CN105940192B - 凸轮轴调节器和用于运行凸轮轴调节器的方法 - Google Patents

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Abstract

一种凸轮轴调节器(1)包括调节传动装置(2)，所述调节传动装置具有输入轴(7)、设计用于与凸轮轴抗转动地连接的输出轴(6)、以及调节轴(8)，其中调节轴(8)通过执行器(3)驱动。执行器(3)在克服与所述调节轴的角位置相关的扭矩(MB)的情况下驱动调节轴(8)，由此提供输出轴(6)的优选位置、尤其是锁定位置。

Description

凸轮轴调节器和用于运行凸轮轴调节器的方法
技术领域
本发明涉及一种设计用于应用在内燃机中的凸轮轴调节器以及一种用于运行凸轮轴调节器的方法。
背景技术
从DE 102 48 335A1中已知一种具有调节传动装置的电驱动的凸轮轴调节器，所述调节传动装置能够构成为双偏心轮传动装置或双行星传动装置。调节传动装置具有小的摩擦以及例如1:250的高传动比。
从DE 10 2004 038 695 A1中已知另一凸轮轴调节器，所述凸轮轴调节器具有内偏心轮传动装置或行星传动装置作为调节传动装置。行星传动装置也是从DE 100 54 797A1中已知的凸轮轴调节器的一部分，其中在该情况下能够液压地或电地进行调节。DE 102011 004 077 A1公开一种适合于凸轮轴调节器的轴传动装置。通常，凸轮轴调节器的轴传动装置能够实施为罐式传动装置或构成为扁平传动装置。轴传动装置为三轴传动装置。
发明内容
本发明所基于的目的是：相对于现有技术尤其在能量方面改进可电驱动的凸轮轴调节器。
根据本发明，所述目的通过如下用于运行凸轮轴调节器的方法来实现。此外，所述目的通过如下适合用于执行该方法的凸轮轴调节器来实现。下面结合凸轮轴调节器阐述的本发明的设计方案和优点大体上也适用于运行方法并且反之亦然。
凸轮轴调节器包括调节传动装置，所述调节传动装置具有输入轴、输出轴和调节轴，其中输入轴借助于牵引机构传动装置能够由内燃机的曲轴驱动，并且输出轴抗转动地与内燃机的凸轮轴连接。调节轴能够通过执行器驱动，所述执行器优选构成为电动机。然而，在电执行器的部位处也设有液压执行器。调节传动装置优选为三轴传动装置；同样能够实现作为四轴传动装置的实施方式。
根据本发明，要由执行器施加以旋转调节轴的扭矩与调节轴的角位置相关。在优选的设计方案中，要由执行器施加的驱动力矩周期地波动，其中驱动力矩的波动的周期持续小于调节轴的半转。在调节轴中作用的扭矩的波动在此例如能够描述正弦形或锯齿形的变化。同样地，其他周期性波动的、与调节轴的角位置相关的扭矩变化曲线是可行的，所述扭矩变化曲线例如——至少近似地——能够通过多项式或三角函数描述。
与通过扭矩变化描述的曲线的精确形状无关，在无负载的调节传动装置的调节轴转动一整圈的情况下，在执行器和调节轴之间作用的扭矩优选分别经过至少两个最小值和最大值，例如分别经过四个或十个最小值和最大值。
在调节轴旋转时在所述调节轴中作用的扭矩的波动对应于输出轴相对于输入轴的限定的优选位置。输出轴仅能够借助调节轴的沿两个转动方向提高的扭矩调节离开优选位置。如果凸轮轴调节器处于优选位置中，那么这表示：相对于输出轴的其他位置在能量方面尤其有利地调节凸轮轴调节器。需要用于调节凸轮轴调节器的、要从执行器传递到调节轴上的扭矩的角度相关性的优点因此在于：凸轮轴调节器以相对小的能量耗费能够保持在优选位置中。
要导入到调节轴中的扭矩的角度相关的波动远超过常规的发动机变速器装置的可能的扭矩波动。优选地，从执行器传递到调节轴上的最大扭矩和最小扭矩之间的差相当于在调节轴中作用的平均扭矩的至少20％。甚至在沿相同方向调节期间，调节轴中的扭矩的符号的变换是可行的。因此这等同于：凸轮轴调节器自动地进入到其优选位置中。一旦凸轮轴调节器处于优选位置中，那么能够停止对执行器通电。
