WO2018046314A1 - Elektromagnetische stellvorrichtung insbesondere zum verstellen von nockenwellen eines verbrennungsmotors - Google Patents

Elektromagnetische stellvorrichtung insbesondere zum verstellen von nockenwellen eines verbrennungsmotors Download PDF

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plunger
armature
adjusting device
adapter
camshaft
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PCT/EP2017/071412
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Tsuneo Suzuki
Michael TISCHTSCHENKO
Andreas Kammerer
Pedro Marull-Kessler
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Kendrion (Villingen) Gmbh
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Definitions

  • Electromagnetic actuator in particular for adjusting camshafts of an internal combustion engine
  • the present application relates to an electromagnetic actuator, in particular for adjusting camshafts of an internal combustion engine.
  • Camshafts have a number of cams that
  • cams can either be fixedly arranged on the camshaft or on camshaft sections which can be applied in a rotationally fixed but axially displaceable manner to a cylindrical shaft. With the cams adjacent axially displaceable components can be moved by turning the camshaft at regular intervals.
  • a highlight application of the camshafts is the opening and
  • Change engine characteristics for example, from a comfort to a sporty characteristic, which is implemented, inter alia, by changing the valve lift, which is determined by the shape of the cam.
  • different engine speeds require variable valve lifts to optimize torque and fuel consumption.
  • Other internal combustion engines have a cylinder deactivation in which some of the cylinders may be shut down to save fuel. In this case, the valves of the deactivated cylinders need not be opened at all. Also in this case, it is advantageous not only to switch off individual cylinders, but also to allow variable valve lifts for the reasons mentioned above.
  • Such internal combustion engines require camshafts having cams of different size and shape. However, in order to open and close the valve with the different lift curves, the camshaft or the
  • Camshaft section to be moved axially to allow each of the corresponding cam to interact with the valve.
  • the camshafts have different grooves into which an actuator with a different number of tappets engages ,
  • the plungers are movable between a retracted and an extended position, wherein the plunger in the extended
  • Adjusting devices for adjusting camshafts or a camshaft section, the plunger are mounted only in designated as adapter housing sections, with which the adjusting device on a component, in particular on a
  • Cylinder head cover can be attached.
  • the bending moments acting on the plungers due to the high radial forces can bend the plungers until they jam in the adapters. As a result, they are no more between the retracted and the extended position movable, whereby the camshaft or the
  • Camshaft section can not be moved axially.
  • the plunger is mounted according to DE 10 2013 102 241 AI not only in the adapter, but also in the clearly spaced from the adapter arranged pole core.
  • the plunger is not only in the adapter, but also stored in the anchor, which also clearly
  • the plunger is rotatable in the
  • Object of an embodiment of the present invention is to provide an electromagnetic actuator, in particular for adjusting camshafts or a camshaft portion of an internal combustion engine, with which the above-mentioned disadvantages can be eliminated or at least noticeably reduced.
  • an adjusting device in particular for adjusting camshafts or a camshaft portion of an internal combustion engine, with which the above-mentioned disadvantages can be eliminated or at least noticeably reduced.
  • Actuator movably mounted armature relative to a pole core between a retracted position and an extended is movable, one with the armature
  • Camshaft cooperates with this, and an adapter with which the adjusting device on a component, in particular on a cylinder head cover, can be fastened, wherein the armature and the plunger are rotatably connected to each other and the Actuator having a first bearing portion within the adapter for rotatably supporting the plunger and a second bearing portion outside of the adapter for rotatably supporting the plunger and / or the armature.
  • Rotary movement between the armature and the plunger instead, so that here no more wear points are present, which could lead to a change in particular the relative axial position of the plunger and the armature to each other.
  • a limited relative axial mobility between the armature and the plunger can be provided, since this does not lead to or significantly reduced compared to the rotational movement wear. From a production point of view, it makes sense to press the armature with the plunger, so that the armature and the plunger move both translationally and rotationally synchronously.
  • Tappet is not only stored in the first bearing section, but also in the second bearing section.
  • the first bearing portion is disposed within the adapter while the second bearing portion is disposed outside the adapter and thus spaced from the first bearing portion. It lends itself here to arrange the second bearing portion seen from the free end of the plunger from behind the first bearing portion. It is sufficient already a small distance to prevent bending and resulting jamming of the plunger. It can either the plunger or the anchor or both be stored together in the second storage section.
  • a bearing of the armature in the second bearing portion an indirect mounting of the plunger in the second bearing portion. This is even more true when the anchor is crimped with the plunger.
  • the second bearing portion consists of a non-magnetic or not
  • Coil unit generates a magnetic field which acts on the armature and moves it relative to the pole core. If the second bearing section consists of a non-magnetic, non-magnetized or non-magnetizable material, the magnetic field lines are not disturbed or deflected. The second bearing therefore needs in the interpretation of
  • the second bearing portion may comprise a sliding bearing or be formed by the sliding bearing.
  • Plain bearings represent widely used and proven machine elements, so that the second
  • Bearing portion can be designed inexpensively and reliably.
  • standardized and standardized plain bearings can be used, which reduces costs again
  • Plain bearing is via the engine oil of the internal combustion engine.
  • the sliding bearing made of plastic or a non-magnetic or
  • the sliding bearing can be arranged in a tubular body.
  • the tubular body can be shrunk onto the slide bearing, for example, so that a secure connection without additional
  • Connecting elements can be created, causing the
  • tubular body can be designed so that it only needs to be used in a few steps in the adjusting device and at the same time determines the position of the sliding bearing, whereby also the assembly is simplified.
