CN113242930A - 凸轮轴调节系统以及操作凸轮轴调节系统的方法 - Google Patents

Abstract

一种凸轮轴调节系统(1)，其包括第一机电凸轮轴调节器(6)和第二机电凸轮轴调节器(5)，所述第一机电凸轮轴调节器构造成用于调节进气凸轮轴(3)，所述第二机电凸轮轴调节器构造成用于调节排气凸轮轴(2)，其中，凸轮轴调节器(5、6)中的至少一个可作为发电机运行并与用于向另一个凸轮轴调节器(6、5)供应能量的能量存储装置(26)连接。

Description

凸轮轴调节系统以及操作凸轮轴调节系统的方法

技术领域

本发明涉及凸轮轴调节系统，其包括用于调节进气凸轮轴的凸轮轴调节器和用于调节排气凸轮轴的凸轮轴调节器。本发明还涉及操作这种凸轮轴调节系统的方法。

背景技术

例如，在DE 10 2015 208 456A1中描述了一种凸轮轴调节系统，可以通过该凸轮轴调节系统调节内燃发动机的进气凸轮轴和内燃发动机的排气凸轮轴两者。

例如，机电凸轮轴调节器与用作传动装置的谐波齿轮一起工作。在该上下文中，通过示例的方式来参考文献DE 10 2016 221 802A1、DE 10 2014 213 130B4和DE 10 2016220 918A1。

在DE 103 52 361A1中公开了另一种具有电驱动器的凸轮轴调节器。该凸轮轴调节器的电动调节马达具有永磁体转子，该永磁体转子在调节马达发生故障时可以通过设计为制动绕组的电制动器来制动，以达到并保持凸轮轴的基本位置。

发明内容

相比于提到的现有技术、特别是从能量的角度而言，本发明的目的是进一步改进调节内燃发动机的进气凸轮轴和排气凸轮轴的凸轮轴调节系统。

根据本发明，该目的通过具有权利要求1的特征的凸轮轴调节系统来实现。该目的还通过根据权利要求7的操作安装在往复式发动机中的凸轮轴调节系统的方法来实现。下面结合操作方法所说明的本发明的实施方式和优点也类似地适用于装置、即凸轮轴调节系统，并且下面结合装置、即凸轮轴调节系统所说明的本发明的实施方式和优点也类似地适用于操作方法。

凸轮轴调节系统包括第一机电凸轮轴调节器和第二机电凸轮轴调节器，第一机电凸轮轴调节器构造成用于调节进气凸轮轴，第二机电凸轮轴调节器构造成用于调节排气凸轮轴，其中，凸轮轴调节器中的至少一个可作为发电机运行并与用于向另一个凸轮轴调节器供应能量的能量存储装置连接。

本发明基于下述考虑，即在内燃发动机的进气凸轮轴和排气凸轮轴上存在不同的载荷，用于调节相关轴的调节器要与这些载荷匹配。进气凸轮轴主要通过内燃发动机、即往复式发动机的气门机构的运动学扭矩和摩擦扭矩被加载。在排气凸轮轴的情况下，还存在来自气缸中的气体力的显著的载荷。此外，可能存在由高压泵产生的扭矩。

总体而言，通常仅小扭矩被施加至进气凸轮轴，而显著较大的扭矩被施加至排气凸轮轴，这也受内燃发动机上的载荷的显著影响。

还假定三轴齿轮——其适合用作机电凸轮轴调节器中的传动装置——原则上可以被设计为正齿轮或负齿轮。

在这两种情况下，通常经由链驱动器或带驱动器驱动的机械驱动元件——机械驱动元件也可以被设计为传动装置的壳体或壳体部分——用作三轴齿轮的输入侧轴。三轴齿轮的输出侧轴牢固地连接至待被调节的轴、即凸轮轴。在机电凸轮轴调节器的情况下，三轴齿轮的第三轴是电驱动的。如果该第三轴以与输入侧轴、即通常是链轮或带轮的速度相同的速度旋转，则输出侧轴也以该速度旋转。这既适用于正齿轮，也适用于负齿轮。用作正齿轮的设计意味着电驱动轴相对于输入侧轴沿第一方向的调节导致输出侧轴相对于输入侧轴沿相同方向的调节。相反，在负齿轮的情况下，电驱动轴相对于输入侧轴沿第一方向的调节被转换为输出侧轴或输入侧轴之间的相反调节。

当对待被调节的凸轮轴进行制动时，在负齿轮的情况下，加速扭矩被引入到在其他操作阶段被电驱动的轴、即电动机的电机轴中。“其他操作阶段”应理解为凸轮轴被主动调节、即通过对电动机供电而被调节的状态。

