DE102011003760A1

DE102011003760A1 - Elektromagnetische Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102011003760A1
Application number: DE102011003760A
Authority: DE
Inventors: Friedrich Schuler
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-11-29
Filing date: 2011-02-08
Publication date: 2012-05-31
Anticipated expiration: 2031-02-09
Also published as: US20130255607A1; US9074496B2; WO2012072291A1; DE102011003760B4; CN103228879A; CN103228879B

Abstract

Vorgeschlagen ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung (110, 310, 410) für einen nockenseitig verstellbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem ein Gehäuseoberteil (111, 311, 411) und ein Gehäuseunterteil (112, 312, 412) aufweisenden Gehäuse, in dessen Gehäuseoberteil eine elektrisch bestrombare Magnetspuleneinrichtung (113, 313, 413) eingebettet ist und in dessen Gehäuseunterteil ein von der Magnetspuleneinrichtung betätigter Stellstift (109, 309, 409) längsbeweglich gelagert ist, und mit einem am Gehäuseoberteil verlaufenden Steckverbinder (117, 317, 417) aus Kunststoff zur elektrischen Versorgung der Magnetspuleneinrichtung sowie mit einem am Gehäuse verlaufenden Anschlussflansch (19) zur Befestigung der Stellvorrichtung an der Brennkraftmaschine. Dabei sollen der Steckverbinder und der Anschlussflansch 19 integrale Bestandteile des durch Kunststoffumspritzung der Magnetspuleneinrichtung gebildeten Gehäuseoberteils sein.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung für einen nockenseitig verstellbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem ein Gehäuseoberteil und ein Gehäuseunterteil aufweisenden Gehäuse, in dessen Gehäuseoberteil eine elektrisch bestrombare Magnetspuleneinrichtung eingebettet ist und in dessen Gehäuseunterteil ein von der Magnetspuleneinrichtung betätigter Stellstift längsbeweglich gelagert ist, und mit einem am Gehäuseoberteil verlaufenden Steckverbinder aus Kunststoff zur elektrischen Versorgung der Magnetspuleneinrichtung sowie mit einem am Gehäuse verlaufenden Anschlussflansch zur Befestigung der Stellvorrichtung an der Brennkraftmaschine.
Hintergrund der Erfindung
Unter nockenseitig verstellbaren Ventiltrieben sind im Rahmen der vorliegenden Erfindung solche Ventiltriebe zu verstehen, welche die Hubvariabilität am Gaswechselventil mittels axial verlagerbarer Nockenstücke erzeugen. Diese sind mit Nockengruppen versehen, deren unterschiedliche Nockenerhebungen – je nach axialer Nockenstellung – selektiv mit einem starren Nockenfolger in Eingriff sind. Zur axialen Verstellung des Nockenstücks ist üblicherweise eine ortsfest in der Brennkraftmaschine abgestützte Stellvorrichtung mit einem Stellstift (oder mehreren) vorgesehen, der sich in eine spiralnutförmige Axialkulisse am rotierenden Nockenstück einkoppelt und eine Verschiebung des Nockenstücks um den Axialhub der Spiralnut erzwingt. Das diesbezügliche Funktionsprinzip geht detailliert aus der EP 0 798 451 B1 hervor.
Eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art geht aus der DE 10 2006 059 188 A1 hervor. Die Magnetspuleneinrichtung umfasst einen Kunststoffspulenkörper, an dem der aus Kunststoff bestehende Steckverbinder angespritzt ist.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art im Hinblick auf möglichst niedrige Herstellkosten konstruktiv zu verbessern.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruchs 1, während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach sollen der Steckverbinder und der Anschlussflansch integrale Bestandteile des durch Kunststoffumspritzung der Magnetspuleneinrichtung gebildeten Gehäuseoberteils sein. Mit anderen Worten ist eine Funktionsintegration von Steckverbinder, Anschlussflansch und Gehäuseoberteil zu einem einzigen Kunststoffelement vorgesehen, wobei der angestrebte Kostenvorteil zusätzlich dadurch erzielt wird, dass die üblicherweise vorgesehene Einfassung des Gehäuseoberteils in einer Metallhülse entfällt.
