ELEKTROMAGNETISCHE STELLVORRICHTUNG SOWIE NOCKENWELLENVERSTELLVORRICHTUNG

Beschreibung

[0001] Die Erfindung betrifft eine elektromagnetische Stellvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1 sowie eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer solchen elektromagnetischen Stellvorrichtung als Aktor gemäß Anspruch 12.

[0002] Bei bekannten elektromagnetischen Stellvorrichtungen zum Verstellen der Nockenwelle besteht das Problem, dass aufgrund der magnettechnisch bedingten Geometrie des Kernbereichs und des Ankers im stromlosen Zustand eine Adhäsionskraft zwischen Kernbereich und Stellglied des Ankers wirkt. Diese Adhäsionskraft wird durch das in der Verstelleinheit befindliche Öl, welches sich zwischen den Kontaktflächen von Kernbereich und Stellglied ansammelt, verstärkt. Die dadurch entstehende Adhäsionskraft wirkt sich besonders im Niedrig- und Tieftemperaturbereich (+ 10°C bis - 40°C) negativ auf die Schaltzeiten der elektromagnetischen Verstelleinheit aus. Auch kann eine längere Standzeit des Fahrzeugs zu einer Verstärkung der Adhäsionskraft führen.

[0003] Um die vorgenannten Nachteile zu reduzieren, wurde von der Anmelderin eine verbesserte, in der WO 2008/014996 A1 beschriebene elektromagnetische Stellvorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle in einem Kraftfahrzeug entwickelt. Aus der Druckschrift ist es bekannt, die schmiermittelbedingte Haftkraft zwischen dem Stellglied und dem Kernbereich dadurch zu reduzieren, dass in der Stirnfläche des Stellgliedes eine schlitzförmige Ausnehmung und/oder Einkerbung, d.h. Vertiefung, vorgesehen ist.

[0004] Mit der von der Anmelderin vorgeschlagenen Verringerung der Kontaktflächen zwischen Stellglied und Kernbereich geht eine deutlich erhöhte Flächenpressung und damit eine erhöhte Werkstoffbelastung des Kernkörpers des Kernbereichs einher. Es bestehen Bestrebungen, die Verschleißfestigkeit der Stellvorrichtung bei gleichzeitig reduzierter Adhäsionskraft zu verbessern. Bevorzugt soll gleichzeitig der Wirkungsgrad der Stell-vorrichtung verbessert werden.

[0005] Aus der DE 20 2007 010 814 U1 sowie der DE 20 2009 001 187 U1 sind elektromagnetische Stellvorrichtungen bekannt, die ein Stellelement umfassen, welches endseitig einen Eingriffsbereich ausbildet und welches eine Aussparung in mantelseitig angeordneten Permanentmagnetmitteln durchsetzt.

[0006] Aus der EP 0 428 728 A1 ist eine elektromagnetische Stellvorrichtung bekannt, die ein Stellelement ohne Permanentmagnetmittel aufweist, wobei die Stellvorrichtung mit einem Kontaktelement ausgestattet ist.

[0007] Weiter zum Stand der Technik werden die DE 20 2007 005 133 U1 sowie die DE 199 00 995 A1 genannt.

[0008] Ausgehend von dem vorgenannten Stand der Technik liegt daher der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine verbesserte, adhäsionskraftoptimierte elektromagnetische Stellvorrichtung anzugeben, die sich durch eine erhöhte Ver-schleißfestigkeit auszeichnet und die vorzugsweise mit einer vergleichsweise kleinen, d.h. bauraumoptimierten, stationären Spuleneinrichtung auskommt. Ferner besteht die Aufgabe darin, eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer entsprechend verbesserten elektromagnetischen Stellvorrichtung anzugeben. Diese Aufgabe wird hinsichtlich der elektromagnetischen Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und hinsichtlich der Nockenwellenverstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.

[0009] Die Erfindung hat erkannt, dass die Verschleißfestigkeit durch eine geeignete Materialwahl des Kernbereichs erhöht werden kann, wobei zunächst weiterhin das Problem besteht, dass härteres Kernbereichmaterial im Regelfall schlecht magnetisch flussleitend ist, was bei einer Ausbildung des Kernkörpers aus einem gehärteten Material zu extrem schlechten Wirkungsgraden bis hin zur Funktionsuntüchtigkeit der elektromagnetischen Stellvorrichtung führen würde. Einen Ausweg aus diesem Dilemma weist die erfindungsgemäße Ausgestaltung bzw. Verbesserung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei der der Kernbereich nicht wie im Stand der Technik einteilig, sondern mehrteilig ausgebildet ist und einen, vorzugsweise magnetisch gut leitenden, Kernkörper und ein in diesem Kernkörper festgelegtes bevorzugt dem Kernkörper in Richtung Anker überragendes Kontaktelement aufweist, das sich mit einer im Vergleich zum Kernkörper erhöhten Härte, vorzugsweise gemessen in HRC, auszeichnet. Mit anderen Worten nimmt die Erfindung zunächst eine bei erster Betrachtung nachteilige mehrteilige Ausbildung des Kernbereichs in Kauf und kann hierdurch überraschend eine Vielzahl von Vorteilen erreichen. Zum einen kann auf vergleichsweise einfache Weise die Anlagefläche bzw. die schmiermittelbehaftete Kontaktfläche zwischen dem Kernbereich und dem Stellglied durch eine entsprechende Anpassung der Kontaktelementgeometrie beeinflusst werden, ohne dass es hierzu notwendig wäre, zusätzlich den Kernkörper geometrisch anzupassen. Gleichzeitig wird zum anderen, trotz erhöhter Flächenpressung aufgrund der Kontaktflächenreduzierung zur Vermeidung der Adhäsionskraft, die Verschleißfestigkeit des Kernbereichs erhöht, da sich das Stellglied in einer Schaltposition am im Vergleich zum Kernkörper härteren Kontaktelement abstützt. Insbesondere dann, wenn als Werkstoff zur Ausbildung des Kontaktelementes ein gehärteter Werkstoff, insbesondere ein gehärteter Stahl, wie beispielsweise 16MnCr5, eingesetzt wird, wird der Feldlinienverlauf der magnetischen Feldlinien in dem das Kontaktelement abschnittsweise umgebenden Kernkörper gezielt beeinflusst, insbesondere gebündelt in einem zum Kontaktelement benachbarten, bevorzugt ringförmigen Bereich, wodurch der Wirkungsgrad der elektromagnetischen Stellvorrichtung erhöht wird, wodurch wiederum eine kleiner dimensionierte (bauraumoptimierte) Spuleneinrichtung zum Einsatz kommen kann.

