DE3311250C2 - Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Verdrängungsmaschinen - Google Patents

Abstract

Bei einer Vorrichtung für elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtungen für Verdrängungsmaschinen mit einem schwingungsfähigen Feder-Masse-System, das in den jeweiligen Endpositionen der maximalen Schwingungsauslenkungen durch Elektromagnete gehalten werden kann, so daß sich mindestens zwei diskrete Schaltpositionen ergeben, sind der Anker und die Elektromagneten als Teil einer Dämpfungseinrichtung ausgelegt, wobei gleichzeitig einer oder beide Elektromagnete durch die Verwendung von hydraulisch arbeitenden Längenausgleichselementen derart mit dem Gehäuse verbunden sind, daß der Abstand zwischen Ventilsitz und Polfläche der oder des Elektromagneten dem Abstand zwischen Ventilteller und der oder den Polflächen des Ankers angeglichen wird, so daß die Annäherung des Ankers an den Elektromagneten und die Annäherung des Ventils an den Sitz in gleicher Weise gedämpft erfolgt.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Verdrängungsmaschinen mit einem am Ventil befestigten Anker und einem an den bewegten Massen aus Ventil und Anker angreifenden Federsystem sowie mit zwei zu beiden Seiten des Ankers angeordneten Elektromagneten, die das Gaswechselventil in zwei verschiedenen Schaltstellungen in den jeweiligen Endpositionen der maximalen Auslenkungen des Feder-Masse-Systems halten.

Bei elektromagnetisch arbeitenden Ventilbetrieben muß stets eine gewisse Aufschlaggeschwindigkeit des Ankers beim Auflreffen auf den zugehörigen Elektromagneten vorhanden sein, um ein einwandfreies Schallen des Gaswechselventil zu gewährleisten. Diese Aufschlaggcschwindigkcit ist magnetisch dadurch erreichbar, daß die von dem Elektromagneten auf den Anker ausgeübte K raft wirkung mit der Annäherung des Ankers an den Elektromagneten exponentiell ansteigt. Jedoch müssen Stelleinrichtungen dieser Art sehr genau eingestellt werden, wenn Fertigungstoleranzen, Wärmeausdehnung, Verschleiß usw. nicht zum Funktionsausfall führen sollen, der dadurch eintreten kann, daß das betätigte Steuerelement, wie z. B. Ventil im Sitz, und der Betätigungsmechanismus, wie z. B. Anker auf Elektromagnet, nicht gemeinsam ihre funkiionücrfüllendcn Schaitpositionen einnehmen.

to InDE-OS3024 iO9 wird vorgeschlagen, daß eine elastische Verbindung zwischen Ventilschaft und Anker den erforderlichen Längenausgleich vornimmt, wobei gleichzeitig auch eine gewisse Dämpfung des Aufschlages des Ankers auf den Magneten erreicht wird (F-" i g. b). Der Längenausgleich vollzieht sich jedoch erst dann, wenn sich der Ventilteller bereits im Ventilsitz befindet und der Anker durch die magnetischen Kräfte entgegen der Wirkung der Federkräfte einer Feder zwischen Ventil und Anker bis zur Anlage an den Magneten angczogen wird. Dieser Vorgang des Längenausgleichs ist in jedem Zyklus neu erforderlich, und er beginnt jeweils zu dem Zeitpunkt, in dem das Ventil die geschlossene Position erreicht hat.

Die Kraftwirkung, die für ein einwandfreies Schalten von Gaswechselventilen in an sich erwünschter Weise mit der Annäherung des Ankers an den Elektromagneten stark ansteigt, h-.Lt den Nachteil, daß die Funktionseiemente Anker — Elektromagnet und Ventilteller — Ventilsitz hohen mechanischen Beanspruchungen ausgesetzt sind, die zu Verschleißerscheinungen führen, und daß zusätzlich eine unerwünschte Geräuschemission eintritt. Es wäre daher zweckmäßig, die Rela'.ivgeschwindigkeit der genannten Funktionselemente, z. B. durch Dämpfungsmaßnahmen, kurz vor dem Auftreff-Zeitpunkt herabzusetzen.

