DE9420463U1 - Elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtung - Google Patents
Elektromagnetisch betätigbare StellvorrichtungInfo
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Description
Bezeichnung: Elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtung
Beschreibung:
5
5
Elektromagnetisch betätigbare Stellvorrichtungen, insbesondere derartige Stellvorrichtungen zur Betätigung
von Gaswechselventilen an Brennkraftmaschinen sind bekannt, so beispielsweise aus &Egr;&Rgr;-&Aacgr;-0 043 426 und
EP-A-O 197 357. Die aus diesen Druckschriften bekannten Bauformen weisen jedoch ein spezifisches Leistungsgewicht
und einen hohen Raumbedarf auf, so daß sie bei der Anwendung als Stellvorrichtungen·für Gaswechselventile an
Brennkraftmaschinen moderner Bauart, insbesondere solchen mit Mehrventilbetrieb, nicht einsetzbar sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorbekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen in ihrem Aufbau
zu vereinfachen und so zu einer kompakteren raumsparenden Bauform zu gelangen.
Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine elektromagnetische Stellvorrichtung, die wenigstens
eine Schubstange aufweist, die auf das zu betätigende Stellorgan einwirkt und die mit einem Anker in Verbindung
steht, der zwischen den Polflächen von zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten Elektromagneten hin-
und herbewegbar geführt ist und der bei stromlos geschalteten Elektromagneten durch wenigstens zwei gegeneinander
wirkende Federelemente in einer Zwischenstellung zwischen den Polflächen gehalten wird und wobei die Federelemente
gesondert außerhalb der Elektromagnete angeordnet sind. Hierbei ist es zweckmäßig, wenn ein Federelement unmittelbar
auf den Anker einwirkt und das entgegenwirkende andere Federelement nach Art einer Rückstellfeder über
das Stellorgan auf den Anker einwirkt. Diese Bauform ermöglicht eine effektive Ausnutzung der Polflächen,
was zu einer kompakteren Form der Stell-
einrichtung insgesamt führt. Ein weiterer Vorteil dieser Ausgestaltung besteht darin, daß beispielsweise bei
der Verwendung als Stellvorrichtung für ein Gaswechselventil an einer Brennkraftmaschine, das das Stellorgan
bildende Gaswechselventil wie bisher, mit einer in Schließrichtung wirkenden Ventilfeder versehen werden kann,
die gleichzeitig als eines der Federelemente der Stellvorrichtung dient, das auf den Anker der Stellvorrichtung
einwirkt. Daher ist es in Ausgestaltung der Erfindung zweckmäßig, wenn die Federelemente an der Stirnseite
wenigstens eines der Elektromagneten angeordnet sind.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Schubstange geteilt ausgeführt
ist, wobei ein Teil mit dem Anker fest verbunden ist und der anderef, dem Stellorgan abgekehrte Teil mit
dem zugeordneten Federelement verbunden ist und durch dieses kraftschlüssig mit dem Anker in Verbindung steht.
Durch die Unterteilung der Schubstange kann der Anker mit dem festverbundenen Teil der Schubstange eine rein
axiale Bewegung ausführen, während der mit dem Federelement verbundene Teil der Schubstange/ beispielsweise
bei der Verwendung einer Schraubenfeder als Federelement ohne Beeinflussung des Ankers die bei der Bewegung auftretende
Federrotation ausführen kann. Die Schubstange kann hierbei fest mit dem Stellorgan verbunden sein.
In vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das dem Stellorgan zugekehrte Federelement mit einem
Ansatz am Stellorgan verbunden ist, der durch die Feder kraftschlüssig mit der Schubstange in Verbindung gehalten
wird. Hierdurch wird bei der Verwendung einer Schraubenfeder als zweites Federelement wiederum eine Abkoppelung
des Ankers mit seiner Schubstange vom Ansatz des Stellorgans
bewirkt, so daß das Stellorgan die im Betrieb auftretende Federrotation ohne Beeinflussung des Ankers
ausführen kann. Der weitere Vorteil besteht darin, daß
dieses zweite Federelement über den Ansatz am Stellorgan zugleich als Rückstellfeder auf das Stellorgan wirken
kann.
