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Die Erfindung liegt auf dem Gebiet der Aktuatoren, die als elektromagnetische Stellvorrichtungen zu der Steuerung eines sogenannten Schiebenockensystems geeignet sind. Die Regelung eines Verbrennungsmotors erfolgt mittels elektrischer Signale, die der Ansteuerung des Aktuators dienen: Der Stromfluss durch eine Spule ruft ein magnetisches Feld hervor, das eine gezielte axiale Bewegung des Ankers bewirkt. Der Anker wiederum steht in Verbindung mit einer Stößelstange, die als vermittelndes Element zwischen dem Anker und einem Druckstift dient. Der Druckstift bewirkt die Verschiebung eines Nockenstücks, das axial beweglich auf einer Nockenwelle geführt ist. Zu dem Zweck der Verschiebung befindet sich am Nockenstück eine Nut, die entlang des Umfangs verläuft und die Richtung sowie Weite der axialen Verschiebung vorgibt. Das Nockenstück wird in seine Ausgangslage gebracht, indem mit einem Druckstift eine zweite, gegenläufige Nut angesteuert wird; aus diesem Grund ist mindestens ein zweiter Druckstift erforderlich, der unabhängig von dem ersten betätigt werden kann.
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Eine kompakte Bauweise der Nockenwelle erfordert eine enge Führung sämtlicher Nuten, die Druckstifte müssen daher mit relativ geringem Abstand zueinander angeordnet werden können. Der Durchmesser des Elektromagneten hängt jedoch von der erforderlichen Leistung ab und kann somit nicht beliebig reduziert werden. Ankerachse und Druckstiftachse müssen also mit einem Versatz zueinander angeordnet werden, der einen Ausgleich erfordert. Eine Möglichkeit ist in der nicht vorveröffentlichten Offenlegungsschrift
DE 2013 210 871 A1 der Anmelderin beschrieben: Am Magnetgehäuse ist ein Hebel gelagert, über den die Wirkverbindung zwischen der Stößelstange und dem Druckstift hergestellt wird; somit können auch eng benachbarte Druckstiftachsen verwirklicht werden, Auswirkungen auf Abmessungen angrenzender Bauteile werden vermindert.
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Nichtsdestotrotz nimmt die Gesamtvorrichtung Bauraum in Anspruch, der nur im begrenzten Maße zur Verfügung steht. Der in der
DE 2013 210 871 A1 gezeigte Elektromagnet enthält Polkerne, Jochhülsen und Rückschlusselemente sowie eine Jochscheibe; die Anordnung dieser Elemente gibt den wenigstens erforderlichen Bauraum vor. Es besteht demnach ein Bedürfnis nach einem Aktuator, dessen Gestaltung den erforderlichen Bauraum weiter vermindert. Gleichzeitig ergibt sich aus den Bedingungen der Massenfertigung die Anforderung, den Bauraum nicht zulasten der Herstellbarkeit zu optimieren.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht somit darin, den beanspruchten Bauraum zu optimieren und gleichzeitig die Fertigung zu vereinfachen.
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Das durch die Aufgabe vorgegebene Spannungsverhältnis zwischen Bauraumoptimierung und Vereinfachung der Fertigung wird gelöst durch einen elektromagentischen Aktuator mit einem mittels einer Jochscheibe abgeschlossenen Polkerntopf, der an seinem Boden Öffnungen zur Aufnahme mindestens zweier Polhülsen aufweist, und mit mindestens zwei Stelleinheiten, die jeweils einen Anker beinhalten, der über eine Stößelstange und ein Mittel zum Ausgleich eines Achsversatzes mit einem Druckstift in Verbindung steht, sowie eine den Anker umgebende Magnetspule und eine Jochhülse, die an der Jochscheibe ausgebildet ist und den Anker in axialer Richtung unter Einschließung eines Luftspalts umgreift; erfindungsgemäß nimmt der Polkerntopf die mindestens zwei Stelleinheiten auf.
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Die Erfindung bedeutet eine Abkehr von Konzepten, die die Basis herkömmlicher Aktuatoren bilden. Dreh- und Angelpunkt der Erfindung ist ein Polkerntopf, mit dessen Einführung die Grundlage dafür geschaffen wird, die Elemente des Aktuators auf eine neue Art anordnen zu können.