Bei der in DE-OS 30 24 109 beschriebenen Anordnung stellt sich jedoch ein Verspannungszustand innerhalb der Bauteilkette ein. Eine Annäherung mit verringerter Aufschlaggeschwindigkeit sor-'f-bl des Ankers auf dem Magneten als auch des Ventilteller im Ventilsitz, ist nicht erreichbar. Es ist lediglich durch Anwendung dämpfender Einrichtungen zwischen Ventil und Anker erreichbar, daß nach dem Auftreffen des Ventiltellers im Ventilsitz eine Annäherung des Ankers mit geringer Aufschlaggeschwindigkeit auf den Magneten eintritt. Da aus Funktionsgründen ein Aufliegen des Ventilteller auf dem Ventilsitz sichergestellt werden muß, ist es nicht möglich, eine durch das Dämpfungselement zwischen Ventil und Anker bewirkte verringerte Aufschlaggeschwindigkeit des Ventiltcllcrs in den Ventilsitz zu erreichen.

Es ist bei der Bauart, die in der genannten Schriftstellc beschrieben ist, nicht möglich, durch Verwendung eines Dämpfungselementes zwischen dem Ventil und dem Anker eine verringerte Aufschlaggeschwindigkeit zwischen Anker und Magnet sowie zwischen Ventilteller und Ventilsitz gleichzeitig zu erreichen.

Es wäre möglich, sowohl das Aufschlagen des Ankers auf den Elektromagneten durch eine separate Dämpfungseinrichtung als auch das Aufschlagen des Ventilteller auf dem Ventilsitz durch eine weitere separate Dämpfungseinrichtung mit verringerter Aufschlaggcschwindigkeit zu erreichen. Dazu wäre es allerdings erforderlich, eine relativ kraftfreic axiale Beweglichkeit b5 des Ankers gegenüber dem Ventil durch geeignete Vorkehrungen zu erreichen.

Hierdurch wären dann aber wenigstens zwei Nachteile bedingt:

— Durch zwei Dämpfungseinrichtungen ergibt sich ein wesentlich höherer konstruktiver und baulicher Aufwand, und zwar insbesondere dadurch, daß die technische Realisierung einer solchen Dämpfung für das Funktionselement Ventilteller — Ventilsitz für den wichtigen Fall der Anwendung in einer Verbrennungskraftmaschine besonders problematisch ist wegen der in diesem Bereich besonders kritischen thermischen und mechanischen Beanspruchungen.

— Durch das Erfordernis der relativ kraftfreien axialen Beweglichkeit des Ankers gegenüber dem Ventil ergeben sich dynamische Probleme dadurch, daß das Ventil nicht mehr exakt den betriebsmäßig bedingten Bewegungszuständen des Ankers folgt

Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen Ventiltrieb zu schaffen, bei welchem der Aufschlag des Ankers auf den Elektromagneten gedämpft ist und gleichzeitig ein gedämpftes Aufsetzen des Gaswechselventils auf den Ventilsitz erreicht wird.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß mindestens die Polfläche des das Ventil in Schließstellung haltenden Elektromagneten und die zugehörige Polfläche des Ankers einen Raum begrenzen, der ein dämpfendes Strömungsmedium einschließt, und daß ein an sich bekanntes Längenausgleichselement zum Ausgleich des Spiels zwischen dem Anker und dem das Ventil in Schließstellung haltenden Elektromagneten vorgesehen ist.

