliegenden Erfindung, und
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2a, b eine exemplarische Ausgestaltung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung in der zweiten Position gemäß der vorliegenden Erfindung.
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Weiter Bezug nehmend auf 1a, b wird eine exemplarische Ausgestaltung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung in der ersten Position gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt.
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Die elektromagnetische Stellvorrichtung 20 weist ein Stellelement 8 auf, das unter Verwendung eines Federelementes 5 in die Steuergeometrie einer Nockenwelle ausfahrbar ist. Durch die Steuergeometrie lässt sich insbesondere bei einer Rotation der Nockenwelle ein auf der Welle gelagertes Kulissenelement seitlich verschieben und somit ein anderes Nockenwellenprofil an die Ventilsteuerung anlegen.
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Ein Ausfahren des Stellelementes 8 erfolgt dabei unter Verwendung eines Entriegelungsmechanismus, welcher auf eine Rastanordnung 9 wirkt, die in der ersten Position einen Formschluss mit dem Stellelement 8 realisiert und somit (zunächst, in einem Ruhezustand) dessen Verschieben in die zweite Position verhindert.
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Ein Entriegeln der Rastanordnung 9 und somit ein Lösen des Formschlusses des Rastelementes 14 von Stellelement 8 erfolgt durch Bestromen eines Spulenelementes 1. Der magnetische Fluss läuft dabei exemplarisch über Gehäuse 2 zu Polelement 4. Ein Hülsenelement 13 mit einem daran befestigten Ankerelement 7 erfährt dadurch eine magnetische Anziehungskraft Fm, welche einer Federkraft FF2 des Federelementes 10 entgegenwirkt, insbesondere größer ist als diese, und somit das Hülsenelement 13 sowie das Ankerelement 7 anzieht. Dadurch erfolgt ein Lösen der Rastelemente 14 bzw. deren Formschluss mit dem Stellelement 8, so dass dieses bewegbar wird.
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Das Ankerelement 7 ist dabei auf dem Stellelement 8 beweglich gelagert, wobei das Hülsenelement 13 mit dem Ankerelement 7 fest verbunden ist. Somit bewegt sich mit dem Ankerelement 7 auch das Hülsenelement 13 in Richtung des Polelementes 4, so dass die Aussparung bzw. Nut 16 mit Rastelement 14, exemplarisch ausgebildet als Kugelelemente, zusammenwirkt bzw. über diesen zu liegen kommt. Dadurch kann über die auf das Stellelement 8 aufgebrachte Federkraft FF1 des Federelementes 5 das Rastelement aus einer Aussparung bzw. Nut 15 des Stellelementes in Richtung der Aussparung 16 verschoben werden, wodurch sich der Formschluss des Rastelementes mit dem Stellelement 8 löst. Nun kann Federelement 5 das Stellelement 8 von der ersten Position in Richtung der zweiten Position bewegen, da die Rastelemente 14 aus Nut 15 des Stellelementes 8 nach außen in die Nut 16 des Hülsenelementes 13 gedrückt werden. Bodenscheibe 12 schließt und insbesondere dichtet das Innere des Gehäuses 2 der Stellvorrichtung 20 zur Nockenwelle und damit zum Motor der Fahrzeuges hin ab.
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2a, b zeigen die erfindungsgemäße Anordnung der elektromagnetischen Stellvorrichtung in der zweiten, nicht formschlüssig festgelegten Position, in der eine geeignete Nockenwelle das Stellelement wieder in Richtung der ersten Position verschieben mag.
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Sobald Stellelement 8, zumindest über eine Nutbreite, ausgefahren ist, kann die Bestromung des Spulenelementes 1 entfallen. Die Rastelemente 14 sind nun in den Querbohrungen 17 eines Trägerhülsenelementes 11 gelagert bzw. gehaltert. Gleichzeitig ragen sie (teilweise) in die Nut 16 des Hülsenelementes 13 und halten dieses in der dem Polelement 4 zugewandten Position. Somit verbleiben Ankerelement 7 und Schiebehülse 13 auch nach Abschalten der Energiezufuhr des Spulenelementes 1 in derjenigen Position, welche sie zum Lösen des Formschlusses des Rastelementes 14 mit dem Stellelement 8 eingenommen haben.
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Die Federkraft FF2 des Federelementes 10 ist dabei eingerichtet, insbesondere nach Aussetzen der Bestromung des Spulenelementes 1, Schiebehülse 13 zusammen mit Ankerelement 7 zu verschieben, in 1a nach rechts zu drücken. Hierdurch erhält das Rastelement 14 aufgrund der geschrägten Ausgestaltung der Nut(en) 16 zumindest teilweise eine nach innen zum Stellelement 8 gerichtete Teilkraft, so dass, in dem Moment, in dem Nut 15 des Stellelementes 8 wieder in den Bereich des Rastelementes 14 kommt, Rastelementes 14 in Richtung Nut 15 bewegt wird und den Formschluss wieder herstellt.
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Dies erfolgt z.B. dadurch, dass die Nockenwelle nach Abschluss eines Steuervorgangs das Stellelement 8 wieder zurück in Richtung des Polelementes 4 und damit in die Ausgangsstellung bzw. die erste Position zurück verschiebt. Nun kommt die Nut 15 des Stellelements unter dem Rastelement 14 zu liegen und die Ankerfeder 10 schiebt Ankerelement 7 und Schiebehülse 13 in die dem Pol abgewandte Lage. Damit fixieren die Rastelemente 14 das Stellelement 8 wiederum formschlüssig in der eingefahrenen bzw. ersten Position, da sie von dem Hülsenelement 13 radial abgestützt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10240774 B4 [0005]
- EP 1421591 B1 [0005]