[0010] Der Luftspalt, der vorzugsweise zwischen dem, bevorzugt als Teil eines Scheibenpaketes vorliegenden Permanentmagnetmitteln oder einer ankerseitigen Polscheibe und dem Kernkörper ausgebildet ist, kann mittels des, vorzugsweise eingepressten, Kontaktelementes mit definiertem Überstand über den Kernkörper ein Kraftmaximum (Scheitelpunkt) eingestellt werden, d.h. der Luftspalt kann im Hinblick auf eine maximale Abstoßkraft eingestellt bzw. optimiert werden, wodurch minimale Schaltzeiten erreichbar sind.

[0011] Grundsätzlich ist es möglich, dass sich das Stellglied in der vorgenannten Schaltstellung zusätzlich zu dem im Kernkörper fixierten Kontaktelement am Kernkörper abstützt, d.h. dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche nur abschnittsweise bzw. teilweise von dem Kontaktelement gebildet ist. Bevorzugt ist jedoch eine Ausführungsform, bei der die kernbereichsseitige Kontaktfläche ausschließlich von dem Kontaktelement gebildet ist, um zum einen eine möglichst kleine Kontaktfläche und damit möglichst geringe Adhäsionskräfte zu erreichen und um zum anderen die Verschleißfestigkeit der elektromagnetischen Stellvorrichtung, insbesondere des Kernbereichs, insgesamt zu optimieren. Besonders bevorzugt ist es, wenn die von dem Kontaktelement gebildete Kontaktfläche konzentrisch bezogen auf eine Längsmittelachse des Stellgliedes angeordnet ist. Mit Vorteil überragt dabei das Kontaktelement die den Permanentmagnetmitteln zugewandte Polfläche des Kernkörpers.

[0012] Grundsätzlich ist es möglich, das Kontaktelement aus einem Werkstoff auszubilden, der dem magnetischen Fluss den gleichen oder sogar einen geringeren Widerstand entgegensetzt wie der Werkstoff des Kernkörpers. Bevorzugt ist es jedoch, wie eingangs erläutert, wenn die magnetische Leitfähigkeit des Kontaktelementes schlechter ist als die des ihn umgebenden Kernkörpers, um die Feldlinien gezielt zu bündeln. Mittels des vorzugsweise eingepressten Kontaktelementes wird also eine Bündelung der magnetischen Feldlinien erreicht, die bewirkt, dass die Feldlinien gezielter auf die von den Permanentmagnetmitteln gegengerichteten Feldlinien "gelenkt" werden. Somit kann eine Optimierung der Abstoßkraft und somit eine minimale Schaltzeit erreicht werden.

[0013] Besonders zweckmäßig ist es, wenn die, vorzugsweise in HRC angegebene Härte des Werkstoffes des Kontaktelementes mindestens doppelt so hoch, vorzugsweise mindestens dreimal so hoch, noch weiter bevorzugt mindestens viermal so hoch ist wie die Härte des Kernkörperwerkstoffes. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass der Kernkörper aus der Stahllegierung 11SMn30 und das, vorzugsweise stiftförmige, Kontaktelement aus der Legierung 16MnCr5 ausgebildet ist. In diesem Fall hat der Kernkörper eine Härte von etwa 10 HRC und das Kontaktelement von etwa 60 HRC.

[0014] Um die Adhäsionskräfte, die zwischen der kernbereichsseitigen Kontaktfläche und der stellgliedseitigen Kontaktfläche zu reduzieren bzw. zu optimieren, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche kleiner ist als eine sich radial zur Längserstreckung des Stellgliedes erstreckende Fläche (Querschnittsfläche) des Stellgliedes insbesondere als die dem Kernbereich zugewandte Stirnseite (Stirnfläche) des Stellgliedes und/oder die von den Permanentmagnetmitteln umschlossene Querschnittsfläche des Stellgliedes. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn die kernbereichsseitige Kontaktfläche, die vorzugsweise ausschließlich von dem Kontaktelement gebildet ist, nur max. 70%, bevorzugt max. 60%, weiter bevorzugt max. 50%, noch weiter bevorzugt max. 40% dieser Fläche entspricht. Ganz besonders gute Ergebnisse können dabei erzielt werden, wenn der Durchmesser der vorzugsweise zylindrischen, von dem Kontaktelement gebildeten, kernbereichsseitigen Kontaktfläche aus einem Wertebereich zwischen 2 mm und 8 mm, bevorzugt zwischen 4 mm und 7 mm, ganz besonders bevorzugt von etwa 5,2 mm gewählt ist.

