-
Die
Erfindung betrifft eine Nockenwellenstellvorrichtung, insbesondere
für eine
Brennkraftmaschine, mit einer Bremseinheit.
-
Aus
der
DE 103 24 845
A1 ist eine Nockenwellenstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine bekannt,
die eine Umlaufgetriebeeinheit und eine von einer Hysteresebremse
gebildete Bremseinheit aufweist, mittels der eine Bremskraft zur
Verstellung eines Nockenwellenphasenwinkels erzeugbar ist.
-
Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine kostengünstige,
thermisch hoch belastbare und dadurch besonders platzsparende Nockenwellenstellvorrichtung
bereitzustellen. Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs
1, wobei weitere Ausgestaltungen der Erfindung den Unteransprüchen entnommen
werden können.
-
Es
wird eine Nockenwellenstellvorrichtung, insbesondere für eine Brennkraftmaschine,
mit einer Bremseinheit vorgeschlagen, die wenigstens eine Wirbelstrombremse
zur Erzeugung eines mit einem Phasenwinkel einer Nockenwelle korrelierenden Bremsmoments
aufweist, und mit einer Ergänzungseinheit,
die dazu vorgesehen ist, die Wirbelstrombremse in zumindest einem
Betriebsbereich in ihrer Stellfunktion zumindest zu ergänzen.
-
Dabei
soll unter einem "Ergänzen" insbesondere verstanden
werden, dass die Ergänzungseinheit
insbesondere dazu vorgesehen ist, in dem zumindest einen Betriebsbereich
einen Phasenwinkel der Nockenwelle konstant zu halten und/oder diesen nach
Früh und/oder
nach Spät
zu verstellen.
-
Durch
die erfindungsgemäße Lösung kann
in bestimmten Betriebsbereichen, wie insbesondere in im Hinblick
auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl unteren Betriebsbereichen und
vorzugsweise in Betriebsbereichen unterhalb einer Leerlaufdrehzahl
der Brennkraftmaschine, mittels der Ergänzungseinheit eine sich zu
einer Bremskraft des Wirbelstroms ergänzende Bremskraft erzeugt werden,
und/oder es kann durch eine Verriegelung eine Verstellung des Phasenwinkels
der Nockenwelle unterbunden werden. Rotoren von Wirbelstrombremsen
können
kostengünstig
thermisch und mechanisch hoch belastbar ausgeführt werden, wodurch die Wirbelstrombremse
insgesamt besonders platzsparend mit geringem Gewicht ausführbar ist.
Dabei soll in diesem Zusammenhang unter einer "Wirbelstrombremse" insbesondere eine Bremse verstanden
werden, deren Wirkprinzip zumindest zum Großteil auf sich ausbildenden
Wirbelströmen
basiert, jedoch auch andere Bremsanteile, wie insbesondere Hysteresebremsanteile,
aufweisen kann. Ferner soll unter einem "mit einem Phasenwinkel korrelierenden
Bremsmoment" insbesondere
eine Abhängigkeit
verstanden werden, bei der mit unterschiedlich großen Bremsmomenten unterschiedliche
Stellmodi erreicht werden können.
-
Die
Ergänzungseinheit
kann von verschiedenen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden
Einheiten gebildet sein, wie von einer berührlosen Bremseinheit, z.B.
einer Hysteresebremse, einer berührenden
Bremseinheit, z.B. einer Bremse mit Reiblamellen, und/oder vorteilhaft
auch von einer Verriegelungseinheit, mittels der ein Phasenwinkel der
Nockenwelle konstant gehalten bzw. eine Verstellung des Phasenwinkels
der Nocken welle durch eine kraftschlüssige und/oder insbesondere
durch eine formschlüssige
Verbindung konstruktiv einfach und kostengünstig unterbunden werden kann.
Vorzugsweise dient die Verriegelungseinheit insbesondere dazu, zumindest
zwei Wellen eines als Planetengetriebe ausgebildeten Umlaufgetriebes
drehfest zu koppeln, um somit das Umlaufgetriebe zu verriegeln bzw.
eine Verstellung eines Phasenwinkels der Nockenwelle zu unterbinden.
