DE19846543C2 - Aktuator, insbesondere für ein elektromagnetisch verstellbares Ventil - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktuator, insbesondere für ein elektromagnetisch verstellba­ res Ventil nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.

Ein Aktuator für ein elektromagnetisch verstellbares Ventil ist beispielsweise aus der DE 41 37 821 A1 bekannt. Der Aktuator umfaßt eine Spule, die eine Magnetkraft auf einen Anker als Verstellelement für ein Ventil ausübt. Aktuatoren bestehen häufig aus einer Vielzahl von Einzelteilen, deren Einzeltoleranzen das Betriebsverhalten des Aktuators beeinflussen. Bei einem elektromagnetischen Aktuator sind als wesentliche Betriebspa­ rameter der nutzbare Arbeitsweg des Verstellelementes und die wirksame Kraft von Be­ deutung. Um diese Einflußgrößen exakter einhalten zu können, ist das Verstellelement in der DE 41 37 821 A1 in zwei Baugruppen geteilt ausgeführt und mit einer Justiervor­ richtung versehen. Die Justiervorrichtung besteht aus einer Gewindeverbindung zwi­ schen den beiden Baugruppen des Verstellelementes. Mit Hilfe der Justiervorrichtung kann die Gesamtlänge des Verstellelementes auf ein definiertes Maß eingestellt werden. Das definierte Längenmaß steht in einem Verhältnis zur zentralen Gehäuseöffnung des Aktuators, die von einer Verschlußschraube abgedeckt wird, die Dichtungsringe für die Abdichtung der Gehäuseöffnung aufweist. Der stirnseitige Abstand zwischen der Verschlußschraube und der Rückseite des Verstellelementes bestimmt den maximalen Hub des Verstellelementes. Die Stellung der Verschlußschraube ist über die nötige Vorspan­ nung der Dichtungsringe vorgegeben. Folglich gehen bei einem korrekt eingestellten Längenmaß X für das Verstellelement die Toleranzen der Tiefe der Gehäuseöffnung und die Einschraublänge der Verschlußschraube bei der Bestimmung des Arbeitshubes ein. Man hat zwar eine Reduzierung der möglichen Toleranzeinflüsse erreicht, doch sind die Toleranzen in ihrer Wirkung noch messbar.

Diese Art der Justiervorrichtung verlangt eine zusätzliche Sicherung der Einstellänge des Verstellelementes, beispielsweise durch eine Gewindepaste. Ansonsten ist nicht ausge­ schlossen, daß während des Betriebes des Aktuators oder bei der Einstellung der Feder­ vorspannung der Feder innerhalb des Verstellelementes die Längeneinstellung nicht ver­ stellt wird. Man muß sich auch die Größe der Bauteile vor Augen führen. Die reale Grö­ ße der Einzelteile ist deutlich geringer, so daß die Gewindeverbindung deutlich schwä­ cher ist, als vermutet, wobei der Betriebsdruck im Durchflußkanal (Bezugsziffer 8) auf die Gewindeverbindung wirkt.

Aus der DE 197 16 856 A1 und der DE 197 19 051 A1 ist ein Aktuator für ein elektro­ magnetisch verstellbares Ventil bekannt, umfassend eine Antriebseinheit, die ein Verstel­ lelement in zumindest eine Richtung bewegt, wobei das Verstellelement in mindestens zwei Baugruppen geteilt ausgeführt und im Rahmen eines Justiervorgangs in seiner Hublage zu einer definierten Arbeitsstellung verstellbar ist und der Aktuator eine Bezug­ sebene aufweist, auf der ein Anschlag als Einstellmittel anbringbar ist, wobei eine Bau­ gruppe des geteilt ausgeführten Verstellelementes bei der Montage mit dem Anschlag in Wirkverbindung geht und eine zweite Baugruppe des Verstellelementes über eine Positioniereinrichtung in einer definierten Arbeitsstellung gehalten wird, wobei die bei­ den Baugruppen des Verstellelementes durch in mindestens eine Richtung wirksames Fixiermittel verbindbar sind daß eine der beiden Baugruppen zumindest teilweise in die andere Baugruppe im fertigmontierten Zustand des Verstellelements eingreift und als Fixiermittel eine Formschlußverbindung zwischen den beiden Baugruppen ausgeführt ist.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Aktuator derart weiterzuentwickeln, daß die Hublänge mit einem geringen Fertigungsaufwand möglichst genau bestimmt ist.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe in einem ersten Ausführungsbeispiel durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Das Verstellelement kann im Aktuator bezüglich seiner Hublage eingestellt werden, da die Bezugsebene Teil des Aktuators selbst ist. Des weiteren kann ein einfacher Anschlag eingesetzt werden. Beim Einstellen der Hublage ist nur ein einfacher Prüfvorgang im Vergleich zu einem Messvorgang wie in der DE 41 37 821 A1 notwendig.

