DE3942532A1 - Elektromagnetisches stellglied - Google Patents

Description

Erfindung betrifft ein elektromagnetisches Stell­ glied mit einer in Abhängigkeit von der Bestromung einer einen verschieblichen Anker aufweisenden Magnetspule ver­ schieblichen Regelstange. Solche Stellglieder werden beispielsweise zur Regelung des Durchflusses eines eine Drosselklappe umgehenden Bypasses in Kraftfahrzeugen eingesetzt und sind deshalb allgemein bekannt.

Bei den bekannten Stellgliedern wird der sich durch Magnetkräfte ergebende Hub eines Ankers dazu benutzt, einen Ventilkörper zur Steuerung des Durchflusses des Bypasses unmittelbar zu verschieben. Elektromagnetische Stellglieder sind umso teurer, je größer der von ihnen auszuführende Hub und umso größer die zu erzeugende Kraft sein müssen. Da bei Stellgliedern insbesondere im Ventilteil stets eine Verschmutzungsgefahr besteht, kann es vorkommen, daß die zur Verfügung stehenden Magnet­ kräfte nicht mehr ausreichen, um den Schließkörper zu bewegen.

Auch bei anderen Anwendungsfällen kommt es oftmals dar­ auf an, mit einer Regelstange ein Bauteil möglichst exakt in Abhängigkeit des Stromes der Magnetspule des Betätigungselementes zu verstellen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein elektro­ magnetisches Stellglied der eingangs genannten Art so auszubilden, daß sich mit möglichst geringem Aufwand ausreichend hohe Stellkräfte ergeben, wobei eine mög­ lichst genaue Abhängigkeit zwischen dem Strom und der Verschiebung der Regelstange gegeben sein soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Regelstange am Kolben eines pneumatischen Stellmo­ tors befestigt und der Anker mechanisch mit einem Steuer­ ventil zum Steuern der Druckbeaufschlagung des Stell­ motors verbunden ist.

Durch diese Gestaltung braucht der Anker des Elektro­ magneten nicht mehr unmittelbar die Regelstange, sondern nur noch ein Steuerteil eines Steuerventils zu ver­ schieben. Die Verschiebung der Regelstange erfolgt durch die Druckkräfte des Stellmotors, welche je nach dem Durchmesser des Stellmotors und dem Druck des zur Ver­ fügung stehenden Druckmittels ausreichend hoch gewählt werden können. Dank der Erfindung kann man somit mit sehr geringen elektromagnetischen Kräften eine hohe Verschiebekraft einer Regelstange erreichen, so daß sich der gewünschte Verschiebeweg auch bei veränderlichen Kraft- und Hystereseverhältnissen an der Regelstange zuverlässig einstellt. Der Anker des Elektromagneten braucht nur einen geringen Hub auszuführen. Deshalb kann der Elektromagnet leicht so ausgelegt werden, daß er im linearen Bereich arbeitet.

Besonders vorteilhaft ist das erfindungsgemäße Stell­ glied eingesetzt, wenn die Regelstange mit einem stufen­ los verstellbaren Ventilkörper zum Verstellen des Durch­ flusses eines eine Drosselklappe umgebenden Bypasses verbunden ist.

Konstruktiv besonders einfach ist der Stellmotor gestal­ tet, wenn der Stellmotor eine fest mit dem Ventilkörper verbundene, axial verschiebliche und von einer Stell­ feder in Schließrichtung des Ventilkörpers vorgespannte Membran hat, welche eine dem Ventilkörper abgewandte Ar­ beitskammer begrenzt und wenn das Steuerventil zum ge­ steuerten Verbinden der Arbeitskammer mit Unterdruck oder Überdruck ausgebildet ist.

Zur Reduzierung des baulichen Aufwandes und vor allem der Montagezeit trägt es bei, wenn gemäß einer anderen Ausgestaltung der Erfindung der Stellmotor, das Steuer­ ventil und die Magnetspule mit dem Anker koaxial hinter­ einander als bauliche Einheit ausgebildet sind.

Das Steuerventil ist besonders einfach ausgebildet, wenn es einen fest mit dem Anker verbundenen Steuerkolben hat, welcher im nicht bestromten Zustand der Magnetspule einen Atmosphärenanschluß mit der Arbeitskammer und im bestromten Zustand einen Unterdruckanschluß mit der Arbeitskammer verbindet.

Der Steuerkolben und die Membran können durch eine ein­ zige Stellfeder in einer Grundstellung vorgespannt sein, wenn die Stellfeder des Stellmotors einerseits gegen die Membran, andererseits gegen einen fest mit dem Steuerkol­ ben verbundenen Federteller anliegt, so daß der Steuer­ kolben in einer die Atmosphärenverbindung freigebenden Stellung und die Membran in einer den Ventilkörper in Schließrichtung beaufschlagenden Stellung vorgespannt ist.

