DE19931052C2 - Elektromagnetischer Stellantrieb - Google Patents

Abstract

Bei einem elektromagnetischen Stellantrieb wird ein Ankerschaft (9), auf dem ein Anker (10) sitzt, einerseits in einem Längslager geführt, andererseits mit dem vom Stellantrieb verbundenen Teil (64) verbunden. Dadurch kann zum einen auf ein Längslager verzichtet werden, zum anderen sind die Toleranzanforderungen bei der Herstellung herabgesetzt.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Stellan­ trieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brenn­ kraftmaschine, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, wie er bei­ spielweise aus DE 198 05 455 A1 und DE 197 57 170 A1 bekannt ist.

Stellantriebe für Gaswechselventile von Brennkraftmaschinen sind bekannt. Im Gegensatz zu nockenwellenbetätigten Ventilen werden elektromagnetisch angetriebene Ventile zum Öffnen und Schließen in Abhängigkeit von der Drehlage der Kurbelwelle angesteuert. Dabei muß der Stellantrieb in der Lage sein, ho­ he Kräfte aufzubringen, insbesondere beim Öffnen eines Aus­ laßventils, die jeweilige Endstellung des Gaswechselventils beim Öffnen und Schließen muß mit Sicherheit erreicht werden, und der Öffnungs- bzw. Schließvorgang sollte so schnell wie möglich erfolgen.

Ein elektromagnetischer Stellantrieb ist beispielsweise aus DE 197 35 375 C1 bekannt. Er weist einen Anker auf, der von zwei Federn in einer Mittelstellung zwischen zwei Elektroma­ gneten gehalten wird. Durch Bestromung eines der Elektroma­ gneten kann der Anker in die jeweilige, dem Elektromagneten zugeordnete Endstellung angezogen und dort gehalten werden. Um den Stellantrieb und damit das davon angetriebene Gaswech­ selventil von einer Endstellung in die andere zu überführen, wird die Bestromung der haltenden Spule beendet und die ande­ re Spule bestromt, wodurch der Anker unter der Kraft der Fe­ dern sowie des eingeschalteten Elektromagneten in die andere Endstellung bewegt wird.

Für die Wirkung des Elektromagneten ist die genaue Passung von zugeordneter Ankerfläche und zugeordneter Stirnfläche des jeweiligen Elektromagneten von ausschlaggebener Bedeutung. Bei einem plattenförmigen Anker ist deshalb sowohl eine Fein­ bearbeitung des Ankers als auch der Stirnflächen der Elektro­ magneten bislang unumgänglich, um ausreichende Planparalleli­ tät der zugeordneten Flächen sicherzustellen. Damit im Be­ trieb die Flächen des Ankers auch sicher parallel zu den Stirnflächen der Elektromagneten liegen, wird der den Anker tragende Ankerschaft üblicherweise aufwendig längsgeführt. Dazu ist es bekannt, je eine Längsführung am Durchtritt des Ankerschaftes durch das Gehäuse der Elektromagneten vorzuse­ hen. Diese Längslager müssen in der Produktion exakt so ange­ bracht werden, daß ein plattenförmiger Anker genau planparal­ lel zu den Stirnflächen der Elektromagneten liegt.

Bei dem Stellantrieb nach der DE 197 57 170 A1 ist die Längsführung des Ankerschaftes ähnlich wie in dem vorhergehenden Absatz beschrieben ausge­ bildet, soweit dies den Zeichnungen entnommen werden kann, wobei allerdings in der Beschreibung die Längsführung nicht näher erläutert wird. Bei dem Stellantrieb nach der DE 198 05 455 A1 erstreckt sich die Längsführung im Bereich des Elekt­ romagneten über die gesamte Länge seines Gehäuses. In jedem Fall ist auch bei diesen Stellantrieben eine aufwendige Fer­ tigung der Längsführung erforderlich.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung einen elektromagne­ tischen Stellantrieb zu schaffen, bei dem die Fertigung der Längsführung des Ankerschaftes vereinfacht ist.

Diese Aufgabe wird durch die in Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst.

Erfindungsgemäß wird auf eines der zwei im Stand der Technik vorhandenen Längslager verzichtet und der Ankerschaft mit dem angetriebenen Teil verbunden. Diese Verbindung kann bei­ spielsweise durch eine H-Hülse erfolgen, wenn das angetriebe­ ne Teil ein Schaft, beispielsweise der Ventilschaft eines Gaswechselventils, ist.

