DE102021129222A1

DE102021129222A1 - Elektromagnetische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102021129222A1
Application number: DE102021129222.0A
Authority: DE
Inventors: Kevin Boudou; Martin Steigerwald; Yi Wang; Michael Schwarz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-11-10
Filing date: 2021-11-10
Publication date: 2023-05-11

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung (1) für einen Nockenwellenversteller, umfassend einen Kern (2), wobei der Kern (2) einen ersten Anschlag (10) für zwei beweglich geführte Stößel (4) in einer eingefahrenen Position bereitstellt, wobei eine Spule (5) um den Kern (2) herum angeordnet ist, wobei jeder Stößel (4) jeweils an einem dem Kern (2) zugewandten Bereich ein permanentmagnetisches Material (6) aufweist, wobei die Stellvorrichtung (1) derart konfiguriert ist, dass die Stößel (4) bei einer Aktivierung der Spule (5) in eine ausgefahrene Position bewegbar sind, wobei die Stößel (4) parallel und insbesondere koaxial zur Spule (5) ausgerichtet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung und einen Nockenwellenversteller mit einer derartigen Stellvorrichtung, sowie ein Nockenwellenverstellungssystem und ein Verfahren zur Nockenwellenverstellung mit einem solchen Nockenwellenverstellungssystem.
Derartige elektromagnetische Stellvorrichtungen sind bekannt und kommen beispielsweise in Nockenwellenverstellungssystemen für Nockenwellenantriebe zur Anwendung.
Es sind dabei verschiedene Konzepte für derartige elektromagnetische Stellvorrichtungen entwickelt worden. Üblicherweise werden dabei zwei Aktoren mit jeweils einem Stößel, auch als Pin bezeichnet, verwendet, die selektiv von einer eingefahrenen Position in eine ausgefahrene Position überführt werden können, wobei der ausgefahrene Stößel eine Leitstruktur in der Nockenwelle kontaktiert und durch die Ausgestaltung der Leitstruktur sowohl in radialer als auch in axialer Richtung der Nockenwelle diese durch Form- und/oder Kraftschluss mit dem Stößel in axialer Richtung bewegt, d.h. verschoben wird. Eine derartige Nockenwellenverstellung wird auch als Schiebenockenwellenverstellung bezeichnet.
Um die Aktoren gezielt ansprechen zu können ist es üblich, jedem Aktor einen Kern und eine Spule, d.h. einen Elektromagneten zuzuordnen. Bei Aktivierung des Elektromagneten wird der wenigstens teilweise aus magnetischem Material gefertigte Stößel in die ausgefahrene Position überführt. Eine solche elektromagnetische Stellvorrichtung ist beispielsweise in der WO 2020154749 A1 offenbart.
Vor diesem Hintergrund stellt sich daher die Aufgabe, eine verbesserte elektromagnetische Stellvorrichtung bereitzustellen, die insbesondere einfacher aufgebaut und kostengünstiger herstellbar ist.
Die Aufgabe wird gelöst durch den Gegenstand von Patentanspruch 1.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird also eine elektromagnetische Stellvorrichtung für einen Nockenwellenversteller vorgeschlagen, umfassend einen Kern, wobei der Kern einen ersten Anschlag für zwei beweglich geführte Stößel in einer eingefahrenen Position bereitstellt, wobei eine Spule um den Kern herum angeordnet ist, wobei jeder Stößel jeweils an einem dem Kern zugewandten Bereich ein permanentmagnetisches Material aufweist, wobei die Stellvorrichtung derart konfiguriert ist, dass die Stößel bei einer Aktivierung der Spule in eine ausgefahrene Position bewegbar sind, wobei die Stößel parallel und insbesondere koaxial zur Spule ausgerichtet sind. Die Stößel werden insbesondere auch als Pins bezeichnet, in diesem Sinne ist die elektromagnetische Stellvorrichtung mit zwei Stößeln also vorzugsweise ein Doppel-Pin-Aktor. Der Fachmann versteht, dass die Spule und der Kern zusammen einen Elektromagneten bilden, wobei der Elektromagnet durch einen Stromfluss bzw. eine angelegte Spannung an der Spule aktiviert wird. Eine Aktivierung der Spule meint damit insbesondere eine Aktivierung des Elektromagneten durch Anlegen einer Spannung. Der Fachmann versteht weiterhin, dass der Kern vorzugsweise aus einem weichmagnetischen Material gefertigt ist, beispielsweise einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material. Durch das permanentmagnetische Material in wenigstens einem Bereich der Stößel wechselwirken dann insbesondere der aus Spule und Kern gebildete Elektromagnet derart mit den Stößeln, dass diese abgestoßen und in die ausgefahrene Position verschoben werden.
Die erfindungsgemäße Stellvorrichtung ist in besonders vorteilhafter Weise einfach aufgebaut, da nur eine Spule und ein Kern ausreichen um beide Stößel zu betätigen. Weiterhin wird hierdurch die Anzahl der benötigten Bauteile verringert, wodurch der Herstellungsaufwand und somit letztendlich auch die Herstellungskosten verringert werden. Zudem ist die erfindungsgemäße Stellvorrichtung vorteilhafterweise besonders wartungsarm
Vorzugsweise ist das permanentmagnetische Material scheibenförmig ausgebildet. Die Stö-ßel sind jeweils ein- oder mehrstückig ausgebildet, d.h. insbesondere, dass ein Teil des Stö-ßels aus dem permanentmagnetischen Material gefertigt ist oder es bei dem permanentmagnetischen Material um ein separates Teil handelt, welches mit dem Rest des Stößels form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden wird. Dies bedeutet besonders bevorzugt, dass der Stößel einen Dauermagneten umfasst.
