DE102017121723A1

DE102017121723A1 - Elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102017121723A1
Application number: DE102017121723.1A
Authority: DE
Inventors: Tsuneo Suzuki; Michael Tischtschenko; Andreas Kammerer
Original assignee: Kendrion Villingen GmbH
Current assignee: Kendrion Villingen GmbH
Priority date: 2017-09-19
Filing date: 2017-09-19
Publication date: 2019-03-21
Anticipated expiration: 2037-09-20
Also published as: DE102017121723B4

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors, umfassend eine bestrombare Spuleneinheit (46), mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse (L) der Stellvorrichtung (10) bewegbar gelagerter Anker (26) relativ zu einem Polkern (48) zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist, einen mit dem Anker (26) zusammenwirkenden und entlang der Längsachse (L) bewegbar gelagerten Stößel (24) mit einem freien Ende (28), mit welchem der Stößel (24) in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, einen Adapter (18), mit welchem die Stellvorrichtung (10) an einem Bauteil, insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, und zumindest einen Lagerabschnitt (22) zum Lagern des Stößels (24) oder des Ankers (26), wobei der zumindest eine Lagerabschnitt (22) ein Gleitlager (25) umfasst oder vom Gleitlager (25) gebildet wird, welches aus einem Material besteht, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient (a) aufweist als der im zumindest einen Lagerabschnitt (22) gelagerte Stößel (24) oder der im zumindest einen Lagerabschnitt (22) gelagerte Anker (26) .

Description

Die vorliegende Anmeldung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors.
Nockenwellen weisen eine Anzahl von Nocken auf, die exzentrische Abschnitte auf der Nockenwelle darstellen. Die Nocken können entweder fest auf der Nockenwelle oder auf Nockenwellenabschnitten angeordnet sein, die drehfest aber axial verschiebbar auf eine zylindrische Welle aufbracht werden können. Mit den Nocken können angrenzend angeordnete, axial verschiebbare Bauteile durch Drehen der Nockenwelle in regelmäßigen Abständen verschoben werden. Eine hervorzuheben Anwendung der Nockenwellen stellt dabei das Öffnen und Schließen von Ventilen in einem Verbrennungsmotor insbesondere eines Kraftfahrzeugs dar. In modernen Verbrennungsmotoren ist es möglich, die Motorcharakteristik beispielsweise von einer komfortbetonten zu einer sportlichen Charakteristik zu verändern, was unter anderem durch die Veränderung des Ventilhubs, der durch die Form der Nocken bestimmt wird, umgesetzt wird. Zudem erfordern unterschiedliche Motordrehzahlen variable Ventilhübe, um das Drehmoment und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Andere Verbrennungsmotoren weisen eine Zylinderabschaltung auf, bei denen einige der Zylinder zum Einsparen von Kraftstoff abgeschaltet werden können. In diesem Fall müssen die Ventile der abgeschalteten Zylinder gar nicht mehr geöffnet werden. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, nicht nur einzelne Zylinder abzuschalten, sondern auch variable Ventilhübe aus den oben genannten Gründen zu ermöglichen.
Derartige Verbrennungsmotoren erfordern Nockenwellen, die Nocken mit unterschiedlicher Größe und Form aufweisen. Um jedoch das Ventil mit den unterschiedlichen Hubkurven öffnen und schließen zu können, muss die Nockenwelle oder der Nockenwellenabschnitt axial verschoben werden, um die jeweils die entsprechenden Nocken mit dem Ventil zusammenwirken zu lassen. Bei bekannten Stellvorrichtungen, die beispielsweise in der der EP 2 158 596 B1 , der DE 20 2006 011 904 U1 und der WO 2008/014996 A1 beschrieben sind, weisen die Nockenwellen verschiedene Nuten auf, in welche ein Aktuator mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stößeln eingreift. Die Stößel wirken mit Ankern zusammen und sind zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegbar, wobei die Stößel in der ausgefahrenen Stellung in die Nuten eingreifen. Die Nuten stellen dabei einen Führungsabschnitt dar und bilden zusammen mit den eingreifenden Stößeln eine Kulissenführung zur axialen Verstellung der Nockenwelle, welche hierzu um ein bestimmtes Maß gedreht werden muss.
Die Stellvorrichtungen weisen als Adapter bezeichnete Gehäuseabschnitte auf, mit denen die Stelleinrichtungen an einem Bauteil und insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigt sind. Die Stößel oder die mit dem Stößel verbundenen Anker sind mittels eines Lagerabschnitts in der Stelleinrichtung derart gelagert, dass sie sich entlang ihrer Längsachse bewegen können. Zwischen dem Lagerabschnitt und dem Stößel bzw. dem Lagerabschnitt und dem Anker bildet sich prinzipbedingt ein Spalt, der vom Motoröl, welches unter anderem zur Schmierung der Nockenwelle dient, gefüllt wird, so dass es zur axialen Bewegbarkeit des Stößels oder des Ankers beiträgt.