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung ist hierbei vorgesehen, daß die beiden gegeneinander wirkenden Federelemente
auf der dem Stellorgan zugekehrten Seite des Elektromagneten angeordnet sind, wobei ein Federelement
auf die Schubstange und das andere Federelement auf einen Ansatz am Stellorgan einwirkt und daß die Schubstange
und der Ansatz kraftschlüssig miteinander verbunden sind. Diese Anordnung erlaubt es, die beiden Federelemente
auf nur einer Seite der Elektromagnetanordnung vorzusehen, wobei noch die Bauhöhe dadurch reduziert werden kann,
wenn das eine Federelement das andere Federelement teleskopartig umgreift.
In weiterer vorteilhafter Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß bei den Elektromagneten jeweils
die Magnetspule mit einem geblechten Jochkörper verbunden
ist, so daß das Entstehen von Wirbelströmen vermindert wird.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß einer der beiden Elektromagneten
in Bewegungsrichtung des Ankers verschiebbar gelagert und mit einer Stelleinrichtung verbunden ist, durch
die der Abstand der einander zugekehrten Polflächen der beiden Elektromagneten veränderbar ist. Hierdurch
ist es möglich, den Abstand der Polflächen der beiden einander zugeordneten Elektromagneten und damit auch
den Hub des Ankers und dementsprechend auch den Hub des zu betätigenden Stellorgans zu verändern. In zweckmäßiger
Ausgestaltung der Erfindung ist hierbei vorgesehen, daß die Stelleinrichtung durch einen Zusatz-Elektromagen- ■
ten gebildet wird, durch den der verschiebbar gelagerte Elektromagnet im Zusammenwirken mit einem als Rückstell-
feder wirkenden Federelement in zwei verschiedenen Endlagen gehalten werden kann. Als Rückstellfeder kann
bei entsprechender Anordnung auch eines der Federelemente verwendet werden, das an der Stelleinrichtung
5 ohnehin vorhanden ist.
Die Erfindung wird anhand schematischer Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Stelleinrichtung zur Betätigung
eines Gaswechselventils an einem Verbrennungsmotor,
Fig. 2 in vergrößerter Darstellung eine spezielle Federschaltung,
Fig. 3 eine Stelleinrichtung mit verstellbarem
Hub.
Die in Fig. 1 dargestellte Stelleinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventiles weist zwei mit Abstand
zueinander angeordnete Stellmagnete 1 und 2 auf, deren Jochkörper mit Magnetspulen 3 und 4 versehen sind. Die
Anordnung ist hierbei so getroffen, daß die jeweiligen PoIflachen 5 und 6 einander gegenüberliegen. Zwischen
den beiden Polflächen 5 und 6 ist ein Anker 7 angeordnet, der mit einer zweiteilig ausgebildeten Schubstange 8
verbunden ist, wobei der eine Schubstangenteil 8.1 fest mit dem Anker verbunden ist, während der andere Schubstangenteil
8.2 auf dem Anker 7 aufsitzt.
Die Schubstange 8 ist jeweils in einer Bohrung 9 des Elektromagneten 1 und einer Bohrung 10 des Elektromagneten
2 geführt.
Der Elektromagnet 1 ist an seinem dem Anker 7 abgekehrten Ende mit einem deckeiförmigen Gehäuse 11 versehen, das
als Widerlager für eine Feder 12 dient, die sich mit ihrem anderen Ende an einer Platte 13 abstützt, die
mit der Schubstange 8.2 fest verbunden ist.
Die dem Anker 7 abgekehrte Stirnfläche 14 des Elektromagneten 2 ist einem zu betätigenden Stellorgan 15, hier
einem Gaswechselventil an einer Brennkraftmaschine zugekehrt. Der Ventilschaft 16 des Gaswechselventils
ist hierbei in üblicher Weise im Zylinderkopf 17 geführt.
Das freie Ende des Ventilschaftes 16 ist hierbei mit einem tellerförmigen Ansatz 18 fest verbunden, der als
Widerlager eines Federelementes 19 dient, das sich mit seinem anderen Ende auf dem Zylinderkopf 17 abstützt.
