EP1007825A1 - Device for actuating a gas exchange valve with an electromagnetic actuator - Google Patents

Device for actuating a gas exchange valve with an electromagnetic actuator

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Publication number
EP1007825A1
EP1007825A1 EP98940271A EP98940271A EP1007825A1 EP 1007825 A1 EP1007825 A1 EP 1007825A1 EP 98940271 A EP98940271 A EP 98940271A EP 98940271 A EP98940271 A EP 98940271A EP 1007825 A1 EP1007825 A1 EP 1007825A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
damping
armature
magnet
piston
cylinder
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP98940271A
Other languages
German (de)
French (fr)
Inventor
Matthias Gramann
Roland Krebser
Rosario Pepe
Thomas Stolk
Dirk Strubel
Alexander Von Gaisberg
Klaus Wunderlich
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Conti Temic Microelectronic GmbH
Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
Temic Telefunken Microelectronic GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by DaimlerChrysler AG, Temic Telefunken Microelectronic GmbH filed Critical DaimlerChrysler AG
Publication of EP1007825A1 publication Critical patent/EP1007825A1/en
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the invention relates to a device for actuating a gas exchange valve with an electromagnetic actuator according to the preamble of patent claim 1.
  • Electromagnetic actuators for actuating gas exchange valves generally have two switching magnets, an opening magnet and a closing magnet, between the pole faces of which an armature is arranged so as to be displaceable coaxially with a gas exchange valve axis of the gas exchange valve.
  • the armature acts on the valve stem of the gas exchange valve via an armature tappet.
  • a preloaded spring mechanism usually two preloaded compression springs, acts on the armature, namely an upper and a lower valve spring.
  • the upper valve spring acts in the opening direction and the lower valve spring in the closing direction of the gas exchange valve.
  • the closing magnet or the opening magnet is briefly overexcited or the armature is excited in its resonance frequency by an oscillation routine in order to attract it from the equilibrium position.
  • the armature is in the closed position of the gas exchange valve with a first contact surface on the pole surface of the energized closing magnet and is held by this.
  • the closing magnet biases the valve spring acting in the opening direction.
  • the closing magnet is switched off and the opening magnet is switched on.
  • the valve spring acting in the opening direction accelerates the armature beyond the equilibrium position, so that it is attracted by the opening magnet.
  • the armature meets with its second contact surface on the pole surface of the opening magnet and is held by it.
  • the opening magnet is switched off and the closing magnet is switched on.
  • the valve spring acting in the closing direction accelerates the armature beyond the equilibrium position to the closing magnet.
  • the armature is attracted by the closing magnet, hits the pole face of the closing magnet and is held by it.
  • the armature should only be braked shortly before the pole faces and move as freely as possible in the remaining area between the pole faces, ie against a low back pressure, so that the damping affects the control characteristics of the gas exchange valve and the efficiency and the gas exchange valve opens smoothly, quickly, almost completely and can be closed.
  • a large volume change is required to build up sufficient back pressure for gaseous media.
  • the gas must be compressed far in front of the pole face in order to achieve sufficient damping shortly before the pole face.
  • the gas exchange valve closes and opens more slowly over wide areas, which in turn requires energy to be supplied.
  • a damping device for a valve control is known from US Pat. No. 4,794,890, in which a hydraulic damping is combined with an elastic damping.
  • the valve control has two anchors, an upper closing anchor and a lower opening anchor, which are between two pole faces an upper closing magnet and a lower opening magnet are slidably arranged.
  • the locking armature In the closed position, the locking armature is held by the locking magnet. If the gas exchange valve is opened, the closing magnet repels the closing anchor and the opening anchor is attracted to the opening magnet.
  • a device for electromagnetic control of globe valves by means of an actuator in which the coil springs arranged on both sides of the armature with their end assigned to the armature via a damping sleeve and a cone fixedly attached to a valve stem on the valve stem and thus on Support anchor.
  • the damping sleeve which serves as a spring plate, consists of a material that is elastically resilient in the radial direction and lies with a conical lateral surface, the cone angle of which is chosen close to the self-regulating angle, on a corresponding lateral surface of the cone attached to the valve stem.
  • the object of the invention is to reduce the excess energy of the armature and the valve in a short way in front of the pole face of the magnet with as few additional components as possible, without the holding forces having to be increased significantly.
  • a separate damping element i.e. with its own component provided with a damping piston and a cylinder, which can be displaced relative to each other by a non-gaseous medium
  • precisely defined counterforces can be created to brake the armature shortly before a pole face of a magnet without the armature and the gas exchange valve between the magnets are prevented from moving. If the damping piston or the cylinder is moved against a non-gaseous material, a high counterforce can be generated over a short distance. Part of the excess energy can be absorbed temporarily before it is broken down in the damping element. Gaseous media are excluded because a large volume change is required for a sufficiently high back pressure and thus a large distance.
  • damping element In closed, pressurized systems with gas, a high back pressure can be achieved over short distances, but a large proportion of the kinetic energy is converted into clamping energy, which means that the magnet must apply an increased holding force so that the armature does not move away from the pole face is catapulted. Damping material emerging from the damping element can hinder the function of individual components, for example in the case of oil, the pole faces of the magnets and the contact faces of the armature can become oiled, as a result of which the armature detaches more poorly from the pole faces.
  • the damping element form a closed system in itself, ie the damping material is tightly sealed to the outside.
  • the armature should be decelerated from a high speed by a large counterforce to a low speed in front of the pole face and should be able to be attracted to the pole face at the low speed with almost no counterforce by the magnet, directly at the low speed. After detaching the contact surface of the armature from the pole surface, the damper should return to its starting position as quickly as possible.
  • damping material is oil
  • this can be achieved with a throttle in one direction and with a check valve with a large flow area in the other direction.
  • Such properties can be created specifically in the case of plastic elastomers, as a result of which these materials are particularly suitable for this use.
  • Such substances are known to the person skilled in the art under the name "bouncing putty" and are preferably based on organosilicon polymers.
  • FIG. 1 shows an actuator for actuating a gas exchange valve with a built-in damping element
  • FIG. 2 shows an enlarged section of the damping element from FIG. 1
  • FIG. 3 shows a variant of FIG. 2.
  • FIG. 1 shows a device for actuating a gas exchange valve 1 with an actuator 2, which has an opening magnet 3 and a closing magnet 4.
  • An armature 7 is arranged axially displaceably between pole faces 5, 6 of the magnets 3, 4.
  • the armature 7 alternately strikes the pole faces with its contact surfaces 8, 9 and is held by the magnets 3, 4 in two separate switching positions.
  • the armature 7 is fastened on an armature tappet 22 or embodied in one piece with it, with which it acts on a valve stem 23 of the gas exchange valve 1.
  • the actuator 2 has a spring system 24 below the opening magnet 3 with a lower valve spring 25 acting in the closing direction and with an upper valve spring 26 acting in the opening direction.
  • the lower valve spring 25 is supported in the direction of the gas exchange valve 1 on the component 27 and in the Gas exchange valve 1 facing away from a spring plate 28 attached to the valve stem 23.
  • the upper valve spring 26 is supported in the direction of the gas exchange valve 1 on a spring plate 29 fastened on the armature tappet 22 and in the direction remote from the gas exchange valve 1 on the opening magnet 3.
  • the valve springs 25, 26 are preloaded to the extent that the armature 7 adjusts to an approximately middle position between the switching magnets 3, 4 when the solenoids 3, 4 are undisturbed and immediately before the closed position of the gas exchange valve 1 a residual closing force of the lower valve spring 25 and immediately before a residual prestressing force of the upper valve spring 26 is present in the open position.
  • the actuator 2 If the actuator 2 is started, either the closing magnet 4 or the opening magnet 3 is overexcited or the armature 7 is excited with its resonance frequency using an oscillation routine in order to move it to a pole face 5, 6 and hold it there.
