DE19737967A1 - Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator - Google Patents
Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen AktuatorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines
Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator nach
dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechselven
tilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungs
magneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen
ein Anker koaxial zu einer Gaswechselventilachse des Gaswech
selventils verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt über
einen Ankerstößel auf den Ventilschaft des Gaswechselventils.
Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein
vorgespannter Federmechanismus, meist zwei vorgespannte Druck
federn, auf den Anker, und zwar eine obere und eine untere
Ventilfeder. Die obere Ventilfeder wirkt in Öffnungsrichtung
und die untere Ventilfeder in Schließrichtung des Gaswechsel
ventils. Bei nicht bestromten Schaltmagneten wird der Anker
durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage gehalten,
die vorzugsweise mit der geometrischen bzw. mit einer energeti
schen Mitte zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt.
Wird der Aktuator gestartet, wird der Schließmagnet oder der
Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker durch eine
Anschwingungsroutine in seiner Resonanzfrequenz angeregt, um
ihn aus der Gleichgewichtslage anzuziehen. In geschlossener
Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker mit einer ersten
Anlauffläche an der Polfläche des bestromten Schließmagneten an
und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in
Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder vor. Um das Gaswechsel
ventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der
Öffnungsmagnet eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende
Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage
hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird.
Der Anker trifft mit seiner zweiten Anlauffläche auf die
Polfläche des Öffnungsmagneten und wird von dieser festgehal
ten. Um das Gaswechselventil wieder zu schließen, wird der
Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschal
tet. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt
den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagne
ten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, trifft auf
die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem
festgehalten.
Neben Kräften, die auf einen Ventilteller des Gaswechselventils
wirken und insbesondere beim Öffnen überwunden werden müssen,
treten in der Vorrichtung durch Führungsreibung, innere Reibung
der Federn und aerodynamischer Dämpfung Verluste in Öffnungs
richtung und in Schließrichtung auf, die kompensiert werden
müssen, damit die Vorrichtung auf Dauer funktioniert, d. h. das
Gaswechselventil sicher schließt und öffnet. Die Zeit zwischen
dem Ablösen von einer Polfläche und dem Auftreffen auf der
gegenüberliegenden Polfläche des Ankers bewegt sich im Bereich
weniger Millisekunden. In dieser sehr kurzen Zeit ist es
schwierig durch regelungstechnische Maßnahmen exakt die erfor
derliche Energie einzukoppeln. Daher ist es erforderlich, die
Vorrichtung mit einer gewissen Überschußenergie zu betreiben,
um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.
Durch die Überschußenergie trifft der Anker mit einer hohen
Geschwindigkeit auf die Polflächen der Magnete auf, mit der
Folge, daß der Verschleiß zunimmt und die Geräuschemission
beachtlich ist.
Aus der DE 39 20 931 A1 ist eine Dämpfungseinrichtung bekannt,
die den Anker vor der Polfläche abbremst, indem Gas zwischen
dem Anker und der Polfläche komprimiert wird. Das Spiel zwi
schen dem Anker und einem Hubring verkleinert sich vor der
Polfläche und damit der Abströmungsquerschnitt für das Gas.
Dabei wird zusätzlich Energie in Volumenänderungsarbeit umge
setzt - es darf nur die Überschußenergie im System kurz vor
Erreichen der Endlage abgebaut werden. Der Anker sollte nur
kurz vor den Polflächen gebremst und sich im restlichen Bereich
zwischen den Polflächen möglichst ungebremst, d. h. gegen einen
geringen Gegendruck bewegen, damit die Dämpfung die Steuercha
rakteristik des Gaswechselventils sowie den Wirkungsgrad
beeinträchtigt und das Gaswechselventil gleichmäßig, schnell,
nahezu vollständig geöffnet und geschlossen werden kann. Um bei
gasförmigen Medien einen ausreichenden Gegendruck aufzubauen,
ist eine große Volumenänderung erforderlich. Hier muß weit vor
der Polfläche begonnen werden das Gas zu komprimieren, um kurz
vor der Polfläche eine ausreichende Dämpfung zu erreichen. Das
Gaswechselventil schließt und öffnet dadurch über weite Berei
che langsamer, wodurch wiederum Energie zugeführt werden muß.
