DE19938988A1 - Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnetspulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder oszillierend bewegten und dabei auf den Schaft des Hubventiles einwirkenden Anker sowie mit einem weiteren die Rückstellfedern in ihrer Funktion unterstützenden Federelement. Erfindungsgemäß ist der Anker elastisch verformbar ausgebildet und wirkt dadurch als das die Rückstellfedern in ihrer Funktion unterstützende Federelement. Dabei kann der im wesentlichen scheibenförmige Anker in seinem Randbereich eine größere in Bewegungsrichtung gemessene Dicke aufweisen als in seinem Mittenbereich. Alternativ kann der Anker aus senkrecht zur Bewegungsrichtung betrachtet übereinander angeordneten Ankerscheiben bestehen, die derart gegeneinander vorgespannt sind, daß sie im von den Magnetspulen entfernten Zustand mit Ausnahme ihres Randbereiches, in welchem sie sich aufeinander abstützen, gewölbt geformt und großflächig voneinander beabstandet sind und im an einer der Magnetspulen anliegenden Zustand im wesentlich vollflächig aufeinander aufliegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnet­ spulen oszillierend bewegten und dabei auf den Schaft des Hubventiles ein­ wirkenden Anker sowie mit zumindest einem Federelement, welches mit ei­ ner Annäherung des Ankers an die Magnetspule(n) gespannt wird. Insbe­ sondere betrifft die Erfindung einen elektromagnetischen Aktuator, bei dem der Anker zwischen den zwei Magnetspulen jeweils gegen die Kraft einer Rückstellfeder oszillierend bewegt wird, sowie mit einem weiteren die Rück­ stellfedern in ihrer Funktion unterstützenden Federelement. Zum techni­ schen Umfeld wird neben der DE 196 11 547 A1 auf die DE-OS 23 35 150 und die DE 197 18 038 C1 verwiesen.

Eine elektromagnetische Hubventil-Betätigungsvorrichtung für eine Brenn­ kraftmaschine, auch elektromagnetischer Aktuator genannt, hat wegen der Freiheit hinsichtlich der Ventilsteuerzeiten, d. h. hinsichtlich des jeweiligen Öffnungs- und Schließzeitpunktes der Hubventile immense Vorteile, jedoch müssen zum Betätigen, insbesondere zum Öffnen des Hubventiles relativ hohe Kräfte aufgebracht werden, was eine gewisse Mindestgröße von Mag­ netspulen und Anker und Rückstellfedern erforderlich macht.

Die eingangs erstgenannte DE 196 11 547 A1 zeigt den grundsätzlichen Aufbau für den derzeitigen Entwicklungsstand eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines Brennkraftmaschinen-Hubventiles. Dabei sind sowohl der Anker als auch die Flächen der Elektro-Magnetspulen, an denen der Anker bei seiner oszillierenden Bewegung zum Anliegen kommt, eben ausgebildet. Bei dieser bekannten Konstruktion sind zwei gegeneinan­ der wirkende (und dabei jeweils in der Endlage des Ankers abwechselnd ihre maximale Federkraft aufbauende) Rückstellfedern vorgesehen.

Die eingangs letztgenannte DE 197 18 038 C1 zeigt eine alternative Anker­ form und darüber hinaus nur ein einziges Federelement in Form einer Tel­ lerfeder, das die Funktion der genannten Rückstellfedern übernehmen soll. Sollte eine derartige Tellerfeder für diesen Einsatzbereich überhaupt eine ausreichende Standfestigkeit besitzen, so dürfte es mit dieser besonderen Konstruktion zumindest nicht möglich sein, den Anker (und somit auch das Hubventil) gezielt in bestimmte Zwischenpositionen zwischen seinen Endla­ gen zu bewegen und in diesen für eine gewisse Zeitspanne zu halten.

