DE10225358A1 - Elektromagnetischer Aktuator mit einem Schwenkanker - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Schwenkanker, der über Schwenklager an seinen beiden Seiten in einem Gehäuse um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, wobei koaxial zur Schwenkachse eine Drehstabfeder angeordnet ist, die an ihrem einen Ende drehfest mit dem Schwenkanker und mit ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. DOLLAR A Es wird vorgeschlagen, dass das eine Ende der Drehstabfeder über ein koaxial angeordnetes Drehrohr drehfest an einer Drehmomentenstütze angeschlossen ist, die etwa mittig am Schwenkanker angeordnet ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit einem Schwenkanker nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
• Aus der DE 199 55 054 A1 ist ein gattungsgemäßer, elektromagnetischer Aktuator bekannt, dessen Schwenkanker mit einem Lagerrohr fest verbunden ist, das an seinen Enden über Schwenklager in einem Gehäuse um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist. In dem Lagerrohr befindet sich koaxial zur Schwenkachse eine Drehstabfeder, die mit einem Ende im Bereich des einen Schwenklagers mit dem Lagerrohr und im Bereich des anderen Schwenklagers mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Dadurch wird die gesamte Breite des Schwenkankers für die Länge der Drehstabfeder genutzt. Allerdings wird die Federkraft der Drehstabfeder im Bereich eines Schwenklagers auf den Schwenkanker übertragen, während ein Kraftangriffspunkt eines Gaswechselventils in einer mittleren Ebene zwischen den Schwenklagern liegt. Dadurch wird auf den Schwenkanker ein Biegemoment ausgeübt. In Folge der starken, schraubenförmigen Durchbiegung des Schwenkankers liegt dieser in seinen Endlagen nicht mit seiner ganzen Fläche an dem Elektromagneten an, wodurch der elektromagnetische Wirkungsgrad des Elektromagneten stark verringert wird.
• Aus der DE 100 05 953 A1 ist ferner ein elektromagnetischer Aktuator mit einem Schwenkanker bekannt. Um in den Endlagen des Schwenkankers den Abstand zwischen den Ankerflächen und den Polflächen des Elektromagneten zu minimieren, sind die Ankerflächen, die den Polflächen des Aktuators zugewandt sind, und/oder die Polflächen durch Auf- und/oder Abtrageverfahren entsprechend profiliert. Das gewünschte Oberflächenprofil wird z. B. durch ein Abdruckverfahren oder ein Simulationsverfahren, beispielsweise durch die finite Elementemethode ermittelt. Ein solches Oberflächenprofil kann grundsätzlich durch einen dreidimensionalen Schliff hergestellt werden. Dieser ist jedoch sehr aufwändig, insbesondere bei schraubenförmigen Flächen.
• Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Durchbiegung des Schwenkankers zu verringern. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.
• Nach der Erfindung ist das eine Ende der Drehstabfeder über ein koaxial angeordnetes Drehrohr drehfest an einer Drehmomentenstütze angeschlossen, die etwa mittig am Schwenkanker angeordnet ist. Dadurch liegt die Krafteinleitung der Drehstabfeder etwa in der gleichen Ebene wie der Kraftangriffspunkt eines Gaswechselventils, so dass nur minimale Biegemomente auf den Schwenkanker einwirken. Das restliche Biegemoment, das aus dem Abstand zwischen den Krafteinleitungspunkten resultiert, führt zu einer einfachen, geringfügigen Durchbiegung des Schwenkankers, die ggf. durch ein einfaches Bearbeitungsverfahren ausgeglichen werden kann. Gleichzeitig kann die Länge der Drehstabfeder die Breite des Schwenkankers voll ausnutzen, so dass die Materialbeanspruchung der Drehstabfeder gering und ihre Lebensdauer groß ist. Dies kann gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung noch dadurch unterstützt werden, dass das Drehrohr zwischen seinen Verbindungsstellen drehelastisch ausgebildet ist, z. B. durch Schlitze, die im wesentlichen in Längsrichtung des Drehrohrs oder wendelförmig verlaufen. Durch die geometrische Gestaltung des Drehrohrs und eine geeignete Werkstoffauswahl kann zusammen mit der Drehstabfeder ein für jeden Einsatzfall günstiges Federverhalten erzielt werden.
• Gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Drehstabfeder mit ihrem anderen Ende in einem hohlen Lagerbolzen sitzt, der mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist. Auf diesem ist der Schwenkanker mit einem Lagerauge schwenkbar gelagert. Die Drehstabfeder ist dann frei durch die Drehmomentenstütze hindurch geführt und reicht bis in die Nähe des anderen Schwenklagers, das im Wesentlichen durch einen mit dem Schwenkanker verbundenen Lagerzapfen gebildet ist. An diesem Ende der Drehstabfeder ist das Drehrohr, das die Drehstabfeder umgibt, an der Drehstabfeder befestigt und führt zurück zur Drehmomentstütze des Schwenkankers, an der es dann befestigt ist.
• In vorteilhafter Weise lässt sich ein solcher Aktuator herstellen, indem in einem ersten Verfahrensschritt die Drehstabfeder mit dem Lagerbolzen und dem Drehrohr vormontiert werden, in einem zweiten Verfahrensschritt der Schwenkanker in das Gehäuse eingesetzt und in einem dritten Verfahrensschritt die vormontierte Einheit in das Gehäuse und den Schwenkanker eingeführt und der Lagerbolzen mit dem Gehäuse fest verbunden wird. So entsteht eine einfach herzustellende und Raum sparende Anordnung der Drehstabfeder mit einer hohen Lebensdauer.
• Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen. Es zeigt:
• Fig. 1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemässen Aktuators und
• Fig. 2 einen teilweisen Schnitt entsprechend der Linie II- II in Fig. 1.
• Ein Aktuator 10 besitzt einen oberen Elektromagneten 11 und einen unteren Elektromagneten 12. Diese haben jeweils eine Spule 13 bzw. 14 und ein Joch 15 bzw. 16, zwischen denen ein Schwenkanker 17 mittels Schwenklager 18 um eine Schwenkachse 39 drehbar gelagert ist. Der Schwenkanker 17 besitzt an einer Seite einen Finger 19, mit dem er ein Gaswechselventil 20 betätigt. Dieses ist mit seinem Ventilschaft 21 in einer Ventilführung 24 in einem Zylinderkopf 27 axial in Bewegungsrichtung 29 verschiebbar geführt. Das Gaswechselventil 20 steuert einen Gaswechselkanal 28, an dessen Mündung ein Ventilsitzring 23 eingelassen ist, an dem ein Ventilteller 22 des Gaswechselventils 20 im geschlossenen Zustand anliegt. Eine Ventilfeder 25, die sich einerseits am Zylinderkopf 27 und anderseits an einem Federteller 26 am Ventilschaft 21 abstützt, belastet das Gaswechselventil 20 in Schließrichtung.
• Ein Schwenklager 18 des Schwenkankers 17 wird von einem Lagerzapfen 31 gebildet, der an einer Seite des Schwenkankers 17 angeformt ist und im Gehäuse 30 gelagert ist, während das andere Schwenklager 18 aus einem hohlen Lagerbolzen 32 besteht, der fest in das Gehäuse 30 eingesetzt ist, und auf dem der Schwenkanker 17 über ein Lagerauge 34 gelagert ist. In dem Lagerbolzen 32 ist eine Drehstabfeder 33 mit ihrem Ende 35 drehfest eingesetzt. Das andere Ende 36 der Drehstabfeder 33 reicht ungefähr bis zu dem Lagerzapfen 31 und trägt drehfest ein Drehrohr 37. Dieses wird seinem anderen Ende in einer Drehmomentenstütze 38 des Schwenkankers 17 gehalten. Die Drehmomentenstütze 38 ist zusammen mit dem Finger 19 ungefähr in einer Mittelebene des Schwenkankers 17 angeordnet, so dass kein Versatz zwischen der Drehmomentenstütze 38 und dem Finger 19 in Längsrichtung der Drehstabfeder 33 entsteht.
• Zweckmäßigerweise wird die Drehstabfeder 33, der Lagerbolzen 32 und das Drehrohr 37 im vormontierten Zustand in das Gehäuse 30 bzw. in den Schwenkanker 17 eingesetzt. Hierzu wird der hohle Lagerbolzen 32 und das Drehrohr 37 auf die zugeordneten Enden 35 bzw. 36 aufgeschoben oder gepresst und mit diesen dauerhaft durch Formschluss, Kraftschluss und/oder Stoffschluss, z. B. durch Laserschweißen, verbunden. Die vormontierte Einheit 32, 33, 37 wird durch die Öffnung im Gehäuse 30 geschoben, die für den Lagerbolzen 32 vorgesehen ist, und ferner durch das Lagerauge 34 und die Drehmomentenstütze 38 des Schwenkankers 17, so dass das Lagerauge 34 des Schwenkankers 17 auf dem Lagerbolzen 32 drehbar gelagert ist und die Drehmomentenstütze 38 das Drehrohr 37 fest umschließt und mit diesem zweckmäßigerweise durch Schweißen verbunden wird. Die Federeigenschaften der Drehstabfeder 33 können durch das Drehrohr 37 unterstützt werden, indem dieses elastisch ausgebildet wird, z. B. durch die Auswahl eines geeigneten Werkstoffs oder durch eine besondere Formgebung. Hierzu können in dem Drehrohr 37 Aussparungen vorgesehen werden, beispielsweise in Form von mindestens einem Schlitz 40. Dieser verläuft im Wesentlichen in Längsrichtung des Drehrohrs 37, oder in ggf. in Form einer Wendel. Durch diese Maßnahmen kann das Federverhalten der Drehstabfeder optimiert und an den Einsatzfall angepasst werden.

