DE20115060U1

DE20115060U1 - Nockenwellenloser Aktuator für Betätigung eines Hubventils

Info

Publication number: DE20115060U1
Application number: DE20115060U
Authority: DE
Original assignee: TRW Deutschland GmbH
Current assignee: Bayerische Motoren Werke AG
Priority date: 2001-09-12
Filing date: 2001-09-12
Publication date: 2002-01-31
Anticipated expiration: 2011-09-13
Also published as: US20050022876A1; DE50211220D1; WO2003023196A1; EP1430202B1; EP1430202A1; US7322374B2

Description

Die Erfindung betrifft einen nockenwellenlosen Aktuator zur Betätigung eines Hubventils einer Brennkraftmaschine, mit einem oszillierend bewegten, mit dem Hubventil gekoppelten Stößel.

Üblicherweise sind die nockenwellenlosen Ventiltriebe elektromagnetische Aktuatoren. Damit der Stößel exakt positioniert werden kann, ist es erforderlich, seine Lage möglichst exakt zu bestimmen. Hierzu werden sogenannte Targets an Stößeln vorgesehen, deren Lagen mittels entsprechend ausgelegter Sensoren bestimmt werden können. Bislang werden hauptsächlich sogenannte Kupfertargets verwendet. Dazu wird eine Nut im Stößel mit Kupfer ausgegossen. Anschließend wird der Stößel üblicherweise außenseitig bearbeitet, damit der mit Kupfer ausgegossene Bereich absatzlos in die angrenzende Außenfläche des Stößels übergeht.

Die Erfindung schafft einen Aktuator, der es erlaubt, mit empfindlicheren Sensoren zu arbeiten, so daß eine verbesserte Signalqualität erreicht wird. Diese Verbesserung ist ohne eine wesentliche Steigerung des Herstellungsaufwandes möglich. Dies wird bei einem Aktuator der eingangs genannten Art dadurch erreicht, daß auf dem Außenumfang des Stößels ein wenigstens einfach geschlitzter, als separates, vorgefertigtes Teil ausgebildeter Targetring befestigt ist, der aus einem

Werkstoff auf Fe-Basis oder aus einem ferritischen Werkstoff besteht. Durch einen Targetring, der auf Fe-Basis oder aus einem ferritischen Werkstoff besteht, kann ein Sensor, der mit niedrigeren Frequenzen als bei einem Target aus Kupfer arbeitet, verwendet werden. Gesteigert werden kann die Signalqualität zusätzlich dadurch, daß der Targetring, aus einem separaten, vorgefertigten Teil besteht. Das bedeutet, der Targetring wird beim und nach dem Anbringen an dem Stößel nicht mehr thermisch so stark belastet, wie das beispielsweise beim schmelzenden Auftragen der Fall wäre, bei dem der Umwandlungsprozess im Werkstoff des Targetrings auftreten würden, die seine magnetischen Eigenschaften ändern würden. Indem der Targetring wenigstens einfach geschlitzt ist, ist es möglich, ihn von außen auf den Stößel aufzusetzen, ohne daß es eines zusätzlichen Befestigungsteiles bedarf. Neben der gesteigerten Signalqualität wird eine deutlich einfachere Herstellung und wesentlich bessere Positionserkennung erreicht.

Vorzugsweise ist in dem Aktuator ein mit niedriger Frequenz arbeitender Induktionssensor vorgesehen, der die Lage des Targetrings und damit des Stößels erfaßt.

Wenn der Targetring ein einfach geschlitzter Ring ist, ist er vorzugsweise elastisch soweit aufweitbar, daß er von außen auf den Stößel aufgeschoben werden kann. Der Stößel kann in diesem Zusammenhang beispielsweise eine Umfangsnut zur Aufnahme des Targetrings haben. Axial oder radial von außen wird dann der Targetring aufgeweitet und aufgeschoben, um anschließend in die Umfangsnut einzurasten. Der Ring ist so ausgelegt, daß der Spalt nach dem Einrasten des Ringes in die Nut kaum noch vorhanden ist.

Eine andere Möglichkeit, den Targetring auszubilden, besteht darin, ihn aus zwei oder mehr aneinandergrenzenden Ringsegmenten, vorzugsweise Kreisringsegmenten, zusammenzusetzen, die ebenfalls separate, vorgefertigte Teile bilden. Diese Ausführungsforrn bietet den Vorteil, daß der Targetring nicht beim Befestigen elastisch verformt werden muß, sondern daß die Segmente von radial außerhalb des Sitzes am Stößel einfachs in die Umfangsnut eingelegt werden.

