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Die Erfindung betrifft einen Aktuator für ein Magnetventil, insbesondere eines Schwenkmotorverstellers für eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Aktuatoren, insbesondere für Magnetventile von Schwenkmotorversteller sind bekannt. Schwenkmotorversteller dienen einer Verstellung von Nockenwellen von Verbrennungskraftmaschinen.
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Ein Aktuator für ein Magnetventil, insbesondere eines Schwenkmotorverstellers für eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, ist aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 102 066 A1 bekannt. Der Aktuator umfasst einen Elektromagneten mit einem zylinderförmigen hohlen Magnetkörper, der ein Joch, einen Polkern mit einem kennlinienbeeinflussenden Ankergegenstück und ein Gehäuse aufweist, sowie einen zylindrischen Anker mit Führungsstange und Ankerkolben und eine den Anker umfassende zylindrische Spule, wobei der Anker relativ zum Polkern verschieblich angeordnet ist. Der Aktuator weist zusätzlich eine magnetische Eisenscheibe auf, die in einer Lagerbuchse zur Lagerung und Führung der Führungsstange, aufgenommen ist. Die Eisenscheibe dient einer Verstärkung eines mit Hilfe der Spule und den magnetischen Elementen des Aktuators herbeigeführten Magnetfeldes.
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Zur Herbeiführung eines weiter verstärkten Magnetfeldes müsste diese Eisenscheibe weiter vergrößert ausgebildet werden, somit würde der Aktuator insgesamt einen größeren Bauraumbedarf aufweisen. Des Weiteren sind die Eisenscheibe selbst und ihre Montage an der Lagerbuchse mit Kosten versehen, die bevorzugt einzusparen sind. Das heißt mit anderen Worten, dass es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist, einen verbesserten Aktuator für ein Magnetventil, insbesondere eines Schwenkmotorverstellers für eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, bereitzustellen, welcher bei gleichem Bauraumbedarf ein vergrößertes Magnetfeld herbeiführbar und/oder kostenreduziert ausgebildet ist.
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Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Aktuator für ein Magnetventil, insbesondere eines Schwenkmotorverstellers für eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine, mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den jeweiligen Unteransprüchen angegeben.
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Der erfindungsgemäße Aktuator für ein Magnetventil eines Schwenkmotorverstellers weist ein Gehäuse auf, welches zumindest ein Polrohr und einen Polkern umfassend ausgebildet ist, die von mindestens einer ein Magnetfeld erzeugenden Spule umfasst angeordnet sind, sowie einen Betätigungsstößel, der an einem Anker des Aktuators angeordnet ist. Der Anker ist in einem vom Polrohr und Polkern gebildeten Ankerraum in axialer Richtung entlang einer Längsachse des Aktuators verschiebbar ausgebildet. Des Weiteren weist der Aktuator ein Abdeckelement auf, welches den Ankerraum verschließbar ausgebildet ist, wobei das Abdeckelement zumindest ein Abschlusselement, welches den Betätigungsstößel lagernd aufnehmbar ausgebildet ist, sowie einen Abschlussdeckel umfassend aufgebaut ist. Erfindungsgemäß ist das Abschlusselement aus einem Material ausgebildet, welches aus einem Metallpartikel aufweisenden Kunststoff besteht.
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Aktuatoren gemäß dem Stand der Technik besitzen zur Herbeiführung eines zur Bewegung des Betätigungsstößels hinreichenden Magnetflusses des Magnetfeldes einen zusätzlich zum Polkern ausgebildeten Polkerneinsatz. Dieser Polkerneinsatz ist üblicherweise am Abschlusselement angeordnet und bevorzugt von diesem umspritzt ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass der Polkerneinsatz, da er aus magnetischem Material ausgeführt ist, im Gegensatz zum aus einem unmagnetischen Material ausgebildeten Abschlusselement, ein - neben dem Abschlusselement - weiteres Bauteil darstellt.
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Da erfindungsgemäß das Abschlusselement aus einem Material hergestellt ist, das aus einem Kunststoff mit Metallpartikel besteht, kann der magnetische Fluss des Magnetfeldes mit dem Abschlusselement herbeigeführt werden und ein zusätzliches weitere Bauteil, der üblicherweise ringförmige Polkerneinsatz, entfällt. Das heißt, der Vorteil der Erfindung ist darin zu sehen, dass der zur Herbeiführung eines notwendigen Magnetfeldes ausgebildete Polkerneinsatz substituiert wird durch die Metallpartikel im Kunststoffmaterial.