Bei Einrichtungen, die den Anker in erster Linie durch elasti
sche Verformung abbremsen, beispielsweise mit einem federnd
gelagerten Anker, wie dies aus der DE 30 24 109 C2 bekannt ist,
muß eine erhöhte Halteenergie von dem Magneten aufgebracht
werden, damit der Anker nicht durch die in der Feder gespei
cherten Energie von der Polfläche wieder weg katapultiert wird.
Ferner ist aus der US 4 794 890 eine Dämpfungseinrichtung für
eine Ventilsteuerung bekannt, bei der eine hydraulische Dämp
fung mit einer elastischen Dämpfung kombiniert ist. Die Ventil
steuerung besitzt zwei Anker, einen oberen Schließanker und
einen unteren Öffnungsanker, die zwischen zwei Polflächen eines
oberen Schließmagneten und eines unteren Öffnungsmagneten
verschiebbar angeordnet sind. Zwischen den Ankern befindet sich
ein in einem gehäusefesten Zylinder geführter Hydraulikkolben
und jeweils zwischen dem Kolben und dem Anker zwei gegeneinan
der gerichtete Tellerfedern, die mit dem Anker zur gemeinsamen
Bewegung verbunden sind. Bei geschlossener Stellung wird der
Schließanker von dem Schließmagneten gehalten. Wird das Gas
wechselventil geöffnet, stößt der Schließmagnet den Schließan
ker ab und der Öffnungsanker wird von dem Öffnungsmagneten
angezogen. Kurz bevor der Öffnungsanker auf die Polfläche des
Öffnungsmagneten auftrifft wird dieser gedämpft, indem der
Kolben auf die Tellerfedern trifft und diese vorspannt und sich
der Kolben im Zylinder verschiebt. Beim Schließen des Gaswech
selventils läuft der Vorgang entsprechend in die entgegenge
setzte Richtung ab. Durch die zwei Anker und die dazwischen
angeordneten Tellerfedern und dem Kolben entsteht eine aufwen
dige Konstruktion mit vielen Einzelteilen und mit einer großen
bewegten Masse sowie Bauhöhe.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit möglichst wenig
zusätzlichen Bauteilen die Überschußenergie des Ankers und des
Ventils auf einem kurzen Weg vor der Polfläche des Magneten
abzubauen, ohne daß die Haltekräfte wesentlich erhöht werden
müssen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An
spruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und
Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen
werden können.
Mit einem separaten Dämpfungselement, d. h. mit einem eigenen
hierfür vorgesehenen Bauteil mit einem Dämpfungskolben und
einem Zylinder, die zueinander durch ein nichtgasförmiges
Medium gedämpft verschiebbar sind, können genau bestimmte
Gegenkräfte geschaffen werden, um den Anker kurz vor einer
Polfläche eines Magneten zu bremsen, ohne daß der Anker und das
Gaswechselventil zwischen den Magneten in ihrer Bewegung
behindert werden. Wird der Dämpfungskolben oder der Zylinder
gegen ein nichtgasförmiges Material verschoben, kann auf einer
kurzen Strecke eine hohe Gegenkraft erzeugt werden. Dabei kann
vorübergehend ein Teil der Überschußenergie elastisch aufgenom
men werden, bevor sie in dem Dämpfungselement abgebaut wird.
Gasförmige Medien sind deshalb ausgenommen, da eine große
Volumenänderung für einen ausreichend hohen Gegendruck und
damit eine große Strecke erforderlich ist. Bei geschlossenen,
unter Druck stehenden Systemen mit Gas kann zwar ein hoher
Gegendruck auf kurzen Strecken erreicht werden, jedoch wird ein
großer Anteil der Bewegungsenergie in Spannenergie umgewandelt,
wodurch eine erhöhte Haltekraft von dem Magneten aufzubringen
ist, damit der Anker nicht von der Polfläche wieder weg kata
pultiert wird.
Aus dem Dämpfungselement austretendes Dämpfungsmaterial kann
die Funktion einzelner Bauteile behindern, beispielsweise bei
Öl können die Polflächen der Magnete und die Anlaufflächen des
Ankers verölen, wodurch sich der Anker schlechter von den
Polflächen ablöst. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird
vorgeschlagen, daß das Dämpfungselement in sich ein geschlosse
nes System bildet, d. h. das Dämpfungsmaterial ist nach außen
dicht verschlossen.