Vorzugsweise ist die elektromagnetische Stellvorrichtung wenigstens teilweise eingehaust. Besonders bevorzugt sind der Kern und die Spule wenigstens teilweise in einem Gehäuse angeordnet, wobei das Gehäuse ganz besonders bevorzugt durch einen Deckel, insbesondere fluiddicht, verschließbar ist. Hierdurch ist die Stellvorrichtung in vorteilhafter Weise gegen Verschmutzung und Beschädigung geschützt und somit auch im Motorbereich, in dem üblicherweise Fluide, beispielsweise Schmiermittel, strömen, abgekapselt.
Vorzugsweise ist die elektromagnetische Stellvorrichtung derart ausgebildet, dass sie bistabil ist. Dies bedeutet insbesondere, dass die Stößel sowohl in der eingefahrenen Position als auch in der ausgefahrenen Position stabil sind, sich also ohne äußere Kräfte nicht aus diesen Positionen bewegen. Besonders bevorzugt bedeutet dies auch, dass ein Stößel in der (vollständig) ausgefahrenen Position unabhängig von einer Aktivierung und/oder Deaktivierung des Elektromagneten verharrt. Wenn der Stößel also in die vollständig ausgefahrene Position verbracht wurde, verbleibt er dort, so lange keine äußeren Kräfte, insbesondere eine durch die Nockenwelle bewirkte Bewegung in die eingefahrene Position, auf ihn einwirken.
Weiterhin ist bevorzugt, dass die Stößel rotationssymmetrisch, insbesondere im Wesentlichen zylindrisch, ausgebildet sind und in einem dem Kern zugewandten Bereich einen grö-ßeren Durchmesser als in einem von dem Kern abgewandten Bereich aufweisen. Besonders bevorzugt weisen die Stößel eine Haupterstreckungsrichtung auf, die noch mehr bevorzugt parallel zu einer zentralen Achse (A) der Spule und/oder des Kerns ist. Vorzugsweise sind die Stößel im Wesentlichen identisch ausgebildet. Vorzugsweise weisen die Stößel, insbesondere entlang der Haupterstreckungsrichtung, eine axiale Länge auf. Insbesondere falls der Stößel zwei- oder mehrteilig ausgebildet ist, ist vorzugsweise der Bereich mit dem geringeren Durchmesser als ein einstückiges erstes Element ausgebildet. Der daran angrenzende Bereich mit dem größeren Durchmesser ist vorzugsweise als ein weiteres ein- oder mehrstückiges zweites Element ausgebildet. Das erste und das zweite Element sind miteinander form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Besonders bevorzugt haftet das zweite Element magnetisch an dem ersten Element. Ein derartiger, zwei- oder mehrteiliger Stößel ist besonders vorteilhaft, da auf diese Weise, insbesondere bei einem rotationssymmetrisch ausgebildeten Stößel, insbesondere in der ausgefahrenen Position, eine Drehung des Stö-ßels möglich ist. Gerade beim Einsatz in einem Nockenwellenverstellungssystem wirken durch den Kontakt zwischen Stößel, insbesondere dem ersten Element, und Nockenwelle Kräfte auf den Stößel. Bei einer zweiteiligen Ausführung ist in vorteilhafter Weise auch bereits bei geringeren Drehmomenten eine Drehung des ersten Elements des Stößels möglich, wodurch der Verschleiß des Stößels verringert wird.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stellvorrichtung ein Gehäuseelement umfasst, welches zwei Durchbohrungen aufweist, in denen die Stößel, insbesondere die von dem Kern abgewandten Bereiche, beweglich angeordnet sind, wobei das Gehäuseelement für die Stößel, insbesondere für die dem Kern zugewandten Bereiche der Stößel mit größerem Durchmesser, in der ausgefahrenen Position einen zweiten Anschlag bereitstellt, wobei das Gehäuseelement vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Kern verbunden ist. Vorzugsweise ist das Gehäuseelement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem die Spule und/oder den Kern umgebenden Gehäuse verbunden. Besonders bevorzugt ist zwischen Spule, Kern und/oder Gehäuseelement wenigstens ein Dichtmittel, insbesondere ein Dichtring, beispielsweise ein O-Ring, angeordnet. Noch mehr bevorzugt sind die Stößel in den Durchbohrungen axial geführt, d.h. insbesondere, dass die Stößel in den Durchbohrungen weitgehend spielfrei in der radialen Richtung, also senkrecht zur axialen Richtung, vorgesehen sind. Die Positionierung der Stößel wird also vorzugsweise durch das Gehäuseelement bewirkt. Hierdurch wird in vorteilhafter Weise der Schutz der Stellvorrichtung und insbesondere die Abkapslung von Spule und/oder Kern weiter verbessert. Durch die Durchbohrungen des Gehäuseelements wird eine Führung der Stö-ßel vorteilhafterweise bereitgestellt und somit die Stabilität und Genauigkeit vorteilhafterweise verbessert.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Kern zwei Sacklöcher aufweist, in denen die zwei Stößel beweglich angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Sacklöcher den ersten Anschlag bereitstellen, wobei eine Bewegung der Stö-ßel in die ausgefahrene Position in Richtung der offenen Enden der Sacklöcher erfolgt. Besonders bevorzugt ist in der eingefahrenen Position wenigstens ein Bereich der Stößel außerhalb der Sacklöcher angeordnet, wobei insbesondere in der eingefahrenen Position der Abschnitt der Stößel, der in den Sacklöchern befindlich ist, kleiner ist, als der außerhalb der Sacklöcher befindliche Abschnitt. Dies ist vorteilhaft, da somit ausreichend lange Stößel bereitgestellt werden, so dass ein vorbestimmter und insbesondere von der axialen Länge der Stößel abhängiger Abstand zwischen der Stellvorrichtung und der Nockenwelle einhaltbar ist. Noch mehr bevorzugt sind die Stößel in den Sacklöchern axial geführt, d.h. insbesondere, dass die Stößel in den Sacklöchern weitgehend spielfrei in der radialen Richtung, also senkrecht zur axialen Richtung, angeordnet