DE102007003997A1

DE102007003997A1 - Verstellvorrichtung zur axialen Verstellung einer Nockenwelle mittels eines Verstellaktuators

Info

Publication number: DE102007003997A1
Application number: DE200710003997
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Sebastian Dipl.-Ing. Zwahr
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2007-01-26
Filing date: 2007-01-26
Publication date: 2008-07-31
Also published as: WO2008089864A1; DE202007013390U1

Abstract

Verstellvorrichtung (1) zur Verstellung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine, welche um eine in einem Gehäuse (3) fest angeordnete Nockenwellenachse (4) rotiert und die Verstellung über einen Verstellweg in axialer Richtung entlang der Nockenwellenachse (4) erfolgt, wobei ein Verstellaktuator vorgesehen ist, mittels dessen die axiale Verstellung über ein Axialgetriebe (5) in die Nockenwelle (2) einleitbar ist, wobei der Verstellaktuator aus einem im Gehäuse (3) aufgenommenen Statorteil (6) und einem über das Axialgetriebe (5) mit der Nockenwelle (2) in Wirkverbindung gebrachten Rotorteil (7) gebildet ist, wobei der Rotorteil (7) im die Nockenwelle (2) nicht axial verstellenden Zustand synchron mit dieser rotiert und wobei zur axialen Verstellung der Nockenwelle (2) mittels einer magnetischen Kraftkopplung vom Statorteil (6) auf den Rotorteil (7) in diesen ein Drehmoment einleitbar ist, sodass eine Differenz der Drehzahl des Rotorteils (7) relativ zur Drehzahl der Nockenwelle (2) erzeugbar ist, um mittels des Axialgetriebes (5) eine axiale Verstellung der Nockenwelle (2) zu schaffen.

Description

Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zur Verstellung einer Welle, insbesondere eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, welche um eine in einem Gehäuse fest angeordnete Nockenwellenachse rotiert und die Verstellung über einen Verstellweg in axialer Richtung entlang der Nockenwellenachse erfolgt, wobei ein Verstellaktuator vorgesehen ist, mittels dessen die axiale Verstellung über ein Axialgetriebe in die Nockenwelle einleitbar ist.
Hintergrund der Erfindung
Brennkraftmaschinen werden häufig mittels einer Quantitätssteuereinrichtung lastabhängig angesteuert, so dass in Abhängigkeit der geforderten Last eine Änderung der gemischten Menge hervorgerufen wird. Dies erfolgt mittels einer unterschiedlichen Drosselstellung einer Drosselklappe innerhalb der Quantitätssteuereinrichtung, welche innerhalb des Ansaugbereichs der Brennkraftmaschi ne angeordnet ist. Die Drosselregelung ist dabei mit dem Nachteil behaftet, dass diese einen Drosselverlust aufweist, der mit abnehmendem Drosselquerschnitt innerhalb der Quantitätssteuereinrichtung mit sinkender Last ansteigt. Dieser Verlust kann durch eine drosselfreie Laststeuerung jedoch vermieden werden. Hierfür existieren alternative Einrichtungen zur Laststeuerung, welche nicht auf einer Drosselklappe basieren, die einen unterschiedlichen Drosselquerschnitt innerhalb des Ansaugtraktes bewirken. Die Laststeuerung erfolgt über Einlassventile mit einem variablen Hub und entsprechend gesteuertem Zeitquerschnitt. Ein großer Ventilhub entspricht dabei einer hohen Last, wohingegen ein kleiner Ventilhub lediglich eine kleine Last durch die Brennkraftmaschine bereitstellt.
Der kleine Ventilhub bei Niedriglast bewirkt, dass der Öffnungswinkel des Einlassventils nur dann einen Bruchteil des bei Volllast üblichen Öffnungswinkels ausmacht. Dadurch bildet sich während des Einlasstaktes ein erhöhter Unterdruck im Zylinder, der im darauffolgenden Kompressionstakt verlustfrei ausgeglichen werden kann. Während der Öffnungsdauer der Einlassventile herrscht dabei aufgrund dieses hohen Unterdrucks im Bereich des Ventilsitzes eine hohe Strömungsgeschwindigkeit, welche zur Folge hat, dass die Strömung starke Turbulenzen aufweist, und sich diese Turbulenzen in den Zylinder fortsetzen. Dadurch wird die Gemischaufbereitung insbesondere bei ottomotorischer Direkteinspritzung deutlich verbessert. Damit kann erreicht werden, dass unverbrannte Kohlenwasserstoffe im Abgas gesenkt werden und der Wirkungsgrad der Brennkraftmaschine steigt.
