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Ein
elektromagnetischer Aktuator zur Betätigung eines Stellgliedes weist
wenigstens einen, vielfach aber zwei mit bstand zueinander angeordnete gesteuert
bestrombare Elektromagneten auf. Dem Elektromagneten ist ein mit
dem zu betätigenden Stellglied
in Wirkverbindung stehender, mit einem Führungsbolzen verbundener Anker
zugeordnet, der bei Bestromung des Elektromagneten gegen die Kraft
einer Rückstellfeder
zur Anlage gebracht wird und bei Abschalten des Stromes wieder seine
Ausgangsstellung einnimmt. Bei der Anordnung von zwei Elektromagneten
und entsprechend zwei Rückstellfedern
kann bei abwechselnder Bestromung der Elektromagneten der Anker
entsprechend der Frequenz der wechselnden Bestromung hin und her
bewegt werden. Die Dauer der Bestromung eines Elektromagneten bestimmt
zugleich auch die Zeit, in der der Anker an der Polfläche gehalten
und dementsprechend das zu betätigende
Stellglied in der zugehörigen
Schaltposition gehalten wird.
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Ein
derartiger elektromagnetischer Aktuator mit zwei Elektromagneten
wird insbesondere als Antrieb für
ein Gaswechselventil an einer Kolbenbrennkraftmaschine verwendet.
Hier dient eine Rückstellfeder
in bezug auf das Gaswechselventil als Öffnerfeder und die andere Rückstellfeder
als Schließfeder. Wegen
der notwendigen verwendeten großen
Kräfte, um
das Gaswechselventil einerseits in der Schließstellung zu halten, andererseits
aber, um das Gaswechselventil gegen den Gasinnendruck im Zylinder zu öffnen, sind
Schraubendruckfedern mit hoher Federkraft erforderlich, die senkrecht,
das heißt
in Richtung ihrer geometrischen Mittelachse belastet werden. Die
geometrische Mittelachse stellt zugleich auch die Bewegungslinie
des zu bewegenden Ankers und bei einem als Gaswechselventil ausgebildeten
Stellgliedes auch die Bewegungslinie des Stellgliedes dar.
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Die
Stirnseiten einer derartigen Schraubendruckfeder sind als kreisringförmige Planflächen gefertigt,
um eine einwandfreie Aufstandsfläche
auf der zugeordneten Federauflage zur Verfügung zu haben.
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Aufgrund
von Fertigungstoleranzen ist jedoch die Wirkungslinie der resultierenden
Kraft der senkrecht belasteten Schraubendruckfedern im allgemeinen
nicht deckungsgleich mit ihrer geometrischen Mittelachse. Dies hat
zur Folge, daß die
Kraft nicht in gleichmäßiger Verteilung über die
Aufstandsfläche
sondern an einer bevorzugten Stelle der Aufstandsfläche eingeleitet
wird. Die exzentrische Lage des Krafteinleitungspunktes bewirkt
in der Aufstandsfläche
der Schraubendruckfeder Reaktionskräfte, die durch Querkräfte und
auch Kippmomente nachgewiesen werden können. Diese Momente werden
von der Federauföage
und damit auf den Anker und den Ankerführungsbolzen übertragen
und bewirken neben einer Rotation des Ankers um seine Hochachse, das
heißt
um seine Bewegungslinie, auch ein Kippen des Ankers quer zu dieser
Bewegungslinie. Die Folge ist ein unerwünschtes Anschlagen des Ankers
an die seitlich den Ankerraum begrenzenden Materialien sowie die
Einleitung stochastisch auftretender Reibungseffekte. Die Rotation
des Ankers um seine Hochachse ist insbesondere bei Aktuatorbauformen von
Nachteil, bei denen der Anker nicht rotationssymmetrisch ausgebildet
ist, beispielsweise bei rechteckigen Ankern. Durch das Kippen ändert sich
dann auch je nach Lage des Krafteinleitungspunktes das Ablöseverhalten
des Ankers von der Polfläche
beim Stromlossetzen des Elektromagneten.