  • the tubular body may use the second bearing portion without using a
  • Form slide bearing for example, by an appropriate design of the surface that comes into contact with the anchor and / or with the plunger. Especially if that
  • Plain bearing is constructed of a non-magnetic material, no magnetic forces between the armature and the plain bearing, which affects the friction between the armature and the
  • a further developed embodiment is characterized in that the device comprises a spring element having a first end and a second end, which is supported at the first end by means of a spring plate on the plunger or armature and at the second end on the second bearing portion. It is quite possible, the anchor and consequently the plunger
  • the plunger can already be moved in the corresponding direction when the impressed by the magnetic field on the armature and the biasing force of the spring element
  • the plunger can be moved faster.
  • the spring plate can be attached by means of a clearance fit on the plunger or the armature and axially by means of a
  • Paragraph be set in the effective direction of the biasing force.
  • the rotational movement of the plunger is therefore not transmitted to the spring element, so that there is no twisting or wear of the spring element.
  • the spring element is supported on the second bearing portion and in particular on the plain bearing, so that no further structural measures must be taken to determine the axial position of the spring element. The production cost is thereby kept low.
  • the spring plate may be movably disposed within the rohrformigen body, so that the spring plate is guided by rohrformigen body. A tilting or tilting or snagging of the
  • the adapter has a stop against which the spring plate in the
  • the wear of the plunger when engaging in the groove should be reduced by being rotatably mounted. As a result, the plunger can roll on the side surfaces of the groove, whereby a wear-promoting sliding is avoided or at least reduced. The wear of the plunger can be further reduced by the plunger in the
  • the device comprises a permanent magnet, with which the armature is held in the retracted position in the de-energized state of the coil unit.
  • the anchor could be replaced by a corresponding permanent
  • Figure 1 is a schematic sectional view through a
  • Embodiment of a proposed electromagnetic actuator Embodiment of a proposed electromagnetic actuator.
  • FIG. 1 shows an exemplary embodiment of an electromagnetic actuating device 10 according to the invention with reference to FIG. 1
  • the adjusting device 10 has a housing 12, which is designed substantially tubular in the illustrated embodiment. With regard to the selected in Figure 1
  • the housing 12 is closed at the upper end with a cover 14 and at the lower end with a flange 16.
  • the adjusting device 10 has an adapter 18 which on
  • Adjusting device 10 for example, be attached to a cylinder head cover of an internal combustion engine (not shown).
  • the adapter 18 have recesses 20, in which seals, not shown, can be used to the Seal actuator 10 against the cylinder head cover.
  • the adapter 18 forms a first bearing portion 22 for a along a longitudinal axis L of the adjusting device 10th
  • the first bearing portion 22 may be provided, for example, characterized in that the outer surface of the plunger 24 with a corresponding
  • the adapter 18 is made of a hardened stainless steel.
  • the plunger 24 is pressed in the illustrated embodiment with an anchor 26 and thus rotatably connected to him.
  • the rotationally fixed connection can also be realized in other ways, for example by welding. To a good one
  • the armature 26 has a recess into which the plunger 24 engages over a longer portion.
  • the plunger 24 has a free end 28 which projects beyond the adapter 18.
  • the adjusting device 10 has a second bearing portion 30, which is arranged in the illustrated embodiment, starting from the free end 28 behind the first bearing portion 22 and designed as a sliding bearing 32.
  • the sliding bearing 32 for example, made of a plastic or a non-magnetic stainless steel is disposed in a tubular body 34 and connected, for example by shrinking with the tubular body 34.
  • the sliding bearing 32 is arranged in the example shown so that only the armature 26 is mounted with the sliding bearing 32. consequently
  • Both the first bearing portion 22 and the second bearing portion 30 are designed so that the plunger 24 and the armature 26 are rotatably supported both about the longitudinal axis L and along the longitudinal axis L.
  • the sliding bearing 32 is radially inwardly slightly above the
  • tubular body 34 in front, leaving a narrow gap
  • tubular body 34 is formed between the tubular body 34 and the armature 26.
  • the tubular body 34 and the armature 26 therefore do not abut each other.
  • the spring plate 36 is axially fixed by means of the armature 26.
  • the spring plate 36 thus performs the same axial movements along the longitudinal axis L as the armature 26 and the plunger 24. As shown in FIG.
  • the spring plate 36 is enclosed by the tubular body 34 radially.
  • a spring element 40 is provided which has a first end 42 and a second end 44.
  • Spring element 40 may be a substantially along the
  • Longitudinal L provide acting biasing force.
  • the spring element 40 With the first end 42, the spring element 40 is supported on the spring plate 36 and with its second end 44 on the sliding bearing 32 from.
  • Diameter enlargement 38 is pressed, exceeds a certain value.
  • the adjusting device 10 comprises a coil unit 46 which annularly surrounds the armature 26 to form a gap.
  • a pole core 48 is provided, which is based on the selected in Figure 1
  • the adjusting device 10 has a permanent magnet 50, which is fastened to the cover 14 and is arranged above the pole core 48.
  • the adjusting device 10 is operated in the following manner:
  • the permanent magnet 50 exerts an attractive force acting along the longitudinal axis L on the armature 26, so that the armature 26 is attracted in the retracted state by the permanent magnet 50 and abuts the pole core 48.
  • the spring element 40 is compressed, so that the spring element 40 provides a biasing force, but which is smaller than the attraction of the Permanent magnet 50.
  • the armature 26 and the plunger 24 thus assume the retracted position.
