DE10120449A1

DE10120449A1 - Elektromotorisch verdrehbare Welle

Info

Publication number: DE10120449A1
Application number: DE10120449A
Authority: DE
Inventors: Ulrich Grau
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-10-31
Also published as: US6553952B2; US20020157627A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch verdrehbare Verstellwelle (1) eines vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors, die einen Verstellnocken (3) aufweist. DOLLAR A Eine rasche und genaue Verdrehung der Verstellwelle (1) und die damit verbundene Lastregelung des Verbrennungsmotors wird dadurch erreicht, dass zum Verdrehen der Verstellwelle (1) ein Aktuator (3) vorgesehen ist, der einen mit der Verstellwelle (1) drehfest verbundenen Verstellhebel (4) aufweist, dessen freies Ende von einer durch einen Elektromotor (7) angetriebenen Kurvenscheibe (6) beaufschlagbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch verdrehbare Welle, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Die Vorteile einer drosselklappenfreien Laststeuerung von Ottomotoren durch vollvariable Einlassventilsteuerungen sind bekannt. Durch die Entdrosselung gelingt es, die ansonsten über weite Lastzustände des Verbrennungsmotors auftretenden Drosselverluste auszuschalten. Das wirkt sich positiv auf die Hö he des Kraftstoffverbrauchs und des Motordrehmoments aus.

Bei variablen mechanischen Ventiltrieben soll die Hubeinstellung der einlass seitigen Ladungswechselventile möglichst spontan, exakt und mit hoher Ver stellgeschwindigkeit erfolgen. Als Verstellmechanismus dient dabei eine Ver stellwelle mit Rastkurven oder Exzenter.

Je nach System und konstruktiver Ausführung sind zur Einstellung des ge wünschten Ventilhubs und somit zur entsprechenden Verdrehung der Verstellwelle erhebliche Betätigungsmomente nötig. Diese sind eine Folge der auf die Verstellwelle wirkenden Reaktionskräfte des Ventiltriebs. Bei einer Verstellung in Richtung hohen Ventilhubs muss die Verstellwelle gegen die Reaktionskräfte des Ventiltriebs bewegt werden. Dabei treten aufgrund der oszillierenden Be wegung der Ladungswechselventile stark schwellende Drehmomente auf.

Für eine optimale Funktion des Ventiltriebs ist eine spielfreie und äußerst steife Abstützung der Verstellwellenmomente erforderlich. Davon hängt die Positio niergenauigkeit und die Funktion eines voll variablen Ventiltriebs sowie die Regelbarkeit eines mit diesem System ausgestatteten Verbrennungsmotors ab. Dabei sollten die Verstellzeiten von minimalem auf maximalen Hub weniger als 300 Millisekunden betragen.

Der Leistungsbedarf des elektrischen Antriebs der Verstellwelle darf das Bord netz nicht zu stark belasten. Deshalb sind kleine, schnell laufende Elektromoto ren in Verbindung mit Getrieben von hohem Übersetzungsverhältnis anzustre ben.

Als denkbare Lösung dafür kommen Schneckengetriebe in Frage. Diese besit zen jedoch einen schlechten Wirkungsgrad und sind anfällig gegen Verschleiß, der wiederum Spiel verursacht. Außerdem haben Schneckengetriebe einen eng begrenzten Übersetzungsbereich. Vorstellbar sind auch hydraulische Ver steller, ähnlich den Nockenwellenverstellern, die als Flügelzellen- oder Dreh flügel- oder als steilverzahnte Versteller ausgebildet sein können. Ihre Funktion hängt jedoch stark von dem Schmieröldruck ab, der wiederum von der Schmieröltemperatur und von einem laufenden Verbrennungsmotor abhängt. Ihre Verstelldynamik und ihre Steifigkeit sind gering.