  • the armature 7 rests with its first contact surface 9 against the pole surface 6 of the energized closing magnet 4 and is held by it.
  • the closing magnet 4 biases the upper valve spring 26 acting in the opening direction.
  • the closing magnet 4 In order to open the gas exchange valve 1, the closing magnet 4 is switched off and the opening magnet 3 is switched on.
  • the valve spring 26 acting in the opening direction accelerates the armature 7 beyond the equilibrium position, so that it is attracted by the opening magnet 3.
  • the armature 7 meets with its second contact surface 8 on the pole surface 5 of the opening magnet
  • the damping element 10 consists of a damping piston 11 which is displaceably mounted in a cylinder 12 against a damping material 13 (FIGS. 2 and 3), it also being possible for the cylinder to be displaceable and the piston to be fixed.
  • the damping piston 11 protrudes from the pole face 6 of the closing magnet 4 in the direction of the contact face 9 of the armature 7, and acts directly on the armature 7. Additional components and moving masses are saved, for example plunger attached to the armature 7, via which the damping element 10 acts on the armature 7 Anchor 7 acts.
  • the damping piston 11 preferably protrudes from the pole face 6 to such an extent that the speed of the armature 7 can be braked to almost zero in the shortest possible way to the pole face 6.
  • the damping element 10 is mounted in the closing magnet 4 in the direction of movement 19. This can be achieved via a large number of different adjustment mechanisms familiar to the person skilled in the art, such as, for example, via clamping mechanisms, adjustment screws, etc.
  • the cylinder 12 is adjustably mounted in the recess 14 via an external thread 20 in an internal thread 21.
  • the recess 14 extends in the direction of movement 19 of the damping piston 11 through the entire closing magnet 4, from the pole face 6 to the side of the closing magnet 4 facing away from the gas exchange valve 1.
  • the internal thread 21 extends over the entire recess 14, whereby the damping element 10 of the side of the closing magnet 4 facing away from the gas exchange valve 1 is adjustable, mountable and, if necessary, removable and replaceable.
  • a locking device not shown, such as a lock nut, a locking screw or any other mechanism familiar to the person skilled in the art.
  • a non-gaseous, preferably plastically deformable damping material 13 is used, against which the damping piston 11 is displaced.
  • the requirements for the material 13 result from the task of the damping element 10 to generate a large counterforce at a high speed of the armature 7 in order to brake the armature 7 in a short way and at a low speed of the armature 7 directly in front of the pole face 6 generate as small a counterforce as possible that the armature 7 can be easily attracted to the pole face 6 by the closing magnet 4.
  • the damping element 10 should exert as little force as possible on the armature act so that the holding force of the closing magnet 4 does not have to be increased significantly.
  • the damping element 10 should quickly return to its starting position before the damping process.
  • the damping element 10 should represent a system which is closed to the outside, as a result of which no escaping substances impede the remaining functions of the device.
  • the large opposing forces at high and the small opposing forces at low speeds of the armature 7 are preferably achieved by viscous or pasty materials 13, the shear stress of which increases sharply with the rate of deformation.
  • viscous or pasty materials 13 the shear stress of which increases sharply with the rate of deformation.
  • the viscous materials 13 can also be easily sealed to the outside.
  • the damping piston 11 is displaceably mounted via a fit in the cylinder 12, which is sufficient as a seal for correspondingly viscous materials 13. Additional seals can be saved.
  • the space is formed by a recess 16 on the side of the damping piston 11 facing away from the armature 7.
  • a spring 15 which is supported against the material 13 by a piston 17 guided in the recess 16. If the armature 7 deflects the damping piston 11, the material 13 is displaced into the recess 16 and thereby pushes the piston 17 against the spring 15 into the recess 16.
  • the damping piston 11 builds up a high counterforce against the direction of movement of the armature 7.
  • the armature 7 is braked to a low speed, so that almost only the spring force has to be overcome by the closing magnet 4 in order to fully attract the armature 7 to the pole face 6.
  • the spring 15 moves the damping piston 11 back into the starting position.
  • the starting position is determined by a stop 32 in the cylinder 12, against which the damping piston 11 runs with a step 33.
  • a spring 15 can be dispensed with if materials are used which have an elasticity corresponding to the spring 15, i.e. do not generate a too large counterforce when the armature 7 bears against the pole face 6 and nevertheless generate a sufficient force to return the damping piston 11 to its initial position as soon as the armature 7 detaches itself from the pole face 6.
  • the space into which the material 13 can escape could also be arranged in the cylinder 12 instead of in the damping piston 11. Furthermore, the space and the spring could be combined by pushing the material against a membrane.
  • FIG. 2 shows an embodiment of the damping element 10 according to the invention without a piston 17.
  • the material 13 surrounds the spring 15 and fills the space between the damping piston 11 and the cylinder 12 except for small spaces (not shown) by pre-stretching the material 13 enclosed space completely. If the damping piston 11 is deflected by the armature 7, a damping effect arises in particular by the spring 15 shifting in the material 13, taking it along and displacing it together with the damping piston 11 into the free spaces.
  • damping plate 18 which is attached to the end face of the damping piston 11 facing the armature 7.
  • a shock-absorbing plastic is particularly suitable as the material for the damping plate 18, although other materials that appear suitable to a person skilled in the art for such a purpose can also be used.

Abstract

The invention relates to a device for actuating a gas exchange valve with an electromagnetic actuator, having an opening magnet and a closing magnet. An axially displaceable armature is arranged between the pole faces of said magnets, which alternately comes into contact with the thrust face on the pole faces of the magnets and which is stopped at least in front of a pole face by a damping device. According to the invention, the damping device consists of a separate damping element with a damping piston and a cylinder, which can be displaced towards each other and dampened by a non-gaseous medium.

Description

Vom' rht-nng 7iιπ Bpfäfi gen eines Gaswpπhsplvpntils m r- PIΠPITI From 'rht-nng 7iιπ Bpfäfi gen a Gaswpπhsplvpntils m r- PIΠPITI
P1 plt omagripti πr.hen Αkt-nπt-nrP1 plt omagripti πr.hen Αkt-nπt-nr
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils mit einem elektromagnetischen Aktuator nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device for actuating a gas exchange valve with an electromagnetic actuator according to the preamble of patent claim 1.
Elektromagnetische Aktuatoren zur Betätigung von Gaswechsel- ventilen besitzen in der Regel zwei Schaltmagnete, einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten, zwischen deren Polflächen ein Anker koaxial zu einer Gaswechselventilachse des Gaswechselventils verschiebbar angeordnet ist. Der Anker wirkt über einen Ankerstössel auf den Ventilschaft des Gaswechselventils . Bei Aktuatoren nach dem Prinzip des Massenschwingers wirkt ein vorgespannter Federmechanismus, meist zwei vorgespannte Druckfedern, auf den Anker, und zwar eine obere und eine untere Ventilfeder. Die obere Ventilfeder wirkt in Öffnungsrichtung und die untere Ventilfeder in Schließrichtung des Gaswechselventils. Bei nicht bestromten Schaltmagneten wird der Anker durch die Ventilfedern in einer Gleichgewichtslage gehalten, die vorzugsweise mit der geometrischen bzw. mit einer energetischen Mitte zwischen den Schaltmagneten übereinstimmt.Electromagnetic actuators for actuating gas exchange valves generally have two switching magnets, an opening magnet and a closing magnet, between the pole faces of which an armature is arranged so as to be displaceable coaxially with a gas exchange valve axis of the gas exchange valve. The armature acts on the valve stem of the gas exchange valve via an armature tappet. In the case of actuators based on the principle of the mass oscillator, a preloaded spring mechanism, usually two preloaded compression springs, acts on the armature, namely an upper and a lower valve spring. The upper valve spring acts in the opening direction and the lower valve spring in the closing direction of the gas exchange valve. When the solenoids are not energized, the armature is held in an equilibrium position by the valve springs, which preferably coincides with the geometric or with an energetic center between the solenoids.
