DE19839861C2

DE19839861C2 - Stelleinheit

Info

Publication number: DE19839861C2
Application number: DE19839861A
Authority: DE
Inventors: Udo Sieber
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1998-09-02
Filing date: 1998-09-02
Publication date: 2002-03-14
Anticipated expiration: 2018-09-03
Also published as: US6364283B1; GB9919122D0; GB2341222B; GB2341222A; JP2000081161A; DE19839861A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Stelleinheit, insbesondere zur Betätigung von variablen Ventilsteuerungssystemen, mit einem als Elektromagnet ausgebildeten Aktor und mit einer Umlenkvorrichtung, die die Bewegung eines Ankers des Elektromagneten in eine im wesentlichen lineare Betätigungsbewegung umlenkt.

Stand der Technik

Derartige Stelleinheiten sind in unterschiedlichen Ausführungsformen aus dem Stand der Technik bekannt. Es ist bspw. bekannt, den Aktor als einen hydraulischen Antrieb auszubilden. Dabei wird die Bewegung des Aktors durch Erhöhung des Drucks in einem hydraulischen Medium in dem hydraulischen Antrieb hervorgerufen. Darüber hinaus ist es bekannt, einen Elektromotor als Aktor vorzusehen, dessen Drehbewegung mittels eines Schubstangen-Schneckengetriebes in eine lineare Betätigungsbewegung umgelenkt wird.

Diese bekannten Stelleinheiten werden häufig zur Betätigung von variablen Ventilsteuerungssystemen bei Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt, vorzugsweise zur Steuerung eines variablen Ventilhubs.

Die bekannten Stelleinheiten haben den Nachteil, daß sie eine geringe Stelldynamik aufweisen. Aufgrund der dämpfenden Wirkung des hydraulischen Mediums in einem als hydraulischer Antrieb ausgebildeten Aktor bzw. aufgrund der Trägheit der bei einem als Elektromotor ausgebildeten Aktor zu beschleunigenden rotierenden Massen weisen die bekannten Stelleinheiten recht lange Stellzeiten auf.

Aus der DE 10 520 C1 ist eine Stelleinheit der eingangs genannten Art bekannt. Durch die bekannte Stelleinheit können jedoch Koppelschwingungen, die an dem zu betätigenden System auftreten können, ungehindert auf den Elektromagneten übertragen werden, was zu störenden oder sogar schädlichen Schwingungen oder Vibrationen an dem Elektromagneten führen kann. Außerdem muss eine eingestellte Position der bekannten Stelleinheit durch eine Bestromung des Elektromagneten gehalten werden.

Es ist demnach eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Stelleinheiten der eingangs genannten Art dahingehend auszugestalten und weiterzubilden, dass die Stelleinheit in beliebigen Einstellpositionen mit keiner oder lediglich einer geringen Bestromung des Elektromagneten gehalten werden kann und dass Koppelschwingungen, die an dem zu betätigenden System auftreten, von der Umlenkvorrichtung gedämpft werden und nur eine reduzierte Wirkung auf den Elektromagenten haben.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung ausgehend von der Stelleinheit der eingangs genannten Art vor, dass die Umlenkvorrichtung ein um einen ersten Drehpunkt drehbar gelagertes Hebelelement mit einer damit um einen zweiten Drehpunkt drehbar verbundenen Pleuelstange aufweist, wobei das Hebelelement von dem Anker des Elektromagneten angelenkt ist, die Pleuelstange bei Betätigung des Elektromagneten die im wesentlichen lineare Betätigungsbewegung ausführt und die Pleuelstange unter Überwindung einer Haftreibungskraft relativ zu dem Hebelelement um den zweiten Drehpunkt drehbar ist.

Die erfindungsgemäße Stelleinheit weist eine sehr hohe Stelldynamik auf, da im Vergleich zu den bekannten Stelleinheiten Verzögerungen aufgrund der Dämpfungswirkung eines hydraulischen Mediums oder aufgrund der Trägheit der rotierenden Massen eines Elektromotors nahezu entfallen.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der vorliegenden Erfindung wird vorgeschlagen, dass die Umlenkvorrichtung ein um einen ersten Drehpunkt drehbar gelagertes Hebelelement mit einer damit um einen zweiten Drehpunkt drehbar verbundenen Pleuelstange aufweist, wobei das Hebelelement von dem Anker des Elektromagneten angelenkt ist und die Pleuelstange bei Betätigung des Elektromagneten die im wesentlichen lineare Betätigungsbewegung ausführt. Durch eine derartig ausgestaltete Umlenkvorrichtung kann die Bewegung des Elektromagneten in eine lineare Betätigungsbewegung umgewandelt werden. Dabei kann auf komplizierte, wartungsintensive und anfällige Umlenkgetriebe verzichtet werden. Die Umlenkvorrichtung gemäß dieser Weiterbildung arbeitet besonders verlustarm.

