DE19924814A1 - Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei dem die Joche der Elektromagnete geschlitzt ausgeführt sind, indem die Joche aus mehreren massiven, miteinander verbundenen Teilen bestehen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, zwischen denen eine Ankerplatte mit mindestens einem Stößel oszilliert, und die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer Erreger­ spule bestehen.

Ein Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung besteht im wesentlichen aus dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, die durch mindestens ein Bauteil aus einem nicht ferromagnetischen Material voneinander getrennt sind. Dieses Bauteil kann beispielsweise durch ein Gehäuseteil gebildet werden. Zwischen den Elektro­ magneten, dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, befindet sich die aus einem ferromagnetischen Material bestehende Ankerplatte, die durch Bestromen der Erregerspule des Öffnermagneten oder der Erregerspule des Schließermagneten in die jeweilige Richtung bewegt wird. Das Joch des Öffnermagneten weist eine Durchführung für einen Ventilstößel auf, der die auf die Ankerplatte einwirkenden Kräfte auf mindestens ein Gaswechselventil überträgt.

Der Aktor kann beispielsweise so ausgeführt sein, daß die Aktorfeder auf der dem Gaswechselventil entgegengesetzten Seite des Aktors an der Außenseite des Schließermagneten angeordnet ist. Dazu ist in Verlängerung des Ventilstößels ein einen Aktorfederteller aufweisender Federstößel angeordnet, der durch eine Durch­ führung im Joch des Schließermagneten gelagert ist. Das Joch des Schließermagne­ ten weist eine die Durchführung des Federstößels umgebende, eine Wandung bil­ dende Ausformung auf, in der ein Innengewinde eingearbeitet ist. In das Innenge­ winde der Wandung ist ein Schraubdeckel eingeschraubt, der zusammen mit der Wandung einen Hohlraum bildet, in dem die auf dem Aktorfederteller aufliegende Aktorfeder angeordnet ist. Durch Verdrehen des Schraubdeckels kann die Vorspan­ nung der Aktorfeder verändert werden, wodurch die Ruhelage der Ankerplatte ein­ stellbar ist.

Ein Aktor bildet mit einem Gaswechselventil eine funktionelle Einheit, wobei das Gaswechselventil, entsprechend einem konventionellen Zylinderkopf mit Nocken­ wellen, mittels einer Ventilfeder und einem Ventilfederteller in den Ventilsitz des Zylinderkopfes gezogen wird.

Ist eine funktionelle Einheit aus einem Aktor und einem Gaswechselventil an der Brennkraftmaschine montiert, werden der Ventilschaft des Gaswechselventils, der Ventilstößel und der Federstößel des Aktors gegeneinander gepreßt. In der Ruhelage der funktionellen Einheit befindet sich die Ankerplatte in der Mitte zwischen dem Öffnermagnet und dem Schließermagnet, wobei die Ventilfeder und die Aktorfeder vorgespannt sind. Der Ventilteller des Gaswechselventils befindet sich dabei in der Mittelstellung zwischen dem Ventilsitz des Zylinderkopfes, bei der das Gaswechsel­ ventil geschlossen ist, und der Position, in der das Gaswechselventil maximal geöff­ net ist.

Durch den sich beim Betrieb eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteuerung ständig ändernden magnetischen Feldern der Elektromagneten treten in dem Joch der Elektromagneten Wirbelströme auf, die gemäß der Lenz'schen Regel dem ma­ gnetischen Feldaufbau bzw. Feldabbau entgegenwirken. Daraus resultiert beim Betrieb der Aktoren eine Zunahme der Leistungsaufnahme und ein Anstieg der unerwünschten Erwärmung der Aktoren.

Zur Vermeidung von Wirbelströmen wird beispielsweise in der US 4,715,331 vorge­ schlagen, das Joch der Elektromagneten entsprechend dem Eisenkern eines Trans­ formators aus weichmagnetische Blechen zusammenzusetzen.

