DE10120450A1

DE10120450A1 - Elektromotorisch verdrehbare Welle

Info

Publication number: DE10120450A1
Application number: DE10120450A
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: US20020157626A1; US6615777B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektromotorisch verdrehbare Welle, insbesondere eine Verstellwelle (1) eines vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors, die einen Verstellnocken (2) aufweist. DOLLAR A Die für den vollvariablen Ventiltrieb erforderliche schnelle und exakte Verdrehung der Verstellwelle (1) wird dadurch erreicht, dass ein Aktuator (3) vorgesehen ist, der einen mit der Verstellwelle (1) drehfest verbundenen Verstellhebel (4) aufweist, dessen freies Ende über einen Gabelhebel (5) in gelenkiger Verbindung mit vorzugsweise der Gewindemutter (8) eines durch einen Elektromotor (7) angetriebenen Spindeltriebs (6) steht.

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 sind.

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 Verstellhebel und Gabelhebel sowie von Gabelhebel und Spindelmutter mit ihrer Gewindespindel sind weitgehend spielfrei und sehr steif. Dadurch wird eine hohe Positionierge nauigkeit und in Verbindung mit einem geringen Reibverlust eine kurze Ver stellzeit bei relativ niedrigem Drehmoment des Elektromotors und geringer Bordnetzbelastung erreicht.

Der Elektromotor treibt bei vorliegendem Spindeltrieb die Gewindespindel an, jedoch ist auch eine Lösung mit angetriebener Spindelmutter möglich.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass der Gabelhebel und die Spindelmutter zwei sie gelenkig verbindende andere Lagerbolzen mit einer gemeinsamen Achse aufweisen, die durch die Mitte und. die Achse der Spindelmutter verläuft.

Die beiden Gelenke und ihre symmetrische Anordnung bewirken eine symme trische, biegemomentarme Belastung des Gabelhebels und der Spindelmutter. Außerdem ermöglicht der Gabelhebel in Verbindung mit dem Verstellhebel eine optimale Drehfixierung der Spindelmutter.

Es bietet Vorteile, dass eine Elektromotorwelle und eine Gewindespindel ein stückig ausgebildet sind. Dadurch erübrigt sich eine Kupplung zwischen Elektromotor und Gewindespindel, was zu einem einfachen, kompakten Aktuator hoher Steifigkeit führt.

Wegen der von der Spindelmutter auf die Gewindespindel ausgeübten Seiten kräfte ist es erforderlich, dass die Gewindespindel an ihrem freien Ende zu sätzlich zu den Lagern der Elektromotorwelle ein Stützlager aufweist.

Eines der Lager ist als Festlager ausgebildet und zwar als Rillen-, oder Schräg- oder Vierpunktlager, während die Loslager vorzugsweise Nadellager sind.

Von Vorteil ist, dass der Gewindetrieb vorzugsweise als Kugelgewindetrieb mit Vorspannung und Kugelumlenkung ausgebildet ist, die auf der querkraftfreien Seite der Spindelmutter angeordnet ist. Die durch die Kugeln erzielte geringe Reibung hat trotz hoher Verstellgeschwindigkeit eine geringe Belastung des Bordnetzes zur Folge und erlaubt die Verwendung relativ drehmomentschwa cher Elektromotoren.

Das durch die Vorspannung erzielte geringe Spiel des Aktuators ist Vorausset zung für eine genaue Positionierung der Verstellwelle und damit für eine ge naue Einstellung des Ventilhubs.

Die Vorspannung wird durch entsprechendes Übermaß der Kugeln erreicht. Anstelle der Kugeln können auch Rollen Verwendung finden.

Die auf der querkraftfreien Seite der Spindelmutter angeordnete Kugelumlen kung bewirkt eine störungsfreie Rückführung der Kugeln.