根据本发明，加速扭矩对于使用凸轮轴调节器的传动装置的其他电驱动轴作为凸轮轴调节器的电动机的输入轴是有用的，在这种情况下，凸轮轴调节器的电动机作为发电机运行。

因此，两个凸轮轴调节器的至少一个电动机可以用作电机或发电机，后一种情况意味着电动机用作制动器。这形成了在凸轮轴调节系统的第一操作阶段中将凸轮轴调节器的电驱动器作为发电机运行的可能性。在该第一操作阶段期间获得的能量被存储。储存的能量在稍后的操作阶段中用于致动另一个凸轮轴调节器。还可以存在提到的操作阶段的重叠。

在凸轮轴调节系统的优选实施方式中，用于致动进气凸轮轴的凸轮轴调节器的传动装置被设计为正齿轮。相反，分配给用于致动排气凸轮轴的凸轮轴调节器的传动装置优选地为负齿轮。

在优选实施方式中，两个凸轮轴调节器分配有共用的电力电子单元，该电力电子单元在以三相交流电压操作的情况下包括用于控制相应的电动机的B6桥。在这种情况下，能量存储装置连接在两个B6桥之间。例如，能量存储装置包括电容器。能量的电化学存储也是可能的。

特别地，凸轮轴调节系统能够存储在调节排气凸轮轴时获得的能量。该能量可以在稍后的时间点用于调节进气凸轮轴。如果存储了足够的能量，则该能量还可以用于调节排气侧凸轮轴。

附图说明

在下文中，借助于附图更详细地描述了本发明的示例性实施方式。在附图中：

图1以示意图示出了凸轮轴调节系统。

具体实施方式

总体上由附图标记1标识的凸轮轴调节系统能够调节机动车辆(其未进一步示出)的内燃发动机的进气凸轮轴3和排气凸轮轴2。凸轮轴2、3的凸轮由4表示。第一凸轮轴调节器6用于调节进气凸轮轴3。第二凸轮轴调节器5用于调节排气凸轮轴2。两个凸轮轴调节器5、6均是机电凸轮轴调节器。

两个凸轮轴调节器5、6均以本身已知的基本概念由传动装置7、8和用于传动装置的致动的电动机9、10构成。两种情况下的传动装置7、8均是呈谐波齿轮形式的三轴齿轮。第一凸轮轴调节器、即进气侧凸轮轴调节器6的传动装置8被设计为正齿轮。另一方面，第二凸轮轴调节器5的传动装置7被构造为负齿轮。

根据该原理，每个传动装置7、8与弹性齿轮元件11、12一起工作。在所示的示例性实施方式中，传动装置7的弹性齿轮元件11是挠性环。另一方面，传动装置8的弹性齿轮元件12被设计为套环套筒。在这两种情况下，波发生器13用于使弹性齿轮元件11、12变形。波发生器13被插入到传动装置7、8的驱动元件14中，该驱动元件被设计为壳体。驱动元件14是机械驱动的，并且各自代表相应的传动装置7、8的第一轴。

在示例性实施方式中，传动装置8具有用作驱动元件14的一部分的第一链轮15。第一链轮15经由内燃发动机的曲轴以本身已知的方式被驱动，从而以曲轴速度的一半旋转。传动装置7的驱动元件14也经由存在于同一驱动元件14上的第二链轮16被机械地驱动。为此，传动装置7的驱动元件14也具有链轮16。将传动装置7、8彼此机械地联接的链由17表示并仅用虚线表示。

每个传动装置7、8的弹性齿轮元件11、12与输出元件18直接相互作用，输出元件18在两种情况下均被设计为环形齿轮并牢固地连接至待调节的凸轮轴2、3。输出元件18、即输出环形齿轮代表传动装置7、8的第二轴。

在这两种情况下，分配给波发生器13的滚子轴承28的内圈19用作第三轴。内圈19具有椭圆形的非圆形外周向表面，球20作为滚动元件在该表面上滚动。滚子轴承28的相关外圈由21表示。与内圈19相反，外圈21是伸缩自如有弹性的，使得外圈永久地适于内圈19的非圆形形状。外圈21被外部带齿的弹性齿轮元件11、12直接围绕。

在第二凸轮轴调节器、即排气侧凸轮轴调节器5的情况下，弹性齿轮元件11的外齿接合驱动元件14的内齿和输出元件18的内齿两者。弹性齿轮元件11、即挠性环的外齿的齿数对应于输出元件18的内齿的齿数。因此，挠性环11与输出元件18一起形成传动装置7的联接级。另一方面，驱动元件14的内齿的齿数略大于挠性环11的外齿的齿数，即比挠性环11的外齿的齿数大两个。这意味着该传动装置7的传动级形成在传动装置7的挠性环11与驱动元件14之间。如果内圈19相对于传动装置7的驱动元件14沿特定方向旋转，则传动装置7的输出元件18相对于驱动元件14沿相反方向——以非常小的角度旋转。这意味着传动装置7被设计为负齿轮。排气凸轮轴2的制动根据内圈19的加速度来实现。