Auch die eingangs zweitgenannte DE-OS 23 35 150 zeigt einen Aktuator mit einem Federelement, das ähnlich einer Tellerfeder ausgebildet ist. Dabei ist dieses Federelement in Form einer sog. Belleville-Scheibe zweifach vorhan­ den, wobei jede derartige Scheibe eine der beiden üblichen Rückstellfedern, die als Schraubendruckfedern ausgebildet sind, unterstützt. Hiermit ist ein vorteilhafter Federkraftverlauf über dem Bewegungsweg des Ankers zwi­ schen seinen beiden Endlagen erzielbar, Nachteiligerweise vergrößern die zusätzlich zu den üblichen Rückstellfedern vorhandenen Federelemente den Bauaufwand und den Bauraumbedarf eines elektromagnetischen Aktuators.

Diesbezüglich Verbesserungen gegenüber dem bekannten Stand der Tech­ nik aufzuzeigen, ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung.

Die Lösung dieser Aufgabe ist dadurch gekennzeichnet, daß der Anker der­ art elastisch verformbar ausgebildet ist, daß er in seiner im wesentlichen vollflächig an den Magnetspulen anliegenden Position aufgrund seiner dar­ aus resultierenden Verformung als das dann gespannte Federelement wirkt.

In dieser allgemeinsten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung stellt somit der Anker selbst das einzige die Rückstellkraft in den jeweiligen Anker- Endlagen erzeugende Element dar, d. h. wenn sich der Anker in einer seiner beiden Endlagen an einer der Magnetspulen anliegend befindet, so ist dieser Anker aufgrund seiner elastischen Verformung, nach welcher er im wesentli­ chen vollflächig an der jeweiligen Magnetspule anliegt, in sich vorgespannt. Wird daraufhin der Anker von dieser Magnetspule wieder freigegeben, so wird diese Vorspannung abgebaut und der Anker verformt sich wieder in seine ursprüngliche Form, in welcher er nicht im wesentlichen vollflächig an einer der Magnetspulen zum Anliegen kommen kann. Aufgrund dieser Ver­ formungen unter Aufbau bzw. Abbau von Vorspannung bzw. entsprechen­ den Kräften kann somit alleine der Anker als Federelement bzw. als sog. Rückstellfeder wirken und die grundsätzlich erforderlichen Rückstellfedern somit ersetzen.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind übliche Rückstell­ federn (bspw. in Form von Schraubenfedern) vorhanden, ferner ein weiteres, die Rückstellfedern unerstützendes Federelement, so wie dies aus der be­ reits geannnten DE-OS 23 35 150 bekannt ist. Erfindungsgemäß übernimmt hier nun der elastisch verformbare Anker die Funktion dieses die Rückstell­ federn in ihrer Funktion unterstützenden Federelementes.

Der wesentliche Gedanke der vorliegenden Erfindung liegt somit in einer Funktionsvereinigung für den Anker, d. h. dieser wirkt sowohl als die zwi­ schen den Elektro-Magnetspulen oszillierend bewegbare Ankerplatte als auch als ein die Rückstellfedern ersetzendes oder zumindest unterstützen­ des Federelement. Hierzu muß der im wesentlichen scheibenförmige Anker selbstverständlich geeignet federnd ausgebildet sein, so bspw. in Form einer Tellerfeder. Bevorzugte Ausbildungen für einen Anker eines erfindungsge­ mäßen elektromagnetischen Aktuators sind in den Unteransprüchen 3 bis 5 angegeben.

Vorteilhafterweise können mit einer derartigen elastisch verformbaren Aus­ bildung des Ankers gleichzeitig unvermeidbare Fertigungstoleranzen ausge­ glichen werden. Ist nämlich eine Ankerplatte (wie bislang üblich) im wesentli­ chen in sich absolut starr ausgebildet, so können unvermeidbare Toleranzen in der Winkellage zwischen der Ankerplatte und den Magnetspulen dazu füh­ ren, daß beim Aufsetzen der (ebenen) Ankerplatte auf der (ebenen) Fläche einer der Magnetspulen lediglich ein Teilbereich der Ankerfläche an der Ma­ gnetspule direkt zum Anliegen kommt. Verluste hinsichtlich der Haltekraft der Magnetspule sind hiervon die Folge. Ist jedoch der Anker zumindest gering­ fügig federnd bzw. elastisch verformbar ausgebildet, so ist gewährleistet, daß der Anker in seiner Endlage bzw. Ruhelage stets vollflächig an der je­ weiligen Magnetspule zum Anliegen kommt.