  • Spring element 40 provided biasing force and thus acts against the attraction force of the permanent magnet 50.
  • the sum of the magnetic force and the biasing force is greater than the attractive force of the permanent magnet 50, so that the armature 26 and consequently the plunger 24 are moved away from the permanent magnet 50 along the longitudinal axis L until that
  • the plunger 24 engages with its free end 28 in a groove of a camshaft, not shown, or a camshaft section, not shown.
  • the groove has a relation to the axis of rotation of the camshaft
  • Camshaft about its own axis of rotation causes a longitudinal adjustment along the axis of rotation of the camshaft.
  • the plunger 24 abuts against one of the side walls of the groove and rolls on this, so that the plunger 24 is rotated upon engagement with the groove at a very high rotational speed. Due to the compression of the armature 26 with the plunger 24 is the
  • Rotary movement of the plunger 24 also transmitted to the armature 26.
  • the stop 52 of the adapter 18 and the depth of the groove are chosen so that the plunger 24 in the extended position with its free end 28 does not touch the bottom surface of the groove.
  • the depth of the groove decreases but towards the end, so that from a certain angle of rotation of the camshaft, a contact of the free end 28 of the plunger 24 takes place with the bottom surface of the groove, whereby the plunger 24 is moved back in the direction of the permanent magnet 50.

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Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors, umfassend eine bestrombare Spuleneinheit (46), mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse (L) der Stellvorrichtung (10) bewegbar gelagerter Anker (26) relativ zu einem Polkern zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist, einen mit dem Anker (26) zusammenwirkenden und entlang der Längsachse (L) bewegbar gelagerten Stößel (24) mit einem freien Ende (28), mit welchem der Stößel (24) in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, und einen Adapter (18), mit welchem die Stellvorrichtung (10) an einem Bauteil, insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, wobei der Anker (26) und der Stößel (24) drehfest miteinander verbunden sind und die Stellvorrichtung (10) einen ersten Lagerabschnitt (22) innerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und einen zweiten Lagerabschnitt (30) außerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und/oder des Ankers (26) aufweist.

Description

Elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors
Die vorliegende Anmeldung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors.
Nockenwellen weisen eine Anzahl von Nocken auf, die
exzentrische Abschnitte auf der Nockenwelle darstellen. Die Nocken können entweder fest auf der Nockenwelle oder auf Nockenwellenabschnitten angeordnet sein, die drehfest aber axial verschiebbar auf eine zylindrische Welle aufbracht werden können. Mit den Nocken können angrenzend angeordnete, axial verschiebbare Bauteile durch Drehen der Nockenwelle in regelmäßigen Abständen verschoben werden. Eine hervorzuheben Anwendung der Nockenwellen stellt dabei das Öffnen und
Schließen von Ventilen in einem Verbrennungsmotor dar. In modernen Verbrennungsmotoren ist es möglich, die
Motorcharakteristik beispielsweise von einer komfortbetonten zu einer sportlichen Charakteristik zu verändern, was unter anderem durch die Veränderung des Ventilhubs, der durch die Form der Nocken bestimmt wird, umgesetzt wird. Zudem erfordern unterschiedliche Motordrehzahlen variable Ventilhübe, um das Drehmoment und den Kraftstoffverbrauch zu optimieren. Andere Verbrennungsmotoren weisen eine Zylinderabschaltung auf, bei denen einige der Zylinder zum Einsparen von Kraftstoff abgeschaltet werden können. In diesem Fall müssen die Ventile der abgeschalteten Zylinder gar nicht mehr geöffnet werden. Auch in diesem Fall ist es vorteilhaft, nicht nur einzelne Zylinder abzuschalten, sondern auch variable Ventilhübe aus den oben genannten Gründen zu ermöglichen. Derartige Verbrennungsmotoren erfordern Nockenwellen, die Nocken mit unterschiedlicher Größe und Form aufweisen. Um jedoch das Ventil mit den unterschiedlichen Hubkurven öffnen und schließen zu können, muss die Nockenwelle oder der
Nockenwellenabschnitt axial verschoben werden, um die jeweils die entsprechenden Nocken mit dem Ventil zusammenwirken zu lassen. Bei bekannten Stellvorrichtungen, die beispielsweise in der der EP 2 158 596 Bl, der DE 20 2006 011 904 Ul und der WO 2008/014996 AI beschrieben sind, weisen die Nockenwellen verschiedene Nuten auf, in welche ein Aktuator mit einer unterschiedlichen Anzahl von Stößeln eingreift. Die Stößel sind zwischen einer eingefahrenen und einer ausgefahrenen Stellung bewegbar, wobei die Stößel in der ausgefahrenen
Stellung in die Nuten eingreifen. Die Nuten stellen dabei einen Führungsabschnitt dar und bilden zusammen mit den eingreifenden Stößeln eine Kulissenführung zur axialen
Verstellung der Nockenwelle, welche hierzu um ein bestimmtes Maß gedreht werden muss. Bei den meisten Viertakt-Verbrennungsmotoren in
Standardbauweise drehen die Nockenwellen mit der halben
Drehzahl der Kurbelwelle, so dass die Nockenwellen durchaus bis zu 3000 und mehr U/min drehen können. Aufgrund dieser hohen Umdrehungsgeschwindigkeiten wirken stoßartig hohe radiale Kräfte auf die Stößel. Bei den oben beschriebenen
Stellvorrichtungen zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts sind die Stößel nur in auch als Adapter bezeichneten Gehäuseabschnitten gelagert, mit welchen die Stellvorrichtung an einem Bauteil, insbesondere an einer
Zylinderkopfhaube, befestigt werden kann. Die aufgrund der hohen radialen Kräfte auf die Stößel wirkenden Biegemomente können sich die Stößel so weit verbiegen, dass sie sich in den Adaptern verklemmen. Infolgedessen sind sie nicht mehr zwischen der eingefahrenen und der ausgefahrenen Stellung bewegbar, wodurch die Nockenwelle oder der
Nockenwellenabschnitt auch nicht mehr axial verschoben werden kann .
