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Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Schaltelement gemäß der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 näher definierten Art.
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Aus der Praxis bekannte monostabile elektromagnetische Aktoren führen in eine vordefinierte Stellrichtung jeweils eine bestimmte Hubarbeit aus. Dabei ist die Stromrichtung zur Ansteuerung eines solchen elektromagnetischen Aktors vernachlässigbar. Zur Rückstellung des elektromagnetischen Aktors wird oftmals ein Federelement verwendet. Wird am elektromagnetischen Aktor eine Spannung angelegt, stellen sich ein Stromfluss und damit ein Magnetfeld ein. Dieses strominduzierte Magnetfeld zieht in an sich bekannter Art und Weise einen Anker an, wobei sich ein Luftspalt zwischen dem Anker und der Spuleneinrichtung verkleinert und die auf den Anker wirkende Magnetkraft exponentiell steigt. Im Endanschlag des Ankers ist der Luftspalt gleich Null und die auf den Anker einwirkende Magnetkraft sowie dessen Stellgeschwindigkeit zum Aufprallzeitpunkt des Ankers an einem Gehäuse einer Spuleneinrichtung des elektromagnetischen Aktors am höchsten. Um den beim Anschlagen des Ankers am Gehäuse der Spule entstehenden Lärm sowie dabei auftretende hohe Strukturbeanspruchungen zu mindern, ist die Stellgeschwindigkeit des Ankers vor dem Endanschlag zu reduzieren. Hierfür werden sogenannte Dämpfungseinrichtungen vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2012 210 298 A1 ist eine Verbindungsvorrichtung für zwei Wellen mit einem Anschlagdämpfer bekannt. Der Anschlagdämpfer umfasst zumindest ein Federelement und ein Dämpferelement, um eine gute Geräuschdämpfung zu erreichen. Dabei bewirkt das mindestens eine Federelement eine sanfte Aufnahme der Aufprallenergie, während das mindestens eine Dämpferelement die Aufprallenergie zumindest zum Teil in Wärmenergie umwandelt. Geeignete Dämpferelemente bestehen aus Elastomeren oder aus Schaumstoffen bzw. geschäumten Materialien, wie Kunststoff- oder Metallschäumen. Des Weiteren werden auch aus Faserelementen, beispielsweise aus GFK- oder CFK-Scheiben mit einer Kunstharzmatrix oder dergleichen, bestehende Dämpferelemente oder fluidgefüllte Kissen, beispielsweise luft-, öl- oder gelgefüllte Kissen, umfassende Dämpferelemente vorgeschlagen. Zusätzlich nehmen geeignete Federelemente mechanische Stöße auf und federn diese ab, insbesondere durch elastischen Aufbau potenzieller Energie. Derartige Federelemente bestehen beispielsweise aus einer oder mehreren Schraubenfedern, Tellerfedern, Wellfedern oder dergleichen. Zusätzlich wird ein schmaler Bauraum erzielt, wenn das Federelement und das Dämpferelement in Reihe zueinander angeordnet sind.
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Nachteilhafterweise unterliegen die vorbeschriebenen Dämpfer- und Federelemente des Anschlagdämpfers aufgrund der im Betrieb jeweils angreifenden mechanischen Belastungen sowie Umwelteinflüssen, beispielsweise Temperatur- und Öleinflüssen, einer unerwünschten Alterung, die die Dämpfungseigenschaften eines Anschlagsdämpfers über der Lebensdauer beeinträchtigen.
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DD 1 37 036 A1 beschreibt einen Elektromagneten mit pneumatischer Dämpfung.
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Aus
DE 10 2004 049 963 A1 ist ein elektromechanischer Ventilaktuator für ein Ventil eines Verbrennungsmotors bekannt. Zur Verringerung von Betriebsgeräuschen weist der Ventilaktuator einen Anfangshubdämpfer auf, der einen Aufprall-dämpfenden Spielkompensator umfasst.