Näher erläutert wird die Erfindung anhand dreier in den beigefügten Figuren lediglich prinzipiell und dabei stark vereinfacht dargestellter bevorzugter Ausführungsbeispiele. Dabei zeigen die Fig. 1a-1c ein erstes Ausfüh­ rungsbeispiel, die Fig. 2a-2c ein zweites und die Fig. 3a-3c ein drittes Ausführungsbeispiel, wobei sich jeweils in den Fig. 1a, 2a, 3a der Anker in seiner oberen Endlage befindet, während er in den Fig. 1b, 2b, 3b in Bewegung zwischen den beiden Magnetspulen ist und sich dieser An­ ker in den Fig. 1c, 2c, 3c jeweils in seiner unteren Endlage an der dorti­ gen Magnetspule anliegend befindet.

In sämtlichen Figuren tragen gleiche Elemente die gleichen Bezugsziffern. So ist der zwischen den beiden Elektro-Magnetspulen 2a und 2b oszillierend bewegbare Anker (in seiner Gesamtheit) mit der Bezugsziffer 1 bezeichnet. Für diese oszillierende Bewegung gemäß Pfeilrichtung 4 geführt wird dieser Anker 1 von einer oberen Ankerstange 3a sowie von einer unteren Anker­ stange 3b, deren freies unteres Ende (nicht gezeigt) auf das zu betätigende und dabei ebenfalls gemäß Pfeilrichtung 4 zu bewegende Hubventil einer Hubkolben-Brennkraftmaschine einwirkt. Figürlich dargestellt sind ferner noch eine obere Rückstellfeder 5a, die komprimiert ist, wenn sich der Anker 1 in seiner oberen Endlage (an der oberen Magnetspule 2a anliegend) be­ findet, sowie eine untere Rückstellfeder 5b, die komprimiert ist, wenn sich der Anker 1 in seiner unteren Ruhelage (an der unteren Magnetspule 2b an­ liegend) befindet. Selbstverständlich durchdringen die beiden Ankerstangen 3a, 3b die jeweils zugehörige Magnetspule 2a bzw. 2b vor oder hinter der Zei­ chenebene.

Wie ersichtlich besteht der Anker 1 des ersten Ausführungsbeispieles nach den Fig. 1a-1c aus (senkrecht zur Bewegungsrichtung 4 betrachtet) zwei übereinander angeordneten Ankerscheiben 1a, 1b, die derart gegen­ einander vorgespannt sind, daß sie im von den Magnetspulen 2a, 2b ent­ fernten Zustand (vgl. Fig. 1b) mit Ausnahme ihres Randbereiches 6, in wel­ chem sie sich aufeinander abstützen, gewölbt geformt und großflächig von­ einander beabstandet sind, während sie im an einer der Magnetspulen 2a oder 2b anliegenden Zustand (vgl. Fig. 1a, 1c) im wesentlich vollflächig auf­ einander aufliegen bzw. parallel zueinander liegen und dabei parallel zur zugewandten Stirnseite der jeweiligen Magnetspule 2a bzw. 2b sind. Der Randbereich 6 kann dabei in Form eines Gelenkes ausgebildet sein, d. h. in diesem Randbereich 6 sind die Ankerscheiben 1a, 1b gelenkig miteinander verbunden. Aus einem Vergleich der Fig. 1a und 1b bzw. der Fig. 1b und 1c ergibt sich somit klar die Funktion des erfindungsgemäßen aus den beiden Ankerscheiben 1a, 1b bestehenden Ankers 1:
Dieser Anker 1 ist quasi wie eine doppelt wirkende Blattfeder aufgebaut, da­ bei selbstverständlich elastisch verformbar, so daß er hierdurch die Rück­ stellfedern 5a, 5b in ihrer Funktion unterstützen kann. In der Flugphase ge­ mäß Fig. 1b ist diese durch den erfindungsgemäßen Anker 1 gebildete Blattfeder wie ersichtlich entspannt, nachdem die elastisch verformbaren Ankerscheiben 1a, 1b derart vorgeformt sind, daß sie mit Ausnahme ihres in Form eines Gelenkes ausgebildeten Randbereiches 6 voneinander beab­ standet sind.