Die dadurch bedingte höhere Brenngeschwindigkeit bewirkt auch bei höheren Lasten trotz des späteren Brennbeginns ein rechtzeitiges Brennende, wobei bei höheren Lasten die Ladungsbewegung durch ein späteres Öffnen des Einlassventils wegen des dann herrschenden höheren Unterdrucks ebenfalls intensiviert werden kann. Damit ergibt sich ein niedrigerer Spitzendruck, eine geringere Klopfneigung und insbesondere eine geringere Stickoxidbildung, ohne Verbrauchsnachteile in Kauf nehmen zu müssen. Die hierfür erforderliche Verschiebung der Öffnungszeiten und der Schließzeiten der Einlassventile und ggf. auch der Auslassventile lassen sich durch bekannte, im Antriebsstrang zwischen Kurbel- und Nockenwelle angeordnete Phasenversteller bewirken.
Jedoch lassen sich über sogenannte Raumnocken, welche auf der Nockenwelle angeordnet sind und mit dem Ventil in Wirkverbindung stehen, die Öffnungs- und Schließzeiten der Ventile verändern, wobei ferner die Raumnocken in Nockenwellenlängsachse eine Steigung aufweisen, so dass ebenfalls der Ventilhub veränderbar ist. Ein so ausgebildeter dreidimensionaler Nocken, auf dem die Hubinformation abgelegt ist, muss daher nicht nur in seiner Winkelphase gegenüber der Winkelphase der Kurbelwelle verstellt werden, sondern erfordert zusätzlich eine axiale Verstellung in Richtung der Nockenwellenachse.
Dazu sind Verstellvorrichtungen vorgesehen, welche entweder konzentrisch zur Nockenwellenachse oder in sonstiger Weise im Bereich des Zylinderkopfes eingebaut sind, um eine axiale Verstellung der Nockenwelle zu bewirken. Ferner sind Vorrichtungen bekannt, mittels derer die Nocken auf der Nockenwelle selbst in Axialrichtung verstellbar sind, so dass die Verstellung den gleichen Effekt hervorruft, wie die axiale Verstellung der gesamten Nockenwelle. Die Vorrichtung zur Phasenverstellung sowie zur Axialverstellung der Nockenwelle können einzeln ausgeführt sein, wobei auch Vorrichtungen bekannt sind, welche beide Verstellmöglichkeiten bieten und eine bauliche Einheit bilden.
Stand der Technik
Aus der Offenlegungsschrift DE 103 30 871 A1 ist eine Verstellvorrichtung zur unabhängigen Verstellung der Phasen- und Axiallage einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine offenbart. Hierin ist ein Phasenversteller sowie ein Axialversteller vorgesehen, welche mit dem wenigstens einen Raumnocken auf der Nockenwelle zusammenwirken. Damit ist eine Variation des Ventilhubes möglich, wobei die Verstellvorrichtung zur axialen Verstellung der Nockenwelle in Richtung der Nockenwelleachse als ein elektromechanischer Steller ausgebildet ist. Der elektromechanische Steller weist dabei einen hochdrehenden bürstenlosen Gleichstromverstellmotor mit einem gehäusefes ten Stator und einem nachgeschalteten hochuntersetzenden Stellgetriebe auf. Der Stator ist Bestandteil eines Elektromotors, welcher beispielsweise nach dem Prinzip eines Schneckenradgetriebes ein Schneckenrad mittels einer Schnecke antreibt, wobei das Schneckenrad mit einem Axialgetriebe zusammenwirkt, so dass der hochdrehende Elektromotor eine sehr langsame axiale Bewegung innerhalb der Nockenwelle hervorrufen kann. Dies geschieht beispielsweise über eine Spindel-Spindelmutteranordnung, wobei die Spindelmutter als Schneckenrad oder zumindest in Wirkverbindung mit dem Schneckenrad ausgebildet ist. Innerhalb der Spindelmutter kann die Spindel eine Axialbewegung ausführen, welche unter konstruktiver Hinzunahme einer rotatorischen Entkopplung die axiale Verstellinformation auf die Nockenwelle überträgt.
