Elektromagnetischer Aktuator
Die Erfindung betrifft einen elektromagnetischen Aktuator mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Hydraulische Ventilspielausgleichselemente sind bekannt. Sie werden zur Eliminierung von Ventilverschleiß und Lan- genanderungen durch Temperatureinflusse benotigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, für die Aktua- toranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1, einen vorteilhaften hydraulischen Ventilspielausgleich zu schaffen.
Diese Aufgabe wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelost .
Die ünteranspruche beinhalten Weiterbildungen und Ausgestaltungen des Grundgedankens .
Beim Stand der Technik gemäß EP 0814238A1 und DE 19728479A1 ist für andere Ausbildungen des Aktuators ein Spielausgleichselement zwischen dem Ankerstoßel und dem Ventilschaft angeordnet und verschiebbar gelagert und die Druckmittelzufuhr erfolgt über einen Ringspalt. Dadurch entstehen zusätzliche Leckolverluste und es tritt viskose Reibung, insbesondere bei tiefen Temperaturen auf. Das Ausgleichelement ist hier lose zwischen Ankerstoßel und Ventilschaft zwischengeschaltet.
Aus der DE 19748162A1 ist ein hydraulischer Spielaus- gleich für ein Nockenwellenantrieb von Ventilen bekannt. Hier ist das Spielausgleichselement in einem auf die Ven- tilschafte einwirkenden Schwenkhebel untergebracht und die Druckzufuhr erfolgt durch den Schwenkhebel hindurch. Der Schwenkhebel ist auf einer feststehenden Welle mit einer Bohrung zur Olzufuhrung gelagert.
Problematisch ist beim hydraulischen Spielausgleich generell die Entlüftung des Raums, da das Vorhandensein von Luft eine zusätzliche Elastizität im Ventiltrieb zur Fol- ge hat. Kritisch ist auch d e Einstellung des Rückschlagventils. Dieses erfordert einen niedrigen Offnungsdruck, da der Motor abhangig von Temperatur und Drehzahl einen Öldruck im Bereich 0,5 - 6 bar liefert und dieses Ventil auch bei kleinem Versorgungsdruck ansprechen muß. Ein weiteres Problem entsteht durch die Leckage bei Motor- stillstand. Dies hat zur Folge, daß bei längerem Stillstand die ersten Ventilhube ohne Spielausgleich laufen, was Geräusch und Verschleiß verursacht. Bei elektromagnetischer Ventilsteuerung entsteht ein zusätzliches Pro- blem, indem bei den Aktuatoren die Mittellage sich veran-
dert und ein Anschwingen, insbesondere bei tiefen Temperaturen erschwert ist.
Zur besseren Entlüftung ist bei konventionellen Spielaus- gleichelementen der Stellkolben m einem Ringkolben gela- gert, damit über den Ringkolben die Luft entweichen kann. Dies ist in der DE 19748162A1 dargestellt.
Ein sehr wesentlicher Punkt für einen hydraulischen Ven- tilspielausgleich bei einem elektromagnetischen Ventil- tπeb sind dessen Dichtheit, bzw. Maßnahmen, die verhm- dem, daß Hydraulikflussigkeit, z.B. OL zum Anker gelangt. Die folgende Beschreibung wird verschiedenen Maßnahmen zum Erreichen dieses Ziels aufzeigen.
Die erfmdungsgemaße Losung vermeidet einen zusätzlichen Ringspalt für die Druckmittelzufuhrung mit der damit ver- bundenen Leckage und der damit verbunden viskosen Reibung, indem gemäß einer Losung die Druckzufuhr durch eine flexible Leitung, z. B. ein biegsames Rohrchen erfolgt. Gemäß einer zweiten Losung erfolgt die Zufuhr bei einem um eine Achse geschwenkten Anker durch eine Bohrung im Anker hindurch. Die Druckmittelzufuhrung erfolgt hier über das Ankerrohr und ebenfalls einen Ringspalt. Hier sind jedoch die Gleitgeschwmdigkeiten im Vergleich zur Vent lachse erheblich kleiner.