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DE 17 37 087 U beschreibt eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Schaltelement, dessen Anker mit einem Kolben einer doppelt wirkenden Dämpfungseinrichtung gekuppelt ist, welcher in einem mit Dämpfungsmitteln gefüllten und nach außen abgeschlossenen Zylinder bewegbar ist und den Zylinderraum in zwei Verdrängungsräume unterteilt.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine elektromagnetische Betätigungsvorrichtung für ein Schaltelement zur Verfügung zu stellen, die durch eine hohe Lebensdauer und geringe Geräuschemissionen gekennzeichnet ist.
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Bei der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung für ein Schaltelement, das mittels eines Elektromagneten und einer der Stellkraft des Elektromagneten entgegenwirkenden Betätigungseinheit in einen geöffneten Betriebszustand und in einen geschlossenen Betriebszustand überführbar ist, ist dem Elektromagneten eine Einrichtung zum Dämpfen der Stellbewegung eines Ankers des Elektromagneten in Richtung eines Bereiches der Spuleneinrichtung zugeordnet, mittels der die Stellgeschwindigkeit des Ankers ab Unterschreiten eines definierten Abstandes zwischen einem der Spuleneinrichtung zugewandten Bereich des Ankers und dem Bereich der Spuleneinrichtung reduzierbar ist.
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Erfindungsgemäß umfasst die Einrichtung zum Dämpfen wenigstens ein mit der Spuleneinrichtung in Verbindung stehendes Bauteil, das spätestens ab Unterschreiten des definierten Abstandes zumindest bereichsweise mit dem Anker in Wirkverbindung steht, wobei mit zunehmendem Stellweg des Ankers Fluid in einem die Stellgeschwindigkeit des Ankers reduzierenden Umfang aus einer von dem Bauteil und dem Anker begrenzten Kammer über eine Drosseleinrichtung ausschiebbar ist.
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Durch das Ausschieben des Fluides aus der von dem Bauteil und dem Anker begrenzten Kammer über die Drosseleinrichtung ist die Stellbewegung des Ankers nahe des Anschlages an der Spuleneinrichtung im Wesentlichen verschleißfrei bedämpfbar, womit einerseits beim Auftreffen des Ankers auf die Spuleneinrichtung auftretende Geräuschemissionen auf einfache Art und Weise minimierbar sind und andererseits die für die Bedämpfung der Stellgeschwindigkeit des Ankers vorgesehene Einrichtung nahezu verschleißfrei betrieben wird. Damit steht die Funktionsweise der Einrichtung zum Dämpfen der Stellbewegung des Ankers des Elektromagneten über der gesamten Lebensdauer der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung auf konstruktiv einfache Art und Weise zur Verfügung.
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Bei einer konstruktiv einfachen und kostengünstig herstellbaren Ausführungsform der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung ist das Bauteil als ein stiftförmiges Element oder der Anker mit einem stiftförmigen Element ausgeführt, das spätestens ab Unterschreiten des definierten Abstandes in eine Sacklochbohrung des Ankers oder des Bauteils eingreift und die Kammer begrenzt.
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Erfindungsgemäß ist das Bauteil wenigstens als ein kreissegmentförmiges Element oder der Anker wenigstens mit einem kreissegmentförmigen Element ausgebildet, das spätestens ab Unterschreiten des definierten Abstandes in eine kreissegmentförmige Ausnehmung des Ankers oder des Bauteils eingreift und die Kammer begrenzt. Dadurch ist eine hohe Dämpfung erzielbar, ohne dabei unerwünschte Kippmomente im Bereich des Ankers zu erzeugen.
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Umfasst die Drosseleinrichtung einen die Kammer mit einem Niederdruckbereich verbindenden Drosselbereich, über den das Fluid während der Stellbewegung des Ankers ab Unterschreiten des definierten Abstandes aus der Kammer ausschiebbar ist, ist die Dämpfungswirkung auf einfache Art und Weise durch Auslegung des Drosselbereiches in Abhängigkeit des jeweils vorliegenden Anwendungsfalles auf einfache Art und Weise einstellbar.