Damit sich die Spindel nicht mitdreht ist ein Führungsstift vorgesehen, welcher wiederum in einem Langloch innerhalb der Spindel angeordnet werden muss. Diese Ausführung ist sehr aufwendig, da eine Vielzahl von konstruktiven Ausgestaltungen erforderlich ist, um die Drehbewegung des hochdrehenden Elektromotors auf die langsame axiale Verstellbewegung der Nockenwelle zu übertragen. Insbesondere ist eine rotatotrische Entkopplung notwendig, welche beispielsweise als Wälzlagerung ausgeführt werden muss. Auch bei einem sehr hochdrehenden Elektromotor ist die Verstelldynamik der Nockenwellenverstellung stark begrenzt, da im gesamten Getriebestrang eine hohe Untersetzung erforderlich ist. Aufgrund der Vielzahl an reibbehafteten Komponenten ist zusätzlich der Wirkungsgrad stark begrenzt, wobei die Anordnung einen erheblichen Platzbedarf aufweist, da der Elektromotor mit dem Schneckenradgetriebe insgesamt mindestens zwei Wellen benötigt, welche 90° zueinander angeordnet werden müssen. Auch hierdurch erhöht sich der Platzbedarf erneut.
Weitere bekannte Ausführungen von Verstellvorrichtungen zur axialen Verstellung einer Nockenwelle sind beispielsweise aus der Offenlegungsschrift DE 35 36 742 A1 bekannt. Hierin ist eine Verstellvorrichtung offenbart, welche eine elektronische Steuerschaltung umfasst, die an ihrem Eingang erhaltene Signale verarbeitet, die von verschiedenen Parametern des Motors bestimmt werden. Die Nockenwelle ist dabei in der Lage, sich mit größeren Wegen axial zu ver schieben und je nach Erfordernis ist, um die statische Winkelstellung der die Ventil steuernden Excenter zu kontrollieren. Die Nocken besitzen dabei ferner ein axial verinnerlichtes Profil, so dass die axiale Verstellung der Welle die Öffnungs- und Verschlusszeiten der Ventile beeinflusst, wodurch der Lauf des Motors entsprechend den betreffenden Parametern in der gewünschten Weise verändert werden kann. Die axiale Verstellung wird dabei mittels einer Getriebeanordnung ermöglicht, welche auf einem Zahnradgetriebe basiert, das mit einem Schneckengewinde zusammenwirkt. Dafür ist ein Servomechanismus erforderlich, der die Ausgangssignale der elektronischen Steuerung aufnimmt, und eine automatische Verstellung mittels eines Motors vornehmen muss. Auch diese Ausführung ist mit dem Nachteil behaftet, dass die Verstellvorrichtung eine nur sehr begrenzte Dynamik aufweist, und einen erheblichen Platzbedarf hat. Ferner ist der Wirkungsgrad sehr gering, wobei insbesondere die Verschleißneigung zwischen dem Zahnradgetriebe und dem Servomechanismus als erheblicher Nachteil gewertet werden muss.
Die Patentschrift US 6,474,281 B1 offenbart einen Ventilsteuermechanismus für eine Brennkraftmaschine, wobei zur Steuerung des Ventilhubes eine axiale Verstellung der Nockenwelle vorgesehen ist. Der Ventilsteuermechanismus umfasst eine Beschleunigungs-/und Verlangsamungseinrichtung mit einem Kolben, der in einem Zylinder aufgenommen und in diesem axial verschiebbar ist, wobei die axiale Position des Kolbens hydraulisch gesteuert wird und der Kolben mechanisch mit der Nockenwelle gekoppelt ist, wobei die axiale Verschiebung des Kolbens zu einer axialen Verschiebung der Nockenwelle führt, und eine Umsetzungseinrichtung vorgesehen ist, die die axiale Verschiebung des Kolbens und der Nockenwelle in eine Rotationsverschiebung der Nockenwelle umsetzt, um die Rotationsphase der Nockenwelle zu modifizieren. Damit wird zwar eine Phasenverstellung erreicht, welche mit der axialen Verstellung der Nockenwelle zusammenwirkt, jedoch ist das Maß der Phasenverstellung mit dem Maß der Axialverstellung der Nockenwelle über die Umsetzungseinrichtung vorgegeben, da diese nicht variabel ausgebildet ist. Damit ergibt sich der Nachteil, dass die Phasenverstellung der Nockenwelle nicht unabhängig von der axialen Verstellung der Nockenwelle erzeugt werden kann, so dass die Möglichkeiten der Variation der Ventilsteuerung dadurch stark eingeschränkt sind.