Vorteilhaft ist bei der erfmdungsgemaßen Losung, daß die Warme des Aktuators gut abgeführt wird, weil der Aktuator direkt auf dem Zylinderkopf sitzt. Die zusätzlich zu bewegende bewegliche Masse durch das Ventilspielausgleich- selement ist bei einem schwenkbaren Anker relativ gering, weil dieses durch einen einfachen Konstruktionsaufbau
sehr leicht gestaltet werden kann und dieses Teil auch zugleich die Ventilbetatigung übernimmt.
Es wird gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ein einfaches hydraulisches Ventilspielausgleichselement ge- schaffen, das einen Stellkolben und eine Kugelaufnahme für das Rückschlagventil in einer Durchgangsbohrung ohne übliches Sackloch aufweist. Normalerweise sind zwei Hülsen, die ineinander gleiten, mit zwei Bohrungen und zugehörigen Paßflachen vorgesehen. Die Entlüftung erfolgt bei der Erfindung über den Ringspalt der Kugelaufnahme. Für das Rückschlagventil wird bei der Erfindung eine Blattfeder an Stelle einer Spiral-Druckfeder verwendet . Die Blattfeder wird nach Einstellung einer gewünschten Vorspannung mit dem Kugelaufnahmekorper verschweißt. Hieraus ergeben sich kleine Toleranzen. Es kann eine Kugel mit relativ großem Kugeldurchmesser verwendet werden. Konventionell ist der Kugeldurchmesser etwa 30% des Kolbendurchmessers; bei der Erfindung ca. 60%. Hierdurch ist ein kleiner Offnungsdruck gewährleistet. Es können zu- satzliche Fullkorper verwendet werden, die den schädlichen Raum verringern, wodurch eine steife Übertragung der Ankerbewegung auf das Ventil erreicht wird. Die Kappe des erfmdungsgemaßen Ventilspielausgleichelements weist einen nach unten fuhrenden Leckolkanal auf. Somit kann das Leckol zur Schmierung der Kraftubertragungsteile zum Ventil und der Ventilfuhrung benutzt werden, was einer Tropfchenschmierung entspricht. Bei einem Schwenkanker erfolgt die Ventilankopplung über ein kalottenfor iges Gleitstück. Dieses kann im Gegensatz zum Stand der Tech- nik (DE 19750806A1) mittels einer Kronenfeder mit dem Ventilschaft verbunden sein.
Alternativ kann auch ein biegsamer Ventilschaft mit ka- lottenformigem Ubertragungselement benutzt werden, um eine geringere Querkraft auf die Ventilfeder zu erzeugen.
Anhand der Zeichnung werden Ausfuhrungsbeispiele der Er- findung naher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 den Aufbau der Aktuatoren auf dem Zylinderkopf schematisch dargestellt;
Fig. 2 ein Detail der Fig. 1;
F g. 3 eine vergrößerte Darstellung des hydraulischen Ventilspielausgleichele- ments ;
F g. 4 alternative Ausgestaltungen des Ven- tilspielausgleichelements der Fig. 3;
Fig. 5 eine weitere Alternative zu den Losungen der Fig. 3 und 4;
Fig. 6 eine Anordnung zur Aufrechterhaltung des im Ventilspielausgleichelement benotigten Drucks einer Druckquelle;
Fig.7 und 8 die Ausbildung der Olzufuhr.