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Greift das Bauteil oder der Anker bereits vor Unterschreiten des definierten Abstandes in den Anker oder in das Bauteil ein und weist die Drosseleinrichtung einen weiteren die Kammer mit dem Niederdruckbereich verbindenden Drosselbereich auf, dessen Drosselquerschnitt größer als der Drosselquerschnitt des Drosselbereiches ist und über den bis zum Unterschreiten des definierten Abstandes Fluid aus der Kammer ausführbar ist, wird das aus der Kammer verdrängte fluide Medium während des Anziehens des Ankers zunächst hauptsächlich über den weiteren Drosselbereich aus der Kammer ausgeführt und die Stellbewegung des Ankers nur in geringem Umfang gedämpft. Sobald eine Ausschieben von Fluid aus der Kammer über den weiteren Drosselbereich beendet ist, wird das Fluid nur noch über den Drosselbereich der Drosseleinrichtung und mit größerer Dämpfung der Stellbewegung des Ankers ausgeleitet. Damit wird erreicht, dass der Anker nahezu während der gesamten Betätigung des Schaltelementes im Wesentlichen ungedämpft bewegt wird und die Stellbewegung des Ankers erst kurz vor dem Anschlag des Ankers an der Spuleneinrichtung in einem Geräuschemissionen und Strukturbeanspruchungen reduzierenden Umfang gedämpft wird.
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Bei einer konstruktiv einfachen und kostengünstig herstellbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung ist der Drosselbereich mit einer Drosselbohrung ausgeführt. Verläuft die Drosselbohrung durch das erste Bauteil oder durch das zweite Bauteil, ist die Drosseleinrichtung mit geringem Aufwand herstellbar.
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Der weitere Drosselbereich ist bei einer ebenfalls konstruktiv einfachen und kostengünstig herstellbaren Ausführungsform der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung als Drosselbohrung ausgebildet.
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Ist der weitere Drosselbereich als Drosselspalt ausgeführt, der von einem Außenbereich des Bauteiles oder des Ankers und einem mit dem Außenbereich zusammenwirkenden Innenbereich des Ankers oder des Bauteiles begrenzt ist, ist die erfindungsgemäße elektromagnetische Betätigungsvorrichtung wiederum auf einfache Art und Weise herstellbar.
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Bei einer mit geringem Steuer- und Regelaufwand betreibbaren Weiterbildung der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung umfasst die Betätigungseinheit eine Rückstellfeder, deren Federkraft am Anker der Betätigungskraft des Elektromagneten entgegenwirkend angreift.
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Weitere Vorteile und vorteilshafte Ausführungsformen der erfindungsgemäßen elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung ergeben sich aus den Patentansprüchen und dem nachfolgend unter Bezugnahme auf die Zeichnung prinzipmäßigen Ausführungsbeispiel.
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Es zeigt:
- 1a eine schematisierte dreidimensionale Schnittansicht einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung für ein Schaltelement in unbestromtem Betriebszustand;
- 1b eine dreidimensionale Teilschnittansicht der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung gemäß 1;
- 2a eine vergrößerte Teilschnittansicht der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung gemäß 1 in einer Zwischenstellung eines Ankers;
- 2b die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung in einem 2a entsprechenden Betriebszustand in einer dreidimensionalen Teilschnittansicht;
- 3a die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung gemäß 1 in einer 2a entsprechenden Darstellung, wobei der Anker spaltfrei an einer Spuleneinrichtung der Betätigungsvorrichtung anliegt; und
- 3b eine 2b entsprechende Darstellung der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung in einem 3a entsprechenden Betriebszustand.