sind. Die Positionierung der Stößel wird also vorzugsweise durch die Sacklöcher, ggf. in Kombination mit den Durchbohrungen des Gehäuseelements, bewirkt. Alternativ oder zusätzlich ist vorgesehen, dass die Stellvorrichtung wenigstens ein Führungsmittel aufweist, welches eine axiale und/oder magnetische Führung für die Stößel bereitstellt. Besonders bevorzugt ist das Führungsmittel wenigstens bereichsweise zylindrisch ausgebildet und/oder weist zwei gegenüberliegende offene Enden auf. Unter axialer Führung soll dabei insbesondere verstanden werden, dass die axiale Bewegung der Stößel durch eine in radialer Richtung im Wesentlichen spielfreie Anordnung geführt wird. Unter magnetischer Führung soll hingegen insbesondere verstanden werden, dass der magnetische Fluss zwischen den Stößeln und dem aus Kern und Spule bestehenden Elektromagneten geleitet und/oder geformt wird. Ganz besonders bevorzugt weist ein derartiges Führungsmittel einen 8-förmigen Querschnitt mit zwei Durchführungen für die Stößel auf. Noch mehr bevorzugt ist das Führungsmittel wenigstens in zur Anlage an die Stößel vorgesehenen Bereichen, insbesondere jedoch vollständig, aus einem weichmagnetischen Material gefertigt, beispielsweise einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material gefertigt. Dabei sind die beiden Durchführungen bzw. das Führungsmittel vorzugsweise einstückig ausgebildet. Alternativ ist das Führungsmittel zwei- oder mehrteilig vorgesehen. Beispielsweise ist das Führungsmittel zweiteilig ausgebildet, insbesondere aus zwei rollierten Blechen geformt, wobei die rollierten Bleche vorzugsweise miteinander, mit dem Kern, der Spule und/oder dem Gehäuseelement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Ein derartiges Führungsmittel ist besonders vorteilhaft, da somit der Kern einfacher, insbesondere ohne Sacklöcher, ausbildbar ist und durch ein separat herstellbares Führungsmittel die Herstellungskosten weiter reduzierbar sind. Selbstverständlich ist es ebenso denkbar, dass die Stellvorrichtung zwei separate Führungsmittel aufweist, von denen je eines einem Stößel zugeordnet ist.
Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Stößel an dem dem Kern zugewandten Ende ein, insbesondere scheibenförmiges, Abstandsmittel aufweisen. Ein derartiges Abstandsmittel bildet somit insbesondere ein äußeres Ende jedes Stößels. Besonders bevorzugt ist das Abstandsmittel derart ausgebildet, dass es das durch das permanentmagnetische Material erzeugte Magnetfeld lenkt und/oder formt. Ein derartiges Abstandsmittel ist besonders vorteilhaft, da somit einerseits ein Schutz des vorzugsweise an das Abstandsmittel angrenzenden permanentmagnetischen Materials vor Beschädigung, beispielsweise durch Anstoßen an den ersten Anschlag, bereitgestellt wird und ist zugleich zur Lenkung des Magnetfeldes und somit zur Optimierung der Funktionalität der Stellvorrichtung einsetzbar. Vorzugsweise umfasst das Abstandsmittel ein magnetisches, insbesondere ein ferromagnetisches und/oder ferrimagnetisches, Material.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass beide Stößel an dem dem Kern zugewandten Bereich, insbesondere in dem Bereich größeren Durchmessers, ein Umhüllungsmittel, insbesondere eine den Stößel in dem Bereich umgebende Hülse, aufweisen, wobei das Umhüllungsmittel vorzugsweise form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem Stößel verbunden ist. Eine derartige Hülse ist besonders vorteilhaft, da sie zum einen einen Abstand zwischen dem Kern und dem Stößel gewährleistet und somit eine Fehlfunktion durch magnetisches Anhaften des Stößels, insbesondere des permanentmagnetischen Materials, verhindert, und zum anderen dient sie als Abstandshalter, insbesondere zusätzlich zu dem Abstandsmittel. Der Fachmann versteht, dass der Grad der magnetischen Abschirmung insbesondere von der Wandstärke des Umhüllungsmittels abhängt. Es ist dabei bevorzugt vorgesehen, dass das Umhüllungsmittel aus einem amagnetischen Material gefertigt ist. Hierdurch wird ein magnetisches Anhaften an dem Kern und(/oder dem Führungsmittel vorteilhafterweise weiter verringert. Der Fachmann versteht, dass die Stärke der magnetischen Kraft zwischen Kern und Stößel unter anderem durch die Dicke des Umhüllungsmittel einstellbar ist. Alternativ sind das Umhüllungsmittel und das Abstandsmittel einstückig vorgesehen, d.h. insbesondere, dass ein einzelnes Element sowohl die Funktion des Umhüllungsmittels als auch diejenige des Abstandsmittels erfüllt. Auf diese Weise wird der Aufbau des Stößels in vorteilhafter Weise vereinfacht, da die Anzahl der benötigten Bauteile reduziert wird. Entscheidend ist dabei, dass insbesondere im seitlichen Bereich die Wanddicke des Umhüllungsmittels möglichst dünn gewählt wird, um magnetische Verluste durch das Material zu minimieren.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Umhüllungsmittel an seiner äußeren Mantelfläche, die Sacklöcher an ihrer inneren Mantelfläche und/oder das Führungsmittel an seiner inneren Mantelfläche wenigstens eine Aussparung aufweist. Besonders bevorzugt weist das Umhüllungsmittel an seiner äußeren Mantelfläche (und/oder die Wandung der Sacklöcher und/oder die Wandung des Führungsmittels) eine Vielzahl von im Wesentlichen identisch ausgebildeten und insbesondere entlang des Umfangs äquidistant voneinander beabstandeten Aussparungen auf. Hierdurch wird in besonders vorteilhafter Weise auch eine viskose Haftung, insbesondere in einer fluiden Umgebung, beispielsweise bei Einsatz eines Schmiermittels, verringert.