Die Druckmittelversorgung des Stellmotors kann durch den ohnehin bei Ottomotoren vorhandenen Unterdruck erfolgen, wenn der Atmosphärenanschluß mit dem Bypass strömungs­ mäßig vor dem Ventilkörper und der Unterdruckanschluß mit dem Bypass strömungsmäßig hinter dem Ventilkörper Verbindung hat.

Separat zu verlegende Leitungen für die Druckmittelver­ sorgung sind unnötig, wenn gemäß einer anderen Ausgestal­ tung der Erfindung die Verbindungen des Atmosphärenan­ schlusses und des Unterdruckanschlusses mit dem Bypass durch Kanäle im Gehäuse des Stellgliedes gebildet sind.

Stellglieder zur Leerlaufregelung von Ottomotoren sollen im nicht bestromten Zustand einen für den Notlauf aus­ reichenden Querschnitt des Bypasses freigeben, bei Bestromung den Bypass zunächst vollständig schließen und dann bei weiterem Stromanstieg über einen festgelegten Regelbereich zunehmend öffnen. Das kann besonders ein­ fach erreicht werden, wenn der Ventilkörper eine gegen einen Ventilsitz vorgespannte Prallplatte und ein in der Prallplatte angeordnetes Notlaufventil aufweist, dessen Schließkörper auf der der Membran abgewandten Seite der Prallplatte vorgesehen und fest mit der Membran des Stellmotors verbunden und im nicht druckbeaufschlagten Zustand des Stellmotors von einer gegen die Prallplatte abgestützten Ventilfeder in Offenstellung vorgespannt ist.

Eine alternative Möglichkeit, eine Notlauffunktion bei Ausfall der Energie zu erreichen, besteht darin, daß der Ventilkörper eine Schieberhülse ist, welche bei nicht druckbeaufschlagtem Stellmotor in eine einlaßseitige Führungshülse eintaucht, außerhalb der Führungshülse zumindest einen den Einlaß mit dem Auslaß des Bypasses verbindenden Notlaufkanal aufweist und welche bei Unter­ druckbeaufschlagung des Stellmotors vor dem Verlassen der einlaßseitigen Führungshülse mit dem Notlaufkanal dichtend in eine hierzu koaxial mit Abstand angebrachte, zweite Führungshülse zu gelangen vermag.

Vorteilhaft kann es auch sein, wenn das Steuerventil räumlich vom Stellmotor getrennt angeordnet ist. Hier­ durch wird es möglich, den Elektromagneten dort anzu­ ordnen, wo keine Hitzeprobleme und wo keine Verschmut­ zungsgefahr besteht.

Eine besonders genaue Liniarität zwischen der Strom­ stärke und dem Hub der Regelstange läßt sich erreichen, wenn der Anker auf seiner in die Magnetspule greifenden Seite eine konische Anspitzung hat, mir der er während seines Hubs in eine entsprechende konische Aufnahme eines Eisenkörpers einzudringen vermag.

Flatterbewegungen des Steuerkolbens können vermieden werden, wenn der Steuerkolben an seinen beiden Stirnsei­ ten jeweils einen Steuerkonus zum Steuern des Atmosphä­ renanschlusses und des Unterdruckanschlusses hat.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zur weiteren Verdeutlichung ihres Grundprinzips sind vier davon in der Zeichnung dargestellt und werden nachfol­ gend beschrieben. In ihr zeigen die

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine erste Ausfüh­ rungsform eines erfindungsgemäßen Stell­ gliedes,

Fig. 2 einen Längsschnitt durch ein als Bypass- Steller ausgebildetes Stellglied nach der Erfindung,

Fig. 3 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausfüh­ rungsform eines als Bypss-Steller ausgebil­ deten Stellgliedes nach der Erfindung,

Fig. 4 einen Längsschnitt durch eine dritte Ausfüh­ rungsform eines als Bypass-Steller ausgebil­ deten Stellgliedes nach der Erfindung,

Fig. 5 eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines als Bypass-Steller aus­ gebildeten Stellgliedes nach der Erfindung.

Das in der Fig. 1 dargestellte Stellglied hat eine Regelstange 38, welche in Abhängigkeit von der Bestro­ mung einer Magnetspule 16 verschoben werden soll. Zum Verschieben dieser Regelstange dient ein druckmittel­ betätigter Stellmotor 6. Dieser hat eine Arbeitskammer 7, welche durch eine Membran 8 zur Seite der Regelstange 38 hin begrenzt ist.