In Fig. 1 ist mit 1 der Zylmderblock eines Motors gezeigt. Auf diesem sitzen in einem Aktuatortrager 2 m zwei nebeneinander liegenden Reihen mehrere Aktuatoren, von denen in der Zeichnung die beiden vorderen Aktuatoren
3 und 4 sichtbar sind. Sie sind in Richtung in die Zeichnungsebene hinein gegeneinander versetzt. Der Aktuator- trager ist durch eine Schraube 2a am Zylinderkopf oder einem Zwischenstuck befestigt. Die Aktuatoren umfassen am Aktuator 3 gezeigt zwei Elektromagnete 3a und 3b und einen um die Achse 3c schwenkbaren Anker 3d, an dessen linken Ende ein Spielausgleichselement 5 angeordnet ist. Mit 6 ist der dem Aktuator 3 zugeordnete Ventilschaft bezeichnet. Von einer Ölbohrung 9 im Zylinderblock 1 fuhrt eine flexible Leitung, z. B. ein biegsames Rohr 8 zum
Spielausgleichselement 5. Dieses Rohr 8 ist um die Drehstabaufnahme 3f und die Ankerlagerung 3f herumgeführt. Die Verbindung von Ölbohrung 7 und Rohr 8 ist durch ein Anschlußstuck 7 mit O-Ring bewerkstelligt.
Fig. 2 zeigt vergrößert teilweise den linken Aktuator 4 der Fig. 1 mit dem Anker 20, der am Ankerrohr 21 befestigt st, das um die Achse 23 schwenkbar ist. Im Innern des Rohrs 21 verlauft eine Drehfeder 24 mit der das Rohr 21 verbunden ist; die Drehfeder erzeugt zumindest zum Teil die Federkräfte, die auf den Anker 20 einwirken.
Teilweise sichtbar und dem Anker 20 gegenüberstehend sind die Pole 25 mit der Wicklung 26 gezeigt. Der innere Aufbau des Ankerrohrs mit der Drehfeder wird spater gezeigt.
An dem Anker 20 ist das Gehäuse 27 eines hydraulischen Ventilspielausgleichelements 28 befestigt, dessen Kolben 28a über eine Kugelkalotte 28b auf den Ventilschaft 29 einwirkt. Dem Ventil zugeordnet ist eine nicht gezeigte Vent lfeder, die eine Federkraft nach oben auf den Ventilschaft 29 ausübt. Das Ventilspielausgleichselement kann m bekannter Weise aufgebaut sein und funktionieren. In der Praxis ist der Anker lamelliert und eine der La-
ellen steht über die anderen vorn hinaus und sie trägt das Spielausgleichselement, bzw. dieses ist in die Ankerlamellen integriert.
Die Fig. 3 zeigt gegenüber dem Stand der Technik ein an- ders aufgebautes Element 31, dessen Gehäuse 31a bei 32 an den Anker 33 angelötet, eingeschrumpft oder angeschweißt ist. Das Gehäuse 31a des Ausgleichelements 31 weist eine durchgehende Bohrung auf, in die eine Kugelaufnahme 31c samt Kugel 31b und ein Stellkolben 31d eingeführt sind. Am unteren Ende weist der Stellkolben 31d eine Kugelkalotte 31e auf, die auf einem Gleitstück 31f aufliegt. Diese Kalotte 31e wirkt auf das Gleitstück 3f ein, welches auf dem Ventilschaft 34 aufliegt und bedingt durch die Schwenkung des Ankerhebels quer darauf gleitet. Ge- halten wird das Gleitstück 31e durch eine Zentrierfeder 36, die mit dem Schaft 34 verbunden ist und damit das Gleitstück im Gegensatz zum Stand der Technik mit dem Ventilschaft 34 verbindet.. Im vorgenannten Stand der Technik (DE 19750806A1) ist dieses Gleitstück mit dem Stellkolben verbunden Die Zentrierfeder 36 ermöglicht die Querbewegungen des Gleitstücks. Zur Gewichtsreduzierung weist der Stellkolben 31d wenigstens eine Bohrung 31g auf .