Die Viskosität des Motoröls ist abhängig von seiner Temperatur. Bei niedrigen Temperaturen, welche typischerweise während der Startphase des Verbrennungsmotors, also beim und kurz nach dem Start, vorliegen, weist das Motoröl eine hohe Viskosität auf und ist folglich relativ zähflüssig. Die erhöhte Viskosität verringert die Beweglichkeit der Stößel und führt zu einem erhöhten Dämpfungswert. Hieraus resultierten erhöhte Schaltzeiten der Stelleinrichtungen, was dazu führt, dass die oben genannten Effekte der Nockenwellenverstellung erst verzögert realisiert werden können. Allerdings stellt die Startphase eine für den Betrieb und insbesondere für den Kraftstoffverbrauch des Verbrennungsmotors sehr kritische Phase dar. Folglich hätte eine schnell schaltende Nockenwellenverstellung gerade in der Startphase einen sehr positiven Effekt auf den Kraftstoffverbrauch.
Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors zu schaffen, mit welcher die oben genannten Nachteile beseitigt oder zumindest spürbar reduziert werden können. Insbesondere soll eine Stellvorrichtung geschaffen werden, welche auch bei einer niedrigen Temperatur des Motoröls eine kurze Schaltzeit aufweist.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors, umfassend eine bestrombare Spuleneinheit, mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse der Stellvorrichtung bewegbar gelagerter Anker relativ zu einem Polkern zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist, einen mit dem Anker zusammenwirkenden und entlang der Längsachse bewegbar gelagerten Stößel mit einem freien Ende, mit welchem der Stößel in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, einen Adapter, mit welchem die Stellvorrichtung an einem Bauteil, insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, und zumindest einen Lagerabschnitt zum Lagern des Stößels oder des Ankers, wobei der zumindest eine Lagerabschnitt ein Gleitlager umfasst oder von einem Gleitlager gebildet wird, welches aus einem Material besteht, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als der im zumindest einen Lagerabschnitt gelagerte Stößel oder der im zumindest einen Lagerabschnitt gelagerte Anker.
Wie eingangs erwähnt, bildet sich zwischen dem gelagerten Anker oder dem gelagerten Stößel ein Spalt, der vom Motoröl gefüllt wird. Die oben beschriebene Erhöhung des Dämpfungswerts und die damit einhergehende Verlängerung der Schaltzeiten infolge der erhöhten Viskosität bei niedrigen Temperaturen machen sich umso stärker bemerkbar, je enger der Spalt ist. Das Vorsehen eines Gleitlagers, welches aus einem Material besteht, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als der im zumindest einen Lagerabschnitt gelagerte Stößel oder der gelagerte Anker, hat folgenden technischen Effekt:
Sinkt die Temperatur im Umfeld und innerhalb des Verbrennungsmotors, wie es im Stillstand des Verbrennungsmotors insbesondere bei niedrigen Außentemperaturen der Fall ist, ziehen sich der Anker und der Stößel sowie das den Lagerabschnitt bildende Bauteil zusammen. Bei aus dem oben genannten Stand der Technik sind diese Bauteile aus Stahl, weisen daher einen gleichen oder nahezu gleichen Wärmeausdehnungskoeffizient auf. Hierdurch vergrößert sich auch der Spalt zwischen dem Anker bzw. dem Stößel und dem Lagerabschnitt. Allerdings weist Stahl einen relativ geringen Wärmeausdehnungskoeffizient auf, so dass sich der Spalt nur in sehr geringem Umfang vergrößert und folglich die oben beschriebenen nachteiligen Effekte aufgrund der erhöhten Viskosität des Motoröls nicht beseitigt werden.