Mit einer Annäherung des Ankers 1 (bspw.) an die obere Magnetspule 2a wird nun - wie bekannt - die obere Rückstellfeder 5a komprimiert. Kommt dann dieser Anker 1 (bspw.) an der oberen Magnetspule 2a zum Anliegen, so wie dies in Fig. 1a dargestellt ist, so setzt zunächst nur die obere Anker­ scheibe 1a mit ihrem Mittenbereich (dieser liegt im Bereich der zentral ange­ ordneten oberen Ankerstange 3a) vorteilhafterweise relativ sanft auf der zu­ gewandten Fläche der Magnetspule 2a auf, während der Ankerscheiben- Abschnitt bis zum Randbereich 6 hin unter Aufnahme entsprechender De­ formationsenergie zeitlich nachfolgt, d. h. die obere Ankerscheibe 1a verformt sich innerhalb einer gewissen Zeitspanne derart, daß sie letztlich vollflächig an der oberen Magnetspule 2a anliegt. Selbstverständlich handelt es sich bei dieser genannten Zeitspanne um einen äußerst kurzen Zeitraum. Liegt dann die obere Ankerscheibe 1a eben an der Magnetspule 2a an, so hat sich auch die untere Ankerscheibe 1b mit ihrem Randbereich 6 nahestmöglich an die obere Magnetspule 2a angenähert. Nachfolgend wird auch der Mittenbereich der unteren Ankerscheibe 1b (im Bereich der zentral angeordneten oberen Ankerstange 3b) so nahe als möglich zur Magnetspule 2a hin angezogen, bis schließlich der in Fig. 1a dargestellte Zustand erreicht ist, in welchem die beiden Ankerscheiben 1a, 1b parallel zueinander und im wesentlichen voll­ flächig aufeinander aufliegen. Wie aus dieser Beschreibung ersichtlich wur­ de, erfolgt die Anlagebewegung des Ankers 1 an eine der Magnetspulen 2a, 2b vorteilhafterweise mit einer gewissen Zeitverzögerung bzw. zeitlich ge­ streckt, so daß ein hartes (und somit grundsätzlich unerwünschtes) Aufpral­ len eines (starren) Ankers an der Magnetspule hier nicht stattfindet.

Soll nun ausgehend vom Zustand nach Fig. 1a der Anker 1 in Richtung der unteren Magnetspule 2b bewegt werden, so wird (wie bekannt) die zunächst erregte obere Magnetspule 2a entregt. Beim daraus resultierenden Abbau der Magnetkraft lösen sich die beiden Ankerplatten 1a, 1b wieder großflächig voneinander, d. h. aufgrund ihrer bereits geschilderten gegenseitigen Vor­ spannung trachten die Ankerplatten 1a, 1b danach, in die in Fig. 1b darge­ stellte gegenseitige Position zu gelangen. Wie klar ersichtlich ist, wird auf diese Weise der Anker 1 nicht nur durch die obere Rückstellfeder 5a, son­ dern zusätzlich durch die Verformung des Ankers 1 zur unteren Magnetspule 2b hin beschleunigt, d. h. der federnde und somit elastisch verformbare An­ ker 1 unterstützt die im gleichen Sinne wirkende obere Rückstellfeder 5a. Selbstverständlich ist der Bewegungsablauf beim Anliegen des Ankers 1 an der unteren Magnetspule 2b hin entsprechend, wie auch aus der Darstellung dieses Endzustandes in Fig. 1c hervorgeht.

