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Die
vorliegende Erfindung betrifft Verbesserungen für elektromagnetische Stellantriebe,
die ein Ventil in axialer Translation verschieben sollen, um es
abwechselnd in eine Öffnungsstellung
und in eine Schließstellung
zu bringen. Sie findet eine besonders wichtige Anwendung bei der
Betätigung
von Ventilen eines Verbrennungskraftmotors sei es mit Funken- oder
Kompressionszündung.
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Stellantriebe
der Art, auf die die Erfindung zielt, sind insbesondere in den Dokumenten
FR 2 784 222 ,
FR 99 05203 und der
DE 19840578 A1 beschrieben.
Bezug auf
1 dieser Dokumente nehmend,
besteht der Stellantrieb
10 aus einer Einheit, die am Zylinderkopf
12 eines
Motors befestigt werden soll. Sie kann ein Gehäuse umfassen, das aus mehreren
Teilen
14 und
16 besteht, die gestapelt sind und durch
nicht dargestellte Mittel wie beispielsweise Schrauben zusammengefügt sind.
Diese Teile bestehen aus einem nicht ferromagnetischen Material, zum
Beispiel aus einer Leichtmetalllegierung. Das Gehäuse kann
am Zylinderkopf
12 mittels einer Beilagscheibe
20 befestigt
sein, die ebenso aus nicht ferromagnetischen Material besteht.
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Der
Stellantrieb umfasst einen Anker 22 aus ferromagnetischen
Material, das vorteilhafterweise aus dünnen Lagen besteht, um die
Verluste zu reduzieren, und ist an einem Stellantriebsschaft 24 befestigt,
der für
den Antrieb des Ventils 25 bestimmt ist. Im Allgemeinen
werden mehrere Ventile Seite an Seite montiert und es steht für jeden
Stellantrieb nur eine geringe Breite in der Richtung senkrecht zu
derjenigen der 1 zur Verfügung. Dies führt dazu,
dass dem Anker eine rechtwinklige Form verliehen wird. Der Anker
kann sich in dem Teil 16 nicht drehen. Der Stellantriebsschaft 24 kann
am Anker durch Schweißen
befestigt werden und durch einen Ring 26 geführt werden,
der an einem ringförmigen
Fortsatz des Teils 16 befestigt ist.
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Bei
der dargestellten Ausführungsform
ist der Schaft 32 des Ventils 25 vom Schaft 24 verschieden
und liegt koaxial in dessen Verlängerung.
Er wird durch einen Ring 29 geführt, der am Zylinderkopf befestigt
ist und sich in diesem drehen kann.
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Zwei
Rückstellfedern 28a und 28b sind
dafür vorgesehen,
den Kopf 34 des Ventils 25 in der Ruhestellung
in einer im Wesentlichen mittigen Stellung zwischen der Schließstellung
und der ganz offenen Stellung zu halten. Eine der Federn 28a ist
mit dem Stellantriebsschaft 24 verknüpft und wird zwischen einer
Platte oder Teller 30, der am Schaft 24 befestigt ist,
und dem Fortsatz des Teils 16 zusammengedrückt. Die
andere Feder 28b wird zwischen einer Platte oder Teller 31,
der am Ventilschaft 32 befestigt ist, und dem Boden der
Ventilschächte 33 zusammengedrückt, die
in dem Zylinderkopf ausgebildet sind. Das Ventilspiel zwischen dem
angehobenen Schaft 24 und dem Schaft 32 des geschlossenen Ventils 25 gewährleistet
die Dichtheit.
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Jeder
Teller 30, 31 ist starr auf dem Stellantriebsschaft 24 beziehungsweise
dem Ventilschaft 32 befestigt. Wie in 1 dargestellt
ist, weist jeder Teller zum Beispiel eine konische Bohrung 35 auf,
die sich zum Ende des Schafts 24 und des Schafts 32 öffnet und
auf einem konischen Ring 36 aufgepasst ist, der fest mit
dem Schaft 24 und dem Schaft 32 verbunden ist
(der zum Beispiel von zwei Halbringen gebildet wird, die auf beiden
Seiten des Schafts 24 beziehungsweise des Schafts 32 angefügt sind
und auf diesen durch eine Einheit aus wechselweise ineinandergreifenden,
ringförmigen
Nuten und Rippen gehalten wird).