Wird der Aktuator gestartet, wird der Schließmagnet oder der Öffnungsmagnet kurzzeitig übererregt oder der Anker durch eine Anschwingungsroutine in seiner Resonanzfrequenz angeregt, um ihn aus der Gleichgewichtslage anzuziehen. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils liegt der Anker mit einer ersten Anlauffläche an der Polfläche des bestromten Schließmagneten an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet spannt die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder vor. Um das Gaswechselventil zu öffnen, wird der Schließmagnet ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet eingeschaltet . Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten angezogen wird. Der Anker trifft mit seiner zweiten Anlauffläche auf die Polfläche des Öffnungsmagneten und wird von dieser festgehalten. Um das Gaswechsel- ventil wieder zu schließen, wird der Öffnungsmagnet ausgeschaltet und der Schließmagnet eingeschaltet. Die in Schließrichtung wirkende Ventilfeder beschleunigt den Anker über die Gleichgewichtslage hinaus zum Schließmagneten. Der Anker wird vom Schließmagneten angezogen, trifft auf die Polfläche des Schließmagneten auf und wird von diesem festgehalten.If the actuator is started, the closing magnet or the opening magnet is briefly overexcited or the armature is excited in its resonance frequency by an oscillation routine in order to attract it from the equilibrium position. The armature is in the closed position of the gas exchange valve with a first contact surface on the pole surface of the energized closing magnet and is held by this. The closing magnet biases the valve spring acting in the opening direction. To open the gas exchange valve, the closing magnet is switched off and the opening magnet is switched on. The valve spring acting in the opening direction accelerates the armature beyond the equilibrium position, so that it is attracted by the opening magnet. The armature meets with its second contact surface on the pole surface of the opening magnet and is held by it. To close the gas exchange valve again, the opening magnet is switched off and the closing magnet is switched on. The valve spring acting in the closing direction accelerates the armature beyond the equilibrium position to the closing magnet. The armature is attracted by the closing magnet, hits the pole face of the closing magnet and is held by it.
Neben Kräften, die auf einen Ventilteller des Gaswechselventils wirken und insbesondere beim Öffnen überwunden werden müssen, treten in der Vorrichtung durch Führungsreibung, innere Reibung der Federn und aerodynamischer Dämpfung Verluste in Öffnungsrichtung und in Schließrichtung auf, die kompensiert werden müssen, damit die Vorrichtung auf Dauer funktioniert, d.h. das Gaswechselventil sicher schließt und öffnet. Die Zeit zwischen dem Ablösen von einer Polfläche und dem Auftreffen auf der gegenüberliegenden Polfläche des Ankers bewegt sich im Bereich weniger Millisekunden. In dieser sehr kurzen Zeit ist es schwierig durch regelungstech- nische Maßnahmen exakt die erforderliche Energie einzukop- peln. Daher ist es erforderlich, die Vorrichtung mit einer gewissen Überεchußenergie zu betreiben, um einen sicheren Betrieb zu gewährleisten.In addition to forces that act on a valve plate of the gas exchange valve and must be overcome in particular when opening, losses in the opening direction and in the closing direction occur in the device due to guide friction, internal friction of the springs and aerodynamic damping, which must be compensated for so that the device lasts works, ie the gas exchange valve closes and opens safely. The time between the detachment from one pole face and the impact on the opposite pole face of the armature is in the range of a few milliseconds. In this very short time, it is difficult to precisely couple the required energy through control measures. It is therefore necessary to operate the device with a certain excess energy in order to ensure safe operation.
Durch die Überschußenergie trifft der Anker mit einer hohen Geschwindigkeit auf die Polflächen der Magnete auf, mit der Folge, daß der Verschleiß zunimmt und die Geräusche ission beachtlich ist. Aus der DE 39 20 931 AI ist eine Dämpfungseinrichtung bekannt, die den Anker vor der Polfläche abbremst, indem Gas zwischen dem Anker und der Polfläche komprimiert wird. Das Spiel zwischen dem Anker und einem Hubring verkleinert sich vor der Polfläche und damit der Abströmungsquerschnitt für das Gas . Dabei wird zusätzlich Energie in Volumenänderungsarbeit umgesetzt - es darf nur die Überschußenergie im System kurz vor Erreichen der Endlage abgebaut werden. Der Anker sollte nur kurz vor den Polflächen gebremst und sich im restlichen Bereich zwischen den Polflächen möglichst ungebremst, d.h. gegen einen geringen Gegendruck bewegen, damit die Dämpfung die Steuercharakteristik des Gaswechselventils sowie den Wirkungsgrad beeinträchtigt und das Gaswechselven- til gleichmäßig, schnell, nahezu vollständig geöffnet und geschlossen werden kann. Um bei gasförmigen Medien einen ausreichenden Gegendruck aufzubauen, ist eine große Volumenänderung erforderlich. Hier muß weit vor der Polfläche begonnen werden das Gas zu komprimieren, um kurz vor der Polfläche eine ausreichende Dämpfung zu erreichen. Das Gaswechselventil schließt und öffnet dadurch über weite Bereiche langsamer, wodurch wiederum Energie zugeführt werden muß.Due to the excess energy, the armature hits the pole faces of the magnets at a high speed, with the result that the wear increases and the noise is considerable. From DE 39 20 931 AI a damping device is known which brakes the armature in front of the pole face by compressing gas between the armature and the pole face. The play between the armature and a cam ring is reduced in front of the pole face and thus the outflow cross-section for the gas. In addition, energy is converted into volume change work - only the excess energy in the system may be reduced shortly before the end position is reached. The armature should only be braked shortly before the pole faces and move as freely as possible in the remaining area between the pole faces, ie against a low back pressure, so that the damping affects the control characteristics of the gas exchange valve and the efficiency and the gas exchange valve opens smoothly, quickly, almost completely and can be closed. A large volume change is required to build up sufficient back pressure for gaseous media. Here the gas must be compressed far in front of the pole face in order to achieve sufficient damping shortly before the pole face. The gas exchange valve closes and opens more slowly over wide areas, which in turn requires energy to be supplied.
Bei Einrichtungen, die den Anker in erster Linie durch elastische Verformung abbremsen, beispielsweise mit einem federnd gelagerten Anker, wie dies aus der DE 30 24 109 C2 bekannt ist, muß eine erhöhte Halteenergie von dem Magneten aufgebracht werden, damit der Anker nicht durch die in der Feder gespeicherten Energie von der Polfläche wieder weg katapultiert wird.In devices that brake the armature primarily by elastic deformation, for example with a spring-loaded armature, as is known from DE 30 24 109 C2, an increased holding energy must be applied by the magnet so that the armature is not affected by the the spring stored energy is catapulted away from the pole face.