Ein besonderer Vorteil dieses erfindungsgemäßen Ankers 1 nach dem er­ sten Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1a-1c ist ferner darin zu se­ hen, daß grundsätzlich im Bereich des Aufbringens von Magnetkräften auf den Anker 1, wenn er sich in relativ größerer Entfernung zur jeweils erregten und den Anker 1 somit anziehenden Magnetspule 2a bzw. 2b befindet, funk­ tional nur eine geringe Ankerplatten-Dicke erforderlich ist. Hingegen ist im Bereich des Aufbringens der Haltekraft, d. h. wenn der Anker 1 an einer der Magnetspulen 2a, 2b anliegt und an dieser gehalten werden soll, eine größe­ re Ankerplatten-Dicke vorteilhaft. Entsprechendes stellt sich hier selbsttätig ein: Ist der Anker 1 noch von der Magnetspule 2a entfernt (Fig. 1b), so ist direkt nur im wesentlichen nur die obere Ankerscheibe 1a wirksam, so daß in diesem Zustand der Anker 1 dünner ist, als wenn er vollständig an der Ma­ gnetspule 2a anliegt (Fig. 1a), d. h. wenn die beiden Ankerscheiben 1a, 1b vollflächig aufeinander liegen und somit (sich quasi aufsummierend) beide wirksam sind.

Ein gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel abgewandeltes zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung ist ebenso vereinfacht in den Fig. 2a bis 2c dargestellt. Hier befindet sich zwischen den beiden Ankerscheiben 1a, 1b noch eine Ankerplatte 1c, an der oberseitig bzw. unterseitig die obere bzw. untere Ankerstange 3a bzw. 3b befestigt ist. Diese Ankerplatte 1c trägt in ihrem (linken) Randbereich 6a auf der oberen Seite in Form eines geeig­ neten Gelenkes die obere Ankerscheibe 1a und in ihrem (rechten) Randbe­ reich 6b auf ihrer unteren Seite ebenfalls in Form eines Gelenkes die untere Ankerscheibe 1b. In den jeweils gegenüberliegenden Randbereichen 6c stützen sich die obere und die untere Ankerscheibe 1a, 1b jeweils in Form eines Gleitlagers auf der starren, nicht deformierbaren Ankerplatte 1c ab. Dabei wirken bzw. funktionieren die beiden Ankerscheiben 1a, 1b jeweils gleichermaßen wie im ersten Ausführungsbeispiel nach den Fig. 1a - 1c. Dies geht auch besonders deutlich aus einem direkten Vergleich von Fig. 1a mit Fig. 2a bzw. von Fig. 1b mit Fig. 2b bzw. von Fig. 1c mit Fig. 2c hervor. Ab­ weichend vom ersten Ausführungsbeispiel können hier die beiden Anker­ scheiben 1a, 1b selbstverständlich nicht direkt aufeinander zum Aufliegen kommen, wenn der Anker 1 an einer der beiden Magnetspulen 2a, 2b an­ liegt, jedoch werden in diesen Zuständen weiterhin die Ankerscheiben 1a, 1b parallel zueinander sowie zur ebenen Ankerplatte 1c liegend verformt. Ge­ genüber dem ersten Ausführungsbeispiel zeichnet sich dieser Anker 1 auf­ grund der Ankerplatte 1c durch eine höhere Stabilität aus.