Gesteuert wird der Stellmotor 6 mittels eines Steuerven­ tils 9, welches in einem Steuergehäuse 10 einen axial verschieblichen Steuerkolben 11 aufweist. Das Steuerge­ häuse 10 hat einen Atmosphärenanschluß 12 und einen Unterdruckanschluß 13. In der dargestellten Grundstel­ lung befindet sich der Steuerkolben 11 mit einem stirn­ seitigen Steuerkonus 40 rechts vom Atmosphärenanschluß 12, so daß die Arbeitskammer 7 Verbindung mit dem Atmo­ sphärenanschluß 12 hat. Wird der Steuerkolben 11 nach links verschoben, dann versperrt er zunächst den Atmo­ sphärenanschluß 12 und gibt anschließend mit seinem anderen stirnseitigen Steuerkonus 41 den Unterdruckan­ schluß 13 frei. Dieser erhält dann über einen Ringraum 14 und einen axialen Kanal 15 Verbindung mit der Arbeits­ kammer 7, wodurch die Membran 8 in der Zeichnung gesehen nach rechts bewegt wird, so daß sich die Regelstange 38 entsprechend verschiebt.

Zur Betätigung des Steuerventils 9 dient die Magnetspule 16, in die hinein bei Bestromung ein Anker 17 gezogen wird. Der Anker 17 ist mittels einer Stange 18 unmit­ telbar mit dem Steuerkolben 11 verbunden, so daß dieser sich jeweils zusammen mit dem Anker 17 verschiebt. Auf seiner dem Anker 17 abgewandten Seite ist innerhalb der Arbeitskammer 7 auf dem Steuerkolben 11 ein Federteller 19 angebracht, gegen den sich eine Stellfeder 20 ab­ stützt, die mit ihrem anderen Ende gegen die Membran 8 anliegt.

Zur Erhöhung der Liniarität zwischen Strom und Hub ist der Anker 17 auf seiner dem Steuerventil 9 zugewandten Seite mit einer konischen Anspitzung 39 versehen, welche während seines Hubes zunehmend in eine konische Aufnahme 40 eines Eisenkörpers 41 einzutauchen vermag.

Es sei hervorgehoben, daß in kinematischer Umkehr der Verhältnisse bei dem Stellglied auch die linke Seite der Membran 8 konstant mit Unterdruck beaufschlagt sein kann und in die rechte Arbeitskammer 7 mit dem Steuerventil 9 Atmosphärendruck eingesteuert werden kann. Die Stellfe­ der 20 muß dann auch in der linken Kammer angeordnet werden, während in der rechten Arbeitskammer 7 eine schwächere Feder vorzusehen wäre.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist das beschrie­ bene Stellglied Teil eines Bypass-Stellers 1. Dieser Bypass-Steller 1 hat einen Lufteinlaß 2 und einen Luft­ auslaß 3. Zwischen dem Lufteinlaß 2 und dem Luftauslaß 3 ist ein Ventilsitz 4 vorgesehen, auf den ein als Prall­ platte ausgebildeter Ventilkörper 5 zu gelangen vermag.

Die Regelstange 38, welche die Kolbenstange der Membran 8 bildet, durchdringt den Ventilkörper 5 durchdringt und trägt auf der Lufteinlaßseite des Ventilkörpers 5 einen Schließkörper 22. Dieser Schließkörper 22 wird durch eine Ventilfeder 25 in eine Offenstellung vorgespannt und setzt sich bei einer Verschiebung nach rechts dich­ tend auf einen Ventilsitz 23 des bei diesem Ausführungs­ beispiel durch eine Prallplatte gebildeten Ventilkörpers 5. Der Schließkörper 22 bildet zusammen mit dem Ventil­ sitz 23 ein Notlaufventil 24, welches in der dargestell­ ten, nicht bestromten Grundstellung offen ist. Deshalb kann in diesem Zustand über das Notlaufventil 24 Luft vom Lufteinlaß 2 zum Luftauslaß 3 strömen. Der Bypass ist somit nicht völlig abgesperrt.

Wird die Magnetspule 16 bestromt, dann bewegt sich der Anker 17 in die Magnetspule 16 hinein, also in der Fig. 1 gesehen nach links. Entsprechend verschiebt sich der Steuerkolben 11 nach links, so daß der Unterdruckan­ schluß 13 über den Ringraum 14 und den Kanal 15 Verbin­ dung mit der Arbeitskammer 7 erhält. Dadurch bewegt sich die Membran 8 nach rechts, so daß über die Stellfeder 20 eine zunehmende Kraft auf den Steuerkolben 11 nach rechts ausgeübt wird, der Steuerkolben 11 den Unterdruck­ anschluß 13 wieder verschließt und sich ein Gleichge­ wicht zwischen der Magnetkraft und der auf die Membran 8 wirkenden Druckkraft einstellt.