Der Formschluß kann durch eine entsprechende Rauhigkeit der in Presspassung ge­ brachten Baugruppen in seiner Belastbarkeit erhöht werden. Der Einsatz von einem Kle­ bemittel ist ebenfalls denkbar.

Eine alternative Ausführungsform wird durch die Merkmale des Patentanspruchs 2 be­ schrieben.

Über den Stauchweg werden zumindest die anfallenden Maßtoleranzen der beteiligten Bauteile ausgeglichen.

So wird die Bezugsebene vorteilhafterweise von einem Gehäuseteil gebildet, das ortsfest zu der definierten Arbeitsposition angeordnet ist.

In weiterer Ausgestaltung entspricht die definierte Arbeitsposition einer Endstellung des Verstellelementes. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn die Endstellung des Verstellelementes von einem Ventilsitz innerhalb eines Ventils gebildet wird, dessen Ansteuerung vom Aktuator ausgeführt wird. Die Ventilsitzposition und die Bezugsebene können beispiesweise im baulichen Zusammenhang stehen, so daß von dieser Seite mit sehr geringen Fertigungstoleranzen zu rechnen ist.

So wird das Ausgleichselement im justierten Zustand des Verstellelementes über den elastischen Zustand hinaus verformt ist. Einerseits ist eine relativ kleine Stauchkraft erwünscht und andererseits darf die Rückfederung nicht zu deutlich werden. Dazu ist vor­ gesehen, daß der Werkstoff für das Ausgleichselement ein möglichst kleines Verhältnis von Streckgrenze/E-Modul aufweist.

Durch umfangreiche Versuche hat man herausgefunden, daß es im Hinblick auf die Fer­ tigungsgenauigkeit und die Montagekosten vorteilhaft ist, wenn das Ausgleichselement von einem Wellring gebildet wird.

Bei einer Anwendung des Aktuators, beispielsweise bei einem Schwingungsdämpfer mit verstellbarer Dämpfkraft, bei dem das Verstellelement in einem Ventil den Strom eines Arbeitsfluids steuert, ist es im Hinblick auf Schwingungen des Verstellelementes, insbe­ sondere auf eine schwingende Relativbewegung zwischen der Ankerbaugruppe und der Schieberbaugruppe vorteilhaft, wenn das Verstellelement mindestens eine Drosselöff­ nungen aufweist, die von dem Arbeitsfluid durchströmt wird und damit eine Dämpfwir­ kung ausübt.

Zur Vermeidung von Klemmkräften ist vorgesehen, daß mehrere Drosselöffnungen symmetrisch im Verstellelement ausgeführt sind.

Anhand der folgenden Figurenbeschreibung soll die Erfindung näher erläutert werden.

Es zeigt:

Fig. 1 Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Aktuators, dessen Verstellelement über einen Formschluß eingestellt wird.

Fig. 2 Aktuator mit einem Verstellelement, das ein deformierbares Ausgleichselement aufweist

Fig. 3 Aktuator der Bauform nach der Fig. 1 mit einem Ausgleichselement der Fig. 2

Fig. 4 Ausgleichselement der Fig. 2 als Einzelteil

Die Fig. 1 zeigt einen teilmontierten Aktuator 1, wie er aus der DE 197 22 216 A1 be­ kannt ist. Der Inhalt dieser Patentanmeldung soll vollständig Teil der folgenden Figuren­ beschreibung sein. Alternativ sind neben der in der DE 197 22 216 beschriebenen Krafterzeugung mittels einer Spule auch motorische, pneumatische, hydraulische oder pie­ zoelektrische Stellkräfte einsetzbar.