-
Ist
die Ergänzungseinheit
zumindest teilweise einstückig
mit der Wirbelstrombremse ausgebildet, können zusätzliche Bauteile, Bauraum,
Gewicht und Montageaufwand eingespart werden. Vorteilhaft könnte die
Wirbelstrombremse zusätzlich
als Hysteresebremse ausgebildet sein, so dass, insbesondere in sämtlichen
Betriebsbereichen, eine Summe eines sich einstellenden Wirbelstrombremsanteils
und eines sich einstellenden Hysteresebremsanteils ausreicht, um
ein gewünschtes
Bremsmoment zu erreichen, beispielsweise durch eine spezielle Ausgestaltung
eines Rotors der Wirbelstrombremse, und/oder die Wirbelstrombremse
könnte
zusätzlich
als Reibbremse und/oder als Verriegelungsvorrichtung genutzt werden,
was konstruktiv einfach mit einem in axialer Richtung verschiebbaren
Rotor der Wirbelstrombremse realisierbar ist.
-
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Nockenwellenstellvorrichtung wenigstens eine Vorübersetzungsstufe
aufweist, die vor der Bremseinheit angeordnet und die zur Drehzahlerhöhung in
Richtung der Bremseinheit vorgesehen ist. Innerhalb der Bremseinheit,
insbesondere innerhalb der Wirbelstrombremse, können dadurch hohe Drehzahlen
realisiert werden, so dass mittels der Wirbelstrombremse vorteilhaft
auch bei geringen Brennkraftmaschinendrehzahlen vorteilhafte bzw.
ausreichende Bremsmomente erzielt werden können. Insbesondere kann der
Betriebsbereich, in welchem die Wirbelstrombremse durch die Ergänzungseinheit in
ihrer Stellfunktion zumindest ergänzt wird, vorzugsweise auf
einen Bereich unter einer Leerlaufdrehzahl der Brennkraftmaschine
begrenzt werden. Ferner kann die Vorübersetzungsstufe vorteilhaft
zum Ausgleich von toleranz- bzw. wärmedehnungsbedingtem Versatz
zwischen der Bremseinheit und einer Umlaufgetriebeeinheit genutzt
werden. Zum vorteilhaften Ausgleich eines Winkelversatzes kann die
Vorübersetzungsstufe hierbei
auch mit einer balligen Verzahnung ausgeführt sein.
-
Ist
die Vorübersetzungsstufe
zumindest teilweise einstückig
mit einer Umlaufgetriebeeinheit ausgebildet, können wiederum Bauteile, Bauraum, Gewicht
und Montageaufwand eingespart werden.
-
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Wirbelstrombremse eine zu einem Rotor
beidseitig angeordnete Polstruktur aufweist, wodurch ein hoher Wirkungsgrad
erzielt werden kann.
-
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
-
Dabei
zeigen:
-
1 eine
Prinzipdarstellung einer Nockenwellenstellvorrichtung,
-
2 eine
Wirbelstrombremse mit einer Anordnung einer Polstruktur und einem
bandförmigen Wirkbereich,
-
3 einen
Ausschnitt einer schematisiert dargestellten Polstruktur der Wirbelstrombremse
mit gegenüberliegenden
Polen,
-
4 einen
Ausschnitt einer weiteren schematisiert dargestellten Polstruktur
mit versetzt angeordneten Polen,
-
5 eine
Prinzipdarstellung einer weiteren Nockenwellenstellvorrichtung mit
einer Vorübersetzungsstufe,
-
6 eine
Wirbelstrombremse der Nockenwellenstellvorrichtung aus 5 mit
beidseitiger Anordnung einer Polstruktur und scheibenförmigem Wirkbereich,
-
7 einen
Bremsmomentverlauf über
einer Brennkraftmaschinendrehzahl,
-
8 eine
Prinzipdarstellung einer weiteren Nockenwellenstellvorrichtung mit
einem Stufensonnenrad,
-
9 eine
Wirbelstrombremse der Nockenwellenstellvorrichtung aus 8 mit
einseitiger Anordnung einer Polstruktur und bandförmigem Wirkbereich,
-
10 einen
Ausschnitt einer schematisiert dargestellten Polstruktur der Wirbelstrombremse
aus 9 mit einseitig angeordneten Polen,
-
11 eine
Prinzipdarstellung einer weiteren Nockenwellenstellvorrichtung mit
einer durchgängigen
Sonnenverzahnung und
-
12 eine
weitere Wirbelstrombremse mit einseitiger Anordnung der Polstruktur
und scheibenförmigem
Wirkbereich.
-
1 zeigt
eine Nockenwellenstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit
einer Umlaufgetriebeeinheit 10a und einer Bremseinheit 11a.
Die Umlaufgetriebeeinheit 10a ist von einem als Minusgetriebe
ausgebildeten Planetengetriebe gebildet, bei dem bei einem theoretischen
Antrieb eines Sonnenrads 18a bei festgehaltenem Planetenträger 19a sich
ein mit der Bremseinheit 11a gekoppelter Stelleingang und
ein mit einer Nockenwelle 20a gekoppelter Ausgang der Umlaufgetriebeeinheit 10a in
unterschiedlichen Richtungen drehen. Der Planetenträ ger 19a ist über einen
Zahnriemen mit einer nicht näher
dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine gekoppelt und ist
von dieser im Betrieb angetrieben.