Im Gegensatz dazu wird dadurch, dass vorschlagsgemäß der Lagerabschnitt ein Gleitlager umfasst oder von einem Gleitlager gebildet wird, welches aus einem Material besteht, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient aufweist als der im zumindest einen Lagerabschnitt gelagerte Stößel oder der im Lagerabschnitt gelagerte Anker, Folgendes erreicht: Der Spalt vergrößert sich bei niedrigen Außentemperaturen im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Stellvorrichtungen soweit, dass der Dämpfungswert trotz der erhöhten Viskosität nicht oder nur in einem akzeptablen Umfang steigt. Die Schaltzeiten können somit auch bei erhöhter Viskosität des Motoröls gering gehalten werden, so dass die oben genannten positiven Effekte der Nockenwellenverstellung auch in der Startphase realisiert werden können. Insbesondere kann die Erhöhung des Kraftstoffverbrauchs in der Startphase in Grenzen gehalten werden. Unabhängig von der Viskosität und der Breite des Spalts dient das Motoröl gleichzeitig auch zur Schmierung des Gleitlagers. Zudem sind Gleitlager weitgehend wartungsfrei und in der Lage, hohe Kräfte aufzunehmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform besteht das Gleitlager aus Kunststoff oder umfasst Kunststoff. Einerseits sind Gleitlager aus Kunststoff oder Kunststoff umfassende Gleitlager verfügbar, so dass hier auf erprobte Komponenten zurückgegriffen werden kann, was den zusätzlichen Entwicklungsaufwand gering hält. Andererseits weist Kunststoff einen deutlich höheren Wärmeausdehnungskoeffizient als Stahl auf, so dass der Spalt bei niedrigen Außentemperaturen deutlich vergrößert werden kann, so dass die oben genannten technischen Effekte in entsprechend größeren Umfang realisiert werden können. Beispielsweise weist Eisen einen Wärmeausdehnungskoeffizient α von 12,2 * 10^-6 K^-1 auf, während der Wärmeausdehnungskoeffizient α von Edelstahl je nach Zusammensetzung zwischen 10 und 15 * 10^-6 K^-1 liegt. Der Wärmeausdehnungskoeffizient α von Kunststoff liegt teilweise deutlich über 50 * 10^-6 K^-1 und damit mindestens dreimal so hoch wie der von Stahl.
In einer weiteren Ausführungsform ist der Kunststoff ein Thermoplast. Thermoplaste haben sich als besonders geeignet für die Verwendung als Werkstoff für Gleitlager erwiesen, da sie sich gut verarbeiten lassen, beispielsweise im Spritzgussverfahren oder durch Extrusion. Sie lassen sich aber auch mechanisch, beispielsweise durch Fräsen, Schleifen oder Bohren sowie thermisch, beispielsweise durch Schweißen, bearbeiten.
In einer weitergebildeten Ausführungsform wird der Thermoplast ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI), Polyaryletherketon (PAEK), Polyehtersulfon (PES), Polyetherketon (PEK), Polyimid (PI), Polyphenylensulfid (PPSU), Polyphenylensulfon (PPSU) und Polysulfon (PSU). Diese Thermoplaste werden auch als Hochleistungsthermoplaste bezeichnet und weisen insbesondere eine gute Temperatur- und Wärmeformbeständigkeit sowie eine hohe Chemikalienbeständigkeit auf. Diese Eigenschaften sind für den störungsfreien Betrieb von Gleitlagern von hoher Wichtigkeit.
Die Dauerfestigkeit und die Belastbarkeit der Gleitlager kann dadurch gesteigert werden, dass der Kunststoff faserverstärkt ist. Die Intervalle, innerhalb welcher die Gleitlager ausgetauscht werden müssen, können hierdurch verlängert werden. Zudem wird die Ausfallwahrscheinlichkeit der Gleitlager gesenkt.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform besteht das Gleitlager aus einem nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Material. Auch Kunststoffe gehören zu diesen Materialien, allerdings können auch Materialien wie Blei, Kupfer oder Zinn oder Legierungen hieraus verwendet werden. Diese Materialien weisen auch einen im Vergleich zu Eisen oder Stahl erhöhten Wärmeausdehnungskoeffizient auf, auch wenn dieser im Vergleich zu Kunststoff geringer ist.
Aufgrund der Bestromung der Spuleneinheit wird ein Magnetfeld erzeugt, welches auf den Anker wirkt und diesen relativ zum Polkern bewegt. Wenn das Gleitlager aus einem nicht magnetischen, nicht magnetisierten oder nicht magnetisierbaren Material besteht, werden die Magnetfeldlinien nicht gestört oder umgelenkt. Das Gleitlager braucht daher bei der Auslegung der Spuleneinheit, des Ankers und des Polkerns nicht weiter berücksichtigt zu werden, so dass auf bereits verwendete und erprobte Auslegungen zurückgegriffen werden kann, wodurch der konstruktive Mehraufwand zum Umsetzen der vorschlagsgemäßen Stellvorrichtung in dieser Ausführungsform gering gehalten werden kann.
Eine weitere Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass der Anker und der Stößel drehfest miteinander verbunden sind und die Stellvorrichtung einen ersten Lagerabschnitt innerhalb des Adapters zum drehbaren Lagern des Stößels und einen zweiten Lagerabschnitt außerhalb des Adapters zum drehbaren Lagern des Stößels und/oder des Ankers aufweist.
Bei den meisten Viertakt-Verbrennungsmotoren in Standardbauweise drehen die Nockenwellen mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle, so dass die Nockenwellen durchaus bis zu 3000 und mehr U/min drehen können. Aufgrund dieser hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten wirken stoßartig hohe radiale Kräfte auf die Stößel. Bei den oben beschriebenen, aus dem Stand der Technik bekannten Stellvorrichtungen zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts sind die Stößel nur im Adapter gelagert. Die aufgrund der hohen radialen Kräfte auf die Stößel wirkenden Biegemomente können sich die Stößel so weit verbiegen, dass sie sich in den Adaptern verklemmen. Infolgedessen sind sie nicht mehr zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Stellung bewegbar, wodurch die Nockenwelle oder der Nockenwellenabschnitt auch nicht mehr axial verschoben werden kann.