Aufgabenstellung
Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, eine Verstellvorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, welche die voran genannten Nachteile des Standes der Technik überwindet und eine von der Phasenverstellung unabhängige stufenlose Axialverstellung der Nockenwelle mit einer großen Verstelldynamik aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Verstellvorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 in Verbindung mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass der Verstellaktuator aus einem im Gehäuse aufgenommenen Statorteil und einem über das Axialgetriebe mit der Nockenwelle in Wirkverbindung gebrachten Rotorteil gebildet ist, wobei der Rotorteil im die Nockenwelle nicht axial verstellenden Zustand synchron mit dieser rotiert, und wobei zur axialen Verstellung der Nockenwelle mittels einer magnetischen Kraftkopplung vom Statorteil auf den Rotorteil in diesen ein Drehmoment einleitbar ist, so dass eine Differenz der Drehzahl des Rotorteils relativ zur Drehzahl der Nockenwelle erzeugbar ist, um mittels des Axialgetriebes eine axiale Verstellung der Nockenwelle zu schaffen.
Die Erfindung bezieht sich auf einen Verstellaktuator, welcher zunächst ähnlich einem Elektromotor aus einem Statorteil und einem Rotorteil gebildet ist. Der Rotorteil rotiert synchron mit der Nockenwelle, wobei der Rotorteil auch mit Nockenwellendrehzahl selbst oder, im Falle einer zwischengeschalteten Getriebestufe, wenigstens proportional zur Drehzahl der Nockenwelle rotiert. Somit ist der Rotorteil mit der Nockenwelle in seiner Rotation in Verbindung gebracht, wobei die Verbindung über ein Axialgetriebe erfolgt. Der Statorteil des Verstellaktuators kann beispielsweise innerhalb des Gehäuses verdrehfest angeordnet sein, wobei das Gehäuse beispielsweise durch den Zylinderkopf der Brennkraftmaschine oder ein Gehäuse der Verstellvorrichtung selbst eingebracht ist. Der Statorteil rotiert daher nicht mit, und bildet den elektromagnetischen Gegenpol zum Rotorteil. Der Statorteil oder der Rotorteil weist eine elektrische Wicklung auf, welche bestromt werden kann, um ein entsprechendes Magnetfeld zu erzeugen. Das Magnetfeld wirkt dabei auf den Rotorteil ein, und bewirkt ein Drehmoment im Rotorteil.
Für selbsthemmende Gewinde erfolgt im gering oder im nicht bestromten Zustand des Statorteils keine Änderung der axialen Position der Nockenwelle. Ist das Gewinde im Axialgetriebe nicht selbsthemmend, so erfolgt eine geregelte Bestromung des Statorteils, um für jeden Betriebszustand die erforderliche Position im Axialgetriebe aufrecht zu erhalten oder entsprechend zu ändern, da ein Gegendrehmoment erforderlich ist. Ist der Rotorteil koaxial zur Nockenwelle ausgebildet, so befindet sich lediglich das Axialgetriebe zwischen dem Rotorteil und der Nockenwelle. Im Ruhezustand, wenn der Statorteil nicht bestromt wird, wirken keine elektromagnetischen Kräfte auf den Rotorteil, so dass die Nockenwelle die Drehbewegung über das Axialgetriebe direkt auf den Rotorteil überträgt. Damit rotiert der Rotorteil im Falle der koaxialen Anordnung mit der Nockenwelle mit Nockenwellendrehzahl. Wird der Rotorteil verzögert oder beschleunigt, d. h., wird die Drehzahl des Rotorteils gegenüber der Drehzahl der Nockenwelle entweder erhöht oder verringert, so wird im Axialgetriebe eine Verstellung hervorgerufen, welche wiederum eine Änderung der axialen Position der Nockenwelle ermöglicht. Daher entsteht erfindungsgemäß eine Anordnung, welche lediglich durch eine elektromagnetische Krafteinwirkung auf den Rotorteil eine Verstellung des Axialgetriebes hervorruft, ohne eine rotatorische Entkopplung zu benötigen. Die rotatorische Entkopplung erfolgt im Sinne der vorliegenden Erfindung durch die Trennung des Stellaktuators in einen Statorteil und in einen Rotorteil, wobei die Kopplung lediglich über einen magnetischen Kraftfluss erzeugt wird.