凸轮轴调节器的调节传动装置例如构成为轴传动装置。轴传动装置不仅在构成为罐式传动装置的情况下而且在构成为扁平传动装置的情况下包括弹性的有齿的构件。除了该构件之外，在优选的设计方案中，调节传动装置的其他构件至少稍微可弹性变形地构成。在此，其尤其为调节传动装置中的滚动轴承的轴承环。弹性的轴承环的优点尤其明显地在于：相应的滚动轴承具有偶数个滚动体。
因为在轴传动装置中在滚动轴承的相反置的位置处出现负荷最大值，所以在轴承环的相应的位置处由于偶数个滚动体数量而总是或者存在两个滚动体或者存在两个间隙。滚动体优选被预紧，使得出现轴承环的弹性减振，其中所述滚动体是构成为轴传动装置的调节传动装置中的轴发电机的一部分，其中所述弹性减振与最大力导入的彼此错开180°的区域是否位于滚动轴承的环周部段中极其相关，在所述环周部段中通过滚动体支撑轴承环或者由于相邻的滚动体之间的间隙而较容易变形。较容易的变形性对应于调节轴的较容易的可旋转性。在极端情况下，扭矩变化曲线的最小值构成为锁定位置。
在最简单的情况下，在操纵凸轮轴调节器时引起显著的扭矩波动，其方式在于，作用为轴发电机的部件的滚动轴承的轴承环、尤其外环是薄壁的，使得其能弹性变形进而产生锁定效果。替选地，滚动轴承的接触滚动体的轴或内环在环周上波形地构成。同样可行的是：滚动轴承的至少一个轴承环具有围绕其环周变化的壁厚度。也通过在滚动体滚道之下的孔能够实现有针对性地降低滚动轴承的径向刚性。
滚动轴承在调节传动装置中的锁定效果也通过应用滚动体是可行的，所述滚动体的横截面不同于圆形。例如，非圆的滚子或滚针能够具有稍微椭圆形的或多边形的横截面。同样地，能够在滚动轴承之内应用不同的滚动体，所述滚动体具有彼此稍微不同的直径。例如，在滚动轴承的环周方向上总是能够交替存在两个较小的滚动体和一个较大的滚动体。
凸轮轴调节器的调节传动装置具有高的减速比，所述减速比即使在调节轴的仅粗略的锁定的情况下引起输出轴相对于输入轴的角位置的多倍精细的锁定。优选地，存在输出轴的至少30个锁定位置。输出轴因此能够固定在其机械的端部止挡部之间的大量的位置中、即优选位置中，其中为了保持输出轴，即为了相对于曲轴固定凸轮轴，最多必须通过执行器施加小的扭矩。执行器在优选位置中至少尽可能地减负荷，而输出轴大部分地或完全地通过阻力保持在调节传动装置之内。
原则上，即使在任何自锁的传动装置中也存在传动装置输出元件的这种自动的固定。然而，根据本发明的凸轮轴调节器的调节传动装置与其的区别基本上在于：仅在某些角位置中存在传动装置的输出轴的自动的固定。相反，用于调节凸轮轴调节器所需的平均扭矩显著小于在自锁的传动装置中的扭矩。与之相应地，根据本发明的调节传动装置的效率能够高于50％，这在自锁的传动装置中则不是这种情况。
在凸轮轴调节器中使用的调节传动装置也称作为准自锁的传动装置或具有去干扰(gerasterter)的自锁装置的传动装置。这兼有自锁的传动装置的优点，即自动地保持传动装置输出元件，与非自锁的传动装置的主要优点，即与自锁的传动装置相比显著更高的效率。
与调节传动装置的结构类型无关，用于旋转调节轴所需的扭矩优选至少在对应于优选位置的、狭窄受限的角范围中显著小于在常规的、电操纵的凸轮轴调节器中的扭矩，即使所述凸轮轴调节器——如常见的那样——具有非自锁的传动装置。相反，在两个点状的或近似点状的优选位置之间的角区域中能够施加扭矩，所述扭矩大于用于操纵常规的凸轮轴调节器所需的扭矩，并且位于对于自锁的传动装置典型的数量级中或高于所述数量级。由于在调节过程中对扭矩取平均值并且由于如下事实，即根据本发明的凸轮轴调节器在其运行持续时间的绝大部分期间在大量的优选位置中的一个中运行，所以凸轮轴调节器的能量需求最终与现有技术相比显著下降。