In den Fig. 3a-3c, die ein drittes Ausführungsbeispiel eines erfindungs­ gemäßen Aktuators zeigen, erkennt man neben dem Anker 1 wieder die bei­ den Magnetspulen 2a, 2b, die beiden Ankerstangen 3a, 3b, sowie die beiden Rückstellfedern 5a, 5b. Wie ersichtlich weist der im Schnitt gezeigte und im wesentlichen scheibenförmige Anker 1 in seinem Randbereich 6 eine größe­ re in Bewegungsrichtung 4 gemessene Dicke auf als in seinem Zentralbe­ reich, in welchem die beiden Ankerstangen 3a, 3b befestigt sind. Da die Hauptebene des im wesentlichen scheibenförmigen Ankers 1 senkrecht zur Bewegungsrichtung 4 (sowie senkrecht zu den Ankerstangen 3a, 3b) liegt (vgl. bspw. Fig. 3b), kommt somit der Anker 1 bei einer Annäherung an eine der Magnetspulen 2a, 2b gemäß Pfeilrichtung 4 zunächst nur mit seinem Randbereich 6 an der zugewandten Fläche der Magnetspule 2a bzw. 2b zum Anliegen. Erst danach wird der Anker 1 unter Einfluß der von dieser Magnetspule ausgesandten Magnetkräfte derart elastisch verformt, daß er vollflächig und somit auch in seinem Mittenbereich im Bereich der Anker­ stangen 3a bzw. 3b an der Magnetspule 2a bzw. 2b anliegt, wie die Fig. 3a bzw. 3c zeigen. Auch hierbei wird der Anker 1 somit elastisch verformt und kann wegen der Möglichkeit, diese Deformationsenergie wieder freizu­ setzen, erfindungsgemäß als ein die Rückstellfedern 5a bzw. 5b in ihrer Funktion unterstützendes oder sogar ersetzendes Federelement wirken.

Dabei sei darauf hingewiesen, daß in den Fig. 3a-3c die Formgebung des Ankers 1, d. h. der Dickenunterschied zwischen dem Randbereich 6 und seinem Mittenbereich übertrieben dargestellt ist, jedoch kann ohnehin eine Vielzahl von Details insbesondere konstruktiver Art durchaus abweichend von den gezeigten Ausführungsbeispielen gestaltet sein, ohne den Inhalt der Patentansprüche zu verlassen.

Claims (5)

1. Elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Brennkraftmaschi­ nen-Hubventiles mit einem zwischen zwei Magnetspulen (2a, 2b) os­ zillierend bewegten und dabei auf den Schaft des Hubventiles einwir­ kenden Anker (1) sowie mit zumindest einem Federelement, welches mit einer Annäherung des Ankers (1) an die Magentspule(n) (2a, 2b) gespannt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) derart elastisch verform­ bar ausgebildet ist, daß er in seiner im wesentlichen vollflächig an den Magnetspulen (2a, 2b) anliegenden Position aufgrund seiner daraus resultierenden Verformung als das dann gespannte Federelement wirkt.

2. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1, wobei der Anker (1) zwischen den zwei Magnetspulen (2a, 2b) jeweils gegen die Kraft ei­ ner Rückstellfeder (5a, 5b) oszillierend bewegt wird, sowie mit einem weiteren die Rückstellfedern (5a, 5b) in ihrer Funktion unterstützenden Federelement, dadurch gekennzeichnet, daß der elastisch verformbare Anker (1) als das die Rückstellfedern (5a, 5b) in ihrer Funktion unterstützende Fe­ derelement wirkt.

3. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der im wesentlichen scheibenförmige Anker (1) in seinem Randbereich (6) eine größere in Bewegungsrich­ tung (4) gemessene Dicke aufweist als in seinem Mittenbereich.

4. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (1) aus senkrecht zur Bewe­ gungsrichtung (4) betrachtet übereinander angeordneten Ankerschei­ ben (1a, 1b) besteht, die derart gegeneinander vorgespannt sind, daß sie im von den Magnetspulen (2a, 2b) entfernten Zustand mit Aus­ nahme ihres Randbereiches (6), in welchem sie sich im wesentlichen aufeinander abstützen, gewölbt geformt und großflächig voneinander beabstandet sind und im an einer der Magnetspulen (2a, 2b) anlie­ genden Zustand parallel zueinander liegen.

5. Elektromagnetischer Aktuator nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Ankerscheiben (1a, 1b) eine diese tragende Ankerplatte (1c) vorgesehen ist.