Wird als Dämpfungsmaterial Öl verwendet, kann dies durch
Dichtungen erreicht werden.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch anstatt Öl plastisch
verformbare Materialien zu verwenden, die mit einem geringen
Aufwand sicher nach außen abgedichtet werden können. Dies wird
bei einer Ausgestaltung der Erfindung erreicht, indem der
Dämpfungskolben über eine Passung im Zylinder verschiebbar
geführt ist.
Der Anker sollte von einer hohen Geschwindigkeit durch eine
große Gegenkraft auf eine geringe Geschwindigkeit vor der
Polfläche abgebremst und unmittelbar vor der Polfläche bei der
geringen Geschwindigkeit nahezu ohne Gegenkraft durch den
Magneten an die Polfläche angezogen werden können. Nachdem
Ablösen der Anlauffläche des Ankers von der Polfläche sollte
sich der Dämpfer möglichst schnell in seine Ausgangsstellung
zurückstellen.
Ist das Dämpfungsmaterial Öl, kann dies mit einer Drosselstelle
in die eine Richtung und mit einem Rückschlagventil mit einem
großen Durchströmungsquerschnitt in die andere Richtung er
reicht werden.
Öl ist jedoch insbesondere bei höheren Temperaturen schwieriger
abzudichten. Um ein entsprechend den Anforderungen beschriebe
nes Dämpfungselement zu erhalten, das mit geringem Aufwand
sicher dicht nach außen verschlossen ist, wird in einer Ausge
staltung der Erfindung vorgeschlagen, ein zähflüssiges bzw.
pastöses Material als Dämpfungsmaterial zu verwenden, dessen
Scherspannung mit der Verformungsgeschwindigkeit stark zunimmt.
Derartige Eigenschaften können insbesondere bei Kunststoffela
stomeren gezielt geschaffen werden, wodurch diese Stoffe
besonders für diesen Einsatz geeignet sind. Solche Stoffe sind
dem Fachmann unter der Bezeichnung "bouncing putty" bekannt und
beruhen vorzugsweise auf siliziumorganischen Polymeren.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultie
renden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausfüh
rungsbeispielen zu entnehmen.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche
Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der
Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln
betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammen
fassen.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils
mit einem eingebauten Dämpfungselement,
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Dämpfungselements aus
Fig. 1 und
Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechsel
ventils 1 mit einem Aktuator 2, der einen Öffnungsmagneten 3
und einen Schließmagneten 4 aufweist. Zwischen Polflächen 5, 6
der Magnete 3, 4 ist ein Anker 7 axial verschiebbar angeordnet,
der wechselweise mit seinen Anlaufflächen 8, 9 auf die Polflä
chen auftrifft und von den Magneten 3, 4 in zwei getrennten
Schaltpositionen gehalten wird.
Der Anker 7 ist auf einem Ankerstößel 22 befestigt oder mit
diesem einstückig ausgeführt, mit dem er auf einen Ventilschaft
23 des Gaswechselventils 1 wirkt. Ferner besitzt der Aktuator 2
ein Federsystem 24 unterhalb des Öffnungsmagneten 3 mit einer
unteren, in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder 25 und mit
einer oberen, in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder 26. Die
untere Ventilfeder 25 stützt sich in Richtung Gaswechselventil
1 an dem Bauteil 27 und in die vom Gaswechselventil 1 abgewand
te Richtung an einem auf dem Ventilschaft 23 befestigten
Federteller 28 ab. Die obere Ventilfeder 26 stützt sich in
Richtung Gaswechselventil 1 an einem auf dem Ankerstößel 22
befestigten Federteller 29 und in die vom Gaswechselventil 1
abgewandte Richtung an dem Öffnungsmagneten 3 ab. Die Ventilfe
dern 25, 26 sind soweit vorgespannt, daß sich bei unbestromten
Schaltmagneten 3, 4 der Anker 7 in eine annähernd mittlere
Position zwischen den Schaltmagneten 3, 4 einstellt und unmit
telbar vor der Schließstellung des Gaswechselventils 1 eine
Restschließkraft der unteren Ventilfeder 25 und unmittelbar vor
der Öffnungsstellung eine Restvorspannungskraft der oberen
Ventilfeder 26 vorhanden ist.
Wird der Aktuator 2 gestartet, wird entweder der Schließmagnet
4 oder der Öffnungsmagnet 3 übererregt oder der Anker 7 mit
einer Schwingungsroutine mit seiner Resonanzfrequenz angeregt,
um ihn zu einer Polfläche 5, 6 zu bewegen und dort zu halten.
