Elektromagnetische Stellvorrichtung

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung mit einem Gehäuse und zwei Aktuatorstiften, die zwischen einer in das Gehäuse eingefah- renen Ruheposition und einer aus dem Gehäuse ausgefahrenen Arbeitsposition unabhängig voneinander verfahrbar im Gehäuse gelagert und von Federmitteln in die Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagt sind, sowie Sperrstiften, die die Aktuatorstifte mittels Rastierungen in der Ruheposition halten und in Verfahrrichtung der Aktuatorstifte relativ zu diesen verlagerbar sind. Dabei sind die Sperrstifte von weiteren Federmitteln in die Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagt und werden zum Lösen der Rastierungen elektromagnetisch kraftbeaufschlagt in die Einfahrrichtung verlagert.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Stellvorrichtung eignet sich in besonderem Maße zur Verstellung hubvariabler Ventiltriebe von Brennkraftmaschinen, deren prinzipielle Funktionsweise beispielsweise aus der DE 10 2004 021 376 A1 hervorgeht. Die Hubvariabilität dieses Ventiltriebs basiert auf einem Nockenstück mit zwei darauf unmittelbar benachbart angeordneten Nocken, deren unterschiedliche Öffnungsverläufe mittels eines konventionell starr ausgebildeten Nockenfolgers selektiv auf ein Gaswechselventil übertragen werden. Zur betriebspunktabhängigen Einstellung dieser Öffnungsverläufe ist das Nockenstück drehfest, jedoch längsverschieblich auf einer Trägerwelle angeordnet und weist zwei spiralförmig und gegensinnig verlaufende Verschiebenuten auf, in welche die Endabschnitte der Aktuatorstifte zweier Stellvorrichtungen (mit lediglich einem Aktua- torstift) wechselweise eingekoppelt werden. Während der axiale Verlauf der sich jeweils mit dem zugehörigen Aktuatorstift in Eingriff befindlichen Verschiebenut dazu führt, dass sich das Nockenstück selbststeuernd und nockenwel- lenwinkeltreu von der einen in die andere Nockenposition verschiebt, ist der radiale Verlauf jeder Verschiebenut so gestaltet, dass diese gegen Ende des Verschiebevorgangs zunehmend flacher wird und den momentan in Eingriff befindlichen Aktuatorstift aus seiner Arbeitsposition zurück in die Ruheposition verlagert.

Im Falle des in der DE 196 11 641 C1 vorgeschlagenen Ventiltriebs mit drei benachbarten Nocken und zwei mit geringem Abstand angeordneten Aktua- torstiften erscheint es zweckmäßig, die Aktuatorstifte in einem gemeinsamen Gehäuse zu integrieren.

Eine Stellvorrichtung mit einer Gruppe unabhängig voneinander verfahrbarer Aktuatorstifte, die in einem gemeinsamen Gehäuse gelagert sind und mit elekt- romagnetisch kraftbeaufschlagten Sperrstiften in der oben genannten Weise zusammenwirken, geht aus der als gattungsbildend betrachteten DE 10 2006 051 809 A1 hervor. Die elektromagnetische Kraftbeaufschlagung der Sperrstifte erfolgt mittels daran befestigten Magnetankern, die mit zugehörigen Magnetspulen jeweils einen Elektrohubmagneten bilden. Im Falle von zwei Aktua- torstiften sind somit auch zwei derartige Elektrohubmagneten bei entsprechend hohem Aufwand für Herstellung und Montage der Stellvorrichtung erforderlich.

Diese Betrachtung trifft in gleicher Weise für eine Stellvorrichtung gemäß der DE 10 2007 024 598 A1 zu, falls eine Gruppe von Aktuatorstiften in einem ge- meinsamen Gehäuse zusammengefasst werden soll.

In der WO 03/021612 A1 ist eine Stellvorrichtung vorgeschlagen, deren Betätigung auf dem Zusammenspiel eines Elektromagneten mit einem am Aktua- torstift befestigten Permanentmagneten basiert. Aufgrund dessen magnetischer Anziehungskraft haftet der in Ausfahrrichtung federkraftbeaufschlagte Aktua- torstift am unbestromten Elektromagneten. Zum Lösen des Aktuatorstifts aus dieser Ruheposition ist lediglich eine impulsförmige Strombeaufschlagung des Elektromagneten zur Überwindung der magnetischen Anziehungskraft des Permanentmagneten erforderlich, wobei der Aktuatorstift nicht nur durch die Kraft des Federmittels sondern auch durch die Kraft eines magnetischen Abstoßungseffekts zwischen dem Permanentmagneten und dem bestromten Elektromagneten in Richtung der Arbeitsposition beschleunigt wird.