Der Aktuator 1 besteht in dieser Montagestufe aus einem topfförmigen Gehäuse 3 mit einer Durchgangsöffnung 5 zur Aufnahme eines Verstellelementes 7. Das Verstellele­ ment besteht aus zwei Baugruppen 9; 11, nämlich einer Ankerbaugruppe 9 und einer Schieberbaugruppe 11, die sich gemeinsam von der Stellkraft gegen eine Schließfe­ der 13 gegen einen Ventilsitz 15 vorspannen lassen. Damit stellt der Ventilsitz eine End­ stellung des Verstellelementes 7 dar.

In dem in der Fig. 1 dargestellten Montagezustand ist das Gehäuse noch nicht mit dem Schwingungsdämpfer verbunden, sondern befindet sich auf einer Montageplatte. Des­ halb kann die Kraft der Schließfeder 13 um ein Vielfaches größer sein, als die Feder, die an dieser Stelle im fertigmontierten Aktuator eingesetzt wird.

Die Schieberbaugruppe 11 durchdringt die Ankerbaugruppe 9, wobei die beiden Bau­ gruppen konzentrisch zueinander ausgerichtet sind. Im linken Halbschnitt ist als Ein­ stellmittel ein Anschlag 16 vereinfacht dargestellt, der auf einer Bezugsebene 17 des Gehäuses 3 aufliegt. Bei der Montage wird die Ankerbaugruppe 9 zusammen mit einer Abstandscheibe 19 auf die Schieberbaugruppe gefädelt, bis sie auf dem Anschlag 16 zur Anlage kommt. Der Anschlag verfügt zumindest über die Höhe des vorgesehenen Hubs der Verstelleinrichtung zuzüglich der Höhe der Abstandscheibe 19. Die Abstand­ scheibe dient dazu, daß die Ankerbaugruppe bei sehr großen Schaltgeschwindigkeiten des Aktuators aufgrund einer massenträgheitsbehafteten Schwingbewegung nicht mit der Bezugsebene 17 in Kontakt tritt und magnetische Klebeeffekte auftreten.

In der Ausführungsform gemäß dem linken Halbschnitt wird ein Verstemmwerkzeug 21 eingesetzt, das Fixiermittel in Form einer Formschlußverbindung 23 zwischen der Anker­ baugruppe 9 und der Schieberbaugruppe 11 wirksam werden läßt. Die Formschlußver­ bindung besteht aus mindestens einem radialen Vorsprung 25, der in eine entsprechen­ de Vertiefung 27 eingreift.

In der rechten Schnitthälfte ist eine Toleranzhülse 29 dargestellt, die sich auf einem Ab­ satz 31 der Schieberbaugruppe 11 abstützt. Die Toleranzhülse steht innerhalb einer Öffnung 33 mit der Ankerbaugruppe in Überdeckung. Die Tiefe der Öffnung 33 entspricht mindestens der Länge der Toleranzhülse. Ein Presswerkzeug 35 drückt die Ankerbau­ gruppe 9 auf die Toleranzhülse, bis der Anschlag 16 erreicht ist. Die dabei auftretenden axialen Montagekräfte werden von der Schließfeder 13 aufgenommen. Die Formschluß­ verbindung kann durch eine entsprechende ausgeführte Rauhigkeit der Teile, die an der Presspassung beteiligt sind, hinsichtlich der aufnehmbaren Kraft in Arbeitsrichtung be­ stimmt werden. Zusätzlich oder alternativ sind Klebemittel denkbar. Für den Fall, daß die Montagekräfte größer sind als von einer Feder aufnehmbar, kann für die Abstützung der Schieberbaugruppe auch ersatzweise eine Stellschraube eingesetzt werden. Das Ge­ häuse 3 umfasst nicht nur die Bezugsebene 17, sondern auch die Ventilsitzfläche 15. Den Abstand zwischen diesen beiden Flächen kann man direkt messen und damit sehr genau herstellen, insbesondere wenn das Gehäuse 3 bei der Bearbeitung des Ventilsit­ zes auf der Bezugsebene gespannt wird. Die Feder 13 in Verbindung mit Ventilsitz 15 stellt die im Hauptanspruch genannte Positioniereinrichtung dar. Alternativ ist auch die beschriebene Stellschraube als Positioniereinrichtung anzusehen. Wichtig ist, daß die Schieberbau­ gruppe 11 in einer definierten Axialstellung zur Ankerbaugruppe 9 gehalten wird, bis die Fixiermittel wirksam sind.

