DE102016124010A1

DE102016124010A1 - Zentralventil mit Gleitlager aus Kunststoff und Nockenwellenversteller mit Zentralventil

Info

Publication number: DE102016124010A1
Application number: DE102016124010.9A
Authority: DE
Inventors: Jens Hoppe; Markus Kinscher
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-12-12
Filing date: 2016-12-12
Publication date: 2018-06-14

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Zentralmagnet (1) zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers, mit einer Spule (2), die derart von einem elektrischen Strom durchfließbar ist, dass sie ein Magnetfeld induziert, das eine Axialbewegung eines Stößels (3), der radial innerhalb der Spule (2) angeordnet ist, hervorruft, wobei der Stößel (3) von einem Gleitlager (4), das auf einem mit der Spule (2) fest verbundenen Lageraufnahmeteil (5) angeordnet ist, geführt ist, wobei das Gleitlager (4) als Kunststoffbauteil ausgeformt ist. Die Erfindung betrifft ebenso einen Nockenwellenversteller, in dem ein solcher Zentralmagnet ausgestaltet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Zentralmagnet zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers, mit einer Spule, die derart von einem elektrischen Strom durchfließbar ist, dass sie ein Magnetfeld induziert. Das Magnetfeld wiederum ruft eine Axialbewegung eines Stößels, der radial innerhalb der Spule angeordnet ist, hervor bzw. erzwingt jene Axialbewegung. Der Stößel ist von einem Gleitlager, das auf einem mit der Spule fest verbundenen Lageraufnahmeteil angeordnet ist, geführt.
Die Erfindung betrifft weiterhin einen Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps. Dieser ist für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug vorbereitet und weist einen Stator und einen zu diesem rotierbar angeordneten Rotor auf. Weiterhin ist in dem Nockenwellenversteller ein Zentralmagnet angeordnet, der derart auf ein Zentralventil einwirkt, dass der Rotor relativ zum Stator einstellbar ist. Dieses Funktionsprinzip ist aus dem Stand der Technik bekannt.
So offenbart etwa die deutsche Patentanmeldung DE 10 2014 222 589 A1 einen gattungsgemäßen Nockenwellenversteller. Ein von einem Hubmagneten axial verlagerbarer Stößel steht hierbei derart mit einem Zentralventil in Interaktion, dass Fluidkammern, die zwischen einem Rotor und einem Stator ausgebildet werden, je nach Stellung des Stößels von einem Hydraulikmittel geflutet werden oder nicht. Eine Stößellagerung soll hierbei einen möglichst reibungsfreien Verlauf des Stößels in Axialrichtung ermöglichen.
Nachteilig an dem Stand der Technik ist, dass die üblicherweise zur Stößellagerung eingesetzten Gleitlager, die etwa als Compoundgleitlager ausgestaltet sind, aus einer geschlitzten Stahlbuchse, die unter anderem mit Polytetrafluorethylen (PTFE) beschichtet ist, aufgebaut sind. Neben dem PTFE ist die Beschichtung mit Aramid sowie Bronze, das sich bekanntlich größtenteils aus Kupfer zusammensetzt, versetzt.
Nockenwellenversteller sind im Allgemeinen zumindest temporär mit dem in der Antriebseinheit befindlichen Hydraulikmittel in Kontakt. Abhängig von der Qualität des Hydraulikmittels weist dieses mehr oder weniger Schwefel-Radikale auf. Diese Schwefelradikale reagieren mitunter mit dem in der Lagerung vorhandenen Kupfer zu Kupfersulfid bzw. Kupfer(II)-sulfid, CuS, das wiederum ein spröder Feststoff ist.
Das Vorhandensein von Kupfersulfid im Bereich des Zentralmagneten einerseits aber auch überhaupt in der Antriebseinheit eines Kraftfahrzeugs erhöht die Reibung zwischen sich relativ bewegenden Komponenten. Dies zieht mehrere Nachteile nach sich. Zum einen ist die Magnetkrafthysterese erhöht, was die Effizienz des Zentralmagneten senkt. Weiterhin erhöhen jene CuS-Partikel den Wärmeeintrag in der Antriebseinheit, was zu weiteren unerwünschten Effekten führt. Zusätzlich nachteilig ist, dass die Lebensdauer der einzelnen Komponenten durch das sandartig wirkende Kupfersulfid vermindert ist.
Erschwerend kommt überdies hinzu, dass die derzeit eingesetzten Gleitlager einen aufwendigen Kalibrierprozess benötigen, damit zumindest im Ausgangsstadium eine reibungsarme Lagerung ermöglicht ist. Weiterhin ist die Montage der Gleitlager aus dem Stand der Technik mittels einer Übermaßpassung / eines Presssitzes realisiert, was zeit- und somit kostenintensiv ist.