附图说明
下面，根据附图详细阐述本发明的多个实施例。其中示出：
图1示出具有以扁平结构形式构成的轴传动装置的凸轮轴调节器的示意剖面图，
图2示出具有罐结构类型的轴传动装置的凸轮轴调节器的类似于图1的视图，
图3示出设计用于轴传动装置的滚动轴承，所述滚动轴承具有在不同的角位置中与角度相关的弹性的可变形性，
图4示出图3的细节，
图5示出用于凸轮轴调节器的轴传动装置的滚动轴承的另一实施方式，
图6示出在操纵凸轮轴调节器时调节轴中的扭矩变化曲线。
具体实施方式
在全部附图中，原则上彼此相对应的或起相同作用的部分设有相同的附图标记。
图1和2非常简化地分别示出适合于应用在内燃机、尤其在汽油机中的电运行的凸轮轴调节器1的一个实施方式，关于其原理性的功能参考开头引用的现有技术。
凸轮轴调节器1包括调节传动装置2以及执行器3，即电动机，其中在实施例中离合器4连接在执行器3和调节传动装置2之间。调节传动装置2不仅在根据图1的实施例中而且在根据图2的实施例中构成为轴传动装置。在这两种情况下，链轮5用作为凸轮轴调节器1的驱动元件，而调节传动装置2的输出轴6与未示出的凸轮轴固定地连接。在链轮5的位置处，在皮带传动的凸轮轴的情况下，也能够设有皮带轮。驱动齿圈7与链轮5连接，所述驱动齿圈是调节传动装置2的输入轴7。通过执行器3，经由离合器4能够驱动作为调节传动装置2的第三轴的调节轴8。只要调节轴8以输入轴7的转速旋转，那么输出轴6就以该转速转动。
因此，在内燃机的曲轴和凸轮轴之间的角关系在该运行状态下保持不变。通过执行器3以与链轮5的转速不同的转速驱动调节轴8的方式，进行凸轮轴的调节。在根据图1和2的每个实施方式中，调节传动装置2为加速的传动装置，使得在调节轴8和输入轴7之间的角度关系所变化的特定的量值引起在输入轴7和一方面链轮5和另一方面输出轴6之间的角度关系变化了较小倍数的量值。
调节轴8在图1和2中示出的这两个实施方式中分别设计用于操纵轴发电机9。轴发电机9包括滚动轴承10，所述滚动轴承(在图1和2中不可见)椭圆形地构成。在此，滚动轴承10的内环11椭圆形地成形，而相对薄壁的外环12匹配内环11的形状。作为滚动体13的滚珠在内环11和外环12之间滚动。
在根据图1的调节传动装置2的结构形式中，正齿轮14直接位于外环12上，所述正齿轮同样能够变形，并且所述正齿轮具有与外环12相同的沿轴向方向测量的宽度。正齿轮14的外齿部与驱动齿圈7的内齿部啮合，其中这大约占据正齿轮14的一半宽度。一方面正齿轮14的和另一方面驱动齿圈7的齿部仅在两个彼此错开180°的位置处彼此接合，在根据图1的装置中在调节传动装置2的上部以及下部的区域中彼此接合。在全部其余的角范围中，由于滚动轴承10的椭圆形状，正齿轮14被驱动齿圈7提升。
类似地，正齿轮14与从动齿圈15共同作用，所述从动齿圈以小的间距轴向地设置在驱动齿圈7旁边并且同样具有内齿。通过一方面驱动齿圈7的和另一方面从动齿圈15的不同的齿数，在内环11完整旋转一圈时，驱动齿圈15相对于驱动齿圈7略微旋转。例如，驱动齿圈7的齿的数量与从动齿圈15的齿的数量相差两个。从动齿圈15与输出轴6固定地连接。
根据图2的实施例，关于原理上的运动学对应于根据图1的实施例，其中在根据图2的装置中，在正齿轮14的和从动齿圈15的位置处设有唯一的、罐形的从动轮16，所述从动轮与输出轴6连接。从动轮16具有与驱动齿圈7的内齿部啮合的外齿部，所述外齿部的齿数与驱动齿圈7的内齿部的齿数稍微不同，例如相差两个。至少在齿部的区域中，从动轮16是足够弹性的，以便通过轴发电机9变形。
