Stand der Technik Häufig sind die nockenwellenlosen Ventiltriebe elektromagnetische Aktuato- ren. Damit der Stößel exakt positioniert werden kann, ist es erforderlich, seine Lage möglichst exakt zu bestimmen. Hierzu werden sogenannte Targets an Stö- ßeln vorgesehen, deren Lage mittels entsprechend ausgelegter Sensoren bestimmt werden kann. Bislang werden hauptsächlich sogenannte Kupfertargets verwendet.

Dazu wird eine Nut im Stößel mit Kupfer ausgefüllt. Anschließend wird der Stö- ßel üblicherweise außenseitig bearbeitet, damit der mit Kupfer ausgefüllte Bereich absatzlos in die angrenzende Außenfläche des Stößels übergeht.

Die Erfindung schafft einen Aktuator, der es erlaubt, mit empfindlicheren Sen- soren zu arbeiten, so daß eine verbesserte Signalqualität erreicht wird. Diese Ver- besserung ist ohne eine wesentliche Steigerung des Herstellungsaufwandes möglich.

Darstellung der Erfindung 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 ei- nen 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 Auf- tragen der Fall wäre, bei dem der Umwandlungsprozeß im Werkstoff des Targe- trings 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 Befestigungs- teiles 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 In- duktionssensor vorgesehen, der die Lage des Targetrings und damit des Stößels erfaßt. Bei einem Induktionssensor kommen die Vorteile der Erfindung besonders zur Geltung. Die bisherigen, auf Wirbelstrombasis arbeitenden Sensoren haben eine Anregungsfrequenz zwischen 100 kHz bis 2 MHz. Werden die Bauform und die Abmessungen beibehalten und wird zu niedrigen Frequenzen (10-50 kHz) übergangen, arbeitet das Wirbelstromprinzip nicht mehr effektiv genug. Insbeson- dere das Signal-Rausch-Verhältnis verschlechtert sich enorm. Würde man ein weichmagnetisches Target aus einer NiFe Legierung einsetzen, das eine hohe Permeabilität aufweist, würden Störfelder, z. B. das Erdmagnetfeld, Permeabilität- sänderungen verursachen, die eine aufwendige Abschirmung notwendig machten.

Die Kombination eines Induktionssensors mit einem weichmagnetischen Target, insbesondere aus einer Fe-Legierung mit etwa 3% Silizium, ermöglicht den Ein- satz hoher Anwendungstemperaturen, schafft fertigungstechnische Vorteile und schafft ein Sensorsystem mit einer äußerst temperaturstabilen Kennlinie. Ferner sind solche induktiven Sensorsysteme von Aktuatoren aufgrund der geringen Permeabilitäten und höheren Koerzitivfeldstärken unempfindlicher gegenüber elektromagnetischen Störfeldern, wie sie im Umfeld von Brennkraftmaschinen ständig auftreten.

Wenn der Targetring ein einfach geschlitzter Ring ist, ist er vorzugsweise ela- stisch 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 Rin- ges in die Nut kaum noch vorhanden ist.

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

Der Targetring sollte spiel-und spaltfrei am Stößel befestigt sein. Die Befesti- gung des Targetrings kann dabei beispielsweise durch plastisches Verformen des Stößels an einem dem Targetring angrenzenden Bereich und/oder durch plasti- sches Verformen des Targetrings 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, vorzugs- weise 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 Ausführungsform 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 Umfangs- richtung 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 Ventil- schaft und ist mit dem Ventilschaft gekoppelt oder gegebenenfalls sogar einstük- kig verbunden.