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Ein weiterer Vorteil ist darin zu sehen, dass Form- und Lagetoleranzen aufgrund der Bauteilreduzierung wesentlich verbessert eingehalten werden können. Das heißt, dass, sofern zwei Bauteile vorliegen, beide jeweils entsprechende Toleranzen aufweisen können, die sich zwar aufheben jedoch auch summieren können. Sofern nur noch ein einziges Bauteil vorliegt, sind die Toleranzen wesentlich einfacher einzuhalten.
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Das Material kann bevorzugt als Kunststoffgranulat mit eingeschlossenen ferritischen Metallpartikeln ausgeführt sein, wobei sich dieses Granulat bevorzugt zum Spritzgießen eignet, so dass das Abschlusselement in einem kostengünstigen Spritzgußverfahren hergestellt werden kann.
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In einer weiteren Ausgestaltung ist der Abschlussdeckel aus einem Material ausgebildet ist, welches aus einem Metallpartikel aufweisenden Kunststoff ausgeführt ist. Das bedeutet, dass vorteilhaft der Abschlussdeckel ebenfalls zur Ausbildung des Magnetfeldes herangezogen werden kann. Dadurch können bspw. andere magnetische Elemente, welche dem Magnetfluss dienend im Aktuator ausgestaltet sind, kleiner gehalten werden oder es können der Magnetfluss und/oder das Magnetfeld gesteigert werden.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung ist das Abdeckelement einstückig, zumindest das Abschlusselement und den Abschlussdeckel umfassend, ausgebildet. Das heißt mit anderen Worten, dass das Abdeckelement, welches ursprünglich zumindest aus den Bauteilen Abschlusselement und Abschlussdeckel ausgeführt ist, nun in einem einzigen Bauteil realisiert ist. Der Vorteil ist insbesondere darin zu sehen, dass Form- und Lagertoleranzen weiter wesentlich verbessert eingehalten werden können.
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Eine Reduzierung eines Verschleißes des Betätigungsstößels, welcher aufgrund seiner axialen Bewegung im Abschlusselement einem Verschleiß unterworfen ist, kann mit Hilfe von verschleißminderndem Material erfolgen, das auf einer dem Betätigungsstößel gegenüberliegenden Oberfläche des Abschlusselementes angebracht ist. Grundsätzlich liegt durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung des Abschlusselementes keine Steigerung des Verschleißes vor, jedoch kann dieser mit der beschriebenen Maßnahme reduziert werden. Insbesondere, sofern das Abschlusselement oder das in Form eines einzigen Bauteils ausgebildete Abdeckelement im Spritzgußverfahren hergestellt sind, kann das verschleißmindernde Material ebenfalls kostengünstig aufgespritzt werden.
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An dieser Stelle sei erwähnt, dass somit eine im Abschlusselement ausgebildete Lagerbuchse zur reibungsarmen Lagerung des Betätigungsstößels ebenfalls vorteilhaft entfallen kann, da das Abschlusselement der Lagerung des Betätigungsstößels dient.
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Zur gesicherten Vermeidung eines Anhaftens des Ankers am Abschlusselement ist vorgeschlagen, das Abschlusselement an seiner dem Anker gegenüberliegend ausgebildeten Stirnfläche mit einer nichtmagnetische Scheibe zu versehen.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Aktuators sind der Abschlussdeckel oder das Abdeckelement mit Hilfe einer Ultraschallverschweißung am Gehäuse befestigt. Das Ultraschallschweißen bietet zahlreiche Vorteile. So benötigt das Ultraschallschweißen nur einen Bruchteil der Energie, die für andere thermische Schweißverfahren notwendig sind. Ein weiterer Vorteil ist, dass sich dreidimensionale Fügenähte bei kurzen Schweißzyklen realisieren lassen. Ebenso vorteilhaft ist ein Wegfallen einer Nachbearbeitung vorliegender Schweißnähte. Und das Ultraschallschweißen ist umweltfreundlich, da keinerlei Klebstoffe benötigt werden.
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Kostengünstig und komplexe Formen und Geometrien des Abschlusselementes oder des Abschlussdeckels oder des Abdeckelementes sind möglich durch die Herstellung der Bauteile mit Hilfe eines Spritzgussverfahrens.
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Grundsätzlich kann vorteilhaft und unabhängig davon, ob nur einzelne Bauteile des Abdeckelementes wie das Abschlusselement oder der Abschlussdeckel oder das Abdeckelement einstückig aus dem Kunststoffmaterial aufweisend Metallpartikel hergestellt sind, durch Steigerung von Wandstärken der entsprechenden Bauteile, und somit durch Steigerung des Materials, eine Vergrößerung des Magnetfeldes und somit einer Erhöhung des magnetischen Flusses herbeigeführt werden.
