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Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Aus der WO 98/42957 A1 ist ein elektromagnetischer Aktuator
bekannt, bei dem ein Schwenkanker zwischen zwei
Elektromagneten schwenkbar gelagert ist. Im stromlosen Zustand der
Elektromagnete hält eine Drehstabfeder den Schwenkanker in einer
Mittenlage zwischen den Elektromagneten. Wenn ein
Elektromagnet bestromt wird und den Schwenkanker bis zu einer Anlage an
seinen Polflächen anzieht, steigt die Torsionsspannung in der
Drehstabfeder von 0 auf einen maximalen Wert tmax. Bei einer
Bewegung des Schwenkankers in die entgegengesetzten Richtung
bis zur Anlage an den Polflächen des anderen Elektromagneten
durchläuft die Torsionsspannung in der Drehstabfeder wieder
die Nulllage und erreicht einen negativen Wert, der absolut
betrachtet etwa dem maximalen Wert tmax entspricht. Durch die
Wechsellast mit dem Nulldurchgang sinkt die Lebensdauer der
Drehstabfeder.
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Aus der gleichen Druckschrift ist eine Variante eines
Aktuators bekannt, bei der die Drehstabfeder den Schwenkanker nur
in Öffnungsrichtung belastet, während in Schließrichtung
eines Gaswechselventils eine Ventilfeder in Form einer
Schraubenfeder wirkt. Zwar wird hierdurch eine Wechsellast in der
Drehstabfeder vermieden, jedoch ist es schwierig, zwei Federn
unterschiedlicher Bauart und mit unterschiedlichen
Federtoleranzen sowie Federkennlinien aufeinander abzustimmen. Ferner
erhöht sich der Aufwand an Bauraum, Gewicht, Fertigung und
Montage.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, bei einem
gattungsgemäßen Aktuator die Standfestigkeit einer Drehstabfeder zu
verbessern. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale
des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen
ergeben sich aus den Unteransprüchen.
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Nach der Erfindung ist die Drehstabfeder an ihren beiden
Enden drehbar im Gehäuse des Aktuators und der Schwenkanker auf
der Drehstabfeder drehbar gelagert. Mit jedem Ende der
Drehstabfeder ist jeweils ein Anschlaghebel drehfest verbunden.
Die Drehstabfeder überträgt einerseits ihre Federkraft über
Mitnehmer auf den Schwenkanker und stützt sich andererseits
über Anschläge am Gehäuse ab, und zwar sind die Anschläge und
Mitnehmer an einem Ende der Drehstabfeder in Drehrichtung des
Schwenkankers gesehen auf der einen Seite des zugeordneten
Anschlaghebels angeordnet, während sie am anderen Ende der
Drehstabfeder auf der entgegengesetzten Seite des
zugeordneten Anschlaghebels angeordnet sind. Daraus ergibt sich, dass
die Drehstabfeder je nach Drehrichtung des Ankers abwechselnd
an dem einen Ende am Gehäuse abstützt oder an dem anderen.
Entsprechend wechselt die Krafteinleitung über die Mitnehmer
auf den Schwenkanker beim Durchgang durch die Mittenlage auf
das Ende der Drehstabfeder, das sich zuvor am Gehäuse
abgestützt hat. Dadurch erreicht man, dass die Torsionsspannung
von einem Minimalwert, z. B. null, in der Mittenlage in beiden
Drehrichtungen des Ankers bis zu einem Maximalwert ansteigt,
der bei Anläge des Ankers an den Polflächen der
Elektromagnete erreicht wird. Anstelle einer wechselnden Belastung nach
dem Stand der Technik tritt erfindungsgemäß nur eine
Schwelllast auf. Unter einer solchen Belastung erreicht die
Drehstabfeder eine wesentlich höhere Lebensdauer.