在位于进气侧的传动装置8的情况下，弹性齿轮元件12——其在这种情况下被设计为套环套筒——的外齿仅与输出元件18的内齿相互作用。在这种情况下，弹性齿轮元件12的齿数比输出元件18的内齿的齿数少两个。其结果是，内圈19相对于驱动元件14沿第一设定方向的旋转被转换为进气凸轮轴3与驱动元件14之间的沿相同方向的枢转。这意味着传动装置8被设计为正齿轮。

每个波发生器的内圈19以不可旋转的方式联接至电动机轴22。在排气侧凸轮轴调节器5的情况下，当制动排气凸轮轴2时经由传动装置7引入到电动机轴22中的扭矩用于将凸轮轴调节器5的电动机9作为发电机运行。为此，电动机9经由线27连接至整体由24指示的控制装置。控制装置24包括电力电子单元25和能量存储装置26。在示例性实施方式中，能量存储装置26包括超级电容器。这种电容器的特点是能够非常迅速地吸收和释放能量。

在本情况下，从能量存储装置26转移的能量用于向第一机电凸轮轴调节器6供应电能，该第一机电凸轮轴调节器6经由线23连接至控制装置24。电力电子单元25包括两个B6桥(未示出)，所述两个桥各自与六个MOSFET一起工作并控制电动机9、10。能量存储装置26连接在两个B6桥之间。能量存储装置26可选择地由电化学存储装置、即蓄电池补充。

附图标记列表

1 凸轮轴调节系统

2 排气凸轮轴

3 进气凸轮轴

4 凸轮

5 排气凸轮的凸轮轴调节器

6 进气凸轮轴的凸轮轴调节器

7 用作负齿轮的传动装置

8 用作正齿轮的传动装置

9 电动机

10 电动机

11 弹性齿轮元件、挠性环

12 弹性齿轮元件、套环套筒

13 波发生器

14 驱动元件

15 链轮

16 链轮

17 链

18 输出元件

19 内圈

20 滚动元件、球

21 外圈

22 电动机轴

23 线

24 控制装置

25 电力电子单元

26 能量存储装置

27 线

28 滚子轴承

Claims (8)

1.一种凸轮轴调节系统(1)，所述凸轮轴调节系统包括第一机电凸轮轴调节器(6)和第二机电凸轮轴调节器(5)，所述第一机电凸轮轴调节器构造成用于调节进气凸轮轴(3)，所述第二机电凸轮轴调节器构造成用于调节排气凸轮轴(2)，其中，凸轮轴调节器(5、6)中的至少一个能够作为发电机运行并与用于向另一个凸轮轴调节器(6、5)供应能量的能量存储装置(26)连接。

2.根据权利要求1所述的凸轮轴调节系统(1)，其特征在于，每个凸轮轴调节器(5、6)均包括用作传动装置(7、8)的三轴齿轮以及用于所述传动装置的致动的电动机(9、10)。

3.根据权利要求2所述的凸轮轴调节系统(1)，其特征在于，谐波齿轮用作三轴齿轮(7、8)。

4.根据权利要求2或3所述的凸轮轴调节系统(1)，其特征在于，用于致动所述进气凸轮轴(3)的凸轮轴调节器(6)的传动装置(8)被设计为正齿轮。

5.根据权利要求4所述的凸轮轴调节系统(1)，其特征在于，用于致动所述排气凸轮轴(2)的凸轮轴调节器(5)的传动装置(7)被设计为负齿轮。

6.根据权利要求1至5中的一项所述的凸轮轴调节系统(1)，其特征在于，所述能量存储装置(26)包括电容器。

7.一种操作安装在往复式发动机中的凸轮轴调节系统(1)的方法，所述凸轮轴调节系统包括各自具有电驱动器(9、10)的两个凸轮轴调节器(5、6)，即用于调节所述往复式发动机的进气凸轮轴(3)的第一凸轮轴调节器(6)和用于调节所述往复式发动机的排气凸轮轴(2)的第二凸轮轴调节器(5)，其中，凸轮轴调节器(5、6)的电驱动器(9、10)在第一操作阶段作为发电机运行，并将在所述第一操作阶段期间获得的能量存储并在随后的操作阶段中用于致动另一个凸轮轴调节器(6、5)。

8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，将调节所述排气凸轮轴(2)期间所得能量存储并用于调节所述进气凸轮轴(3)。

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