EP1280982B1 - Actionneur electromagnetique de soupape - Google Patents

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EP1280982B1
EP1280982B1 EP01931817A EP01931817A EP1280982B1 EP 1280982 B1 EP1280982 B1 EP 1280982B1 EP 01931817 A EP01931817 A EP 01931817A EP 01931817 A EP01931817 A EP 01931817A EP 1280982 B1 EP1280982 B1 EP 1280982B1
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EP
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actuator
valve stem
actuator rod
rod
valve
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EP01931817A
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German (de)
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EP1280982A1 (fr
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Lucien Donce
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Johnson Controls Automotive Electronics SAS
Original Assignee
Johnson Controls Automotive Electronics SAS
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    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L3/00Lift-valve, i.e. cut-off apparatus with closure members having at least a component of their opening and closing motion perpendicular to the closing faces; Parts or accessories thereof
    • F01L3/10Connecting springs to valve members
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L9/00Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically
    • F01L9/20Valve-gear or valve arrangements actuated non-mechanically by electric means

Definitions

  • the present invention relates to improvements to electromagnetic actuators intended to move in axial translation a valve for bring it alternately into an open position and in a closed position. She finds a particularly important application in the control valves of an internal combustion engine, with ignition either by sparks or by compression.
  • Actuators of the type referred to by the invention are described in particular in documents FR 2 784 222, FR 99 05203 and DE 198 40 578 A.
  • an actuator 10 consisting of a set intended to be mounted on the cylinder head 12 of an engine. he can include a housing consisting of several pieces 14 and 16 stacked and assembled by means not shown, such as only screws. These parts are made of non-ferromagnetic material, for example light alloy. The case can be attached to the cylinder head 12 via a shim 20 also of non-ferromagnetic material.
  • the actuator comprises a pallet 22 of material ferromagnetic, advantageously laminated to reduce losses, fixed on an actuator rod 24 intended for the drive of the valve 25.
  • a pallet 22 of material ferromagnetic, advantageously laminated to reduce losses fixed on an actuator rod 24 intended for the drive of the valve 25.
  • several valves are mounted side by side and one only has of a small width for each actuator in the direction perpendicular to that of Figure 1. This led to give the pallet a rectangular shape.
  • the pallet can not turn in room 16.
  • the rod actuator 24 can be attached to the pallet by welding and be guided by a ring 26 attached to an extension ring of piece 16.
  • the tail 32 of the valve 25 is distinct from the rod 24 and located coaxially in the continuation of this one. She is guided by a ring 29 fixed to the breech and can turn in this one.
  • Two return springs 28 a and 28 b are provided to maintain the head 34 of the valve 25 at rest in a substantially middle position between the closed position and the fully open position.
  • One of the springs 28 a is associated with the actuator rod 24 and is compressed between a plate or cup 30 fixed to the rod 24 and the extension of the part 16.
  • the other spring 28b is compressed between a plate or cup 31 attached to the valve stem 32 and the bottom of the valve well 33 formed in the cylinder head.
  • the distribution clearance between the raised rod 24 and the tail 32 of the closed valve 25 ensures the seal.
  • each cup 30, 31 is mounted rigidly respectively on the actuator rod 24 and the tail of
  • each cup has a tapered bore 35 diverging towards the end of the rod 24 and the tail 32 and is force-fitted on a conical ring 36 integral with the rod 24 and tail 32 (for example formed of two half-rings assembled on either side of the stem 24, respectively of the tail 32 and retained thereon, by a set of grooves and annular ribs mutually interlocked).
  • the springs 28 a and 28 b are in the form of helical springs, in particular helical volute springs whose small diameter end is supported on the corresponding cup 30, 31 respectively.
  • the support of each spring on the associated cup is not strictly identical over the entire periphery of the cup due to the geometry of the end turn of the spring.