Eine weitere Lösung stellen rotatorische Getriebe dar, deren Wirkungsgrad jedoch niedrig und deren Verdrehspiel groß ist.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen möglichst steifen, spiel- und reibungsarmen sowie kompakten Aktuator für die Verstellwelle eines voll variablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors zu schaffen.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Die Ver bindungen von Verstellhebel und Verstellwelle sowie von Verstellwelle und Kurvenscheibe sowie Kurvenscheibe und Elektromotor sind weitgehend spiel frei und sehr steif. Dadurch wird eine sehr hohe Positioniergenauigkeit der Verdrehwelle und damit des Einlassventilhubs erreicht.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung besteht darin, dass am freien Ende des Verstellhebels eine vorzugsweise in Wälzlagern gelagerte Rolle vor gesehen ist, die auf der Kurvenscheibe ggf. federbelastet oder in einer Kulisse der Kurvenscheibe abrollbar ist. Die wälzgelagerte Rolle sorgt für geringe Rei bung zwischen dem Verstellhebel und der Kurvenscheibe. Liegt an der Ver stellwelle des Ventiltriebs aufgrund von dessen Kinematik ein Wechselmoment an, so muss der Verstellhebel an der Kurvenscheibe zwangsgeführt werden. Dies kann durch eine Kulisse oder durch eine entsprechende Vorspannung des Verstellhebels mittels einer Feder erfolgen.

Von Vorteil ist, dass die Kontur der Kurvenscheibe bzw. deren Kulisse eine unterschiedliche Steigung aufweist. Durch die Gestaltung der Kurvenscheibe mit unterschiedlicher Steigung kann eine gezielte Variation des Übersetzungs verhältnisses in Abhängigkeit von deren Verstellposition verwirklicht werden. Damit lässt sich z. B. im unteren Ventilhubbereich (dem Teillastbereich des Verbrennungsmotors) eine hohe Einstellgenauigkeit und somit eine feinfühlige Lastregelung erreichen. Andererseits können die an der Verstellwelle anlie genden maximalen Drehmomente bei vollem Ventilhub durch eine gezielte Reduzierung der Steigung der Kurvenscheibe deutlich gesenkt werden. Dadurch kann auch das Drehmoment des Elektromotors und damit die Bordnetzbela stung entsprechend klein gehalten werden und trotzdem eine hohe Verstellge schwindigkeit erreicht werden.

Es hat Vorteile, dass die Kurvenscheibe durch den Elektromotor vorzugsweise über ein Getriebe angetrieben ist. Ein Getriebe im Antrieb der Kurvenscheibe gestattet die Verwendung eines hochdrehenden Elektromotors mit relativ nied rigem Drehmoment. Bei direktem Antrieb müsste der Elektromotor ein entspre chend höheres Drehmoment aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung beruht darauf, dass die Kur venscheibe einstückig mit einer Elektromotorwelle oder einer Getriebeaus gangswelle ausgebildet ist. Dadurch erübrigt sich eine Kupplung zwischen Elektromotor bzw. Getriebe und Kurvenscheibe, was zu einem einfachen, kom pakten Aktuator hoher Steifigkeit und Spielfreiheit führt.

Vorteilhaft ist auch, dass der Aktuator ein Festlager aufweist und dass das Festlager als Rillen- oder Schrägkugel- oder Vierpunktlager und das Loslager vorzugsweise als Nadellager ausgebildet sind.

Dadurch, dass der Elektromotor parallel zu der Verstellwelle und senkrecht zur Ebene des Verstellhebels angeordnet ist, ergibt sich ein besonders kompakter Aktuator.

Weil das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor und Verstellwelle von der Übersetzung des Getriebes, der Steigung der Kontur der Kurvenscheibe und der Länge des Verstellhebels bestimmt ist, lässt sich das Übersetzungs verhältnis in weiten Grenzen einstufig verwirklichen. Die dabei erzielten Wir kungsgrade sind deutlich höher als bei mehrstufigen rotatorischen Getrieben oder bei Schneckengetrieben. Auch das Spiel im Antrieb ist gering und damit die Positioniergenauigkeit hoch.

Ein Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, dass der Aktuator in beliebiger Längs- und Winkellage an der Verstellwelle anbaubar ist. Auf diese Weise kann die Lage des Aktuators den Einbau- und Platzverhältnissen des Verbrennungsmotors angepasst werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Verstellwelle im Querschnitt mit einem Verstellhebel in der Stellung für maximalen Ventilhub und die

Fig. 2 eine Draufsicht der Verstellwelle und eines Aktuators.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 offenbart eine Verstellwelle 1 mit einem Verstellnocken 2 für einen nicht dargestellten vollvariablen, mechanischen Ventiltrieb eines Ottomotors und einen Aktuator 3 für die Verstellwelle 1. Die Verstellwelle 1 ist drehfest mit einem Verstellhebel 4 verbunden, an dessen freiem Ende eine wälzgelagerte Rolle 5 angeordnet ist. Diese greift die Kontur einer Kurvenscheibe 6 ab, die von einem Elektromotor 7 über ein Getriebe 8 angetrieben ist. Die Stellung der Verstellwelle 1 hängt direkt von der Position der Kurvenscheibe 6 ab.