Ein dem Gehäuseunterteil zugewandter Endabschnitt des Gehäuseoberteils kann mit einem Ringkragen versehen sein, dessen Innenmantel durch eine mit dem Kunststoff umspritzte Metallhülse gebildet ist, die auf dem Außenmantel eines dem Gehäuseoberteil zugewandten Endabschnitts des Gehäuseunterteils befestigt ist. Die Befestigung kann kraftschlüssig sein, indem der Außenmantel des Gehäuseunterteils in die Metallhülse eingepresst wird, oder kann mittels Formschluss erfolgen, indem beispielsweise die Metallhülse radial umgebördelt wird und einen Absatz des Gehäuseunterteils hintergreift.
Im Hinblick auf die erforderliche Abdichtung der an der Brennkraftmaschine montierten Stellvorrichtung ist es vorgesehen, dass der Ringkragen des Gehäuseoberteils stirnseitig mit einer radial außerhalb der Metallhülse verlaufenden Umlaufnut versehen ist, in der ein elastischer Axialdichtring eingesetzt ist.
Die erfindungsgemäße Funktionsintegration mit entsprechenden Kosten- und Bauraumvorteilen ist besonders in dem Fall zweckmäßig, wenn (wie prinzipiell aus der DE 10 2007 040 677 A1 bekannt) die Stellvorrichtung mehrere Magnetspuleneinrichtungen und jeweils von einer der Magnetspuleneinrichtungen betätigte Stellstifte aufweist. Bei einer derartigen Mehrfach-Stellvorrichtung verlaufen jede Magnetspuleneinrichtung und der von dieser betätigte Stellstift auf einer gemeinsamen Achse, die parallel beabstandet oder windschief zur Achse einer anderen Magnetspuleneinrichtung und eines zugehörigen anderen Stellstifts verläuft.
Alternativ kann es vorgesehen sein, dass die Achsen der Magnetspuleneinrichtungen parallel beabstandet zueinander verlaufen, während die Achsen der Stellstifte zwar ebenfalls zueinander parallel beabstandet oder windschief, jedoch zu den Achsen der Magnetspuleneinrichtungen abgewinkelt verlaufen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt sind. Sofern nicht anders erwähnt, sind dabei gleiche oder funktionsgleiche Merkmale oder Bauteile mit gleichen Bezugszahlen versehen. Es zeigen:
1a eine Einfach-Stellvorrichtung in perspektivischer Darstellung;
1b die Einfach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die Stellstiftachse;
2 einen bekannten Ventiltrieb mit zwei Einfach-Stellvorrichtungen und zwei Axialkulissen mit jeweils einer Spiralnut;
3a eine Zweifach-Stellvorrichtung in perspektivischer Darstellung;
3b die Zweifach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die erste Stellstiftachse;
3c die Zweifach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die zweite Stellstiftachse
4a eine Dreifach-Stellvorrichtung in perspektivischer Darstellung;
4b die Dreifach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die erste Stellstiftachse;
4c die Dreifach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die zweite Stellstiftachse und
4d die Dreifach-Stellvorrichtung im Längsschnitt durch die dritte Stellstiftachse.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung sei ausgehend von 2 erläutert, in der das mechanische Funktionsprinzip eines bekannten hubvariablen Ventiltriebs einer Brennkraftmaschine mit verschiebbaren Nockenstücken dargestellt ist. Der Ventiltrieb umfasst eine Nockenwelle 1 mit einer außenlängsverzahnten Trägerwelle 2 und mittels einer entsprechenden Innenlängsverzahnung darauf drehfest und jeweils zwischen zwei Axialpositionen längsverschiebbar angeordneten Nockenstücken 3, von denen nur eines dargestellt ist. Das in einer Nockenwellenlagerstelle 4 der Brennkraftmaschine mittig gelagerte Nockenstück 3 weist zwei Nockengruppen unmittelbar benachbarter Nocken 5a und 5b mit unterschiedlichen Erhebungen auf, die zur betriebspunktabhängigen Betätigung von Gaswechselventilen 6 mittels Schlepphebeln 7 dienen. Die zur selektiven Aktivierung des jeweiligen Nockens 5a oder 5b erforderliche Verschiebung des Nockenstücks 3 auf der Trägerwelle 2 erfolgt über zwei an den Enden des Nockenstücks 3 verlaufende Axialkulissen in Form von Spiralnuten 8a und 8b, die sich entsprechend der Verschieberichtung in ihrer Orientierung unterscheiden und in die, je nach momentaner Axialposition des Nockenstücks 3, jeweils das äußere Stiftende von Stellstiften 9 ortsfest in der Brennkraftmaschine aufgenommener elektromagnetischer Stellvorrichtungen 10 radial einkoppelbar ist, um das Nockenstück 3 zu verschieben.