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Weitere Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen. Gleichen oder funktionsgleichen Elementen sind identische Bezugszeichen zugeordnet. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist es möglich, dass die Elemente nicht in allen Figuren mit ihrem Bezugszeichen versehen sind, ohne jedoch ihre Zuordnung zu verlieren. Es zeigen:
- 1 in einem Längsschnitt einen Aktuator gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einem Längsschnitt ein Abdeckelement des Aktuators gem. 1,
- 3 in einem Längsschnitt ein Abdeckelement eines erfindungsgemäßen Aktuators in einem ersten Ausführungsbeispiel, und
- 4 in einem Längsschnitt das Abdeckelement des erfindungsgemäßen Aktuators in einem zweiten Ausführungsbeispiel.
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1 zeigt in einem Längsschnitt einen Aktuator 10, welcher gemäß dem Stand der Technik ausgebildet ist. Der Aktuator 10, der insbesondere für ein Magnetventil eines Schwenkmotorverstellers geeignet ist, umfasst dabei ein Polrohr 12, das innerhalb einer zylinderförmig ausgebildeten, ein Magnetfeld erzeugenden Spule 14 angeordnet ist, sowie ein Gehäuse 16, welches den Aktuator 10 umschließend ausgebildet ist. Das Gehäuse 16 ist mit einem Kunststoffspritzgussverfahren hergestellt, so dass es in kostengünstiger Weise möglich ist das Gehäuse 16 zu fertigen und gleichzeitig verschiedenen Komponenten eines Poljochs 18 beim Spritzgussverfahren einzulegen, die den geschlossenen Magnetfluss gewährleisten.
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Weiter umfasst der Aktuator 10 ein Abschlusselement 20, welches eine erste Aufnahmeöffnung 22 des Gehäuses 16 abschließt. Das Abschlusselement 20 bildet gemeinsam mit einem Polkerneinsatz 24, welcher eine zentrale zweite Aufnahmeöffnung 26 aufweist, und einem Abschlussdeckel 30 eine vormontierbare Einheit in Form eines Abdeckelementes 70 des Aktuators 10.
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Der Abschlussdeckel 30 ist beispielsweise mittels Ultraschallverschweißung, bevorzugt einem so genannten Ultraschallnieten an dem Gehäuse 16 befestigt. Dafür weist das Gehäuse 16 eine so genannte Ultraschallgeometrie in Form von mehreren Vorsprünge 32 auf, welche durch Bohrungen 34 des Abschlussdeckels 30 hindurchragen. Die Vorsprünge 32 werden durch das Ultraschallnieten schmelzverformt, so dass der Abschlussdeckel 30 sicher an dem Gehäuse 16 befestigt ist.4
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Der Abschlussdeckel 30 besitzt eine Zentralöffnung 36, in welcher eine Lagerbuchse 28 des Aktuators 10 zur Lagerung eines bewegbaren Betätigungsstößels 38 des Aktuators 10 angeordnet ist. Die Lagerbuchse 28 ist einstückig mit dem Abschlusselement 20 ausgebildet. Ebenso könnten die Lagerbuchse 28 und das Abschlusselement 20 auch unabhängig voneinander hergestellt und in einem Fügeverfahren gefügt sein.
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Zweckmäßigerweise ist dabei das Abschlusselement 20 mit einem Kunststoffspritzgussverfahren hergestellt und der Abschlussdeckel 30 und der Polkerneinsatz 24 sind als Einlegeteile vorgesehen, welche bei der Herstellung des Abschlusselements 20 in das Spritzwerkzeug eingelegt und im Bereich ihrer Aufnahmeöffnungen 22, 26 von dem Werkstoff des Abschlusselements 20 umspritzt werden. Dadurch ist eine dauerhafte Abdichtung des Abschlusselements 20 gegen den Polkerneinsatz 24 und den Abschlussdeckel 30 gegeben.
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Der Betätigungsstößel 38 ist an einem Anker 40 angeordnet, welcher innerhalb eines von zumindest dem Polrohr 12 und einem in Richtung einer Längsachse 68 des Aktuators 10 dem Polrohr 12 folgenden Polkern 46 umfassten Ankerraums 42 in axialer Richtung entlang der Längsachse 68 des Aktuators 10 verschiebbar ausgeführt ist. Der Anker 40 ist in einer nichtmagnetischen Hülse 44, die vom Polrohr 12 und dem Polkern 46 umfasst ist, gelagert.