Wird der Statorteil bestromt, so kann durch die Bestromung ein Magnetfeld erzeugt werden, welches derart auf den Rotorteil wirkt, dass dieser gegenüber der Grunddrehzahl der Nockenwelle verzögert wird. Damit wird eine axiale Verstellung der Nockenwelle in einer ersten Richtung hervorgerufen. Wird durch eine spezielle Bestromung des Statorteils ein Magnetfeld im Statorteil hervorgerufen, welches den Rotorteil gegenüber der Nockenwellendrehzahl beschleunigt, so wird über das Axialgetriebe eine axiale Bewegung in der Nockenwelle entgegen der ersten Bewegungsrichtung hervorgerufen. Mit diesem Prinzip lässt sich auf einfache Weise und lediglich über eine elektromagnetische Kopplung eines feststehenden Statorteils gegenüber einem rotierenden Rotorteil eine axiale Verstellung der Nockenwelle sowohl in einer ersten als auch in einer zweiten Richtung der Nockenwellenachse ermöglichen. Durch die direkte Übertragung der Verstellung auf das Axialgetriebe ist eine sehr hohe Verstelldynamik erreichbar, wobei der erforderliche Platzbedarf minimal ist. Da weder ein Schneckengetriebe noch eine sonstige mechanische Kraftübertragung erforderlich ist, zeichnet sich die Vorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung durch einen sehr hohen Wirkungsgrad aus. Im Folgenden werden verschiedene Ausführungsformen sowohl des Verstellaktuators als auch des eingesetzten Axialgetriebes und insbesondere der Anordnung des Verstellaktuators beschrieben.
Gemäß einer ersten vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, dass der Statorteil hohlzylinderartig ausgebildet und koaxial zum Rotorteil angeordnet ist und der Statorteil den Rotorteil radial umschließt, so dass der Verstellaktuator nach Art eines Radialflussmotors ausgebildet ist. Damit entsteht eine Anordnung, wie sie bereits aus gewöhnlichen Elektromotoren bekannt ist. Jedoch zeichnet sich der Elektromotor dadurch aus, dass der Rotor im nicht oder nur gering bestromten Zustand zum Erhalt der Position des Stators immer synchron mit der Nockenwellendrehzahl rotiert.
Es ist auch denkbar, dass der Statorteil und der Rotorteil scheibenartig ausgebildet und planparallel zueinander angeordnet sind, so dass der Verstellaktuator nach Art eines Axialflussmotors ausgebildet ist. In einer abstrakten Betrachtung stehen sich dabei eine erste Planscheibe mit einer zweiten Planscheibe gegenüber, wobei die erste Planscheibe den Statorteil und die zweite Planscheibe den Rotorteil bildet. Sind im Statorteil auf dem Umfang Magentspulen radial angeordnet, welche durch eine spezielle Bestromung ein rotierendes Magnetfeld hervorrufen, so kann auf den Rotorteil ein Drehmoment übertragen werden, wobei der Rotorteil beispielsweise umfangsseitig angeordnete Permanentmagnete aufweisen kann. Damit ist die Bauart eines Axialflussmotors geschaffen, welche insbesondere dann zu bevorzugen ist, wenn ein begrenzter axialer Bauraum zur Verfügung steht, wohingegen der Radialflussmotor vorgesehen sein kann, wenn ein begrenzter radialer Bauraum verfügbar ist.
Es ist vorteilhaft, wenn das Axialgetriebe in Gestalt eine Spindelgetriebes ausgebildet ist, wobei das Spindelgetriebe eine Spindel umfasst, auf welcher eine Spindelmutter verfahrbar ist. Das Spindel-Spindelmutter-Prinzip kann im Sinne der vorliegenden Erfindung auch dahingehend abstrahiert werden, dass die Steigung des Spindelgewindes stark vergrößert wird und Wälzkörper als Mittel zur Kraftübertragung zwischen der Spindelmutter und der Spindel angeordnet sein können. Diese können entlag einer Schraubenbahn verlaufen, so dass geringe Verdrehungen der Spindel gegenüber der Spindelmutter bereits größere axiale Verschiebungen der Nockenwelle ermöglichen.