In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 1 liegt der
Anker 7 mit seiner ersten Anlauffläche 9 an der Polfläche 6 des
bestromten Schließmagneten 4 an und wird von diesem gehalten.
Der Schließmagnet 4 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende
obere Ventilfeder 26 vor. Um das Gaswechselventil 1 zu öffnen,
wird der Schließmagnet 4 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3
eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder 26
beschleunigt den Anker 7 über die Gleichgewichtslage hinaus, so
daß dieser von dem Öffnungsmagneten 3 angezogen wird. Der Anker
7 trifft mit seiner zweiten Anlauffläche 8 auf die Polfläche 5
des Öffnungsmagneten 3 und wird von diesem festgehalten. Um das
Gaswechselventil 1 wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet
3 ausgeschaltet und der Schließmagnet 4 eingeschaltet. Die in
Schließrichtung wirkende Ventilfeder 25 beschleunigt den Anker
7 über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten 4. Der
Anker 7 wird vom Schließmagneten 4 angezogen, trifft auf die
Polfläche 6 des Schließmagneten 4 auf und wird von diesem
festgehalten. Mit dem Auftreffen des Ankers 7 trifft ein
Ventilteller 30 auf einen Ventilsitzring 31 auf und verschließt
einen nicht näher dargestellten Kanal.
Neben dem dargestellten und beschriebenen Feder-Masse-Schwinger
mit einer unteren und einer oberen Ventilfeder 25, 26 sind auch
andere Mechanismen möglich, den Anker 7 gemeinsam mit dem
Gaswechselventil 1 von einer Schaltstellung in die andere zu
bewegen, wie beispielsweise vollständig durch elektromagneti
sche Kräfte oder mit einem Nockenantrieb usw. .
Die Vorrichtung muß mit einer gewissen Überschußenergie betrie ben werden, damit stets das Gaswechselventil sicher schließt und öffnet, wodurch der Anker 7 und der Ventilteller 30 mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Polflächen 5, 6 bzw. auf den Ventilsitzring 31 auftreffen. Dies führt zu einer hohen Geräuschemission und zu einem erhöhten Verschleiß. Um dies zu vermeiden, ist in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Fig. 1 ein Dämpfungselement 10 im Schließmagneten 4 befestigt, das die Überschußenergie der Ankerplatte kurz vor dem Auftreffen auf der Polfläche des Schließmagneten 4 und des Gaswechselventils 1 kurz vor dem Auftreffen auf den Ventilsitzring 31 abbaut. Der nachfolgend beschriebene Aufbau und die Funktion des Dämpfungs elements 10 gelten entsprechend für ein Dämpfungselement im Öffnungsmagneten 3, bis auf wenige bauraumbedingte Unterschie de, die jedoch an der betreffenden Stelle erwähnt werden.
Die Vorrichtung muß mit einer gewissen Überschußenergie betrie ben werden, damit stets das Gaswechselventil sicher schließt und öffnet, wodurch der Anker 7 und der Ventilteller 30 mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Polflächen 5, 6 bzw. auf den Ventilsitzring 31 auftreffen. Dies führt zu einer hohen Geräuschemission und zu einem erhöhten Verschleiß. Um dies zu vermeiden, ist in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung in Fig. 1 ein Dämpfungselement 10 im Schließmagneten 4 befestigt, das die Überschußenergie der Ankerplatte kurz vor dem Auftreffen auf der Polfläche des Schließmagneten 4 und des Gaswechselventils 1 kurz vor dem Auftreffen auf den Ventilsitzring 31 abbaut. Der nachfolgend beschriebene Aufbau und die Funktion des Dämpfungs elements 10 gelten entsprechend für ein Dämpfungselement im Öffnungsmagneten 3, bis auf wenige bauraumbedingte Unterschie de, die jedoch an der betreffenden Stelle erwähnt werden.
Das Dämpfungselement 10 ist mittig im Schließmagneten 4 in
einer Ausnehmung 14 befestigt. Das Dämpfungselement 10 wirkt
nur unmittelbar bevor der Anker 7 auf die Polfläche des
Schließmagneten 4 bzw. der Ventilteller 30 auf den Ventilsitz
ring 31 trifft und behindert nicht die Bewegung des Ankers 7 in
Richtung Öffnungsmagnet 3, wodurch nur ein Anker 7 erforderlich
ist.
