DE102014109124A1

DE102014109124A1 - Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102014109124A1
Application number: DE102014109124.8A
Authority: DE
Inventors: Suzuki Tsuneo; Pedro Marull-Kessler; Wolfram Maiwald; Dominik Halder; Harald Burkart
Original assignee: Kendrion Villingen GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2014-06-30
Filing date: 2014-06-30
Publication date: 2015-12-31
Anticipated expiration: 2034-07-01
Also published as: JP2017520714A; RU2017102683A; CN106471589B; US10290410B2; EP3161839A1; BR112016029502A2; WO2016001254A1; ES2682420T3; DE102014109124B4; HUE038825T2; CN106471589A; EP3161839B1; US20180144855A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) mit einer durch Bestromung einer stationären Spuleneinheit (20) relativ zu einem Polkern (30) bewegbaren und einen Ankerstößel (44) aufweisenden Ankereinheit (40) sowie mit einer Permanentmagneteinheit (60), durch welche die Ankereinheit (40) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (20) in einer Ruheposition gehalten ist, und mit einer Federeinrichtung (70) zwischen Polkern (30) und Ankereinheit (40), um die Ankereinheit (40) axial vom Polkern (30) wegzudrücken, wobei die Federkraft der Federeinrichtung (70) kleiner dimensioniert ist als die Haltekraft der Permanentmagneteinheit (60) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (20). Dabei ist die Erfindung durch folgende Merkmale gekennzeichnet: – die Permanentmagneteinheit (60) ist zwischen einem Gehäusedeckel (12) und dem Polkern (30) feststehend angeordnet, – der Ankerstößel (44) ist drehbar angeordnet, und – die Federeinrichtung (70) stützt sich an einem Teil der Ankereinheit (40) ab, welches drehfest angeordnet ist. Vorteil: schnell schaltend

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung mit einer durch Bestromung einer stationären Spuleneinheit relativ zu einem Polkern bewegbaren und einen Ankerstößel aufweisenden Ankereinheit sowie mit einer Permanentmagneteinheit, durch welche die Ankereinheit im unbestromten Zustand der Spuleneinheit in einer Ruheposition gehalten ist.
Eine solche elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung ist beispielsweise aus DE 20 2011 052 220 U1 bekannt. Die Permanentmagneteinheit weist dort einen scheibenförmigen Permanentmagneten auf, der zwischen einer ersten und einer zweiten magnetisch leitenden Polscheibe aufgenommen ist. Die beiden Polscheiben sind dabei mit dem Ankerstößel verschweißt. Das aus dem Gehäuse der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung herausragende Ende des Ankerstößels greift in eine umfangsseitige Nut einer auf einer Nockenwelle verstellbaren Nocke ein. Bei Bestromung der Spule der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung wird der Stößel in Richtung Nockenwelle geschoben und von der Nockenwelle beim Drehen wieder zurückgesetzt. Diese elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung verfügt über keine Federeinrichtung.
Eine andere elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung beschreibt die EP 2 252 774 B1 , welche ebenfalls an der Stirnseite einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors platziert ist und als Reaktion auf eine Bestromung der stationären Spuleneinheit sowie durch das dadurch bewirkte Bewegen der Ankereinheit beziehungsweise des zugehörenden Ankerstößels eine Axialbewegung der Nockenwellenverstellung bewirkt. Die dortige Jocheinheit ist dabei relativ zur Spuleneinheit verdrehbar gelagert. Die Ankereinheit mit dem Ankerstößel ist dagegen in der drehbaren Joch- und Kerneinheit feststehend angeordnet. Damit kann insgesamt die Ankereinheit samt umgebender Jocheinheit mit der Nockenwelle rotieren.