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Der
Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen elektromagnetischen
Aktuator der vorstehend beschriebenen Art so zu verbessern, daß die genannten
Nachteile vermieden werden.
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Diese
Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch
gelöst,
daß zumindest
der Anker über
eine Gelenkanordnung auf der Rückstellfeder
abgestützt
ist und zwischen dem Anker und der Rückstellfeder einerseits und
einem Stellglied und dem Anker andererseits jeweils ein getrennt
voneinander angeordneter Führungsbolzen
vorgesehen ist. Der üblicherweise
mit der Federauflage eines Führungsbolzens
ver bundene Anker, auf die dann die Rückstellfederkräfte einwirken,
wird durch die zwischengeschaltete Gelenkanordnung von der Rückstellfeder
entkoppelt, so daß die
beim Spannen und Entspannen der Schraubendruckfeder auftretenden
Rotationsbewegungen nicht oder nur minimal infolge von Reibungskräften im
Bereich der Gelenkanordnung übertragen
werden. Geometrische Abweichungen der Wirkungslinie der resultierenden
Federkraft gegenüber
der geometrischen Mittelachse der Feder können nicht mehr als Kippkräfte über Führungsbolzen
auf den Anker einwirken. Die Gelenkanordnung ist so auszulegen,
daß sie
mindestens zwei Freiheitsgrade aufweist. In beiden vorstehend genannten
Einsatzfällen
mit drei Freiheitsgraden erlaubt die Gelenkanordnung eine Bewegung
der Rückstellfeder
gegenüber
dem Anker in allen drei Koordinatenachsen, das heißt neben
einem Kippen gegenüber
der Mittelachse auch eine Rotation um diese Achse. Die Gelenkanordnung
wird zweckmäßigerweise
durch ein sphärisches
vorzugsweisequerkraftfreies Gelenk gebildet.
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In
einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rückstellfeder
durch eine Schraubendruckfeder gebildet wird und daß der Gelenkmittelpunkt
auf der geometrischen Mittellinie der Schraubendruckfeder liegt.
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In
weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Rückstellfeder
am Gehäuse über eine
sphärische
Gelenkanordnug abgestützt
ist. Durch diese Anordnung werden störende Einwirkungen der Rückstellfeder
auf den Anker noch weiter minimiert, da beide Federenden in den
durch die gegebenen Freiheitsgrade der Gelenkanordnung in ihrer Relativbewegung
gegenüber
dem Anker und/oder gegenüber
dem Gehäuse
frei sind.
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In
zweckmäßiger Ausgestaltung
der Erfindung ist vorgesehen, daß die Gelenkanordnung ein Stützjoch für die Rückstellfeder
aufweist. Ein derartiges Stützjoch
kann als Platte oder als Traverse ausgebildet werden, das auf der
einen Seite die Aufstandsfläche
für die
Rückstellfeder
bildet und auf der anderen Seite bereits Teil der sphärischen
Gelenkanordnung ist. Hierbei ist es beispielsweise möglich, das
Stützjoch
mit einer Bohrung zu versehen, in die eine entsprechend dimensionierte
Stahlkugel eingepreßt
ist und der dann eine entsprechende Gegenfläche am Gehäuse und/oder am Ende der mit
dem Anker verbundenen Führungsbolzen
zugeordnet ist. Die Anordnung kann auch in der Weise getroffen werden, daß das Stützjoch entweder
eben ausgebildet oder mit entsprechend kalottenförmigen Ausnehmungen versehen
ist, in die dann ein entsprechend sphärisch ausgebildetes Gegenelement
bzw. das entsprechend sphärisch
ausgebildete Ende des mit dem Anker verbundenen Führungsbolzen
eingreift.
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Die
Erfindung wird mit unterschiedlichen Ausgestaltungen anhand einer
schematischen Zeichnung eines elektromagnetischen Aktuators zur Betätigung eines
Gaswechselventiles näher
erläutert.