Der Targetring besteht bevorzugt aus einer Fe-Legierung mit einem Silizium- anteil von 1-5 %, besonders bevorzugt beträgt der Siliziumanteil 3 %. Derartige Legierungen lassen sich zum einen gut verarbeiten und ermöglichen zum anderen höhere Arbeitstemperaturen als z. B. NiFe-Legierungen. Da ihre Curie-Temperatur bei ca. 750°C liegt, sind Dauereinsatztemperaturen von bis zu 200°C möglich. Die Verwendung von Targetringen aus einer solchen Legierung ermöglicht Sensorsy- steme mit äußerst temperaturstabilen Kennlinien mit nur geringen Abweichungen bei hohen Temperaturen. Aufgrund der geringen Permeabilitäten und der hohen Koerzitivfeldstärke sind Sensorsysteme mit solchen Targetringen auch unemp- findlicher gegenüber elektromagnetischen Störfeldern, wie sie im Umfeld von Brennkraftmaschinen auftreten als Sensorsysteme mit Targets aus einer NiFe- Legierung oder aus Kupfer. Der Targetring aus einer Fe-Legierung mit einem Siliziumanteil von 1-5%, insbesondere etwa 3 %, und ein mit einem solchen Tar- getring ausgestatter Aktuator sind unabhängig von Anspruch 1 sehr vorteilhaft und stellen für sich wesentliche Neuerungen gegenüber dem Stand der Technik dar, so daß auch ein ungeschlitzter Targetring und ein Aktuator mit einem unge- schlitzten Targetring aus dieser Legierung die gerade erwähnten Vorteile hätten.

In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt der Sensor eine äußere Hülse aus einem ferromagnetischen oder ferritischen Material wie z. B. einer NiFe- Legierung mit einem Nickelanteil von 72-83%. Die Hülse dient zum einen der magnetischen Rückflußleitung und zum anderen als Abschirmung gegenüber ex- ternen Störfeldern.

Die Erfindung schafft, zusammenfassend gesagt, einen Aktuator mit empfind- licherem Sensor/Target-System, 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 zu- verlässig. 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 Temperaturbela- stungen unterworfen wird.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfol- genden Beschreibung und aus den nachfolgenden Zeichnungen, auf die Bezug genommen wird.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen Figur 1 zeigt eine Längsschnittansicht durch einen in einer Brennkraftmaschi- ne eingebauten nockenwellenlosen, elektromagnetischen Aktuator zur Betätigung des Hubventils der Brennkraftmaschine.

Figuren 2a bis 2c zeigen verschiedene Ausführungsformen des beim erfin- dungsgemäßen Aktuator einsetzbaren Targetrings.

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

Figuren 4a bis 4c zeigen aufeinanderfolgende Verfahrensschritte der Anbrin- gung eines Targets auf dem Stößel beim erfindungsgemäßen Aktuator.

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

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

Figur 7 zeigt eine Längsschnittansicht eines Sensors zur Erfassung der Positi- on des Targets bei einem erfindungsgemäßen Aktuator.

Ausführliche Beschreibung von bevorzugten Ausführungsformen In Figur 1 ist eine Brennkraftmaschine 10 im Bereich des Zylinderkopfes dar- gestellt, bei der das Hubventil 12 durch einen nockenwellenlosen Ventiltrieb in Form eines elektromagnetischen Aktuators 14 betätigt wird. Der Aktuator 14 um- faßt zwei Elektromagnete 16,18, durch die sich ein Anker oder, allgemeiner ge- sagt, ein Stößel 20 erstreckt, der an seinem unteren Ende mit dem Ventilschaft 22 verbunden ist, so daß die axiale, oszillierende Bewegung des Stößels 20 unmittel- bar eine entsprechende Bewegung des Hubventils 12 hervorruft. Die Axialbewe- gung 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 Positions- bestimmung 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 ferriti- schen Werkstoff hergestellt. Der Targetring 26 gemäß sämtlicher gezeigten Aus- führungsformen ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein dünnwandiger, weichmagnetischer Ring aus einer Eisenlegierung mit einem Siliziumanteil von ca. 3%. Bei der in Figur 1 gezeigten wie auch bei allen anderen Ausführungsfor- men ist der Targetring ein separates, vorgefertigtes Teil, das am Stößel befestigt wird. Der Stößel 10 ist vorzugsweise eine nichtmagnetische Stahlstange.

In Figur 1 ist noch zu erkennen, daß das Hubventil 12 durch eine an einem Fe- derteller 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 ge-

schlitzter Ring mit einer solchen Elastizität, daß er axial oder radial auf den Au- ßenumfang des Stößels 20 geschoben werden kann und in die Umfangsnut einra- stet.

