DE10055948A1 - Drehmomentfreie Schraubenfederanordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Schraubenfederanordnung, insbesondere zur Verwendung als Ankerrückstellfeder an einem elektromagnetischen Aktuator, die endseitig jeweils in einer Stützebene (14) ausläuft, die orthogonal zur Verformungsachse (A) ausgerichtet ist, gekennzeichnet durch zwei Teilfedern (13.1, 13.2) mit gegenläufiger Wickelrichtung, die zumindest an einem Ende im Bereich der Änderung der Wickelrichtung miteinander verbunden sind.

Description

Schraubendruckfedern haben die Eigenschaft, daß sie bei einer Verformung in Richtung ihrer Wickelachse, die zugleich die Verformungsachse ist, beim Zusammendrücken auf ihre endseiti­ gen Stützflächen ein Drehmoment in die eine Drehrichtung und beim Entlasten ein Drehmoment in die andere Richtung ausüben. Ist eine der Stützflächen um die Verformungsachse drehbeweg­ lich ausgebildet, wird diese Drehbewegung übertragen. Dies ist beispielsweise bei einem elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung eines Gaswechselventils der Fall ist, bei dem zwi­ schen zwei mit Abstand zueinander angeordneten Polflächen von zwei Elektromagneten ein Anker hin und her bewegbar geführt ist und wobei der Anker mit einer Schubstange fest verbunden ist, die auf das Gaswechselventil einwirkt und zugleich über eine als Öffnerfeder wirkende Rückstellfeder gegenüber dem Gehäuse abgestützt ist.

Bei Ausführungsformen mit Ankern in Form einer Kreisscheibe stellt das über die Rückstellfeder induzierte Drehmoment kei­ ne Probleme dar. Anders ist es jedoch bei Aktuatoren, bei de­ nen aus Gründen des zur Verfügung stehenden Bauraums ein Rechteckanker eingesetzt werden muß. Verwendet man bei einem derartigen elektromagnetischen Aktuator eine normale Schrau­ bendruckfeder als Rückstellfeder, dann führt dies dazu, daß der Rechteckanker an die den Bewegungsraum des Ankers zwi­ schen den beiden Polflächen umschließenden Gehäuse bei seiner Bewegung an die Gehäusewandungen anschlägt. Dies führt zu nachteiligen Beeinflussungen der Ankerbewegungen. Anderer­ seits ist es erwünscht, daß die auf das Gaswechselventil in Schließrichtung wirkende Schraubendruckfeder, die gleichzei­ tig als Rückstellfeder für den Anker dient, eine Rotationsbe­ wegung ausführt, um so das Gaswechselventil relativ zu seinem Ventilsitz im Betrieb zu verdrehen.

Aus montagetechnischen Gründen ist der Ventilschaft des Gas­ wechselventils, auf den die in Schließrichtung wirkende Rück­ stellfeder einwirkt, von der mit dem Anker verbundenen Schub­ stange abgeteilt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schraubenfe­ deranordnung zu schaffen, wie sie insbesondere als Ankerrück­ stellfeder an elektromagnetischen Aktuatoren der vorstehend bezeichneten Art verwendet werden kann, die es ermöglicht, das bei der Verformung auftretende Verdrehmoment zu eliminie­ ren.

Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Schraubenfederanordnung, die endseitig jeweils in einer Stützebene ausläuft, die orthogonal zur Verformungsachse aus­ gerichtet ist und die gekennzeichnet ist durch zwei Teilfe­ dern mit gegenläufiger Wickelrichtung, die zumindest an einem Ende im Bereich der Änderung der Wickelrichtung miteinander verbunden sind. Bei entsprechender Bemessung der Teilfedern ist es damit möglich, das bei der Verformung auftretende in­ duzierte Drehmoment der einen Teilfeder durch das bei der gleichen Verformung auftretende entgegengerichtete Drehmoment der anderen Teilfeder zu kompensieren, so daß das mit der Fe­ deranordnung verbundene, hin und her bewegbare Teil nur axial bewegt wird und praktisch keine Rotationsbewegung bei der axialen Hin- und Herbewegung erfährt. Hierbei ist es zweckmä­ ßig, wenn die beiden Teilfedern die gleiche Federcharakteri­ stik aufweisen.