Andererseits besteht die Möglichkeit, dass die Steigung des Spindelgewindes sehr klein gewählt wird, so dass ähnlich eines Feingewindes eine Vielzahl von Umdrehungen notwendig sind, um einen bestimmten axialen Verstellweg der Nockenwelle hervorzurufen. Die Bauart des Axialgetriebes ist im Sinne der vorliegenden Erfindung jedoch nicht auf das Prinzip der Spindel-Spindelmutter-Anordnung beschränkt, denn es ist auch jede weitere Bauart denkbar, um die Drehzahldifferenz zwischen dem Rotorteil und der Nockenwelle nutzbar zu machen, um die Nockenwelle axial zu verschieben. Somit ist nicht festgelegt, ob der Rotorteil mit der Spindel verdrehfest in Verbindung gebracht ist, und die Spindelmutter axial und/oder verdrehfest mit der Nockenwelle verbunden ist, oder ob die Anordnung umgedreht wird, so dass die Spindel mit der Nockenwelle in Verbindung gebracht ist, und der Rotorteil verdrehfest mit der Spindelmut ter angeordnet ist. Im letzteren Fall besteht die Möglichkeit, dass der Verstellaktuator axial zur Nockenwellenachse angeordnet ist, wobei die Spindel verdrehfest mit der Nockenwelle verbunden ist und die Spindelmutter mit dem Rotorteil als ein Rotationskörper ausgebildet ist, so können der Rotorteil und die Spindelmutter nicht nur koaxial und verdrehfest zueinander angeordnet werden, sondern die Spindelmutter bildet den Rotorteil selbst.
Vorteilhafterweise sind der Verstellaktuator und das Axialgetriebe auf einer gemeinsamem Verstellachse konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die Verstellachse parallel beabstandet zur Nockenwellenachse angeordnet ist. Der Verstellaktuator kann den Statorteil und wenigstens den Rotorteil umfassen, wobei das Axialgetriebe zumindest die Spindel und die Spindelmutter umfasst, wobei alle Komponenten konzentrisch zueinander auf der Verstellerachse angeordnet sind. Damit sind der Verstellaktuator sowie das Axialgetriebe nicht konzentrisch zur Nockenwelle im Zylinderkopf angeordnet, sondern können parallel verlaufend zur Nockenwelle eingebaut werden. Zur Übertragung der Axialbewegung zwischen der Nockenwelle und der Spindel oder der Spindelmutter ist ein Übertragungsmittel vorgesehen, welches eine hohe Flexibilität bezüglich der Einbauvarianten gewährleistet.
Gemäß dem Prinzip der Verstellvorrichtung ist zur Schaffung einer Drehzahldifferenz zwischen der Drehbewegung des Rotorteils und der Drehbewegung der Nockenwelle in Abhängigkeit der gewünschten axialen Verstellrichtung der Nockenwelle der Rotorteil mittels der magnetischen Kraftkopplung durch den Statorteil auf eine höhere oder eine niedrigere Drehzahl als die Nockenwellendrehzahl beschleunigbar oder verzögerbar. Der Rotorteil kann sogar auf Null abgebremst werden oder eine entgegengesetzte Drehrichtung einnehmen, um eine besonders schnelle Verstellung der Nockenwelle hervorzurufen.
Eine vorteilhafte konstruktive Umsetzung des Verstellaktuators kann darin bestehen, diesen nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors, eines Walzen- eines Glocken- oder eines Scheibenläufermotors auszubilden. Dieser kann als hochdrehender und besonders verschleißarmer Motor ausgestaltet sein, da dieser im Betrieb der Brennkraftmaschine permanent mitdrehen muss. Zur elektrischen Ansteuerung des Verstellaktuators ist eine Steuerung bzw. Regelung notwendig, in die auch die Information der sich ändernden Motordrehzahl einfließt. Wird die Drehzahl der Kurbelwelle erhöht, ohne dass eine Veränderung der axialen Position der Nockenwelle gewünscht ist, so sollte keine Drehzahldifferenz zwischen dem Rotorteil und der Nockenwelle auftreten. Sofern der Rotorteil sowie die mit dem Rotorteil mitrotierenden Komponenten im Axialgetriebe ein Rotationsträgheitsmoment umfassen, muss dieses durch entsprechende elektrische Ansteuerung des Statorteils ausgeglichen werden, so dass nicht allein aufgrund einer Massenträgheit eine Drehzahldifferenz entsteht.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Verstellvorrichtung ist die Nockenwelle mittels eines Federelements in Axialrichtung vorgespannt, um ohne Kraftbeaufschlagung durch den Verstellaktuator die Nockenwelle in eine definierte axiale Position zu bringen. Zur Phasenverstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle kann ein Phasenversteller vorgesehen sein, welche gegenüberliegend zum Verstellaktuator endseitig an der Nockenwelle angeordnet ist. Das Federelement kann als Schraubendruckfeder ausgeführt sein, welche die Nockenwelle entgegen der axialen Steigung der Raumnocken vorspannt, um die Axialkraftkomponente, welche im Kraftfluss zwischen der Nockenwelle und dem Abgriffselement entsteht, entgegenzuwirken, und die Summe der Axialkraftkomponenten aller Nocken auszugleichen. Die Schraubendruckfeder kann so angeordnet werden, dass diese gegen einen Bund auf der Nockenwelle abgestützt ist, und mit der Rotation der Nockenwelle mitrotiert.
Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt.
Ausführungsbeispiel
Es zeigt:
1 eine schematische Darstellung der Verstellvorrichtung mit einem Verstellakturator, welcher als Radialflussmotor ausgebildet ist;
2 eine schematische Darstellung der Verstellvorrichtung mit einem Verstellaktuator, welcher als Axialflussmotor ausgebildet ist;
3 eine schematische Darstellung des Axialgetriebes, welches zwischen dem Verstellaktuator und der Nockenwelle angeordnet ist;
4 eine weitere Ausführungsform des Axialgetriebes zwischen der Nockenwelle und dem Verstellaktuator; und
5 eine Anordnung des Verstellaktuators sowie des Axialgetriebes in einer parallelen Anordnung zur Nockenwelle.
Die in 1 gezeigte Verstellvorrichtung 1 ist schematisch und abstrahiert in einer Seitenansicht dargestellt. Die Verstellvorrichtung 1 wirkt zur axialen Verstellung auf eine Nockenwelle 2, welche beispielsweise in einem Zylinderkopf einer Brennkraftmaschine oder in einem Nockenwellengehäuse drehbar gelagert ist, wobei das Gehäuse schematisch dargestellt ist und mit dem Bezugszeichen 3 versehen ist. Die Verstellvorrichtung 1 erstreckt sich konzentrisch um die Nockenwellenachse 4, wobei der Verstellaktuator aus dem Statorteil 6 sowie aus dem Rotorteil 7 gebildet ist. Der Statorteil 6 ist fest im Gehäuse 3 angeordnet, wobei der Rotorteil 7 drehbar um die Nockenwellenachse 4 mit der Eingangsseite des Axialgetriebes 5 verbunden ist. Die Rotationsbewegung ist durch einen entsprechenden Pfeil dargestellt. Das Axialgetriebe 5 ermöglicht eine axiale Verstellung der Nockenwelle 2, welche durch einen Doppelpfeil dargestellt ist. Wird die Drehzahl des Rotorteils 7 gegenüber der Drehzahl der Nockenwelle 2 verändert, so verändert sich die axiale Position der Nockenwelle 2. Daher wandelt das Axialgetriebe 5 eine Drehzahldifferenz zwischen der Eingangswelle, auf der der Rotorteil 7 angeordnet ist und der Nockenwelle 2 in eine axiale Verschiebung der Nockenwelle 2 um.
Die Einleitung der Drehzahldifferenz erfolgt über eine Bestromung des Statorteils 6, so dass über eine elektromagnetische Kraftkopplung auf den Rotorteil 7 ein Drehmoment eingebracht wird. Ist der Statorteil nicht bestromt, so rotiert der Rotorteil 7 lediglich mit der Nockenwellendrehzahl 2. Axiale Fixierungen bzw. axiale Lagerungen des Rotorteils 7 sowie des Axialgetriebes 5 sind aufgrund der vereinfachten Darstellung nicht gezeigt. Auf der rechten Seite in der Bildebene ist das Nockenwellenantriebsrad 14 gezeigt, welches mittels der Kurbelwelle angetrieben wird und die Drehbewegung in die Nockenwelle 2 einleitet. Damit ein axialer Versatz der Nockenwelle 2 ermöglicht ist, ist das Nockenwellenantriebsrad 14 mit einem axialen Entkoppler 15 verbunden, so dass das Nockenwellenantriebsrad 14 eine axial feste Position einnehmen kann und sich die Nockenwelle 2 gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad 14 axial – oder verdrehfest verschieben kann. Optional besteht die Möglichkeit, dass innerhalb des axialen Entkopplers 15 in Verbindung mit dem Nockenwellenantriebsrad ein Phasenversteller eingebaut werden kann.