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Der
als Ausführungsbeispiel
dargestellte elektrische Aktuator besteht im wesentlichen aus einem
Schließmagneten 1 und
einem Öffnermagneten 2,
die mit ihren Polflächen 3 und 4 mit
Abstand zueinander angeordnet sind. Zwischen den beiden Polflächen 3 und 4 ist
ein Anker 5 angeordnet, der mit einem Führungsbolzen 6 verbunden
ist, der mit seinem einen Ende auf den Schaft 7.1 eines
Gaswechselventils 7 einwirkt, das hier das Stellglied bildet.
Dem Gaswechselventil 7 ist eine Schließfeder 8 zugeordnet,
die zugleich eine Rückstellfeder
für den
elektromagnetischen Aktuator bildet. Der Führungsbolzen 6 ist
bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel
geteilt. Der Teil 6.1 ist fest mit dem Anker 5 verbunden,
während
der Teil 6.2 als Stößel ausgebildet
ist und nur kraftschlüssig
mit dem Anker 5 verbunden ist. Der mit dem Anker 5 fest
verbundene Teil 6.1 des Führungsbolzens 6 ist
an seinem Ende kalottenförmig
ausgebildet und steht auf dem ebenfalls kalottenförmig ausgebildeten
Ende des Ventilschaftes 7.1 auf. Aufgrund der "Punktberührung" wird die Rotationsbewegung der
Schließfeder 8 nicht
auf den Führungsbolzens 6.1 übertragen.
Das Gaswechselventil 7 kann dagegen die erwünschte Rotationsbewegung
ausführen.
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Am
anderen Ende des elektromagnetischen Aktuators ist in einem Gehäuse 9 eine
als Öffnerfeder 10 dienende
Rückstellfeder
angeordnet, auf die sich das freie Ende 11 des Führungsbolzens 6.1 ab stützt und
die sich ihrerseits in einem im Gehäuse 9 höheneinstellbaren
Stelldeckel 12 abstützt, über den
die Federvorspannung der Öffnerfeder
und/oder die Ankermittellage eingestellt werden kann.
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Sowohl
die Schließfeder 8 als
auch die Öffnerfeder 10 sind
so ausgelegt, daß in
stromlosem Zustand der Anker 5 die hier dargestellte Mittellage
zwischen den beiden Polflächen 3 und 4 einnimmt.
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Wird
der Schließmagnet 1 bestromt,
dann wird gegen der Kraft der Öffnerfeder 10 der
Anker 5 an der Polfläche 3 zur
Anlage gebracht. Wird dann der Schließmagnet 1 stromlos
gesetzt und der Öffnermagnet 2 bestromt,
dann wird der Anker 5 zusammen mit dem Gaswechselventil 7 durch
die Vorspannung der Öffnerfeder 10 in Öffnungsrichtung
bewegt und beim Überschwingen über die
Mittellage von der Magnetkraft des Öffnermagneten 2 erfaßt und an
der Polfläche 4 zur
Anlage gebracht. Das Schließen
des Gaswechselventils erfolgt dann in umgekehrter Reihenfolge.
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Das
Gaswechselventil 7 mit seiner Schließfeder 8 ist vom Führungsbolzen 6 des
Ankers 5 getrennt, wobei beide Teile sich im wesentlichen
punktförmig
berühren.
Diese Anordnung ist schon deshalb notwendig, um einen elektromagnetischen
Aktuator auswechseln zu können,
ohne daß hierzu
die Schließfeder 8 gelöst werden
muß.
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Bei
dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel
ist die Öffnerfeder 10 jeweils
an ihren Enden mit einem oberen Stützjoch 13.1 und einem
unteren Stützjoch 13.2 versehen.