Eine konstruktive Weiterentwicklung dieses Funktionsprinzips ist in der DE 20 2008 008 142 U1 offenbart. Der Aktuatorstift wird dort lediglich durch die magnetische Anziehungskraft an einem Permanentmagneten gehalten, so dass durch gegenseitig exzentrische Anordnung von Aktuatorstiften und Perma- nentmagneten/Elektromagneten eine kompakte Bauweise der Stellvorrichtung mit zwei oder drei Aktuatorstiften in einem gemeinsamen Gehäuse ermöglicht wird.

Abgesehen von dem gemeinsamen Gehäuse erfordern alle genannten Stellvor- richtungen mit mehreren Aktuatorstiften einen erheblichen Herstell- und Montageaufwand, da sich kostenseitige Synergieeffekte hauptsächlich nur durch das gemeinsame Gehäuse ergeben.

Aufgabe der Erfindung

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass die Stellvorrichtung nicht nur einen möglichst geringen Bauraum beansprucht und einen geringen Abstand der Aktuatorstifte aufweist, sondern auch möglichst aufwandsarm herstell- und montierbar ist. Zusammenfassung der Erfindung

Die Lösung dieser Aufgabe ergibt sich aus den Merkmalen des Anspruchs 1 , während vorteilhafte Weiterbildungen und Ausgestaltungen den Unteransprüchen entnehmbar sind. Demnach wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Stellvorrichtung einen den Sperrstiften gemeinsam zugeordneten Elektromagneten mit umkehrbarer Richtung des Magnetfelds aufweist und den Aktua- torstiften abgewandte Endabschnitte der Sperrstifte mit zweipolig magnetisier- ten Permanentmagneten versehen sind, die in die Verfahrrichtung entgegengesetzt gepolt zueinander ausgerichtet sind.

Infolgedessen ist lediglich ein mit umkehrbarer Polung bestromter Elektromagnet für zwei unabhängig voneinander verfahrbare Aktuatorstifte erforderlich.

Die entgegengesetzte Ausrichtung der Permanentmagnetpole führt dazu, dass bei Bestromung des Elektromagneten dasselbe Magnetfeld den ersten Permanentmagneten anzieht und den zweiten Permanentmagneten abstößt. Hierbei verlagert sich der mit dem ersten Permanentmagneten verbundene Sperrstift entgegen der Kraft des weiteren Federmittels in Richtung des Elektromagneten, d.h. in Einfahrrichtung des zugehörigen ersten Aktuatorstifts, der sich bei jetzt gelöster Rastierung in dessen Arbeitsposition verlagert. Demgegenüber verbleiben der mit dem zweiten Permanentmagneten verbundene Sperrstift und der zugehörige zweite Aktuatorstift in Ruhe.

Bei entgegengesetzt gepolter Bestromung des Elektromagneten kehrt sich die Wirkung des Magnetfelds um, so dass nunmehr der zweite Permanentmagnet angezogen wird, während der erste Permanentmagnet abgestoßen wird. Ausgangspunkt hierfür ist wiederum der Zustand, dass beide Aktuatorstifte mittels der Rastierungen in deren Ruhepositionen gehalten sind. In analoger Weise verlagert sich nun der zweite Aktuatorstift in dessen Arbeitsposition, während der erste Aktuatorstift in seiner Ruheposition verharrt. In Weiterbildung der Erfindung sollen die Permanentmagnete bei Anlage der den Aktuatorstiften abgewandten Endabschnitte der Sperrstifte an einem stationären Kernbereich des Elektromagneten zu dem Kernbereich beabstandet verlaufen. Durch diese Maßnahme kann die im Nahbereich zum Elektromagne- ten exponentiell ansteigende Kraftwirkung der Permanentmagneten auf ein solches Maß begrenzt werden, dass bei stromlosem Elektromagneten eine ausreichende, die Sperrstifte rückstellende Kraftwirkung der weiteren Federmittel verbleibt.

In konstruktiv zweckmäßiger Weise bildet dabei der Kernbereich eine ebene Anlagefläche für die Sperrstifte, wobei die den Aktuatorstiften abgewandten Endabschnitte der Sperrstifte gegenüber den Permanentmagneten erhaben verlaufen.