Die Erfindung ermöglicht in vorteilhafter Weise, die beiden genannten Nachteile zu vermeiden und den weiteren Vorteil zu erreichen, daß sie funkticnsbedingte Bauteilflächen des Ankers und der Magnete für die Funktion der Verringerung der Aufschlaggeschwindigkeit des Ventiltellers auf den Ventilsitz zusätzlich auszunutzen erlaubt.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen also darin, d«ß alle bewegten Teile der Stellvorrichtung gedämpft in ihre Schaltpositionen gelangen, so daß eine Geräuschanregung und mechanische Beanspruchung erheblich verringert werden. Außerdem ist weder bei der Montage noch bei der Wartung eine Justierung der Stelleinrichtung erforderlich. Während des Betriebes werden Längenänderungen der betätigten Stellglieder oder der Stellvorrichtung infolge Wärmeausdehnung selbsttätig kompensiert.

Hinsichtlich zweckmäßiger Ausgestaltungen der Erfindung wird auf die dem Anspruch 1 folgenden Ansprüche Bezug genommen.

Ausführengsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. I zeigt im Längsschnitt ein erstes Ausführungsbeispicl einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 zeigt in ähnlicher Darstellung ein weiteres Ausfiihrungsbeispicl.

Fig. J und 4 zeigen Teildarstellungen bevorzugter Aiisführungsfonnen der Vorrichtung gemäß der Erfindung.

I·' i g. 1 zeigt als Ausfiihrungsbeispiel eine Vorrichtung gcmiiß der Krfindting mit Elektromagneten 1 und 2 und deren Spulen 3 und 4 sowie Spulenabdeckungen 5 und 6. Der Elektromagnet 2 ist mit Gehäuse 7 fest verbunden, während der Elektromagnet 1 gemeinsam mit einer pneumatischen Vorspanneinrichtung, bestehend aus Zylinder 8 und Kolben 9. im Gehäuse 7 geführt ist und jixiiilcn Bewegungen folgt, die der Zylinder 8 zwischen Anschlägen 10 und 110 ausführen kann.

Die aus dem Zylinder 8 und dem Kolben 9 bestehende Vorspanneinrichtung hat den Zweck, den Slartvorgang der Vorrichtung gemäß der Erfindung zu erleichtern bzw. zu ermöglichen. Zu diesem Zweck ist der Zylinder 8 mit einem (nicht dargestellten) Vorrat eines unter höherem Druck stehenden Strömungsmediums, z. B. Druckluft, verbunden. Beim Starten der Vorrichtung steht Zylinder 8 nicht unter Druck, so daß der Kolben 9

ίο durch Feder 19 in die obere Stellung gedrückt wird und am Zylinderboden anliegt Da Feder 19 entspannt ist, reichen die von dem Elektromagnetsystem ausgeübten Kräfte aus, um Anker 17 zu veranlassen, seine in F i g. 1 dargestellte Startposition einzunehmen. Anschließend wird der Zylinder 8 mit Druckluft beaufschlagt, so daß Kolben 9 nunmehr die untere, in F i g. 1 dargestellte Lage einnimmt Diese Lage ist die Betriebsstellung, also nach Abschluß des Startvorgangs. Der Kolben 9 verharrt in dieser Stellung am unteren Anschlag an Elektromagnet 1 während des Betriebes so lange, wie die pneumatische Vorspanneinrichtung *-,it Druckluft beaufschlagt ist Der Gasdruck in der Vorspanneinrichtung muß dabei so hoch sein, daß die Gaskräfte die maximalen Federkräfte der Feder 19 überwiege:: Der Zylinder 8 ist mit dem Magneten 1 fest verbunden, z. B. durch Verschraubung. Damit ist der Kolben 9 über den Zylinder 8 mit dem Elektromagneten kraftschlüssig verbunden, so daß der Elektromagnet 1 zusammen mit der Vorspanneinrichtung 8, 9 nach oben bzw. unten durch ein Längenausgleichselement 26 verschoben werden kann.

Ventilschaft 12 wird in Ventilführung 13, die fest mit dem Gehäuse 7 verbunden ist, geführt. Eine Feder 14 greift über Federteller 15 und Ventilkegelstück 16 an dem Ventilschaft 12 an. Der Anker 17 ist durch Ankerführung 18 mit dem Ende des Ventilschafts 12 durch die Feder 19, die sich am Kolben 9 der Vorspanneinrichtung abstützt, über Zentrierscheibe 20 kraftschlüssig verbunden. Die Positionierung des Elektromagneten 1 ziisammen mit der Vorspanneinrichtung 8, 9 erfolgt durch das Länptenausgleichselement 26.