Um diesem Nachteil zu begegnen, ist der Stößel gemäß der DE 10 2013 102 241 A1 nicht nur im Adapter, sondern auch im deutlich vom Adapter beabstandet angeordneten Polkern gelagert. In der WO 2016/001 254 A1 ist der Stößel nicht nur im Adapter, sondern auch im Anker gelagert, der ebenfalls deutlich beabstandet vom Adapter angeordnet ist.
Um den Verschleiß des freien Endes des Stößels, mit welchem dieser in die Nut der Nockenwelle eingreift, so gering wie möglich zu halten, ist der Stößel drehbar in der Stellvorrichtung gelagert. Im Gegensatz dazu ist jedoch der Anker bei der DE 10 2013 102 241 A1 und der WO 2016/001 254 A1 der Anker mittels einer Spielpassung mit dem Stößel verbunden. Folglich können nur axiale Kräfte, aber keine um die Längsachse wirkenden Drehmomente übertragen werden. Die Drehung des Stößels beim Eingreifen in die Nut der Nockenwelle wird daher nicht auf den Anker übertragen. Aufgrund der relativen Drehung des Stößels zum nicht drehenden Anker werden dort, wo der Anker und der Stößel miteinander in Kontakt kommen, Verschleißstellen geschaffen, an denen sich der Stößel und/oder der Anker im Betrieb der Stellvorrichtung mit der Zeit abtragen. Hierdurch kann sich insbesondere die relative axiale Position des Ankers zum Stößel ändern, so dass der Stößel nicht mehr mit dem notwendigen Maß in die Nut eingreifen kann. Infolgedessen kann es zu Funktionsstörungen oder gar Ausfällen kommen.
Dadurch, dass der Anker und der Stößel drehfest miteinander verbunden sind, wird die Drehung des Stößels beim Eingreifen in die Nut der Nockenwelle oder des Nockenwellenabschnitts auf den Anker übertragen. Folglich findet keine relative Drehbewegung zwischen dem Anker und dem Stößel statt, so dass hier keine Verschleißstellen mehr vorhanden sind, welche zu einer Veränderung insbesondere der relativen axialen Position des Stößels und des Ankers zueinander führen könnte. Eine begrenzte relative axiale Bewegbarkeit zwischen dem Anker und dem Stößel kann vorgesehen werden, da diese nicht oder zu einem im Vergleich zur Drehbewegung deutlich verminderten Verschleiß führt. Aus fertigungstechnischer Sicht bietet es sich an, den Anker mit dem Stößel zu verpressen, so dass sich der Anker und der Stößel sowohl translatorisch als auch rotatorisch synchron bewegen.
Ein Verklemmen des Stößels aufgrund der im Betrieb auf ihn wirkenden Biegemomente wird dadurch verhindert, dass der Stößel nicht nur im ersten Lagerabschnitt, sondern auch im zweiten Lagerabschnitt gelagert ist. Der erste Lagerabschnitt ist innerhalb des Adapters angeordnet, während der zweite Lagerabschnitt außerhalb des Adapters und folglich beabstandet vom ersten Lagerabschnitt angeordnet ist. Es bietet sich dabei an, den zweiten Lagerabschnitt vom freien Ende des Stößels aus gesehen hinter dem ersten Lagerabschnitt anzuordnen. Dabei genügt bereits ein geringer Abstand, um ein Verbiegen und ein hieraus resultierendes Verklemmen des Stößels zu verhindern. Dabei kann entweder der Stößel oder der Anker oder beide zusammen im zweiten Lagerabschnitt gelagert werden. Bei einer entsprechenden drehfesten Verbindung des Stößels mit dem Anker bewirkt eine Lagerung des Ankers im zweiten Lagerabschnitt eine indirekte Lagerung des Stößels im zweiten Lagerabschnitt. Dies gilt umso mehr, wenn der Anker mit dem Stößel verpresst ist.