Somit ist es die Aufgabe der Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben und insbesondere eine Vorrichtung zu offenbaren, die einerseits die Effizienz erhöht, andererseits den Montagevorgang vereinfacht und somit die Wirtschaftlichkeit des Zentralmagneten bzw. des Nockenwellenverstellers erhöht.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Gleitlager als Kunststoffbauteil ausgeformt ist. Das Kunststoffbauteil / Polymerbauteil verhindert jegliche Kupfersulfid-Bildung. Ebenso lässt es sich über einen Spritzgießprozess mit dem Lageraufnahmeteil, das vorzugsweise als Magnetpol, etwa als C-Pol ausgestaltet ist, verbinden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn das Gleitlager vollständig von einem Kunststoffmaterial, etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyamidimid (PAI), ausgebildet ist. PTFE ist sehr reaktionsträge und gewährleistet zeitgleich sehr gute Gleiteigenschaften. Polyamidimide wiederum sind amorphe, thermoplastische Hochleistungspolymere, die sich etwa durch ihre hohe Temperaturbeständigkeit auszeichnen. Eine hohe Zähigkeit und Steifigkeit gepaart mit einer niedrigen Wärmeausdehnung sorgen für hohe mechanische Belastbarkeit und dimensionsstabile Bauteile.
Ebenso ist, wie eingangs erwähnt, ein Nockenwellenversteller für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug Teil der Erfindung. Dieser weist neben dem Stator und dem Rotor eine Steuereinheit auf. Zentraler Bestandteil jener Steuereinheit ist der erfindungsgemäße Zentralmagnet.
Vorteilhaft ist es hierbei, wenn das Gleitlager eine Antiklebvorrichtung aufweist, um einem Kontaktieren zwischen einem den Stößel zumindest teilweise umgebenden Anker und dem Lageraufnahmeteil vorzubeugen. Unter der Antiklebvorrichtung wird hierbei ein Bauteil verstanden, das derart zwischen dem magnetisierbaren Anker und dem magnetisierbaren Lageraufnahmeteil, das etwa als Polschuh ausgestaltet ist, angeordnet ist, dass ein magnetisches Kleben vermieden wird. So ist auch bei einem engen Luftspalt zwischen dem Lageraufnahmeteil und dem Anker vermieden, dass diese aneinander haften.
Insbesondere dann, wenn das Gleitlager an seinem dem Zentralventil abgewandten Ende einen inneren Bord aufweist und/oder an seinem dem Zentralventil zugewandten Ende einen äußeren Bord aufweist, folgen weitere Vorteile. Durch die Kunststoffausformung ist somit auch dann, wenn sich der Kunststoff und die metallischen Teile unterschiedlich ausdehnen, ein fester Sitz des Gleitlagers auf dem Aufnahmebauteil realisiert.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform hintergreifen der innere Bord und/oder der äußere Bord das Lageraufnahmeteil kragenartig, um einen Formschluss zu realisieren. So findet etwa ein Einschnappen der jeweiligen Borde um die Kanten des Lageraufnahmebauteils statt, ohne dass das Gleitlager selbst Hinterschnitte aufweist, was sich positiv auf eine wirtschaftliche Fertigung auswirkt.
Sobald der innere Bord die Antiklebvorrichtung darstellt, also realisiert, ist eine kompakte, platzsparende Anordnung realisiert. Dadurch, dass die Antiklebvorrichtung somit nicht mehr von dem Gleitlager separat ist, ist auch die Fertigung wirtschaftlicher.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bord und/oder der äußere Bord integral / einteilig / einmaterialig mit dem verbleibenden Gleitlager ausgestaltet sind. Somit ist die Komplexität in der Lieferkette weiter gesenkt, was einen weiteren Vorteil neben der gestiegenen Zeiteffizient darstellt.
Insbesondere dann, wenn das Gleitlager mittels eines thermoplatischen oder eines duroplastischen Spritzgussverfahrens hergestellt ist, lässt sich die Montage des Gleitlagers vereinfachen. Somit entfallen die bisher üblichen Einpress- sowie Kalibriervorgänge.
Sobald das Gleitlager vollends kupferfrei und/oder bronzefrei ausgestaltet ist, ist einer Kupfersulfidbildung im Bereich des Zentralmagneten vorgebeugt. Somit ist das Risiko der erhöhten Reibung durch die CuS-Partikel ausgeschlossen.
In anderen Worten kann gesagt werden, dass der erfinderische Gedanke etwa darin besteht, dass das bisher übliche Compoundlager, das eingepresst wurde, nun durch eine Lagerung, die mittels eines Kunststoff-Spritzgussverfahrens direkt am Lageraufnahmeteil, etwa dem C-Pol, angeordnet ist.
Somit ist ein formschlüssiger Hinterschnitt realisiert, der auch bei unterschiedlichen thermischen Ausdehnungen zu einem festen Lagersitz führt. Weiterhin sei erwähnt, dass es denkbar ist, das Gleitlager über eine ClipsVerbindung festzusetzen.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels einer Figur näher erläutert. Diese zeigt:

1: einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Zentralmagneten.

Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient ausschließlich dem Verständnis der Erfindung.
1 zeigt einen Zentralmagnet 1. Dieser eignet sich zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers. Hierfür wird in einer Spule 2 von einem elektrischen Strom durchflossen. In 1 wird somit eine Bewegung eines Stößels 3 nach unten induziert. So ist eine Kopfseite 6 des Stößels 3 dazu vorbereitet, mit einem Zentralventil in Kontakt zu gelangen. Jener Kontakt bewirkt, dass eine axiale Bewegung des Stößels 3 auf das Zentralventil übertragen wird. Dieses gibt somit Fluidkanäle frei bzw. blockiert sie, um entsprechende Kammern des Nockenwellenverstellers zu fluten und somit eine Verstellung des Nockenwellenverstellers zu bewirken.
Die Axialbewegung des Stößels 3 wird von einem Gleitlager 4 geführt. Dieses ist auf ein Lageraufnahmeteil 5, das etwa als Polschuh oder sogenannter C-Pol ausgestaltet ist, aufgesetzt und aus einem Kunststoffmaterial ausgeformt. Der Stößel 3 selbst ist amagnetisch ausgeführt. Seine magnetische Interaktion mit der Spule 2 wird über ein Anker 7 bewirkt. Der Anker 7 ist vorzugsweise als Weicheisen ausgestaltet und ist aus einem magnetisierbaren Material zusammengesetzt. Der Anker 7 ist fest mit dem Stößel 3 verbunden. Eine Ölausgleichsbohrung 8 ist in ihm vorgesehen, um ein effiziente Ölversorgung zu garantieren.
An dem von dem Gleitlager 4 abgewandten Teil der Ölausgleichsbohrung 8 ist eine Gleithülse 9 vorgesehen. Diese vervollständigt die Gleitlagerung zusammen mit dem Gleitlager 4 und ist gehäusefest ausgestaltet.
Der Anker 7 ist von einem Joch 10 geführt. Sobald der Stößel 3 ausrückt, ist der Anker 7 neben dem Joch 10 auch mit dem Lageraufnahmeteil 5 in Kontakt. Zwischen dem Lageraufnahmeteil 5 und dem Anker 7 ist ein Luftspalt 11 ausgebildet. Damit der Luftspalt 11 auch bei einer Annäherung des Ankers 7 auf das Lageraufnahmeteil 5 nicht vollends geschlossen ist, was aufgrund des exponentiellen Zusammenhangs zwischen der Spaltbreite und der Magnetkraft zu befürchten ist, ist eine Antiklebvorrichtung 12 angeordnet.
In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Antiklebvorrichtung 12 integral mit einem inneren Bord 13 realisiert. Der innere Bord 13 ist ebenso wie ein äußerer Bord 14 radial abstehend von der restlichen Hülse des Gleitlagers 4 ausgeformt. Jene Kragenform gewährleistet den erfindungsgemäßen Formschluss.
Bezugszeichenliste