Um diesem Nachteil zu begegnen, ist der Stößel gemäß der DE 10 2013 102 241 AI nicht nur im Adapter, sondern auch im deutlich vom Adapter beabstandet angeordneten Polkern gelagert. In der WO 2016/001 254 AI ist der Stößel nicht nur im Adapter, sondern auch im Anker gelagert, der ebenfalls deutlich
beabstandet vom Adapter angeordnet ist.
Um den Verschleiß des freien Endes des Stößels, mit welchem dieser in die Nut der Nockenwelle eingreift, so gering wie möglich zu halten, ist der Stößel drehbar in der
Stellvorrichtung gelagert. Im Gegensatz dazu ist jedoch der Anker bei der DE 10 2013 102 241 AI und der WO 2016/001 254 AI der Anker mittels einer Spielpassung mit dem Stößel verbunden. Folglich können nur axiale Kräfte, aber keine um die
Längsachse wirkenden Drehmomente übertragen werden. Die
Drehung des Stößels beim Eingreifen in die Nut der Nockenwelle wird daher nicht auf den Anker übertragen. Aufgrund der relativen Drehung des Stößels zum nicht drehenden Anker werden dort, wo der Anker und der Stößel miteinander in Kontakt kommen, Verschleißstellen geschaffen, an denen sich der Stößel und/oder der Anker im Betrieb der Stellvorrichtung mit der Zeit abtragen. Hierdurch kann sich insbesondere die relative axiale Position des Ankers zum Stößel ändern, so dass der Stößel nicht mehr mit dem notwendigen Maß in die Nut
eingreifen kann. Infolgedessen kann es zu Funktionsstörungen oder gar Ausfällen kommen. Aufgabe einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ist es, eine elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum Verstellen von Nockenwellen oder eines Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors zu schaffen, mit welcher die oben genannten Nachteile beseitigt oder zumindest spürbar reduziert werden können. Insbesondere soll eine Stellvorrichtung
geschaffen werden, bei welcher die im Betrieb auf den Stößel wirkenden hohen Biegemomente sicher aufgenommen werden können, so dass es nicht zu einem Verklemmen des Stößels kommt.
Gleichzeitig soll der Verschleiß zwischen Anker und Stößel reduziert werden, so dass sich ihre relative Position und insbesondere ihre relative axiale Position zueinander im
Betrieb nicht verändert.
Diese Aufgabe wird mit den in Anspruch 1 angegebenen Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der Unteransprüche .
Eine Ausführungsform der Erfindung betrifft eine
elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum
Verstellen von Nockenwellen eines Verbrennungsmotors,
umfassend eine bestrombare Spuleneinheit, mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse der
Stellvorrichtung bewegbar gelagerter Anker relativ zu einem Polkern zwischen einer eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist, einen mit dem Anker
zusammenwirkenden und entlang der Längsachse bewegbar
gelagerten Stößel mit einem freien Ende, mit welchem der
Stößel in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der
Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, und einen Adapter, mit welchem die Stellvorrichtung an einem Bauteil, insbesondere an einer Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, wobei der Anker und der Stößel drehfest miteinander verbunden sind und die Stellvorrichtung einen ersten Lagerabschnitt innerhalb des Adapters zum drehbaren Lagern des Stößels und einen zweiten Lagerabschnitt außerhalb des Adapters zum drehbaren Lagern des Stößels und/oder des Ankers aufweist.
Dadurch, dass der Anker und der Stößel drehfest miteinander verbunden sind, wird die Drehung des Stößels beim Eingreifen in die Nut der Nockenwelle oder des Nockenwellenabschnitts auf den Anker übertragen. Folglich findet keine relative
Drehbewegung zwischen dem Anker und dem Stößel statt, so dass hier keine Verschleißstellen mehr vorhanden sind, welche zu einer Veränderung insbesondere der relativen axialen Position des Stößels und des Ankers zueinander führen könnte. Eine begrenzte relative axiale Bewegbarkeit zwischen dem Anker und dem Stößel kann vorgesehen werden, da diese nicht oder zu einem im Vergleich zur Drehbewegung deutlich verminderten Verschleiß führt. Aus fertigungstechnischer Sicht bietet es sich an, den Anker mit dem Stößel zu verpressen, so dass sich der Anker und der Stößel sowohl translatorisch als auch rotatorisch synchron bewegen.
Ein Verklemmen des Stößels aufgrund der im Betrieb auf ihn wirkenden Biegemomente wird dadurch verhindert, dass der
Stößel nicht nur im ersten Lagerabschnitt, sondern auch im zweiten Lagerabschnitt gelagert ist. Der erste Lagerabschnitt ist innerhalb des Adapters angeordnet, während der zweite Lagerabschnitt außerhalb des Adapters und folglich beabstandet vom ersten Lagerabschnitt angeordnet ist. Es bietet sich dabei an, den zweiten Lagerabschnitt vom freien Ende des Stößels aus gesehen hinter dem ersten Lagerabschnitt anzuordnen. Dabei genügt bereits ein geringer Abstand, um ein Verbiegen und ein hieraus resultierendes Verklemmen des Stößels zu verhindern. Dabei kann entweder der Stößel oder der Anker oder beide zusammen im zweiten Lagerabschnitt gelagert werden. Bei einer entsprechenden drehfesten Verbindung des Stößels mit dem Anker bewirkt eine Lagerung des Ankers im zweiten Lagerabschnitt eine indirekte Lagerung des Stößels im zweiten Lagerabschnitt. Dies gilt umso mehr, wenn der Anker mit dem Stößel verpresst ist .