Die Spiralnuten 8a, 8b erstrecken sich nicht nur in axialer sondern auch in radialer Richtung derart, dass die Stellstifte 9 gegen Ende des Verschiebevorgangs durch radial ansteigende Auswurframpen aus den Spiralnuten 8a, 8b ausgekoppelt und in deren eingriffslose Ruheposition in den Stellvorrichtungen 10 gebracht werden.
Ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 110 ist in den 1a und 1b offenbart. Die Stellvorrichtung 110 umfasst ein Gehäuse, das aus einem Gehäuseoberteil 111 und einem Gehäuseunterteil 112 zusammengesetzt ist. Im Gehäuseoberteil 111 ist eine elektrisch bestrombare Magnetspuleneinrichtung 113 eingebettet, deren wesentliche Komponenten eine Magnetspule 14, ein darin verlaufender Magnetkern 15 und ein U-förmiger Metallbügel 116 zur Bildung eines magnetischen Rückschlusses sind. Die elektrische Versorgung der Magnetspule 14 erfolgt über einen Steckverbinder 117, dessen Kontaktpins (sichtbar ist der Pin 118) mit der Magnetspule 14 elektrisch verbunden sind. Die Befestigung der Stellvorrichtung 110 in einer Aufnahme der Brennkraftmaschine erfolgt über einen am Gehäuseoberteil 111 verlaufenden Anschlussflansch 19 mit einer Befestigungsbohrung 20 für eine nicht dargestellte Schraube. Der Steckverbinder 117 und der Anschlussflansch 19 sind integrale Bestandteile des durch Kunststoffumspritzung der Magnetspuleneinrichtung 113 gebildeten Gehäuseoberteils 111. Bedarfsweise kann die Befestigungsbohrung 20 auch mit einer umspritzten Metallhülse (nicht dargestellt) verstärkt sein. Als geeignete Kunststoffe für das Gehäuseoberteil 111 sind insbesondere glasfaserverstärktes Polyamid, kurz PA-GF, oder hochtemperaturbeständiges Polyphenylensulfid, kurz PPS, zu nennen.
Das Gehäuseunterteil 112 ist mit einer dünnwandigen Stahlbuchse 21 ausgekleidet, in der ein von der Magnetspuleneinrichtung 113 betätigter Stellstift 109 längsbeweglich gelagert ist. Dessen Stiftende befindet sich momentan in seiner im Gehäuseunterteil 112 eingefahrenen Ruheposition, d. h. im montierten Zustand der Stellvorrichtung 110 außer Eingriff zu dessen Spiralnut 8 gemäß 2. Das aus Stahlwerkstoff bestehende Gehäuseunterteil 112 kann alternativ ebenfalls als Kunststoffspritzgussteil ausgeführt sein, in dem höher belastete Funktionsflächen bedarfsweise durch umspritzte Stahlteile gebildet sind.
Die gegenseitige Befestigung von Gehäuseoberteil 111 und Gehäuseunterteil 112 erfolgt mittels eines Pressverbands zwischen dem Innenmantel einer Metallhülse 22 im Gehäuseoberteil 111 und dem Außenmantel eines dem Gehäuseoberteil 111 zugewandten Endabschnitts des Gehäuseunterteils 112. Die ebenfalls kunststoffumspritzte Metallhülse 22 ist Teil eines Ringkragens 23 an einem dem Gehäuseunterteil 112 zugewandten Endabschnitt des Gehäuseoberteils 111. Der Ringkragen 23 ist an dessen Stirnseite mit einer Umlaufnut 24 versehen, die radial außerhalb der Metallhülse 22 verläuft und in die ein elastischer Axialdichtring 25 hier in Form eines Elastomerrings mit Rechteckquerschnitt eingesetzt ist, um die Stellvorrichtung 110 in einer Aufnahme der Brennkraftmaschine abgedichtet zu befestigen.