Dadurch, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor und Ver stellwelle durch die Längen des Verstellhebels und des Gabelhebels sowie durch die Steigung und Anstellung der Gewindespindel bestimmt ist, lässt sich ein großes Übersetzungsverhältnis einstufig erreichen. Die dabei möglichen Wirkungsgrade sind deutlich höher als bei mehrstufigen rotatorischen Getrie ben oder bei Schneckengetrieben. In erwünschter Weise steigt das Verstellmoment durch die Hebelgeometrie zum Ende der Verstellung stark an, wäh rend das Drehmoment des Elektromotors gleichzeitig gegen Null tendiert.

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 Einbauverhältnissen des Verbren nungsmotors optimal angepasst werden.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist.

Es zeigen:

Fig. 1 eine Seitenansicht des Aktuators in Achsrichtung der Ver stellwelle gesehen;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Aktuators quer zur Verstellwelle.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Verstellwelle 1 mit Verstellnocken 2 für einen nicht dargestellten vollvariablen, mechanischen Ventiltrieb eines Ottomotors und einen Aktuator 3 für die Verstellwelle 1.

Der Aktuator 3 weist einen Verstellhebel 4, einen Gabelhebel 5, einen Spindel trieb 6 und einen Elektromotor 7 auf. Der Spindeltrieb 6 besteht aus einer Spindelmutter 8 mit einer darin geführten Gewindespindel 9.

Der Verstellhebel 4 ist mit der Verstellwelle 1 verdrehfest verbunden. Das ge gabelte Ende des Verstellhebels 4 ist über einen Lagerbolzen 10 mit dem Ga belhebel 5 verbunden.

Der Gabelhebel 5 und die Spindelmutter 8 weisen zwei sie gelenkig verbinden de andere Lagerbolzen 11 mit einer gemeinsamen Achse auf, die durch die Mitte und die Achse der Spindelmutter 8 verläuft. Auf diese Weise ist die Spin delmutter 8 gegen Verdrehen gesichert.

Die Gewindespindel 9 und eine Elektromotorenwelle 12 sind einstückig ausge bildet. Dadurch entfällt eine sonst erforderliche Kupplung zwischen Gewinde spindel 9 und Elektromotorwelle 12, wodurch sich eine kompakte, steife und einfache Bauform des Aktuators 3 ergibt.

Die Elektromotorwelle 12 weist zwei Lager und die Gewindespindel 9 ein zu sätzliches Stützlager 13 auf. Letzteres ist wegen der von dem Gabelhebel 5 über die Spindelmutter 8 auf die Gewindespindel 9 übertragenen hohen Quer kräfte erforderlich. Alle drei Lager sind zylinderkopffest angeordnet und eines davon ist als Festlager ausgebildet.

Zur Minimierung des Spiels im Mechanismus kann der Spindeltrieb vorge spannt ausgeführt werden. Die Vorspannung kann z. B. durch Wälzkörper mit Übermaß erreicht werden. Es sind Spindeltriebe als Kugelgewinde- oder Rol lengewindetrieb möglich. Kugelumlenkungen oder unter Umständen vorhande ne Rücksetzvorrichtungen beim Rollengewindetrieb sollten auf der von der Querkraft abgewandten Seite der Spindelmutter liegen.

Die geringe Reibung erlaubt die Verwendung eines drehmomentschwachen Elektromotors 7, der das Bordnetz nur geringe belastet.

Das Übersetzungsverhältnis zwischen dem Elektromotor 7 und der Verstell welle 1 ist durch die Längen des Verstellhebels 4 und des Gabelhebels 5 sowie durch die Steigung und Anstellung der Gewindespindel 9 bestimmt. Mit diesen relativ einfachen und damit kostengünstigen mechanischen Bauelementen kann ein hohes Untersetzungsverhältnis zwischen dem Elektromotor 7 und der Verstellwelle 1 erzielt werden. Dies gilt besonders für die Endfase der Verstell bewegung, in der der Gabelhebel 5 in etwa senkrecht zur Gewindespindel 9 steht und dabei ein hohes Übersetzungsverhältnis bewirkt und gleichzeitig ein niedriges Antriebsmoment erfordert.