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Durch die Anordnung der Mitnehmer und der Anschläge relativ
zu den Anschlaghebeln ist es möglich, die Federcharakteristik
der Drehstabfeder zu beeinflussen. Es ist daher zweckmäßig,
dass gemäß einer Ausgestaltung der Erfindung die Anschläge,
die Anschlaghebel und/oder die Mitnehmer in Drehrichtung des
Schwenkankers einstellbar sind. Solche Einstellvorrichtungen
sind in der Technik an sich vielfältig bekannt, z. B. als
Einstellschrauben, Exzenter, Beilagscheiben, Stellgetriebe und
dgl. Durch die relative Lage der Anschlaghebel und der
Mitnehmer zueinander kann z. B. erreicht werden, dass die
Anschlaghebel in der Mittenlage bereits unter einer Vorspannung
an den Mitnehmern anliegen. Diese Vorspannung erhöht sich
dann beim Drehen des Schwenkankers aus der Mittenlage bis zur
maximalen Torsionsspannung.
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Ferner kann die Mittenlage des Schwenkankers durch die
relative Lage der Anschlaghebel und der Anschläge zueinander
bestimmt werden. Schließlich können die Anschlaghebel, die
Mitnehmer und die Anschläge eine solche relative Lage zueinander
einnehmen, dass sich in Bezug auf die Mittenlage eine
asymmetrische Federkennlinie ergibt, wie sie an sich durch die
DE 198 37 837 C1 bekannt ist. Dabei besitzt die Drehstabfeder
in Öffnungsrichtung eine steilere Kennlinie und eine
geringere Vorspannung als in Schließrichtung, wobei die
Gleichgewichtslage bei stromlosen Magneten ungefähr der energetischen
Mittenlage entspricht. Die asymmetrische Kennlinie kann dazu
benutzt werden, einer Veränderung der Mittenlage durch
Verschleiß während der Lebensdauer entgegenzuwirken.
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Da nach der Erfindung nur eine Feder notwendig ist, reduziert
sich der Bauaufwand und das Gewicht. Ferner wir die
Drehstabfeder gegenüber einer Drehstabfeder nach dem Stand der
Technik nur um den halben Schwenkwinkel des Schwenkankers
verdrillt, so dass sich eine günstigere Materialbelastung ergibt
und die Drehstabfeder leichter ausgelegt werden kann.
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der
Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, 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.
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Dabei zeigen:
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Fig. 1 einen schematischen Querschnitt durch einen
erfindungsgemäßen Aktuator im Bereich eines Schwenkankers,
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Fig. 2 einen schematischen Schnitt entsprechend der Linie
II-II in Fig. 1, wenn sich der Schwenkanker in einer
oberen Endlage befindet,
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Fig. 3 einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in
Fig. 1 bei einer Lage des Schwenkankers wie in
Fig. 2,
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Fig. 4 einen schematischen Schnitt entsprechend der Linie
II-II in Fig. 1, wenn sich der Schwenkanker in einer
Mittenlage befindet,
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Fig. 5 einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in
Fig. 1 bei einer Lage des Schwenkankers wie in
Fig. 4,
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Fig. 6 einen schematischen Schnitt entsprechend der Linie
II-II in Fig. 1, wenn sich der Schwenkanker in einer
unteren Endlage befindet,
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Fig. 7 einen Schnitt entsprechend der Linie III-III in
Fig. 1 bei einer Lage des Schwenkankers wie in
Fig. 6 und
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Fig. 8 ein Schaubild, in dem eine Torsionsspannung der
Drehstabfeder über einen Drehwinkel aufgetragen ist.
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Ein elektromagnetischer Aktuator 10 ist in Fig. 1, so weit es
zum Verständnis der Erfindung erforderlich ist, im
Querschnitt dargestellt. Er besitzt einen Schwenkanker 16, der
mit einem Finger 17 z. B. ein nicht näher dargestelltes
Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine betätigt. Der
Schwenkanker 16 ist in üblicher Weise zwischen zwei nicht
dargestellten Elektromagneten schwenkbar angeordnet, wobei er auf
einer Drehstabfeder 19 mittels eines Lagerteils 18 drehbar
gelagert ist, die ihrerseits über Lager 14 und 15 an ihren
Enden in Seitenwänden 12, 13 eines Gehäuses 11 des Aktuators
10 gelagert ist.