[0015] Um den von dem Kontaktelement definierten Luftspalt zwischen dem Kernkörper und dem Stellglied und/oder den Permanentmagnetmitteln und/oder einer auf den Permanentmagnetmitteln angeordneten Polscheibe exakt einstellen zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung mit Vorteil vorgesehen, dass an dem Kontaktelement eine, vorzugsweise ringförmige, axiale Anschlagfläche vorgesehen ist, mit welcher sich das im Kernkörper festgelegte Kontakt-element axial am Kernkörper abstützt. Bei einer Ausführungsform ohne axiale Anschlagfläche am Kontaktelement kann der Luftspalt beispielsweise über die Einstellung einer (dann variablen) axialen Einpresstiefe des Kontaktelementes eingestellt werden, wobei in diesem Fall sichergestellt werden sollte, dass die Presspassung zwischen Kontaktelement und Kernkörper so gewählt ist, dass auch während des Betriebes ein axiales Wandern des Kontaktelementes in den Kernkörper hinein und eine damit einhergehende Luftspaltreduzierung während des Betriebes vermieden wird. Zusätzlich oder alternativ zu einer Presspassung kann das Kontaktelement über eine axiale und/oder radiale Verformung des Kernkörperwerkstoffes (Verstemmung) am Kernkörper fixiert werden.

[0016] Ganz besonders zweckmäßig ist es, wenn das Kontaktelement in einer stirnseitigen Bohrung des Kernkörpers aufgenommen und dort bevorzugt mittels einer Presspassung fixiert ist. Anders ausgedrückt ist das Kontaktelement in Weiterbildung der Erfindung in eine Bohrung des Kernkörpers eingebracht.

[0017] Dabei ist es besonders zweckmäßig, wenn die Bohrung nicht als durchgehende Zylinderbohrung realisiert ist (was alternativ möglich ist), sondern als Stufenbohrung mit mindestens einem Ringabsatz, welcher bevorzugt eine axiale Gegenanschlagfläche für eine axiale Anschlagfläche des Kontaktelementes bildet. Dabei ist es noch weiter bevorzugt, wenn die Presspassung in einem bezogen auf das Stellglied hinteren bzw. unteren Bohrungsabschnitt realisiert ist. Bevorzugt ist dabei eine axiale Stiftverpressung von etwa 2 mm bis 4 mm, vorzugsweise von 3 mm realisiert.

[0018] Als besonders zweckmäßig hat es sich herausgestellt, wenn die von dem Kontaktelement gebildete Kontaktfläche kleiner ist als der maximale Bohrungsdurchmesser der Bohrung, also im Falle der Ausbildung der Bohrung als Stufenbohrung kleiner ist als ein vorderer Bohrungsdurchmesser bzw. kleiner ist als ein Außendurchmesser einer ringförmigen axialen Anschlagfläche. Besonders bevorzugt entspricht die von dem Kontaktelement gebildete Kontaktfläche einer Querschnittsfläche des Kontaktelementes im Einpressbereich. Ganz besonders bevorzugt ist es, wenn das freie Ende des Kontaktelementes ballig ausgebildet ist - anders ausgedrückt ist eine Balligkeit der von dem Kontaktelement angebotenen Kontaktfläche von Vorteil, da sich das Stellelement als Teil der Ankerbaugruppe im eingefahrenen Zustand durch eine sich aufgrund der Balligkeit einstellenden radialen Vorzugsposition an der Kante des Kontaktelementes weniger verklemmen kann.

[0019] Wie Eingangs bereits erwähnt, ist es besonders bevorzugt, wenn das Kontaktelement den Kernkörper in axialer Richtung, d.h. in Richtung des Stellelements überragt. In Weiterbildung der Erfindung ist nun vorgesehen, dass dieser axiale Überstand so gewählt wird, dass bei gegebener Bestromung der Spulenwicklung ein Kraftmaximum der Abstoßkraft zwischen Kernkörper und Permanentmagnetmittel resultiert. Wird der axiale Überstand zu groß gewählt, führt dies zu einem Kraftverlust bei den wirkenden Magnetkräften - wird der axiale Überstand zu klein gewählt, bedeutet dies erhöhte Adhäsionskräfte und damit einen Kraftverlust bei der resultierenden Abstoßkraft. Bevorzugt wird dabei der axiale Überstand so gewählt, dass der resultierende Luftspalt zu einer maximalen Abstoßungskraft plus/minus 20%, vorzugsweise plus/minus 10%, noch weiter bevorzugt plus/minus 5% führt.

[0020] Die Erfindung führt auch auf eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten elektromagnetischen Stellvorrichtung als Aktor zur Realisierung der Verstellbewegung der Nockenwelle bzw. von deren Nocken.

[0021] Weitere Vorteile, optionale Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele sowie anhand der Zeichnungen.