Die erfindungsgemäße Konstruktion führt nicht nur zu einem vereinfachten Aufbau, sondern hat überraschenderweise auch den Vorteil, daß die Schmierung des verbleibenden Längslagers vereinfacht ist. Es kann nämlich beispielsweise so ausgebil­ det werden, daß es bei einer Brennkraftmaschine durch den im Zylinderkopf vorhandenen Ölnebel automatisch geschmiert wird. Für eine nach dem Stand der Technik übliche Schmierung für ein weiteres Längslager, das im Falle einer Brennkraftmaschi­ ne aufgrund seiner Lage am Zylinderkopf schwieriger zu schmieren ist, muß keine Sorge mehr getragen werden.

Führt man das Längslager als Kalottenlager aus und wählt die Abmessungen von Ankerschaft und den Bohrungen durch die Elek­ tromagneten bzw. deren Gehäuse so, daß der Ankerschaft gerin­ ges radiales Spiel hat, so können darüber hinaus die Toleran­ zen größer gewählt werden, mit denen ein elektromagnetischer Stellantrieb am Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine befe­ stigt werden muß.

Weitere Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteran­ sprüchen gekennzeichnet.

Bevorzugte Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend näher erläutert. In der Zeichnung zeigt:

Fig. 1 eine Schnittdarstellung durch einen elektromagneti­ schen Stellantrieb zusammen mit Zylinderkopf und angetriebe­ nem Gaswechselventil,

Fig. 2 eine vergrößerte Darstellung des Kalottenlagers der Fig. 1 und

Fig. 3 eine Explosionsdarstellung einiger Bauteile des Kalot­ tenlagers.

In Fig. 1 ist ein elektromagnetischer Stellantrieb für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine im Schnitt darge­ stellt. Der elektromagnetische Stellantrieb ist am Zylinder­ kopf 60 einer Brennkraftmaschine befestigt und treibt ein Gaswechselventil an. Dazu weist der Stellantrieb in einem Ge­ häuse einen plattenförmigen Anker 10 auf, der auf einem An­ kerschaft 9 sitzt, welcher wiederum auf einem Ventilschaft 64 aufliegt. Der Ankerschaft 9 ragt dabei in eine Vertiefung 63 des Zylinderkopfes 60, in der das Gaswechselventil sitzt, das einen Ventilteller 62 mit Ventilsitz 61 hat.

Der Ventilteller 62 wird von einer Feder 68, die zwischen ei­ ner Unterlegscheibe 69, die in der Vertiefung 63 am Zylinder­ kopf 60 aufliegt, und einem am Ventilschaft 64 befestigten Ventilfederteller 67 eingespannt ist, nach oben in eine End­ stellung hingedrückt, in der der Ventilsitz 61 das Gaswech­ selventil schließt.

Die Feder 68 wirkt dabei auch auf den Ankerschaft 9 und den Anker 10. Ihr entgegenwirkend ist zwischen einem am Anker­ schaft 9 an einer Schulter 19 abgestützten unteren Ankerfe­ derteller 13 und einem über eine Kappe 22 am Gehäuse befe­ stigten oberen Ankerfederteller 27 eine Feder 12 eingespannt, die den Ankerschaft 9 nach unten drückt (vgl. Fig. 2).

Der Anker 10 befindet sich im Gehäuse, das aus einem unteren Gehäuseteil 3, einem oberen Gehäuseteil 1 und einem Gehäuse­ mittelteil 2 aufgebaut ist, zwischen zwei Elektromagneten. Der untere Elektromagnet besteht aus einem unteren Spulenkern 6 und einer unteren Wicklung 8, der obere Elektromagnet aus einem oberen Spulenkern 5 und einer oberen Wicklung 7. Die Gehäuseteile sind miteinander verschraubt.

Die Wicklungen 7, 8 werden über einen Anschluß 20 von geeig­ neten Treiberschaltungen bestromt, die von einer Steuerschal­ tung angesteuert werden (nicht dargestellt).

Die Stirnfläche der Spulenkerne 5, 6 sind Anschläge für den Anker 10 und definieren dessen Endstellungen. Die Federn 12, 68 halten den Anker 10 bei unbestromten Wicklungen 7, 8 in einer Ruhelage zwischen diesen Endstellungen, aus der er mit­ tels der Elektromagneten 5, 7; 6, 8 auslenkbar ist.

Das dreiteilige Gehäuse ist aus Aluminiumdruckguß herge­ stellt. Die Gehäuseteile 1, 2, 3 werden von Stehbolzen 16 zu­ sammengehalten, die von der Oberseite des Gehäuses zur Gehäu­ seunterseite 15 durch Bohrungen 17 laufen und am Zylinderkopf 60 verschraubt sind (nicht dargestellt). Im unteren Gehäuse­ teil 3 ist der Spulenkern 6 befestigt sowie die Wicklung 8 gehalten. Im oberen Gehäuseteil 1 ist analog der Spulenkern 5 befestigt sowie die Wicklung 7 gehalten. Zwischen diesen bei­ den Gehäuseteilen 1, 3 ist das Gehäusemittelteil 2 angeord­ net, das Führungselemente zur Längsführung des Ankers 10 auf­ weist. Durch diese Längsführung entfällt eine separate Ver­ drehsicherung, da der Anker 10 nicht mehr der von den Federn 12, 68 verursachten Drehung folgt, die bei deren Kompression erfolgt.