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Die
Federn 28a und 28b haben zudem die Form von Schraubenfedern,
insbesondere von Volutschraubenfedern, deren Ende mit dem kleineren Durchmesser
an dem jeweiligen entsprechenden Teller 30, 31 anliegt.
Dadurch liegt wegen der Geometrie der Endwindung der Feder nicht
jede Feder an dem zugehörigen
Teller auf dem ganzen Umfang des Tellers streng identisch an.
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Daraus
folgt, dass die Anlagekraft der Feder auf dem Umfang des Tellers
nicht streng symmetrisch ist. Die Folge davon ist, dass die Kraft
der Feder auf den Teller in eine axiale Schubkomponente und eine
Querkomponente zerfällt,
die durch den Teller auf den Schaft übertragen wird. Diese Querkomponente
variiert mit dem Zusammendrücken
der Feder und neigt dazu, den Stellantriebsschaft 24 und
den Ventilschaft 32 gegen den jeweiligen Führungsring 26, 29 zu
drücken.
Diese asymmetrische Reibung mit im Takt der Kompression und Dehnung
der Federn variabler Intensität
(etwa 50 Mal je Sekunde für
eine Motorgeschwindigkeit in der Größenordnung von 3000 Umdrehungen
je Minute) erzeugt Vibrationen, Lärm und eine Abnutzung der reibenden
Teile.
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Dieser
Nachteil kann dadurch vermieden werden, dass die zwei Teller einen
mittigen kalottenförmigen
Hohlraum aufweisen, der einen komplementären kalottenförmigen Kopf
aufnehmen kann, der mit dem Stellantriebsschaft oder dem Ventilschaft fest
verbunden ist, wie es in dem Dokument DE-A-198 40 578 gelehrt wird.
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Mittels
dieser Anordnung werden der Stellantriebsschaft oder der Ventilschaft
und ihr zugehöriger
Teller teilweise getrennt, so dass dieser unter der Wirkung der
durch die Feder vermittelten Querkraftkomponente jede gewünschte Neigung
relativ zu seinem Träger
einnehmen kann. Diese Neigung kann winkelmäßig und in radialer Richtung
im Takt der Variation des Zusammendrückens der Feder variieren. Der
Stellantriebsschaft oder der Ventilschaft sind schließlich nicht
mehr starr mit der Feder fest verbunden und unterliegt nicht mehr
der durch diese erzeugten Querkraftkomponente, so dass er in dem
entsprechenden Führungsring
auf perfekt koaxiale Weise gleitet. Auf diese Weise wird eine Ursache
für die
rasche Abnutzung der relativ zueinander gleitenden Teile vermieden
und eine Quelle für
Vibrationen und Lärm
beseitigt.
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Die
vorgenannten Anordnungen allein reichen jedoch insbesondere wegen
den sehr hohen Geschwindigkeiten, die durch die beweglichen Teile erreicht
werden, nicht, um einen zuverlässigen
Betrieb der Ventilbetätigungen
zu gewährleisten.
Es ist daher zwingend, jede Ursache einer Fehlfunktion, insbesondere
unter der Wirkung einer Erwärmung von
aneinander anliegenden, relativ zueinander beweglichen Teilen, zu
beseitigen.
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Die
Aufgabe der Erfindung besteht im Wesentlichen darin, eine verbesserte
Anordnung der weiter oben erläuterten
Anordnung vorzuschlagen, die ein derartiges Risiko vermeidet.