Claims (6)

1. Elektromagnetischer Aktuator mit einem Schwenkanker, der über Schwenklager an seinen beiden Seiten in einem Gehäuse um eine Schwenkachse schwenkbar gelagert ist, wobei koaxial zur Schwenkachse eine Drehstabfeder angeordnet ist, die an ihrem einen Ende drehfest mit dem Schwenkanker und mit ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse drehfest verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass das eine Ende (36) der Drehstabfeder (33) über ein koaxial angeordnetes Drehrohr (37) drehfest an einer Drehmomententstütze (38) angeschlossen ist, die etwa mittig am Schwenkanker (17) angeordnet ist.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (37) drehelastisch ist.

3. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Drehrohr (37) zwischen seinen Enden Schlitze (40) aufweist.

4. Aktuator nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Schlitze (40) wendelförmig verlaufen.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehstabfeder (33) mit ihrem anderen Ende (35) in einem hohlen Lagerbolzen (32) sitzt, der mit dem Gehäuse (30) fest verbunden ist und auf dem der Schwenkanker (17) mit einem Lagerauge (34) schwenkbar gelagert ist, und dass sie durch die Drehmomentenstütze (38) hindurch geführt bis in die Nähe des anderen Schwenklagers (18) reicht, das im Wesentlichen durch einen mit dem Schwenkanker (17) verbundenen Lagerzapfen (31) gebildet ist.

6. Verfahren zum Herstellen eines Aktuators nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass in einem ersten Verfahrensschritt die Drehstabfeder (33) mit dem Lagerbolzen (32) und dem Drehrohr (37) vormontiert werden, dass in einem zweiten Verfahrensschritt der Schwenkanker (17) in das Gehäuse (30) eingesetzt und in einem dritten Verfahrensschritt die vormontierte Einheit (32, 33, 37) in das Gehäuse (30) und den Schwenkanker (17) eingeführt und der Lagerbolzen (32) mit dem Gehäuse (30) fest verbunden werden.