-
Die
Bremseinheit 11a umfasst eine Wirbelstrombremse 12a zur
Erzeugung eines mit einem Phasenwinkel der Nockenwelle 20a korrelierenden Bremsmoments
und eine einstückig
mit der Wirbelstrombremse 12a ausgebildete Ergänzungseinheit 14a,
die dazu vorgesehen ist, die Wirbelstrombremse 12a in einem
im Hinblick auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl unteren Betriebsbereich
in ihrer Stellfunktion zu ergänzen
bzw. zu ersetzen (2). Die Wirbelstrombremse 12a umfasst
einen Rotor 16a, einen Stator 21a, eine auf den
Stator 21a aufgebrachte Erregerspule 22a, eine
am Rotor 16a befestigte, bandförmige bzw. hülsenförmige Wirbelstromeinheit 23a aus
Kupfer und eine beidseitig zu der Wirbelstromeinheit 23a angeordnete
Polstruktur 24a. Anstatt aus Kupfer könnte die Wirbelstromeinheit 23a auch
aus einem anderen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Material
hergestellt sein, wie beispielsweise aus Aluminium usw. Die Polstruktur 24a weist
gegenüberliegende
Pole auf (3), wobei diese jedoch auch
versetzt angeordnet sein könnten (4).
-
Die
Ergänzungseinheit 14a ist
von einer Verriegelungseinheit gebildet, mittels der das Sonnenrad 18a und
der Planetenträger 19a drehfest
koppelbar sind. Der Rotor 16a ist hierfür in axialer Richtung verschiebbar
ausgebildet und weist auf einer dem Stator 21a der Wirbelstrombremse 12a abgewandten
Seite eine Verzahnung 25a auf, die mit einer an den Planetenträger 19a angeformten
Verzahnung 26a zur Verriegelung in Eingriff gebracht werden
kann (2).
-
Beim
Starten der Brennkraftmaschine wird kurz vor Erreichen einer Leerlaufdrehzahl
die Ergänzungseinheit 14a entriegelt,
indem die Erregerspule 22a bestromt wird und dadurch der
Ro tor 16a aus seiner Verriegelungsstellung entgegen einer
Federkraft einer nicht näher
dargestellten Feder in Richtung des Stators 21a gezogen
wird, so dass das Sonnenrad 18a und der Planetenträger 19a mit
unterschiedlichen Drehzahlen drehen können und eine Verstellung eines
Phasenwinkels der Nockenwelle 20a ermöglicht wird.
-
Soll
anschließend
eine konstante Phasenlage der Nockenwelle 20a eingestellt
werden, wird mittels der Wirbelstrombremse 12a ein Bremsmoment erzeugt,
so dass sich die Nockenwelle 20a mit halber Kurbelwellendrehzahl
dreht. Soll eine Einstellung nach Früh vorgenommen werden, wird
das Bremsmoment gegenüber
dem Bremsmoment bei konstantem Phasenwinkel erhöht. Soll eine Einstellung nach Spät vorgenommen
werden, wird das Bremsmoment gegenüber dem Bremsmoment bei konstantem
Phasenwinkel reduziert.
-
Beim
Abschalten der Brennkraftmaschine wird unterhalb der Leerlaufdrehzahl
die Ergänzungseinheit 14a wieder
verriegelt, indem die Erregerspule 22a abgeschaltet wird
und der Rotor 16a mittels der Federkraft der Feder in axialer
Richtung zum Planetenträger 19a verschoben
wird, so dass der Rotor 16a und damit das Sonnenrad 18a formschlüssig in Umfangsrichtung
mit dem Planetenträger 19a gekoppelt
wird, wodurch anschließend
das Sonnenrad 18a und der Planetenträger 19a und damit
die gesamte Umlaufgetriebeeinheit 10a als Einheit umlaufen.
Anstatt oder zusätzlich
zu der Erregerspule 22a könnte auch zumindest eine weitere
Spule und/oder ein alternativer Aktuator vorgesehen sein, um den
Rotor 16a in axialer Richtung zu verschieben.