Durch die mittige Anordnung wird nur eine kleine Fläche für das
Dämpfungselement 10 in der Polfläche 6 benötigt. Bei gleicher
Baugröße verkleinert sich die Polfläche 6 nur unwesentlich.
Ferner ist in der Mitte der Einfluß auf das Magnetfeld sehr
gering. Möglich ist jedoch auch, ein oder mehrere ringförmige
Dämpfungselemente in den Polflächen 5, 6 oder ein oder mehrere
Dämpfungselemente auf dem Umfang der Polflächen 5, 6 anzuord
nen, was sich insbesondere für den Öffnungsmagneten 3 anbietet,
bei dem eine mittige Anordnung durch den Ankerstößel 22 mögli
cherweise eine aufwendigere Konstruktion des Dämpfungselements
zur Folge haben könnte.
Das Dämpfungselement 10 besteht aus einem Dämpfungskolben 11,
der gegen ein Dämpfungsmaterial 13 verschiebbar in einem
Zylinder 12 gelagert ist (Fig. 2 und 3), wobei auch möglich ist,
daß der Zylinder verschiebbar und der Kolben fest gelagert ist.
Der Dämpfungskolben 11 ragt aus der Polfläche 6 des Schließma
gneten 4 in Richtung Anlauffläche 9 des Ankers 7, und wirkt
direkt auf den Anker 7. Zusätzliche Bauteile und bewegte Massen
werden eingespart, wie beispielsweise am Anker 7 angebrachte
Stößel, über die das Dämpfungselement 10 auf den Anker 7 wirkt.
Vorzugsweise ragt der Dämpfungskolben 11 soweit aus der Polflä
che 6, daß die Geschwindigkeit des Ankers 7 auf einem möglichst
kurzen Weg bis zur Polfläche 6 auf nahezu Null abgebremst
werden kann.
Um von Beginn an nicht exakt bestimmbare oder sich über der
Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleran
zen einzelner Bauteile, Wärmedehnung unterschiedlicher Materia
lien usw. berücksichtigen und das Dämpfungselement 10 exakt
einstellen zu können, ist das Dämpfungselement 10 im Schließma
gneten 4 in Bewegungsrichtung 19 verschiebbar gelagert. Dies
kann über eine Vielzahl verschiedener, dem Fachmann geläufiger
Verstellmechanismen erreicht werden, wie beispielsweise über
Klemmechanismen, Verstellschrauben usw. Im Ausführungsbeispiel
ist der Zylinder 12 über ein Außengewinde 20 in einem Innenge
winde 21 in der Ausnehmung 14 verstellbar gelagert. Die Ausneh
mung 14 erstreckt sich in Bewegungsrichtung 19 des Dämpfungs
kolbens 11 durch den gesamten Schließmagneten 4, von der
Polfläche 6 bis zu der dem Gaswechselventil 1 abgewandten Seite
des Schließmagneten 4. Ferner erstreckt sich das Innengewinde
21 über die gesamte Ausnehmung 14, wodurch das Dämpfungselement
10 von der dem Gaswechselventil 1 abgewandten Seite des
Schließmagneten 4 einstellbar, montierbar und bei Bedarf
demontierbar und auswechselbar ist. Nachdem das Dämpfungsele
ment 10 exakt eingestellt ist, wird es mit einer nicht näher
dargestellten Arretiervorrichtung fixiert, wie beispielsweise
mit einer Kontermutter, einer Feststellschraube oder einem
sonstigen dem Fachmann geläufigen Mechanismus.
Erfindungsgemäß wird ein nichtgasförmiges, vorzugsweise pla
stisch verformbares Dämpfungsmaterial 13 verwendet, gegen das
der Dämpfungskolben 11 verschoben wird.
Die Anforderungen an das Material 13 ergeben sich aus der
Aufgabe des Dämpfungselements 10, bei einer großen Geschwindig
keit des Ankers 7 eine große Gegenkraft zu erzeugen, um den
Anker 7 auf einem kurzen Weg abzubremsen und bei einer kleinen
Geschwindigkeit des Ankers 7, unmittelbar vor der Polfläche 6
möglichst eine kleine Gegenkraft zu erzeugen, daß der Anker 7
durch den Schließmagneten 4 leicht an die Polfläche 6 angezogen
werden kann.
Liegt der Anker 7 an der Polfläche 6 an, sollte das Dämpfungs
element 10 mit einer möglichst kleinen Kraft auf den Anker
wirken, damit die Haltekraft des Schließmagneten 4 nicht
wesentlich erhöht werden muß.