Für die um den zweiten Drehpunkt drehbare Verbindung ist vorteilhafterweise an einem ersten Ende der Pleuelstange ein Pleuelauge ausgebildet, das mit einem entsprechend ausgebildeten Gegenstück des Hebelelements verbunden ist. Das Gegenstück des Hebelelements kann bspw. als ein zapfenförmiges Rundstück ausgebildet sein, das von dem Pleuelauge drehbar aufgenommen wird.

Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Stelleinheit wird vorgeschlagen, daß das Gegenstück des Hebelelements als ein zapfenförmiges Rundstück ausgebildet ist, das in dem Pleuelauge um den zweiten Drehpunkt drehbar gelagert ist. Die Haftreibungskraft wirkt gegen die pulsierenden Rückwirkungskräfte aus dem Ventiltrieb des zu betätigenden variablen Ventilsteuerungssystems. Dadurch kann nahezu jede beliebige Einstellposition der erfindungsgemäßen Stelleinheit bei keiner oder einer nur geringen Bestromung des Elektromagneten gehalten werden. Zur Betätigung der variablen Ventilsteuerungssysteme bedarf es bei dieser Ausführungsform nur einer geringen Stellenergie. Außerdem werden durch die in der Umlenkvorrichtung auftretende Haftreibung Koppelschwingungen, die von dem zu betätigenden Ventilsteuerungssystem auf die Stelleinheit wirken, vermindert. Eine steife Ausführung der Pleuelstange unterstützt diese die Koppelschwingungen reduzierende Wirkung zusätzlich, da dadurch die freie Entfaltung der pulsierenden Rückwirkungskräfte wirkungsvoll unterbunden wird. Durch die Maßnahmen zur Reduzierung der Koppelschwingungen in der Stelleinheit wird der Elektromagnet von störenden oder sogar schädlichen Schwingungen oder Vibrationen weitgehend verschont.

Vorteilhafterweise ist das Verhältnis des Abstands zwischen dem ersten Drehpunkt und dem zweiten Drehpunkt zu dem Radius des Pleuelauges kleiner als die Haftreibungszahl µ₀ zwischen dem Material des Pleuelauges und dem Material des Hebelelements. In diesem Fall werden über die Pleuelstange von dem zu betätigenden variablen Ventilsteuerungssystem in die Stelleinheit eingeleitete Kräfte durch die Haftreibungskräfte in dem Pleuelauge derart kompensiert, daß sie kein Drehmoment bezüglich des ersten Drehpunkts hervorrufen. Auf diese Weise gelingt es, die pulsierenden Rückwirkungskräfte aus dem Ventiltrieb von dem Anker des Elektromagneten fernzuhalten.

Der zweite Drehpunkt zwischen Gegenstück und Pleuelauge ist vorzugsweise zwischen dem ersten Drehpunkt des Hebelelements und dem ersten Anlenkpunkt des Ankers an dem Hebelelement angeordnet. Die Längsachse des Hebelelements verläuft in etwa senkrecht zu der im wesentlichen linearen Bewegung des Ankers des Elektromagneten. Die Längsachse der Pleuelstange wiederum verläuft in etwa senkrecht zu der Längsachse des Hebelelements. Somit verläuft die Längsachse der Pleuelstange in etwa parallel zu der im wesentlichen linearen Bewegung des Ankers. Die Pleuelstange und der Anker des Elektromagneten sind auf der gleichen Seite des Hebelelements angelenkt. Auf diese Weise kann eine lineare Bewegung des Ankers des Elektromagneten in eine im wesentlichen entgegengesetzt gerichtete lineare Betätigungsbewegung umgelenkt werden.