Grundsätzlich bekannt – siehe beispielsweise DE 10 2008 020 892 A1 – ist der zur Ansteuerung des bzw. der Stellstifte dienende konstruktive Aufbau der in den 1, 3 und 4 dargestellten Stellvorrichtungen und daher an dieser Stelle nur zusammenfassend erläutert. Der hohlzylindrische Stellstift 109 wird durch eine Kugelrastierung mit drei in der Wandung des Stellstifts 109 umfangsverteilten Kugeln 26 mittels Klemmwirkung gegenüber der Stahlbuchse 21 und einem kegelförmigen Sperrstift 27 in dessen eingefahrener Ruheposition gehalten. Das Ausfahren des in Ausfahrrichtung federkraftbeaufschlagten Stellstifts 109 wird durch Bestromung der koaxial zum Stellstift 109 und zum Sperrstift 27 verlaufenden Magnetspuleneinrichtung 113 eingeleitet, die den Sperrstift 27 entgegen der Ausfahrrichtung des Stellstifts 109 magnetisch anzieht und somit die Klemmwirkung der Kugeln 26 aufhebt. Daraufhin fährt der Stellstift 109 aus dem Gehäuseunterteil 112 in dessen Arbeitsposition aus, in welcher der Stellstift 109 in der zugehörigen Spiralnut 8 gemäß 2 eingekoppelt ist. Das nach dem Verschieben des Nockenstücks erforderliche Einfahren des Stellstifts 109 in dessen Ruheposition wird durch die zuvor erwähnte Profilierung der Spiralnut 8 mit der im Endbereich radial ansteigenden Auswurframpe erzwungen, wobei der Stellstift 109 bei stromlos geschalteter Magnetspule 14 mit der Kugelrastierung in der dargestellten Position verrastet.
Das in den 3a bis 3c dargestellte zweite Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 310 weist gegenüber dem ersten Ausführungsbeispiel im wesentlichen folgende Unterschiede auf. Die Stellvorrichtung 310 umfasst zwei in einem gemeinsamen Gehäuseoberteil 311 angeordnete Magnetspuleneinrichtungen 313, Rastierelemente und zugehörige Stellstifte 309. Eine radial besonders kompakte Bauweise der Stellvorrichtung 310 wird dadurch erreicht, dass die Magnetspuleneinrichtungen 313 und folglich die Stellstifte 309 windschief zueinander angeordnet sind. Dies wird aus den beiden Längsschnitten deutlich: 3b zeigt einen Schnitt entlang der Stellstiftachse 328 und senkrecht zur Nockenwellenachse 29 (s. a. 2), und 3c zeigt einen Schnitt entlang der Stellstiftachse 330 ebenfalls senkrecht zur Nockenwellenachse 29. Dabei sind die in Nockenwellenachsrichtung voneinander beabstandeten und die Nockenwellenachse 29 schneidenden Stellstiftachsen 328 und 330 bezüglich der Längsachse 331 des Gehäuseunterteils 312 entgegengesetzt geneigt. Um eine ebene Anlage der entsprechend geneigten Metallbügel 316 am Gehäuseunterteil 312 zu schaffen, ist dessen Stirnseite mit entsprechend geneigten Taschen 32, 33 versehen. Die Anzahl der hier nicht sichtbaren Kontaktpins im Steckverbinder 317 ermöglicht eine voneinander unabhängige Ansteuerung der beiden Magnetspuleneinrichtungen 313.