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform besteht der zweite Lagerabschnitt aus einem nicht magnetischen oder nicht
magnetisierbaren Material. Aufgrund der Bestromung der
Spuleneinheit wird ein Magnetfeld erzeugt, welches auf den Anker wirkt und diesen relativ zum Polkern bewegt. Wenn der zweite Lagerabschnitt aus einem nicht magnetischen, nicht magnetisierten oder nicht magnetisierbaren Material besteht, werden die Magnetfeldlinien nicht gestört oder umgelenkt. Die zweite Lagerstelle braucht daher bei der Auslegung der
Spuleneinheit, des Ankers und des Polkerns nicht weiter berücksichtigt zu werden, so dass auf bereits verwendete und erprobte Auslegungen zurückgegriffen werden kann, wodurch der konstruktive Mehraufwand zum Umsetzen der vorschlagsgemäßen Stellvorrichtung in dieser Ausführungsform gering gehalten werden kann.
In einer weitergebildeten Ausführungsform kann der zweite Lagerabschnitt ein Gleitlager umfassen oder vom Gleitlager gebildet werden. Gleitlager stellen weit verbreitete und bewährte Maschinenelemente dar, so dass der zweite
Lagerabschnitt kostengünstig und zuverlässig ausgestaltet werden kann. Insbesondere können standardisierte und genormte Gleitlager verwendet werden, was die Kosten nochmals
verringert. Zudem sind Gleitlager weitgehend wartungsfrei und in der Lage, hohe Kräfte aufzunehmen. Die Schmierung der
Gleitlager erfolgt über das Motoröl des Verbrennungsmotors. Bei einer weitergebildeten Ausführungsform kann das Gleitlager aus Kunststoff oder aus einem nicht magnetischen oder
magnetisierbaren Edelstahl bestehen. Auch in diesen
Materialien sind viele Gleitlager erhältlich, so dass durch diese Materialeinschränkung keine nennenswerte
Kostensteigerung hervorgerufen wird. Zudem wird
sichergestellt, dass die Magnetfeldlinien nicht gestört werden .
Bei einer weiteren Ausführungsform kann das Gleitlager in einem rohrförmigen Körper angeordnet sein. Der rohrförmige Körper kann beispielsweise auf das Gleitlager aufgeschrumpft werden, so dass eine sichere Verbindung ohne zusätzliche
Verbindungselemente geschaffen werden kann, wodurch die
Fertigung vereinfacht wird. Zudem kann der rohrförmige Körper so ausgestaltet sein, dass er nur noch mit wenigen Handgriffen in die Stellvorrichtung eingesetzt werden muss und zugleich die Position des Gleitlagers festlegt, wodurch ebenfalls die Montage vereinfacht wird. Alternativ kann der rohrförmige Körper den zweiten Lagerabschnitt ohne Verwendung eines
Gleitlagers bilden, beispielsweise durch eine entsprechende Gestaltung der Oberfläche, die mit dem Anker und/oder mit dem Stößel in Kontakt tritt. Insbesondere dann, wenn das
Gleitlager aus einem nicht magnetischen Material aufgebaut ist, wirken keine Magnetkräfte zwischen dem Anker und dem Gleitlager, was die Reibung zwischen dem Anker und dem
Gleitlager reduziert. Hierdurch können einerseits der
Verschleiß reduziert und andererseits die Geschwindigkeit, mit welcher der Anker und folglich der Stößel bewegt werden, erhöht werden. Darüber hinaus kann das Gleitlager so
dimensioniert werden, dass ein Spalt zwischen dem Anker und dem rohrförmigen Körper gebildet wird. Auch hierdurch wird verhindert, dass die zwischen dem Anker und dem rohrformigen Körper wirkenden Magnetkräfte Reibung mit den oben genannten Nachteilen entsteht.
Eine weitergebildete Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die Vorrichtung ein Federelement mit einem ersten Ende und einem zweiten Ende umfasst, welches sich am ersten Ende mittels eines Federtellers am Stößel oder am Anker und am zweiten Ende am zweiten Lagerabschnitt abstützt. Es ist durchaus möglich, den Anker und folglich den Stößel
ausschließlich mittels einer entsprechenden Bestromung der Spuleneinheit in die gewünschten Richtungen entlang der
Längsachse zu bewegen. Allerdings ist hierfür eine
entsprechend aufwendigere Steuerelektronik notwendig. Zudem vergeht eine gewisse Zeit, bis dass sich das vorhandene
Magnetfeld abgebaut und das neue aufgebaut hat. Mithilfe des Federelements kann der Stößel bereits in die entsprechende Richtung bewegt werden, wenn die vom Magnetfeld auf den Anker aufgeprägte und der Vorspannkraft des Federelements
entgegenwirkende Magnetkraft einen bestimmten Wert
unterschreitet. Insofern kann der Stößel schneller bewegt werden. Der Federteller kann mittels einer Spielpassung am Stößel oder am Anker befestigt und axial mittels eines
Absatzes in die Wirkrichtung der Vorspannkraft festgelegt sein. Die Drehbewegung des Stößels wird daher nicht auf das Federelement übertragen, so dass es nicht zu einem Verdrehen oder einem Verschleiß des Federelements kommt. Am zweiten Ende stützt sich das Federelement am zweiten Lagerabschnitt und insbesondere am Gleitlager ab, so dass keine weitergehenden konstruktiven Maßnahmen ergriffen werden müssen, um die axiale Position des Federelements festzulegen. Der Fertigungsaufwand wird hierdurch gering gehalten. Zudem kann der Federteller innerhalb des rohrformigen Körpers bewegbar angeordnet sein, so dass der Federteller vom rohrformigen Körper geführt wird. Ein Verkippen oder Verkanten oder ein Hängenbleiben des
Federtellers an benachbarten Bauteilen wird hierdurch
vermieden .