Der Aktuator 3 kann in beliebiger Längs- und Winkellage an der Verstellwelle 1 angebaut und so den Einbaubedingungen des Verbrennungsmotors angepasst werden.

Der erfindungsgemäße Aktuator funktioniert folgendermaßen:
Die vom Elektromotor 7 direkt angetriebene Gewindespindel 9 treibt ihrerseits die Spindelmutter 8 an, die durch den Gabelhebel 5 und den Verstellhebel 4 gegen Verdrehen gesichert ist. Dadurch wird die Drehbewegung der Gewinde spindel 9 in eine translatorische Bewegung der Spindelmutter 8 und diese durch den Gabelhebel 5 und den Verstellhebel 4 in eine Verdrehbewegung der Verstellwelle 1 gewandelt. Dabei erreicht die Verstellkraft im Bereich des unte ren Totpunkts der Spindelmutter 8 ihr Maximum, während das Antriebsmoment der Spindelmutter 8 auf Null fällt.

Der erfindungsgemäße Aktuator 3 zeichnet sich durch einfache, steife und kompakte Bauweise aus. Durch geringes Spiel erreicht er hohe Positionierge nauigkeit und durch geringe Reibung hohe Verstellgeschwindigkeit bei niedri ger Bordnetzbelastung.

Bezugszahlen

1

Verstellwelle

2

Verstellnocken

3

Aktuator

4

Verstellhebel

5

Gabelhebel

6

Spindeltrieb

7

Elektromotor

8

Spindelmutter

9

Gewindespindel

10

Lagerbolzen

11

anderer Lagerbolzen

12

Elektromotorwelle

13

Stützlager

Claims

1. Elektromotorisch verdrehbare Welle, insbesondere eine Verstellwelle (1) eines vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmo tors, die einen Verstellnocken (2) 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 über einen Gabelhebel (5) in gelen kiger Verbindung mit vorzugsweise der Spindelmutter (8) eines durch einen Elektromotor (7) angetriebenen Spindeltriebs (6) steht.

2. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gabelhebel (5) und die Spindelmutter (8) zwei sie gelenkig verbindende andere Lagerbolzen (11) mit einer gemeinsa men Achse aufweisen, die durch die Mitte und die Achse der Spindel mutter (8) verläuft.

3. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 2, dadurch ge kennzeichnet, dass eine Elektromotorwelle (12) und eine Gewindespin del (9) einstückig ausgebildet sind.

4. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 3, dadurch ge kennzeichnet, dass die Gewindespindel (9) an ihrem freien Ende zu sätzlich zu den Lagern der Elektromotorwelle (12) ein Stützlager (13) aufweist.

5. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 4, dadurch ge kennzeichnet, dass eines der Lager als Festlager ausgebildet ist.

6. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 5, dadurch ge kennzeichnet, dass das Festlager als Rillen- oder Schrägkugel- oder Vierpunktlager und die Loslager vorzugsweise als Nadellager ausgebil det sind.

7. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 6, dadurch ge kennzeichnet, dass der Gewindetrieb (6) vorzugsweise als Kugelge windetrieb mit Vorspannung und einer Kugelumlenkung ausgebildet ist, die auf der querkraftfreien Seite der Spindelmutter (8) angeordnet ist.

8. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 7, dadurch ge kennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor (7) und Verstellwelle (1) durch die Längen des Verstellhebels (4) und des Gabelhebels (5) sowie durch die Steigung und Anstellung der Ge windespindel (9) bestimmt ist.

9. Elektromotorisch angetriebene Welle nach Anspruch 8, dadurch ge kennzeichnet, dass der Aktuator (3) in beliebiger Längs- und Winkella ge an der Verstellwelle (1) anbaubar ist.