Das Federelement 19 ist hierbei ebenso wie das Federelement 12 als Schraubdruckfeder ausgebildet, so daß beide
Federelemente gegeneinander wirken, wobei das Federelement 19 zugleich als Schließfeder für das Gaswechselventil
dient.
Das Federelement 12 auf der einen Seite und das Federelement 19 auf der anderen Seite des Ankers 7 sind nun
so ausgelegt, daß die Gleichgewichtslage des Ankers 7 etwa in der Mitte zwischen den beiden einander gegenüberliegenden
Polflächen 5 und 6 der Elektromagnete 1 und
■25 2 liegt. Hierbei kann eines der beiden Federelemente,
beispielsweise das Federelement 12 mit progressiver Kennlinie ausgestaltet sein, so daß die Gleichgewichtslage
sich aus der Mittenstellung in Richtung auf den Elektromagneten 1 verschiebt und somit ein einfacheres Starten
möglich ist.
Wird zum Elektromagneten 1 die Stromzufuhr eingeschaltet, dann kommt der Anker 7 zur Anlage an der Polfläche 5,
wobei das Federelement 12 zusammengedrückt und das Federelement 19 im wesentlichen entlastet wird. Das Gaswechselventil
ist in dieser Position geschlossen.■
Zum öffnen des Gaswechselventils wird nun die Stromzufuhr
zum Elektromagneten 1 abgeschaltet und die Stromzufuhr zum Elektromagneten 2 nach einem bestimmten Zeitpunkt
zugeschaltet. Dadurch wird der Anker 7 nicht langer &dgr; an der Polfläche des Elektromagneten 1 gehalten, so
daß die Feder 12 den Anker in Richtung auf die Mittelstellung zwischen den beiden Polflächen der Magnete
1 und 2 verschieben kann. Hierbei wird das Federelement belastet.
Das System schwingt über die Gleichgewichtslage hinaus auf die andere Seite. Da zwischenzeitlich die Stromzufuhr
zum Elektromagneten 2 eingeschaltet worden ist, wird der Anker 7 eingefangen und kommt an der Polfläche 6
zur Anlage. Das Federelement 12 ist nunmehr teilweise entspannt, wohingegen das Federelement 19 zusammengedrückt
ist. Da der Ventilschaft 16 über das Federelement 19 kraftschlüssig in jeder Stellung mit der Schubstange 8
in Verbindung steht, wird der Ventilschaft 16 um diesen Betrag verschoben und das Gaswechselventil entsprechend
geöffnet. Zum Schließen des Gaswechselventils wird wieder umgeschaltet, so daß der vorstehend beschriebene Vorgang
in umgekehrter Reihenfolge abläuft.
Da nun die Federelemente 12 und 19 jeweils axial und
• stirnseitig zu den Elektromagneten 1, 2 angeordnet sind, ergibt sich eine sehr schlanke Bauart. Gegenüber den
vorbekannten Magnetsystemen, bei denen die Federelemente in die Magnetkörper integriert sind, ergibt sich ferner
QQ eine effektivere Ausnutzung der Polflächen. Die unterteilung
der Schubstange 8 in den mit dem Federelement 12 verbundenen Schubstangenteil 8.2 und den mit dem Anker
fest verbundenen Schubstangenteil 8.1 einerseits und die Abkoppelung des Schubstangenteils 8.1 von dem zu
gg betätigenden Stellorgane, hier dem Ventilschaft 16,
der seinerseits mit dem tellerförmigen Ansatz 18 verbunden ist, ergibt sich der Vorteil, daß die beim Zusammendrücken
und Entlasten der vorzugsweise als Schraubenfedern
ausgebildeten Federelemente 12 und 19 auftretende Rotation jeweils auf das mit dem Federelement verbundene Bauteil
beschränkt bleibt.