Die Ausführung nach der Fig. 2 zeigt den Aktutor in demselben Montagezustand wie die Variante nach der Fig. 1. Abweichend wird ein Ausgleichselement 37 eingesetzt, das als Fixiermittel zwischen der Ankerbaugruppe 9 und der Schieberbaugruppe 11 dient. Es wird wiederum die Schieberbaugruppe 11 in das Gehäuse 3 eingeführt, wobei die Posi­ tion durch eine Ventilfläche 39 des Ventilschiebers 11 bestimmt wird. Der Ventilsitz 15 liegt auf einem Ventilring 41, der in der Montagephase von einer Stützhülse 43 gehal­ ten wird. Damit bildet der Ventilring 41 in Verbindung mit der Stützhülse 45 und einer nicht dargestellten Vorspannkraft auf die Schieberbaugruppe 11 in Achsrichtung die Positioniereinrichtung. Auf den Absatz 31 der Schieberbaugruppe 11 wird als Fixiermit­ tel das Ausgleichselement 37 gelegt, das von einem Wellring gebildet wird. Anschlie­ ßend wird auf die Bezugsebene 17 wiederum der Anschlag 16 gehalten, dessen Höhe der Abstandscheibe 19 der Fig. 1 entspricht. Danach wird wiederum ein nicht dargestell­ tes Presswerkzeug eingesetzt, das die Ankerbaugruppe axial in Richtung des Ventilsit­ zes 15 verschiebt, bis die Ankerbaugruppe 9 auf dem Anschlag 16 zur Anlage kommt. Dabei wird das Ausgleichselement 37 im wesentlichen im plastisch verformt. Der Werkstoff ist insbesondere im Hinblick auf eine geringe Rückfederung gewählt, wobei in der Anschlaghöhe bereits die Rückfederung berücksichtigt ist.

Zwischen der Ankerbaugruppe 9 und der Schieberbaugruppe 9 wird ein Abstand einge­ stellt, der wiederum der Hublage und Hublänge angepaßt ist. Die Verspannung in Achsrichtung erfolgt im Betrieb durch die eingesetzten Federkräften im Aktuator, damit es nicht zu ungewollten Relativbewegungen zwischen der Ankerbaugruppe und Schie­ berbaugruppe kommt. Etwaige Schwingbewegungen werden von der Ankerbaugruppe abgebaut, die Drosselöffnungen 45 aufweist, die im Aktuatorbetrieb von Arbeitsmittel durchströmt werden, das von dem Aktuator durch eine zentrale Öffnung 47 aufge­ nommen und auf die Rückseite der Ankerbaugruppe strömt.

Die Fig. 3 soll verdeutlichen, daß auch ein Aktuator mit der Ausgestaltung des Ventilsit­ zes nach der Fig. 1 mit einem Ausgleichselement der Fig. 2 montiert werden kann. Der Montageablauf entspricht dem Vorgehen nach der Fig. 2.

Die Fig. 4 zeigt als Ausgleichselement 37 den Wellring der Fig. 2 und 3. Das Ausgleich­ selement kann sicherlich auch abgewandelt aussehen. Wichtig ist eine ausreichende Verformbarkeit in Verbindung mit einer geringen Federung und Rückfederung. Der Wellring vereinigt diese Eigenschaften, da die Federungswirkung mit zunehmender Planlage abnimmt und bei einer Überdrückung in den plastischen Bereich auch keine Rückfederung nennenswerter Größe auftritt.