  • the spring support force is not rigorously symmetrical around the perimeter of the cup. The consequence is that the force of the spring on the cup is decomposed into an axial thrust component and a transverse component which is communicated by the cup to the rod. This transverse component varies with the compression of the spring and tends to apply the actuator rod 24 and the valve stem 32 against the respective guide ring 26, 29.
  • This asymmetric friction variable intensity at the rate of compression and expansion of the springs ( approximately 50 times per second for an engine speed of the order of 3000 revolutions per minute) is a generator of vibration, noise and wear of the friction parts.
  • the main purpose of the invention is to propose an improved arrangement of the device set out above which rules out such a risk.
  • an electromagnetic actuator valve having a pallet secured to a rod movable actuator substantially axially to cooperate functionally with a valve tail that is substantially in the extension and coaxial to the said actuator rod and movable substantially axially
  • elastic return means comprising springs helical coaxially associated respectively with said actuator rod and at said valve stem and being arranged to keep said valve at rest in a middle position between full open positions and closing, said coil springs being side of the cooperating ends of said rod actuator and said valve stem, resting on cups secured respectively of said rods actuator and valve stem, both cups having an axial central cavity in the shape of a cap spherical clean to receive a ball cap complementarily shaped spherical which is integral to the actuator rod or valve stem
  • the invention proposes that the spherical cap surface of the cavity the cup and / or the kneecap is hollowed out of throats radials separating spherical cap sectors, so that a lubricating agent can be brought easily between spherical surfaces in motion
  • the central axial cavity of the cup is turned towards the free end of the stem actuator or the tail of the valve.
  • the ball joint spherical cap shape is a ring reported coaxially on the end of the actuator rod or the valve stem, with in this case the possibility that the ball-shaped spherical cap ring has a tapered center bore and is locked on the end of the actuator rod or the tail of valve by a conical ferrule itself fitted on said end.
  • the patella shaped spherical cap is formed in the form of two half-rings assembled, with axial locking, from and else from the end of the actuator rod or the valve stem.
  • the invention finds particular application interesting when the coil springs are volute springs with a small diameter end winding is resting on the respective cups, because it is in the case of such coil springs in volute that the transverse component is the most important.
  • the cup 30 is held against the massive end portion 37 simply by the spring 28a, and the ball joint thus formed enables an omnidirectional rotating movement of the cup 30 relative to the rod 24, thereby releasing the latter from the effects of transverse component due to spring 28 a .
  • the cup 30 is, as in FIG. 2, provided with a cavity with surface 40 concave spherical cap, while that the surface shaped convex spherical cap 38 is provided on an annular ring 41 which is secured at the end of the actuator rod 24 by through a conical ring according to the same type of assembly shown in Figure 1 for the joining together of the cup 30 directly to the rod 24.
  • the ring 41 has a conical bore 42 through which it is force-fitted on a ring or conical ferrule 36 integral with the actuator rod 24.
  • the conical ring 36 can be formed of two half-rings assembled around the stem 24 and blocked axially on it by a set of grooves (s) and projection (s) provided on the respective cooperating faces and mutually interlocked.
  • the ring 41 with external surface convex spherical 38 is replaced by a ring 42 consisting of two half-rings 43 which have a obviously central equipped with a set of throat (s) and / or protrusion (s) adapted to cooperate by interlocking with those complementary actuator rod 24.
  • the convex spherical outer surface 38 of one or the other embodiment mentioned above is dug out of grooves 44 of radial extent which facilitate the supply of lubricant between the friction surfaces 38 and 40. Moreover, the presence of such cuts 44 reduces the area of friction surfaces that are reduced to cap sectors 45, and therefore reduces friction.
  • bloodletting can similarly be provided in the concave spherical surface 40 of the cup 30. Possibly bleeds can be provided simultaneously in the convex surface 38 and in the concave surface 40.