-
In
den 5 bis 12 sind weitere Ausführungsbeispiele
dargestellt. Im Wesentlichen gleich bleibende Bauteile sind grundsätzlich mit
den gleichen Bezugszeichen beziffert, wobei zur Unterscheidung der
Ausführungsbeispiele
den Bezugszeichen die Buchstaben a–d hinzugefügt sind. Ferner kann bezüglich gleich
bleibender Merkmale und Funktionen auf die Beschreibung zum Ausführungsbeispiel in
den 1 bis 4 verwiesen werden. Die nachfolgende
Beschreibung beschränkt
sich im Wesentlichen auf die Unterschiede zum Ausführungsbeispiel in
den 1 bis 4.
-
In 5 ist
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt,
die eine Vorübersetzungsstufe 17b aufweist,
die zwischen einer Bremseinheit 11b und einer Umlaufgetriebeeinheit 10b angeordnet
und die zur Drehzahlerhöhung
in Richtung der Bremseinheit 11b vorgesehen ist. Die Vorübersetzungsstufe 17 weist
ein mit einem Sonnenrad 18b gekoppeltes erstes Stirnrad 27b und
ein mit dem Stirnrad 27b kämmendes zweites Stirnrad 28b auf,
das mit einer Eingangswelle der Bremseinheit 11b gekoppelt
ist.
-
Die
Bremseinheit 11b umfasst eine Wirbelstrombremse 12b zur
Erzeugung eines mit einem Phasenwinkel der Nockenwelle 20b korrelierenden Bremsmoments
Mb und eine Ergänzungseinheit 14b,
die dazu vorgesehen ist, die Wirbelstrombremse 12b in einem
im Hinblick auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl unteren Betriebsbereich 15b in
ihrer Stellfunktion zu ergänzen
bzw. zu ersetzen (6 und 7). Die
Wirbelstrombremse 12b umfasst einen Rotor 16b,
einen Stator 21b, eine auf den Stator 21b aufgebrachte
Erregerspule 22b, eine am Rotor 16b befestigte,
scheibenförmige
Wirbelstromeinheit 23b aus Kupfer und eine beidseitig zu
der Wirbelstromeinheit 23b angeordnete Polstruktur 24b.
-
Die
Ergänzungseinheit 14b ist
von einer Verriegelungseinheit gebildet, mittels der das Sonnenrad 18b und
ein Planetenträger 19b der
Umlaufgetriebeeinheit 10b drehfest verbindbar sind.
-
In 7 ist
ein Verlauf eines Bremsmoments Mb der Bremseinheit 11b über einer
Brennkraftmaschinendrehzahl n der Nockenwellenstellvorrichtung aus 5 dargestellt.
Eine Linie 29b kennzeichnet dabei einen theoretischen Verlauf
eines sich allein durch Wirbelstromanteile einstellenden Moments ohne
die Vorübersetzungsstufe 17b,
eine Linie 30b kennzeichnet einen theoretischen Verlauf
eines sich allein durch Wirbelstromanteile einstellenden Moments
mit der Vorübersetzungsstufe 17b,
und eine Linie 31b kennzeichnet einen Verlauf eines sich durch
Wirbelstromanteile und Hystereseanteile 13b einstellenden
Moments mit der Vorübersetzungsstufe 17b.
-
Beim
Starten der Brennkraftmaschine wird kurz vor Erreichen einer Leerlaufdrehzahl 32b die
Ergänzungseinheit 14b entriegelt,
und zwar sobald von der Wirbelstrombremse 12b ein ausreichendes Bremsmoment 35b aufgebracht
werden kann. Beim Abschalten der Brennkraftmaschine wird unterhalb der
Leerlaufdrehzahl die Ergänzungseinheit 14b wieder
verriegelt, so dass eine Verstellung eines Phasenwinkels der Nockenwelle 20b unterbunden
ist. Dabei stellt sich ein im Wesentlichen an einer Senkrechten
gespiegelter Verlauf des Bremsmoments Mb ein.
-
In 8 ist
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt,
die eine Vorübersetzungsstufe 17c aufweist,
die zwischen einer Bremseinheit 11c und einer Umlaufgetriebeeinheit 10c angeordnet
und die zur Drehzahlerhöhung
in Richtung der Bremseinheit 11c vorgesehen ist. Die Umlaufgetriebeeinheit 10c weist
ein zweistufiges Stufensonnenrad 18c auf, das einstückig mit
einem Stirnrad 27c der Vorübersetzungsstufe 17c ausgebildet
ist, wobei das Stirnrad 27c einen größeren Durchmesser aufweist
als ein mit Planeten der Umlaufgetriebeeinheit 10b kämmender
Teil des Stufensonnenrads 18c.
