DE10120451A1

DE10120451A1 - Elektromotorisch verdrehbare Welle

Info

Publication number: DE10120451A1
Application number: DE10120451A
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: US20020157625A1; US6684831B2

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 ein rasches und exaktes Funktionieren des vollvariablen, mechanischen Ventiltriebs erforderliche reibungsarme und spielfreie Ausbildung eines Antriebs desselben 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 in gelenkiger Verbindung mit vorzugsweise der Spindelmutter (10) eines durch einen Elektromotor (6) angetriebenen Spindeltriebs (5) 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 Verstell welle 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, schnellaufende 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 der Schmieröltemperatur ab. Außerdem benötigen sie Öldruck, der nur bei laufendem Verbrennungsmotor vorliegt. Ihre Verstelldy namik 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 bindung von Verstellhebel und Verstellwelle sowie von Verstellhebel und Spin delmutter mit ihrer Gewindespindel sind weitgehend spielfrei und sehr steif. Dadurch wird eine hohe Positioniergenauigkeit und in Verbindung mit einem geringen Reibverlust eine kurze Verstellzeit erreicht. Außerdem ist der erfin dungsgemäße Aktuator sehr kompakt.

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

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, daß das freie Ende des Verstellhebels vorzugsweise zwei Gabeläste aufweist, die die Spindelmut ter mit Spiel umfassen. Die Gabelform des Verstellhebels bewirkt eine symme trische, biegemomentfreie Belastung desselben und der Spindelmutter. Ge genüber der einseitigen Belastung durch einen ebenfalls denkbaren einfachen Verstellhebel wird durch die symmetrische Belastung eine höhere Steifigkeit erzielt. Außerdem dient der gabelförmige Verstellhebel als optimale Drehfixie rung der Spindelmutter.

Die kreisbogenförmige Bewegung des freien Endes des Verstellhebels und die lineare Bewegung der Spindelmutter erfordern einen Bewegungsausgleich, der darin besteht, daß in beiden Gabelästen gegenüberliegende, in Längsrichtung des Verstellhebels angeordnete Langlöcher vorgesehen sind, in die Gleitsteine mit Spiel eingreifen, die mit der Spindelmutter durch Lagerbolzen schwenkbar verbunden sind, wobei die Lagerbolzen eine gemeinsame Achse aufweisen, die durch die Mitte und die Achse der Spindelmutter verläuft.

Dadurch, daß eine Elektromotorwelle und eine Gewindespindel einstückig aus gebildet sind, entfällt eine Kupplung zwischen Elektromotor und Gewindespin del. Die von den Gleitsteinen ausgeübte, relativ geringe Seitenkraft erübrigt eine getrennte Lagerung der Gewindespindel. Es genügt ein Fest- und ein Loslager für die Elektromotorwelle. Das vereinfacht den Aktuator, ermöglicht eine kompakte Bauweise desselben und erhöht dessen Steifigkeit.

Das Festlager ist als Rillen- oder Schrägkugellager oder als Vierpunktlager und das Loslager als Nadellager ausgebildet. 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 erlaubt die Verwendung re lativ drehmomentschwacher Elektromotoren und hat trotz hoher Verstellge schwindigkeit eine nur geringe Belastung des Bordnetzes zur Folge.

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 der Spindel kann z. B. durch Übermaß der Kugeln oder durch Vorspannen der mutterseitigen Gewindegänge bei mehrteiligen Spindelmuttern erfolgen. Neben einer Ausführung als Kugelgewindetrieb ist auch eine Ausfüh rung als Rollengewindetrieb möglich.

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 Länge des Verstellhebels und die Steigung der Gewinde spindel festlegbar ist, läßt sich ein Übersetzungsverhältnis zwischen 50 und 500 : 1 einstufig verwirklichen. Die dabei zu erzielenden Wirkungsgrade sind deutlich höher als die bei mehrstufigen rotatorischen Getrieben oder Schnec kengetrieben.