In bevorzugter Ausgestaltung sollen die Rastierungen jeweils durch folgende Merkmale gebildet sein:

■ eine im Aktuatorstift verlaufende Längsbohrung zur Aufnahme des Sperrstifts und eine oder mehrere die Längsbohrung schneidende Querbohrungen, ■ eine am Sperrstift ausgebildete erste Stützfläche und eine im Gehäuse ausgebildete zweite Stützfläche, wobei zumindest eine der Stützflächen gegenüber der Verfahrrichtung geneigt verläuft,

■ und Rastkörper, die in den Querbohrungen beweglich angeordnet und in der Ruheposition zwischen den Stützflächen eingespannt sind.

Bei einer solchen, auf Form- oder Reibschluss basierenden Rastierung sind nur kleine Wirkflächen erforderlich, um den zugehörigen Aktuatorstift entgegen der Kraft des Federmittels sicher in dessen Ruheposition zu halten. Im Gegensatz zu den so erzeugbaren Haltekräften sind die erforderlichen Kräfte zum Lösen der Rastierung um ein Vielfaches geringer, da neben der Kraft des den Sperrstift beaufschlagenden weiteren Federmittels lediglich die zwischen den Rastkörpern und den Stützflächen wirkenden Reibkräfte zu überwinden sind. Der bzw. die Rastkörper sind bevorzugt als Kugeln ausgebildet, wie sie als extrem kostengünstiges Massenprodukt einer Wälzkörperfertigung entnehmbar sind. Dabei können drei Kugeln und drei gleichmäßig über den Umfang des Aktuatorstifts verteilte Querbohrungen vorgesehen sein. Diese Anordnung ist gegenüber lediglich einem Rastkörper insoweit vorteilhaft, als entweder bei identischer Dimensionierung der Rastkörper größere Haltekräfte erzeugbar sind oder bei kleinerer Dimensionierung der Rastkörper - entsprechend einem weiterhin reduzierten Bauraumbedarf der Rastierung - die gegebenenfalls bereits ausreichende Haltekraft nur eines Rastkörpers erzeugbar ist. Zum ande- ren führt die Anordnung der um 120° umfangsverteilten Kugeln zu einer mechanisch günstigen, zentrierten Abstützung des Sperrstifts in der Längsbohrung des Aktuatorstifts. Dennoch sind selbstverständlich auch Anordnungen mit lediglich einer, zwei, vier oder mehr Kugeln möglich.

Außerdem können die Kugeln selbsthemmend zwischen den Stützflächen eingespannt sein, wobei die Stützflächen einen konstanten oder einen sich in die Einfahrrichtung verkleinernden Abstand zueinander aufweisen. Beispielsweise kann die zweite Stützfläche parallel zur Verfahrrichtung des Aktuatorstifts verlaufen und Teil einer fertigungsgünstig durchgehend zylindrischen Längsfüh- rung für den Aktuatorstift sein. Bei der konstruktiven Auslegung der Stützflächen sind selbstverständlich sowohl die Kräfte der Federmittel als auch die Reibungsverhältnisse an den Kugel-Stützflächen-Kontakten zu berücksichtigen, so dass der für eine einwandfreie Funktion der Rastierung erforderliche Bereich der Selbsthemmung an diesen Kontakten nicht verlassen wird.

Dabei ist es zweckmäßig, dass sich die erste Stützfläche am Sperrstift in die Ausfahrrichtung radial verjüngt und dass die Stützflächen parallel zueinander verlaufen. Im Falle rotationssymmetrischer Stützflächen sind dann die Stützflächen kreiskegelstumpfförmig ausgebildet. Diese Ausgestaltung ermöglicht ei- nen besonders verschleißarmen Gleit- oder Wälzkontakt zwischen den Kugeln und den Stützflächen, wenn der Aktuatorstift die Ruheposition verlässt und wieder erreicht. Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus der einzigen Figur, in der ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen elektromagnetischen Stellvorrichtung im Längsschnitt dargestellt ist.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Figur offenbart eine Stellvorrichtung 1 , die zur Ansteuerung eines eingangs erläuterten hubvariablen Ventiltriebs mit verschiebbaren Nockenstücken dient (siehe DE 196 11 641 C1 ). Bei der Stellvorrichtung 1 handelt es sich um eine in den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine montierbare Baueinheit mit einem Gehäuse 2 und zwei darin angeordneten, hohlzylindrisch ausgebildeten Aktua- torstiften 3 und 4. Die als Gleichteile ausgebildeten Aktuatorstift 3, 4 sind in Längsführungen 5 des Gehäuses 2 gelagert und können unabhängig vonein- ander zwischen einer in das Gehäuse 2 eingefahrenen Ruheposition (wie dargestellt) und einer aus dem Gehäuse 2 ausgefahrenen Arbeitsposition hin und her verfahren. Wie vorstehend erläutert, sind die Aktuatorstifte 3, 4 in der (nicht dargestellten) Arbeitsposition mit einer zugehörigen Verschiebenut in Eingriff, um das Nockenstück zu verschieben.