在图3中在不同的状态下示出的滚动轴承10分别作为轴发电机9的部件能够应用在根据图1的装置中和应用在根据图2的装置中。主负荷方向HR在图3中通过径向定向的箭头表示，力沿所述主负荷方向作用于滚动轴承10上。由执行器3驱动的内环11的转动方向通过沿环周方向的箭头表明。在滚动轴承10的图3左侧的状态下，实现从驱动齿圈7笔直地通过滚动体13到内环11的力线。薄壁的外环12的变形在该装置中实际上不可行，所述外环通过驱动齿圈7的齿部直接地挤压到滚动体13上。
相反，在图3右侧示出的装置中，内环12旋转至，使得实现居中地处于两个相邻的滚动体13之间的沿主负荷方向HR作用的力。由于外环12薄壁地构成，该外环在相应的区域中、如在图4中通过虚线表明的区域中变形。外环12的负荷区设有附图标记BZ，在所述负荷区中设有变形。只要负荷区位于两个滚动体13之间，外环12在负荷区BZ中的弹性减振以期望的方式产生调节传动装置2的锁定效果。因为凸轮轴调节器的输出轴6比调节轴8转动慢数倍，并且调节轴8已经能够占据多个锁定位置，即相当于滚动体13的数量的数量，所以输出轴6能够极其精细地被锁定。
在图5中示出调节传动装置2的滚动轴承10的变型形式，所述变型形式同样能够应用在根据图1和2的每个装置中。在此，滚动轴承10的锁定效果通过内环11的非圆的造型产生。内环11在其环周上具有展平部17，所述展平部的数量相当于滚动体13的数量，在所述展平部处，内环11的表面从其柱形的基本形状起分别加深深度t。深度t为用dk表示的滚动体直径的0.2％和20％之间。在图5中，还能够看到设计用于引导滚动体13的保持架18。滚动体13同样如在根据图3和4的变型形式中一样为滚珠。替选地，例如滚针或滚柱也能设置作为滚动轴承10的滚动体。
在图6中表明在操纵凸轮轴调节器1时在调节轴8中作用的扭矩的变化曲线。根据图6的示图适用于根据图3和4的滚动体10的变型形式，还适用于根据图5的变型形式。示出了称作为操纵力矩ME的、在调节轴8中作用的扭矩与其角位置的相关性，其中用表示的角度在根据图6的图表中覆盖多个周期的扭矩波动。如从图6中得出：操纵力矩MB大致正弦形地变化；平均的操纵力矩用MB_av表示，最小的操纵力矩用MB_min表示，并且最大的操纵力矩用MB_max表示。图6中绘制的曲线的最小值对应于滚动轴承10的图4中示出的状态。输出轴6在此与输入轴7同样位于优选位置中，在所述优选位置中所述输出轴能够通过执行器3以最小的能量耗费保持。
通常，在输入轴7中作用的扭矩MB和在输出轴6中作用的、用MA表示的输出扭矩之间的关联能够如下描述：
其中i_BA表示调节传动装置2的传动比，并且eta表示传递系数，所述传递系数与角度相关。传递系数eta的与角度相关的波动再现了在图5中示出的振荡曲线。在传递特性与输入轴和输出轴的角位置无关的传动装置中，与角度不相关的有效系数会被置于的位置处。在凸轮轴调节器1的调节传动装置2中，传递系数eta的关于所有角度取平均的平均值大于0.5。调节传动装置2因此不能够归类为自锁的传动装置。
如果与调节轴8的角度相关地绘制的、描述近似简谐振动的曲线不同于图6地达到负区域中，其中所述曲线表示用于旋转调节轴8所需要的操纵力矩MB，那么这表示：调节轴8自动地被拉到相应的优选位置中，其中平均操纵力矩MB_av在该情况下也是正的。在该设计方案中仅需要对执行器3通电，以便将与凸轮轴连接的输出轴6从第一锁定位置调节到另一锁定位置中。锁定位置或优选位置的数量从旋转的数量与滚动轴承10的滚动体13的数量的乘积中得出，其中所述旋转是用于将输出轴6从一个端部止挡部调节到第二端部止挡部所需的。
如果传动比i_BA例如为90并且在输出轴6的端部止挡部之间的旋转角刚好为60°，即为一整圈的六分之一，那么调节轴8会旋转90/6＝15转，以便从一个端部止挡部达到第二端部止挡部。如果轴发电机9的滚动轴承10如在图3中绘制的那样具有十八个滚动体13，其中分别在两个相邻的滚动体13之间提供调节轴8的优选位置，那么在十五圈期间存在总共15×18＝270个优选位置，所述优选位置均匀地分布在输出轴6的所提出的60°宽的调节范围上。