Löst sich der Anker 7 von der Polfläche 6 ab, sollte sich das
Dämpfungselement 10 schnell in seine Ausgangsstellung vor dem
Dämpfungsvorgang zurückstellen.
Ferner sollte das Dämpfungselement 10 ein nach außen geschlos
senes System darstellen, wodurch keine austretenden Stoffe die
restlichen Funktionen der Vorrichtung behindern.
Die großen Gegenkräfte bei hohen und die kleinen Gegenkräfte
bei kleinen Geschwindigkeiten des Ankers 7 werden vorzugsweise
durch zähflüssige bzw. pastöse Materialien 13 erreicht, deren
Scherspannung mit der Verformungsgeschwindigkeit stark zunimmt.
Derartige Eigenschaften können gezielt bei Kunststoffelastome
ren und insbesondere bei Elastomeren auf einer siliziumorgani
schen Basis geschaffen werden.
Die zähflüssigen Materialien 13 können zudem leicht nach außen
abgedichtet werden. In den dargestellten Ausführungsbeispielen
ist der Dämpfungskolben 11 über ein Passung im Zylinder 12
verschiebbar gelagert, das bei entsprechend zähflüssigen
Materialien 13 als Dichtung ausreicht. Zusätzliche Dichtungen
können gespart werden.
Damit der Dämpfungskolben 11 gegen das Material 13 verschiebbar
ist und nicht klemmt, muß entweder das Material 13 kompressibel
oder es muß ein Raum vorhanden sein, in den das Material 13
verdrängt werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel
ist ein entsprechender Raum vorgesehen (Fig. 2 und 3). Ein
Dämpfungselement 10 mit kompressiblem Material und ohne diesen
Raum wäre jedoch ebenfalls möglich.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 wird der Raum durch eine
Ausnehmung 16 auf der dem Anker 7 abgewandten Seite des Dämp
fungskolbens 11 gebildet. In der vorzugsweise zylindrischen
Ausnehmung 16 befindet sich eine Feder 15, die sich über einen
in der Ausnehmung 16 geführten Kolben 17 gegen das Material 13
abstützt. Lenkt der Anker 7 den Dämpfungskolben 11 aus, wird
das Material 13 in die Ausnehmung 16 verdrängt und schiebt
dabei den Kolben 17 gegen die Feder 15 in die Ausnehmung 16.
Bei der noch anfangs hohen Geschwindigkeit des Dämpfungskolbens
11 wirken hohe Scherspannungen im Material 13, wodurch der
Dämpfungskolben 11 eine hohe Gegenkraft gegen die Bewegungs
richtung des Ankers 7 aufbaut. Unmittelbar vor der Polfläche 6
ist der Anker 7 auf eine geringe Geschwindigkeit abgebremst, so
daß nahezu nur noch die Federkraft von dem Schließmagneten 4
überwunden werden muß, um den Anker 7 vollständig an die
Polfläche 6 anzuziehen.
Nachdem sich der Anker 7 wieder von der Polfläche 6 des
Schließmagneten 4 ablöst, verschiebt die Feder 15 den Dämp
fungskolben 11 in die Ausgangslage zurück. Die Ausgangslage ist
durch einen Anschlag 32 im Zylinder 12 bestimmt, gegen den der
Dämpfungskolben 11 mit einer Stufe 33 läuft. Auf eine Feder 15
kann verzichtet werden, wenn Materialien eingesetzt werden, die
eine der Feder 15 entsprechende Elastizität besitzen, d. h.
keine zu große Gegenkraft erzeugen, wenn der Anker 7 an der
Polfläche 6 anliegt und dennoch eine ausreichende Kraft erzeu
gen, um den Dämpfungskolben 11 in seine Ausgangslage zurückzu
stellen, sobald der Anker 7 sich wieder von der Polfläche 6
löst.
Der Raum, in den das Material 13 ausweichen kann, könnte auch
anstatt im Dämpfungskolben 11 im Zylinder 12 angeordnet sein.
Ferner könnte der Raum und die Feder kombiniert sein, indem das
Material gegen ein Membran verschoben wird.