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Bei
einem elektromagnetischen Ventilstellantrieb mit einem Anker, der
fest mit einem Stellantriebschaft verbunden ist, der im Wesentlichen
axial beweglich ist, um kraftschlüssig mit einem Ventilschaft
zusammenzuwirken, der im Wesentlichen in Verlängerung von und koaxial zu
dem Stellantriebschaft liegt und im Wesentlichen axial beweglich
ist, mit elastischen Rückstellmitteln
mit Schraubenfedern, die koaxial mit dem Stellantriebschaft beziehungsweise
dem Ventilschaft verknüpft
sind und dafür
ausgelegt sind, in der Ruhestellung das Ventil in einer Mittelstellung
zwischen einer ganz offenen und einer ganz geschlossenen Position
zu halten, wobei die Schraubenfedern auf der Seite der Enden, die
mit dem Stellantriebschaft beziehungsweise dem Ventilschaft zusammenwirken,
an Tellern anliegen, die fest mit dem Stellantriebschaft beziehungsweise
dem Ventilschaft verbunden sind, wobei die zwei Teller einen mittigen,
axialen Hohlraum in Form einer Kalotte aufweisen, der einen kalottenförmigen Kopf
von komplementärer
Form aufnehmen kann, der fest mit dem Stellantriebschaft oder dem
Ventilschaft verbunden ist, schlägt
die Erfindung hierzu vor, dass in der Kalottenfläche des Hohlraums des Tellers
und/oder des Kopfs radiale Nuten ausgebildet sind, die Sektoren der
Kalotte abtrennen, so dass ein Schmiermittel leicht zwischen die
sich relativ bewegenden Kugelflächen
gebracht werden kann. Auf diese Weise wird das Risiko eines Festfressens
bei der Betätigung
der Ventile vermieden.
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Der
mittige, axiale Hohlraum der Teller zeigt vorzugsweise zum freien
Ende des Stellantriebschafts beziehungsweise des Ventilschafts.
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Man
kann ein baulich einfaches Ausführungsbeispiel
in Betracht ziehen, demzufolge der kalottenförmige Kopf ein radial verbreiterter
Teil des Stellantriebschafts oder des Ventilschafts ist. Eine derartige
einstückige
Ausführung
erfordert jedoch eine besondere maschinelle Bearbeitung des Ventils.
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Um
dies zu vermeiden, kann man sich ein weiteren Ausführungsbeispiels
bedienen, demzufolge der kalottenförmigen Kopf ein Ring ist, der
koaxial am Ende des Stellantriebschafts oder des Ventilschafts angebracht
ist, mit der Möglichkeit,
dass in diesem Fall der Ring, der den kalottenförmigen Kopf bildet, eine mittige
konische Bohrung aufweist und am Ende des Stellantriebschafts oder
des Ventilschafts durch eine konische Zwinge arretiert ist, die ihrerseits
an dem Ende eingepasst ist. Oder man kann auch ein weiteres Ausführungsbeispiel
aufgreifen, demzufolge der kalottenförmige Kopf aus zwei zusammengesetzten,
axial arretierten Halbringen auf beiden Seiten des Endes des Stellantriebschafts oder
des Ventilschafts besteht.
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Die
Erfindung findet eine besonders wichtige Anwendung, wenn die Schraubenfedern
Evolutfedern sind, deren Ende mit dem kleinen Wickeldurchmesser
an den jeweiligen Tellern anliegt, denn im Falle derartiger Evolutschraubenfedern
ist die Querkomponente am stärksten.
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Die
Erfindung wird durch das Studium der folgenden ausführlichen
Beschreibung bestimmter Ausführungsformen
besser verstanden werden, die nur Beispiel wiedergeben, die in keiner
Weise eine Einschränkung
darstellen. In dieser Beschreibung wird auf die folgenden Zeichnungen
Bezug genommen:
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die 2 bis 4 sind
Teilansichten im Schnitt und im vergrößerten Massstab, die jeweils drei Ausführungsform
einer gelenkigen Kopplung eines Tellers und eines Stellantriebsschaft
wiedergeben, bei denen die Erfindung Anwendung finden kann; und
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5 ist
eine schematische Perspektivansicht der Außenfläche eines Kopfs, der erfindungsgemäß bei den
Anordnungen der 2 bis 4 eingesetzt
wird.
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In
den 2 bis 4 wurde insbesondere die gelenkige
Kopplung zwischen dem Teller 30 und dem Stellantriebsschaft 24 wiedergegeben,
wobei es sich jedoch versteht, dass hinsichtlich des Umstands, dass
der Ventilschaft 32 aus den gleichen Gründen den gleichen Effekten
wie der Stellantriebsschaft 24 unterliegt, eine Kopplung
der gleichen Art ebenso zwischen dem Teller 31 und dem
Ventilschaft 32 eingesetzt wird.