Die Kontur der Kurvenscheibe 6 weist eine unterschiedliche Steigung auf. Da durch kann das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Elektromotor 7 und der Verstellwelle 1 entlang der Kontur der Kurvenscheibe 6 variabel gestaltet wer den. Auf diese Weise ist z. B. eine feinfühlige Teillastregelung und eine leichte Volllastverstellung möglich. Dadurch kann der Antrieb des Aktuators 3 deutlich kleiner dimensioniert werden, wobei trotzdem eine hohe Verstellgeschwindig keit gewährleistet ist. Das Übersetzungsverhältnis des Aktuators 3 hängt auch von dem des Getriebes 8 und von der Länge des Verstellhebels 4 ab.

Die Kurvenscheibe 6 wird von dem Elektromotor 7 über ein Getriebe 8 ange trieben. Dadurch kann ein hochdrehender, kleinbauender Elektromotor 7 ver wendet werden, der das Bordnetz wenig belastet.

Die Kurvenscheibe ist ohne Kupplung fest mit der Ausgangswelle der Motor- Getriebe-Einheit verbunden. Das führt zu einem einfachen, kompakten Aktua tor 3 hoher Steifigkeit und Spielfreiheit.

Der Aktuator 3 ist parallel zur Verstellwelle 1 angeordnet und kann an beliebi ger Stelle derselben und in beliebiger Winkellage zu ihr angebaut werden. Da durch ist eine flexible Anpassung an die Raumverhältnisse des Verbrennungs motors und an seine Einbausituation möglich.

Bezugszahlen

1

Verstellwelle

2

Verstellnocken

3

Aktuator

4

Verstellhebel

5

Rolle

6

Kurvenscheibe

7

Elektromotor

8

Getriebe

Claims

1. Elektromotorisch verdrehbare Welle, insbesondere eine Verstellwelle (1) eines vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmo tors, die einen Verstellnocken (3) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdrehen der Verstellwelle (1) ein Aktuator (3) vorgesehen ist, der einen mit der Verstellwelle (1) drehfest verbundenen Verstellhe bel (4) aufweist, dessen freies Ende von einer durch einen Elektromotor (7) angetriebenen Kurvenscheibe (6) beaufschlagbar ist.

2. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass am freien Ende des Verstellhebels (4) ein vorzugs weise in Wälzlagern gelagerte Rolle (5) vorgesehen ist, die auf der Kur venscheibe (6) ggf. federbelastet oder in einer Kulisse der Kurvenschei be (6) abrollbar ist.

3. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kontur der Kurvenscheibe (6) bzw. deren Ku lisse eine unterschiedliche Steigung aufweisen.

4. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kurvenscheibe (6) durch den Elektromotor (7) vorzugsweise über ein Getriebe (8) angetrieben ist.

5. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass die Kurvenscheibe (6) einstückig mit einer Elektro motorwelle oder einer Getriebeausgangswelle ausgebildet ist.

6. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass der Aktuator (3) ein Festlager aufweist.

7. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass das Festlager als Rillen- oder Schrägkugel- oder Vierpunktlager und die Loslager vorzugsweise als Nadellager ausgebil det sind.

8. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass der Elektromotor (7) parallel zu der Verstellwelle (1) und senkrecht zur Ebene des Verstellhebels (4) angeordnet ist.

9. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor (7) und Verstellwelle (1) von der Übersetzung des Getriebes (8), der Steigung der Kontur der Kurvenscheibe (6) und der Länge des Verstell hebels (4) bestimmt ist.

10. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 9, dadurch ge kennzeichnet, dass der Aktuator (3) in beliebiger Längs- und Winkella ge an der Verstellwelle (1) anbaubar ist.