In Fig. 2 ist eine Ausführungsform dargestellt, bei
der ausgehend von einer Magnetanordnung, wie sie anhand von Fig. 1 beschrieben ist, beide Federelemente 12 und
auf der dem Stellorgan 15 zugekehrten Stirnseite des untenliegenden Magneten 2 angeordnet sind.· In der Darstellung
ist der Magnet 2 lediglich angedeutet. Der hier nur angedeutete Anker 7 ist über seine Schubstange 8
mit einem glockenförmig ausgebildeten Widerlagerelement 13.1 versehen. Das Federelement 12 stützt sich hierbei
mit einem Ende auf dem freien Rand 13.2 des Widerlagers 13.1 ab und mit seinem anderen Ende auf der Stirnfläche
14 des Magneten 2. Der mit dem Ventilschaft 16 verbundene tellerförmige Ansatz 18 befindet sich hierbei innerhalb
des glockenförmigen Widerlagers 13.1 und ist hierbei, wie anhand von Fig. 1 beschrieben, über das Federelement
auf der Oberfläche des Zylinderkopfs 17 abgestützt.
Durch diese Verschachtelung der beiden Federelemente 12 und 19 kann gegenüber der Ausführungsform gem. Fig. 1
die Bauhöhe reduziert werden, ohne daß die kompakte Bauform der Elektromagnete aufgegeben wird. Die Arbeitsweise
entspricht der anhand von Fig. 1 beschriebenen Arbeitsweise. Die beiden Federelemente 12 und 19 besitzen
trotz der unterschiedlichen geometrischen Abmessungen die gleiche Federsteifigkeit. Zur Erleichterung des
"Anfahrens" kann das Federelement 12, wie vorstehend beschrieben, eine progressive Kennlinie aufweisen.
In Fig. 3 ist eine Ausführungsform einer elektromagnetischen
Stelleinrichtung zur Betätigung eines Gaswechselventils dargestellt, die mit einer Federanordnung versehen
ist, wie sie anhand von Fig. 2 beschrieben wurde. Die in Fig. 3 dargestellte Anordnung weist wiederum einen
oberen Elektromagneten 1 und einen unteren Elektromagneten 2 auf, die mit Abstand zueinander angeordnet sind
und zwischen denen ein Anker 7 axial bewegbar geführt
ist, der über seine Schubstange 8 auf den Ventilschaft 16 des Gaswechselventils 15 einwirken kann.
Im Gegensatz zu der Ausführungsform gem. Fig. 1 ist
nun der Elektromagnet 2 in Richtung des Doppelpfeiles verschiebbar gelagert und mit einer Verstelleinrichtung
21 verbunden, die bei dem hier dargestellten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch einen Zusatzmagneten
22 einer Ankerplatte 23 und einem mit dem zu verschiebenden Elektromagneten 2 verbundenen Koppelelement 24 gebildet
wird. Der Elektromagnet 1 und der Zusatzmagnet 22 sind hierbei über einen schematisch angedeuteten Träger
starr mit dem Zylinderkopf 17 verbunden.
Ist der Zusatzmagnet 22 stromlos gesetzt, wird unter
der Wirkung einer entsprechenden Rückstellfeder der verschiebbar gelagerte Elektromagnet 2 gegen einen Distanzhalter
27 gedrückt, der den lichten Abstand zwischen den beiden Polflächen 5 und 6 und damit den möglichen Hub
des Ankers 7 vorgibt. Hierbei befindet sich die Ankerplatte 23 der Verstelleinrichtung in Höhe der gestrichelt dargestellten
Positionslinie 28. Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel bilden die Federelemente 12 und 19 zugleich
die Rückstellfeder.
Wird nun der Elektromagnet 22 erregt, wird die Ankerplatte 23 angezogen und der verschiebbar gelagerte Magnet 2
gegen das Stellorgan vorgeschoben, so daß der lichte Abstand zwischen den beiden Polflächen 5 und 6 um den
vorgegebenen Hub vergrößert ist und dementsprechend auch der Arbeitshub des Ankers 7 um dieses Maß erhöht
ist. Bei der Anwendung auf ein Gaswechselventil als Stellorgan ergibt sich somit die Möglichkeit, während
der Einschaltzeit des Zusatzmagneten 22 einen höheren Ventilhub zu bewirken, so daß ein derart angesteuertes
Gaswechselventil mit zwei unterschiedlichen Hubweiten
und damit mit zwei unterschiedlichen Öffnungsquerschnitten betrieben werden kann.