Nach Maßgabe einer weiteren Ausführungsform weist der Adapter einen Anschlag auf, gegen den der Federteller in der
ausgefahrenen Stellung anschlägt. Wie eingangs erwähnt, soll der Verschleiß des Stößels beim Eingreifen in die Nut dadurch verringert werden, dass er drehbar gelagert ist. Hierdurch kann sich der Stößel an den Seitenflächen der Nut abrollen, wodurch ein verschleißförderndes Gleiten vermieden oder zumindest reduziert wird. Der Verschleiß des Stößels kann dadurch weiter reduziert werden, dass der Stößel im
ausgefahrenen Zustand zwar in die Nut eingreift, nicht aber auf der Bodenfläche der Nut aufliegt oder nur dann, wenn sich die Nuttiefe am Auslauf der Nut reduziert. Dadurch, dass der Federteller gegen den Anschlag des Adapters anschlägt, der beispielsweise als ein Absatz ausgeführt sein kann, wird die ausgefahrene Stellung klar definiert. Zudem ist bei einer entsprechenden Anordnung des Stößels relativ zur Nut
gewährleistet, dass der Stößel an seinem freien Ende außerhalb des Auslaufs der Nut nicht mit der Bodenfläche der Nut in Kontakt tritt, wodurch der Verschleiß des Stößels am freien Ende reduziert wird.
Eine weitergebildete Ausführungsform ist dadurch
gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen Permanentmagnet aufweist, mit welchem der Anker im unbestromten Zustand der Spuleneinheit in der eingefahrenen Stellung gehalten wird. Zwar könnte der Anker durch eine entsprechende ständige
Bestromung der Spuleneinheit in der eingefahrenen Stellung gehalten werden, wozu aber eine entsprechende Menge an elektrischer Energie notwendig ist. Diese elektrische Energie kann durch die Verwendung eines Permanentmagnets eingespart werden, so dass die Stellvorrichtung wirtschaftlich betrieben werden kann.
Beispielhafte Ausführungsformen der Erfindung werden im
Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt
Figur 1 eine prinzipielle Schnittdarstellung durch ein
Ausführungsbeispiel einer vorschlagsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung .
In Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung 10 anhand einer
prinzipiellen Schnittdarstellung gezeigt. Aus der Figur 1 ist erkennbar, dass die Stellvorrichtung 10 zwei identisch
aufgebaute Baueinheiten aufweist. Im Folgenden wird aus
Gründen der Klarheit im Wesentlichen nur eine der Baueinheiten beschrieben, wobei die Beschreibung auch für die andere
Baueinheit gilt.
Die Stellvorrichtung 10 weist ein Gehäuse 12 auf, welches im dargestellten Ausführungsbeispiel im Wesentlichen rohrförmig ausgestaltet ist. In Bezug auf die in Figur 1 gewählte
Darstellung ist das Gehäuse 12 am oberen Ende mit einem Deckel 14 und am unteren Ende mit einem Flansch 16 verschlossen. Die Stellvorrichtung 10 weist einen Adapter 18 auf, der am
Flansch 16 befestigt ist. Mit diesem Adapter 18 kann die
Stellvorrichtung 10 beispielsweise an einer Zylinderkopfhaube eines Verbrennungsmotors befestigt werden (nicht dargestellt) . Der Adapter 18 weisen Vertiefungen 20 auf, in welche nicht dargestellte Dichtungen eingesetzt werden können, um die Stellvorrichtung 10 gegenüber der Zylinderkopfhaube abzudichten .
Der Adapter 18 bildet einen ersten Lagerabschnitt 22 für einen entlang einer Längsachse L der Stellvorrichtung 10
verschiebbaren Stößel 24. Der erste Lagerabschnitt 22 kann beispielsweise dadurch bereitgestellt werden, dass die äußere Oberfläche des Stößels 24 mit einer entsprechenden
Oberflächengüte versehen ist, ebenso, wie die mit der äußeren Oberfläche des Stößels 24 in Kontakt tretende innere
Oberfläche des Adapters 18. Eine Schmierung des ersten
Lagerabschnitts 22 erfolgt über das Motoröl des
Verbrennungsmotors. Um die hohen axialen Kräfte, die im
Betrieb auf den Stößel 24 wirken, sicher aufnehmen zu können, ist der Adapter 18 aus einem gehärteten Edelstahl gefertigt.
Der Stößel 24 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel mit einem Anker 26 verpresst und damit drehfest mit ihm verbunden. Die drehfeste Verbindung kann auch auf andere Weise realisiert sein, beispielsweise durch Verschweißen. Um eine gute
Verpressung zu erreichen, weist der Anker 26 eine Vertiefung auf, in welche der Stößel 24 über einen längeren Abschnitt eingreift. Der Stößel 24 weist ein freies Ende 28 auf, welches über den Adapter 18 hervorragt.