1: Zentralmagnet
2: Spule
3: Stößel
4: Gleitlager
5: Lageraufnahmeteil
6: Kopfseite
7: Anker
8: Ölausgleichsbohrung
9: Gleithülse
10: Joch
11: Luftspalt
12: Antiklebvorrichtung
13: innerer Bord
14: äußerer Bord

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 102014222589 A1 [0003]

Claims

Zentralmagnet (1) zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers, mit einer Spule (2), die derart von einem elektrischen Strom durchfließbar ist, dass sie ein Magnetfeld induziert, das eine Axialbewegung eines Stößels (3), der radial innerhalb der Spule (2) angeordnet ist, hervorruft, wobei der Stößel (3) von einem Gleitlager (4), das auf einem mit der Spule (2) fest verbundenen Lageraufnahmeteil (5) angeordnet ist, geführt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) als Kunststoffspritzgussbauteil in das Lageraufnahmebauteil (5) integriert ist.
Zentralmagnet (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) vollständig von einem Kunststoffmaterial, etwa Polytetrafluorethylen (PTFE) und/oder Polyamidimid (PAI), ausgebildet ist.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) eine Antiklebvorrichtung (12) aufweist, um einem Kontaktieren zwischen einem den Stößel (3) zumindest teilweise umgebenden Anker (7) und dem Lageraufnahmeteil (5) vorzubeugen.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) an seinem einem Zentralventil eines Nockenwellenverstellers abgewandten Ende einen inneren Bord (13) aufweist und/oder an seinem dem Zentralventil zugewandten Ende einen äußeren Bord (14) aufweist.
Zentralmagnet (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bord (13) und/oder der äußere Bord (14) das Lageraufnahmeteil (5) kragenartig hintergreifen, um einen Formschluss zu realisieren.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bord (13) die Antiklebvorrichtung (12) darstellt.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der innere Bord (13) und/oder der äußere Bord (14) integral / einteilig / einmaterialig mit dem verbleibenden Gleitlager (4) ausgestaltet sind.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) mittels eines thermoplastischen oder eines duroplastischen Spritzgussverfahrens hergestellt ist.
Zentralmagnet (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (4) kupferfrei ausgestaltet ist, um einer Kupfersulfidbildung im Bereich des Zentralmagneten (1) vorzubeugen.
Nockenwellenversteller für den Einsatz in einem Kraftfahrzeug, mit einem Stator und einem zu diesem rotierbar angeordneten Rotor, sowie mit einem Zentralmagnet (1) nach einem der Patentansprüche 1 bis 9, der derart auf ein Zentralventil einwirkt, dass der Rotor relativ zum Stator einstellbar ist.