Gemäß noch einer weiteren bevorzugten Ausführungsform umfasst die Stellvorrichtung ein Befestigungsmittel zur ortsfesten Montage der Stellvorrichtung. Besonders bevorzugt ist das Befestigungsmittel als im Wesentlichen flächiges Material mit wenigstens einer Befestigungsstelle, insbesondere einem Loch ausgebildet. Beispielsweise ist das Befestigungsmittel aus einem Blech oder einem flächigen Metall ausgebildet. Ganz besonders bevorzugt ist das Befestigungsmittel mit dem Gehäuse und/oder dem Gehäuseelement form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden. Beispielsweise ist das Befestigungsmittel zwischen dem Gehäuseelement und dem Gehäuse form- und/oder kraftschlüssig aufgenommen. Insbesondere weist das Befestigungsmittel wenigstens zwei Löcher auf, die zu beiden Seiten des Gehäuses angeordnet sind, so dass die Stellvorrichtung in seiner Position eindeutig und sicher festlegbar ist. Durch das Befestigungsmittel wird in besonders einfacher und vorteilhafter Weise eine Montage der Stellvorrichtung ermöglicht.
Ein weiterer Gegenstand der vorliegenden Erfindung ist ein Nockenwellenversteller, insbesondere ein Schiebenockenwellenversteller, mit einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung.
Bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie bereits im Zusammenhang mit der elektromagnetischen Stellvorrichtung beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit diesem Gegenstand erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können, allein oder in Kombination, auch bei dem Nockenwellenversteller zur Anwendung kommen und umgekehrt.
Noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ist ein Nockenwellenverstellungssystem, insbesondere ein Schiebenockenwellenverstellungssystem, umfassend eine Nockenwelle mit wenigstens zwei Bereichen unterschiedlicher radialer Dicke, wobei ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller derart ortsfest angeordnet ist, dass die Längserstreckungsrichtung der Stößel und/oder die Spulenachse radial zur Nockenwelle ausgerichtet ist, wobei der Nockenwellenversteller derart relativ zu den zwei Bereichen unterschiedlicher radialer Dicke ausgerichtet ist, dass bei Aktivierung der Spule ein Stößel in Kontakt mit dem zweiten Anschlag gerät und in einen Bereich geringerer radialer Dicke eindringt, wobei der andere Stößel die Nockenwelle in dem Bereich größerer radialer Dicke kontaktiert, wobei der Bereich geringerer radialer Dicke derart wenigstens abschnittsweise entlang des Umfangs und wenigstens abschnittsweise in axialer Richtung der Nockenwelle ausgebildet ist, dass durch einen Kraft- und/oder Formschluss zwischen Stößel und Nockenwelle die Nockenwelle in axiale Richtung bewegbar ist, wobei der Bereich geringerer radialer Dicke insbesondere in Form einer Führungsnut ausgebildet ist. Der Fachmann versteht, dass die Führungsnut somit ansatzweise wenigstens abschnittsweise spiralförmig relativ zur Nockenwelle ausgebildet ist, d.h. sie ist im Wesentlichen in Umfangsrichtung ausgebildet und weist zudem eine axiale Komponente, also parallel zur Nockenwellenachse, auf.
Bevorzugt umfasst die Nockenwelle eine oder mehrere Führungsnuten. Auf diese Weise ist vorteilhafterweise sichergestellt, dass eine Verschiebung der Nockenwelle durch den Nockenwellenversteller in beide axiale Richtungen der Nockenwelle möglich ist.
Besonders bevorzugt umfasst die Nockenwelle einen Übergangsbereich, in dem die radiale Dicke insbesondere fließend, zwischen dem Bereich geringerer Dicke und dem Bereich grö-ßerer Dicke, variiert wird. Insbesondere ist dieser Übergangsbereich rampenförmig ausgebildet. Hierdurch ist es in vorteilhafter Weise möglich, dass der Stößel, der die Nockenwelle in dem Bereich geringerer radialer Dicke kontaktiert, gegen Ende der Verstellbewegung mittels der Rampe in den Bereich größerer radialer Dicke verfahren wird, insbesondere so dass dort die magnetische Anziehung zwischen Kern und permanentmagnetischen Materials ausreicht, um den Stößel von der (teil)ausgefahrenen in die eingefahrene Position zu überführen.
Bei dem erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellungssystem können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie bereits im Zusammenhang mit den übrigen Gegenständen der vorliegenden Erfindung beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit diesem Gegenstand erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können, allein oder in Kombination, auch bei den übrigen Gegenständen der vorliegenden Erfindung zur Anwendung kommen und umgekehrt.
Schließlich ist noch ein weiterer Gegenstand der Erfindung ein Verfahren zur Nockenwellenverstellung mit einem erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellungssystem, wobei die Spule derart aktiviert wird, dass die Stößel von der eingefahrenen Position in Richtung der ausgefahrenen Position überführt werden, wobei anschließend die Spule deaktiviert wird, wobei das permanentmagnetische Material der Stößel und der Kern derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Stößel, der die Nockenwelle in dem Bereich größerer radialer Dicke kontaktiert, nach Deaktivierung der Spule in die eingefahrene Position überführt wird. Der Fachmann versteht, dass folglich einer der beiden Stößel vorzugsweise in eine vollständig ausgefahrene Position bewegt wird, in der insbesondere die magnetischen Anziehungskräfte nicht ausreichen, um den Stößel in die eingefahrene Position zu überführen, während der andere Stößel lediglich in eine teilausgefahrene Position überführt wird.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren können dieselben Vorteile erreicht werden wie sie bereits im Zusammenhang mit den zuvor erläuterten Gegenständen der Erfindung beschrieben worden sind. Die im Zusammenhang mit diesem Verfahren erläuterten vorteilhaften Ausgestaltungen und Merkmale können, allein oder in Kombination, auch bei den übrigen Gegenständen zur Anwendung kommen und umgekehrt.