Die von Federmitteln - hier Schraubendruckfedern 6 - in die Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagten Aktuatorstifte 3, 4 werden von Rastierungen in der Ruheposition gehalten. Ein Lösen der Rastierungen erfolgt durch ansteuerbare Sperrstifte 7 und 8, die ebenfalls als Gleichteile ausgebildet und relativ zu den Aktuatorstiften 3, 4 in deren Verfahrrichtung verlagerbar sind.

Die miteinander identischen Rastierungen sind jeweils durch eine im Aktuatorstift 3, 4 verlaufende Längsbohrung 9 und diese schneidende Querbohrun- gen 10, eine am Sperrstift 7, 8 ausgebildete erste Stützfläche 11 und eine im Gehäuse 2 ausgebildete zweite Stützfläche 12 sowie drei Rastkörpern in Form von Kugeln 13 gebildet. Die in den gleichmäßig am Umfang des Aktuatorstifts

3, 4 verteilten Querbohrungen 10 beweglich angeordneten Kugeln 13 sind in der Ruheposition des Aktuatorstifts 3, 4 zwischen den Stützflächen 11 und 12 eingespannt. Hierzu verjüngt sich der in der Längsbohrung 9 verlaufende Endabschnitt 14 des Sperrstifts 7, 8 konisch in Ausfahrrichtung des Aktuatorstifts 3,

4, so dass die erste Stützfläche 11 die Außenmantelfläche eines Kreiskegelstumpfs bildet. Die zweite Stützfläche 12 im Gehäuse 2 verläuft mit konstantem Abstand dazu und bildet folglich die Innenmantelfläche eines Kreiskegelstumpfs.

Die Sperrstifte 7, 8 sind jeweils durch ein weiteres Federmittel - hier eine Schraubendruckfeder 15 - ebenfalls in die Ausfahrrichtung kraftbeaufschlagt. Der Neigungswinkel der Stützflächen 11 , 12 gegenüber der Verfahrrichtung des Aktuatorstifts 3, 4 ist unter Berücksichtigung der auf den Sperrstift 7, 8 und den Aktuatorstift 3, 4 wirkenden Federkräfte sowie der Reibungsverhältnisse an den Kugel-Stützflächen-Kontakten so gewählt, dass die Kugeln 13 selbsthemmend zwischen den Stützflächen 11 , 12 eingespannt sind und so den Ak- tuatorstift 3, 4 sicher in der Ruheposition fixieren. Der Neigungswinkel beträgt vorliegend etwa 5°.

Die konzentrischen Schraubendruckfedern 6, 15 stützen sich einerseits an im Gehäuse 2 eingepressten Buchsen 16 und andererseits an kreisringförmigen Stirnflächen 17 und 18 der Aktuatorstifte 3, 4 bzw. der Sperrstifte 7, 8 ab. Die Sperrstifte 7, 8 werden zum Lösen der Rastierungen elektromagnetisch kraftbeaufschlagt in die Einfahrrichtung der Aktuatorstifte 3, 4 verlagert und sind zu diesem Zweck an ihren den Aktuatorstiften 3, 4 abgewandten Endabschnitten 19 mit daran befestigten Permanentmagneten 20 bzw. 21 versehen. Erfin- dungsgemäß sind diese zweipolig axial magnetisiert, in Verfahrrichtung der Aktuatorstifte 3, 4 bezüglich ihrer mit N und S bezeichneten Nord- und Südpole entgegengesetzt zueinander ausgerichtet und dem Magnetfeld eines einzigen Elektromagneten 22 ausgesetzt. Der Elektromagnet 22 umfasst als wesentliche Bauteile eine Magnetspule 23, einen stationären Kernbereich 24 und einen 2-poligen Steckverbinder 25 als Gleichstromanschluss für die Magnetspule 23. Der koaxial in der Magnetspule 23 verlaufende Kernbereich 24 weist seitens der Permanentmagnete 20, 21 eine Schulter auf, die eine ebene Anlagefläche 26 für die Sperrstifte 7, 8 bildet. Eine stark haftende Anlage der Permanentmagnete 20, 21 an der Anlagefläche 26 wird dadurch vermieden, dass die Endabschnitte 19 der Sperrstifte 7, 8 gegenüber den Permanentmagneten 20, 21 erhaben verlaufen und diese stets einen entsprechenden Mindestabstand zur Anlagefläche 26 aufweisen.