Die Nachteile derartig geblechter Joche besteht in der geringen mechanischen Festigkeit des Blechpaketes sowie in der hohen Anzahl von Einzelteilen, die bei der Herstellung der Elektromagnete gehandhabt und bearbeitet werden müssen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer Erregerspule bestehen, anzugeben, bei dem Wirbelströme im Joch der Elektromagneten wirkungsvoll unterdrückt werden und bei dem die Joche die notwendige mechanische Festigkeit aufbringen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst, wonach beide Joche der Elektromagnete aus mindestens zwei massiven Jochteilen bestehen, und wonach die mindestens zwei massiven Jochteile miteinan­ der verbunden sind.

Die mindestens zwei massiven Jochteile sind dabei so geformt, daß die Flächen der miteinander verbundenen mindestens zwei massiven Jochteile Wirbelströme vermei­ dende Schlitze bilden. Dabei brauchen die Wirbelströme vermeidende Schlitze nicht parallel zueinander angeordnet sein.

In einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die sich beim Verbindenden der mindestens zwei massiven Jochteile berührenden Flächen eine das Verbinden unterstützende Oberfläche aufweisen.

Die mindestens zwei massiven Jochteile des jeweiligen Jochs können durch Schwei­ ßen miteinander verbunden sein.

Dabei ist die Schweißverbindung so angeordnet, daß die zu verbindenden Flächen der mindestens zwei massiven Jochteile einem in den mindestens zwei Jochteilen fließenden Strom einen hohen ohmschen Widerstand entgegenstellen. Beispielswei­ se kann eine Schweißnaht in der Art an einer Kante der zu verbindenden mindestens zwei Jochteile aufgebracht werden, daß zwischen den mindestens zwei Jochteilen ein geringer Abstand verbleibt.

Alternativ können die mindestens zwei massiven Jochteile des jeweiligen Jochs durch Kleben miteinander verbunden sein.

Dabei ist vorgesehen, daß der Klebstoff zum Verbinden der Jochteile einen hohen ohmschen Widerstand aufweist.

Als Klebstoff kann ein Epoxydharz verwendet werden, dem ein elektrisch isolieren­ der Füllstoff beigemischt ist.

Durch den erfindungsgemäßen Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung wird die Entstehung von Wirbelströmen im Joch der Elektromagneten wirksam unter­ drückt, wobei die Joche die notwendige mechanische Festigkeit aufbringen.

Im folgenden wird der Aktor zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten, die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster und einer Erregerspule bestehen, anhand von zwei Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit drei Figuren dargestellt und erläutert.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schnittbild eines Aktors zur elektromagnetischen Ventilsteue­ rung,

Fig. 2.1-2.4 die schematische Darstellung mehrerer Joche des Öffnermagneten, die aus unterschiedlich geformten massiven Jochteilen zusammenge­ setzt sind,

Fig. 3 die schematische Darstellung eines aus drei massiven Jochteilen bestehenden Jochs des Öffnermagneten, die durch Schweißen mit­ einander verbunden sind.

In Fig. 1 ist ein Aktor 1 zur elektromagnetischen Ventilsteuerung bei Brennkraft­ maschinen dargestellt, der im wesentlichen aus zwei Elektromagneten, dem Schlie­ ßermagnet 2 und dem Öffnermagnet 3 besteht. Die Elektromagneten bestehen jeweils aus dem Joch mit dem Spulenfenster 2.2, 3.2 und der im Spulenfenster 2.2, 3.2 eingesetzten Erregerspule 2.3, 3.3. Dabei ist das Joch des Schließermagneten 2 und das Joch des Öffnermagneten 3 aus mehreren Jochteilen 2.1, 3.1 zusammenge­ setzt, die beispielsweise durch Kleben oder durch Schweißen miteinander verbun­ den sind.

Die Elektromagneten werden durch zwei aus einem nicht ferromagnetischen Materi­ al gefertigte Distanzstücke 4 voneinander getrennt. Zwischen den Distanzstücken 4 oszilliert die Ankerplatte 5, an der der Ventilstößel 6 befestigt ist, der die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte über eine Durchführung im Joch des Öffnerma­ gneten 3 auf ein Gaswechselventil überträgt. Um die Durchführung im Joch des Öffnermagneten ist eine kreisrunde Ausformung ausgebildet, die äls Anschlußteil an den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine dient.

