DE102006028554A1

DE102006028554A1 - Verstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102006028554A1
Application number: DE102006028554A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl. Ing. Meintschel; Thomas Dipl. Ing. Stolk; Alexander von Dipl. Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2006-06-22
Filing date: 2006-06-22
Publication date: 2008-01-03
Anticipated expiration: 2026-06-23
Also published as: DE102006028554B4

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstelleinrichtung mit einem Stellelement (1) zum Verstellen einer Phasenlage einer ersten Welle (2) gegenüber einer zweiten Welle (3), mit einer Bremseinrichtung (4), die einen Stator (5) und wenigstens einen axial verschieblichen Rotor (6) aufweist, wobei das Stellelement (1) in mindestens zwei Modi betreibbar ist und wobei das Stellelement (1) durch eine Verschiebung der axialen Position des Rotors (6) aus einem Bremsmodus in einen zweiten Modus überführbar ist. Um eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die bei einem zuverlässigen Betrieb der Brennkraftmaschine auch beim Start und im Notauffall ein verringertes Bauvolumen und einen niedrigeren Stromverbrauch aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Bremseinrichtung (4) als Reibungsbremse ausgeführt ist, wobei das von der Bremseinrichtung (4) erzeugte, auf den Rotor (6) wirkende Bremsmoment im Bremsmodus von Null bis auf einen Maximalwert einstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Bekannte Verstelleinrichtungen in Form von Phasenstellern verändern die relative Winkellage von zwei Wellen zueinander und werden beispielsweise als Nockenwellenversteller in Brennkraftmaschinen eingesetzt um die relative Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer die Nockenwelle antreibenden Kurbelwelle der Brennkraftmaschine zu verändern. Durch diesen Eingriff in den Nockenwellenantrieb wird die Phasenlage der Ventilöffnung variabel beeinflusst.
Es ist bekannt, die Phasenlage einer Nockenwelle mittels einer Bremse und einem Summiergetriebe als Stellelement zu verstellen. Das variable Moment der Bremse am Stelleingang des Stellelements der Nockenwellenverstelleinrichtung führt zur Veränderung der Phasenlage der Nockenwelle.
Bei konstanter Phasenlage muss der Stelleingang des Stellelements auf Nockenwellendrehzahl so gehalten werden, dass keine Relativbewegung im Stellelement möglich ist. Beim Start der Brennkraftmaschine, bei niedrigen Drehzahlen und beim Ausfall der Bremse muss das Stellelement in einer Verriegelung- oder Notlaufposition verriegelt werden. Ebenso ist eine Verriegelung beim Ausfall von Teilen des Systems wie der Bremse, des Steuergeräts, der Kontaktierung, der Sensorik und dergleichen wünschenswert, um einen Notlauf des Fahrzeugs zu ermöglichen.
Aus der Offenlegungsschrift DE 10 2004 045 631 A1 ist eine gattungsgemäße Verstelleinrichtung mit Stellelement bekannt. Bei unbestromtem Verstellantrieb ist der axial bewegliche Rotor mit einer Antriebswelle wirkverbunden, womit eine Relativdrehung der Wellen gegeneinander unterbunden ist. Bei bestromtem Verstellantrieb wird die Wirkverbindung zwischen Rotor und Antriebswelle durch eine axial wirkende Magnetkraft gelöst und der Rotor kann einen Stelleingang des Stellelements verdrehen.
Es ist die Aufgabe der Erfindung eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die bei einem zuverlässigen Betrieb der Brennkraftmaschine auch beim Start und im Notlauffall ein verringertes Bauvolumen und einen niedrigeren Stromverbrauch aufweist.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Ein wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Verstelleinrichtung liegt darin, dass die einen Rotor und einen Stator aufweisende Bremseinrichtung als Reibungsbremse ausgeführt ist und durch axiales Abheben des Rotors vom Stator ein Bremsmoment vom Wert Null erzeugt werden kann. Hierdurch sind bei geringem Stromverbrauch und kleinem Bauvolumen hohe Stellgeschwindigkeiten erreichbar.