Die Kugelaufnahme 31c stützt sich über eine Ringfeder 31h auf dem Gehäuse 31a ab. Diese bildet zusammen mit der Kugel 31b und einer Feder 31i ein Rückschlagventil als wesentliches Funktionselement des hydraulischen Ausgleichelements. Die Feder 31i ist hier eine Blattfeder, wie sie z. B. in Fig. 3a gezeigt ist. Diese Feder ist aus der Stirnseite eines Topfes, z.B. ausgestanzt. Sie bewirkt eine Vorspannung auf die Kugel. Die gewünschte Vorspan-
nung der Kugel wird dadurch erzielt, daß der Topf über eine kraftmeßgesteuerte Aufnahme auf die Kugelaufnahme hin bewegt und dann verschweißt wird. Die Schweißstelle ist mit 41k gekennzeichnet, Hierdurch lassen sich kleine und eng tolerierte Vorspannκrafte erzielen.
Entlüftet wird vorwiegend über den Ringspalt zwischen der Kugelaufnahme und dem Gehäuse.
Auf das Gehäuse 31a ist eine Kappe 38 aufgesetzt und an der Stelle 311 verrastet. Diese Kappe 38 ist mit der Druckmittelzufuhrung 37 verbunden und in der Zeichnung 90° versetzt dargestellt. Diese Druckmittelzufuhrung erfolgt über ein biegsames, flexibles Rohr, wie es in der Fig. 1 dargestellt ist. Es muß vermieden werden, daß Leckol zum Anker 33 gelangt, weil dieses die Dynamik be- emflussen wurde. Es ist deshalb in der Kappe ein Leckol- kanal 31m vorgesehen, der austretendes Leckol sammelt und nach unten fuhrt. Dieses 01 dient zur Schmierung der Kraftubertragungsteile 31e, 31f und 34 und der Ventilfuh- rung .
Zusätzlich ist mit dem Gehäuse 31a ein Olabweisblech 39 dicht verbunden, damit von oben oder seitlich von der Kappe 38 oder den Spalten im Gehäuse kein 01 zum Anker gelangen kann.
Mit der Hintereinanderschaltung von Stellkolben und des Rückschlagventils ist gegenüber dem Stand der Technik ein vereinfachtes Ventilausgleichselement entstanden, das kostengünstiger ist und einen kleineren Einbauraum erfordert .
Das Gehäuse 31a kann auch samt des flexiblen Rohrs um- spπtzt sein und das Rohrende kann eingeschweißt sein.
Fig. 4 zeigt eine Losung, bei der der Ventilschaft 44 teilweise biegsam ausgebildet ist, um die Querbewegung, die durch den Ankerhebel entsteht, von dem biegsamen Ven- tilschaftteil auffangen zu lassen. Die Kalotte 41e des Stellkolbens 41c wirkt auf das Anschlußstuck 41f. Auch ist in dieser Fig. ein Rohranschlußstuck 49 in das Gehäuse 41a eingeschweißt. Das biegsame Rohr 47 wird über ei- nen O-Rmg 47a abgedichtet. Auch sind hier zur Reduzierung des Raumes Fullstucke 48 eingebracht.
Ähnlich der Fig. 3 ist auch hier eine Kappe 40 m das Gehäuse 41a eingerastet. Die Kappe enthalt ebenfalls einen Leckolkanal 41m und der Anker ist durch ein Olabweisblech vom 01 geschützt. Der Stellkolben 41c kann lippenartig gestaltet sein. Damit kann der beim Ventilhub entstehende große Druck zu einer elastischen Verformung der Lippen fuhren, was einen reduzierten Leckolfluß zur Folge hat.
Im Vergleich zu der in Fig. 3 gezeigten Losung mit Gleit- stuck entfallt dessen Reibung auf dem Ventilschaft. Dadurch wird die Ventilfuhrung mit geringeren Querkraften belastet .
Beim Ausfuhrungsbeispiel der Fig. 5 wird die Druckzufuhrung zum Ventilausgleichelement 50 über einem Kanal 51 im Anker 52 vorgenommen. Das Druckmittel gelangt über den Ringkanal zwischen Ankerrohr 55 und Drehfeder 56 in den Kanal 51 im Anker und einen entsprechenden Kanal 51a des Gehäuses 50a zum Ausgleichselement .