Die "Arbeitsrichtung" des Zusatzmagneten sollte so getroffen werden, daß die Position des verschiebbaren
Magneten bei stromlosem Zusatzmagneten der Normalbetriebsweise entspricht. Stellt die Betriebsweise mit
kurzem Hub des Ankers 7 den "Normalbetrieb" dar, dann befindet sich die Ankerplatte 23 in der gestrichelten
Position gem. Fig. 3. Stellt die Betriebsweise mit langem Hub den "Normalbetrieb" dar, muß die Ankerplatte
23 auf der anderen Seite des Zusatzmagneten 22 angeordnet sein. Es ergibt sich eine Energieersparnis, wenn der
Zusatzmagnet nur während der jeweiligen "Sonderbetriebsphase" erregt wird. Anstelle einer magnetisch betätigbaren
Stelleinrichtung 21 kann auch eine mechanische, hydraulische oder pneumatische Verstellung der Hubweite
des Ankers 7 durch Verschieben des Magneten 2 vorgesehen sein.
Anstelle oder in Kombination mit den beschriebenen Schraubenfedern können auch Torsionsfedern oder Biegefedern,
beispielsweise Blattfedern verwendet werden.
Die Magnete können im Horizontalschnitt einen Kreisquerschnitt, aber auch einem Rechteck- oder Quadratquerschnitt
aufweisen. Letzteres ist günstig für den geblechten Jochkörper.
Claims (8)
10
Schutzansprüche:
Schutzansprüche:
!.Elektromagnetische Stelleinrichtung zur Betätigung
eines Stellorgans (15) , insbesondere eines Gaswechselventils an einer Brennkraftmaschine, die wenigstens
eine Schubstange (8) aufweist, die auf das zu betätigende Stellorgan (15) einwirkt und die mit einem Anker (7)
in Verbindung steht, der zwischen den Polflächen (5, 6) von zwei in axialem Abstand zueinander angeordneten
Elektromagneten (1, 2) hin- und herbewegbar geführt ist und der bei stromlos gesetzten Elektromagneten (1, 2)
durch wenigstens zwei gegeneinander wirkende Federelemente (12, 19) in einer Zwischenstellung zwischen den
Polflächen (5, 6) gehalten wird, und wobei die Federelemente (12, 19) gesondert außerhalb der Elektromagnete
(I7 2) angeordnet sind.
2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Federelemente (12, 19) an der Stirnseite
(14) wenigstens eines Elektromagneten (2) angeordnet sind.
3. Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schubstange (8) geteilt ausgeführt
ist, wobei ein Teil (8.1) mit dem Anker (7) fest verbunden ist und der andere, dem Stellorgan (15) abgekehrte
Teil (8.2) mit dem zugeordneten Federelement (12) verbunden ist und durch dieses kraftschlüssig mit
dem Anker (7) in Verbindung steht.
4. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das dem Stellorgan (15)
zugekehrte Federelement (19) mit einem Ansatz (18) am Stellorgan (15) verbunden ist, der durch das Federelement
(19) kraftschlüssig mit dem Schubstangenteil (8.2) in Verbindung gehalten wird.
5. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden gegeneinander
wirkenden Federelemente (12, 19) auf der dem Stellorgan (IS) zugekehrten Seite des Elektromagneten (2) angeordnet
sind, wobei ein Federelement (12) auf die Schubstange (8) und das andere Federelement (19) auf einen
Ansatz (18) am Stellorgan (15) einwirkt, und daß die Schubstange (8) und der Ansatz (18) kraftschlüssig miteinander
verbunden sind.
6. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, daß bei den Elektromagneten (1, 2) die Magnetspulen (3, 4) in einem geblechten Jochkörper
angeordnet sind.
7. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6,
dadurch gekennzeichnet, daß einer der beiden Elektromagnete (2) in Bewegungsrichtung (20) des Ankers (7)
verschiebbar gelagert und mit einer Stelleinrichtung
(21) verbunden ist, durch die der Abstand der einander zugekehrten Polflächen (5, 6) der beiden Elektromagnete
(1, 2) veränderbar ist.
8. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Stelleinrichtung (21)
einen Zusatzelektromagneten (22) aufweist, durch den der verschiebbar gelagerte Elektromagnet (2) im Zusammenwirken
mit einem als Rückstellfeder wirkenden Federelement in zwei verschiedenen Endlagen positionierbar ist.
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