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Der Targetring sollte spiel- und spaltfrei am Stößel befestigt sein. Die Befestigung des Targetrings kann dabei beispielsweise durch plastisches Verformen des Stößels an einem dem Targetring angrenzenden Bereich und/oder durch plastisches Verformen des Targetringes erfolgen, so daß der Targetring unlösbar (d.h., nur durch Zerstörung lösbar) am Stößel gehaltert ist.

Dieses plastische Umformen ist beispielsweise ein Prägen, Kneten, Walzen oder Drücken. Der Targetring wird durch dieses Umformen geklemmt, vorzugsweise kann aber auch eine formschlüssige Verbindung entstehen.

Alternativ könnte der Targetring auch durch Löten, Schweißen oder Kleben am Stößel befestigt sein.

Um eine möglichst optimale Positionierung und Lagefixierung des Targetrings auf dem Stößel zu erreichen, ist gemäß einer Ausfuhrungsform vorgesehen, daß der Targetring, im Längsschnitt gesehen, eine Innenseite hat, die wenigstens einen radial nach Innen ragenden Fortsatz und/oder wenigstens eine Einbuchtung hat. Dieser Fortsatz oder diese Einbuchtung können einen Formschluß in Umfangsrichtung und/oder einen Formschluß in axialer Richtung herbeiführen. Dabei sollte der Stößel eine auf die Geometrie des Targetrings abgestimmte Umfangsnut zur Aufnahme des Targetrings haben.

Eine andere Möglichkeit, einen Formschluß zu erreichen, besteht darin, dem Targetring, im Längsschnitt gesehen, eine Trapezquerschnittsform zu geben. Die längere Grundseite des Trapezes sollte dabei die Innenseite bilden.

Vorzugsweise ist der Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator mit einer oder zwei Spulen. Der Stößel bildet den Ankerschaft. Dieser betätigt den Ventilschaft und ist mit dem Ventilschaft gekoppelt oder gegebenenfalls sogar einstükkig verbunden.

Die Erfindung schafft, zusammenfassend gesagt, einen Aktuator mit empfindlicherem Target, durch das die Signalqualität und die Genauigkeit der Positionsbestimmung deutlich gesteigert werden kann. Darüber hinaus ist die Herstellung

des Targets günstig und seine Befestigung am Stößel einfach und zuverlässig. Auch die Schwankungen der Materialeigenschaften des Targets können reduziert werden, da das Target nicht in einer Nut thermisch aufgetragen wird und damit seine Materialeigenschaften nicht ändert, sondern indem ein vorgefertigtes Target am Stößel angebracht wird, ohne daß es dabei extremen Temperaturbelastungen unterworfen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird. In den Zeichnungen zeigen:

Figur 1 eine Längsschnittansicht durch einen in einer Brennkraftmaschine eingebauten nockenwellenlosen, elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung des Hubventils der Brennkraftmaschine,

Figuren 2a bis 2c verschiedene Ausführungsformen des beim erfindungsgemäßen Aktuator einsetzbaren Targetringes,

Figuren 3a bis 3e Längsschnitte durch bei der Erfindung verwendbare Targetringe gemäß dreier verschiedener Ausführungsformen,

Figuren 4a bis 4c aufeinanderfolgende Verfahrensschritte der Anbringung eines Targets auf dem Stößel beim erfindungsgemäßen Aktuator,

Figuren 5 a bis 5c aufeinanderfolgende Verfahrensschritte einer anderen Befestigung eines Targets auf dem Stößel beim erfindungsgemäßen Aktuator, und

Figuren 6a und 6b aufeinanderfolgende Verfahrensschritte noch einer anderen Befestigung eines Targets an einem Stößel beim erfindungsgemäßen Aktuator.

In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 im Bereich des Zylinderkopfes dargestellt, bei der das Hubventil 12 durch einen nockenwellenlosen Ventiltrieb in Form eines elektromagnetischen Aktuators 14 betätigt wird. Der Aktuator 14 umfaßt zwei Elektromagnete 16, 18, durch die sich ein Anker oder, allgemeiner gesagt, ein Stößel 20 erstreckt, der an seinem unteren Ende mit dem Ventilschaft 22

verbunden ist, so daß die axiale, oszillierende Bewegung des Stößels 20 unmittelbar eine entsprechende Bewegung des Hubventils 12 hervorruft. Die Axialbewegung des Stößels 20 soll weggesteuert erfolgen, weshalb die Lage des Stößels möglichst exakt und schnell ermittelt werden muß. Ein den Stößel umgebender induktiv und bei niedrigen Frequenzen arbeitender Sensor 24 ist für die Positionsbestimmung des Stößels 20 vorgesehen. Radial einwärts des Sensors 24 ist ein Targetring 26 in einer Umfangsnut im Stößel 20 spiel- und spaltfrei befestigt. Der Sensor 24 bestimmt die Lage des Targetrings 26 und damit des Stößels 20 und des Hubventils 22.