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Description

La présente invention concerne des perfectionnements apportés aux actionneurs électromagnétiques destinés à déplacer en translation axiale une soupape pour l'amener alternativement dans une position d'ouverture et dans une position de fermeture. Elle trouve une application particulièrement importante dans la commande des soupapes d'un moteur à combustion interne, à allumage soit par étincelles soit par compression.
Des actionneurs du type visé par l'invention sont décrits notamment dans les documents FR 2 784 222, FR 99 05203 et DE 198 40 578 A. En référence à la figure 1 il est connu de réaliser un actionneur 10 constitué d'un ensemble destiné à être monté sur la culasse 12 d'un moteur. Il peut comporter un boítier constitué de plusieurs pièces 14 et 16 empilées et assemblées par des moyens non représentés, tels que des vis. Ces pièces sont en matériau non ferromagnétique, par exemple en alliage léger. Le boítier peut être fixé sur la culasse 12 par l'intermédiaire d'une cale 20 également en matériau non ferromagnétique.
L'actionneur comporte une palette 22 en matériau ferromagnétique, avantageusement feuilleté pour réduire les pertes, fixée sur une tige d'actionneur 24 destinée à l'entraínement de la soupape 25. En général, plusieurs soupapes sont montées côte à côte et on ne dispose que d'une largeur faible pour chaque actionneur dans la direction perpendiculaire à celui de la figure 1. Cela conduit à donner à la palette une forme rectangulaire. La palette ne peut pas tourner dans la pièce 16. La tige d'actionneur 24 peut être fixée à la palette par soudure et être guidée par une bague 26 fixée à un prolongement annulaire de la pièce 16.
Dans le mode de réalisation illustré, la queue 32 de la soupape 25 est distincte de la tige 24 et située coaxialement dans le prolongement de celle-ci. Elle est guidée par une bague 29 fixée à la culasse et peut tourner dans celle-ci.
Deux ressorts de rappel 28a et 28b sont prévus pour maintenir la tête 34 de la soupape 25 au repos dans une position sensiblement médiane entre la position de fermeture et la position de pleine ouverture. Un des ressorts 28a est associé à la tige d'actionneur 24 et est comprimé entre un plateau ou coupelle 30 fixé à la tige 24 et le prolongement de la pièce 16. L'autre ressort 28b est comprimé entre un plateau ou coupelle 31 fixé à la queue de soupape 32 et le fond du puits de soupape 33 ménagé dans la culasse. Le jeu de distribution entre la tige 24 levée et la queue 32 de la soupape 25 fermée garantit l'étanchéité.
Chaque coupelle 30, 31 est montée rigidement respectivement sur la tige d'actionneur 24 et la queue de soupape 32. Par exemple, comme illustré à la figure 1, chaque coupelle présente un alésage conique 35 divergeant vers l'extrémité de la tige 24 et de la queue 32 et est emmanchée à force sur une bague conique 36 solidaire de la tige 24 et de la queue 32 (par exemple formée de deux demi-bagues assemblées de part et d'autre de la tige 24, respectivement de la queue 32 et retenue, sur celle-ci, par un ensemble de gorges et nervures annulaires mutuellement emboítées).
Par ailleurs, les ressorts 28a et 28b sont constitués sous forme de ressorts hélicoïdaux, notamment de ressorts hélicoïdaux en volute dont l'extrémité de petit diamètre est en appui sur la coupelle correspondante 30, 31 respectivement. De ce fait, l'appui de chaque ressort sur la coupelle associée n'est pas rigoureusement identique sur toute la périphérie de la coupelle en raison même de la géométrie de la spire d'extrémité du ressort. Il en résulte que l'effort d'appui du ressort n'est pas rigoureusement symétrique sur le pourtour de la coupelle. La conséquence en est que l'effort du ressort sur la coupelle se décompose en une composante de poussée axiale et en une composante transversale qui est communiquée, par la coupelle, à la tige. Cette composante transversale varie avec la compression du ressort et tend à appliquer la tige d'actionneur 24 et la queue de soupape 32 contre la bague de guidage respective 26, 29. Ce frottement asymétrique à intensité variable au rythme des compression et dilatation des ressorts (environ 50 fois par seconde pour une vitesse du moteur de l'ordre de 3000 tours par minute) est générateur de vibration, de bruit et d'usure des pièces frottantes.