In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Teilfedern so ausgestaltet sind, daß sie bei einer Verformung jeweils in etwa das gleiche Drehmoment um die Verformungsachse erzeugen. Bei axial hintereinander ange­ ordneten Federn ist dies in einfacher Weise dadurch zu be­ werkstelligen, daß die beiden Teilfedern den gleichen Durch­ messer, die gleiche Wicklungszahl, die gleiche Wicklungsstei­ gung und den gleichen Drahtdurchmesser aufweisen. Bei koaxial ausgerichteten und einander umfassenden Schraubenfedern muß dann entsprechend die innenliegende Schraubenfeder einerseits und die diese umfassende außenliegende Schraubenfeder ande­ rerseits in Abhängigkeit von ihren jeweiligen Durchmessern zur Erfüllung der vorstehenden Bedingungen hinsichtlich ihrer Wicklungszahl, der Wicklungssteigung und der Drahtdurchmesser entsprechend angepaßt sein.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die beiden Teilfedern drehfest miteinander verbunden sind.

Je nach Gestaltung der Schraubenfederanordnung kann es zweck­ mäßig sein, daß der Verbindungsbereich zwischen den beiden endseitigen Stützflächen angeordnet ist. Bei anderen Ausfüh­ rungsformen kann es zweckmäßig sein, daß der Verbindungsbe­ reich der beiden Teilfedern im Bereich wenigstens einer der endseitigen Stützflächen angeordnet ist.

Je nach Gestaltung der Schraubenfederanordnung können die beiden Teilfedern stoffschlüssig und/oder formschlüssig und/oder reibschlüssig miteinander verbunden sein.

In einer zweckmäßigen Ausgestaltung der Erfindung ist vorge­ sehen, daß zwischen den beiden Teilfedern wenigstens eine beide Teilfedern verbindende Verbindungsplatte angeordnet ist.

Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher er­ läutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen elektromagnetischen Aktuator zur Betä­ tigung eines Gaswechselventils an einer Kol­ benbrennkraftmaschine,

Fig. 2 in größerem Maßstab ein Ausführungsbeispiel für eine Schraubenfederanordnung,

Fig. 3 eine weitere Ausführungsform für eine Schrau­ benfederanordnung,

Fig. 4 eine Ausführungsform mit zwei koaxial einan­ der umschließenden Teilfedern,

Fig. 5 eine Abwandlung der Ausführungsform gem. Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen elektromagnetischen Aktuator 1 zur Betäti­ gung eines Gaswechselventils 2 einer Kolbenbrennkraftmaschi­ ne. Das Gaswechselventil 2 ist an seinem Ventilschaft 3 mit einem Federteller 4 versehen, durch den das Gaswechselventil 2 über eine Ventilfeder 5 in Schließrichtung abgestützt ist.

Der elektromagnetische Aktuator 1 besteht im wesentlichen aus einem Schließmagneten 6 und einem Öffnermagneten 7, deren Polflächen 8 mit Abstand zueinander angeordnet sind und zwi­ schen denen ein Anker 9, der mit einer Schubstange 10 verbun­ den ist, hin und her bewegbar geführt ist. Die Schubstange 10 wirkt mit ihrem freien Ende 11 auf das freie Ende 12 des Ven­ tilschaftes 3 ein.

Dem elektromagnetischen Aktuator 1 ist eine auf den Anker 9 über die Schubstange 10 in Öffnungsrichtung wirkende Rück­ stellfeder 13 zugeordnet, die so ausgelegt ist, daß bei stromlosgesetzten Elektromagneten 6 und 7 der Anker 9 sich in der Mittelstellung zwischen den beiden Polflächen 8 befindet.

Sowohl die Ventilfeder 5, die als normale Schraubendruckfeder ausgebildet ist, als auch die Rückstellfeder 13 sind um ein vorgegebenes Maß vorgespannt. Die Rückstellfeder 13 ist nun so ausgebildet, daß sie weder beim Spannen noch beim Entspan­ nen innerhalb der durch den vorgegebenen Weg des Ankers 9 be­ wirkten Verformung ein Drehmoment über den mit der Schubstan­ ge 10 fest verbundenen Federteller 13.3 auf die Schubstange 10 und damit auf den Anker 9 ausüben kann.

Anhand der Fig. 2, 3 und 4 werden Ausführungsbeispiele für die Ausbildung der Rückstellfeder 13 näher erläutert.