Die Stellvorrichtung 10 weist einen zweiten Lagerabschnitt 30 auf, der im dargestellten Ausführungsbeispiel ausgehend vom freien Ende 28 hinter dem ersten Lagerabschnitt 22 angeordnet und als ein Gleitlager 32 ausgeführt ist. Das Gleitlager 32, beispielsweise aus einem Kunststoff oder aus einem nicht magnetischen Edelstahl gefertigt, ist in einem rohrförmigen Körper 34 angeordnet und beispielsweise durch Aufschrumpfen mit dem rohrförmigen Körper 34 verbunden. Das Gleitlager 32 ist im dargestellten Beispiel so angeordnet, dass nur der Anker 26 mit dem Gleitlager 32 gelagert wird. Folglich
befindet sich der zweite Lagerabschnitt 30 innerhalb des Gehäuses 12. Sowohl der erste Lagerabschnitt 22 als auch der zweite Lagerabschnitt 30 sind so ausgeführt, dass der Stößel 24 und der Anker 26 sowohl um die Längsachse L drehbar als auch entlang der Längsachse L verschiebbar gelagert sind. Das Gleitlager 32 steht radial nach innen etwas über den
rohrförmigen Körper 34 vor, so dass ein schmaler Spalt
zwischen dem rohrförmigen Körper 34 und dem Anker 26 gebildet wird. Der rohrförmige Körper 34 und der Anker 26 liegen daher nicht aneinander an.
Ferner weist die Stellvorrichtung 10 einen den Stößel 24 ringförmig umgreifenden Federteller 36 auf, der eine
Spielpassung gegenüber dem Stößel 24 aufweist und im Bereich einer Durchmesservergrößerung 38 des Stößels 24 an diesem anliegt. Darüber hinaus wird der Federteller 36 mittels des Ankers 26 axial fixiert. Der Federteller 36 führt folglich dieselben axialen Bewegungen entlang der Längsachse L aus wie der Anker 26 und der Stößel 24. Wie aus der Figur 1
ersichtlich, wird der Federteller 36 vom rohrförmigen Körper 34 radial umschlossen. Beim den axiale Bewegungen des
Federtellers 36 wird der Federteller 36 vom rohrförmigen
Körper 34 geführt.
Darüber hinaus ist ein Federelement 40 vorgesehen, welches ein erstes Ende 42 und ein zweites Ende 44 aufweist. Das
Federelement 40 kann eine im Wesentlichen entlang der
Längsachse L wirkende Vorspannkraft bereitstellen. Mit dem ersten Ende 42 stützt sich das Federelement 40 am Federteller 36 und mit seinem zweiten Ende 44 am Gleitlager 32 ab.
Aufgrund der Spielpassung des Federtellers 36 gegenüber dem Stößel 34 werden Drehbewegungen des Stößels 24 nur dann auf den Federteller 36 übertragen, wenn die Vorspannkraft, mit welcher der Federteller 36 gegen den Bereich einer
Durchmesservergrößerung 38 gedrückt wird, einen bestimmten Wert übersteigt.
Zum Bewegen des Ankers 26 umfasst die Stellvorrichtung 10 eine Spuleneinheit 46, welche den Anker 26 unter Ausbildung eines Spalts ringförmig umschließt. Darüber hinaus ist ein Polkern 48 vorgesehen, der bezogen auf die in Figur 1 gewählte
Darstellung oberhalb des Ankers 26 angeordnet ist. Zudem weist die Stellvorrichtung 10 einen Permanentmagnet 50 auf, der am Deckel 14 befestigt ist und über dem Polkern 48 angeordnet ist .
Dadurch, dass der Anker 26 und der Stößel 24 miteinander verpresst sind, führen sie dieselben Bewegungen aus. Der
Stößel 24 und der Anker 26 führen folglich keine
Relativbewegungen zueinander aus, so dass keine
Verschleißstellen aufgrund von Relativbewegungen zwischen dem Anker 26 und dem Stößel 24 vorhanden sind. Der linke Stößel 24 und der linke Anker 26 befinden sich in einer eingefahrenen Stellung, wohingegen sich der rechte Stößel 24 und der rechte Anker 26 in einer ausgefahrenen Stellung befinden.
Die Stellvorrichtung 10 wird auf folgende Weise betrieben: Der Permanentmagnet 50 übt eine entlang der Längsachse L wirkende Anziehungskraft auf den Anker 26 aus, so dass der Anker 26 im eingefahrenen Zustand vom Permanentmagnet 50 angezogen wird und am Polkern 48 anliegt. Hierdurch wird das Federelement 40 gestaucht, so dass das Federelement 40 eine Vorspannkraft bereitstellt, die aber kleiner ist als die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50. Der Anker 26 und der Stößel 24 nehmen folglich die eingefahrene Stellung ein.