Cet inconvénient peut être écarté en prévoyant que les deux coupelles présentent une cavité centrale axiale en forme de calotte sphérique propre à recevoir une rotule en calotte sphérique de forme complémentaire qui est solidaire de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape comme enseigné dans le document DE-A-198 40 578.
Grâce à cet agencement, on désolidarise en partie la tige d'actionneur ou la queue de soupape et sa coupelle associée, de sorte que celle-ci peut, sous l'action de la composante d'effort transversale communiquée par le ressort, prendre toute inclinaison souhaitée par rapport à son support. Cette inclinaison peut varier en angle et en direction radiale au rythme de la variation de compression du ressort. Finalement la tige d'actionneur ou la queue de soupape n'est plus rigidement solidaire du ressort et n'est plus soumise à la composante d'effort transversale générée par celui-ci, de sorte qu'elle coulisse dans la bague de guidage correspondante de façon parfaitement coaxiale. On écarte ainsi une cause d'usure rapide des pièces en glissement relatif et on élimine une source de vibration et de bruit.
Toutefois, les dispositions précitées ne suffisent pas à elles seules à assurer un fonctionnement fiable des commandes de soupapes, en raison notamment des vitesses très élevées atteintes par les pièces en mouvement. Il est donc impératif d'écarter toute cause de dysfonctionnement, notamment sous l'effet d'un échauffement de pièces en appui déplaçables l'une par rapport à l'autre.
L'invention a essentiellement pour but de proposer un agencement perfectionné du dispositif exposé plus haut qui écarte un tel risque.
A cette fin, dans un actionneur électromagnétique de soupape ayant une palette solidaire d'une tige d'actionneur mobile sensiblement axialement pour coopérer fonctionnellement avec une queue de soupape qui est sensiblement dans le prolongement et coaxiale à ladite tige d'actionneur et mobile sensiblement axialement, des moyens de rappel élastiques comprenant des ressorts hélicoïdaux associés coaxialement respectivement à ladite tige d'actionneur et à ladite queue de soupape et étant agencés pour maintenir au repos ladite soupape dans une position médiane entre des positions d'ouverture complète et de fermeture, lesdits ressorts hélicoïdaux étant, du côté des extrémités coopérantes de ladite tige d'actionneur et de ladite queue de soupape, en appui sur des coupelles solidaires respectivement desdites tige d'actionneur et queue de soupape, les deux coupelles présentant une cavité centrale axiale en forme de calotte sphérique propre à recevoir une rotule en calotte sphérique de forme complémentaire qui est solidaire de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape, l'invention propose que la surface en calotte sphérique de la cavité de la coupelle et/ou de la rotule soit creusée de gorges radiales séparant des secteurs de calotte sphérique, de sorte qu'un agent de lubrification puisse être amené facilement entre les surfaces sphériques en mouvement relatif. On évite ainsi le risque de grippage dans la commande des soupapes.
De préférence, la cavité centrale axiale de la coupelle est tournée vers l'extrémité libre de la tige d'actionneur ou respectivement de la queue de la soupape.
On peut envisager un exemple de réalisation structurellement simple selon lequel la rotule en forme de calotte sphérique est une partie élargie radialement de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape. Toutefois, une telle réalisation monobloc nécessite un usinage particulier de la soupape.
Pour éviter cela, on aura plutôt recours à un autre exemple de réalisation selon lequel la rotule en forme de calotte sphérique est une bague rapportée coaxialement sur l'extrémité de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape, avec dans ce cas la possibilité que la bague formant rotule en forme de calotte sphérique présente un alésage central conique et soit bloquée sur l'extrémité de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape par une virole conique elle-même emboítée sur ladite extrémité. Ou bien encore, on pourra avoir recours à un autre exemple de réalisation selon lequel la rotule en forme de calotte sphérique est constituée sous forme de deux demi-bagues assemblées, avec blocage axial, de part et d'autre de l'extrémité de la tige d'actionneur ou de la queue de soupape.