Ferner ist aus der US 4 794 890 eine Dämpfungseinrichtung für eine Ventilsteuerung bekannt, bei der eine hydraulische Dämpfung mit einer elastischen Dämpfung kombiniert ist . Die Ventilsteuerung besitzt zwei Anker, einen oberen Schließanker und einen unteren Öffnungsanker, die zwischen zwei Polflächen eines oberen Schließmagneten und eines unteren Öffnungsmagneten verschiebbar angeordnet sind. Zwischen den Ankern befindet sich ein in einem gehäusefesten Zylinder geführter Hydraulikkolben und jeweils zwischen dem Kolben und dem Anker zwei gegeneinander gerichtete Tellerfedern, die mit dem Anker zur gemeinsamen Bewegung verbunden sind. Bei geschlossener Stellung wird der Schließanker von dem Schließmagneten gehalten. Wird das Gaswechselventil geöffnet, stößt der Schließmagnet den Schließanker ab und der Öffnungsanker wird von dem Öffnungsmagneten angezogen. Kurz bevor der Öffnungsanker auf die Polfläche des Öffnungsmagneten auftrifft wird dieser gedämpft, indem der Kolben auf die Tellerfedern trifft und diese vorspannt und sich der Kolben im Zylinder verschiebt. Beim Schließen des Gaswechselventils läuft der Vorgang entsprechend in die entgegengesetzte Richtung ab. Durch die zwei Anker und die dazwischen angeordneten Tellerfedern und dem Kolben entsteht eine aufwendige Konstruktion mit vielen Einzelteilen und mit einer großen bewegten Masse sowie Bauhöhe .Furthermore, a damping device for a valve control is known from US Pat. No. 4,794,890, in which a hydraulic damping is combined with an elastic damping. The valve control has two anchors, an upper closing anchor and a lower opening anchor, which are between two pole faces an upper closing magnet and a lower opening magnet are slidably arranged. Between the armatures there is a hydraulic piston guided in a cylinder fixed to the housing and between the piston and the armature two diaphragm springs directed towards each other, which are connected to the armature for common movement. In the closed position, the locking armature is held by the locking magnet. If the gas exchange valve is opened, the closing magnet repels the closing anchor and the opening anchor is attracted to the opening magnet. Shortly before the opening armature hits the pole face of the opening magnet, it is damped by the piston hitting and prestressing the disc springs and the piston moving in the cylinder. When the gas exchange valve is closed, the process proceeds accordingly in the opposite direction. The two anchors and the disc springs arranged between them and the piston create a complex construction with many individual parts and with a large moving mass and overall height.
Aus der DE 35 00 530 AI ist eine Vorrichtung zur elektromagnetischen Steuerung von Hubventilen mittels eines Aktuators bekannt, bei dem beidseitig des Ankers angeordnete Schraubenfedern mit ihrem, dem Anker zugeordneten Ende über eine Dämpfungshülse und einen an einem Ventilschaft fest angebrachten Konus am Ventilschaft und damit am Anker abstützen. Die Dämpfungshülse, die als Federteller dient, besteht aus einem in radialer Richtung elastisch federnden Material und liegt mit einer konischen Mantelfläche, deren Konuswinkel nahe am Selbsthe mungs inkel gewählt ist, an einer entsprechenden Mantelfläche des am Ventilschaft angebrachten Konus an. Durch diese Maßnahme wird der Aufprall der Ventile und Ankermassen kurz vor Erreichen der Endlage gedämpft, wobei die Bewegungsenergie in einen weitgehend unelastischen Stoß umgewandelt wird, so daß der Anker nicht oder nur geringfügig prellt. Die auf Reib- und Klemmkräfte beruhende Dämpfungswirkung ist nur schwer einzustellen und wegen des Verschleißes über die Lebensdauer konstant zu halten, zumal die Bauteile weitere Funktionen übernehmen, nämlich als Federteller für die Aktuatorfedern zu dienen.From DE 35 00 530 AI a device for electromagnetic control of globe valves by means of an actuator is known in which the coil springs arranged on both sides of the armature with their end assigned to the armature via a damping sleeve and a cone fixedly attached to a valve stem on the valve stem and thus on Support anchor. The damping sleeve, which serves as a spring plate, consists of a material that is elastically resilient in the radial direction and lies with a conical lateral surface, the cone angle of which is chosen close to the self-regulating angle, on a corresponding lateral surface of the cone attached to the valve stem. This measure dampens the impact of the valves and armature masses shortly before reaching the end position, the kinetic energy being converted into a largely inelastic impact, so that the armature does not bounce or only bounces slightly. The damping effect based on friction and clamping forces is difficult to adjust and due to wear To keep constant over the service life, especially since the components perform additional functions, namely to serve as spring plates for the actuator springs.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, mit möglichst wenig zusätzlichen Bauteilen die Überschußenergie des Ankers und des Ventils auf einem kurzen Weg vor der Polfläche des Magneten abzubauen, ohne daß die Haltekräfte wesentlich erhöht werden müssen.The object of the invention is to reduce the excess energy of the armature and the valve in a short way in front of the pole face of the magnet with as few additional components as possible, without the holding forces having to be increased significantly.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst, während vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen werden können.The object is achieved according to the invention by the features of claim 1, while advantageous refinements and developments of the invention can be found in the subclaims.
Mit einem separaten Dämpfungselement, d.h. mit einem eigenen hierfür vorgesehenen Bauteil mit einem Dämpfungskolben und einem Zylinder, die zueinander durch ein nichtgasförmiges Medium gedämpft verschiebbar sind, können genau bestimmte Gegenkräfte geschaffen werden, um den Anker kurz vor einer Polfläche eines Magneten zu bremsen, ohne daß der Anker und das Gaswechselventil zwischen den Magneten in ihrer Bewegung behindert werden. Wird der Dämpfungskolben oder der Zylinder gegen ein nichtgasförmiges Material verschoben, kann auf einer kurzen Strecke eine hohe Gegenkraft erzeugt werden. Dabei kann vorübergehend ein Teil der Überschußenergie elastisch aufgenommen werden, bevor sie in dem Dämpfungsele- ment abgebaut wird. Gasförmige Medien sind deshalb ausgenommen, da eine große Volumenänderung für einen ausreichend hohen Gegendruck und damit eine große Strecke erforderlich ist. Bei geschlossenen, unter Druck stehenden Systemen mit Gas kann zwar ein hoher Gegendruck auf kurzen Strecken erreicht werden, jedoch wird ein großer Anteil der Bewegungsenergie in Spannenergie umgewandelt, wodurch eine erhöhte Haltekraft von dem Magneten aufzubringen ist, damit der Anker nicht von der Polfläche wieder weg katapultiert wird. Aus dem Dämpfungεelement austretendes Dämpfungsmaterial kann die Funktion einzelner Bauteile behindern, beispielsweise bei Öl können die Polflächen der Magnete und die Anlaufflächen des Ankers verölen, wodurch sich der Anker schlechter von den Polflächen ablöst. In einer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, daß das Dämpfungselement in sich ein geschlossenes System bildet, d.h. das Dämpfungsmaterial ist nach außen dicht verschlossen.With a separate damping element, i.e. with its own component provided with a damping piston and a cylinder, which can be displaced relative to each other by a non-gaseous medium, precisely defined counterforces can be created to brake the armature shortly before a pole face of a magnet without the armature and the gas exchange valve between the magnets are prevented from moving. If the damping piston or the cylinder is moved against a non-gaseous material, a high counterforce can be generated over a short distance. Part of the excess energy can be absorbed temporarily before it is broken down in the damping element. Gaseous media are excluded because a large volume change is required for a sufficiently high back pressure and thus a large distance. In closed, pressurized systems with gas, a high back pressure can be achieved over short distances, but a large proportion of the kinetic energy is converted into clamping energy, which means that the magnet must apply an increased holding force so that the armature does not move away from the pole face is catapulted. Damping material emerging from the damping element can hinder the function of individual components, for example in the case of oil, the pole faces of the magnets and the contact faces of the armature can become oiled, as a result of which the armature detaches more poorly from the pole faces. In one embodiment of the invention it is proposed that the damping element form a closed system in itself, ie the damping material is tightly sealed to the outside.
Wird als Dämpfungsmaterial Öl verwendet, kann dies durch Dichtungen erreicht werden.If oil is used as the damping material, this can be achieved with seals.
Besonders vorteilhaft ist es jedoch anstatt Öl plastisch verformbare Materialien zu verwenden, die mit einem geringen Aufwand sicher nach außen abgedichtet werden können. Dies wird bei einer Ausgestaltung der Erfindung erreicht, indem der Dämpfungskolben über eine Passung im Zylinder verschiebbar geführt ist.However, it is particularly advantageous to use plastically deformable materials instead of oil, which can be securely sealed to the outside with little effort. In one embodiment of the invention, this is achieved in that the damping piston is displaceably guided in the cylinder via a fit.