Die der Öffnerfeder 10 jeweils
zugekehrte Fläche
des Stützjochs
bildet hierbei die mit einer Zentrierung 13.3 versehene
Aufstandsfläche,
wobei gegebenenfalls die Stützjoche
fest mit der zugehörigen
Gegenfläche
der Öffnerfeder 10 verbunden
sein können,
so daß die Öffnerfeder 10 zusammen
mit den beiden Stützjochen 13.1 und 13.2 eine
Baueinheit bildet.
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Die
der Schraubendruckfeder abgewandten Fläche wenigstens eines der Stützjoche 13.1 und 13.2 sind
hierbei als Gelenkanordnung ausgebildet. Hierzu ist in der Zeichnung
für die
Gelenkanordnung 11 am Stützjoch 13.2 die dem
Führungsbolzen 6.2 zugekehrte
Fläche
ebenflächig ausgebildet,
auf der sich das als Kugelkalotte ausgebildete freie Ende des Führungsbolzens 6.1 abstützt und
ein querkraftfreies sphärishes
Geblenk bildet. Die Anordnung kann auch so getroffen werden, daß die dem
Führungsbolzen 6.2 zugekehrte
Fläche
mit einer kalottenförmigen Ausnehmung
versehen, vorzugsweise in Form einer Kugelkalotte, der eine entsprechend
geformte Gegenfläche
am Führungsbolzen
zugeordnet ist. Hierbei entfällt
dann die Zentrierung 13.3, so daß die Öffnerfeder 10 auf
dem Stützjoch 13.2 Querbewegungen
ausführen
und ihre eigene Bewegungslinie "finden" kann.
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Auch
auf der Gehäuseseite
kann die Gelenkanordnung durch einen im Stelldeckel 12 angeordneten
Zapfen mit entsprechend kalottenförmiger freier Oberfläche gebildet.
Die Gelenkanordnung kann auch umgekehrt ausgebildet werden, das
heißt der
vorspringende Teil ist am Stützjoch
angeordnet und die Vertiefung entsprechend im Stelldeckel 12.
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Bei
beiden Gelenkanordnungen liegt der Gelenkmittelpunkt auf der geometrischen
Mittellinie 17 der Öffnerfeder 10.
Durch diese gelenkige Abstützung
der aus der Schraubendruckfeder und den Stützjochen gebildeten Federeinheit
ist sichergestellt, daß auf
den Führungsbolzen 6 des
Ankers 5 keine als Biegemomente wirksame Kräfte übertragen werden
können.
Durch eine entsprechende Schmierung, beispielsweise eine Ölnebelschmierung
oder dergleichen, kann Reibung und Verschleiß der Gelenkanordnungen minimiert
werden.
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Um
die beim Spannen und Entspannen der Öffnerfeder 10 auftretenden
Rotationskräfte
um die Bewegungslinie in ihrer Wirkung auf den Anker weitgehend
zu eliminieren, ist es zweckmäßig, wenn
im Bereich eines der Stützjoche
ein Axiallager angeordnet ist. In der Zeichnung ist das gehäuseseitige
Stützjoch über ein
Axiallager 18, beispielsweise in Form eines Nadellagers
am Stelldeckel 12 abgestützt. Die Anordnung am gehäuseseitigen
Stützjoch 13.1 hat den
Vorteil, daß die
bewegte Masse nicht erhöht
wird. Das stößelseitige
Stützjoch 13.2 wird
zweckmäßig so ausgebildet,
daß es
unter Einhaltung der geforderten Festigkeitsbedingungen die geringstmögliche Masse aufweist.
Dies kann beispielsweise durch die Verwendung hochfester Werkstoffe
verwirklicht werden.
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Die
Anordnung kann auch so getroffen werden, daß das gehäuseseitige Stützjoch 13.1 geteilt ausgebildet
und zwischen beiden Teilen das Axiallager 18 angeordnet
ist. Am Stelldeckel 12 kann dann das Stützjoch über eine Gelenkanordnung der
vorbeschriebenen Art abgestützt
sein.