Das Längenausgleichselement 26 ist in einer zylindrischen Vertiefung des Zylinders 8 der Vorspanneinrichtung angeordnet und durch Deckel 27 gehalten. Der kraftschlüssige Einbau erlaubt die Übertragung von Druckkräften.

Fig. 2 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer Vorrichtung gemäß der Erfindung mit einem Längenausgleichsclement 29, das über einen Deckel 31 mit Führungshülse 30 und Ventilschaft 12 kraftschlüssig derart verbunden ist. daß Druckkräfte übertragen werden können.

Hier findet der Längenausgleich also nicht am Magr.etsjstem. sondern am Ventilschaft statt. Die übrigen Teile der dargestellten Vorrichtung arbeiten ähnlich wie im Zusammenhang mit F i g. 1 beschrieben.

F i g. 3 zeigt einen Ausschnitt der Vorrichtung gemäß der Erfindung mit dem Elektromagneten 1, dem Anker 17. der Schraubenfeder 19 und der Spulenabdeckung 5.

bo Ringförmige Elemente 82 und 83 sind aus nichtmagnetischem, elastischem Material und gasdicht mit dem Elektromagneten 1 verbunden. Durch Abgabeöffnung 84 kann bei Annäherung des Ankers 17 an den Magneten 1 das komprimierte Gas entweichen, so daß der Anker 17 gedämpft zur Anlage kommt.

Fig.4 zeigt eine weitere bevorzugte Ausführungsform einer Dämpfungseinrichtung. Der Raum für das eingeschlossene Gasvolumen ist nicht völlig dicht abge-

schlossen, sondern es sind durch spezielle Gestaltung des Ankers 17, einer Hülse 85, des Elektromagneten 1 und der Zentrierscheibe 20 definierte Spalte gebildet, über die das komprimierte Gas abströmen kann.

Das in Fig. 1 dargestellte Längenausgleichselement 26 positioniert während des Betriebes den Elektromagneten 1 so. daß die auftretenden Längenänderungen zwischen den Polflächen des Ankers 17 und dem Ventilteller des Ventilschafts 12 dem Abstand zwischen den Polflächen des Elektromagneten 1 und dem Ventilsitz entsprechen.

Wird bei der in F i g. 2 dargestellten Ausführungsform im Betrieb der Elektromagnet I ab- und der Elektromagnet 2 eingeschaltet, so werden durch die Feder 19 der Ventilschaft 12 und das Längemuisglcichselcment 29 bcschleunig! und in die Schaliposition »geöffnetes Ventil« gebracht und dort gehalten, indem der Anker 17 durch den Elektromagneten 2 angezogen und in geöffneter senkrecht zu den Polfliichcn bewegte Kaiiicilc iliiivh elektromagnetische oder üniic-fe Kriiiiu in eine oilor mehrere Positionen gebracht oder gch;ih;;n werden können, um ein gedämpftes Auflreffen der bewegten Bauteile auf den Polflächen zu erreichen.

Feder 19, die auf das Ventil wirkt, stehen die Trägheitskraft des Ventils und die Federkraft der Feder 14 gegenüber. Der Anker 17 gelangt durch die in Fig. 3 oder Fig. 4 dargestellten Mittel gedämpft an den Anschlag des Elektromagneten 2. Für den Zeitraum, in dem der Anker von dem Elektromagneten 2 gehalten wird, wirkt anschließend die gespannte Feder 14 über den Federteller 15, die Ventilkegelstücke 16 und den Ventilschaft 12 auf das Längenausgleichselement 29. Wird nun der Elektromagnet 2 aus- und der Elektromagnet 1 wieder eingeschaltet, so wrd durch die Feder 14 das Ventil mit dem Längenausgleichselement 29 in die in Fig. 2 gezeigte Schaltposition gebracht und in dieser vom Elektromagneten 1 gehalten.