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Gleitlager in einem rohrförmigen Körper angeordnet sein. Der rohrförmige Körper kann beispielsweise auf das Gleitlager aufgeschrumpft werden, so dass eine sichere Verbindung ohne zusätzliche Verbindungselemente geschaffen werden kann, wodurch die Fertigung vereinfacht wird. Zudem kann der rohrförmige Körper so ausgestaltet sein, dass er nur noch mit wenigen Handgriffen in die Stellvorrichtung eingesetzt werden muss und zugleich die Position des Gleitlagers festlegt, wodurch ebenfalls die Montage vereinfacht wird. Alternativ kann der rohrförmige Körper den zweiten Lagerabschnitt ohne Verwendung eines Gleitlagers bilden, beispielsweise durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche, die mit dem Anker und/oder mit dem Stößel in Kontakt tritt. Insbesondere dann, wenn das Gleitlager aus einem nicht magnetischen Material aufgebaut ist, wirken keine Magnetkräfte zwischen dem Anker und dem Gleitlager, was die Reibung zwischen dem Anker und dem Gleitlager reduziert. Hierdurch können einerseits der Verschleiß reduziert und andererseits die Geschwindigkeit, mit welcher der Anker und folglich der Stößel bewegt werden, erhöht werden. Darüber hinaus kann das Gleitlager so dimensioniert werden, dass ein Spalt zwischen dem Anker und dem rohrförmigen Körper gebildet wird. Auch hierdurch wird verhindert, dass die zwischen dem Anker und dem rohrförmigen Körper wirkenden Magnetkräfte Reibung mit den oben genannten Nachteilen entsteht.
Eine weitergebildete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung ein Federelement mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst, welches sich am ersten Ende mittels eines Federtellers am Stößel oder am Anker und am zweiten Ende am zweiten Lagerabschnitt abstützt. Es ist durchaus möglich, den Anker und folglich den Stößel ausschließlich mittels einer entsprechenden Bestromung der Spuleneinheit in die gewünschten Richtungen entlang der Längsachse zu bewegen. Allerdings ist hierfür eine entsprechend aufwendigere Steuerelektronik notwendig. Zudem vergeht eine gewisse Zeit, bis dass sich das vorhandene Magnetfeld abgebaut und das neue aufgebaut hat. Mithilfe des Federelements kann der Stößel bereits in die entsprechende Richtung bewegt werden, wenn die vom Magnetfeld auf den Anker aufgeprägte und der Vorspannkraft des Federelements entgegenwirkende Magnetkraft einen bestimmten Wert unterschreitet. Insofern kann der Stößel schneller bewegt werden. Der Federteller kann mittels einer Spielpassung am Stößel oder am Anker befestigt und axial mittels eines Absatzes in die Wirkrichtung der Vorspannkraft festgelegt sein. Die Drehbewegung des Stößels wird daher nicht auf das Federelement übertragen, so dass es nicht zu einem Verdrehen oder einem Verschleiß des Federelements kommt. Am zweiten Ende stützt sich das Federelement am zweiten Lagerabschnitt und insbesondere am Gleitlager ab, so dass keine weitergehenden konstruktiven Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die axiale Position des Federelements festzulegen. Der Fertigungsaufwand wird hierdurch gering gehalten.
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform weist der Adapter einen Anschlag auf, gegen den der Federteller in der ausgefahrenen Stellung anschlägt. Wie eingangs erwähnt, soll der Verschleiß des Stößels beim Eingreifen in die Nut dadurch verringert werden, dass er drehbar gelagert ist. Hierdurch kann sich der Stößel an den Seitenflächen der Nut abrollen, wodurch ein verschleißförderndes Gleiten vermieden oder zumindest reduziert wird. Der Verschleiß des Stößels kann dadurch weiter reduziert werden, dass der Stößel im ausgefahrenen Zustand zwar in die Nut eingreift, nicht aber auf der Bodenfläche der Nut aufliegt oder nur dann, wenn sich die Nuttiefe am Auslauf der Nut reduziert. Dadurch, dass der Federteller gegen den Anschlag des Adapters anschlägt, der beispielsweise als ein Absatz ausgeführt sein kann, wird die ausgefahrene Stellung klar definiert. Zudem ist bei einer entsprechenden Anordnung des Stößels relativ zur Nut gewährleistet, dass der Stößel an seinem freien Ende außerhalb des Auslaufs der Nut nicht mit der Bodenfläche der Nut in Kontakt tritt, wodurch der Verschleiß des Stößels am freien Ende reduziert wird.
Eine weitergebildete Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Permanentmagnet aufweist, mit welchem der Anker im unbestromten Zustand der Spuleneinheit in der eingefahrenen Stellung gehalten wird. Zwar könnte der Anker durch eine entsprechende ständige Bestromung der Spuleneinheit in der eingefahrenen Stellung gehalten werden, wozu aber eine entsprechende Menge an elektrischer Energie notwendig ist. Diese elektrische Energie kann durch die Verwendung eines Permanentmagnets eingespart werden, so dass die Stellvorrichtung wirtschaftlich betrieben werden kann.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung.

In 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung 10 anhand einer prinzipiellen Schnittdarstellung gezeigt. Aus der 1 ist erkennbar, dass die Stellvorrichtung 10 zwei identisch aufgebaute Baueinheiten aufweist. Im Folgenden wird aus Gründen der Klarheit im Wesentlichen nur eine der Baueinheiten beschrieben, wobei die Beschreibung auch für die andere Baueinheit gilt.