Das Joch des Schließermagneten 2 und das Joch des Öffnermagneten 3 sind durch zwei nicht dargestellte, einen Innensechskant aufweisende Kopfschrauben mitein­ ander verbunden. Die im Joch des Schließermagneten 2 gesenkten Kopfschrauben sind parallel zur Ventilachse, durch die Distanztücke 4 hindurch bis in das die Ge­ gengewinde der Kopfschrauben aufweisende Joch des Öffnermagneten 3 geführt. Zudem ist in dem Joch des Schließermagneten 2, in dem Joch des Öffnermagneten 3 und in den Distanzstücken 4 zwei Bohrungen 8 für jeweils eine weitere Kopf­ schraube eingearbeitet, mit denen ein Aktor 1 an dem Zylinderkopf der Brennkraft­ maschine angeschraubt wird.

In der Verlängerung des Ventilstößels 6 liegt auf der Ankerplatte 5 ein Federstößel 7.1 auf, der über eine Durchführung im Joch des Schließermagneten 2 die auf die Ankerplatte 5 einwirkenden Kräfte auf die Aktorfeder 7.2 überträgt. Dazu ist an dem der Ankerplatte 5 entgegengesetzten Ende des Federstößels 7.1 ein Aktorfederteller 7.3 ausgearbeitet, auf dem die Aktorfeder 7.2 aufliegt, und über den die Aktorfeder 7.2 den Federstößel 7.1 gegen die Ankerplatte 5 preßt.

In die Durchführungen im Joch des Schließermagneten 2 und dem Joch des Öffner­ magneten 3 sind Führungshülsen 12 eingeschlagen, durch die der Ventilstößel 6.1 und der Federstößel 7.1 geführt werden.

Die Aktorfeder 7.2 befindet sich in einer radialsymmetrisch um die Durchführung des Federstößels 7.1 ausgebildeten, eine Wandung bildende Ausformung des Jochs des Schließermagneten 2. Die Wandung weist auf der Innenseite ein Gewinde auf, in das ein Schraubdeckel 9 eingeschraubt ist. Mittels des Schraubdeckels 9 kann die Vorspannung der Aktorfeder 7.2 und der nicht dargestellten Ventilfeder verändert werden.

Die Joche sind jeweils in der Art geteilt, daß die eine Wandung bildende Ausformung des Jochs des Schließermagneten 2 und die einen Anschluß bildende Ausformung des Jochs des Öffnermagneten 3 zusammen mit einer ca. sechs Millimeter dicken planparallelen Scheibe des Jochs ein Basisteil 2.4, 3.4 bilden. Auf dieses Basisteil 2.4, 3.4 sind die das Spulenfenster 2.2, 3.2 bildenden, miteinander verbundenen Jochteile 2.1, 3.1 aufgebracht. Die Ausbildung der ca. sechs Millimeter dicken Schei­ be des Basisteils 2.4, 3.4 dient dabei der Erhöhung der mechanischen Stabilität der Joche. Bei einer hochfesten Verbindung der Jochteile 2.1, 3.1 kann auf das Ausbil­ den des Basisteils 2.4, 3.4 verzichtet werden.

Die zwischen den Jochteilen 2.1, 3.1 entstehenden Schlitze wirken der Entstehung von Wirbelströmen entsprechend hochohmigen Widerständen entgegen. Durch die Unterdrückung der Wirbelströme nimmt auch die Leistungsaufnahme beim Betrieb des Aktors 1 um bis zu 20% ab. Entsprechend geringer muß auch die Kühlung eines Aktors ausgelegt sein.

In den Fig. 2.1 bis 2.4 ist jeweils das Joch des Öffnermagneten 3 dargestellt, wobei die Joche in eine unterschiedliche Anzahl unterschiedlich geformter Jochteile 3.1 aufgeteilt sind. Das Joch des Schließermagneten 2 und das Joch des Öffner­ magneten 3 eines Aktors können ihrer unterschiedlichen Aufgabe entsprechend aus unterschiedlich geteilten Jochteilen 2.1, 3.1 zusammengesetzt sein.