Bei der Ausführungsform gem. Fig. 2 ist die Rückstellfeder 13 in zwei Teilfedern 13.1 und 13.2 unterteilt, die die gleiche Federgeometrie und die gleiche Federcharakteristik aufweisen, jedoch in unterschiedlicher Wickelrichtung geformt sind. Die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 weisen endseitig jeweils eine Stützfläche 14 bzw. 15 auf, die der üblichen Stützfläche ei­ ner Schraubendruckfeder entspricht. Zwischen den beiden Teil­ federn 13.1 und 13.2 ist eine Verbindungsplatte 16 angeord­ net, die je nach Konstruktion auch als Kreisringscheibe aus­ gebildet sein kann, mit der die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 drehfest verbunden sind.

Die drehfeste Verbindung zwischen den beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 sowie der Verbindungsplatte 16 kann je nach den Ge­ gebenheiten stoffschlüssig ausgebildet sein, beispielsweise durch ein Verschweißen, oder formschlüssig, beispielsweise durch eine entsprechende Formgebung der jeweiligen Oberfläche der Verbindungsplatte 16, die die jeweiligen Auslaufenden 17.1 und 17.2 der Teilfedern 13.1 und 13.2 umfassen. Je nach dem Verformungsweg der Federanordnung und der Größe des dar­ aus resultierenden Drehmomentes ist es auch möglich, die bei­ den Teilfedern 13.1 und 13.2 im Verbindungsbereich, bei­ spielsweise über die Verbindungsplatte 16, reibschlüssig mit­ einander zu verbinden. Wichtig ist, daß die Verbindung zwi­ schen den beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 so ausgestaltet ist, daß die bei einer Verformung in Richtung der Verfor­ mungsachse A durch Verkürzung der durch den Einbauzustand vorgegebenen Federlänge oder die Entspannung der Feder auf die Federlänge des Einbauzustandes induzierten gegenläufigen Drehmoment der beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 sich gegensei­ tig aufheben und so beispielsweise auf den Anker 9 des Aktua­ tors gem. Fig. 1 keine Drehbewegung induziert werden kann.

Während in Fig. 2 eine "gebaute" Ausführungsform der Feder­ anordnung dargestellt ist, zeigt Fig. 3 eine Ausführungsform, bei der die Federanordnung insgesamt einstückig durch den Wickelvorgang hergestellte Ausführungsform zeigt. Bei dieser Ausführungsform sind die Teilfedern 13.1 und 13.2 mit ihren beiden Teilfederlängen 1.1 und 1.2, die jeweils die Hälfte der Gesamtfederlänge L darstellen, in der Weise einstückig miteinander verbunden, daß die dem Verbindungsbereich 17 zu­ laufende Endwindung 18 der Teilfeder 13.1 einerseits und die dem Verbindungsbereich zulaufende Endwindung 19 der Teilfeder 13.2 in einen Windungsteil 20 auslaufen, in dem die beiden Endbereiche 18 und 19 in vergleichbarer Weise wie mit einer Verbindungsplatte 16 gem. Fig. 1 aufeinanderliegen. Dieser Bereich erstreckt sich über einen Teil des Umfangs der Feder­ anordnung, der so lang gewählt ist, daß eine zuverlässige Ab­ stützung der beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 in diesem Be­ reich aufeinander gewährleistet ist.

In Fig. 4 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei der eine Teilfeder 13.1 und eine Teilfeder 13.2 koaxial angeordnet sind, wobei die Teilfeder 13.2 die Teilfeder 13.1 umfaßt. Die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 sind jeweils mit einer end­ seitigen Verbindungsplatte 20.1 und 20.2 drehfest verbunden. Da die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 gegenläufig gewickelt sind und unter Berücksichtigung der unterschiedlichen Wick­ lungsdurchmesser so ausgelegt sind, daß sie in bezug auf die Zahl der Windungungen, Steigung der Windungen und Drahtdurch­ messer sowohl die gleiche Federcharakteristik als auch das gleiche, gegenläufige Drehmoment entwickeln, ergibt sich bei einer Verformung dieses Federelementes eine rein axiale Bewe­ gung, da die gegenläufigen Drehmomente der beiden Teilfedern sich über die Verbindungsplatten 20.1 und 20.2 kompensieren.

Auch bei dieser Ausführungsform können die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 in der vorbeschriebenen unterschiedlichen Tech­ niken mit den beiden Verbindungsplatten 20.1 und 20.2 verbun­ den sein. Auch bei dieser Ausführungsform können die beiden Verbindungsplatten 20.1 und 20.2 als durchgehende Platten oder auch als Kreisringscheiben ausgebildet sein.