Fig. 5a zeigt ein Schnittbild des Ankerrohres 55 in dem die Drehfeder 56 angeordnet ist. Diese Drehfeder ist auf der einen Seite m das Ankerrohr 55 und auf der anderen Seite m den Aktuatortrager eingepreßt. An diesen ist die Druckmittelzufuhr 51b angeschlossen. Das Druckmittel gelangt also über diese Leitung 51b und einen Ringkanal im Aktuatortrager 55a in den beschriebenen Ringkanal zwischen Ankerrohr 55 und Drehfeder 56 und weiter in den Kanal 51 des Ankers 52 und 51a des Gehäuses 50a zum Aus- gleichselement 50. Das Ankerrohr ist beidseitig im Aktuatortrager 55b und 55a in Lagern 55c und 55d gelagert. Bei dem Einsatz von Gleitlagern, kann das Lager 55d über eine Bohrung und einen Olkanal mit 01 geschmiert werden. Hier kann dann das Ende der Drehfeder mit dem Ankerrohr dicht verschweißt werden. Das Ankerrohr hat auf der einen Seite einen Flansch 55f, der an dem Lager anliegt. Die Aktuatortrager 55a und 55b sind mit dem Joch verspannt. Die Verspannung kann, z.B. über Schrauben erfolgen, die hier nicht dargestellt sind. Der in der Fig. 5 gezeigte Anker 52 ist, z. B. mit dem Ankerrohr 55 verschweißt. Zur Reduzierung der Leckolverluste wird die Drehfeder mit dem Ankerrohr soweit m den Aktuatortrager 55a eingepreßt, bis der Flansch 55f auf dem Lager 55c mit geringem Spiel aufliegt .
Zur Mmimierung der Leckolverluste kann wie Fig. 5b zeigt zwischen Lager 55c und Flansch 55f eine Gleitringdichtung 55ι eingesetzt sein. In dem gezeigten Beispiel ist eine axiale Ausfuhrung dargestellt. Entsprechend dem Stand der TechniK kann auch eine radiale Dichtung eingesetzt wer- den.
Der Ausschnitt A ist in der Fig. 5c vergrößert dargestellt, Die Gleitringdichtung 55ι liegt auf der einen Seite am Flansch 55f an und auf der anderen Seite auf dem Lagergehause 55h des Nadellagers an. Zur bleibenden Ver- Spannung sind die Dichtlippen in einen O-Rmg 551 eingebettet. Damit auch hier kein Leckol auf den Anker gelangt ist auf dem Lagerflansch 55f ein dunner Blechring 55k aufgebracht .
Diese Art der Druckmittelzufuhr stellt eine Alternative zum flexiblen Rohr der Fig. 1, 2 und 3 dar. Diese Losung nach Fig. 5 ist mit weniger Entwicklungsaufwand und Risiko darstellbar, da z.B. Dauerstandfestigkeit und Resonanzschwingungen hier kein Problem darstellen. Alternativ ist in Fig. 5d ein flexibles Rohr 53 zwischen der Druck- quelle und Ankerrohr 55 vorgesehen, wobei das Druckmittel über den Spalt zwischen der Rohrinnenwand 55a und der Drehfeder 56 zum Kanal 51 gelangt.
Eingangs wurde auf die Problematik der Leckage und des Aussetzens des Spielausgleichelements nach einem Motor- stillstand hingewiesen. Diese Problematik wird gelost durch eine vom Aktuator angetriebenen Freikolbenpumpe .