In einer alternativen Ausführungsform ist das Gehäuse zwei­ teilig ausgeführt. Dabei wird es zuerst einteilig gefertigt und eine Sollbruchstelle genutet. Dann wird das Gehäuse an dieser Sollbruchstelle in ein Ober- und ein Unterteil gebro­ chen. Anschließend werden Spulenkerne, Wicklungen und Anker­ schaft mit dem Anker eingeführt. Dann werden Ober- und Unter­ teil wieder zusammengefügt, wobei durch die Bruchfläche eine sehr hohe Maßhaltigkeit erreicht wird. Schließlich entfallen Bearbeitungsschritte an den Kontaktflächen, wodurch der Her­ stellungsaufwand für das Gehäuse sinkt.

Die Bohrung durch den oberen Elektromagneten 5, 7 bzw. den unteren Elektromagneten 6, 8 und das obere Gehäuseteil 1 so­ wie das untere Gehäuseteil 2 hat einen etwas größeren Durch­ messer als der Ankerschaft 9. Dadurch hat der Ankerschaft 9 radiales Spiel. Im oberen Gehäuseteil 1 ist mit dem Anker­ schaft 9 ein Lagerbolzen 18 verbunden, beispielsweise durch eine Preßpassung 19. Alternativ kann der Lagerbolzen 18 ein­ stückig mit dem Ankerschaft 9 ausgebildet sein. An der sich dadurch ergebenden Schulter stützt sich der untere Ankerfe­ derteller 13 ab. Der Lagerbolzen 18 ist andererseits in einem Kalottenlager 21 längsgeführt, das in Fig. 2 in Vergrößerung dargestellt ist. Wie dort zu sehen ist, weist das obere Ge­ häuseteil 1 eine Ausnehmung 11 auf, die von einer Kappe 22 verschlossen wird. An der Kappe 22 stützt sich der obere Ankerfederteller 27 ab. Die Kappe 22 weist eine Lagerschale 38 mit einem Loch 29 auf, durch das der Lagerbolzen 18 ragt. Auf dem Lagerbolzen 18 sitzt mit einer Bohrung 26 eine Kalot­ te 23, die auf dem Lagerbolzen 18 längs verschieblich ist.

Ein Lagerdeckel 24 vervollständigt das Kalottenlager. Durch geeignete Bohrungen 28, 25 und durch die Öffnung der Lager­ schale 32 kann im Zylinderkopf meist als Ölnebel vorhandenes Schmiermittel eine Schmierung der Längsführung des Lagerbol­ zens 18 in der Bohrung 26 der Kalotte 23 bewirken. Eine sepa­ rate Schmierung dieser Längsführung ist somit nicht erforder­ lich.

Der Lagerbolzen dient nur zur Längsführung und muß keine Kräfte bei der Abstützung der Feder 12 aufnehmen. Deshalb kann er mit geringerem Querschnitt als der Ankerschaft 9 aus­ geführt werden, was sich positiv auf die Masse der bewegten Teile auswirkt. Da die Feder 12 weiter zwischen dem oberen Elektromagneten 5, 7 und dem längsführenden Kalottenlager 21 liegt, kann der Ankerschaft darüber hinaus kürzer gehalten werden, als bei bekannten Konstruktionen, die die Feder au­ ßerhalb der Längsführung angeordnet haben. Somit ist die Mas­ se der bewegten Teile weiter reduziert. Diese Massenverringe­ rung führt zu einer höheren Resonanzfrequenz des Stellantrie­ bes, der ja einen Feder/Masse-Schwinger darstellt, was die Öffnungs- und Schließzeiten herabsetzt.

Die Kappe 22 ist mit einem geeigneten Außengewinde versehen, das in ein Innengewinde an der Ausnehmung 11 des oberen Ge­ häuseteils 1 greift. Durch Ein- und Ausschrauben der Kappe 22 am oberen Gehäuseteil 1 kann man somit die Vorspannung der Feder 12 einstellen. Zur Sicherung der Kappe 22 ist ein Ge­ windestift 31 vorgesehen, mit dem die Kappe 22 in einer Nut 30 des oberen Gehäuseteils 1 verklemmt wird, so daß die Kappe 22 am oberen Gehäuseteil 1 verriegelt ist (vgl. Fig. 2).