Der Targetring 26 ist aus einem Werkstoff auf Fe-Basis oder einem ferritischen Werkstoff. Bei dieser wie bei allen anderen Ausführungsformen ist der Targetring ein separates, vorgefertigtes Teil, das am Stößel befestigt wird.

In Figur 1 ist noch zu erkennen, daß das Hubventil 12 durch eine an einem Federteller 28, welcher am Ventilschaft 22 befestigt ist, angreifende Druckfeder 30 in die gezeigte Schließstellung gedrückt wird.

Es bestehen verschiedenste Möglichkeiten, den Targetring 26 auszubilden. Gemäß der Ausführungsform nach Figur 2a ist der Targetring 26 ein einfach geschlitzter Ring mit einer solchen Elastizität, daß er axial oder radial auf den Außenumfang des Stößels 20 geschoben werden kann und in die Umfangsnut einrastet.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2a sollten die Abmessungen und die Geometrie des Targetrings 26 so auf die Umfangsnut am Stößel 20 und damit den Außenumfang abgestimmt sein, daß der Schlitz 32 nach dem Befestigen am Stößel gering oder überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Auf jeden Fall ist der Targetring 26 spielfrei am Stößel befestigt, was auch für die übrigen Ausführungsformen gilt. Zusätzlich könnte noch vorgesehen sein, daß der Targetring innenseitig mit dem Grund der Umfangsnut verklebt ist.

Bei der Ausführungsform nach Figur 2b besteht der Targetring 26 aus zwei Ringsegmenten 34, 36, die einfach von radial außen auf den Stößel, genauer ge-

sagt in die den Außenumfang abschnittsweise bildende Umfangsnut eingesetzt werden. Die Segmente, genauer gesagt Zylinderhalbschalen, 36 und 38 können aneinander oder in der Umfangsnut auch durch Schweißen, Löten oder Kleben befestigt sein oder durch die später noch erläuterten Umformverfahren. Auch bei dieser Ausführungsform ist es wichtig, daß die Abmessungen der Segmente 36, 38 exakt auf die der Umfangsnut abgestimmt sind, so daß möglichst radial und umfangsmäßig zwischen den Segmenten 36, 38 kein Spalt oder Stoß auftritt. Vielmehr sollten sich die Segmente 36,38 spielfrei an den Schaft anlegen.

Gleiches gilt auch für die Ausführungform nach Figur 2c, bei der drei Segmente 40 bis 44 vorgesehen sind.

Der Targetring 26 kann, wie in Figur 3 a dargestellt, kreiszylindrisch sein.

Bei der Ausführungsform nach Figur 3b ragt ein konvexer, umlaufender Fortsatz auf der Innenseite 46 radial einwärts, wogegen bei der Ausführungsforrn nach Figur 3c auf der Innenseite 46 eine umlaufende Einbuchtung vorgesehen ist, die Innenseite 46 also konkav ausgeführt ist. Gemäß Figur 3d ragt ein im Querschnitt rechteckiger Fortsatz 52 und gemäß Figur 3e ragen zwei entsprechende Fortsätze 54, 56 radial einwärts. Durch diese Formgebung soll eine bessere Verbindung mit dem Stößel erreicht werden, dessen Nut eine der Geometrie der Innenseite 46 entsprechende komplementäre Form haben sollte.

In den Figuren 4a bis 4c ist dargestellt, daß die Umfangsnut 60 im Ursprungszustand eine trapezförmige Gestalt hat, ähnlich einer Schwalbenschwanzführung. In die Umfangsnut 60 wird ein im Querschnitt rechteckiger Targetring 26, der ein- oder mehrfach geschlitzt sein kann, eingelegt. Anschließend wird der Targetring 26 auf seiner Außenfläche durch z.B. Walzen oder Drücken plastisch verformt und so in die Umfangsnut eingedrückt, daß er diese komplett ausfüllt. Damit sichergestellt ist, daß bei dieser Umformung auch tatsächlich die Umfangsnut 60 komplett ausgefüllt wird und der Targetring 26 formschlüssig in ihr aufgenommen ist, ist das Volumen des Targetrings 26 etwas größer ausgelegt als das Volumen der Umfangsnut 60, so daß, wie in Figur 4b gezeigt, im vollständig eingedrückten

Zustand noch etwa Material des Targetrings 26 radial vorsteht. Der Stößel 20 samt Targetring wird anschließend außenseitig überschliffen, bis eine zylindrische Außenoberfläche entsteht und kein Stoß mehr zwischen Targetring 26 und Außenumfang 62 des Stößels vorhanden ist.