Claims (10)

1. Aktuator, insbesondere für ein elektromagnetisch verstellbares Ventil, umfassend eine Antriebseinheit, die ein Verstellelement in zumindest eine Richtung bewegt, wobei das Verstellelement in mindestens zwei Baugruppen geteilt ausgeführt und im Rahmen eines Justiervorgangs in seiner Hublage zu einer definierten Arbeitsstel­ lung verstellbar ist und der Aktuator eine Bezugsebene aufweist, auf der ein An­ schlag als Einstellmittel anbringbar ist, wobei eine Baugruppe des geteilt ausgeführ­ ten Verstellelementes bei der Montage mit dem Anschlag in Wirkverbindung geht und eine zweite Baugruppe des Verstellelementes über eine Positioniereinrichtung in einer definierten Arbeitsstellung gehalten wird, wobei die beiden Baugruppen des Verstellelementes durch in mindestens eine Richtung wirksames Fixiermittel verbindbar sind daß eine der beiden Baugruppen zumindest teilweise in die andere Baugruppe im fertigmontierten Zustand des Verstellelements eingreift und als Fi­ xiermittel eine Formschlußverbindung zwischen den beiden Baugruppen ausgeführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß eine der Baugruppen (9; 11) einen Absatz (31) aufweist, der eine Toleranzhül­ se (29) trägt, wobei die Toleranzhülse (29) in eine Öffnung (33) der anderen Bau­ gruppe (9; 11) einpressbar ist, so daß über die Toleranzhülse eine Abstützung der beiden Baugruppen (11) erfolgt.

2. Aktuator, insbesondere für ein elektromagnetisch verstellbares Ventil, umfassend eine Antriebseinheit, die ein Verstellelement in zumindest eine Richtung bewegt, wobei das Verstellelement in mindestens zwei Baugruppen geteilt ausgeführt und im Rahmen eines Justiervorgangs in seiner Hublage zu einer definierten Arbeitsstel­ lung verstellbar ist und der Aktuator eine Bezugsebene aufweist, auf der ein An­ schlag als Einstellmittel anbringbar ist, wobei eine Baugruppe des geteilt ausgeführ­ ten Verstellelementes bei der Montage mit dem Anschlag in Wirkverbindung geht und eine zweite Baugruppe des Verstellelementes über eine Positioniereinrichtung in einer definierten Arbeitsstellung gehalten wird, wobei die beiden Baugruppen des Verstellelementes durch in mindestens eine Richtung wirksames Fixiermittel verbindbar sind dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Baugruppen (9; 11) in Reihe zu einander angeordnet sind, wobei zwischen den Baugruppen (9; 11) ein in Arbeitsrichtung des Aktuators (1) defor­ mierbares Ausgleichselement (37) angeordnet ist, das nach dem Justiervorgang eine im Vergleich zum Ausgangszustand verkürzte Länge aufweist..

3. Aktuator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsebene (17) von einem Gehäuseteil gebildet wird, das ortsfest zu der definierten Arbeitsposition angeordnet ist.

4. Aktuator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die definierte Arbeitsposition einer Endstellung des Verstellelementes (7) ent­ spricht.

5. Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Endstellung des Verstellelementes von einem Ventilsitz (15) innerhalb eines Ventils gebildet wird.

6. Aktuator nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement (37) im justierten Zustand des Verstellelementes (7) über den elastischen Zustand hinaus verformt ist.

7. Aktuator nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgleichselement von einem Wellring gebildet wird.

8. Aktuator nach Anspruch 2; dadurch gekennzeichnet, daß der Werkstoff für das Ausgleichselement ein möglichst kleines Verhältnis von Streckgrenze/E-Modul aufweist.

9. Aktuator nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Verstellelement (7) in einem Ventil den Strom eines Arbeitsfluids steuert, wobei das Verstellelement (7) mindestens eine Drosselöffnung (45) aufweist, die von dem Arbeitsfluid durchströmt wird.

10. Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Drosselöffnungen (45) symmetrisch im Verstellelement (7) ausgeführt sind.