Die Stellvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet ist. In Bezug auf die in 1 gewählte Darstellung ist das Gehäuse 12 am oberen Ende mit einem Deckel 14 und am unteren Ende mit einem Flansch 16 verschlossen. Die Stellvorrichtung 10 weist einen Adapter 18 auf, der am Flansch 16 befestigt ist. Mit diesem Adapter 18 kann die Stellvorrichtung 10 beispielsweise an einer Zylinderkopfhaube eines Verbrennungsmotors befestigt werden (nicht dargestellt). Der Adapter 18 weist Vertiefungen 20 auf, in welche nicht dargestellte Dichtungen eingesetzt werden können, um die Stellvorrichtung 10 gegenüber der Zylinderkopfhaube abzudichten.
Im Adapter 18 ist ein erster Lagerabschnitt 22₁ für einen entlang einer Längsachse L der Stellvorrichtung 10 verschiebbaren Stößel 24 angeordnet. Der erste Lagerabschnitt 22₁ wird von einem ersten Gleitlager 25₁ gebildet, welches in den Adapter 18 eingesetzt ist und von einer Sicherung 25 fixiert wird. Um die hohen axialen Kräfte, die im Betrieb auf den Stößel 24 wirken, sicher aufnehmen zu können, ist der Adapter 18 aus einem gehärteten Edelstahl gefertigt.
Der Stößel 24 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Anker 26 verpresst und damit drehfest mit ihm verbunden. Die drehfeste Verbindung kann auch auf andere Weise realisiert sein, beispielsweise durch Verschweißen. Um eine gute Verpressung zu erreichen, weist der Anker 26 eine Vertiefung auf, in welche der Stößel 24 über einen längeren Abschnitt eingreift. Der Stößel 24 weist ein freies Ende 28 auf, welches über den Adapter 18 hervorragt.
Die Stellvorrichtung 10 weist einen zweiten Lagerabschnitt 22₂ auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom freien Ende 28 hinter dem ersten Lagerabschnitt 22 angeordnet ist und ein zweites Gleitlager 25₂ umfasst. Das zweite Gleitlager 25₂ , beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus einem nicht magnetischen Edelstahl gefertigt, ist in einem rohrförmigen Körper 34 angeordnet und beispielsweise durch Aufschrumpfen mit dem rohrförmigen Körper 34 verbunden. Das zweite Gleitlager 25₂ ist im dargestellten Beispiel so angeordnet, dass nur der Anker 26 mit dem zweiten Gleitlager 25₂ gelagert wird. Folglich befindet sich der zweite Lagerabschnitt 22₂ innerhalb des Gehäuses 12. Sowohl der erste Lagerabschnitt 22₁ als auch der zweite Lagerabschnitt 22₂ sind so ausgeführt, dass der Stößel 24 und der Anker 26 sowohl um die Längsachse L drehbar als auch entlang der Längsachse L verschiebbar gelagert sind. Das zweite Gleitlager 25₂ steht radial nach innen etwas über den rohrförmigen Körper 34 vor, so dass ein geringer Abstand zwischen dem rohrförmigen Körper 34 und dem Anker 26 verbleibt. Der rohrförmige Körper 34 und der Anker 26 liegen daher nicht aneinander an.
Ferner weist die Stellvorrichtung 10 einen den Stößel 24 ringförmig umgreifenden Federteller 36 auf, der eine Spielpassung gegenüber dem Stößel 24 aufweist und im Bereich einer Durchmesservergrößerung 38 des Stößels 24 an diesem anliegt. Darüber hinaus wird der Federteller 36 mittels des Ankers 26 axial fixiert. Der Federteller 36 führt folglich dieselben axialen Bewegungen entlang der Längsachse L aus wie der Anker 26 und der Stößel 24.
Darüber hinaus ist ein Federelement 40 vorgesehen, welches ein erstes Ende 42 und ein zweites Ende 44 aufweist. Das Federelement 40 kann eine im Wesentlichen entlang der Längsachse L wirkende Vorspannkraft bereitstellen. Mit dem ersten Ende 42 stützt sich das Federelement 40 am Federteller 36 und mit seinem zweiten Ende 44 am zweiten Gleitlager 25₂ ab. Aufgrund der Spielpassung des Federtellers 36 gegenüber dem Stößel 34 werden Drehbewegungen des Stößels 24 nur dann auf den Federteller 36 übertragen, wenn die Vorspannkraft, mit welcher der Federteller 36 gegen den Bereich einer Durchmesservergrößerung 38 gedrückt wird, einen bestimmten Wert übersteigt.