Durch eine Positionierung des zweiten Drehpunkts nahe an dem ersten Drehpunkt kann die Kraft der Betätigungsbewegung bei konstanter Kraft und konstantem Hub des Ankers erhöht werden, der Weg der Betätigungsbewegung wird allerdings kleiner. Umgekehrt kann durch eine Positionierung des zweiten Drehpunkts weiter entfernt von dem ersten Drehpunkt der Weg der Betätigungsbewegung zwar erhöht werden, die Kraft der Betätigungsbewegung wird allerdings kleiner.

Durch eine entsprechende Positionierung des zweiten Drehpunktes relativ zu dem ersten Drehpunkt kann die Stelleinheit an die jeweiligen Gegebenheiten, insbesondere auf die technischen Merkmale des zu betätigenden Ventilsteuerungssystems, angepaßt werden.

Gemäß einer vorteilhaften alternativen Ausführungsform wird vorgeschlagen, daß der erste Drehpunkt des Hebelelements zwischen dem zweiten Drehpunkt zwischen Gegenstück und Pleuelauge und dem ersten Anlenkpunkt des Ankers an dem Hebelelement angeordnet ist. Bei dieser Ausführungsform wird die Bewegungsrichtung des Ankers in eine entgegengesetzt gerichtete Betätigungsbewegung umgelenkt.

Gemäß einer anderen bevorzugten Ausführungsform ist zwischen dem Anker und dem Hebelelement ein Zwischenelement angeordnet. Durch dieses Zwischenelement kann eine Abweichung des Hebelelements von einer linearen Bewegung ausgeglichen werden, wenn das Hebelelement durch die lineare Bewegung des Ankers um den ersten Drehpunkt gedreht wird. Aufgrund der Drehbewegung des Hebelelements um den ersten Drehpunkt erfolgt nämlich auch eine Relativbewegung des ersten Auslenkpunkts des Hebelelements senkrecht zu der linearen Bewegung des Ankers in Richtung des ersten Drehpunkts.

Vorteilhafterweise lenkt das zweite Ende der Pleuelstange einen Koppelhebel eines variablen Ventilhub(VVH)-Systems an einem ersten Ende des Koppelhebels an, wobei der Koppelhebel an einem zweiten Ende um einen dritten Drehpunkt drehbar gelagert ist. Die Vorteile der erfindungsgemäßen Stelleinheit kommen insbesondere beim Einsatz bei VVH-Systemen zur Geltung.

Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird im Folgenden anhand der Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Stelleinheit.

In Fig. 1 ist eine erfindungsgemäße Stelleinheit in ihrer Gesamtheit mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnet. Eine solche Stelleinheit dient bspw. zur Betätigung eines variablen Ventilsteuerungssystems, insbesondere eines variablen Ventilhub(VVH)-Systems. In Fig. 1 ist ein Koppelhebel als Teil eines Koppelgetriebes eines VVH- Systems mit dem Bezugszeichen 2 bezeichnet.

Die Stelleinheit 1 weist einen Elektromagneten 3 als Aktor auf. Der Elektromagnet 3 hat einen Anker 4, der durch Beaufschlagung des Elektromagneten 3 mit Strom auf einer linearen Bewegungsbahn 15 verfahren wird. Die Stelleinheit 1 weist außerdem ein Hebelelement 5 auf, das um einen ersten Drehpunkt 6 drehbar gelagert ist. Die Längsachse des Hebelelements 5 verläuft in etwa senkrecht zu der Bewegungsbahn 15. Das Hebelelement 5 wird über ein Zwischenelement 7 von dem Anker 4 an einem von dem ersten Drehpunkt 6 beabstandeten ersten Anlenkpunkt 8 angelenkt.

Das Hebelelement 5 weist an seinem dem ersten Anlenkpunkt 8 gegenüberliegenden Ende ein zapfenförmiges Rundstück 9 auf, welches drehbar in einem Pleuelauge 10 einer Pleuelstange 11 aufgenommen ist. Die Längsachse der Pleuelstange 11 verläuft in etwa senkrecht zu der Längsachse des Hebelelements 5. Die Pleuelstange 11 und das Zwischenelement 7 sind beide auf der linken Seite des Hebelelements 5 angelenkt. Das Hebelelement 5 ist um einen zweiten Drehpunkt 12 relativ zu der Pleuelstange 11 unter Überwindung einer Haftreibungskraft zwischen dem Pleuelauge 10 und dem zapfenförmigen Rundstück 9 drehbar. Der zweite Drehpunkt 12 ist zwischen dem ersten Drehpunkt 6 des Hebelelements 5 und dem ersten Anlenkpunkt 8 des Zwischenelements 7 an dem Hebelelement 5 angeordnet. Der erste Drehpunkt 6 liegt exzentrisch zu dem zweiten Drehpunkt 12 des zapfenförmigen Rundstücks 9. Aufgrund der Exzentrität bewirkt die Auslenkung des Hebelelements 5 eine Betätigungsbewegung der Pleuelstange 11 auf einer linearen Bewegungsbahn 16. Das dem Pleuelauge 10 entgegengesetzte Ende der Pleuelstange 11 ist an einem zweiten Anlenkpunkt 13 an einem Ende des Koppelhebels 2 angelenkt. Durch die Betätigungsbewegung der Pleuelstange 11 wird der Koppelhebel 2 um einen dritten Drehpunkt 14 verstellt und dadurch das VVH-System betätigt.