Der Anker sollte von einer hohen Geschwindigkeit durch eine große Gegenkraft auf eine geringe Geschwindigkeit vor der Polfläche abgebremst und unmittelbar vor der Polfläche bei der geringen Geschwindigkeit nahezu ohne Gegenkraft durch den Magneten an die Polfläche angezogen werden können. Nachdem Ablösen der Anlauffläche des Ankers von der Polfläche sollte sich der Dämpfer möglichst schnell in seine Ausgangsstellung zurückstellen .The armature should be decelerated from a high speed by a large counterforce to a low speed in front of the pole face and should be able to be attracted to the pole face at the low speed with almost no counterforce by the magnet, directly at the low speed. After detaching the contact surface of the armature from the pole surface, the damper should return to its starting position as quickly as possible.
Ist das Dämpfungsmazerial Öl, kann dies mit einer Drossel - stelle in die eine Richtung und mit einem Rückschlagventil mit einem großen Durchströmungsquerschnitt in die andere Richtung erreicht werden.If the damping material is oil, this can be achieved with a throttle in one direction and with a check valve with a large flow area in the other direction.
Öl ist jedoch insbesondere bei höheren Temperaturen schwieriger abzudichten. Um ein entsprechend den Anforderungen beschriebenes Dämpfungselement zu erhalten, das mit geringem Aufwand sicher dicht nach außen verschlossen ist, wird in einer Ausgestaltung der Erfindung vorgeschlagen, ein zähflüssiges bzw. pastδses Material als Dämpfungε aterial zu verwenden, dessen Scherspannung mit der Verformungsgeschwindigkeit stark zunimmt .However, oil is more difficult to seal, especially at higher temperatures. In order to obtain a damping element described in accordance with the requirements, which is securely sealed to the outside with little effort, in In one embodiment of the invention it is proposed to use a viscous or pasty material as damping material, the shear stress of which increases sharply with the rate of deformation.
Derartige Eigenschaften können insbesondere bei Kunststof- felastomeren gezielt geschaffen werden, wodurch diese Stoffe besonders für diesen Einsatz geeignet sind. Solche Stoffe sind dem Fachmann unter der Bezeichnung „bouncing putty" bekannt und beruhen vorzugsweise auf siliziumorganischen Polymeren.Such properties can be created specifically in the case of plastic elastomers, as a result of which these materials are particularly suitable for this use. Such substances are known to the person skilled in the art under the name "bouncing putty" and are preferably based on organosilicon polymers.
Weitere Einzelheiten der Erfindung sowie die daraus resultierenden Vorteile sind der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen zu entnehmen.Further details of the invention and the advantages resulting therefrom can be found in the following description of exemplary embodiments.
In der Beschreibung und in den Ansprüchen sind zahlreiche Merkmale im Zusammenhang dargestellt und beschrieben. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu weiteren sinnvollen Kombinationen zusammenfassen.Numerous features are shown and described in connection in the description and in the claims. The person skilled in the art will expediently also consider the features individually and combine them into further useful combinations.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 einen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils mit einem eingebauten Dämpfungselement, Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt des Dämpfungselements aus Fig. 1 und Fig. 3 eine Variante zu Fig. 2.1 shows an actuator for actuating a gas exchange valve with a built-in damping element, FIG. 2 shows an enlarged section of the damping element from FIG. 1, and FIG. 3 shows a variant of FIG. 2.
Fig. 1 zeigt eine Vorrichtung zum Betätigen eines Gaswechselventils 1 mit einem Aktuator 2 , der einen Öffnungsmagneten 3 und einen Schließmagneten 4 aufweist. Zwischen Polflächen 5, 6 der Magnete 3, 4 ist ein Anker 7 axial verschiebbar angeordnet, der wechselweise mit seinen Anlaufflächen 8, 9 auf die Polflächen auftrifft und von den Magneten 3 , 4 in zwei getrennten Schaltpositionen gehalten wird. Der Anker 7 ist auf einem Ankerstößel 22 befestigt oder mit diesem einstückig ausgeführt, mit dem er auf einen Ventil- schaft 23 des Gaswechselventils 1 wirkt. Ferner besitzt der Aktuator 2 ein Federsystem 24 unterhalb des Öffnungsmagneten 3 mit einer unteren, in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder 25 und mit einer oberen, in Öffnungsrichtung wirkenden Ventilfeder 26. Die untere Ventilfeder 25 stützt sich in Richtung Gaswechselventil 1 an dem Bauteil 27 und in die vom Gaswechselventil 1 abgewandte Richtung an einem auf dem Ventilschaft 23 befestigten Federteller 28 ab. Die obere Ventilfeder 26 stützt sich in Richtung Gaswechselventil 1 an einem auf dem Ankerstößel 22 befestigten Federteller 29 und in die vom Gaswechselventil 1 abgewandte Richtung an dem Öffnungsmagneten 3 ab. Die Ventilfedern 25, 26 sind soweit vorgespannt, daß sich bei unbestro ten Schaltmagneten 3, 4 der Anker 7 in eine annähernd mittlere Position zwischen den Schaltmagneten 3, 4 einstellt und unmittelbar vor der Schließstellung des Gaswechselventils 1 eine Restschließkraft der unteren Ventilfeder 25 und unmittelbar vor der Öffnungs- stellung eine Restvorspannungskraft der oberen Ventilfeder 26 vorhanden ist.1 shows a device for actuating a gas exchange valve 1 with an actuator 2, which has an opening magnet 3 and a closing magnet 4. An armature 7 is arranged axially displaceably between pole faces 5, 6 of the magnets 3, 4. The armature 7 alternately strikes the pole faces with its contact surfaces 8, 9 and is held by the magnets 3, 4 in two separate switching positions. The armature 7 is fastened on an armature tappet 22 or embodied in one piece with it, with which it acts on a valve stem 23 of the gas exchange valve 1. Furthermore, the actuator 2 has a spring system 24 below the opening magnet 3 with a lower valve spring 25 acting in the closing direction and with an upper valve spring 26 acting in the opening direction. The lower valve spring 25 is supported in the direction of the gas exchange valve 1 on the component 27 and in the Gas exchange valve 1 facing away from a spring plate 28 attached to the valve stem 23. The upper valve spring 26 is supported in the direction of the gas exchange valve 1 on a spring plate 29 fastened on the armature tappet 22 and in the direction remote from the gas exchange valve 1 on the opening magnet 3. The valve springs 25, 26 are preloaded to the extent that the armature 7 adjusts to an approximately middle position between the switching magnets 3, 4 when the solenoids 3, 4 are undisturbed and immediately before the closed position of the gas exchange valve 1 a residual closing force of the lower valve spring 25 and immediately before a residual prestressing force of the upper valve spring 26 is present in the open position.