Schließlich beschreibt auch die EP 1 421 591 B1 eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung. Dort ist ebenfalls eine Permanentmagnetscheibe zwischen zwei Polscheiben vorgesehen, welche wiederum fest mit der Ankereinheit beziehungsweise dem Ankerstößel verbunden ist. Die Permanentmagneteinheit sorgt in Ruhestellung, das heißt bei nicht bestromter Spule, dafür, dass die Ankereinheit am Polkern festgehalten ist. Erst eine Strombeaufschlagung der Spule erzeugt ein Magnetfeld, welches dem Feld der Permanentmagnetscheiben entgegenwirkt und die Ankereinheit durch eine Federkraft unterstützt vom Polkern abgestoßen wird. Hierfür ist eine Spiralfeder vorgesehen, deren Federkraft kleiner dimensioniert ist als die Haltekraft der Permanentmagnetscheibe im unbestromten Zustand der Spuleneinheit. Sobald die Federkraft der Spiralfeder stärker ist als eine Anziehungs- beziehungsweise Rückhaltekraft der Permanentmagnetscheibe, kann eine Strombeaufschlagung der Spule entfallen und die Anordnung wird im ausgefahrenen Zustand des Ankerstößels gehalten, ohne dass es einer weiteren Stromzufuhr zur Spule bedarf.
Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine weitere elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung vorzuschlagen, die einfach herzustellen ist und trotzdem sehr schnelle Schaltzeiten, insbesondere Schaltzeiten von kleiner drei Millisekunden, erlaubt.
Dieses Ziel wird durch eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
Für die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung nach der Erfindung ist dabei wesentlich, dass die Permanentmagneteinheit zwischen einem Gehäusedeckel und dem Polkern der elektromagnetischen Antriebseinheit feststehend angeordnet ist. Zusätzlich ist der Ankerstößel der Ankereinheit drehbar angeordnet, wobei sich die Federeinrichtung an einem Teil der Ankereinheit, welches drehfest angeordnet ist, abstützt.
Eine solche elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung zeichnet sich durch einen sehr kompakten Aufbau aus und durch sehr konstante Schaltzeiten, die unterhalb drei Millisekunden liegen können. Besonders vorteilhaft ist dabei die feststehende Anordnung des Permanentmagneten zwischen Gehäusedeckel und Polkern. Dies vereinfacht den Aufbau der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung, da der Permanentmagnet ohne irgendwelche Lager- oder Führungsbuchsen verbaut werden kann.
In einer Weiterbildung der Erfindung ist die Ankereinheit als topfförmiger Anker ausgebildet, dessen Boden eine Öffnung aufweist, durch welche der Ankerstößel greift. Dabei ist vorzugsweise der Ankerstößel im Anker drehbar angeordnet. Eine solche drehbare Anordnung des Ankerstößels im oder am Anker hat den Vorteil, dass der Anker selbst lediglich axial verschiebbar, jedoch drehfest, in der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung angeordnet werden kann.
Die Ankereinheit beziehungsweise der Anker kann dabei gemäß einer Weiterbildung der Erfindung in einer Führungsbuchse axial beweglich, jedoch verdrehfest, geführt sein. Eine solche Verdrehfestigkeit kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass die Führungsbuchse auf ihrer der Ankereinheit zugewandten Seite und die Ankereinheit auf ihrer der Führungsbuchse zugewandten Seite über eine Nut-Feder-Führung, die sich entlang der Mittenachse der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung erstreckt, verfügt.
Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ragt der Ankerstößel durch den Boden des topfförmig ausgebildeten Ankers und wird auf der Innenseite des Ankers am Boden von einer Haltescheibe umgriffen und dort festgelegt, vorzugsweise so, dass sich der Ankerstößel weiterhin in dem Anker und in der Öffnung der Haltescheibe verdrehen kann.
Die erfindungsgemäß vorgesehene Federeinrichtung zur kraftmäßigen Unterstützung der Bewegung der Ankereinheit in Richtung Nockenwelle stützt sich mit ihrem einen Ende an einer geeigneten Fläche innerhalb der Nockenwellenverstelleinrichtung, beispielsweise am Gehäusedeckel, ab und mit ihrem entgegengesetzten, der Nockenwelle zugewandten Ende an der Ankereinheit. Vorzugsweise stützt sich dabei die Federeinrichtung mit einem Ende am Boden des topfförmig ausgebildeten Ankers ab. Dies hat den Vorteil, dass sich die Federeinrichtung an ihren beiden Enden an Flächen abstützt, die nicht drehen, sodass auch kein Abrieb an den Abstützflächen der Federeinrichtung erfolgt. Deshalb ist in einer Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die oben erwähnte Haltescheibe einen kleineren Durchmesser aufweist als die vorzugsweise als Spiralfeder ausgebildete Federeinrichtung. Hierdurch kann sich das vordere Ende der Federeinrichtung am Boden des Ankers der Ankereinheit abstützen.