In Fig. 2 ist eine Ausführung des erfindungsgemäßen Dämpfungse
lements 10 ohne Kolben 17 dargestellt. Das Material 13 umgibt
die Feder 15 und füllt bis auf kleine, nicht näher dargestellte
Freiräume durch Vorstreckung des Materials 13 den zwischen dem
Dämpfungskolben 11 und dem Zylinder 12 eingeschlossenen Raum
vollständig aus. Wird der Dämpfungskolben 11 durch den Anker 7
ausgelenkt, entsteht insbesondere ein Dämpfungseffekt, indem
die Feder 15 sich in dem Material 13 verschiebt, dieses mit
nimmt und gemeinsam mit dem Dämpfungskolben 11 in die Freiräume
verdrängt.
Neben dem eingeschlossenen Dämpfungsmaterial 13 zwischen dem
Dämpfungskolben 11 und dem Zylinder 12, wird ein Teil der
kinetischen Energie des Ankers 7 durch eine Dämpfungsplatte 18
absorbiert, die an der zum Anker 7 weisenden Stirnseite des
Dämpfungskolbens 11 befestigt ist. Als Material für die Dämp
fungsplatte 18 eignet sich besonders ein schlagabsorbierender
Kunststoff, wobei auch andere, dem Fachmann für einen derarti
gen Zweck geeignet erscheinenden Materialien in Frage kommen.
Claims (20)
1. Vorrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils (1) mit
einem Aktuator (2), der einen Öffnungsmagneten (3) und einen
Schließmagneten (4) hat, zwischen deren Polflächen (5, 6) ein
Anker (7) axial verschiebbar angeordnet ist und wechselweise
mit Anlaufflächen (8, 9) auf die Polflächen (5, 6) der Magnete
(3, 4) auftrifft und von einer Dämpfungseinrichtung zumindest
vor einer Polfläche (5, 6) abgebremst wird, dadurch gekenn
zeichnet, daß die Dämpfungseinrichtung durch ein separates
Dämpfungselement (10) mit einem Dämpfungskolben (11) und einem
Zylinder (12) gebildet ist, die zueinander durch ein nichtgas
förmiges Medium (13) gedämpft verschiebbar sind.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das
Dämpfungselement (10) ein in sich geschlossenes System ist.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß der Dämpfungskolben (11) gegen ein plastisch verformbares
Material (13) verschiebbar ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der
Dämpfungskolben (11) gegen ein zähflüssiges Material (13)
verschiebbar ist, dessen Scherspannung mit der Verformungsge
schwindigkeit stark zunimmt.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet,
daß das Material (13) ein Kunststoffelastomer ist.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) mit einer Passung
im Zylinder (12) geführt ist.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) im Schließmagne
ten (4) und/oder im Öffnungsmagneten (3) befestigt ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der
Zylinder (12) des Dämpfungselements (10) mittig im Schließma
gneten (4) in einer Ausnehmung (14) befestigt ist.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) aus der Polfläche
(5, 6) des Magneten (3, 4) heraus in Richtung Anlauffläche (8,
9) des Ankers (7) ragt und direkt auf die Anlauffläche (8, 9)
des Ankers (7) wirkt.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (15) den Dämpfungskolben
(11) in seine Ausgangsstellung vor dem Dämpfungsvorgang zurück
stellt.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dämpfungskolben (11)
und dem Zylinder (12) ein Raum (16) vorhanden ist, in den das
Material (13) verdrängbar ist.
12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) auf der
dem Anker (7) abweisenden Seite eine Ausnehmung (16) aufweist.
13. Vorrichtung nach Anspruch 10 und 12, dadurch gekennzeich
net, daß die Feder (15) zumindest teilweise in der Ausnehmung
(16) angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
die Feder (15) in der Ausnehmung (16) angeordnet ist und sich
über einen in der Ausnehmung (16) geführten Kolben (17) an dem
Material (13) abstützt.
15. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) an seiner
zum Anker (7) weisenden Stirnseite eine Dämpfungsplatte (18)
hat.
16. Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß
die Dämpfungsplatte (18) aus schlagabsorbierendem Kunststoff
ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) im
Magneten (3, 4) in Bewegungsrichtung (19) des Dämpfungskolbens
(11) verstellbar ist.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder (12) über ein Gewinde (20, 21) im Magneten (3, 4)
verstellbar ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß
der Zylinder (12) mit einem Außengewinde (20) in einem Innenge
winde (21) in der Ausnehmung (14) befestigt ist.
20. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) von der
dem Gaswechselventil (1) abgewandten Seite des Schließmagneten
(4) montierbar, demontierbar und/oder verstellbar ist.
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