[0022] Diese zeigen in:

Fig. 1:

eine teilgeschnittene Ansicht einer möglichen Ausführungsform einer nach dem Konzept der Erfindung ausgebildeten elektromagnetischen Stellvorrichtung, bei welcher die kernbereichsseitige Kontaktfläche von einem in einem Kernkörper festgelegten Kontaktelement gebildet ist,

Fig. 2:

eine Detaildarstellung einer möglichen Ausführungsform einer Kombination aus Kernbereich und Anker,

Fig. 3:

eine Darstellung des optimierten Feldlinienverlaufs durch den Einsatz eines magnetisch schlechter leitenden Kontaktelementes,

Fig. 4

ein Diagramm, welches zur Auslegung des Luftspaltes und damit des axialen Überstandes des Kontaktelementes über den Kernkörper herangezogen werden kann, um eine maximale Abstoßungskraft zu gewährleisten, und

Fig. 5

die Darstellung eines Ausführungsbeispiels mit balliger, kontaktelementseitiger Kontaktfläche.

[0023] In den Figuren sind gleiche Elemente und Elemente mit der gleichen Funktion mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

[0024] Fig. 1 zeigt die Realisierung einer elektromagnetischen Stellvorrichtung für eine ansonsten nicht näher dargestellte Nockenwellenverstellvorrichtung. Eine mögliche Ausgestaltungsvariante der Kombination aus Kernbereich und Anker ist in den Fig. 2 und 3 dargestellt.

[0025] Die nicht dargestellte Nockenwelle wird unmittelbar oder mittelbar betätigt mithilfe eines durchgehend langgestreckten, bolzenförmigen Stellgliedes 2, welches neben später noch zu erläuternden Permanentmagnetmitteln 6 Bestandteil des Ankers ist. Das Stellglied 2 ist in einem hülsenförmigen Lagerelement 3, welches gleichzeitig die Funktion eines magnetischen Joches übernimmt, in axialer Richtung verstellbar geführt. Die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 umfasst innerhalb eines topfförmigen Gehäuses 4 eine an sich bekannte, in Fig. 1 nicht dargestellte Spuleneinrichtung, welcher ein magnetischer Kernbereich 5 zugeordnet ist. Mithilfe der Spuleneinrichtung lässt sich das Stellglied 2 mit den daran festgelegten Permanentmagnetmitteln 6 in der axialen Richtung verstellen, wobei auf der von dem Kernbereich 5 abgewandten Stirnseite des Stellgliedes 2 ein Eingriffsbereich ausgebildet ist, um mit einem Gegenpart, insbesondere mit der Nockenwelle zusammenzuwirken. Der Eingriffsbereich kann alternativ auch mantelseitig vorgesehen werden.

[0026] Wie zuvor angedeutet, sind dem Stellglied 2 Permanentmagnetmittel 6 zugeordnet, die in dem gezeigten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 die Form einer Zylinderscheibe haben. Diese sitzen auf der Mantelfläche 7, d.h. mantelseitig, eines vorderen, zylindrischen Abschnittes des Stellgliedes 2. Letzteres durchsetzt eine zylindrisch konturierte, zentrische Aussparung 8 der Permanentmagnetmittel 6. Diese sind, beispielsweise durch Schweißen, materialschlüssig und/oder formschlüssig am Stellglied 2 festgelegt. Die Permanentmagnetmittel 6 dienen dazu, das Stellglied 2 bei nicht bestromter Spuleneinrichtung in der dargestellten (in der Zeichnungsebene linken) Schaltstellung zu halten, in der sich das Stellglied 2 mit einer Stirnseite 9, genauer mit einer an dieser ausgebildeten stellgliedseitigen Kontaktfläche 10 an einer dazu parallelen, kernbereichsseitigen Kontaktfläche 11 abstützt. Durch Bestromung der Spuleneinrichtung werden die Permanentmagnetmittel 6 abgestoßen und das Stellglied 2 zusammen mit diesen nach in der Zeichnungsebene rechts in eine zweite Schaltstellung verstellt.

[0027] Wie Fig. 1 zu entnehmen ist, ist die elektromagnetische Stellvorrichtung 1 in einem nur ausschnittsweise dargestellten Motorblock 12 gehalten. Dabei ist im Lagerelement 3 ein Zu- und/oder Ablaufkanal 13 für flüssiges Schmiermittel, hier Motoröl, gebildet. Radial versetzt zu dem Zu- und Ablaufkanal 13 befindet sich innerhalb des Motorblocks 12 ein weiterer Kanal 14 für das Schmiermittel.

[0028] Wie in Fig. 1 angedeutet ist und beispielhaft anhand der Fig. 2 und 3 erläutert werden wird, ist der Kernbereich 5 mehrteilig ausgebildet und umfasst einen Kernkörper 15 aus magnetisch gut leitfähigem Material, in dem konkreten Ausführungsbeispiel aus einer Stahllegierung 11 SMn 30 mit einer Härte von 10 HRC. In diesem Kernkörper 15 ist ein, die kernbereichsseitige Kontaktfläche 11 bildendes, Kontaktelement 16 durch Verpressen festgelegt, wobei das Kontaktelement 16 aus einem Werkstoff, hier der Stahllegierung 16 MnCr 5, ausgebildet ist, welcher eine deutlich größere Härte von hier 60 HRC aufweist als der Kernkörper 15.