Die erfindungsgemäße elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung wird nachfolgend im Zusammenhang mit Figuren anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung in Ruhestellung bei nicht bestromter Spule,
2 die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung von 1 bei ausgefahrenem Ankerstößel, und
3 die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung der 1 und 2 im sich zurückbewegenden Zustand, wenn die Nockenwelle auf den Ankerstößel drückt.
In den nachfolgenden Figuren bezeichnen, sofern nicht anders angegeben, gleiche Bezugszeichen gleiche Teile mit gleicher Bedeutung.
1 zeigt eine elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung 10 mit einer Mittenachse X. Die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung 10 weist ein topfförmiges Gehäuse 11 auf mit einer darin rotationssymmetrisch zur Mittenachse X sitzenden Erregerspule 22 einer Spuleneinheit 20. Die Erregerspule 22 der Spuleneinheit 20 sitzt auf einem Spulenträgerkörper 23. Das Gehäuse 11 ist an seiner in 1 oben dargestellten Seite von einem Deckel 12 verschlossen. An seiner unteren Seite verfügt das Gehäuse 11 über eine Öffnung 13, in welcher ein Adapterelement 14 sitzt mit einer zentrischen Öffnung, durch welche in noch zu erläuternder Art und Weise ein Stellelement ragt zum Verstellen einer Nockenwelle 80, indem dieses Stellelement in eine Nockenwellennut 82 der Nockenwelle 80 eingreift.
Das Adapterelement 14 durchgreift einen Flansch 100. Auf diesem Flansch 100 sitzt das Gehäuse 11 der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung 10 auf.
Im Inneren der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung 10 sitzt ein Polkern 30 beabstandet zur in das Innere der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung 10 zeigenden Fläche des Deckels 12. Dieser Polkern 30 ist zur Nockenwelle 80 hin gerichtet mit einer sich konisch verjüngenden Umfangsfläche ausgebildet zum Bereitstellen eines an sich bekannten Steuerkonus. Zwischen dem Polkern 30 und dem Deckel 12 ist eine Permanentmagneteinheit 60 in Form einer Permanentmagnetscheibe angeordnet. Dabei sind der Deckel 12, die Permanentmagneteinheit 60 und der Polkern 30 feststehend und zueinander vorzugsweise spaltfrei innerhalb des Gehäuses 11 platziert.
Wie aus 1 ersichtlich, sind sowohl der Polkern 30 als auch die Permanentmagnetscheibe 60 ringförmig gestaltet und weisen eine mittige Öffnung auf, durch welche eine Federeinrichtung 70, vorliegend eine Spiralfeder, greift. Die Spiralfeder 70 ist dabei zentrisch zur Mittenachse X ausgerichtet und stützt sich an ihrem in 1 oben dargestellten Ende in einer ringförmigen Nut 12a des Deckels 12 ab. Mit ihrem gegenüberliegenden Ende stützt sich die Spiralfeder 70 am Boden 42 eines topfförmigen Ankers 41 ab. Vom Boden 42 des Ankers 41 erstreckt sich nach oben und die Spiralfeder 70 umgreifend eine umlaufende Wandung 43 des Ankers 41. Der Boden 42 des Ankers 41 verfügt über eine Öffnung 46, durch welche das obere Ende eines Ankerstößels 44 hindurchragt. Dieser Ankerstößel 44 bildet das zuvor erwähnte Stellelement für die Nockenwelle 80. Der Ankerstößel 44 ist an seinem durch den Boden 42 des Ankers 41 ragenden Ende von einer Haltescheibe 45 umgriffen und von dieser am Anker 41 festgelegt. Dieses Festlegen wird durch die Haltescheibe 45 dadurch erreicht, dass diese in eine umlaufende Nut am oberen Ende des Ankerstößels 44 ähnlich eines Sicherungsringes eingreift und am unteren Ende des Bodens 42 des Ankers 41 mit einem ringförmig hervorspringenden Flansch 44a des Ankerstößels 44 zusammenwirkt.