Zum Bewegen des Ankers 26 umfasst die Stellvorrichtung 10 eine Spuleneinheit 46, welche den Anker 26 unter Ausbildung eines Zwischenraums ringförmig umschließt. Darüber hinaus ist ein Polkern 48 vorgesehen, der bezogen auf die in 1 gewählte Darstellung oberhalb des Ankers 26 angeordnet ist. Zudem weist die Stellvorrichtung 10 einen Permanentmagnet 50 auf, der am Deckel 14 befestigt und über dem Polkern 48 angeordnet ist.
Dadurch, dass der Anker 26 und der Stößel 24 miteinander verpresst sind, führen sie dieselben Bewegungen aus. Der Stößel 24 und der Anker 26 führen folglich keine Relativbewegungen zueinander aus, so dass keine Verschleißstellen aufgrund von Relativbewegungen zwischen dem Anker 26 und dem Stößel 24 vorhanden sind. Der linke Stößel 24 und der linke Anker 26 befinden sich in einer eingefahrenen Stellung, wohingegen sich der rechte Stößel 24 und der rechte Anker 26 in einer ausgefahrenen Stellung befinden.
Die Stellvorrichtung 10 wird auf folgende Weise betrieben: Der Permanentmagnet 50 übt eine entlang der Längsachse L wirkende Anziehungskraft auf den Anker 26 aus, so dass der Anker 26 im eingefahrenen Zustand vom Permanentmagnet 50 angezogen wird und am Polkern 48 anliegt. Hierdurch wird das Federelement 40 gestaucht, so dass das Federelement 40 eine Vorspannkraft bereitstellt, die aber kleiner ist als die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50. Der Anker 26 und der Stößel 24 nehmen folglich die eingefahrene Stellung ein.
Wird nun die Spuleneinheit 46 bestromt, wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches eine Magnetkraft auf den Anker 26 induziert, welche in dieselbe Richtung wie die vom Federelement 40 bereitgestellte Vorspannkraft und folglich gegen die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50 wirkt. Die Summe aus der Magnetkraft und der Vorspannkraft ist größer als die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50, so dass der Anker 26 und folglich der Stößel 24 weg vom Permanentmagnet 50 entlang der Längsachse L bewegt werden, bis dass der Federteller 36 gegen einen Anschlag 52 des Adapters 18 anschlägt, wodurch der Stößel 24 und der Anker 26 die ausgefahrene Stellung erreicht haben. In dieser ausgefahrenen Stellung greift der Stößel 24 mit seinem freien Ende 28 in eine Nut einer nicht dargestellten Nockenwelle oder eines nicht dargestellten Nockenwellenabschnitts ein. Die Nut weist einen bezogen auf die Drehachse der Nockenwelle schraubenförmigen Verlauf auf, so dass das Eingreifen des Stößels 24 in die Nut in Kombination mit der Drehung der Nockenwelle um die eigene Drehachse eine Längsverstellung entlang der Drehachse der Nockenwelle bewirkt. Um die entsprechenden Axialkräfte zu übertragen, liegt der Stößel 24 an einer der Seitenwände der Nut an und rollt auf dieser ab, so dass der Stößel 24 beim Eingriff in die Nut mit einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht wird. Aufgrund der Verpressung des Ankers 26 mit dem Stößel 24 wird die Drehbewegung des Stößels 24 auch auf den Anker 26 übertragen. Der Anschlag 52 des Adapters 18 und die Tiefe der Nut sind so gewählt, dass der Stößel 24 in der ausgefahrenen Stellung mit seinem freien Ende 28 die Bodenfläche der Nut nicht berührt. Die Tiefe der Nut nimmt aber zum Ende hin ab, so dass ab einem gewissen Drehwinkel der Nockenwelle eine Berührung des freien Endes 28 des Stößels 24 mit der Bodenfläche der Nut erfolgt, wodurch der Stößel 24 wieder in Richtung des Permanentmagnets 50 verschoben wird. Spätestens dann wird die Bestromung der Spuleneinheit 46 unterbrochen, so dass die vom Permanentmagnet 50 ausgeübte Anziehungskraft auf den Anker 26 wieder größer ist als die Summe aus der vom Federelement 40 bereitgestellten Vorspannkraft und der aufgrund der fehlenden Bestromung der Spuleneinheit 46 nicht mehr wirkenden Magnetkraft. Folglich nehmen der Stößel 24 und der Anker 26 wieder die eingefahrene Stellung ein, bis dass die Spuleneinheit 46 erneut bestromt wird.