[0029] In Fig. 2 ist die Kombination aus Anker 17 mit langgestrecktem Stellglied 2 und Kernbereich 5 gemäß einer bevorzugten Ausführungsvariante dargestellt. Zu erkennen ist die Mehrteiligkeit, hier Zweiteiligkeit, des Kernbereichs 5, der den Kernkörper 15 mit darin festgelegtem Kontaktelement 16 umfasst, welches die kernbereichsseitige Kontaktfläche 11 bildet, die mit einer entsprechend großen stellgliedseitigen Kontaktfläche 10 in der dargestellten Schaltstellung zusammenwirkt, d.h. an dieser anliegt.

[0030] Aus Fig. 2 ergibt sich der Aufbau des Ankers 17. An dem zylindrischen Stellelement 2 (Stellglied) des Ankers 17 sind Permanentmagnetmittel 6 in Form von zwei Permanentmagnetscheiben festgelegt. Den Permanentmagnetmitteln 6 ist eine Polscheibe 18 zugeordnet, die ebenfalls von dem Stellglied 2 durchsetzt ist. Die Polscheibe 18 ist parallel orientiert zu einer entsprechenden, gegenüberliegenden Polfläche 19 des Kernkörpers 15. Zwischen Polscheibe 18 und Polfläche 19 ist ein teilweise oder vollständig mit Öl gefüllter Arbeitsluftspalt 20 ausgebildet. Die Breite dieses Arbeitsluftspaltes 20 wird im Wesentlichen definiert von dem Maß, um welches das Kontaktelement 16 die Polfläche 19 des Kernkörpers 15 in Richtung Stellglied 2 überragt. Zusätzlich wird der Arbeitsluftspalt 20 bestimmt von dem Axialabstand zwischen der der Polfläche 19 zugewandten Ringpolfläche der Polscheibe 18 und der Stirnseite 9 des Stellgliedes 2.

[0031] Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist stirnseitig in dem Kernkörper 15 eine als Stufenbohrung ausgebildete Bohrung 21 eingebracht, die unterteilt ist in einen hinteren, zylindrischen, durchmesserreduzierten Abschnitt 22 (Einpressabschnitt) und einen vorderen, durchmessererweiterten Abschnitt 23, dessen Grund eine Gegenanschlagfläche 24 für eine ringförmige axiale Anschlagfläche 25 des Kontaktelementes 16 bildet. Die eigentliche Presspassung zwischen dem Kontaktelement 16 und der Bohrung 21 ist (ausschließlich) in dem durchmesserreduzierten Abschnitt 22 realisiert, wohingegen der durchmessererweiterte Abschnitt 23 im Wesentlichen nur die Ausbildung der Gegenanschlagfläche 24 zur Funktion hat (d.h. ein Radialspiel ist dort möglich).

[0032] Zur formschlüssigen Aufnahme des Kontaktelementes 16 in der als Stufenbohrung ausgeführten Bohrung 21 weist das Kontaktelement 16 gemäß der dargestellten bevorzugten Ausführungsvariante einen unteren durchmesserreduzierten Zylinderabschnitt 26 und einen daran axial angrenzenden, durchmessererweiterten Zylinderabschnitt 27 auf, der den durchmesserreduzierten Zylinderabschnitt 26 mittels eines Umfangsbundes überragt, an dem an der von dem Stellglied 2 abgewandten Seite die axiale Anschlagfläche 25 ausgebildet ist. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel grenzt an den durchmessererweiterten Zylinderabschnitt 27 ein zylindrischer Kontaktflächenabschnitt 28 an, der in dem gezeigten Ausführungsbeispiel einen Durchmesser aufweist, der dem Durchmesser des durchmesserreduzierten Abschnittes 26 entspricht, bei Bedarf hiervon jedoch auch abweichen kann. Es ist auch eine Ausführungsvariante denkbar, bei der der Kontaktflächenabschnitt 28 von einem axial verlängerten, durchmessererweiterten Zylinderabschnitt 27 gebildet ist.

[0033] Ebenso ist es realisierbar, für den Fall, dass auf eine axiale Anschlagfläche 25 verzichtet werden soll, das Kontaktelement stiftförmig, beispielsweise in Form eines Kreiszylinders, auszubilden, wobei dann bevorzugt die Bohrung 21 nicht als Stufenbohrung, sondern als durchgehend zylindrische Bohrung ausgeführt ist.

[0034] Wie sich aus Fig. 2 ergibt, ist in dem gezeigten Ausführungsbeispiel die kernbereichsseitige Kontaktfläche 11 wesentlich kleiner als die Stirnseite 9 des Stellgliedes. In dem gezeigten Ausführungsbeispiel entspricht die Flächenerstreckung der Stirnfläche 9, zumindest näherungsweise, der Flächenerstreckung der Querschnittsfläche des Stellgliedes 2, die von den Permanentmagnetmitteln 6 umgeben ist.