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Der vorzugsweise einteilig ausgeführte Polkerntopf übernimmt die Funktion eines Rückschlusselements, wodurch die Wirksamkeit des durch den Stromfluss hervorgerufenen Magnetfeldes verbessert wird. Zu diesem Zweck ist der Polkerntopf aus einem magnetflussleitendem Material gefertigt.
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Der Boden des Polkerntopfes weist Öffnungen auf, deren Anzahl der Menge der enthaltenen Stelleinheiten entspricht. Die Öffnungen dienen der Aufnahme der Polkernhülsen, die in die Öffnungen vorzugsweise eingepresst werden können. Somit ergeben sich Vorteile hinsichtlich der Flexibilität der Gesamtvorrichtung; die Dimensionierung der Polkernhülse kann geändert werden, ohne dass eine über die Änderung des Öffnungsdurchmessers hinausgehende Anpassung des Polkerntopfes erforderlich wird.
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Die dem Topfboden abgewandte Seite des Polkerntopfes ist im Wesentlichen offen gestaltet, die Öffnung ist von einem Topfrand umgeben. Am Topfrand kann ein zumindest teilweise umlaufender Topfkragen vorgesehen sein, der die Aufnahme einer Jochscheibe erleichtert. Darüber hinaus fördert die Gestaltung des Topfkragens – so wie die Gestaltung des Polkerntopfes insgesamt – die Stabilität des Aktuators. Es ist somit nicht nur die Bauteilreduzierung, die vorteilhaft auf die Fertigung des Aktuators wirkt; seine verbesserte Stabilität sorgt beispielsweise dafür, dass vorgegebene Toleranzen leichter eingehalten werden können.
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Eine bevorzugte Ausführungsform des Polkerntopfes zeigt Vorteile in der Art ihrer Kontur. Die innere Wandung kann im Längsschnitt in Form der Außenkontur ineinander greifender Kegelschnittprofile gestaltet sein; das gegenläufige Verhältnis zwischen dem erforderlichen Bauraum und der Gewährleistung des magnetischen Rückschlusses kann auf diese Weise vorteilhaft aufgelöst werden. Der durch die Auslegung des Aktuators vorgegebene Durchmesser des Elektromagneten schlägt sich nicht in seiner Gänze in dem erforderlichen Bauraum der Gesamtvorrichtung nieder; die Verschränkung wirkt somit auf die Abmessung der Gesamtvorrichtung, die kleiner ist als die Summe der Abmessungen der einzelnen Stelleinheiten. Es können zwei oder weitere Stelleinheiten auf diese Weise angeordnet werden, entweder in Reihe oder versetzt. Eine besonders bevorzugte Ausführungsform besteht darin, die innere Wandung des Polkerntopfes im Längsschnitt in Form der Außenkontur ineinandergreifender Kreisprofile auszugestalten. Es besteht ein optimiertes Verhältnis zwischen dem erforderlichen Bauraum und der Gewährleistung des Rückschlusses: Der offene Bereich zwischen den Stelleinheiten kann infolge der Einschnürung reduziert werden, ohne dass diese Maßnahme wesentlichen Einfluss auf den erforderlichen Bauraum der Gesamtvorrichtung hat.
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Der Polkerntopf ist mittels einer Jochscheibe abgedeckt. In einer vorteilhaften Ausführungsform ist die Jochscheibe einteilig gestaltet; somit kann die Fertigung weiter vereinfacht werden. Vorzugsweise bilden Jochscheibe und Jochhülsen ein einteiliges Bauteil. Mit dieser Ausführungsform kann erstens der Fertigungsaufwand der Elemente reduziert werden, zweitens wird die Herstellung der Gesamtvorrichtung zusätzlich vereinfacht. Die umformtechnische Herstellung der Jochhülsen bietet zudem Vorteile hinsichtlich der Einhaltung vorgegebener Toleranzen, da Jochhülsen und Jochscheibe fest einander zugeordnet sind.
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Stabilisierung und Festlegung der einzelnen Elemente erfolgt vorzugsweise durch eine Plastikumspritzung. Die Plastikumspritzung umschließt den Polkerntopf und die Jochscheibe zumindest teilweise. Insbesondere an der äußeren Wandung des Bodens kann jedoch nur eine teilweise Umspritzung erfolgen, da an dieser Stelle die Stößelstange aus dem Polkerntopf axial verschiebbar herausragt. Hier zeigt sich ein weiterer Vorteil des Polkerntopfes. Trotz nur teilweiser Umspritzung mit Kunststoff zeichnet sich der Aktuator insgesamt durch eine hohe Stabilität aus.