Vorteilhafterweise wird die axial abgehobene Lage des Rotors vom Stator durch geeignete Wahl der Gesamtkennlinie der auf den Rotor wirkenden axialen Kräfte stabil ausgeführt. Dies ermöglicht bei geringem regelungstechnischen Aufwand eine zuverlässige Einstellung eines Bremsmoments vom Wert Null ohne das Stellelement in den zweiten Modus umzuschalten.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung in 9 Figuren 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 erfindungsgemäße Verstelleinrichtung mit einem Stellelement, mit einer zwei Federn aufweisenden Federeinrichtung und einer einen Stator und einen Rotor aufweisenden Bremseinrichtung, wobei sich das Stellelement in einem Bremsmodus befindet, und
2 eine Prinzipdarstellung der Verstelleinrichtung gemäß 1, und
3 die Verstelleinrichtung mit dem Stellelement, das sich im Bremsmodus befindet, wobei sich der Rotor in einer stabilen, vom Stator abgehobenen Lage befindet, und
4 eine Prinzipdarstellung der Verstelleinrichtung gemäß 3, und
5 die Verstelleinrichtung mit dem Stellelement, das sich in einem zweiten Modus befindet, wobei sich der Rotor in einer Verriegelungsposition befindet, und
6 eine Prinzipdarstellung der Verstelleinrichtung gemäß 5, und
7 eine Darstellung der Federkräfte der beiden Federn der Federeinrichtung und der daraus resultierenden Gesamtfederkraft der Federeinrichtung in Abhängigkeit der axialen Position des Rotors, und
8 eine Darstellung der Kraft der Bremsspule bei unterschiedlichen Spulenströmen in Abhängigkeit der axialen Position des Rotors, und
9 eine Darstellung der sich aus den Kräften gemäß der 7 und 8 ergebenden Gesamtkennlinie der auf den Rotor wirkenden axialen Kräfte.
In den Figuren sind gleiche oder gleich bleibende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung ist in 1 durch einen Längsschnitt und in 2 in einer Prinzipdarstellung gezeigt. Die Verstelleinrichtung umfasst ein Stellelement 1 zum Verstellen einer Phasenlage einer ersten Welle 2 gegenüber einer als Antriebsrad des Stellelements 1 ausgebildeten zweiten Welle 3, und eine Bremseinrichtung 4, die einen Stator 5 und wenigstens einen axial verschieblichen Rotor 6 aufweist. Das Stellelement 1 ist in mindestens zwei Modi betreibbar, wovon hier der Bremsmodus dargestellt ist. Das von der Bremseinrichtung 4 erzeugte, auf den Rotor 6 wirkende Bremsmoment ist im Bremsmodus einstellbar und kann bis auf einen Maximalwert gesteigert werden. Durch eine Verschiebung der axialen Position des Rotors 6 ist das Stellelement 1 aus einem Bremsmodus in einen zweiten Modus gemäß 5 und 6 überführbar.
Die erfindungsgemäße Lösung kann bei sämtlichen, dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Verstelleinrichtungen einer Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wie bei Verstelleinrichtungen zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses, Verstelleinrichtungen zum Antreiben einer Kältemittelverdichtung usw., besonders vorteilhaft jedoch bei der hier beispielhaft ausgeführten Nockenwellenverstelleinrichtung, wodurch ein Nockenwellenphasenwinkel über einen großen Bereich einstellbar und dennoch stets ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine gewährleistet ist. Ferner ist grundsätzlich auch denkbar, eine entsprechende Verstelleinrichtung außer bei Brennkraftmaschinen auch bei anderen, dem Fachmann als geeignet erscheinenden Maschinen einzusetzen.
Das Stellelement 1 ist als Getriebe, vorzugsweise als Summiergetriebe ausgebildet. Ein Hohlrad 7 ist als Getriebeausgang ausgebildet und kämmt mit mindestens einem Planetenrad 8, das um ein als Stelleingang des Stellelements 1 ausgebildetes Sonnenrad 9 läuft. Die zweite Welle 3 ist als Getriebeeingang ausgebildet.
Abhängig von Betriebsbedingungen kann das Stellelement 1 durch eine Verschiebung der axialen Position des Rotors 6 aus einem Bremsmodus in einen zweiten Modus überführt werden, in welchem das Stellelement 1 gemäß 3 drehstarr verriegelt ist.
Um eine Verstelleinrichtung zu schaffen, die bei einem zuverlässigen Betrieb der Brennkraftmaschine auch beim Start und im Notlauffall ein verringertes Bauvolumen und einen niedrigeren Stromverbrauch aufweist, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Bremseinrichtung 4 als Reibungsbremse auszuführen, wobei das von der Bremseinrichtung 4 erzeugte, auf eine Bremsfläche 10 des Rotors 6 wirkende Bremsmoment im Bremsmodus von Null bis auf einen Maximalwert einstellbar ist. Die Bremseinrichtung 4 weist eine Bremsspule 11 auf. Bei bestromter Bremsspule 11 wird eine Kraft 12 zwischen Stator 5 und axial beweglichem Rotor 6 wirksam, so dass, bei am Stator 5 anliegender Bremsfläche 10 des Rotors 6, das Bremsmoment vom Stator 5 in den Rotor 6 einleitbar ist.
3 und 4 zeigen die erfindungsgemäße Verstelleinrichtung im Bremsmodus mit Bremsmoment Null. Die Einstellung des Bremsmoments auf den Wert Null erfolgt durch axiales Abheben des Rotors 6 vom Stator 5 der Bremseinrichtung 4.