[0035] In Fig. 3 befindet sich eine alternative Darstellung eines Ausschnittes einer beispielhaft in Fig. 1 dargestellten elektromagnetischen Stellvorrichtung. Zu erkennen ist der Kernkörper 15, in dem das Kontaktelement 16 festgelegt ist, und zwar wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 in einer Zylinderbohrung 21, die eine Gegenanschlagfläche 24 für das Kontaktelement bereitstellt. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3 ist die Querschnittsfläche des zylindrischen Kontaktflächenabschnitts 28 geringer als die des durchmesserreduzierten Zylinderabschnittes 26, welche wiederum geringer ist als die des durchmessererweiterten Zylinderabschnittes 27, an welchem die axiale Anschlagfläche 25 zum Zusammenwirken der Gegenanschlagfläche 24 des Kernkörpers 15 ausgebildet ist.

[0036] Wie sich aus Fig. 3 weiter ergibt, ist der Kernkörper 15 umschlossen von einer lediglich schematisch dargestellten Spuleneinrichtung 29 zur Erzeugung des in Form von Feldlinien ausschnittsweise dargestellten magnetischen Feldes 30. Zu erkennen ist, dass die Bohrung 21 mit darin aufgenommenem Kontaktelement 16 die Feldlinien nach radial außen verdrängt und somit bündelt in einem radial zu dem Kontaktelement 16 benachbarten Bereich 31 des Kernkörpers 15, um somit die Magnetkraft zwischen Kernkörper 15 und Polscheibe 18 in diesem Bereich zu verstärken.

[0037] In Fig. 4 ist ein Diagramm gezeigt, dass den Zusammenhang zwischen der auf die Ankerbaugruppe wirkenden Abstoßkraft und der Breite des in Fig. 2 gezeigten Luftspaltes 20 zwischen dem Kernkörper 15 und der Polscheibe 18 (alternativ unmittelbar den Permanentmagnetmitteln) zeigt. Dabei ist auf der Hochachse die Abstoßkraft in Newton und auf der Querachse die Breite des Luftspaltes in Millimetern angegeben. Die Abstoßkraft ist die Differenz aus der magnetischen Abstoßkraft und der Adhäsionskraft. Zu erkennen ist, dass in dem Beispiel ein Abstoßungskraftmaximum bei einer Luftspaltbreite von etwa 0,4mm existiert. Wird der Luftspalt kleiner gewählt, nehmen die Adhäsionskräfte extrem zu, so dass trotz steigender magnetischer Kräfte die Abstoßungskraft sinkt. Auf der anderen Seite nimmt die magnetische Abstoßungskraft und damit die resultierende Abstoßungskraft mit weiter zunehmender Luftspaltbreite ebenfalls ab. Der axiale Überstand des Kontaktelementes 16 über den Kernkörper 15 wird in dem gezeigten Ausführungsbeispiel daher bevorzugt so gewählt, dass der resultierende Luftspalt eine Breite von zumindest näherungsweise 0,4mm in derjenigen Schaltstellung hat, in der das Stellelement 2 am Kontaktelement anliegt.

[0038] Fig. 5 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines bevorzugt zum Einsatz kommenden Kernbereichs 5. Zu erkennen ist, das im Kernkörper 15 vorgesehene Kontaktelement 16, welches den Kernkörper 15 in axialer Richtung überragt. Zu erkennen ist ferner, dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche 11 leicht ballig ausgeführt ist, wobei der die Balligkeit bestimmende Radius einem Vielfachen des Durchmessers des vorderen Kontaktflächenabschnitts 28 entspricht, was bevorzugt ist.

[0039] Durch diese Balligkeit kann sich eine radiale Vorzugsposition des Stellelementes 2 am Kontaktalement einstellen, wodurch ein Verklemmen an einer Kontaktelementkante sicher verhindert wird.

Bezugszeichenliste

[0040] 

1

elektromagnetische Stellvorrichtung

2

Stellelement

3

Lagerelement

4

Gehäuse

5

Kernbereich

6

Permanentmagnetmittel

7

Mantelfläche

8

Aussparung

9

Stirnseite

10

stellelementseitige Kontaktfläche

11

kernbereichsseitige Kontaktfläche

12

Motorblock

13

Zu- und/oder Ablaufkanal

14

Kanal

15

Kernkörper

16

Kontaktelement

17

Anker

18

Polscheibe

19

Polfläche

20

Arbeitsluftspalt

21

Bohrung

22

durchmesserreduzierter Abschnitt

23

durchmessererweiterter Abschnitt

24

Gegenanschlagfläche

25

axiale Anschlagfläche

26

durchmesserreduzierter Zylinderabschnitt

27

durchmessererweiterter Zylinderabschnitt

28

(vorderer) Kontaktflächenabschnitt

29

Spuleneinrichtung

30

Magnetfeld (Magnetfeldlinien)

31

Bereich

Ansprüche

1. Elektromagnetische Stellvorrichtung (1), insbesondere für eine Nockenwellenverstellvorichtung eines Verbrennungsmotors eines Kraftfahrzeuges, mit einem endseitig einen Eingriffsbereich ausbildenden und durch die Kraft einer stationär vorgesehenen Spuleneinrichtung (29) bewegbaren, langgestreckten, vorzugsweise abschnittsweise eine zylindrische Hüllkontur aufweisenden Stellelement (2), welches eine Aussparung (8) in mantelseitig angeordneten Permanentmagnetmitteln (6) der elektromagnetischen Stellvorrichtung (1) durchsetzt, die zum Zusammenwirken mit einem stationären, einen Kernkörper (15) umfassenden Kernbereich (5) der elektromagnetischen Stellvorrichtung (1) ausgebildet sind, und welches in einer Schaltstellung mit einer stirnseitigen stellelementseitigen Kontaktfläche (10) an einer kernbereichsseitigen Kontaktfläche (11) anliegt,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche (11) der elektromagnetischen Stellvorrichtung (1) zumindest abschnittsweise von einem im Kernkörper (15) festgelegten Kontaktelement (16) der elektromagnetischen Stellvorrichtung gebildet ist, welches aus einem Werkstoff ausgebildet ist, der eine höhere Härte aufweist als der Werkstoff des Kernkörpers (15).