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Mit den Enden der Drehstabfeder 19 ist jeweils ein
Anschlaghebel 20 bzw. 21 drehfest verbunden. In Drehrichtung 30 des
Schwenkankers 16 (Fig. 4) ist auf der unteren Seite des
Anschlaghebels 20 ein Mitnehmer 24 angeordnet, der mit dem
Schwenkanker 16 fest verbunden ist. Auf der gleichen Seite
des Anschlaghebels 20 befindet sich ein Anschlag 22, der mit
dem Gehäuse 11 fest verbunden ist. Am anderen Ende der
Drehstabfeder 19 liegen in Drehrichtung 30 des Schwenkankers 16
(Fig. 5) entsprechend ein Mitnehmer 25 und ein Anschlag 23
auf der entgegengesetzten Seite des zugeordneten
Anschlaghebels 21.
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Die Fig. 4 und Fig. 5 zeigen den Schwenkanker 16 in einer
energetischen Mittenlage 26, 27 (Fig. 8), in der der
Anschlaghebel 20 den Mitnehmer 24 und den Anschlag 22 berührt oder an
diesen mit einer Vorspannung anliegt, während am anderen Ende
der Drehstabfeder 19 der Mitnehmer 25 und der Anschlag 23 auf
der gegenüber liegenden Seite des zugeordneten Anschlaghebels
21 anliegen.
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Fig. 2 zeigt eine Stellung des Schwenkankers 16, in der er
vom oberen Elektromagneten angezogen ist. Der Anschlaghebel
20 wird dabei vom Mitnehmer 24 in Drehrichtung 30
mitgenommen, so dass sich die Drehstabfeder 19, die sich über den
Anschlaghebel 21 am gehäusefesten Anschlag 23 abstützt, um den
entsprechenden Drehwinkel 1/2φ des Schwenkankers 16 spannt
und eine maximale Torsionsspannung τmax (Fig. 8) erreicht. Beim
Zurückschwenken des Schwenkankers 16 durchläuft dieser die
Mittenlage (Fig. 4, Fig. 5) und erreicht die entgegengesetzte
Endlage am unteren Elektromagneten (Fig. 6., Fig. 7). In
dieser Position stützt sich der Anschlaghebel 20 am Anschlag 22
gehäusefest ab, während der Anschlaghebel 21 vom Mitnehmer 25um einen Drehwinkel 1/2φ verdreht. Durch den Anlagenwechsel
zwischen den Enden der Drehstabfeder 19 wird diese in der
gleichen Drehrichtung verspannt, so dass kein Wechsel in der
Torsionsspannung auftritt und die Verdrehung der
Drehstabfeder 19 nur dem halben Drehwinkel φ des Schwenkankers 16
entspricht. Dadurch ergibt sich eine vorteilhafte
Materialbeanspruchung, die zu einer höheren Standfestigkeit der
Drehstabfeder 19 führt.
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Fig. 8 zeigt ein Schaubild, in dem die Torsionsspannung τ der
Drehstabfeder 19 über den Drehwinkel φ des Schwenkankers 16
aufgetragen ist. Eine ausgezogene Federkennlinie 28 verläuft
symmetrisch zu einer Mittenlage 26, die der Position des
Schwenkankers 16 nach Fig. 4 bzw. Fig. 5 entspricht. In der
Mittenlage 26 nimmt die Torsionsspannung τ einen Minimalwert
ein, während in den Endlagen die Trosionsspannung einen
Maximalwert τmax erreicht. Als Alternative ist eine asymmetrische
Kennlinie 29 gestrichelt eingezeichnet, bei der die
energetische Mittenlage mit 27 gekennzeichnet ist. Die Kennlinie 29
weist einen steileren linken Zweig und einen flacher
verlaufenden rechten Zweig auf.