Die Längsführung über das Kalottenlager 21 wird auf der dem Zylinderkopf 60 zugewandten Seite durch eine Verbindung des Ankerschaftes 9 am Ventilschaft 64, beispielsweise mittels einer H-förmigen Hülse 40 ergänzt. Da dieser Ventilschaft 64 des Gaswechselventils ebenfalls in einem Längslager 4 geführt ist, ist vermöge der Verbindung eine zweiseitige Längsführung der beiden Schäfte 64 und 9 erreicht. Da sich der Ventil­ schaft im Betrieb drehen kann bzw. können sollte, sollte die Verbindung die Lage der beiden Schäfte in radialer Richtung fixieren, aber eine Verdrehung beider Schäfte gegeneinander ermöglichen.

Gleichzeitig ist durch das radiale Spiel des Ankerschafts 9 im Gehäuse und den Verschwenkungsfreiheitsgrad des Kalotten­ lagers 21 sichergestellt, daß auch bei nicht so präziser Fer­ tigung die Planparallelität zwischen dem Anker 10 und den Stirnflächen der Elektromagneten 5, 7; 6, 8 gewährleistet ist. Der Herstellungsaufwand ist somit nicht nur durch den Entfall der zweiten Längsführung vereinfacht.

Anstelle des hier beschriebenen Kalottenlagers kann natürlich auch eine andere Längsführung vorgesehen werden, beispiels­ weise mittels einer Gleitbuchse, die auch in einer radial verschieblich geführten Platte liegen kann. Anstelle der H- Hülse können zur starren Verbindung des Ventilschaftes 64 und des Ankerschaftes 9 auch andere Mittel vorgesehen werden, beispielsweise eine Bohrung in einem Schaft und ein Zapfen am anderen.

Claims (9)

1. Elektromagnetischer Stellantrieb, insbesondere für ein Gaswechselventil einer Brennkraftmaschine, mit einem Anker (10), der auf einem Ankerschaft (9) sitzend von mindestens einem Elektromagneten (5, 7; 6, 8) axial bewegt wird, wobei der Ankerschaft (9) durch den Elektromagneten (5, 7; 6, 8)verläuft und auf einer Seite des Elektromagneten (5, 7; 6, 8) in dessen Gehäuse (1, 2, 3) mittels eines Längslagers (32, 23, 24) axial geführt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker­ schaft (9) nur auf der einen Seite des Elektromagneten (5, 7; 6, 8) axial geführt und auf der anderen Seite ohne weitere Führung mit einem vom Stellantrieb angetriebenen Teil (64) ver­ bunden ist.

2. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker­ schaft (9) durch eine Feder (12) auf das angetriebene Teil (64) hin beaufschlagt wird, die zwischen einem am Ankerschaft (9) abgestützten, unteren Ankerfederteller (13) und einem oberen Ankerfederteller (27), welcher mittels einer Kappe (22) am Gehäuse (1) des Elektromagneten (5, 7; 6, 8) befe­ stigt ist, eingespannt ist, wobei das Längslager (32, 23, 24) an der Kappe (22) befestigt ist.

3. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsla­ ger als Kalottenlager mit einer Kalotte (23) ausgebildet ist, die in einer in der Kappe (22) gebildeten Lagerschale (32) sitzt und eine Bohrung (26) auf­ weist, in der der Ankerschaft (9) oder ein damit axial ver­ bundener Lagerbolzen (18) axial verschieblich ist.

4. Elektromagnetischer Stellantrieb nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Kalotte (23) in der Lagerschale (32) durch einen Lagerdeckel (24) ge­ sichert ist.

5. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kappe (22) axial gegenüber dem Gehäuse (1) zum Einstellen der Vor­ spannung der Feder (12) verstellbar ist.

6. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Längsla­ ger (32, 23, 24) Bohrungen (25, 28) für Öl zur Schmierung des Längslagers (32, 23, 24) aufweist.

7. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das angetriebene Teil ein Betätigungs­ schaft (64) ist, dadurch gekennzeichnet, daß Ankerschaft (9) und Betätigungsschaft (64) über eine H-förmige Hülse (40) verbunden sind.

8. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, bei dem das angetriebene Teil ein Betätigungs­ schaft (64) ist, dadurch gekennzeichnet, daß Ankerschaft (9) und Betätigungsschaft (64) durch einen Zapfen an einem Schaft und durch eine Bohrung am anderen Schaft verbunden sind.

9. Elektromagnetischer Stellantrieb nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ankerschaft (9) im Elektromagneten (5, 7; 6, 8) bzw. dessen Gehäuse (1, 2, 3) radial Spiel hat.