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Wie in 1 ersichtlich, erstreckt sich die Hülse 44 bis zu einem von dem Abschlussdeckel 30 verschlossenen Ende des Ankerraumes 42 und weist einen auf den gesamten vom Anker 40 überfahrbaren Arbeitsbereich durchgehenden Innendurchmesser auf, so dass dieser über seine gesamte Länge geführt werden kann. Zudem ist dadurch sichergestellt, dass der Anker 40 sich nicht schräg stellen kann, was zu hohen magnetischen Radialkräften auf den Anker 40 und damit zu einer hohen Reibung gegenüber dem Polrohr 12 führen würde.
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Die Abdichtung der Hülse 44 gegenüber möglicherweise eindringendem Fluid aus dem benachbart angeordneten Magnetventil erfolgt mittels eines ringförmigen Dichtelementes 48, welches zwischen einem Bund 50 der Hülse 44 und dem Gehäuse 16 angeordnet ist und an dem Abschlussdeckel 30 und einem Teil des Poljochs 18 dichtend anliegt.
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Gemäß einer nicht dargestellten Ausführungsform können das Polrohr 12 und der Polkern 46 einteilig ausgeführt sein. Die Hülse 44 kann in diesem Fall entfallen und der Anker 40 ist in bekannter Weise in axialer Richtung verschiebbar ausgeführt.
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Die Lagerbuchse 28 weist an ihrer dem Anker 40 zugewandt ausgebildeten Seite einen Anschlag 52 auf, welcher einem Anschlag des Ankers 40 bei seiner axialen Bewegung dient. Ein solcher fester Anschlag hält die Stirnseite des Ankers 40 auf einem gewissen Abstand von dem scheibenförmig ausgeführten Polkerneinsatz 24 und verhindert so ein Festkleben des Ankers 40 mit der Stirnseite des Ankers 40 an dem Polkerneinsatz 24. Ein Kleben würde das Bewegungsverhaltens des Ankers 40 verändern und die zum Betrieb des Ankers 40 nötigen Magnetkräfte signifikant beeinflussen, sodass das gesamte dynamische Verhalten des Aktuators 10 dadurch geändert wäre. Deshalb kann ein solcher Anschlag 52 als Antiklebscheibe das dynamische Verhalten sowie den Energieverbrauch eines Aktuators 10, der mit Magnetkräften betrieben wird, positiv beeinflussen.
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Der Betätigungsstößel 38 ist in eine zentrale dritte Aufnahmeöffnung 54 des Ankers 40 eingepresst. Wenn der Betätigungsstößel 38 aus einem anderen Werkstoff als der Anker 40 ausgeführt ist, stellt dies eine günstige Lösung der Verbindung beider Bauteile dar.
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Das Poljoch 18, das aus mehreren Platten und/oder Rohren gebildet sein kann, umschließt die Spule 14 auf ihren Außenseiten, wodurch die Spule 14 möglichst vollständig von magnetischem Werkstoff umgeben ist, da im Inneren der Spule 14 das Polrohr 12 ausgebildet ist. Dadurch wird der von der Spule 14 erzeugte Magnetfluss möglichst günstig auf den Volumenbereich, in dem sich der Anker 40 bewegen kann, konzentriert.
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Zum Druckausgleich zwischen einer Vorder- und einer Rückseite des Ankers 40 weist der im Wesentlichen zylindrische Betätigungsstößel 38 im Einpressbereich Abflachungen 56 auf, welche beispielsweise gefräst oder schlaggedreht ausgebildet sind, um einen Volumen- bzw. Druckausgleich zwischen der Vorder- und der Rückseite des Ankers 40 darzustellen. Das gezeigte Ausführungsbeispiel weist exemplarisch vier am Umfang verteilte Abflachungen 56 auf.
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Zur Herbeiführung des Druckausgleiches könnte ebenso die Lagerbuchse 28 Ausnehmungen zwischen Ankerraum 42 und einem Außenraum 58 des Aktuators 10 aufweisen. Der Druckausgleich stellt einen Volumenausgleich des eingeschlossenen Hydraulikfluids oder der eingeschlossenen Luft zwischen dem Ankerraum 42 und dem Außenraum 58 des Aktuators 10 sicher. Ein solcher Druckausgleich ist sowohl bei trockenem Betrieb, also luftgefülltem Ankerraum 42, also auch bei Betrieb mit Hydraulikfluid im Ankerraum 42 von Bedeutung.