Wird nun die Spuleneinheit 46 bestromt, wird ein Magnetfeld aufgebaut, welches eine Magnetkraft auf den Anker 26
induziert, welche in dieselbe Richtung wie die vom
Federelement 40 bereitgestellte Vorspannkraft und folglich gegen die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50 wirkt. Die Summe aus der Magnetkraft und der Vorspannkraft ist größer als die Anziehungskraft des Permanentmagnets 50, so dass der Anker 26 und folglich der Stößel 24 weg vom Permanentmagnet 50 entlang der Längsachse L bewegt werden, bis dass der
Federteller 36 gegen einen Anschlag 52 des Adapters 18 anschlägt, wodurch der Stößel 24 und der Anker 26 die
ausgefahrene Stellung erreicht haben. In dieser ausgefahrenen Stellung greift der Stößel 24 mit seinem freien Ende 28 in eine Nut einer nicht dargestellten Nockenwelle oder eines nicht dargestellten Nockenwellenabschnitts ein. Die Nut weist einen bezogen auf die Drehachse der Nockenwelle
schraubenförmigen Verlauf auf, so dass das Eingreifen des Stößels 24 in die Nut in Kombination mit der Drehung der
Nockenwelle um die eigene Drehachse eine Längsverstellung entlang der Drehachse der Nockenwelle bewirkt. Um die
entsprechenden Axialkräfte zu übertragen, liegt der Stößel 24 an einer der Seitenwände der Nut an und rollt auf dieser ab, so dass der Stößel 24 beim Eingriff in die Nut mit einer sehr hohen Umdrehungsgeschwindigkeit gedreht wird. Aufgrund der Verpressung des Ankers 26 mit dem Stößel 24 wird die
Drehbewegung des Stößels 24 auch auf den Anker 26 übertragen. Der Anschlag 52 des Adapters 18 und die Tiefe der Nut sind so gewählt, dass der Stößel 24 in der ausgefahrenen Stellung mit seinem freien Ende 28 die Bodenfläche der Nut nicht berührt. Die Tiefe der Nut nimmt aber zum Ende hin ab, so dass ab einem gewissen Drehwinkel der Nockenwelle eine Berührung des freien Endes 28 des Stößels 24 mit der Bodenfläche der Nut erfolgt, wodurch der Stößel 24 wieder in Richtung des Permanentmagnets 50 verschoben wird. Spätestens dann wird die Bestromung der Spuleneinheit 46 unterbrochen, so dass die vom Permanentmagnet 50 ausgeübte Anziehungskraft auf den Anker 26 wieder größer ist als die Summe aus der vom Federelement 40 bereitgestellten Vorspannkraft und der aufgrund der fehlenden Bestromung der Spuleneinheit 46 nicht mehr wirkenden Magnetkraft. Folglich nehmen der Stößel 24 und der Anker 26 wieder die eingefahrene Stellung ein, bis dass die Spuleneinheit 46 erneut bestromt wird .
Bezugszeichenliste
10 Stellvorrichtung
12 Gehäuse
14 Deckel
16 Flansch
18 Adapter
20 Vertiefungen
22 erster Lagerabschnitt
24 Stößel
26 Anker
28 freies Ende
30 zweiter Lagerabschnitt
32 Gleitlager
34 rohrförmiger Körper
36 Federteller
38 Bereich der Durchmesservergrößerung
40 Federelement
42 erstes Ende
44 zweites Ende
46 Spuleneinheit
48 Polkern
50 Permanentmagnet
52 Anschlag L Längsachse

Claims

Patentansprüche
Elektromagnetische Stellvorrichtung insbesondere zum
Verstellen von Nockenwellen oder eines
Nockenwellenabschnitts eines Verbrennungsmotors, umfassend eine bestrombare Spuleneinheit (46), mit welcher im bestromten Zustand ein entlang einer Längsachse (L) der Stellvorrichtung (10) bewegbar gelagerter Anker (26) relativ zu einem Polkern (48) zwischen einer
eingefahrenen Stellung und einer ausgefahrenen bewegbar ist ,
einen mit dem Anker (26) zusammenwirkenden und entlang der Längsachse (L) bewegbar gelagerten Stößel (24) mit einem freien Ende (28), mit welchem der Stößel (24) in der ausgefahrenen Stellung zum Verstellen der
Nockenwelle mit dieser zusammenwirkt, und
einen Adapter (18), mit welchem die Stellvorrichtung (10) an einem Bauteil, insbesondere an einer
Zylinderkopfhaube, befestigbar ist, wobei
der Anker (26) und der Stößel (24) drehfest miteinander verbunden sind und die Stellvorrichtung (10)
einen ersten Lagerabschnitt (22) innerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und
einen zweiten Lagerabschnitt (30) außerhalb des Adapters (18) zum drehbaren Lagern des Stößels (24) und/oder des Ankers (26) aufweist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerabschnitt (30 aus einem nicht magnetischen oder nicht magnetisierbaren Material besteht.
3. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Lagerabschnitt (30) ein Gleitlager (32) umfasst oder vom Gleitlager (32) gebildet wird.
Stellvorrichtung nach Anspruch 3,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (32) aus
Kunststoff oder aus einem nicht magnetischen oder
magnetisierbaren Edelstahl besteht.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 3 oder 4,
dadurch gekennzeichnet, dass das Gleitlager (32) in einem rohrförmigen Körper (34) angeordnet ist.
Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein
Federelement (40) mit einem ersten Ende (42) und einem zweiten Ende (44) umfasst, welches sich am ersten Ende (42) mittels eines Federtellers (36) am Stößel (24) oder am Anker (26) und am zweiten Ende (28) am zweiten
Lagerabschnitt (30) abstützt.
Stellvorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass der Adapter (18) einen
Anschlag (52) aufweist, gegen den der Federteller (36) in der ausgefahrenen Stellung anschlägt.
Stellvorrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung einen
Permanentmagnet (50) aufweist, mit welchem der Anker (26) im unbestromten Zustand der Spuleneinheit (46) in der eingefahrenen Stellung gehalten wird.
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