Wird der Aktuator 2 gestartet, wird entweder der Schließmagnet 4 oder der Öffnungsmagnet 3 übererregt oder der Anker 7 mit einer Schwingungsroutine mit seiner Resonanzfrequenz angeregt, um ihn zu einer Polfläche 5, 6 zu bewegen und dort zu halten. In geschlossener Stellung des Gaswechselventils 1 liegt der Anker 7 mit seiner ersten Anlauffläche 9 an der Polfläche 6 des bestromten Schließmagneten 4 an und wird von diesem gehalten. Der Schließmagnet 4 spannt die in Öffnungsrichtung wirkende obere Ventilfeder 26 vor. Um das Gaswechselventil 1 zu öffnen, wird der Schließmagnet 4 ausgeschaltet und der Öffnungsmagnet 3 eingeschaltet. Die in Öffnungsrichtung wirkende Ventilfeder 26 beschleunigt den Anker 7 über die Gleichgewichtslage hinaus, so daß dieser von dem Öffnungsmagneten 3 angezogen wird. Der Anker 7 trifft mit seiner zweiten Anlauffläche 8 auf die Polfläche 5 des Öffnungsmagne- If the actuator 2 is started, either the closing magnet 4 or the opening magnet 3 is overexcited or the armature 7 is excited with its resonance frequency using an oscillation routine in order to move it to a pole face 5, 6 and hold it there. In the closed position of the gas exchange valve 1, the armature 7 rests with its first contact surface 9 against the pole surface 6 of the energized closing magnet 4 and is held by it. The closing magnet 4 biases the upper valve spring 26 acting in the opening direction. In order to open the gas exchange valve 1, the closing magnet 4 is switched off and the opening magnet 3 is switched on. The valve spring 26 acting in the opening direction accelerates the armature 7 beyond the equilibrium position, so that it is attracted by the opening magnet 3. The armature 7 meets with its second contact surface 8 on the pole surface 5 of the opening magnet
nur unmittelbar bevor der Anker 7 auf die Polfläche des Schließmagneten 4 bzw. der Ventilteller 30 auf den Ventil - sitzring 31 trifft und behindert nicht die Bewegung des Ankers 7 in Richtung Öffnungsmagnet 3, wodurch nur ein Anker 7 erforderlich ist.only immediately before the armature 7 hits the pole face of the closing magnet 4 or the valve plate 30 on the valve seat ring 31 and does not hinder the movement of the armature 7 in the direction of the opening magnet 3, whereby only one armature 7 is required.
Durch die mittige Anordnung wird nur eine kleine Fläche für das Dämpfungselement 10 in der Polfläche 6 benötigt. Bei gleicher Baugrδße verkleinert sich die Polfläche 6 nur unwesentlich. Ferner ist in der Mitte der Einfluß auf das Magnetfeld sehr gering. Möglich ist jedoch auch, ein oder mehrere ringförmige Dämpfungselemente in den Polflächen 5, 6 oder ein oder mehrere Dämpfungselemente auf dem Umfang der Polflächen 5, 6 anzuordnen, was sich insbesondere für den Öffnungsmagneten 3 anbietet, bei dem eine mittige Anordnung durch den Ankerstößel 22 möglicherweise eine aufwendigere Konstruktion des Dämpfungseiements zur Folge haben könnte.Due to the central arrangement, only a small area is required for the damping element 10 in the pole face 6. With the same size, the pole face 6 is reduced only insignificantly. Furthermore, the influence on the magnetic field is very small in the middle. However, it is also possible to arrange one or more annular damping elements in the pole faces 5, 6 or one or more damping elements on the circumference of the pole faces 5, 6, which is particularly suitable for the opening magnet 3, in which a central arrangement by the armature plunger 22 may be possible could result in a more complex construction of the damping element.
Das Dämpfungselement 10 besteht aus einem Dämpfungskolben 11, der gegen ein Dämpfungsmaterial 13 verschiebbar in einem Zylinder 12 gelagert ist (Fig. 2 u. 3) , wobei auch möglich ist, daß der Zylinder verschiebbar und der Kolben fest gelagert ist. Der Dämpfungskolben 11 ragt aus der Polfläche 6 des Schließmagneten 4 in Richtung Anlauffläche 9 des Ankers 7, und wirkt direkt auf den Anker 7. Zusätzliche Bauteile und bewegte Massen werden eingespart, wie beispielsweise am Anker 7 angebrachte Stößel, über die das Dämpfungselement 10 auf den Anker 7 wirkt .The damping element 10 consists of a damping piston 11 which is displaceably mounted in a cylinder 12 against a damping material 13 (FIGS. 2 and 3), it also being possible for the cylinder to be displaceable and the piston to be fixed. The damping piston 11 protrudes from the pole face 6 of the closing magnet 4 in the direction of the contact face 9 of the armature 7, and acts directly on the armature 7. Additional components and moving masses are saved, for example plunger attached to the armature 7, via which the damping element 10 acts on the armature 7 Anchor 7 acts.
Vorzugsweise ragt der Dämpfungskolben 11 soweit aus der Polfläche 6, daß die Geschwindigkeit des Ankers 7 auf einem möglichst kurzen Weg bis zur Polfläche 6 auf nahezu Null abgebremst werden kann.The damping piston 11 preferably protrudes from the pole face 6 to such an extent that the speed of the armature 7 can be braked to almost zero in the shortest possible way to the pole face 6.
Um von Beginn an nicht exakt bestimmbare oder sich über der Zeit verändernde Größen, wie beispielsweise Fertigungstoleranzen einzelner Bauteile, Wärmedehnung unterschiedlicher Materialien usw. berücksichtigen und das Dämpfungselement 10 exakt einstellen zu können, ist das Dämpfungselement 10 im Schließmagneten 4 in Bewegungsrichtung 19 verschiebbar gelagert. Dies kann über eine Vielzahl verschiedener, dem Fachmann geläufiger Verstellmechanismen erreicht werden, wie beispielsweise über Klemmechanismen, Verstellschrauben usw.. Im Ausführungsbeispiel ist der Zylinder 12 über ein Außengewinde 20 in einem Innengewinde 21 in der Ausnehmung 14 verstellbar gelagert. Die Ausnehmung 14 erstreckt sich in Bewegungεrichtung 19 des Dämpfungskolbens 11 durch den gesamten Schließmagneten 4, von der Polfläche 6 bis zu der dem Gaswechselventil 1 abgewandten Seite des Schließmagneten 4. Ferner erstreckt sich das Innengewinde 21 über die gesamte Ausnehmung 14, wodurch das Dämpfungselement 10 von der dem Gaswechselventil 1 abgewandten Seite des Schließmagneten 4 einstellbar, montierbar und bei Bedarf demontierbar und auswechselbar ist. Nachdem das Dämpfungselement 10 exakt eingestellt ist, wird es mit einer nicht näher dargestellten Arretiervorrichtung fixiert, wie beispielsweise mit einer Kontermutter, einer Feststellschraube oder einem sonstigen dem Fachmann geläufigen Mechanismus.In order to take into account variables that cannot be determined exactly from the beginning or change over time, such as manufacturing tolerances of individual components, thermal expansion of different materials, etc., and the damping element 10 To be able to set exactly, the damping element 10 is mounted in the closing magnet 4 in the direction of movement 19. This can be achieved via a large number of different adjustment mechanisms familiar to the person skilled in the art, such as, for example, via clamping mechanisms, adjustment screws, etc. In the exemplary embodiment, the cylinder 12 is adjustably mounted in the recess 14 via an external thread 20 in an internal thread 21. The recess 14 extends in the direction of movement 19 of the damping piston 11 through the entire closing magnet 4, from the pole face 6 to the side of the closing magnet 4 facing away from the gas exchange valve 1. Furthermore, the internal thread 21 extends over the entire recess 14, whereby the damping element 10 of the side of the closing magnet 4 facing away from the gas exchange valve 1 is adjustable, mountable and, if necessary, removable and replaceable. After the damping element 10 is set exactly, it is fixed with a locking device, not shown, such as a lock nut, a locking screw or any other mechanism familiar to the person skilled in the art.
Erfindungsgemäß wird ein nichtgasförmiges, vorzugsweise plastisch verformbares Dämpfungsmaterial 13 verwendet, gegen das der Dämpfungskolben 11 verschoben wird.According to the invention, a non-gaseous, preferably plastically deformable damping material 13 is used, against which the damping piston 11 is displaced.