Bei der koaxialen Ausführunsgform gem. Fig. 4 kann im Hin­ blick auf die unterschiedlichen Federgeometrien die Auslegung auch so erfolgen, daß die eine Teilfeder im wesentlichen die Anforderungen an die Federhärte erfüllt. Die andere Teilfeder kann in ihrer Wickelgeometrie und ihren anderen Abmessungen bei geringer Federhärte so ausgelegt werden, daß sie im we­ sentlichen bei ihrer Verformung das durch die Verformung der anderen Teilfeder induzierte Drehmoment kompensiert. Die Aus­ legung der beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 kann beispielswei­ se so erfolgen, daß die innenliegende Teilfeder 13.1 mit ih­ rem geringen Durchmesser bei gleicher Drahtstärke mit einer anderen, beispielsweise größeren Steigung gewickelt ist, als die äußere Teilfeder 13.2, so daß letztlich bei gleicher Fe­ dersteifigkeit der beiden Teilfedern aufgrund der unter­ schiedlichen Wickelgeometrien und der gegenläufigen Wickel­ richtung in etwa das gleiche Torsionsmoment gegeben ist. Die gegeneinander wirkenden Torsionsmomente stehen somit im Gleichgewicht.

In Fig. 5 ist in einer Schnittdarstellung und in einer Auf­ sicht eine Ausführungsform dargestellt, bei der die beiden Teilfedern 13.1 und 13.2 einstückig stoffschlüssig miteinan­ der verbunden und koaxial umeinandergewickelt sind. In der sehr schematischen Darstellung gem. Fig. 5 ist wiedergegeben, daß die innere Teilfeder 13.1 bei gleicher Drahtstärke auf­ grund des kleineren Wickeldurchmessers eine größere Steigung und damit eine entsprechend geringere Zahl von Windungen auf­ weist als die außenliegende Teilfeder 13.2. Die beiden Teil­ federn können, wie in Fig. 4 dargestellt, jeweils mit endsei­ tigen Verbindungsplatten 20.1 und 20.2 verbunden sein.

Bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Feder­ anordnung jedoch insgesamt aus einer Drahtlänge gewickelt, wobei die innere Teilfeder 13.1 ausgehend vom Wickelanfang, zunächst linksgängig nach oben gewickelt ist und dann an­ schließend an ihrem oberen Ende 22 unter Vergrößerung des Wickeldurchmessers rechtsgängig nach unten gewickelt ist, so daß das Drahtende 22 wieder an einer endseitigen Verbindungs­ platte 22.2 anliegt und wie der Drahtanfang 21 mit dieser fest verbunden ist.

Claims (12)

1. Schraubenfederanordnung, insbesondere zur Verwendung als Ankerrückstellfeder an einem elektromagnetischen Aktuator, die endseitig jeweils in einer Stützebene (14) ausläuft, die orthogonal zur Verformungsachse (A) ausgerichtet ist, gekenn­ zeichnet durch zwei Teilfedern (13.1, 13.2) mit gegenläufiger Wickelrichtung, die zumindest an einem Ende im Bereich der Änderung der Wickelrichtung miteinander verbunden sind.

2. Schraubenfederanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Teilfedern (13.1, 13.2) die gleich Fe­ dercharakteristik aufweisen.

3. Schraubenfederanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) so ausgestaltet sind, daß sie im Verbindungsbereich in etwa das gleiche Drehmoment um die Verformungsachse (A) erzeugen.

4. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) drehfest miteinander verbunden sind.

5. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsbereich zwischen den beiden endseitigen Stützflächen (14) angeordnet ist.

6. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Verbindungsbereich im Bereich einer Stützfläche (14) angeordnet ist.

7. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) stoffschlüssig miteinander verbunden sind.

8. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) formschlüssig miteinander verbunden sind.

9. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) reibschlüssig miteinander verbunden sind.

10. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen den beiden Teilfedern (13.1, 13.2) wenigstens eine beide Teilfedern (13.1, 13.2) verbindende Verbindungsplatte (16; 20.1, 20.2) angeordnet ist.

11. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) axial hintereinander angeordnet sind.

12. Schraubenfederanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Teilfedern (13.1, 13.2) koaxial und einander umfassend angeordnet sind.