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 perspektivische Darstellung einer Verstellwelle mit ange bautem Aktuator;

Fig. 2 eine Seitenansicht des Aktuators von Fig. 1 und

Fig. 3 eine perspektivischer Darstellung des Aktuators der Fig. 1, je doch mit geschnittenem Spindeltrieb.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Verstellwelle 1 mit Verstellnocken 2 für einen nicht darge stellten, vollvariablen, mechanischen Ventiltrieb für ein Einlaßventil eines Ot tomotors und einen Aktuator 3 für die Verstellwelle 1.

Der Aktuator 3 weist einen Verstellhebel 4, einen Spindeltrieb 5 und einen Elektromotor 6 auf.

Der Verstellhebel 4 ist mit der Verstellwelle 1 drehfest verbunden. Dabei sind form- oder kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindungen einsetzbar. Hier wird dies durch Klemmsitz mittels eines Klemmschlitzes 7 (siehe Fig. 2) und einer Klemmschraube 8 verwirklicht.

Das freie Ende des Ventilhebels 4 ist als Gabel mit zwei Gabelästen 9, 9' aus gebildet, die eine Spindelmutter 10 mit Spiel umfassen. In den Gabelästen 9, 9' sind gegenüberliegende, in Richtung Verstellwelle 1 ausgerichtete Langlöcher 11 angeordnet, die zur Führung von Gleitsteinen 12 dienen.

Die Gleitsteine sind durch Lagerbolzen 13 mit der Spindelmutter 10 schwenk bar verbunden. Die Lagerbolzen 13 weisen eine gemeinsame Achse auf, die durch die Mitte und die Achse der Spindelmutter 10 verläuft. Die Spindelmutter 10 und eine Gewindespindel 14 bilden den Spindeltrieb 5. Die Spindelmutter 10 ist durch den Verstellhebel 4 gegen Verdrehen gesichert.

Die Gewindespindel 14 und eine Elektromotorwelle 15 sind einstückig ausge bildet. Dadurch entfällt eine Kupplung zwischen beiden Wellen und eine ge sonderte Lagerung für die Gewindespindel 14. Dies bewirkt eine kompakte, steife und einfache Bauform des Aktuators 3.

Die Elektromotorwelle 15 ist im Gehäuse 16 des Elektromotors 6 in einem Festlager 17 und einem Loslager 18 gelagert. Das auch die Axialkräfte auf nehmende Festlager 17 ist als Rillenkugellager, das nur Radialkräfte aufneh mende Loslager 18 als Nadellager ausgebildet. Das Gehäuse 16 ist im Zylin derkopf 19 (siehe Fig. 3) angeordnet.

Die Seitenansicht der Fig. 2 stellt die Verstellwelle 1 mit dem Verstellnocken 2 und dem Aktuator 3 mit dem Elektromotor 6 dem Gewindetrieb 5 und dem Ver stellhebel 4 dar.

In Fig. 3 sind die Verstellwelle 1 mit dem Verstellnocken 2 und der Aktuator 3 perspektivisch und teilweise geschnitten dargestellt. Der Spindeltrieb 5 ist als Kugelgewindetrieb ausgebildet und zeichnet sich durch geringe Reibverluste aus. Das ermöglicht die Verwendung eines drehmomentschwachen, das Bord netz nur gering belasteten Elektromotors 6. Dieser ist in Fig. 3 im Zylinderkopf 19 eingebaut dargestellt. Das Loslager 18 ist als Rillenkugellager ausgebildet.

Der erfindungsgemäße Aktuator 3 funktioniert folgendermaßen:
Die Gewindespindel 14, die mit der Elektromotorwelle 15 fest verbunden ist, wird durch den Elektromotor 6 angetrieben. Da die Spindelmutter 10 durch den gabelförmigen Verstellhebel 4 gegen Verdrehen gesichert ist, wird die Rotation der Gewindespindel 14 in eine Translation der Spindelmutter 10 verwandelt. Über die Lagerbolzen 13 und die Gleitsteine 12 wird die Bewegung der Spin delmutter 10 auf den Verstellhebel 4 übertragen und führt zum Schwenken desselben sowie zum Verdrehen der Verstellwelle 1. Dadurch wird über den Verstellnocken 2 die gewünschte Hubverstellung des Einlassventils bewirkt.