Weitere Einzelheiten und Vorteile der Erfindung sollen nachfolgend anhand der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele erläutert werden. Hierin zeigt:

1 eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
2 ein Nockenwellenverstellungssystem gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels;
3 eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung;
4 ein Nockenwellenverstellungssystem gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels;
5 ein Führungsmittel gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung.

In 1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung 1 gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 1, im Folgenden auch kurz als Stellvorrichtung 1 bezeichnet, ist insbesondere dazu vorgesehen als Nockenwellenversteller in einem Nockenwellenverstellungssystem eingesetzt zu werden.
Hierzu umfasst die Stellvorrichtung zwei Stößel 4, die in einer im Zusammenhang mit 2 noch zu erläuternden Weise mit einer Nockenwelle 100 zusammenwirken. Die Stößel 4, auch als Pin bezeichnet, so dass die Stellvorrichtung 1 insbesondere als Doppel-Pin-Stellvorrichtung bzw. als Doppel-Pin-Aktor bezeichnet werden kann, sind dabei hier im Wesentlichen stift- oder zylinderförmig ausgebildet, d.h. sie sind rotationssymmetrisch ausgebildet mit einem vorzugsweise kreisrunden Querschnitt und einer Längserstreckung parallel zu einer Achse A und weisen in einem oberen Bereich einen größeren Durchmesser auf als in einem restlichen Bereich. Der Bereich größeren Durchmesser weist dabei eine deutlich geringere axiale Längserstreckung auf als der andere Bereich. Insbesondere weist der Stößel 4 im Wesentlichen entlang seiner Längserstreckung lediglich zwei Durchmesser auf, d.h. die Bereiche weisen entlang ihrer Längserstreckung einen konstanten Durchmesser und/oder Querschnitt auf. Die beiden Stößel 4 sind vorzugsweise identisch ausgebildet.
In einem oberen Bereich weisen die Stößel 4 ein permanentmagnetisches Material 6 auf, beispielsweise in Form einer Scheibe mit einer vorbestimmten Längserstreckung. Hier ist oberhalb des permanentmagnetischen Materials 6 vorzugsweise ein Abstandsmittel 8, beispielsweise eine Scheibe aus einem insbesondere ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen Material, angeordnet. Dieses Abstandsmittel 8 dient einerseits dazu ein Magnetfeld zu lenken und/oder zu formen und fungiert andererseits als mechanischer Schutz für das permanentmagnetische Material 6.
Die Stößel 4 sind dabei jeweils parallel zueinander in einem Sackloch 3 eines Kerns 2 angeordnet. Um den Kern 2 herum ist eine Spule 5 angeordnet, so dass Spule 5 und Kern 2 zusammen einen Elektromagneten bilden, der aktiviert wird, wenn eine Spannung an die Spule 5 angelegt wird. Die hierfür nötigen elektrischen Anschlüsse sind vorliegend der Einfachheit halber nicht dargestellt. Da derartige Stellvorrichtungen 1 beispielsweise bei Motoren eingesetzt werden und besonders bevorzugt im Zusammenhang mit Schmiermitteln, sind Spule 5 und Kern 2 in einem Gehäuse 11 eingehaust. Vorzugsweise wird das Gehäuse 11 durch einen Deckel 12, insbesondere fluiddicht, verschlossen, hier beispielsweise am oberen Ende.
Die Spule ist dabei konzentrisch um eine zentrale Achse A herum vorgesehen, wobei die Achse A parallel zur Haupterstreckungsrichtung bzw. zur Längserstreckung, der Stößel 4 ist.
Das obere Ende der Sacklöcher 3 bildet dabei einen ersten Anschlag 10 für die Stößel 4. Wenn die Stößel 4 an dem ersten Anschlag 10 anliegen, befinden sie sich in einer eingefahrenen Position. In dieser Position werden die Stößel 4 durch die magnetische Anziehungskraft zwischen Kern 2 und dem permanentmagnetischen Material 6 gehalten, wenn die Spule 5 deaktiviert ist.
Damit die Stößel 4 nicht an dem Kern 2 haften bleiben, sondern schnell und einfach verfahren werden können, ist der obere Bereich der Stößel 4, also hier der Bereich mit einem grö-ßeren Durchmesser, außen, insbesondere vollständig, mit einem Umhüllungsmittel, hier einer Hülse 9 aus einem amagnetischen Material umgeben. Diese weist hier nicht gezeigte Aussparungen auf ihrer Außenfläche, insbesondere der Mantelfläche auf, um die Haftung zwischen Innenwandung der Sacklöcher 3 und der Hülse 9 zu verringern. Die Hülse 9 ist besonders bevorzugt durch form- und/oder kraftschlüssig an dem oberen Bereich der Stößel 4 befestigt.
Unterhalb des Kerns 2 ist hier ein Gehäuseelement 7 angeordnet, welches zwei Durchbohrungen aufweist, durch die die Stößel 4 geführt sind. Vorzugsweise sind die Stößel 4 und/oder das Gehäuseelement 7 derart dimensioniert, dass die Stößel 4 auch in der eingefahrenen Position aus dem Gehäuseelement 7 hervorragen. Das Gehäuseelement 7 stellt zudem einen unteren, zweiten Anschlag 20 bereit. Wenn die Stößel 4 an diesem zweiten Anschlag 20 anliegen, befinden sie sich in einer (vollständig) ausgefahrenen Position.