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Vorzugsweise dient die Kunststoffumspritzung dem von der Jochhülse unter Einschluss eines Luftspalts umgriffenen Anker als Lagerung. Fertigungsaufwand und Fertigungskosten können somit weiter reduziert werden. Erstens ist der Einsatz einer Ankerführungshülse nicht mehr erforderlich, die Funktion der Ankerführung übernimmt die Kunststoffumspritzung; die Kosten für Herstellung und Material der Ankerführungshülse entfallen vollständig. Zweitens wird die Ausrichtung der Ankerführung vereinfacht. Die Wirksamkeit des Elektromagneten hängt unter anderem davon ab, wie präzise Jochhülse und Anker unter Einschluss eines Luftspalts aufeinander ausgerichtet sind. Die Ausrichtung erfolgt erst nachdem die Elemente zusammengefügt wurden, wodurch eine Anpassung im Einzelfall ermöglicht wird.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann ein Versatz zwischen der Achse des Ankers und der Achse des Druckstifts mittels eines Hebels ausgeglichen werde, der einseitig im Magnetgehäuse gelagert ist.
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Der Aktuator ist dazu geeignet, als Mittel zu der Regelung eines Verbrennungsmotors verwendet zu werden. Der Aktuator kann daher in einem Schiebenockensystem zum Einsatz kommen.
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Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die Zeichnungen genommen wird. Gleichwirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit gleichem Bezugszeichen bezeichnet. Es zeigen:
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1: einen Aktuator nach dem Stand der Technik;
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2: eine Ausführungsform des Polkerntopfes;
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3: ein Längsschnitt des Polkerntopfes aus 2;
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4: eine Ausführungsform der Jochhülse und
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5: ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators.
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In 1 ist ein Aktuator 1 mit zwei Stelleinheiten gezeigt, dessen Elemente entsprechend des Standes der Technik angeordnet sind. Der Aktuator 1 ist von einem Magnetgehäuse 1a umgeben und enthält eine Jochscheibe 2, Jochhülsen 3, Polkerne 4 und Rückschlusselemente 5. Die Jochhülsen 3 sind in die Öffnungen der Jochscheibe 2 eingepresst und bilden den oberen Abschluss der Einheit. Zu der Führung eines Ankers 6 sind Ankerführungshülsen 7 vorgesehen. Der untere Abschluss der Einheit wird durch die Polkerne 4 gebildet. Geschlossen wird der Magnetkreis durch Rückschlusselemente 5, die mit der Jochscheibe 2 mittels einer Verstemmung 8 verbunden werden.
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Ferner enthält jede Stelleinheit jeweils eine Spule 9 mit einer Plastikumspritzung 9a, eine Stößelstange 10 sowie einen gegen die Kraft einer Feder 11 arbeitenden Druckstift 12. Das Anlegen einer Spannung an der Spule 9 ruft ein magnetisches Feld hervor, das eine gezielte axiale Bewegung des Ankers 6 bewirkt. Der Anker 6 wiederum steht in Verbindung mit der Stößelstange 10, die als vermittelndes Element zwischen dem Anker 6 und dem Druckstift 12 dient. Zu dem Ausgleich eines Achsversatzes kann am Magnetgehäuse ein Hebel 13 an einem Gehäusestift 14 gelagert sein, über den die Wirkverbindung zwischen der Stößelstange 10 und dem Druckstift 12 hergestellt wird.
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Der Druckstift 12 ist im Druckstiftgehäuse 12a geführt und bewirkt die Verschiebung eines Nockenstücks (nicht gezeigt), das axial beweglich auf einer Nockenwelle geführt ist. Zu diesem Zweck befindet sich am Nockenstück eine Nut (nicht gezeigt), die entlang des Umfangs verläuft und die Richtung sowie Weite der axialen Verschiebung vorgibt. Das Nockenstück wird in seine Ausgangslage gebracht, indem eine zweite, gegenläufige Nut (nicht gezeigt) angesteuert wird.