Die Anforderungen an das Material 13 ergeben sich aus der Aufgabe des Dämpfungselements 10, bei einer großen Geschwindigkeit des Ankers 7 eine große Gegenkraft zu erzeugen, um den Anker 7 auf einem kurzen Weg abzubremsen und bei einer kleinen Geschwindigkeit des Ankers 7, unmittelbar vor der Polfläche 6 möglichst eine kleine Gegenkraft zu erzeugen, daß der Anker 7 durch den Schließmagneten 4 leicht an die Polfläche 6 angezogen werden kann.The requirements for the material 13 result from the task of the damping element 10 to generate a large counterforce at a high speed of the armature 7 in order to brake the armature 7 in a short way and at a low speed of the armature 7 directly in front of the pole face 6 generate as small a counterforce as possible that the armature 7 can be easily attracted to the pole face 6 by the closing magnet 4.
Liegt der Anker 7 a der Polfläche 6 an, sollte das Dämpfungselement 10 mit einer möglichst kleinen Kraft auf den Anker wirken, damit die Haltekraft des Schließmagneten 4 nicht wesentlich erhöht werden muß.If the armature 7 a bears against the pole face 6, the damping element 10 should exert as little force as possible on the armature act so that the holding force of the closing magnet 4 does not have to be increased significantly.
Löst sich der Anker 7 von der Polfläche 6 ab, sollte sich das Dämpfungselement 10 schnell in seine Ausgangsstellung vor dem Dämpfungsvorgang zurückstellen.If the armature 7 detaches from the pole face 6, the damping element 10 should quickly return to its starting position before the damping process.
Ferner sollte das Dämpfungselement 10 ein nach außen geschlossenes System darstellen, wodurch keine austretenden Stoffe die restlichen Funktionen der Vorrichtung behindern.Furthermore, the damping element 10 should represent a system which is closed to the outside, as a result of which no escaping substances impede the remaining functions of the device.
Die großen Gegenkräfte bei hohen und die kleinen Gegenkräfte bei kleinen Geschwindigkeiten des Ankers 7 werden vorzugsweise durch zähflüssige bzw. pastöse Materialien 13 erreicht, deren Scherspannung mit der Verformungsgeschwindigkeit stark zunimmt. Derartige Eigenschaften können gezielt bei Kunststoffelastomeren und insbesondere bei Elastomeren auf einer siliziumorganischen Basis geschaffen werden.The large opposing forces at high and the small opposing forces at low speeds of the armature 7 are preferably achieved by viscous or pasty materials 13, the shear stress of which increases sharply with the rate of deformation. Such properties can be created specifically in the case of plastic elastomers and in particular in the case of elastomers based on an organosilicon.
Die zähflüssigen Materialien 13 können zudem leicht nach außen abgedichtet werden. In den dargestellten Ausführungε- beispielen ist der Dämpfungskolben 11 über ein Passung im Zylinder 12 verschiebbar gelagert, das bei entsprechend zähflüssigen Materialien 13 als Dichtung ausreicht. Zusätzliche Dichtungen können gespart werden.The viscous materials 13 can also be easily sealed to the outside. In the exemplary embodiments shown, the damping piston 11 is displaceably mounted via a fit in the cylinder 12, which is sufficient as a seal for correspondingly viscous materials 13. Additional seals can be saved.
Damit der Dämpfungskolben 11 gegen das Material 13 verschiebbar ist und nicht klemmt, muß entweder das Material 13 kompreεsibel oder es muß ein Raum vorhanden sein, in den das Material 13 verdrängt werden kann. In dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein entsprechender Raum vorgesehen (Fig. 2 u. 3) . Ein Dämpfungselement 10 mit kompreεεiblem Material und ohne diesen Raum wäre jedoch ebenfalls möglich.So that the damping piston 11 is displaceable against the material 13 and does not jam, either the material 13 must be compressible or there must be a space in which the material 13 can be displaced. A corresponding space is provided in the exemplary embodiment shown (FIGS. 2 and 3). A damping element 10 with compact material and without this space would, however, also be possible.
Im Auεführungεbeiεpiel nach Fig. 3 wird der Raum durch eine Ausnehmung 16 auf der dem Anker 7 abgewandten Seite des Dämpfungskolbenε 11 gebildet. In der vorzugεweise zylindri- εchen Auεnehmung 16 befindet sich eine Feder 15, die sich über einen in der Ausnehmung 16 geführten Kolben 17 gegen das Material 13 abstützt. Lenkt der Anker 7 den Dämpfungskolben 11 aus, wird das Material 13 in die Ausnehmung 16 verdrängt und schiebt dabei den Kolben 17 gegen die Feder 15 in die Ausnehmung 16. Bei der noch anfangs hohen Geschwindigkeit deε Dämpfungskolbens 11 wirken hohe ScherSpannungen im Material 13, wodurch der Dämpfungskolben 11 eine hohe Gegenkraft gegen die Bewegungεrichtung deε Ankerε 7 aufbaut . Unmittelbar vor der Polfläche 6 iεt der Anker 7 auf eine geringe Geschwindig- keit abgebremεt, εo daß nahezu nur noch die Federkraft von dem Schließmagneten 4 überwunden werden muß, um den Anker 7 vollεtändig an die Polfläche 6 anzuziehen.In the embodiment according to FIG. 3, the space is formed by a recess 16 on the side of the damping piston 11 facing away from the armature 7. Preferably cylindrical There is a spring 15 which is supported against the material 13 by a piston 17 guided in the recess 16. If the armature 7 deflects the damping piston 11, the material 13 is displaced into the recess 16 and thereby pushes the piston 17 against the spring 15 into the recess 16. At the initially high speed of the damping piston 11, high shear stresses act in the material 13, thereby the damping piston 11 builds up a high counterforce against the direction of movement of the armature 7. Immediately in front of the pole face 6, the armature 7 is braked to a low speed, so that almost only the spring force has to be overcome by the closing magnet 4 in order to fully attract the armature 7 to the pole face 6.
Nachdem εich der Anker 7 wieder von der Polfläche 6 des Schließmagneten 4 ablöst, verschiebt die Feder 15 den Dämpfungskolben 11 in die Ausgangslage zurück. Die Ausgangslage iεt durch einen Anschlag 32 im Zylinder 12 bestimmt, gegen den der Dämpfungskolben 11 mit einer Stufe 33 läuft. Auf eine Feder 15 kann verzichtet werden, wenn Materialien eingeεetzt werden, die eine der Feder 15 entεprechende Elaεtizität beεitzen, d.h. keine zu große Gegenkraft erzeugen, wenn der Anker 7 an der Polflache 6 anliegt und dennoch eine auεrei- chende Kraft erzeugen, um den Dämpfungεkolben 11 in εeine Auεgangεlage zurückzustellen, sobald der Anker 7 sich wieder von der Polfläche 6 löst.After the armature 7 detaches itself from the pole face 6 of the closing magnet 4, the spring 15 moves the damping piston 11 back into the starting position. The starting position is determined by a stop 32 in the cylinder 12, against which the damping piston 11 runs with a step 33. A spring 15 can be dispensed with if materials are used which have an elasticity corresponding to the spring 15, i.e. do not generate a too large counterforce when the armature 7 bears against the pole face 6 and nevertheless generate a sufficient force to return the damping piston 11 to its initial position as soon as the armature 7 detaches itself from the pole face 6.
Der Raum, in den das Material 13 ausweichen kann, könnte auch anstatt im Dämpfungskolben 11 im Zylinder 12 angeordnet sein. Ferner könnte der Raum und die Feder kombiniert εein, indem daε Material gegen ein Membran verεchoben wird.The space into which the material 13 can escape could also be arranged in the cylinder 12 instead of in the damping piston 11. Furthermore, the space and the spring could be combined by pushing the material against a membrane.