Der Anker 41 mit seinem Boden 42 und der Wandung 43 bildet zusammen mit dem Ankerstößel 44 eine Ankereinheit 40. Die gesamte Ankereinheit 40, also der Anker 41 und der Ankerstößel 44, sind in Axialrichtung der Mittenachse X axial beweglich. Dies bedeutet, dass bei einer Axialbewegung des Ankers 41 der am Anker axial festgelegte Ankerstößel 44 mitbewegt wird. Hierfür sitzt der Anker 41 in einer Führungsbuchse 47, die es erlaubt, den Anker 41 axial zu bewegen. Allerdings ist der Anker 41 – anders als der Ankerstößel 44 – innerhalb dieser Führungsbuchse 47 nicht verdrehbar. Hierfür kann beispielsweise eine geeignete Nut-Feder-Verbindung vorgesehen werden. So kann die Führungsbuchse 47 beispielsweise eine entlang der Mittenachse X parallel verlaufende Längsnut aufweisen, in die ein entlang der Mittenachse X ebenfalls parallel verlaufender hervorspringender Längssteg an der umlaufenden Wandung 43 des Ankers 41 eingreift. Der besseren Übersichtlichkeit ist eine solche Nut-Feder-Verbindung zwischen Anker 41 und Führungsbuchse 47 in 1 nicht dargestellt.
Während also der Anker 41 zwar axial entlang der Mittenachse X verschiebbar, jedoch nicht verdrehbar, angeordnet ist, ist eine solche Verdrehung des Ankerstößels 44 erlaubt und auch ausdrücklich vorgesehen. Hierfür ist der Ankerstößel 44 in der Öffnung 46 im Boden 42 des Ankers 41 verdrehbar platziert. Eine solche verdrehbare Platzierung des Ankerstößels 44 kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass ein gewisses Spiel zwischen der Öffnung 46 des Ankers 41 und dem Ankerstößel 44 einerseits sowie zwischen dem Abstand der Haltescheibe 45 und dem Flansch 44a vorgesehen wird.
Der Vollständigkeit halber ist im Zusammenhang mit der Darstellung von 1 noch ein flanschförmiges Jochteil 32 zu erwähnen, welches feststehend innerhalb des Gehäuses 11 der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung 10 platziert ist und das magnetische Gegenstück zum Polkern 30 darstellt. Der Polkern 30 und das Jochteil 32 sind vorzugsweise an einer weiteren Hülse 36 festgelegt, beispielsweise durch Verschweißen. Zusätzlich sind sowohl der Deckel 12 als auch das Jochteil 32 über Dichtungsringe 37, 38 gegenüber der Hülse 36 abgedichtet.
Eine solche elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung 10, wie sie in 1 dargestellt ist, arbeitet folgendermaßen. Dabei wird auch auf die Darstellungen der 2 und 3 Bezug genommen, die die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung 10 in jeweils anderen, noch zu erläuternden Betriebszuständen zeigt. Die bekannten Bezugszeichen sind jedoch die gleichen.
1 zeigt die elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung im Ruhezustand, d. h. bei nicht bestromter Erregerspule 22. Dabei ist angenommen, dass sich der Ankerstößel 44 zunächst in seiner obersten Stellung befindet. In diesem Zustand ist aufgrund der Permanentmagneteinheit 60 ein magnetischer Kraftfluss bereitgestellt, der die Ankereinheit 40 an den Polkern 30 herangezogen hält. Dabei ist wesentlich, dass die Federeinrichtung 70, also die vorgesehene Spiralfeder im Ausführungsbeispiel eine Federkraft hat, die kleiner dimensioniert ist als die Haltekraft der Permanentmagneteinheit 60 im unbestromten Zustand der Erregerspule 22.