Die Verschiebung der axialen Position des Rotors 6 ist von der Kraft 12 der Bremsspule 11 der Bremseinrichtung 4 gegen eine Gesamtfederkraft 13 einer Federeinrichtung 14 bewirkbar. Die den Rotor 6 axial beaufschlagende Federeinrichtung 14 weist zwei Federelemente 15 und 16 auf, wovon ein Federelement 15 unter Vorspannung steht, und der Rotor 6 erst ab einer bestimmten axialen Position von beiden Federelementen 15, 16 der Federeinrichtung 14 beaufschlagt wird.
5 und 6 zeigen die Verstelleinrichtung im zweiten Modus, wobei es sich um einen Betrieb der Verstelleinrichtung drehstarr verriegelt, mit konstanter Phasenlage oder einen Notlaufbetrieb handeln kann. Im Notlaufbetrieb nimmt das Stellelement 1 selbsttätig eine Notlaufposition und/oder eine Verriegelungsposition ein.
7 zeigt die Federkräfte 13a, 13b der beiden Federn 15, 16 der Federeinrichtung 14 und der daraus resultierenden Gesamtfederkraft 13 der Federeinrichtung 14 in Abhängigkeit der axialen Position des Rotors 6. Die Kennlinie der Gesamtfederkraft 13 der Federeinrichtung 14 weist in mindestens einer axialen Position des Rotors 6 einen stark nicht-linearen Verlauf auf.
8 zeigt die Kraft 12 der Bremsspule 11 bei unterschiedlichen Spulenströmen in Abhängigkeit der axialen Position des Rotors 6.
9 zeigt die sich aus den Kräften 12, 13 gemäß der 7 und 8 ergebenden Gesamtkennlinie 17 der auf den Rotor 6 wirkenden axialen Kräfte 12, 13, wobei A die Bremsstellung, B die Schwebestellung und C die Verriegelungsstellung des Rotors 6 darstellt.
Die Kennlinien der Axialkraft 12 der Bremsspule 11 und der Gesamtfederkraft 13 der Federeinrichtung 14 sind gemäß 9 bei einem Spulenstrom von 1 Ampère so aufeinander abgestimmt, dass der Rotor 6 im Bremsmodus gemäß 3 und 4 eine stabile, vom Stator 5 abgehobene Lage einnimmt, ohne das Stellelement 1 in den zweiten Modus umzuschalten.

Claims

Verstelleinrichtung mit einem Stellelement (1) zum Verstellen einer Phasenlage einer ersten Welle (2) gegenüber einer zweiten Welle (3), mit einer Bremseinrichtung (4), die einen Stator (5) und wenigstens einen axial verschieblichen Rotor (6) aufweist, wobei das Stellelement (1) in mindestens zwei Modi betreibbar ist, und wobei das Stellelement (1) durch eine Verschiebung der axialen Position des Rotors (6) aus einem Bremsmodus in einen zweiten Modus überführbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremseinrichtung (4) als Reibungsbremse ausgeführt ist, wobei das von der Bremseinrichtung (4) erzeugte, auf den Rotor (6) wirkende Bremsmoment im Bremsmodus von Null bis auf einen Maximalwert einstellbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschiebung der axialen Position des Rotors (6) von einer Kraft 12 einer Bremsspule 11 der Bremseinrichtung 4 gegen eine Kraft 13 einer Federeinrichtung 14 bewirkbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Einstellung des Bremsmoments auf den Wert Null durch axiales Abheben des Rotors (6) vom Stator (5) der Bremseinrichtung (4) erfolgt.
Verstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinien der Kraft (13) der Federeinrichtung (14) und der Axialkraft (12) der Bremsspule (11) so aufeinander abstimmbar sind, dass der Rotor (6) im Bremsmodus eine stabile, vom Stator (5) abgehobene Lage einnimmt, ohne Umschaltung des Stellelements (1) in den zweiten Modus.
Verstelleinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellelement (1) im zweiten Modus in einen Betrieb mit konstanter Phasenlage der ersten Welle (2) und der zweiten Welle (3) zueinander oder einen Notlaufbetrieb umschaltbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass im Notlaufbetrieb eine Notlaufposition und/oder eine Verriegelungsposition selbsttätig durch das Stellelement (1) einnehmbar ist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Kennlinie der Kraft (13) der Federeinrichtung (14) in mindestens einer axialen Position des Rotors (6) einen stark nicht-linearen Verlauf aufweist.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die den Rotor (6) axial beaufschlagende Federeinrichtung (14) mindestens zwei Federelemente (15, 16) aufweist, wovon mindestens ein Federelement (15) unter Vorspannung steht, und der Rotor (6) erst ab einer bestimmten axialen Position von allen Federelementen (15, 16) der Federeinrichtung (14) beaufschlagt wird.
Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Verstelleinrichtung um eine Nockenwellenverstelleinrichtung einer Brennkraftmaschine handelt.