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2 veranschaulicht eine Ausführungsform des Polkerntopfes 15, der zu der Aufnahme zweier Stelleinheiten (nicht gezeigt) geeignet ist. Dargestellt ist der Polkerntopf 15 mit einer äußeren und einer inneren Wandung 16, 17 sowie mit einem Topfboden 18. An der im Wesentlichen offenen Topfoberseite ist ein Kragen 19 gestaltet, der zumindest teilweise die Topfoberseite umläuft. Der Polkerntopf 15 bietet Raum für die Aufnahme von zwei Stelleinheiten, zwischen den Stelleinheiten weist der Polkerntopf 15 eine Einschnürung 20 auf. Die Einschnürung 20 bewirkt eine Optimierung des erforderlichen Bauraums und resultiert aus einer Verschränkung zweier Zylinder. Am Boden 18 des Polkerntopfes 15 können neben den Öffnungen 21 zur Aufnahme der Polkernhülsen 22 (gezeigt in 4) zudem eine oder mehrere Verbindungsöffnungen 23 vorgesehen sein.
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Die Verschränkung 24 ist deutlich erkennbar in 3. Im gezeigten Beispiel ist die innere Wandung 17 des Polkerntopfes 15 in Form der Außenkontur inein- ander greifender Kreisprofile gestaltet. Die gestrichelt dargestellte Linie verdeutlicht die Reduzierung des erforderlichen Bauraums. Darüber hinaus sind am Topfboden 18 Öffnungen 21 angeordnet, die der Aufnahme der Polkernhülsen 22 (gezeigt in 5) dienen.
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Die 4 zeigt eine Ausführungsform der Jochscheibe 25, deren Kontur an die des Polkerntopfes 15 aus 2; 3 angepasst ist. Jeweils im Mittelpunkt der Teilkreise befindet sich eine Jochhülse 26. Jochhülsen 26 und Jochscheibe 25 sind einteilig mittels Umformung gefertigt.
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Ein Ausführungsbeispiel des Aktuators 27 ist in 5 veranschaulicht. Gezeigt ist der Polkerntopf 15 aus 2; 3, dessen oberes Ende mittels der Jochscheibe 25 aus 4 abgedeckt ist. Der Polkerntopf 15 ist beispielhaft einteilig ausgeführt und dient als Rückschlusselement. Am Boden 18 des Polkerntopfes 15 sind Öffnungen 21 vorgesehen, die jeweils eine Polkernhülse 22 aufnehmen, beispielsweise indem diese eingepresst werden. Am oberen Rand des Polkerntopfes befindet sich ein Kragen 19, der zu der Festlegung der Jochscheibe 25 dienen kann. Die Jochscheibe 25 ist gemeinsam mit den Jochhülsen 26 in diesem Beispiel einteilig ausgestaltet, die Jochhülsen 26 gehen – hier umformtechnisch hergestellt – aus der Jochscheibe 25 hervor. Unter Einschluss eines Luftspalts 27 umgreift die Jochhülse 26 den Anker 28, der in der Kunststoffumspritzung 29 gelagert ist. Eine Ankerführungshülse 7 (gezeigt in 1) ist demnach nicht zwingend erforderlich.
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Am Boden des Polkerntopfes können zwei Verbindungsbohrungen 23 (gezeigt in 2) vorgesehen sein, mittels derer ein Kunststoffträger 30 der gewickelten Magnetspule 9 mit dem Polkerntopf 15 verbunden verbunden werden können. Die Verbindung kann über Kreuzdome erfolgen (nicht dargestellt), die am Kunststoffträger 30 angeordnet sind und, ggf. mit leichtem Übermaß, in die Verbindungsbohrungen 23 eingreifen.
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Am Kunststoffträger 30 der Magnetspule 9 können darüber hinaus am Innendurchmesser sogenannte „Crushribs“ vorgesehen sein (nicht dargestellt). Auf diese Weise kann eine Verbindung mit dem Außendurchmesser der jeweiligen Jochhülse 26 hergestellt werden. Magnetspule 9, Polkerntopf 15 und Jochscheibe 29 können somit eine verbundene Baugruppe bilden.
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Die weiteren Elemente des Aktuators können beispielhaft der im Stand der Technik bekannten Vorrichtung entsprechen, die in 1 gezeigt wird.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 2013210871 A1 [0002, 0003]