Das in den 4a bis 4d dargestellte dritte Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Stellvorrichtung 410 weist gegenüber dem zweiten Ausführungsbeispiel im wesentlichen folgende Unterschiede auf. Die Stellvorrichtung 410 umfasst drei in einem gemeinsamen Gehäuseoberteil 411 angeordnete Magnetspuleneinrichtungen 413, Rastierelemente und zugehörige Stellstifte 409. Die radial kompakte Bauweise der Stellvorrichtung 410 wird ebenfalls dadurch erreicht, dass die unmittelbar benachbarten Magnetspuleneinrichtungen 413 und zugehörigen Stellstifte 409 bezüglich der Längsachse 431 des Gehäuseunterteils 412 entgegengesetzt geneigt sind. Dabei verlaufen die in Richtung der Nockenwellenachse 29 äußeren Stellstifte 409 parallel zueinander und windschief zu dem in Nockenwellenachsrichtung mittleren Stellstift 409, dessen Stellstiftachse 430 zudem einen vergleichsweise großen Neigungswinkel zur Längsachse 431 des Gehäuseunterteils 412 aufweist. Auch in diesem Fall schneiden alle drei Stellstiftachsen 428, 430 und 434 die Nockenwellenachse 29. Die Anzahl der Kontaktpins im Steckverbinder 417 – lediglich ein Kontaktpin 418 ist sichtbar – ermöglicht eine voneinander unabhängige Ansteuerung der drei Magnetspuleneinrichtungen 413.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwelle
2: Trägerwelle
3: Nockenstück
4: Nockenwellenlagerstelle
5: Nocken
6: Gaswechselventil
7: Schlepphebel
8: Spiralnut
9: Stellstift
10: Stellvorrichtung
11: Gehäuseoberteil
12: Gehäuseunterteil
13: Magnetspuleneinrichtung
14: Magnetspule
15: Magnetkern
16: Metallbügel
17: Steckverbinder
18: Kontaktpin
19: Anschlussflansch
20: Befestigungsbohrung
21: Stahlbuchse
22: Metallhülse
23: Ringkragen
24: Umlaufnut
25: Axialdichtring
26: Kugel
27: Sperrstift
28: Stellstiftachse
29: Nockenwellenachse
30: Stellstiftachse
31: Längsachse des Gehäuseunterteils
32: Tasche
33: Tasche
34: Stellstiftachse

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 0798451 B1 [0002]
DE 102006059188 A1 [0003]
DE 102007040677 A1 [0008]
DE 102008020892 A1 [0026]

Claims

Elektromagnetische Stellvorrichtung (110, 310, 410) für einen nockenseitig verstellbaren Ventiltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einem ein Gehäuseoberteil (111, 311, 411) und ein Gehäuseunterteil (112, 312, 412) aufweisenden Gehäuse, in dessen Gehäuseoberteil (111, 311, 411) eine elektrisch bestrombare Magnetspuleneinrichtung (113, 313, 413) eingebettet ist und in dessen Gehäuseunterteil (112, 312, 412) ein von der Magnetspuleneinrichtung (113, 313, 413) betätigter Stellstift (109, 309, 409) längsbeweglich gelagert ist, und mit einem am Gehäuseoberteil (111, 311, 411) verlaufenden Steckverbinder (117, 317, 417) aus Kunststoff zur elektrischen Versorgung der Magnetspuleneinrichtung (113, 313, 413) sowie mit einem am Gehäuse verlaufenden Anschlussflansch (19) zur Befestigung der Stellvorrichtung (110, 310, 410) an der Brennkraftmaschine, dadurch gekennzeichnet, dass der Steckverbinder (117, 317, 417) und der Anschlussflansch (19) integrale Bestandteile des durch Kunststoffumspritzung der Magnetspuleneinrichtung (113, 313, 413) gebildeten Gehäuseoberteils (111, 311, 411) sind.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein dem Gehäuseunterteil (112, 312, 412) zugewandter Endabschnitt des Gehäuseoberteils (111, 311, 411) mit einem Ringkragen (23) versehen ist, dessen Innenmantel durch eine mit dem Kunststoff umspritzte Metallhülse (22) gebildet ist, die auf dem Außenmantel eines dem Gehäuseoberteil (111, 311, 411) zugewandten Endabschnitts des Gehäuseunterteils (112, 312, 412) befestigt ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Ringkragen (23) des Gehäuseoberteils (111, 311, 411) stirnseitig mit einer radial außerhalb der Metallhülse (22) verlaufenden Umlaufnut (24) versehen ist, in der ein elastischer Axialdichtring (25) eingesetzt ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung (310, 410) mehrere Magnetspuleneinrichtungen (313, 413) und jeweils von einer der Magnetspuleneinrichtungen (313, 413) betätigte Stellstifte (309, 409) aufweist, wobei jede Magnetspuleneinrichtung (313, 413) und der von dieser betätigte Stellstift (309, 409) auf einer gemeinsamen Achse (328, 330, 428, 430, 434) verlaufen, die parallel beabstandet oder windschief zur Achse (328, 330, 428, 430, 434) einer anderen Magnetspuleneinrichtung (313, 413) und eines zugehörigen anderen Stellstifts (309, 409) verläuft.