Fig. 2.1 zeigt ein Joch, das in den Symmetrieachsen des Jochs geteilt ist, wobei die 4 entstehenden Jochteile 3.1 identisch geformt sind. Die Teilung des Jochs verläuft auch durch die Durchführung für die Führungshülse 12 des Ventilstößels. Die Füh­ rungshülse braucht dabei nicht in die Aussparung eingeschlagen zu werden, sondern wird vor dem Verbinden der Jochteile 3.1 in die Aussparung eingesetzt und gegebe­ nenfalls mit den Jochteilen verbunden.

Zudem verläuft die Teilung durch die Bohrungen 8, wobei gewährleistet sein muß, daß über die durch die Bohrung 8 geführten Kopfschrauben zur Befestigung des Aktors an dem Zylinderkopf keine zu hohen Scherkräfte auf die Verbindung der Jochteile 3.1 der Längsachse einwirken.

Fig. 2.2 zeigt ein Joch, das aus 4 Jochteilen 3.1 besteht, wobei 2 × 2 Jochteile 3.1 identisch geformt sind. Dabei wurde es vermieden, die Teilung des Jochs durch die Bohrungen 8 zu führen. Die Führungshülse 12 wird bei dieser Ausführung von ledig­ lich 2 Jochteilen gehalten.

Fig. 2.3 zeigt ein Joch, das aus 6 Jochteilen 3.1 besteht, wobei 3 × 2 Jochteile 3.1 identisch geformt sind. Entsprechend stehen der Ausbildung von Wirbelströmen mehr hochohmige Schlitze entgegen. Die Bohrungen 8 verlaufen ebenfalls nicht durch eine Teilung von Jochteilen 3.1. Die Führungshülse 12 wird bei dieser Ausfüh­ rung von allen 6 Jochteilen 2.1 gehalten.

Fig. 2.4 zeigt ein Joch, das aus 7 Jochteilen 3.1 besteht, wobei ein Jochteil 3.1 den die Aussparung aufweisenden Mittelteil des Aktors 1 bildet. Die 6 weiteren Jochteile 3.1 sind alle auch mit dem Mittelteil verbunden. Das Mittelteil kann dabei entgegen der Dargestellten Ausführung so klein ausgebildet sein, daß es lediglich die Durch­ führung der Führungshülse 12 umschließt. Gegebenenfalls kann das Mittelteil rund ausgebildet sein und keine Außenfläche des Jochs bilden.

Da Wirbelströme vorzugsweise im Randbereich der Spulenfenster 2.2, 3.2 fließen, wird durch das Mittelteil die Wirbelströme unterdrückende Wirkung der Schlitze nicht beeinträchtigt.

Bei einer ein Mittelteil aufweisenden Aufteilung der Jochteile 2.1, 3.1 kann das Basisteil 2.4, 3.4 des Jochs des Schließermagneten 2 und des Jochs des Öffnerma­ gneten 3 ohne die 6 Millimeter dicke planparallele Scheibe der Joche ausgebildet werden, wodurch jedoch erhöhte Anforderungen an die Verbindung der Jochteile 2.1, 3.1 gestellt werden.

Die in der Fig. 2.1 bis 2.4 dargestellten Teilungen der Jochteile 3.1 sind besonders vorteilhaft durch Kleben miteinander zu verbinden. Als Klebstoff wird dabei ein Epoxydharz verwendet, dem ein isolierend wirkender Füllstoff beigemengt ist. Der Klebstoff wird auf die zu verbindenden Flächen der Jochteile 3.1 derart aufgetragen, daß nach dem Aushärten des Klebstoffes ein 0.1 Millimeter breiter, mit dem Kleb­ stoff gefüllter Schlitz 10 zwischen den Jochteilen 3.1 verbleibt. Diese Schlitze 10 bewirken die Unterdrückung der Wirbelströme. Gegebenenfalls können die Jochteile 3.1 auch auf die Basisteile 3.4 aufgeklebt werden.