Vorzugsweise ist zur Abdichtung zwischen Gehäuseelement 7, Spule 5 und/oder Kerns 2 ein Dichtmittel, hier beispielsweise ein O-Ring 13 angeordnet. Ferner ist vorliegend zudem eine optionale Lasche 14 dargestellt, welcher der Befestigung während der Montage der Stellvorrichtung 1 dient. Hierzu ist die Lasche im Wesentlichen scheibenförmig, beispielsweise blechförmig, ausgebildet und weist besonders bevorzugt mehrere Befestigungslöcher auf. Hier ist die Lasche 14 form- und/oder kraftschlüssig zwischen dem Gehäuseelement 7 und dem Gehäuse 11 eingeklemmt.
In 2 ist ein Nockenwellenverstellungssystem gemäß eines ersten Ausführungsbeispiels dargestellt. Dabei umfasst das Nockenwellenverstellungssystem zumindest einen Nockenwellenversteller, der wiederum eine erfindungsgemäße elektromagnetische Stellvorrichtung 1 umfasst, sowie eine Nockenwelle 100. Diese ist vorliegend lediglich angedeutet und erstreckt sich im Wesentlichen in der Bildebene von links nach rechts, also parallel zu einer Achse B. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 kann dabei beispielsweise entsprechend der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Ausführungsform ausgebildet sein, weswegen grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird.
Die Nockenwelle 100 weist dabei Führungsrillen oder -nuten auf, die wenigstens abschnittsweise entlang des Umfangs und der Längserstreckung der Nockenwelle 100 ausgebildet sind. In diesen Führungsnuten weist die Nockenwelle 100 eine geringere radiale Dicke auf als in einem zweiten Bereich. Der Fachmann versteht, dass entlang der axialen Erstreckung (B) der Nockenwelle 100 noch weitere Bereiche verschiedener radialer Dicke vorgesehen sein können, für die vorliegende Erfindung sind allerdings im Wesentlichen nur diese beiden Bereiche mit den zwei Dicken maßgeblich. Das Nockenwellenverstellungssystem ist dazu vorgesehen, die Nockenwelle 100 entlang ihrer Achse (B) zwischen wenigstens einer ersten Position und einer zweiten Position zu verschieben, weswegen auch von einem Schiebenockenwellenverstellungssystem gesprochen werden kann. Besonders bevorzugt sind an der ersten und der zweiten Position Übergangsbereiche, insbesondere in Form von Rampen vorgesehen, die den ausgefahrenen Stößel 4 von dem Bereich geringerer radialer Dicke in den Bereich größerer radialer Dicke überführen.
Der Nockenwellenversteller, also insbesondere die Stellvorrichtung 1 ist dabei derart zu der Nockenwelle 100 ausgerichtet und ortsfest angeordnet, dass die Längserstreckung der Stö-ßel 4 bzw. die zentrale Achse A der Spule 5 mit der radialen Richtung der Nockenwelle 100 zusammenfällt. Eine Bewegung der Stößel 4 zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Position erfolgt somit in radialer Richtung relativ zur Nockenwelle 100.
Wenn nun die Nockenwelle 100 verschoben werden soll, wird die Spule 5 und somit der Elektromagnet aktiviert, wodurch ein Magnetfeld induziert wird, welches die Stößel 4 aus der eingefahrenen Position heraus in Richtung der ausgefahrenen Position bewegt. Einer der beiden Stößel 4, hier der linke Stößel 4, wird dabei vollständig in die ausgefahrene Position bewegt, d.h. bis zum Kontakt mit dem zweiten Anschlag 20. Dabei dringt der Stößel 4 in die Führungsnut, d.h. den Bereich geringerer radialer Dicke, ein.
Der andere Stößel 4, hier der rechte Stößel, kommt jedoch bereits vorher in Kontakt mit dem Bereich größerer radialer Dicke, er gelangt also lediglich in eine teilweise ausgefahrene Position. In dieser Position bei nun deaktivierter Spule die magnetische Anziehungskraft zwischen Kern 2 und permanentmagnetischem Material 6 ausreichend, so dass der Stößel 4 wieder in die eingefahrene Position überführt wird.
Der hier rechte Stößel 4 wird also in Richtung der ausgefahrenen Position bewegt und unmittelbar anschließend zurück in die eingefahrene Position überführt. Der hier linke Stößel 4 hingegen verschiebt durch einen axialen Kontakt mit der Führungsnut bzw. der Nockenwelle 100, also durch einen Kraft- und/oder Formschluss diese in axiale Richtung.
Gegen Ende der Bewegung wird der Stößel 4 vorzugsweise über eine Rampe wieder in einen Bereich größerer radialer Dicke überführt, so dass erneut durch die magnetische Anziehungskraft auch der linke Stößel 4 wieder in die eingefahrene Position bewegt wird.
Die gewünschte Nockenwellenverstellung wird also trotz zweier Stößel 4 in vorteilhafter Weise durch eine einzige Spule (und einen einzigen Kern) bewirkt.
In 3 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung 1 gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Diese zweite Ausführungsform ähnelt dabei der in Zusammenhang mit 1 erläuterten ersten Ausführungsform, so dass grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird, wobei im Folgenden vor allem die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen eingehender diskutiert werden.