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Wie
in 2 dargestellt ist, wird als Ende des Stellantriebsschafts 24 ein
Endstück 37 vorgesehen,
dessen zum Stellantrieb 10 weisende Oberfläche 38 kalottenförmig ist
(konvexe Oberfläche).
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Der
Teller 30 selbst weist einen mittigen, axialen Hohlraum 39 auf,
der in Richtung des Ventilschafts offen ist und dessen Oberfläche 40 kalottenförmig (konkave
Oberfläche)
und komplementär
zu der konvexen Oberfläche
des Endstücks 37 des
Stellantriebsschafts 24 ist.
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Der
Teller 30 wird an dem massiven Endstück 37 einfach durch
die Feder 28a in Anlage gehalten und der so gebildete Kopf
erlaubt ein Drehbewegung des Tellers 30 in allen Richtungen
relativ zum Schaft 24; auf diese Weise ist dieser frei
von allen Wirkungen der Querkomponente aufgrund der Feder 28a.
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Da
die in 2 dargestellte Anordnung zu einer komplexen maschinellen
Bearbeitung des Stellantriebsschafts 24 und zu einer heiklen
Montage der Baugruppe führt,
kann man sich in der Praxis des in 3 dargestellte
Ausführungsbeispiels
bedienen. Der Teller 30 ist wie in 2 mit einem
Hohlraum mit konkaver, kalottenförmiger
Oberfläche 40 versehen, während die
konvexe kalottenförmig
Oberfläche 38 an einem
Ring 41 vorgesehen ist, der am Ende des Stellantriebsschafts 24 mittels
eines konischen Rings auf die gleiche Montageart, wie in 1 für die Befestigung
des Tellers 30 direkt am Schaft 24 dargestellt,
befestigt ist. Hierzu umfasst der Ring 41 eine konische
Bohrung 42, durch die er auf einen konischen Ring oder
eine Zwinge 36 aufgepasst wird, die fest mit dem Stellantriebsschaft 24 verbunden
ist. Wie weiter oben angegeben, kann der konische Ring 36 von
zwei Halbringen gebildet werden, die um den Schaft 24 zusammengefügt sind
und axial auf diesem durch eine Anordnung aus einer Nut oder Nuten
und einem Vorsprung oder Vorsprüngen
arettiert sind, die auf den jeweiligen zusammenwirkenden Flächen vorgesehen
sind und wechselweise ineinandergreifen.
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Es
kann ebenso in Betracht kommen, wie in 4 dargestellt
ist, die zwei Ringe 41 und 36 baulich zu kombinieren.
Hierzu wird der Ring 41 mit konvexen kugelförmigen Außenflächen 38 durch
einen Ring 42 ersetzt, der aus zwei Halbringen 43 besteht, die
eine mittige Ausnehmung aufweisen, die mit einer Anordnung aus einer
Nut oder Nuten und/oder einem Vorsprung oder Vorsprüngen versehen
ist, die durch Ineinandergreifen mit den komplementären des
Stellantriebschafts 24 zusammenwirken können.
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Wie
in 5 dargestellt ist, ist die konvexe, kugelförmige Außenfläche 38 der
einen oder der anderen vorstehenden Ausführungsform erfindungsgemäß mit Einschnitten 44 radialer
Ausdehnung vertieft, die die Zufuhr von Schmiermittel zwischen den Reibflächen 38 und 40 erleichtert.
Das Vorhandensein derartiger Einschnitte 44 reduziert zudem die
Kontaktfläche
der Reibflächen,
die an Kalottensektoren 45 reduziert sind, und reduziert
damit die Reibungen. Einschnitte können natürlich auf die gleiche Weise
in der konkaven Kugelfläche 40 des
Tellers 30 vorgesehen werden. Eventuell können Einschnitte
prévues
geichzeitig in der konvexen Oberfläche 38 und in der
konkaven Oberfläche 40 vorgesehen
werden.