Bei der in Figur 5a dargestellten Ausführungsform hat der Stößel eine rechtekkige Umfangsnut 60 mit seitlich der Nut an beiden axialen Seiten radial vorstehenden Ringwülsten 64, die entweder beim Vorfertigen, z.B. Drehen des Stößels 20 erzeugt werden oder durch anschließendes Umformen. Der Targetring 26 hat bei dieser Ausführungsform im Querschnitt eine trapezförmige Gestalt, wobei die längere Grundseite des Trapezes die Innenseite des Targetrings bildet. Nach dem Einsetzen des Targetrings oder der Segmente, die den Targetring bilden, wird das Material des Stößels angrenzend an die Umfangsnut 60 plastisch verformt, z.B. durch Kneten, Walzen, Drücken oder andere plastische Umformverfahren. Die Ringwülste 64 wandern so axial zum Targetring 26, und im umgeformten Zustand ist der Target-ring 26 spaltfrei in der Ringnut 60 aufgenommen (Figur 5b). Anschließend wird die Außenseite 62 des Stößels 20 samt Targetring, wie bei Figur 4c erläutert, überschliffen (siehe auch Figur 5 c).

Bei der Ausführungsform nach Figur 6a haben der Targetring 26 und die Umfangsnut 60 eine rechteckige Querschnittsform, wobei im eingesetzten Zustand, der in Figur 6a dargestellt ist, ein geringes axiales Spiel zwischen Targetring 26 und den Seitenwänden der Umfangsnut 60 vorhanden ist. Anschließend wird in Bereichen des Stößels unmittelbar an den Targetring 26 angrenzend der Stößel durch beispielsweise Walzen so umgeformt, daß Nuten 70 entstehen und das Material des Stößels 20 in Richtung zum Targetring 26 gedrückt wurde, um diesen zu klemmen und gleichzeitig formschlüssig in der Umfangsnut 60 zu arretieren. Bei dieser Ausführungsform wird aber nicht nur der Stößel 20, sondern auch der Targetring 26 verformt.

Claims

1. Nockenwellenloser Aktuator zur Betätigung eines Hubventils (12) einer Brennkraftmaschine (10),
mit einem oszillierend bewegten, mit dem Hubventil (12) gekoppelten Stößel (20),
dadurch gekennzeichnet, daß
auf dem Außenumfang des Stößels ein wenigsten einfach geschlitzter, als separates, vorgefertigtes Teil ausgebildeter Targetring (26) befestigt ist, der aus einem Werkstoff auf Fe-Basis oder aus einem ferritischen Werkstoff besteht.

2. Aktuator nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nahe des Targetrings (26) ein mit niedriger Frequenz und auf dem Induktionsprinzip arbeitender Sensor (24) vorgesehen ist, der die Lage, die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung des Targetrings (26) und damit des Stößels (20) erfassen kann.

3. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) ein einfach geschlitzter Ring ist, der elastisch so weit aufgeweitet werden kann, daß er von außen auf den Stößel (20) aufgeschoben werden kann.

4. Aktuator nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) aus zwei oder mehr umfangsmäßig aneinandergrenzenden Ringsegmenten besteht, die separate, vorgefertigte Teile bilden.

5. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) durch plastisches Verformen des Targetrings (26) selbst und/oder des Stößels an einem an den Targetring (26) angrenzenden Bereich am Stößel nicht lösbar gehaltert ist.

6. Aktuator nach Anspruch 5. dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) durch das Umformen formschlüssig am Stößel (20) befestigt ist.

7. Aktuator nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring durch Prägen, Kneten, Walzen oder Drücken des Stößels (20) in einem an den Targetring (26) angrenzenden Bereich am Stößel (20) gehaltert ist.

8. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) durch Löten, Schweißen oder Kleben am Stößel (20) befestigt ist.

9. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) in einer Umfangsnut (60) im Stößel (20) aufgenommen ist.

10. Aktuator nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Umfangsnut (60) komplementär zum Targetring (26) geformt ist.

11. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26), im Längsschnitt gesehen, eine Innenseite (46) hat, die wenigstens einen radial nach innen ragenden Fortsatz (48; 54, 56) und/oder wenigstens eine Einbuchtung (50) hat.

12. Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26) mehrere radial nach innen ragende Fortsätze (54, 56) und der Stößel (20) komplementär geformte Einbuchtungen zur Aufnahme der Fortsätze (54, 56) hat.

13. Aktuator nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Fortsatz (48) konvex und die Einbuchtung (50) konkav geformt sind.

14. Aktuator nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Targetring (26), im Längsschnitt gesehen, einen trapezförmigen Querschnitt hat, wobei die längere Grundseite die Innenseite des Targetrings (26) bildet.

15. Aktuator nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Aktuator ein elektromagnetischer Aktuator ist und der Stößel den Ankerschaft bildet, wobei der Ankerschaft mit dem Ventilschaft (22) gekoppelt ist.