Alternativ können die Jochteile 3.1 mit dem Basisteil 3.4 durch eine Lötung mitein­ ander verbunden werden. Dabei entsteht zwar eine elektrisch leitfähige Verbindung zwischen den Jochteilen 3.1, die Entstehung von Wirbelströmen in den Jochteilen 3.1 wird dennoch wirksam unterdrückt.

Fig. 3 zeigt die das Spulenfenster bildenden Jochteile 3.1 des Jochs des Öffnerma­ gneten 3. Die lediglich drei Jochteile 3.1 sind durch zwei Schweißnähte 11 mitein­ ander verbunden, die auf der dem Spulenfenster entgegengesetzten Seite des Jochs aufgebracht ist. Zwischen den drei Jochteilen 3.1 entstehen insgesamt zwei 0.2 Millimeter dicke Schlitze 10, die zumindest in einer Achse nicht genau parallel zueinander angeordnet sind. Zur Herstellung der Schweißnaht wird vorzugsweise eine Schweißtechnik verwendet, die gegebenenfalls unter Verwendung von Zusatz­ stoffen eine hochfeste und zugleich hochohmige Verbindung der drei Jochteile 3.1 erzeugt. Durch die Schweißnaht 11 wird im Gegensatz zum Kleben keine vollständi­ ge galvanische Trennung der Jochteile 3.1 erreicht, dennoch wird das Ausbilden von Wirbelströmen wirkungsvoll vermieden. Zudem ist das Schweißen ein kostengünsti­ ges Verfahren, das weitgehend automatisiert durchgeführt werden kann.

Bei der Verwendung eines Basisteils 2.4, 3.4 ist es von Vorteil vor dem Verbinden der miteinander verschweißten Jochteile 3.1 mit dem Basisteil 2.4, 3.4 die Schweiß­ nähte 11 mit den Jochteilen 3.1 plan zu schleifen.

Durch den Aktor 1 zur elektromagnetischen Ventilsteuerung, bei dem die Joche des Schließermagneten 2 und des Öffnermagneten 3 aus mehreren massiven Jochteilen 2.1, 3.1 gefertigt und beispielsweise miteinander verklebt oder verschweißt sind, werden Wirbelströme wirkungsvoll vermieden, wobei die Joche eine hohe Festigkeit aufweisen und bei der Herstellung einfach gehandhabt werden können.

Claims (9)

1. Aktor (1) zur elektromagnetischen Ventilsteuerung mit zwei Elektromagneten (2, 3), zwischen denen eine Ankerplatte (5) mit mindestens einem Stößel (6) oszil­ liert, und die jeweils aus einem Joch mit einem Spulenfenster (2.2, 3.2) und ei­ ner Erregerspule (2.3, 3.3) bestehen, dadurch gekennzeichnet, daß beide Joche der Elektromagnete (2, 3) aus mindestens zwei massiven Jochteilen (2.1, 3.1) bestehen, und daß die mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) miteinan­ der verbunden sind.

2. Aktor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) so geformt sind, daß die Flächen der miteinander verbundenen mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) Wirbelströme ver­ meidende Schlitze bilden.

3. Aktor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Wirbelströme vermei­ dende Schlitze nicht ausschließlich parallel zueinander angeordnet sind.

4. Aktor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die sich beim Verbindenden der mindestens zwei massiven Jochteile berührenden Flä­ chen eine das Verbinden unterstützende Oberfläche aufweisen.

5. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) des jeweiligen Jochs durch Schweißen miteinander verbunden sind.

6. Aktor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Schweißverbindung so angeordnet ist, daß die zu verbindenden Flächen der mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) einen hohen ohmschen Widerstand aufweisen.

7. Aktor nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die mindestens zwei massiven Jochteile (2.1, 3.1) des jeweiligen Jochs durch Kleben miteinander verbunden sind.

8. Aktor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff zum Verbin­ den der Jochteile (2.1, 3.1) einen hohen ohmschen Widerstand aufweist.

9. Aktor nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Klebstoff Epoxydharz mit einem elektrisch isolierenden Füllstoff ist.