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 Stö- ßel gering oder überhaupt nicht mehr vorhanden ist. Auf jeden Fall ist der Targe- tring 26 spielfrei am Stößel befestigt, was auch für die übrigen Ausführungsformen gilt. Zusätzlich könnte noch vorgesehen sein, daß der Targe- tring 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 Ausführungsform nach Figur 2c, bei der drei Seg- mente 40 bis 44 vorgesehen sind.

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

Bei der Ausführungsform nach Figur 3b ragt ein konvexer, umlaufender Fort- satz auf der Innenseite 46 radial einwärts, wogegen bei der Ausführungsform 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 ent- sprechende komplementäre Form haben sollte.

In den Figuren 4a bis 4c ist dargestellt, daß die Umfangsnut 60 im Ursprungs- zustand 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 si- chergestellt 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 Au- ßenumfang 62 des Stößels vorhanden ist.

Bei der in Figur 5a dargestellten Ausführungsform hat der Stößel eine rechtek- kige Umfangsnut 60 mit seitlich der Nut an beiden axialen Seiten radial vorste- henden 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 Targetring 26 spaltfrei in der Ringnut 60 aufgenommen (Figur 5b). An- schließend wird die Außenseite 62 des Stößels 20 samt Targetring, wie bei Figur 4c erläutert, überschliffen (siehe auch Figur 5c).

Bei der Ausführungsform nach Figur 6a haben der Targetring 26 und die Um- fangsnut 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 Ma- terial 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 Tar- getring 26 verformt.

Figur 7 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bei allen Ausführungsformen ein- setzbaren Sensors 24 zur Erfassung der Position des Targetrings 26. Der Sensor 24 umfaßt zwei erste, in Reihe geschaltete, nebeneinander angeordnete, innere Spulen 100, die von zwei zweiten, äußeren Spulen 110 flankiert sind. Die beiden äußeren Spulen 110 sind in Reihe mit den inneren Spulen 100 geschaltet und die- nen der Kompensation von Randeffekten der Sensorspulen. Als Signalabgriff dient der Mittelabgriff der beiden ersten Spulen 100, so daß eine induktive Halb- brücke vorliegt.

Die Spulen 100,110 sind auf einem Spulenkörper 120 angeordnet, der aus ei- nem nichtleitenden Material besteht, vorzugsweise aus Kunststoff oder Keramik, z. B. aus einem glas-und/oder kohlefaserverstärkten Kunststoff. Ein derartiger Spulenkörper 120 ist auch hohen Einsatztemperaturen gewachsen und kann au- ßerdem preisgünstig in hohen Stückzahlen im Spritzguß gefertigt werden.

Um die Spulen 100,110 herum erstreckt sich eine Hülse 130 aus ferromagne- tischem oder ferritischem Material, bevorzugt aus einer NiFe-Legierung mit ei- nem Nickelanteil von 72-83%. Die Hülse dient zur magnetischen Rückflußleitung indem sie die aus dem Spulensystem 100,110, 120 austretenden magnetischen Felder bündelt, so daß der unvermeidliche Streufluß minimiert wird. Außerdem fungiert sie als Abschirmung gegenüber Störfeldern.

Durch die Spulen 100,110 erstreckt sich der Stößel 20, der den Targetring 26 trägt. Der Targetring 26 ist hier ein dünnwandiger, weichmagnetischer Ring aus einer Eisenlegierung mit einem Siliziumanteil von ca. 3%. Der Targetring 26 ist nach einem der oben beschriebenen Verfahren mit dem Stößel 20 verbunden.

Nach der stoffschlüssigen Verbindung des Targetrings 26 mit dem Stößel 20 erfolgt in diesem Beispiel noch eine Abschlußglühung zur gezielten Einstellung der magnetischen Eigenschaften des Targetrings 26. Außer dieser Abschlußglü- hung ist keine weitere thermische Behandlung erforderlich. Durch weitere, even- tuell erforderliche Schlußbehandlungen (z. B. durch Schleifen) werden die durch die Abschlußglühung eingestellten magnetischen Eigenschaften des Targetrings 26 nur noch unwesentlich verändert.