In Fig. 2 iεt eine Auεführung des erfindungsgemäßen Dämpfung- selementε 10 ohne Kolben 17 dargestellt. Das Material 13 umgibt die Feder 15 und füllt bis auf kleine, nicht näher dargestellte Freiräume durch Vorstreckung des Materials 13 den zwischen dem Dämpfungskolben 11 und dem Zylinder 12 eingeschlossenen Raum vollständig aus. Wird der Dämpfungskol- ben 11 durch den Anker 7 ausgelenkt, entsteht inεbesondere ein Dämpfungεeffekt, indem die Feder 15 sich in dem Material 13 verschiebt, dieseε mitnimmt und gemeinεam mit dem Dämp- fungεkolben 11 in die Freiräume verdrängt .2 shows an embodiment of the damping element 10 according to the invention without a piston 17. The material 13 surrounds the spring 15 and fills the space between the damping piston 11 and the cylinder 12 except for small spaces (not shown) by pre-stretching the material 13 enclosed space completely. If the damping piston 11 is deflected by the armature 7, a damping effect arises in particular by the spring 15 shifting in the material 13, taking it along and displacing it together with the damping piston 11 into the free spaces.
Neben dem eingeεchloεεenen Dämpfungεmaterial 13 zwiεchen dem Dämpfungskolben 11 und dem Zylinder 12, wird ein Teil der kinetischen Energie des Ankerε 7 durch eine Dämpfungεplatte 18 absorbiert, die an der zum Anker 7 weiεenden Stirnseite des Dämpfungεkolbens 11 befeεtigt iεt. Alε Material für die Dämpfungεplatte 18 eignet εich besonders ein schlagabεorbie- render Kunststoff, wobei auch andere, dem Fachmann für einen derartigen Zweck geeignet erscheinenden Materialien in Frage kommen . In addition to the enclosed damping material 13 between the damping piston 11 and the cylinder 12, part of the kinetic energy of the armature 7 is absorbed by a damping plate 18 which is attached to the end face of the damping piston 11 facing the armature 7. A shock-absorbing plastic is particularly suitable as the material for the damping plate 18, although other materials that appear suitable to a person skilled in the art for such a purpose can also be used.

Claims

Patentansprüche claims
1. Vorrichtung zur Betätigung eineε Gaswechselventils mit einem Aktuator, der einen Öffnungsmagneten und einen Schließmagneten hat, zwischen deren Polflächen ein Anker axial verεchiebbar angeordnet iεt und wechεelweiεe mit Anlaufflächen auf die Polflächen der Magnete auftrifft und von einer Dämpfungεeinrichtung zumindeεt vor einer Polfläche abgebremεt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungεeinrichtung durch ein εeparates Dämpfungselement (10) mit einem Dämp- fungskolben (11) und einem Zylinder (12) gebildet ist, zwischen denen sich ein fließfähigeε oder plaεtiεch verformbares , nicht gasförmiges Dämpfungsmaterial (13) befindet und die zueinander durch das Dämpfungsmaterial (13) gedämpft verschiebbar εind.1. Device for actuating a gas exchange valve with an actuator which has an opening magnet and a closing magnet, between the pole faces of which an armature is arranged to be axially displaceable and which alternately strikes the pole faces of the magnets with contact surfaces and is braked by a damping device at least in front of a pole face characterized in that the damping device is formed by a separate damping element (10) with a damping piston (11) and a cylinder (12), between which there is a flowable or plastically deformable, non-gaseous damping material (13) and which are mutually separated by the Damping material (13) is displaceable when damped.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) ein in εich geεchloεseneε Syεtem ist .2. Device according to claim 1, characterized in that the damping element (10) is a εich geεchloεseneε system.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) gegen ein zähflüssiges Material (13) verschiebbar ist, desεen Scherεpannung mit der Verformungsgeschwindigkeit stark zunimmt .3. Apparatus according to claim 1, characterized in that the damping piston (11) against a viscous material (13) is displaceable, whose shear stress increases sharply with the rate of deformation.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Material (13) ein Kunststoffelastomer ist. 4. The device according to claim 3, characterized in that the material (13) is a plastic elastomer.
5. Vorrichtung nach einem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungεkolben5. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping piston
(11) mit einer Paεsung im Zylinder (12) geführt iεt.(11) with a fit in the cylinder (12).
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) im Schließmagneten (4) und/oder im Öffnungsmagneten (3) befestigt iεt.6. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping element (10) iεt in the closing magnet (4) and / or in the opening magnet (3) attached.
7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) deε Dämpfungεelementε (10) mittig im Schließmagneten (4) in einer Ausnehmung (14) befestigt ist.7. The device according to claim 6, characterized in that the cylinder (12) deε damping element (10) in the middle of the closing magnet (4) is fixed in a recess (14).
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungεkolben (11) auε der Polfläche (5, 6) des Magneten (3, 4) heraus in Richtung Anlauffläche (8, 9) deε Ankerε (7) ragt und direkt auf die Anlauffläche (8, 9) deε Ankerε (7) wirkt.8. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping piston (11) protrudes from the pole face (5, 6) of the magnet (3, 4) in the direction of the contact face (8, 9) of the armature (7) and directly acts on the contact surface (8, 9) of the anchor (7).
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Feder (15) den Dämpfungskolben (11) in seine Ausgangεstellung vor dem Dämpfungsvorgang zurückstellt .9. Device according to one of the preceding claims, characterized in that a spring (15) resets the damping piston (11) in its initial position before the damping process.
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Dämpfungskolben (11) und dem Zylinder (12) ein Raum (16) vorhanden ist, in den das Material (13) verdrängbar ist.10. Device according to one of the preceding claims, characterized in that between the damping piston (11) and the cylinder (12) there is a space (16) in which the material (13) can be displaced.
11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungskolben (11) auf der dem Anker (7) abweisenden Seite eine Ausnehmung (16) aufweist .11. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping piston (11) has a recess (16) on the side facing away from the armature (7).
12. Vorrichtung nach Anspruch 9 und 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (15) zumindest teilweise in der Ausnehmung12. The apparatus of claim 9 and 11, characterized in that the spring (15) at least partially in the recess
(16) angeordnet iεt. (16) is arranged.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Feder (15) in der Ausnehmung (16) angeordnet iεt und εich über einen in der Auεnehmung (16) geführten Kolben (17) an dem Material (13) abstützt.13. The apparatus according to claim 12, characterized in that the spring (15) is arranged in the recess (16) and εich is supported on the material (13) by a piston (17) guided in the recess (16).
14. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Anεprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Dämpfungεkolben (11) an seiner zum Anker (7) weisenden Stirnseite eine Dämpfungsplatte (18) hat.14. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping piston (11) has a damping plate (18) on its end facing the armature (7).
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Dämpfungsplatte (18) aus schlagabsorbierendem Kunststoff ist .15. The apparatus according to claim 14, characterized in that the damping plate (18) is made of impact-absorbing plastic.
16. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Dämpfungselement (10) im Magneten (3, 4) in Bewegungsrichtung (19) des Dämpfungskolbens (11) verstellbar ist.16. Device according to one of the preceding claims, characterized in that the damping element (10) in the magnet (3, 4) in the direction of movement (19) of the damping piston (11) is adjustable.
17. Vorrichtung nach Anεpruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) über ein Gewinde (20, 21) im Magneten (3,17. The apparatus according to claim 16, characterized in that the cylinder (12) has a thread (20, 21) in the magnet (3,
4) verεtellbar ist.4) is adjustable.
18. Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß der Zylinder (12) mit einem Außengewinde (20) in einem Innengewinde (21) in der Ausnehmung (14) befestigt ist.18. The apparatus according to claim 17, characterized in that the cylinder (12) with an external thread (20) in an internal thread (21) is fixed in the recess (14).
19. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß daε Dämpfungselement (10) von der dem Gaswechselventil (1) abgewandten Seite des Schließmagneten (4) montierbar, demontierbar und/oder verstellbar ist. 19. Device according to one of the preceding claims, characterized in that daε damping element (10) from the gas exchange valve (1) facing away from the closing magnet (4) can be assembled, disassembled and / or adjusted.
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