-
Die
Bremseinheit 11c umfasst eine Wirbelstrombremse 12c zur
Erzeugung eines mit einem Phasenwinkel einer Nockenwelle 20c korrelierenden Bremsmoments
und eine Ergänzungseinheit 14c,
die dazu vorgesehen ist, die Wirbelstrombremse 12c in einem
im Hinblick auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl unteren Betriebsbereich
in ihrer Stellfunktion zu ergänzen
bzw. zu ersetzen (9).
-
Die
Ergänzungseinheit 14c ist
von einer Verriegelungseinheit gebildet, mittels der das Stufensonnenrad 18c und
die Nockenwelle 20c drehfest verbindbar sind und damit
eine Phasenverstellung unterbindbar ist.
-
Die
Wirbelstrombremse 12c umfasst einen Rotor 16c,
einen Stator 21c, eine auf den Stator 21c aufgebrachte
Erregerspule 22c, eine am Rotor 16c befestigte,
bandförmige
bzw. hülsenförmige Wirbelstromeinheit 23c und
eine einseitig zu der Wirbelstromeinheit 23c angeordnete
Polstruktur 24c, die in axialer Richtung zwei hintereinander
angeordnete, unterschiedlich gepolte Wirkbereiche umfasst (9 und 10).
Die Wirbelstromeinheit 23c ist zweischichtig aufgebaut,
und zwar weist die Wirbelstromeinheit 23c auf einer der
Polstruktur 24c zugewandten, radial inneren Seite eine
nicht weichmagnetische Schicht 33c aus Kupfer und auf einer
der Polstruktur 24c abgewandten, radial äußeren Seite eine
weichmagnetische Schicht 34c aus Eisen auf. Mittels der
weichmagnetischen Schicht 34c kann ein vorteilhafter Rückfluss
erzielt werden. Grundsätzlich sind
jedoch auch andere, dem Fachmann als sinnvoll erscheinende Materialien
oder es ist auch eine einschichtige Wirbelstromeinheit 23c denkbar.
-
In 11 ist
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine dargestellt,
die eine Vorübersetzungsstufe 17d aufweist,
die zwischen einer Bremseinheit 11d und einer Umlaufgetriebeeinheit 10d angeordnet
und die zur Drehzahler höhung
in Richtung der Bremseinheit 11d vorgesehen ist. Die Umlaufgetriebeeinheit 10d weist
ein Sonnenrad 18d mit einer nach außen in Richtung der Bremseinheit 11d geführten durchgehenden
Verzahnung auf, das einstückig
mit einem Stirnrad 27d der Vorübersetzungsstufe 17d ausgebildet
ist.
-
Die
Bremseinheit 11d umfasst eine Wirbelstrombremse 12d zur
Erzeugung eines mit einem Phasenwinkel einer Nockenwelle 20d korrelierenden Bremsmoments
und eine Ergänzungseinheit 14d,
die dazu vorgesehen ist, die Wirbelstrombremse 12d in einem
im Hinblick auf eine Brennkraftmaschinendrehzahl unteren Betriebsbereich
in ihrer Stellfunktion zu ergänzen
bzw. zu ersetzen (11 und 12).
-
Die
Ergänzungseinheit 14d ist
von einer Verriegelungseinheit gebildet, mittels der das Sonnenrad 18d und
die Nockenwelle 20d drehfest verbindbar sind.
-
Die
Wirbelstrombremse 12d umfasst einen Rotor 16d,
einen Stator 21d, eine auf den Stator 21d aufgebrachte
Erregerspule 22d, eine am Rotor 16d befestigte,
scheibenförmige
Wirbelstromeinheit 23d aus Kupfer und eine einseitig zu
der Wirbelstromeinheit 23d angeordnete Polstruktur 24d,
die in radialer Richtung zwei hintereinander angeordnete, unterschiedlich
gepolte Wirkbereiche umfasst.
-
- 10
- Umlaufgetriebeeinheit
- 11
- Bremseinheit
- 12
- Wirbelstrombremse
- 13
- Hystereseanteil
- 14
- Ergänzungseinheit
- 15
- Betriebsbereich
- 16
- Rotor
- 17
- Vorübersetzungsstufe
- 18
- Sonnenrad
- 19
- Planetenträger
- 20
- Nockenwelle
- 21
- Stator
- 22
- Erregerspule
- 23
- Wirbelstromeinheit
- 24
- Polstruktur
- 25
- Verzahnung
- 26
- Verzahnung
- 27
- Stirnrad
- 28
- Stirnrad
- 29
- Linie
- 30
- Linie
- 31
- Linie
- 32
- Leerlaufdrehzahl
- 33
- Schicht
- 34
- Schicht
- 35
- Bremsmoment
- n
- Brennkraftmaschinendrehzahl
- M
- Bremsmoment