2. Stellvorrichtung nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche (11) vollständig von dem Kontaktelement (16) gebildet ist.

3. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktelement (16) einen höheren magnetischen Flusswiderstand aufweist als der Kernkörper (15), um den magnetischen Fluss in einem, insbesondere querschnittlich ringförmigen Bereich (31) benachbart zu dem Kontaktelement (16) zu konzentrieren.

4. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die, vorzugsweise in HRC angegebene Härte des Werkstoffs des Kontaktelementes (16) mindestens doppelt so hoch, vorzugsweise mindestens dreimal so hoch, bevorzugt mindestens viermal so hoch ist, als die Härte des Werkstoffs des Kernkörpers (15).

5. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die kernbereichsseitige Kontaktfläche (11) kleiner ist als eine Querschnittsfläche des Stellelementes (2), insbesondere als die dem Kernbereich (5) zugewandte Stirnseite des Stellelementes (2) und/oder die von den Permanentmagnetmitteln (6) umschlossene Querschnittsfläche des Stellelementes (2), wobei bevorzugt die kernbereichsseitige Kontaktfläche (11) nur maximal 70%, bevorzugt maximal 60%, besonders bevorzugt maximal 50%, weiter bevorzugt maximal 40% dieser Querschnittsfläche entspricht.

6. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass sich das Kontaktelement (16) mit einer, vorzugsweise ringförmigen, Anschlagfläche axial am Kernkörper (15) abstützt.

7. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktelement (16) in einer stirnseitigen Bohrung (21) des Kernkörpers (15) aufgenommen, bevorzugt in dieser Bohrung (21) mittels einer Presspassung gehalten ist und/oder durch eine bevorzugt axiale und/oder radiale Verstemmung des Kernkörpers (15) an diesem fixiert ist.

8. Stellvorrichtung nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Bohrung (21) als Stufenbohrung ausgebildet ist und eine Stufe der Bohrung (21) als eine axiale Gegenanschlagfläche (24) für das Kontaktelement (16) bildet.

9. Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die von dem Kontaktelement (16) gebildete Kontaktfläche kleiner ist als der maximale Bohrungsdurchmesser der Bohrung.

10. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktelement (16) eine ballig konturierte, die stellelementseitige Kontaktfläche (10) ausbildende Stirnseite (9) aufweist.

11. Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Kontaktelement (16) den Kernkörper (15) soweit axial überragt, dass ein resultierender Luftspalt (20) zwischen den Permanentmagnetmitteln (6) und dem Kernkörper (15) so breit ist, dass bei gegebener Bestromung der Spuleneinrichtung (29) eine Abstoßungskraft zwischen den Permanentmagnetmitteln (6) und dem Kernkörper (15) maximal ist.

12. Nockenwellenverstellvorrichtung zum Verstellen einer Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor mit einer elektromagnetischen Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche.

Claims

1. An electromagnetic actuating device (1), in particular for a camshaft adjustment device of an internal combustion engine of a motor vehicle, having an actuating element (2), said actuating element forming an engagement region at the end, being movable by the force of a stationary coil device (29), being elongate, preferably having a cylindrical jacket contour in some sections, penetrating a cut-out (8) in permanent magnet means (6) of the electromagnetic actuating device (1), which are arranged on the lateral surface side and are formed to interact with a stationary core region (5) of the electromagnetic actuating device (1) that comprises a core body (15), and bearing against a contact face (11) on the core region side with an end contact face (10) on the actuating element side when in a switched position,
characterised in that
the contact face (11) of the electromagnetic actuating device (1) on the core region side is formed at least in some section by a contact element (16) of the electromagnetic actuating device, which is fixed in the core body (15) and is formed from a material that has a greater hardness than the material of the core body (15).

2. The actuating device according to claim 1,
characterised in that
the contact face (11) on the core region side is completely formed by the contact element (16).

3. The actuating device according to one of claims 1 or 2,
characterised in that
the contact element (16) has a higher magnetic flux resistance than the core body (15) in order to concentrate the magnetic flux in a region (31), in particular of annular cross section, adjacent to the contact element (16).

4. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the hardness, preferably stated in HRC, of the material of the contact element (16) is at least twice as great, preferably at least three times as great, further preferably at least four times as great as the hardness of the material of the core body (15).

5. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the contact face (11) on the core region side is smaller than a cross-sectional area of the actuating element (2), in particular than the end face of the actuating element (2) that faces the core region (5) and/or the cross-sectional area of the actuating element (2) that is surrounded by the permanent magnet means (6), the contact face (11) on the core region side preferably corresponding only to no more than 70%, preferably no more than 60%, particularly preferably no more than 50%, further preferably no more than 40% of said cross-sectional area.

6. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the contact element (16) is supported axially on the core body (15) with a preferably annular stop face.

7. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the contact element (16) is accommodated in an end bore (21) of the core body (15), preferably held in said bore (21) by means of a press fit, and/or is fixed to the core body (15) by means of a preferably axial and/or radial caulking of the latter.

8. The actuating device according to claim 7,
characterised in that
the bore (21) is formed as a stepped bore and one step of the bore (21) is formed as an axial counter stop face (24) for the contact element (16).

9. The actuating device according to one of claims 7 or 8,
characterised in that
the contact face formed by the contact element (16) is smaller than the maximum bore diameter of the bore.

10. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the contact element (16) has an end face (9), which is contoured in a crowned manner and forms the contact face (10) on the actuating element side.

11. The actuating device according to any one of the preceding claims,
characterised in that
the contact element (16) axially projects beyond the core body (15) so far that a resulting air gap (20) between the permanent magnet means (6) and the core body (15) is so wide that, a repulsion force between the permanent magnet means (6) and the core body (15) is maximal when the coil device (29) is supplied with current.

12. A camshaft adjustment device for adjusting a camshaft in an internal combustion engine, having an electromagnetic actuating device according to any one of the preceding claims.

Revendications

1. Dispositif de commande électromagnétique (1), en particulier pour un dispositif de réglage d'arbre à cames d'un moteur à combustion interne d'un véhicule automobile, comprenant un élément de commande (2) allongé, constituant une zone d'engagement au niveau d'une extrémité, déplaçable par la force d'un dispositif de bobine stationnaire (29), et présentant de préférence par sections un contour d'enveloppe cylindrique, lequel élément de commande traverse un évidement (8) dans des moyens d'aimants permanents (6) du dispositif de commande électromagnétique (1) disposés du côté de l'enveloppe, lesquels sont réalisés en vue de coopérer avec une zone de noyau stationnaire (5) du dispositif de commande électromagnétique (1) comprenant un corps de noyau (15), et lequel élément de commande s'applique dans une position de commutation par une surface de contact frontale du côté de l'élément de commande (10) contre une surface de contact (11) du côté de la zone de noyau,
caractérisé en ce que
la surface de contact du côté de la zone de noyau (11) du dispositif de commande électromagnétique (1) est formée au moins en partie par un élément de contact (16) du dispositif de commande électromagnétique fixé dans le corps de noyau (15), lequel élément de contact est réalisé en un matériau qui présente une dureté supérieure à celle du matériau du corps de noyau (15).

2. Dispositif de commande selon la revendication 1,
caractérisé en ce que
la surface de contact du côté de la zone de noyau (11) est formée entièrement par l'élément de contact (16).

3. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 1 ou 2,
caractérisé en ce que
l'élément de contact (16) présente une résistance au flux magnétique supérieure à celle du corps de noyau (15) afin de concentrer le flux magnétique dans une région (31) notamment de section transversale annulaire, adjacente à l'élément de contact (16).

4. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la dureté du matériau de l'élément de contact (16), de préférence indiquée en HRC, est au moins deux fois plus élevée, de préférence au moins trois fois plus élevée, de préférence au moins quatre fois plus élevée que la dureté du matériau du corps de noyau (15).

5. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
la surface de contact du côté de la zone de noyau (11) est inférieure à une surface en section transversale de l'élément de commande (2), en particulier au côté frontal de l'élément de commande (2) tourné vers la zone de noyau (5) et/ou la surface en section transversale de l'élément de commande (2) entourée par les moyens d'aimants permanents (6), de préférence la surface de contact du côté de la zone de noyau (11) correspondant seulement au maximum à 70 %, de préférence au maximum à 60 %, en particulier de préférence au maximum à 50 %, et plus préférablement au maximum à 40 % de cette surface en section transversale.

6. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément de contact (16) s'appuie axialement contre le corps de noyau (15) avec une surface de butée de préférence annulaire.

7. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément de contact (16) est reçu dans un alésage frontal (21) du corps de noyau (15), de préférence est maintenu dans cet alésage (21) au moyen d'un ajustement serré et/ou est fixé contre le corps de noyau (15) par matage de préférence axial et/ou radial du corps de noyau.

8. Dispositif de commande selon la revendication 7,
caractérisé en ce que
l'alésage (21) est réalisé sous forme d'alésage étagé et forme un étage de l'alésage (21) en tant que surface de butée conjuguée axiale (24) pour l'élément de contact (16).

9. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications 7 ou 8,
caractérisé en ce que
la surface de contact formée par l'élément de contact (16) est inférieure au diamètre d'alésage maximal de l'alésage.

10. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément de contact (16) présente un côté frontal (9) de contour bombé, constituant une surface de contact (10) du côté de l'élément de commande.

11. Dispositif de commande selon l'une quelconque des revendications précédentes,
caractérisé en ce que
l'élément de contact (16) dépasse axialement au-delà du corps de noyau (15) dans une mesure telle qu'un entrefer résultant (20) entre les moyens d'aimants permanents (6) et le corps de noyau (15) soit si large que lors d'une alimentation donnée en courant du dispositif de bobine (29), une force de repoussement entre les moyens d'aimants permanents (6) et le corps de noyau (15) soit maximale.

12. Dispositif de réglage d'arbre à cames pour régler un arbre à cames dans un moteur à combustion interne comprenant un dispositif de commande électromagnétique selon l'une quelconque des revendications précédentes.

Zeichnung