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In 1 ist eine dreidimensionale Schnittansicht einer elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 1 für ein Schaltelement 2 dargestellt. Das Schaltelement 2 ist mittels eines Elektromagneten 3 und einer der Stellkraft des Elektromagneten 3 entgegenwirkenden Betätigungseinheit 4 in einen geöffneten Betriebszustand und in den in 1a gezeigten geschlossenen Betriebszustand überführbar.
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Dem Elektromagneten 3 ist eine Einrichtung 5 zum Dämpfen der Stellbewegung eines Ankers 6 des Elektromagneten 3 in Richtung eines Bereiches einer Spuleneinrichtung 7 der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 1 zugeordnet. Mittels der Einrichtung 5 ist die Stellgeschwindigkeit des Ankers 6 ab Unterschreiten eines definierten Abstandes zwischen einem der Spuleneinrichtung 7 zugewandten Bereich und dem dem Anker 6 zugewandten Bereich 9 der Spuleneinrichtung 7 in definiertem Umfang reduzierbar.
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Der Anker 6 ist über mehrere über den Umfang der Betätigungsvorrichtung 1 verteilt angeordnete Bauteile 10A bis 10D, die vorliegend als Stiftelemente ausgeführt sind, in radialer Richtung fest an einem weiteren mit der Spuleneinrichtung 7 fest verbundenen Bauteil 11 gelagert. Die Länge der Stiftelemente 10A bis 10D überschreitet die axiale Länge der Ankers 6, wodurch eine maximale axiale Führungslänge für den Anker 6 erreicht wird. Die axiale Länge von zwei einander gegenüber liegenden Stiftelementen 10A und 10B ist kleiner als die axiale Länge der weiteren Stiftelemente 10C, 10D, so dass über diese neben der Lagerung des Ankers 6 an der Spuleneinrichtung 7 in der nachfolgend näher beschriebenen Art und Weise eine Dämpfung der Stellbewegung des Ankers 6 nahe des Anschlages an der Spuleneinrichtung 7 realisierbar ist.
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Die Stiftelemente 10A und 10B sind vorliegend in Sachlochbohrungen 6A, 6B des Ankers 6 angeordnet, die jeweils über eine Drosseleinrichtung 12, 13 mit der einen Niederdruckbereich darstellenden Umgebung 14 der Betätigungsvorrichtung 1 in Wirkverbindung stehen. Die Stiftelemente 10A und 10B begrenzen mit dem Anker 6 jeweils eine Kammer 14A, 15A innerhalb des Ankers 6, die über die Drosseleinrichtungen 12, 13 mit der Umgebung 14 der Betätigungsvorrichtung 1 verbunden sind.
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In dem in 1a dargestellten Betriebszustand des Schaltelementes 2 ist der Anker 6 von einer Rückstellfeder 16 der Betätigungseinheit 4 in seine zweite Endstellung verschoben, in der ein der Spuleneinrichtung 7 zugewandter Bereich 8 des Ankers 6 maximal von einem dem Anker 6 zugewandten Bereich 9 der Spuleneinrichtung 7 beabstandet ist. In dieser Schaltstellung des Ankers 6 greift eine Innenverzahnung 17 des Ankers 6 in eine Außenverzahnung 18 einer radial innerhalb der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 1 angeordneten Welle 15 ein. Zusätzlich steht die Innenverzahnung 17 des Ankers 6 in der in 1a gezeigten Schaltstellung des Ankers 6 in Eingriff mit einem Zahnprofil einer weiteren in 1a nicht gezeigten Welle, womit die Welle 15 über die Innenverzahnung 17 des Ankers 6 mit der weiteren Welle drehfest verbunden ist.
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Die Drosseleinrichtungen 12 und 13 weisen im Wesentlichen den gleichen Aufbau auf, weshalb in der nachfolgenden Beschreibung im Wesentlichen lediglich auf die Drosseleinrichtung 12 Bezug genommen wird und bezüglich der weiteren Funktionsweise der Drosseleinrichtung 13 auf die näher erläuterte Funktionsweise der Drosseleinrichtung 12 verwiesen wird.