Die Bewegung der Membran 8 nach links führt dazu, daß das Notlaufventil 24 schließt und dadurch die Verbindung zwischen dem Lufteinlaß 2 und dem Luftauslaß 3 abge­ sperrt wird. Verschiebt sich die Membran 8 infolge zu­ nehmender Bestromung der Magnetspule 16 weiter nach rechts, dann nimmt der Schließkörper 22 des Notlaufven­ tils 24 den Ventilkörper 5 mit nach rechts, so daß die­ ser vom Ventilsitz 4 abhebt und die Verbindung zwischen Lufteinlaß 2 und Luftauslaß 3 geöffnet wird. Der Abstand des Ventilkörpers 5 vom Ventilsitz 4 läßt sich durch die Bestromung der Magnetspule 16 steuern.

Die Ausführungsform nach Fig. 3 stimmt hinsichtlich der Gestaltung des Stellmotors 6, des Steuerventils 9, der Magnetspule 16 und des Ankers 17 identisch mit der nach Fig. 1 überein. Anders gestaltet ist jedoch der Ventil­ körper 5. Er ist durch eine Schieberhülse 26 gebildet, die in der gezeigten Grundstellung teilweise in eine gehäusefeste Führungshülse 27 eingetaucht ist. Außerhalb der Führungshülse 27 hat die Schieberhülse 26 einen Not­ laufkanal 28, über den der Lufteinlaß 2 mit dem Luftaus­ laß 3 Verbindung hat.

Verschiebt sich die Schieberhülse 26 nach rechts, so taucht sie in eine zweite Führungshülse 29 ein, wodurch zunächst der Notlaufkanal 28 abgedeckt und dadurch ver­ sperrt wird. Bei weiterer Verschiebung nach rechts ge­ langt die Schieberhülse 26 aus der ersten Führungshülse 27 heraus, so daß die Verbindung zwischen Lufteinlaß 2 und Luftauslaß 3 zunehmend freigegeben wird.

Die Fig. 4 zeigt in erster Linie, daß vom Atmosphären­ anschluß 12 im Gehäuse 1 ein Kanal 30 zum Lufteinlaß 2 und vom Unterdruckanschluß 13 im Gehäuse 1 ein Kanal 31 zum Luftauslaß 3 führt. Dadurch brauchen außerhalb des Stellgliedes keine Druckmittelleitungen verlegt zu wer­ den. Der Stellmotor 9 arbeitet mit dem Unterdruck, der am Luftauslaß 3 infolge der Drosselwirkung des Ventil­ körpers 5 ohnehin zur Verfügung steht.

In Fig. 5 ist von einem Ottomotor ein Ansaugstutzen 32 mit einer üblichen Drosselklappe 33 gezeigt. Der Ansaug­ stutzen 32 hat einen die Drosselklappe 33 umgehenden By­ pass 34, dessen Durchlaßquerschnitt von dem Ventilkörper 5 gesteuert wird. Die Betätigung des Ventilkörpers 5 er­ folgt über einen Strom/Weg-Wandler 35, dessen innerer Aufbau nicht gezeigt ist, da er mit dem des Stellmotors 6, der Magnetspule 16 und dem Anker 17 der beiden voran­ gehenden Ausführungsbeispiele übereinstimmt.

Angesteuert wird der Strom/Weg-Wandler von einem Steuer­ gerät 36, welches an beliebiger Stelle angeordnet sein kann und nur über elektrische Leitungen 37 Verbindung mit dem Strom/Weg-Wandler 35 haben muß. Das Steuergerät 36 arbeitet in Abhängigkeit von beispielsweise der Motor­ drehzahl, der Motortemperatur und sonstiger Werte, die das erforderliche Leerlaufdrehmoment des Motors bestim­ men.

Nicht gezeigt ist, daß das in den vorangehenden Figuren mit 9 positionierte Steuerventil zusammen mit der Magnet­ spule 16 und dem Anker 17 vom in den vorangehenden Figu­ ren mit 6 positionierten Stellmotor entfernt angeordnet sein kann. Es müssen dann lediglich Druckmittelleitungen vom Steuerventil zum Stellmotor führen.