L'invention trouve une application particulièrement intéressante lorsque les ressorts hélicoïdaux sont des ressorts en volute dont l'extrémité de petit diamètre d'enroulement est en appui sur les coupelles respectives, car c'est dans le cas de tels ressorts hélicoïdaux en volute que la composante transversale est la plus importante.
L'invention sera mieux comprise à la lecture de la description détaillée qui suit de certains modes de réalisation donnés uniquement à titre d'exemples nullement limitatifs. Dans cette description, on se réfère aux dessins annexés sur lesquels :
  • les figures 2 à 4 sont des vues partielles, en coupe et à échelle agrandie, montrant respectivement trois modes de réalisation d'un accouplement articulé d'une coupelle et d'une tige d'actionneur dans lesquels l'invention peut trouver application ; et
  • la figure 5 est une vue schématique en perspective de la surface externe d'une rotule mise en oeuvre selon l'invention dans les agencements des figures 2 à 4.
Aux figures 2 à 4 a été représenté plus particulièrement l'accouplement articulé entre la coupelle 30 et la tige d'actionneur 24, étant toutefois entendu qu'un accouplement de même nature est mis en oeuvre également entre la coupelle 31 et la queue de soupape 32 eu égard au fait que la queue de soupape 32 est soumise aux mêmes effets que la tige d'actionneur 24 pour les mêmes causes.
Comme illustré à la figure 2, on prévoit de terminer la tige d'actionneur 24 par une partie terminale 37 dont la surface 38 tournée vers l'actionneur 10 est en forme de calotte sphérique (surface convexe).
La coupelle 30, quant à elle, présente une cavité centrale axiale 39, ouverte en direction de la queue de soupape, dont la surface 40 est en forme de calotte sphérique (surface concave) complémentaire de la surface convexe de la partie terminale 37 de la tige d'actionneur 24.
La coupelle 30 est maintenue en appui sur la partie terminale massive 37 simplement par le ressort 28a, et la rotule ainsi constituée autorise un débattement rotatif omnidirectionnel de la coupelle 30 par rapport à la tige 24, libérant ainsi celle-ci des effets de la composante transversale due au ressort 28a.
L'agencement illustré à la figure 2 conduisant à un usinage complexe de la tige d'actionneur 24 et à un montage délicat de l'ensemble, on pourra en pratique avoir recours à l'exemple de réalisation illustré à la figure 3. La coupelle 30 est, comme à la figure 2, munie d'une cavité à surface 40 en calotte sphérique concave, tandis que la surface en forme de calotte sphérique convexe 38 est prévue sur une bague annulaire 41 qui est solidarisée à l'extrémité de la tige d'actionneur 24 par l'intermédiaire d'une bague conique selon le même type de montage qu'illustré à la figure 1 pour la solidarisation de la coupelle 30 directement à la tige 24. A cet effet, la bague 41 comporte un alésage conique 42 par lequel elle est emmanchée à force sur une bague ou virole conique 36 solidaire de la tige d'actionneur 24. Comme indiqué plus haut, la bague conique 36 peut être formée de deux demi-bagues assemblées autour de la tige 24 et bloquée axialement sur celle-ci par un ensemble de gorge(s) et saillie(s) prévues sur les faces respectives coopérantes et mutuellement emboítées.
On peut également envisager, comme illustré à la figure 4, de combiner structurellement les deux bagues 41 et 36. A cette fin, la bague 41 à surface externe sphérique convexe 38 est remplacée par une bague 42 constituée de deux demi-bagues 43 qui présentent un évidemment central munie d'un ensemble de gorge(s) et/ou saillie(s) propres à coopérer par emboítement avec ceux complémentaires de la tige d'actionneur 24.