Die Funktionsweise der Stellvorrichtung 1 ist wie folgt: wird an den Elektromagneten 22 Stromspannung mit einer ersten Polung (+/-) angelegt, so zieht das dabei entstehende Magnetfeld einen Permanentmagneten 20 oder 21 an und stößt den anderen Permanentmagneten 21 oder 20 infolge seiner umgekehrten Polung ab. Während der abgestoßene Permanentmagnet 21 oder 20, der zugehörige Sperrstift 8 oder 7 und folglich auch der zugehörige Aktuatorstift 4 oder 3 aufgrund der zugehörigen nicht gelösten Rastierung in Ruhe verbleiben, wird der mit dem einen Permanentmagneten 20 oder 21 angezogene Sperrstift 7 oder 8 bis zur Anlagefläche 26 in Einfahrrichtung verlagert. Dabei löst sich die zugehörige Rastierung, indem die Klemmwirkung der Kugeln 13 gegenüber den Stützflächen 11 , 12 aufgehoben wird. Während die Kugeln 13 der Neigung der zweiten Stützfläche 12 im Gehäuse 2 folgen und sich radial einwärts in den Querbohrungen 10 verlagern, wird der Aktuatorstift 3 oder 4 durch die Kraft der Schraubendruckfeder 6 in seine Arbeitsposition getrieben. Der Elektromagnet 22 wird daraufhin stromlos geschaltet, so dass der angezogene Sperrstift 7 oder 8 durch die Kraft der Schraubendruckfeder 15 in seine Ausgangslage zurückkehrt.

Wie eingangs erwähnt, wird der in Eingriff befindliche Aktuatorstift 3 oder 4 durch den sich radial erhebenden Auslaufbereich der Verschiebenut zurück in dessen Ruheposition geschoben und dort wieder verrastet. Dies erfolgt dadurch, dass die Kugeln 13 dem geneigten Verlauf der ersten Stützfläche 11 am Sperrstift 7 oder 8 folgen, sich radial auswärts in den Querbohrungen 10 verlagern und unter Selbsthemmung zwischen den Stützflächen 11 , 12 eingespannt werden.

Während der Aktuatorstift 3 oder 4 nachfolgend in dessen verrasteter Ruheposition verbleibt, wird die Betätigung des anderen Aktuatorstifts 4 oder 3 dadurch eingeleitet, dass an den Elektromagneten 22 nunmehr Stromspannung mit zur ersten Polung (+/-) umgekehrter zweiter Polung (-/+) angelegt wird. Die umgekehrte Wirkrichtung des jetzt entstehenden Magnetfelds stößt den einen Permanentmagneten 20 oder 21 ab und zieht den anderen Permanentmagneten 21 oder 20 an. Der weitere Stellverlauf des anderen Aktuatorstifts 4 oder 3 erfolgt in identischer Weise wie vorstehend erläutert.

Liste der Bezugszahlen

1 Stellvorrichtung

2 Gehäuse

3 Aktuatorstift

4 Aktuatorstift

5 Längsführung

6 Schraubendruckfeder

7 Sperrstift

8 Sperrstift

9 Längsbohrung

10 Querbohrung

11 erste Stützfläche

12 zweite Stützfläche

13 Kugel

14 Endabschnitt des Sperrstifts

15 Schraubendruckfeder

16 Buchse

17 Stirnfläche am Aktuatorstift

18 Stirnfläche am Sperrstift

19 Endabschnitt des Sperrstifts

20 Permanentmagnet

21 Permanentmagnet

22 Elektromagnet

23 Magnetspule

24 stationärer Kernbereich

25 Steckverbinder

26 Anlagefläche am Kernbereich