Der wesentliche Unterschied liegt hier darin, dass der Kern 2 in 1 zwei (zylindrische) Sacklöcher 3 aufweist, in denen die Stößel 4 axial beweglich gelagert bzw. angeordnet sind. In 3 weist der Kern 2 nun keine derartigen Sacklöcher 3 auf. Stattdessen ist nun zwischen dem Gehäuseelement 7 und dem Kern 2 ein Führungsmittel 15 angeordnet, welches vorzugsweise das Magnetfeld führt und/oder formt und ggf., insbesondere bei einem zwei- oder mehrteiligen Aufbau der Stößel 4, auch die axiale Führung der Stößel 4 bereitstellt. Beispielsweise ist das Führungsmittel 15 zwischen dem Gehäuseelement 7 und dem Kern 2 eingeklemmt. Alternativ ist jedoch auch denkbar, dass das Führungsmittel 15 ein wenig Spiel aufweist, so dass die korrekte Positionierung durch das Zusammenwirken der Stößel 4 mit den Durchgangslöchern in dem Gehäuseelement 7 erfolgt und das Führungsmittel 15 entsprechend ausgerichtet wird.
Vorzugsweise sind die Stößel 4 im Wesentlichen gleich ausgebildet wie hinsichtlich des ersten Ausführungsbeispiels erläutert, also insbesondere mit einem permanentmagnetischen Material 6, einem Abstandsmittel 8 und einer Hülse 9.
Vorzugsweise wird, wie dargestellt, der erste Anschlag 10 weiterhin durch die nun flache Bodenfläche des Kerns 2 bereitgestellt und der zweite Anschlag 20 weiterhin durch das Gehäuseelement 7. Das Führungsmittel 15 umfasst folglich gemäß dieser Ausführungsform zwei, insbesondere zylindrische, Bereiche, in denen die Stößel 4 geführt sind. Diese Bereiche können untereinander verbunden sein oder durch eine Zwischenwand wenigstens teilweise getrennt sein. Das Führungsmittel 15 weist an beiden Seiten offene Enden auf.
Weiterhin ist vorliegend der Deckel 12 anders ausgebildet, nämlich anders als in 1 nicht als im Wesentlichen flache Scheibe, sondern weist einen zentralen Fortsatz auf, mit welchem er vorzugsweise in eine komplementär geformte zentrale Ausnehmung des Kerns 2 eingreift. Auf diese Weise wird der Kern 2 in vorteilhafter Weise in der Stellvorrichtung 1 relativ zu dem Gehäuse 11 zentriert.
Ferner sind vorliegend beispielhaft weitere mögliche O-Ringe 13 als Dichtmittel vorhanden, darunter beispielsweise ein O-Ring 13, der zwischen der Spule 5 und dem Deckel 12 angeordnet ist.
Entscheidend ist bei dieser Ausführungsform, dass die Funktionsweise der Stellvorrichtung 1 gegenüber der ersten Ausführungsform unverändert ist. Nach wie vor werden beide Stößel 4 durch einen einzelnen Kern 2 zwischen der eingefahrenen Position und der ausgefahrenen Position verbracht und vorzugsweise durch das Gehäuseelement 7 in dieser Bewegung axial geführt, d.h ihre Position wird in radialer Richtung durch die Durchbohrungen in dem Gehäuseelement 7 festgelegt, während eine axiale Bewegung zwischen den beiden Positionen möglich ist.
In 4 ist ein Nockenwellenverstellungssystem gemäß eines zweiten Ausführungsbeispiels dargestellt. Diese zweite Ausführungsform ähnelt dabei der in Zusammenhang mit 2 erläuterten ersten Ausführungsform, insbesondere mit Hinblick auf die Nockenwelle 100 und die Interaktion mit den Stößeln 4, also der Funktionsweise des Nockenwellenverstellungssystems, so dass grundsätzlich auf die diesbezüglichen Ausführungen verwiesen wird, wobei im Folgenden vor allem die Unterschiede zwischen den Ausführungsformen eingehender diskutiert werden.
Die Stellvorrichtung 1 entspricht hier jener zweiten Ausführungsform, die zuvor bezüglich 3 erläutert wurde. Dies bedeutet insbesondere, dass die Stellvorrichtung 1 zur axialen Führung der Stößel 4 wenigstens ein Führungsmittel 15 aufweist.
In 5 ist ein Führungsmittel 15 gemäß eines Ausführungsbeispiels der vorliegenden Erfindung dargestellt. Dieses ist hier einstückig vorgesehen und weist im Wesentlichen einen Querschnitt in Form einer Acht auf mit zwei im Wesentlichen zylindrischen Führungsbereichen. Die Führungsbereiche sind hier untereinander verbunden, sie können jedoch alternativ, insbesondere abhängig von der Ausführungsform und einem Abstand der Stößel 4 untereinander, auch durch eine Zwischenwand wenigstens teilweise getrennt sein.
Es jedoch alternativ auch denkbar, dass das Führungsmittel 15 zwei- oder mehrteilig vorgesehen ist. Beispielsweise könnte das Führungsmittel 15 auch zweiteilig ausgebildet sein, insbesondere aus zwei rollierten Blechen geformt sein, wobei die rollierten Bleche vorzugsweise miteinander, mit dem Kern 2, der Spule 5 und/oder dem Gehäuseelement 7 form-, kraft- und/oder stoffschlüssig verbunden sind.
Ein solches Führungsmittel 15 kann dabei, wenigstens bereichsweise, aus einem magnetischen, insbesondere einem ferromagnetischen und/oder ferrimagnetischen, Material gefertigt sein, um das mit den Stößeln 4 interagierende Magnetfeld besser zu formen bzw. zu lenken.