Zwischen dem Stößel 24 und dem ersten Gleitlager 25₁ bildet sich ein erster Spalt 54₁ und zwischen dem Anker 26 und dem zweiten Gleitlager 25₂ bildet sich ein zweiten Spalt 54₂ aus. Sowohl der erste Spalt 54₁ als auch der zweite Spalt 54₂ füllen sich mit Motoröl. Sinkt die Außentemperatur in der Umgebung des Verbrennungsmotors und/oder steht der Verbrennungsmotor still, so sinken auch die Temperaturen des Motoröls, des Stößels 24, des Ankers 26 und des ersten und des zweiten Gleitlagers 25₂ . Die Breite des ersten und des zweiten Spalts 54₁ , 54₂ nehmen zu. Das erste und das zweite Gleitlager 25₁ , 25₂ bestehen aus einem Material oder umfassen ein Material, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient α aufweist als der Stößel 24 oder der Anker 26. Bei bekannten Stellvorrichtungen bestehen der Lagerabschnitt 22, der Stößel 24 und der Anker 26 aus Stahl. Bei sinkenden Temperaturen vergrößert sich auch in diesem Fall die Breite des ersten und des zweiten Spalts 54₁ , 54₂ , allerdings nur in einem geringen Umfang. Dadurch, dass das erste und das zweite Gleitlager 25₁ , 25₂ aus einem Material bestehen oder ein Material umfassen, welches einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient α aufweist als der Stößel 24 und/oder der Anker 26, vergrößern sich der erste und der zweite Spalt 54₁ , 54₂ bei sinkenden Temperaturen im Vergleich zu bekannten Stellvorrichtungen in einem deutlich größeren Umfang. Hierdurch wird erreicht, dass trotz der erhöhten Viskosität des Motoröls der Dämpfungswert gering gehalten wird, so dass sich die Schaltzeiten der Stellvorrichtung 10 auch bei niedrigen Außentemperaturen nur geringfügig oder gar nicht verlängern.
Bezugszeichenliste

10: Stellvorrichtung
12: Gehäuse
14: Deckel
16: Flansch
18: Adapter
20: Vertiefungen
22, 22₁, 22₂: Lagerabschnitt
24: Stößel
25, 25₁, 25₂: Gleitlager
26: Anker
28: freies Ende
34: rohrförmiger Körper
36: Federteller
38: Bereich der Durchmesservergrößerung
40: Federelement
42: erstes Ende
44: zweites Ende
46: Spuleneinheit
48: Polkern
50: Permanentmagnet
52: Anschlag
54, 54₁, 54₂: Spalt
α: Wärmeausdehnungskoeffizient
L: Längsachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 2158596 B1 [0003]
DE 202006011904 U1 [0003]
WO 2008/014996 A1 [0003]
DE 102013102241 A1 [0020, 0021]
WO 2016/001254 A1 [0020, 0021]

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors, umfassend - eine bestrombare Spuleneinheit (46), mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse (L) der Stellvorrichtung (10) bewegbar gelagerter Anker (26) relativ zu einem Polkern (48) zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist, - einen mit dem Anker (26) zusammenwirkenden und entlang der Längsachse (L) bewegbar gelagerten Stößel (24) mit einem freien Ende (28), mit welchem der Stößel (24) in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, - einen Adapter (18), mit welchem die Stellvorrichtung (10) an einem Bauteil, insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, und - zumindest einen Lagerabschnitt (22) zum Lagern des Stößels (24) oder des Ankers (26), wobei der zumindest eine Lagerabschnitt (22) ein Gleitlager (25) umfasst oder von einem Gleitlager (25) gebildet wird, welches aus einem Material besteht, das einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizient (α) aufweist als der im zumindest einen Lagerabschnitt (22) gelagerte Stößel (24) oder der im zumindest einen Lagerabschnitt (22) gelagerte Anker (26).
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (25) aus Kunststoff besteht oder Kunststoff umfasst.
Stellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff ein Thermoplast ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Thermoplast ausgewählt wird aus einer Gruppe umfassend Polyamid (PA), Polyamidimid (PAI), Polyaryletherketon (PAEK), Polyehtersulfon (PES), Polyetherketon (PEK), Polyimid (PI), Polyphenylensulfid (PPSU), Polyphenylensulfon (PPSU) und Polysulfon (PSU) .
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Kunststoff faserverstärkt ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (25) aus einem nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Material besteht.
Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass - der Anker (26) und der Stößel (24) drehfest miteinander verbunden sind und die Stellvorrichtung (10) - einen ersten Lagerabschnitt (22₁) innerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und - einen zweiten Lagerabschnitt (22₂) außerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und/oder des Ankers (26) aufweist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (25) in einem rohrförmigen Körper (34) angeordnet ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein Federelement (40) mit einem ersten Ende (42) und einem zweiten Ende (44) umfasst, welches sich am ersten Ende (42) mittels eines Federtellers (36) am Stößel (24) oder am Anker (26) und am zweiten Ende (28) am zweiten Lagerabschnitt (22₂) abstützt.
Stellvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (18) einen Anschlag (52) aufweist, gegen den der Federteller (36) in der ausgefahrenen Stellung anschlägt.
Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Permanentmagnet (50) aufweist, mit welchem der Anker (26) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (46) in der eingefahrenen Stellung gehalten wird.