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Die Drosseleinrichtung 12 umfasst vorliegend einen die Kammer 14A mit der Umgebung 14 verbindenden Drosselbereich 19, der am Ende der Sacklochbohrung 6A mit einer Drosselbohrung 20 ausgebildet ist, die den Endbereich der Sacklochbohrung 6A durch den Anker 6 hindurch unabhängig von der axialen Stellung des Ankers 6 mit der Umgebung 14 verbindet. Zusätzlich umfasst die Drosseleinrichtung 12 einen weiteren die Kammer 14A mit der Umgebung 14 verbindenden und in 1b näher dargestellten Drosselbereich 21, der ebenfalls mit einer Drosselbohrung 22, ausgeführt ist, deren Drosselquerschnitt größer ist als der Drosselquerschnitt der Drosselbohrung 20.
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In der in 1a und 1b dargestellten Schaltstellung des Ankers 6 ist die Kammer 14A sowohl über den Drosselbereich 19 als auch über den Drosselbereich 21 mit der Umgebung 14 verbunden. Liegt eine entsprechende Anforderung zum Lösen der drehfesten Verbindung zwischen der Welle 15 und der weiteren Welle vor, wird die Spuleneinrichtung 7 in an sich bekannter Art und Weise bestromt und der Anker 6 aus der in 1a gezeigten Schaltstellung von dem dann vom Elektromagneten 3 erzeugten Magnetfeld entgegen der Federkraft der Rückstellfeder 16 in Richtung der Spuleneinrichtung 7 in axialer Richtung verstellt. Während einer solchen Stellbewegung des Ankers 6 tauchen die Stiftelemente 10A und 10B zunehmend in die Kammern 14A und 15A ein. Dabei wird im Bereich der Kammern 14A und 15A angeordnetes Hydraulikfluid über die Drosseleinrichtungen 12 und 13 in Richtung der Umgebung 14 der Betätigungsvorrichtung 1 ausgeschoben.
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Hydraulikfluid ist im Bereich der Kammern 14A und 15A deshalb vorhanden, weil die vorliegend im Innenraum eines Fahrzeuggetriebes angeordnete elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 1 im Betrieb des Fahrzeuggetriebes mit der Welle 15 rotiert und mit einem in Einbaulage des Fahrzeuggetriebes unteren Bereich 23 in ein Hydraulikfluidvolumen bzw. einen Ölsumpf des Fahrzeuggetriebes eintaucht, so dass sich die Kammern 14A und 15A in der zweiten Endstellung des Ankers 6 mit Hydraulikfluid füllen.
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Mit zunehmendem Stellweg des Ankers 6 und damit einhergehendem zunehmenden Eintauchen des Stiftelementes 10A in die Kammer 14A wird das in der Kammer 14A angeordnete Hydraulikfluid solange über beide Drosselbereiche 19 und 21 an die Umgebung 14 ausgeschoben, solange ein in 1b dargestellter Mündungsbereich 22A der Drosselbohrung 22 der Drosseleinrichtung 12 vom Stiftelement 10A freigegeben ist. Ab einem definierten Stellweg des Ankers 6, zu dem ein definierter Abstand zwischen dem Bereich 8 des Ankers 6 und dem Bereich 9 der Spuleneinrichtung 7 vorliegt, wird der Mündungsbereich 22A der Drosselbohrung 22 des Drosselbereiches 21 in dem in 2a und 2B gezeigten Umfang vom Stiftelement 10A gesperrt, womit in der Kammer 14A vorhandenes Hydraulikfluid mit weiter zunehmendem Stellweg des Ankers 6 in Richtung der Spuleneinrichtung 7 nur noch über den Drosselbereich 19 in Richtung der Umgebung 14 ausführbar ist.