Fig. 6 beschreibt die Druckversorgung. In Fig. 6 ist ein Hebel 60 gestrichelt gezeigt, der mit dem Ankerrohr verbunden ist, an dessen Ende wieder das Ventilausgleich- selement angeordnet ist (nicht gezeigt) . Unter dem Hebel 60 ist eine Wippe 62 gezeigt, die auf der einen Seite einen Nocken 63 tragt und sich auf einer Feder 64 abstutzt. Die andere Seite der Wippe 62 steht mit einem Freikolben 65 in Verbindung, der mit einem Zylinderraum 66 mit einer schwachen Feder 66a zusammenarbeitet. Zwei Rückschlagventile 67 und 68 vervollständigen die Anordnung zu einer
Freikolbenpumpe. Über das Rückschlagventil 67 ist die Olpumpe 69 des Motors angeschlossen; der Ausgang mit dem Rückschlagventil 68 fuhrt zu den hydraulischen Ventilaus- gleichselementen 70.
Liefert die Olpumpe 69 genügend Druck z. B. mehr als 4 bar, so steht der Freikolben 65 m der gezeichneten Stellung, m der die Wippe 62 von der Bewegung des Hebels 60 entkoppelt ist. Der Druck der Motorolpumpe gelangt zu den Ventilausgleichselementen 70. Fallt wegen einer germge- ren Motordrehzahl der Druck der Olpumpe unter den genannten Wert, so wird der Freikolben 65 durch die höhere Kraft der Feder 64 nach unten gedruckt. Die Wippe kommt mit ihrem Nocken 63 mit dem Hebel 60 des Aktuators m Berührung. Die Hebelbewegung wird auf den Freikolben 65 übertragen, und die Freikolbenpumpe wird wirksam und erhöht damit den von der Olpumpe 69 zur Verfugung gestellten Druck.
Beim Erreichen von ca. 4 bar gerat die Wippe 62 mit Nokken 63 außer Eingriff mit dem Hebel 60. Die Druckkraft des Kolbens 65 bewirkt dann eine entsprechende Vorspannung der Feder. Liefert die Motorolpumpe einen größeren Druck, so wird die Feder bis auf einen, nicht gezeichneten Anschlag vorgespannt. Durch Einsatz von Reibungsele- menten oder Dauermagneten laßt sich eine Hysterese erzeu- gen.
Wahrend die Olpumpe eine Schwankungsbreite des Drucks von ca. 0,5 bis 6 bar aufweist, wird durch die zusätzliche Freikolbenpumpe ein Druck von 4 bis 6 bar eingeregelt.
Diese Zusatzpumpe füllt bei Motorstart, z. B. wahrend der Anlasserfunktion durch schnelle Aktuatorbetatigung in
ganz kurzer Zeit die Ventilausgleichselemente, so daß bereits beim ersten Verbrennungstakt kein Ventilspiel auftritt. Wegen des relativ konstanten Drucks von 4 bis 6 bar kann die Kolbenkraft sehr klein gehalten werden (z. B. 4 bis 6 N) . Damit kann die Ventilfedervorspannung um ca. 30% kleiner dimensioniert werden. Auch kann dadurch die Magnetkraft des Schließmagneten erheblich kleiner gestaltet werden.
Die Fig. 7 zeigt die Seitenansicht einer Aktuatoranord- nung (ähnlich Fig. 1), wobei ein Aufbau der Aktuatoren entsprechend Fig. 5a und die Sicht von oben unterstellt ist. Es sind die Wicklungsenden 70 und deren elektrische Anschlüsse 71, sowie die Aktuatortrager 55a für den rechten Aktuator und 55b für den linken Aktuator sichtbar. Die in dieser Fig. gezeigte Ölleitung 51b ist einen
Kunststofftrager 71 integriert, welcher auch die elektrische Anschlussleitungen 72 beinhaltet. Dieser Kunststoff- trager ist vorzugsweise auf den Anschlussflansch des Ak- tuatortragers 55a aufgeschrumpft. Die Ölleitung 51b mun- det m einen entsprechenden Anschlusskanal 83 im Zylinderkopf. Die gesamte Olzufuhr wird vorzugsweise zur Hal- terung in den Kunststofftrager eingelegt.
Alternativ kann die Olzufuhr durch ein metallisches Rohr gebildet werden.