Das Führungsmittel 15 ist, wie hier dargestellt, im Wesentlichen symmetrisch ausgebildet, insbesondere hinsichtlich eine durch parallel zur Achse A verlaufenden Mittelebene und/oder hinsichtlich einer horizontal mittig durch das Führungsmittel verlaufenden Querschnittsebene. Hier wird diese Symmetrie lediglich durch äußere Materialaussparungen gebrochen, die dazu dienen, das Magnetfeld, insbesondere symmetrisch, zu formen, um sonst unter Umständen auftretende radiale Kräfte, also Kräfte in einer Ebene senkrecht zur axialen Richtung, zu vermeiden. Vorzugsweise sind derartige Materialaussparungen an einer zum Kern 2 gewandten Seite des Führungsmittels 15 angeordnet. Besonders bevorzugt ist das Führungsmittel 15 jedoch vollkommen symmetrisch vorgesehen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

WO 2020154749 A1 [0004]

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung (1) für einen Nockenwellenversteller, umfassend einen Kern (2), wobei der Kern (2) einen ersten Anschlag (10) für zwei beweglich geführte Stößel (4) in einer eingefahrenen Position bereitstellt, wobei eine Spule (5) um den Kern (2) herum angeordnet ist, wobei jeder Stößel (4) jeweils an einem dem Kern (2) zugewandten Bereich ein permanentmagnetisches Material (6) aufweist, wobei die Stellvorrichtung (1) derart konfiguriert ist, dass die Stößel (4) bei einer Aktivierung der Spule (5) in eine ausgefahrene Position bewegbar sind, wobei die Stößel (4) parallel und insbesondere koaxial zur Spule (5) ausgerichtet sind.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dass die Stößel (4) rotationssymmetrisch, insbesondere im Wesentlichen zylindrisch, ausgebildet sind und in einem dem Kern (2) zugewandten Bereich einen größeren Durchmesser als in einem von dem Kern (2) abgewandten Bereich aufweisen.
Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Kern (2) zwei Sacklöcher (3) aufweist, in denen die zwei Stößel (4) beweglich angeordnet sind, wobei vorzugsweise die Sacklöcher (3) den ersten Anschlag (10) bereitstellen, wobei eine Bewegung der Stößel (4) in die ausgefahrene Position in Richtung der offenen Enden der Sacklöcher (3) erfolgt, und/oder dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) wenigstens ein Führungsmittel (15) aufweist, welches eine axiale Führung für die Stößel (4) bereitstellt.
Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (1) ein Gehäuseelement (7) umfasst, welches zwei Durchbohrungen aufweist, in denen die Stößel (4), insbesondere die von dem Kern (2) abgewandten Bereiche, beweglich angeordnet sind, wobei das Gehäuseelement (7) für die Stößel (4), insbesondere für die dem Kern (2) zugewandten Bereiche der Stößel (4) mit größerem Durchmesser, in der ausgefahrenen Position einen zweiten Anschlag (20) bereitstellt, wobei das Gehäuseelement (7) vorzugsweise kraft-, form- und/oder stoffschlüssig mit dem Kern (2) verbunden ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stößel (4) an dem dem Kern (2) zugewandten Ende ein, insbesondere scheibenförmiges, Abstandsmittel (8) aufweisen.
Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass beide Stößel (4) an dem dem Kern (2) zugewandten Bereich, insbesondere in dem Bereich größeren Durchmessers, ein Umhüllungsmittel, insbesondere eine den Stößel (4) in dem Bereich umgebende Hülse (9), aufweisen, wobei das Umhüllungsmittel vorzugsweise form-, kraft- und/oder stoffschlüssig mit dem Stößel (4) verbunden ist, wobei das Umhüllungsmittel vorzugsweise aus einem amagnetischen Material gefertigt ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Umhüllungsmittel an seiner äußeren Mantelfläche, die Sacklöcher an ihrer inneren Mantelfläche und/oder das Führungsmittel an seiner inneren Mantelfläche wenigstens eine Aussparung aufweist.
Nockenwellenversteller, insbesondere Schiebenockenwellenversteller, mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Nockenwellenverstellungssystem, insbesondere Schiebenockenwellenverstellungssystem, umfassend eine Nockenwelle (100) mit wenigstens zwei Bereichen unterschiedlicher radialer Dicke, wobei ein Nockenwellenversteller (1) gemäß Anspruch 8 derart ortsfest angeordnet ist, dass die Längserstreckungsrichtung (A) der Stößel und/oder die Spulenachse (A) radial zur Nockenwelle (100) ausgerichtet ist, wobei der Nockenwellenversteller derart relativ zu den zwei Bereichen unterschiedlicher radialer Dicke ausgerichtet ist, dass bei Aktivierung der Spule (5) ein Stößel (4) in Kontakt mit dem zweiten Anschlag (20) gerät und in einen Bereich geringerer radialer Dicke eindringt, wobei der andere Stößel (4) die Nockenwelle (100) in einem Bereich größerer radialer Dicke kontaktiert, wobei der Bereich geringerer radialer Dicke derart wenigstens abschnittsweise entlang des Umfangs und wenigstens abschnittsweise in axialer Richtung (B) der Nockenwelle (100) ausgebildet ist, dass durch einen Kraft- und/oder Formschluss zwischen Stößel (4) und Nockenwelle (100) die Nockenwelle (100) in axiale Richtung (B) bewegbar ist, wobei der Bereich geringerer radialer Dicke insbesondere in Form einer Führungsnut ausgebildet ist.
Verfahren zur Nockenwellenverstellung mit einem Nockenwellenverstellungssystem gemäß Anspruch 9, wobei die Spule (5) derart aktiviert wird, dass die Stößel (4) von der eingefahrenen Position in Richtung der ausgefahrenen Position überführt werden, wobei anschließend die Spule (5) deaktiviert wird, wobei das permanentmagnetische Material (6) der Stößel (4) und der Kern (2) derart aufeinander abgestimmt sind, dass der Stößel (4), der die Nockenwelle (100) in dem Bereich größerer radialer Dicke kontaktiert, nach Deaktivierung der Spule (5) in die eingefahrene Position überführt wird.