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Der Betätigungsstößel 38, welcher zur Übertragung einer Kraft des Aktuators 10 auf einen nicht näher dargestellten Kolben des Magnetventils ausgebildet ist, weist eine Kugel 60 an seinem vom Anker 40 abgewandt ausgebildeten Ende auf. Die Kugel 60 kann in einem Aufnahmeraum 62 des Betätigungsstößels 38, in welchem sie bewegbar gelagert ist, rotieren. Der Aufnahmeraum 62 ist von einer Wandung 64 des Betätigungsstößels 38 teilweise umschlossen und aufgrund der Bewegung der Kugel kann dies zu einem Verschleiß der Wandung 64 und/oder der Kugel 60 führen.
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Das Abdeckelement 70 des Aktuators 10 gemäß dem Stand der Technik ist in 2 vergrößert dargestellt. Der Polkerneinsatz 24, welcher mit dem Abschlussdeckel 30 unverlierbar mit dem Abschlusselement 20 ausgebildet ist, ist aus einem magnetischen, insbesondere ferritischen Material ausgebildet. Er wird in einem Spritzgussverfahren mit unmagnetischen Material, insbesondere Kunststoff, umspritzt, wobei das Abschlusselement 20 ausgebildet wird. Der Abschlussdeckel 30, welcher gemäß dem Stand der Technik als Blechscheibe ausgeführt ist, ist bevorzugt gleichzeitig umspritzt. Das Abschlusselement 20 ist einstückig mit der Lagerbuchse 28 ausgeführt und übernimmt somit die Funktion einer Gleitlagerung des Betätigungsstößels 38.
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Das Abdeckelement 70 eines erfindungsgemäßen Aktuators 10 ist in einem ersten Ausführungsbeispiel gemäß 3 ausgebildet. Der Polkerneinsatz 24 ist einstückig mit dem Abschlusselement 20 ausgeführt. Das heißt mit anderen Worten, dass das Abschlusselement 20 und der Polkerneinsatz 24 in Form eines einzigen Bauteils und aus demselben Material hergestellt sind. Das Material entspricht einem Kunststoff, welcher Metallpartikel, insbesondere ferritische Metallpartikel aufweist. Somit erfolgt die Ausbildung des Magnetfeldes mit Hilfe des Abschlusselementes 20. Das heißt mit anderen Worten, dass der Polkerneinsatz 24 substituiert ist mit Hilfe der Metallpartikel. Je nach Anzahl und Größe der Metallpartikel kann ein größerer oder weniger starker Magnetfluss erzeugt werden.
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Die ebenfalls einstückig mit dem Abschlusselement 20 ausgebildete Lagerbuchse 28 weist aufgrund des kunststoffhaltigen Materials nach wie vor sehr gute Lagereigenschaften zur Lagerung des Betätigungsstößels 38 auf, welcher zur Reduzierung des Verschleißes einer Nitrierung unterzogen ist. In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiels ist zur weiteren Verschleißreduzierung eine verschleißmindernde Schicht auf eine, dem Betätigungsstößel 38 gegenüberliegenden Oberfläche 66 des Abschlusselementes 20, somit auf die Oberfläche 66 der zweiten Aufnahmeöffnung 26, aufgespritzt. Ebenso könnte der Betätigungsstößel 38 auch nur partiell an seinem vom Anker 40 abgewandt ausgebildeten Ende nitriert ausgebildet sein und/oder die verschleißmindernde Schicht nur partiell auf die Oberfläche 66 aufgespritzt sein.
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In einem nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel weist das Abschlusselement 20 an seiner dem Anker 40 gegenüberliegenden Stirnfläche 72 eine nichtmetallische Scheibe auf, wodurch ein Anhaften des Ankers 40 am Abschlusselement 20 sicher vermieden ist.
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In einem zweiten Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Aktuators 10 ist das Abdeckelement 70 umfassend das Abschlusselement 20, welcher den Polkerneinsatz 24 substituiert umfasst, und den Abschlussdeckel 30 einstückig, bestehend aus einem Material, dem oben genannten Metallpartikel aufweisenden Kunststoff, ausgebildet, wie in 4 dargestellt ist. Selbstredend ist die Lagerbuchse 28, da einstückig mit dem Abschlusselement 20 ausgeführt, ebenfalls integriert. Weiter vorteilhaft kann das Dichtelement 48 mit Hilfe des Abdeckelementes 70, welches den Abschlussdeckel 30 integriert aufweist, in seiner bekannten Position gehalten werden.
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Bevorzugt weist das einstückige Abdeckelement 70 des zweiten Ausführungsbeispiels ebenfalls eine zur Ultraschallverschweißung geeigneten Form auf.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102015102066 A1 [0003]