Durch entsprechende Auslegung der Längcnausgleichsclemcnte 26 bzw. 29 wird bei den Ausführungsformen nach F i g. I und F i g. 2 erreicht, daß sowohl der mit dem Ventilschaft 12 verbundene Ventilteller als auch der Anker 17 nahezu gleichzeitig gedämpft im Sitz bzw. am Elektromagneten 1 zur Anlage kommen.

Wie die in den Fig. 3 und 4 dargestellten Ausführungsbeispiele einer Anschlagdämpfung für elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtungen zeigen, bewegt sich der Anker 17 bei Aufwärtsbewegung zunächst ungehindert auf den Elektromagneten 1 zu, bis die elastischen Dichtringe 82 und 83 (Fig. 3) den Anker 17 berühren und dadurch mit der Polfläche des Ankers 17, der Polfläche des Elektromagneten 1 und der Spulenabdekkung 5 einen Raum bilden, in dem ein Gasvolumen dicht eingeschlossen wird. Ab dem Berührungspunkt wird der Bewegungsvorgang durch die Kompression des eingeschlossenen Gaser beeinflußt, so daß ein gedämpftes Aufsetzen des Ankers 17 auf dem Elektromagneten 1 erreicht wird. Die Dichtringe sind dabei so ausgelegt, daß sie im wesentlichen eine abdichtende, aber keine dämpfende Funktion übernehmen.

Bei der in F i g. 4 dargestellten Ausführungsform wird das dämpfende Gasvolumen nicht völlig dicht eingeschlossen, sondern durch eine spezielle Gestaltung des Ankers 17, der Hülse 85 und der Zentrierscheibe 20 so gebildet, daß bei einer Annäherung des Ankers 17 an den Elektromagneten 1 sich verengende Spalte entstehen, die ein Abströmen des komprimierten Gases mit zunehmender Annäherung zunehmend behindern.

Die hier beschriebenen Maßnahmen der Anschlagdämpfung für elektromagnetisch arbeitende Stelleinrichtungen sind grundsätzlich geeignet, auch bei anderen, ähnlich wirkenden Einrichtungen, z. B. bei Elektromagneten. Relais o. dgl, bei denen ein oder mehrere Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

•Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur elektromagnetischen Betätigung eines Gaswechselventils für Verdrängungsmaschinen mit einem am Ventil befestigten Anker und einem an den bewegten Massen aus Ventil und Anker angreifenden Federsystem sowie mit zwei zu beiden Seiten des Ankers angeordneten Elektromagneten, die das Gaswechselventil in zwei verschiedene Schaltstellungen in den jeweiligen Endpositionen der maximalen Auslenkungen des Feder-Masse-Systems halten, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens die Polfläche des das Ventil in Schließstellung haltenden Elektromagneten und die zugehörige Polfläche des Ankers einen Raum begrenzen, der ein dämpfendes Strömungsmedium einschließt, und daß ein an sich bekanntes Längenausgleichselement zum Ausgleich des Spiels zwischen dem Anker und dem das Ventil in Schließstellung haltenden Efek'romagneten vorgesehen ist

2. Vorrichtung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet, daß das Längenausgleichselement zwischen dem das Ventil in Schließstellung haltenden Elektromagneten und einem den Ventiltrieb umgebenden Gehäuse angeordnet ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Längenausgleichselement zwischen dem Gaswechselventil und dem Anker angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Polflächen des Ankers und Elekt-omagr^ten begrenzte Raum seitliche BegrenzangswviP.de aufweist, die einen sich in Abhängigkeit von der Hubbovegung des Ankers ändernden Abströmquerschnitt für das Strömungsmedium frei geben.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der von den Polflächen des Ankers und Elektromagneten begrenzte Raum einen kalibrierten Abströmquerschnitt hat und seitliche Begrenzungswände aufweist, die aus einem elastischen Werkstoff bestehen.