Wird im nächsten Schritt die Erregerspule 22 von Strom durchflossen derart, dass die hierdurch bewirkte Kraft der Kraft der Permanentmagneteinheit 60 entgegen gerichtet ist, wird die Kraft der Permanentmagneteinheit 60 minimiert bzw. aufgehoben, so dass die Federkraft der Federeinrichtung 70 ausreicht, den Anker 41 am Ankerstößel 44 wegzudrücken. Bei entsprechender Bestromung der Erregerspule 22 kann dies so schnell geschehen, dass innerhalb von weniger als 3 msec ein Wegdrücken des Ankerstößels 44 möglich ist, um in die Nockenwellennut 82 der Nockenwelle 80 einzugreifen und diese entsprechend zu verstellen. Die Kraft der Permanentmagneteinheit 60 reicht in der in 2 maximal ausgefahrenen Stellung des Ankerstößels 44 dann nicht mehr aus, um den Anker 41 zurückzuholen.
Dieses Zurückholen wird erst dadurch möglich, dass die Nockenwellennut 82 der Nockenwelle 80 den Ankerstößel 44 wieder zurückdrückt, wie dies in 3 dargestellt ist. Sobald der Anker 41 nahe genug an den Polkern 30 heranreicht, wird über den Permanentmagneten 60 der Kraftfluss so groß, dass der Anker in seine Ruhestellung weiter zurückgezogen wird bis dieser wieder seine Ruhestellung gemäß 1 erreicht hat.
Bezugszeichenliste

10: elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung
11: Gehäuse
12: Deckel
12a: Nut
13: Öffnung
14: Adapterelement
20: stationäre Spuleneinheit
22: Eingangsspule
23: Spulenträgerkörper
30: Polkern
32: Jochteil
36: Hülse
37: Dichtungsring
38: Dichtungsring
40: Ankereinheit
41: Anker
42: Boden
43: Wandung
44: Ankerstößel
44a: Flansch
45: Haltescheibe
46: Öffnung
47: Führungsbuchse
48: ringförmiger Flansch
49: Spalt
50: Führungsbuchse
52: Flansch
60: Permanentmagneteinheit
70: Federeinrichtung
80: Nockenwelle
82: Nockenwellennut
100: Flansch
X: Mittenachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 202011052220 U1 [0002]
EP 2252774 B1 [0003]
EP 1421591 B1 [0004]

Claims

Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) mit einer durch Bestromung einer stationären Spuleneinheit (20) relativ zu einem Polkern (30) bewegbaren und einen Ankerstößel (44) aufweisenden Ankereinheit (40) sowie mit einer Permanentmagneteinheit (60), durch welche die Ankereinheit (40) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (20) in einer Ruheposition gehalten ist, und mit einer Federeinrichtung (70) zwischen Polkern (30) und Ankereinheit (40), um die Ankereinheit (40) axial vom Polkern (30) wegzudrücken, wobei die Federkraft der Federeinrichtung (70) kleiner dimensioniert ist als die Haltekraft der Permanentmagneteinheit (60) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (20), gekennzeichnet durch folgende Merkmale: – die Permanentmagneteinheit (60) ist zwischen einem Gehäusedeckel (12) und dem Polkern (30) feststehend angeordnet, – der Ankerstößel (44) ist drehbar angeordnet, und – die Federeinrichtung (70) stützt sich an einem Teil der Ankereinheit (40) ab, welches drehfest angeordnet ist.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit (40) einen topfförmigen Anker (41) aufweist, in dessen Boden (42) eine Öffnung (46) angeordnet ist, durch welche der Ankerstößel (44) greift.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Federeinrichtung (70) eine Druckfeder ist, welche sich im Boden (42) des Ankers (41) abstützt.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Ankereinheit (40) in einer Führungsbuchse (47) axial beweglich angeordnet ist, und dass die Ankereinheit (40) in dieser Führungsbuchse (47) verdrehfest geführt ist.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Polkern (30) und Ankereinheit (40) ein Spalt (49) angeordnet ist, der zu einer Mittenachse (X) der elektromagnetischen Nockenwellenverstelleinrichtung (10) hin vergrößert ausgebildet ist.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (30) und eine Jocheinheit (32) über eine Hülse (36) feststehend miteinander verbunden sind.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Polkern (30) und die Jocheinheit (32) mit der Hülse (36) verschweißt sind.
Elektromagnetische Nockenwellenverstelleinrichtung (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Ankerstößel (44) im Boden (42) des topfförmigen Ankers (41) von einer Haltescheibe (45) umgriffen und festgelegt ist.