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Aufgrund der Auslegung der Drosselquerschnitte der Drosselbohrungen 20 und 22 wird die Stellbewegung des Ankers 6 nur in geringem Umfang gedämpft, solange die Drosselbohrung 22 vom Stiftelement 10A freigegeben ist. Ab dem Stellweg des Ankers 6, ab dem die Drosselbohrung 22 vom Stiftelement 10A überfahren ist, wird die Stellbewegung des Ankers 6 in Richtung der Spuleneinrichtung 7 aufgrund der Tatsache, dass für das Ausleiten des in der Kammer 14A vorhandenen Hydraulikfluides nunmehr ein wesentlich geringerer Strömungsquerschnitt im Bereich der Drosselbohrung 20 zur Verfügung steht, in wesentlich höherem Umfang gedämpft und damit die gewünschte Anschlagdämpfung des Ankers 6 an der Spuleneinrichtung 7 zur Verfügung gestellt. Dabei ist die axiale Lage des Mündungsbereiches 22A der Drosselbohrung 22 derart vorgesehen, dass die hohe Dämpfung der Stellbewegung des Ankers 6 erst kurz vor dem Anschlag des Ankers 6 am Bereich 9 der Spuleneinrichtung 7 vorliegt.
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3a und 3b zeigen die elektromagnetische Betätigungsvorrichtung 1 gemäß 1 in einem Betriebszustand, in dem die Welle 5 von der weiteren Welle vollständig getrennt ist und der Anker 6 spaltfrei an der Spuleneinrichtung 7 anliegt. Die weiteren Stiftelemente 10C und 10D sind zur axialen Führung des Ankers 6 am weiteren Bauteil 11 in Durchgangsbohrungen angeordnet, weshalb eine Stellbewegung des Ankers 6 zwischen den beiden Endstellungen in diesen Bereichen nur in geringem Umfang gedämpft wird. Die Dämpfungswirkung der Einrichtung 5 zum Dämpfen der Stellbewegung des Ankers 6 ist auf einfache Art und Weise mit geringem Aufwand durch Auslegung des Durchmessers der Drosselbohrung 20 variierbar.
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Bei dem in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiel der elektromagnetischen Betätigungsvorrichtung 1 wird der Anker 6 verstellt, der mit der Drosselbohrung 20 ausgeführt ist. Darüber hinaus besteht jedoch auch die Möglichkeit, dass die Sacklochbohrungen 6A und 6B im Bauteil 11 angeordnet sind und die Stiftelemente 10A und 10B mit dem Anker 6 fest verbunden sind und gemeinsam mit dem Anker 6 verstellt werden.
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Des Weiteren besteht auch die Möglichkeit, die Drosselbohrung 20 axial durch die Stiftelemente 10A und 10B zu führen und die Kammern 14A und 15A durch die Stiftelemente 10A und 10B mit der Umgebung 14 zu verbinden.
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Unabhängig davon, in welchem Umfang die Stiftelemente 10A und 10B zur axialen Führung des Ankers 6 am Bauteil 11 vorgesehen sind oder nicht, ist das vorbeschriebene Wirkprinzip für die Anschlagdämpfung des Ankers 6 auf einfache Art und Weise realisierbar.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- elektromagnetische Betätigungsvorrichtung
- 2
- Schaltelement
- 3
- Elektromagnet
- 4
- Betätigungseinheit
- 5
- Einrichtung
- 6
- Anker
- 6A, 6B
- Sacklochbohrung
- 7
- Spuleneinrichtung
- 8
- Bereich des Ankers
- 9
- Bereich der Spuleneinrichtung
- 10A bis 10D
- Bauteil, Stiftelement
- 11
- Bauteil
- 12, 13
- Drosseleinrichtung
- 14
- Umgebung
- 14A
- Kammer
- 15
- Welle
- 15A
- Kammer
- 16
- Rückstellfeder
- 17
- Innerverzahnung
- 18
- Außenverzahnung
- 19
- Drosselbereich
- 20
- Drosselbohrung
- 21
- Drosselbereich
- 22
- Drosselbohrung
- 22A
- Mündungsbereich der Drosselbohrung
- 23
- unterer Bereich