Der erfindungsgemäße Aktuator 3 zeichnet sich durch große Steifheit, geringe Reibverluste und kompakte Bauweise aus. Außerdem ist er flexibel bezüglich Übersetzungsverhältnis und Einbaulage. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor 6 und Verstellwelle 1 kann durch Wahl der Länge des Verstellhe bels 4 und der Steigung der Gewindespindel 14 in einer Stufe im Bereich von 50 bis 500 : 1 variiert werden. Der Aktuator kann an beliebiger Stelle der Ver stellwelle 1 und in beliebiger Winkellage zu derselben eingebaut werden. Sei ne Spielfreiheit ermöglicht eine hohe Positioniergenauigkeit und die niedrige Reibung eine hohe Verstellgeschwindigkeit.

Bezugszahlenliste

1

Verstellwelle

2

Verstellnocken

3

Aktuator

4

Verstellhebel

5

Spindeltrieb

6

Elektromotor

7

Klemmschlitz

8

Klemmschraube

9

Gabelast

9

' Gabelast

10

Spindelmutter

11

Langloch

12

Gleitstein

13

Lagerbolzen

14

Gewindespindel

15

Elektromotorwelle

16

Gehäuse

17

Festlager

18

Loslager

19

Zylinderkopf

Claims

1. Elektromotorisch verdrehbare Welle, insbesondere eine Verstellwelle (1) eines voll variablen, mechanischen Ventiltriebs eines Verbrennungsmotors, die einen Verstellnocken (2) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verdrehen der Verstellwelle ein Aktuator (3) vorgesehen ist, der einen mit der Verstellwelle (1) drehfest verbundenen Verstellhebel (4) aufweist, des sen freies Ende in gelenkiger Verbindung mit vorzugsweise der Spindel mutter (10) eines durch einen Elektromotor (6) angetriebenen Spindeltriebs (5) steht.

2. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, dass das freie Ende des Verstellhebels (4) vorzugsweise zwei Gabeläste (9, 9') aufweist, die die Spindelmutter (10) mit Spiel umfassen.

3. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, dass in beiden Gabelästen (9, 9') gegenüberliegende, in Längs richtung des Verstellhebels (4) angeordnete Langlöcher (11) vorgesehen sind, in die Gleitsteine (12) mit Spiel eingreifen, die mit der Spindelmutter (10) durch Lagerbolzen (13) schwenkbar verbunden sind.

4. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, dass die Lagerbolzen (13) eine gemeinsame Achse aufweisen, die durch die Mitte und die Achse der Spindelmutter (10) verläuft.

5. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine Elektromotorwelle (15) und eine Gewindespindel (14) einstückig ausgebildet sind.

6. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, dass die Elektromotorwelle (15) ein Festlager (17) und ein Losla ger (18) aufweist.

7. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 6, dadurch gekenn zeichnet, dass das Festlager (17) als Rillen- oder Schrägkugellager oder als Vierpunktlager und das Loslager (18) vorzugsweise als Nadellager aus gebildet sind.

8. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 7, dadurch gekenn zeichnet, dass der Gewindetrieb (5) vorzugsweise als Kugelgewindetrieb mit Vorspannung und Kugelumlenkung ausgebildet ist, die auf der quer kraftfreien Seite der Spindelmutter (10) angeordnet ist.

9. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 8, dadurch gekenn zeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis zwischen Elektromotor (6) und Verstellwelle (1) durch die Länge des Verstellhebels (4) und die Steigung der Gewindespindel (14) festlegbar ist.

10. Elektromotorisch verdrehbare Welle nach Anspruch 9, dadurch gekenn zeichnet, dass der Aktuator (3) in beliebiger Längs- und Winkellage an der Verstellwelle (1) anbaubar ist.