Das Verhältnis des Abstands a zwischen dem ersten Drehpunkt 6 und dem zweiten Drehpunkt 12 zu dem Radius r des Pleuelauges 10 ist kleiner gewählt als die Haftreibungszahl µ₀ zwischen dem Material des Pleuelauges 10 und dem Material des Hebelelements 5. Dadurch werden die pulsierenden Rückwirkungskräfte aus dem Koppelgetriebe des VVH-Systems nicht auf den Elektromagneten 3 übertragen.

Claims

1. Stelleinheit (1) mit einem als Elektromagnet (3) ausgebildeten Aktor und mit einer Umlenkvorrichtung, die die Bewegung eines Ankers (4) des Elektromagneten (3) in eine im wesentlichen lineare Betätigungsbewegung (16) umlenkt, dadurch gekennzeichnet, daß die Umlenkvorrichtung ein um einen ersten Drehpunkt (6) drehbar gelagertes Hebelelement (5) mit einer damit um einen zweiten Drehpunkt (12) drehbar verbundenen Pleuelstange (11) aufweist, wobei das Hebelelement (5) von dem Anker (4) des Elektromagneten (3) angelenkt ist, die Pleuelstange (11) bei Betätigung des Elektromagneten (3) die im wesentlichen lineare Betätigungsbewegung (16) ausführt und die Pleuelstange (11) unter Überwindung einer Haftreibungskraft relativ zu dem Hebelelement (5) um den zweiten Drehpunkt (12) drehbar ist.

2. Stelleinheit (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für die um den zweiten Drehpunkt (12) drehbare Verbindung an einem ersten Ende der Pleuelstange (11) ein Pleuelauge (10) ausgebildet ist, das mit einem entsprechend ausgebildeten Gegenstück des Hebelelements (5) verbunden ist.

3. Stelleinheit (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Gegenstück des Hebelelements (5) als ein zapfenförmiges Rundstück (9) ausgebildet ist, das in dem Pleuelauge (10) um den zweiten Drehpunkt (12) drehbar gelagert ist.

4. Stelleinheit (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Verhältnis des Abstands (a) zwischen dem ersten Drehpunkt (6) und dem zweiten Drehpunkt (12) zu dem Radius (r) des Pleuelauges (10) kleiner ist als die Haftreibungszahl µ₀ zwischen dem Material des Pleuelauges (10) und dem Material des Hebelelements (5).

5. Stelleinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Drehpunkt (12) zwischen Gegenstück und Pleuelauge (10) zwischen dem ersten Drehpunkt (6) des Hebelelements (5) und dem ersten Anlenkpunkt (8) des Ankers (4) an dem Hebelelement (5) angeordnet ist.

6. Stelleinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Drehpunkt (6) des Hebelelements (5) zwischen dem zweiten Drehpunkt (12) zwischen Gegenstück und Pleuelauge (10) und dem ersten Anlenkpunkt (8) des Ankers (4) an dem Hebelelement (5) angeordnet ist.

7. Stelleinheit (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Anker (4) und dem Hebelelement (5) ein Zwischenelement (7) angeordnet ist.

8. Stelleinheit (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinheit (1) zur Betätigung von variablen Ventilsteuerungssystemen von Brennkraftmaschinen dient.

9. Stelleinheit (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß das zweite Ende der Pleuelstange (11) einen Koppelhebel (2) eines variablen Ventilhub (VVH)- Systems an einem ersten Ende des Koppelhebels anlenkt, wobei der Koppelhebel (2) an einem zweiten Ende um einen dritten Drehpunkt (14) drehbar gelagert ist.