Claims (13)

1. Elektromagnetisches Stellglied mit einer in Abhängig­ keit von der Bestromung einer einen verschieblichen Anker aufweisenden Magnetspule verschieblichen Regel­ stange, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelstange (38) am Kolben (Membran 8) eines pneumatischen Stellmotors (6) befestigt und der Anker (17) mechanisch mit einem Steuerventil (9) zum Steuern der Druckbeaufschlagung des Stellmotors (6) verbunden ist.

2. Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß die Regelstange mit einem stufenlos verstellbaren Ventilkörper (5) zum Verstellen des Durchflusses eines eine Drosselklappe umgebenden Bypasses verbunden ist.

3. Elektromagnetisches Stellglied nach den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (6) eine fest mit dem Ventilkörper (5) verbundene, axial ver­ schiebliche und von einer Stellfeder (20) in Schließ­ richtung des Ventilkörpers (5) vorgespannte Membran (8) hat, welche eine dem Ventilkörper (5) abgewandte Arbeits­ kammer (7) begrenzt und daß das Steuerventil (9) zum gesteuerten Verbinden der Arbeitskammer (7) mit Unter­ druck oder Überdruck ausgebildet ist.

4. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stellmotor (6), das Steuerventil (9) und die Magnet­ spule (16) mit dem Anker (17) koaxial hintereinander als bauliche Einheit ausgebildet sind.

5. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (9) einen fest mit dem Anker (17) ver­ bundenen Steuerkolben (11) hat, welcher im nicht be­ stromten Zustand der Magnetspule (16) einen Atmosphären­ anschluß (12) mit der Arbeitskammer (7) und im bestrom­ ten Zustand einen Unterdruckanschluß (13) mit der Arbeitskammer (7) verbindet.

6. Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 4, da­ durch gekennzeichnet, daß die Stellfeder (20) des Stell­ motors (6) einerseits gegen die Membran (8), anderer­ seits gegen einen fest mit dem Steuerkolben (11) verbun­ denen Federteller (19) anliegt, so daß der Steuerkolben (11) in einer die Atmosphärenverbindung freigebenden Stellung und die Membran (8) in einer den Ventilkörper (5) in Schließrichtung beaufschlagenden Stellung vorge­ spannt ist.

7. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Atmosphärenanschluß (12) mit dem Bypass (34) strö­ mungsmäßig vor dem Ventilkörper (5) und der Unterdruckan­ schluß (13) mit dem Bypass strömungsmäßig hinter dem Ventilkörper (5) Verbindung hat.

8. Elektromagnetisches Stellglied nach Anspruch 6, da­ durch gekennzeichnet, daß die Verbindungen des Atmo­ sphärenanschlusses (12) und des Unterdruckanschlusses (13) mit dem Bypass (34) durch Kanäle im Gehäuse (1) des Stellgliedes gebildet sind.

9. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (5) eine gegen einen Ventilsitz (4) vor­ gespannte Prallplatte und ein in der Prallplatte angeord­ netes Notlaufventil (24) aufweist, dessen Schließkörper (22) auf der der Membran (8) abgewandten Seite der Prall­ platte vorgesehen und fest mit der Membran (8) des Stell­ motors (6) verbunden und im nicht druckbeaufschlagten Zu­ stand des Stellmotors (6) von einer gegen die Prallplat­ te abgestützten Ventilfeder (25) in Offenstellung vorge­ spannt ist.

10. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Ventilkörper (5) eine Schieberhülse (26) ist, welche bei nicht druckbeaufschlagtem Stellmotor in eine einlaß­ seitige Führungshülse (27) eintaucht, außerhalb der Füh­ rungshülse (27) zumindest einen den Lufteinlaß (2) mit dem Luftauslaß (3) des Bypasses (34) verbindenden Not­ laufkanal (28) aufweist und welche bei Unterdruckbeauf­ schlagung des Stellmotors vor dem Verlassen der einlaß­ seitigen Führungshülse (27) mit dem Notlaufkanal (28) dichtend in eine hierzu koaxial mit Abstand angebrachte, zweite Führungshülse (29) zu gelangen vermag.

11. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Steuerventil (9) räumlich vom Stellmotor (6) ge­ trennt angeordnet ist.

12. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anker (17) auf seiner in die Magnetspule (18) grei­ fenden Seite eine konische Anspitzung (39) hat, mit der er während seines Hubs in eine entsprechende konische Aufnahme (40) eines Eisenkörpers (41) einzudringen ver­ mag.

13. Elektromagnetisches Stellglied nach zumindest einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Steuerkolben (11) an seinen beiden Stirnseiten je­ weils einen Steuerkonus (40, 41) zum Steuern des Atmo­ sphärenanschlusses (12) und des Unterdruckanschlusses (13) hat.