附图标记列表
BZ 负荷区
dk 滚动体直径
eta 传递系数
HR 主负荷方向
i_BA 传动比
MA 输出扭矩
MB 操纵力矩，扭矩
MB_av 平均的操纵力矩
MB_min 最小的操纵力矩
MB_max 最大的操纵力矩
t 深度
角度
1 凸轮轴调节器
2 调节传动装置
3 执行器
4 离合器
5 链轮
6 输出轴
7 输入轴，驱动齿圈
8 调节轴
9 轴发电机
10 滚动轴承
11 内环
12 外环
13 滚动体
14 正齿轮
15 从动齿圈
16 从动轮
17 展平部
18 保持架

Claims (10)

1.一种用于运行凸轮轴调节器(1)的方法，所述凸轮轴调节器包括调节传动装置(2)，所述调节传动装置具有输入轴(7)、设计用于与凸轮轴抗转动地连接的输出轴(6)、以及调节轴(8)，其中所述调节轴(8)通过执行器(3)驱动，
其特征在于，所述执行器(3)在克服与所述调节轴的角位置相关的扭矩(MB)的情况下驱动所述调节轴(8)。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，从所述执行器(3)传递到所述调节轴(8)上的所述扭矩(MB)周期地波动，其中扭矩波动的周期持续小于所述调节轴(8)的半转。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，在所述执行器(3)和所述调节轴(8)之间，在沿相同方向调节期间扭矩(MB)的符号是变换的。
4.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，在无负载的所述调节传动装置(2)的所述调节轴(8)转动一整圈的情况下，在所述执行器(3)和所述调节轴(8)之间作用的扭矩(MB)分别经过至少两个最小值(MB_min)和最大值(MB_max)。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的方法，其特征在于，在所述执行器(3)和所述调节轴(8)之间作用的最大扭矩(MB_max)和在所述执行器(3)和所述调节轴(8)之间作用的最小扭矩(MB_min)之间的差，相当于在所述执行器(3)和所述调节轴(8)之间作用的平均扭矩(MB_av)的至少20％。
6.一种凸轮轴调节器(1)，其包括
-调节传动装置(2)，所述调节传动装置具有输入轴(7)、设计用于与凸轮轴抗转动地连接的输出轴(6)、以及调节轴(8)，其中存在所述输出轴(6)的多个优选位置，能够借助沿两个转动方向提高的扭矩(MB)调节所述输出轴(6)离开所述优选位置，
-设计用于驱动所述调节轴(8)的执行器(3)，所述执行器构成用于将与角度相关地改变的扭矩(MB)传递到所述调节轴(8)上。
7.根据权利要求6所述的凸轮轴调节器(1)，其特征在于，所述调节传动装置(2)构成为轴传动装置。
8.根据权利要求7所述的凸轮轴调节器(1)，其特征在于，所述调节传动装置(2)包括滚动轴承(10)，所述滚动轴承具有偶数个滚动体(13)。
9.根据权利要求8所述的凸轮轴调节器(1)，其特征在于，所述调节传动装置(2)的部件中的至少一个，即轴承内环(11)和轴承外环(12)中的至少一个，具有在相应环周之上变化的几何造型。
10.根据权利要求6至9中任一项所述的凸轮轴调节器(1)，其特征在于，所述输出轴(6)的优选位置构成为锁定位置，所述输出轴(6)在没有通过所述执行器(3)加载扭矩的情况下保留在所述锁定位置中。
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