Conformément à l'invention, comme illustré à la figure 5, la surface externe sphérique convexe 38 de l'un ou l'autre mode de réalisation précité est creusée de saignées 44 d'étendue radiale qui facilitent l'amenée de lubrifiant entre les surfaces frottantes 38 et 40. En outre, la présence de telles saignées 44 réduit l'aire de contact des surfaces frottantes qui sont réduites à des secteurs de calotte 45, et réduit donc les frottements. Bien entendu, des saignées peuvent de la même manière être prévues dans la surface sphérique concave 40 de la coupelle 30. Eventuellement des saignées peuvent être prévues simultanément dans la surface convexe 38 et dans la surface concave 40.

Claims (7)

  1. Actionneur électromagnétique de soupape (34) ayant une palette (22) solidaire d'une tige d'actionneur (24) mobile sensiblement axialement pour coopérer fonctionnellement avec une queue de soupape (32) qui est sensiblement dans le prolongement et coaxiale à ladite tige d'actionneur (24) et mobile sensiblement axialement, des moyens de rappel élastiques (28a, 28b) comprenant des ressorts hélicoïdaux associés coaxialement respectivement à ladite tige d'actionneur (24) et à ladite queue de soupape (32) et étant agencés pour maintenir au repos ladite soupape (34) dans une position médiane entre des positions d'ouverture complète et de fermeture, lesdits ressorts hélicoïdaux étant, du côté des extrémités coopérantes de ladite tige d'actionneur et de ladite queue de soupape, en appui sur des coupelles (30, 31) solidaires respectivement desdites tige d'actionneur (24) et queue de soupape (32), les deux coupelles (30, 31) présentant une cavité centrale axiale en forme de calotte sphérique (40) propre à recevoir une rotule en calotte sphérique de forme complémentaire (38) qui est solidaire de la tige d'actionneur (24) ou de la queue de soupape (32),
       caractérisé en ce que la surface en calotte sphérique de la cavité de la coupelle et/ou de la rotule est creusée de gorges radiales (44) séparant des secteurs (45) de calotte sphérique.
  2. Actionneur selon la revendication 1, caractérisé en ce que la cavité centrale axiale (40) de la coupelle (30, 31) est tournée vers l'extrémité libre de la tige d'actionneur (24) ou respectivement de la queue de la soupape (32).
  3. Actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la rotule en forme de calotte sphérique est une partie (37) élargie radialement de la tige d'actionneur (24) ou de la queue de soupape (32).
  4. Actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la rotule en forme de calotte sphérique est une bague (41) rapportée coaxialement sur l'extrémité de la tige d'actionneur (24) ou de la queue de soupape (32).
  5. Actionneur selon la revendication 4, caractérisé en ce que la bague (41) formant rotule en forme de calotte sphérique (38) présente un alésage central conique (42) et est bloquée sur l'extrémité de la tige d'actionneur (24) ou de la queue de soupape (32) par une virole conique (36) elle-même emboítée sur ladite extrémité.
  6. Actionneur selon la revendication 1 ou 2, caractérisé en ce que la rotule en forme de calotte sphérique (42) est constituée sous forme de deux demi-bagues (43) assemblées, avec blocage axial, de part et d'autre de l'extrémité de la tige d'actionneur (24) ou de la queue de soupape (32).
  7. Actionneur selon l'une quelconque des revendications précédentes, caractérisé en ce que les ressorts hélicoïdaux (28a, 28b) sont des ressorts en volute dont l'extrémité de petit diamètre d'enroulement est en appui sur les coupelles respectives (30, 31).
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EP1280982A1 EP1280982A1 (fr) 2003-02-05
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AU (1) AU5851001A (fr)
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ES (1) ES2234839T3 (fr)
FR (1) FR2808859B1 (fr)
WO (1) WO2001086123A1 (fr)

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