2 zeigt eine weitere Ausführungsform der Verstellvorrichtung 1, wobei der Verstellaktuator aus einem Statorteil 6 und einem Rotorteil 7 gebildet ist, welche hinsichtlich ihrer Bauform als Axialflussmotor ausgebildet sind. Rotiert die Nockenwelle 2 um die Nockenwellenachse 4, so rotiert im Ruhezustand des Verstellaktuators der Rotorteil 7, welcher über das Axialgetriebe 5 mit der Nockenwelle 2 verbunden ist, ebenfalls mit Nockenwellendrehzahl. Der Statorteil 6 ist ruhend im Gehäuse 3 angeordnet, und umfasst eine Wicklung, welche bestromt werden kann. Wird die Wicklung des Statorteils 6 bestromt, so wird über eine elektromagnetische Kraftkopplung in axialer Richtung der Rotoreil 7 mit einem Drehmoment beaufschlagt. Dabei sind sowohl der Statorteil 6 als auch der Rotorteil 7 scheibenartig ausgeführt, so dass insgesamt in Erstreckungsrichtung der Nockenwellenachse 4 eine sehr kurze Bauform entsteht.
Ferner zeigt 2 ein Federelement 13, welches als Schraubendruckfeder ausgeführt ist. Das Federelement 13 übt eine Druckkraft zwischen dem axialen Entkoppler 15 und der Nockenwelle 2 aus, so dass die Nockenwelle 2 in einer axialen Richtung vorgespannt ist. Die durch das Federelement eingeleitete Axialkraft bewirkt, dass die Nockenwelle 2 in der Richtung vorgespannt ist, die der Axialkraftkomponente der Raumnocken entgegenwirkt, welche entsteht, wenn die Raumnocken mit einem Abgriffselement zusammenwirken. Im Kraftfluss des Abgriffselements im Eingriff mit den Raumnocken entsteht eine Kraftkomponente in axialer Richtung, welche mittels des Federelements 13 derart ausgeglichen werden kann, dass die Nockenwelle 2 im Ruhezustand im Wesentlichen axial kraftfrei angeordnet ist.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Axialgetriebes 5, welches zwischen dem Verstellaktuator, bestehend aus dem Statorteil 6 und dem Rotorteil 7 sowie der Nockenwelle 2 angeordnet ist. Das Axialgetriebe 5 umfasst eine Spindel 8 sowie eine Spindelmutter 9, wobei sowohl die Nockenwelle 2, die Spindel 8, die Spindelmutter 9 und der Verstellaktuator jeweils konzentrisch auf der Nockenwellenachse 4 angeordnet sind. Die Spindel 8 weist ein Spindelgewinde auf, auf das die Spindelmutter 9 aufgeschraubt ist, wobei die Spindelmutter 9 axial – und verdrehfest mit der Nockenwelle 2 in Verbindung steht. Rotiert die Nockenwelle 2 und damit die Spindelmutter 9 mit einer Drehzahl, welche von der Drehzahl der Spindel 8 abweicht, so bewirkt die Kopplung der Spindelmutter 9 mit der Spindel 8 über das Gewinde eine axiale Verstellung der Spindelmutter 9, wobei die axiale Verstellung in die Nockenwelle 2 übergeleitet wird. Die Differenz der Drehzahl der Spindel 8 zur Drehzahl der Spindelmutter 9 wird erzeugt, indem die Spindel 8 verdrehfest mit dem Rotorteil 7 verbunden ist, welcher innerhalb des Statorteils 6 rotiert. Wird über den Statorteil auf den Rotorteil 7 ein Drehmoment eingeleitet, so setzt sich das Drehmoment in die Spindel 8 fort, so dass die Verstellung bewirkt werden kann.
4 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Axialgetriebes 5, wobei gemäß dieses Ausführungsbeispiels die Spindel 8 axial- und verdrehfest mit der Nockenwelle 2 in Verbindung gebracht ist. Ferner ist die Spindelmutter 9 mit dem Rotorteil 7 axial- und verdrehfest verbunden, so dass insgesamt ein Rotationskörper 10 gebildet wird, welcher innerhalb des Statorteils 6 rotiert. Die axiale Verstellung der Nockenwelle 2 erfolgt auf gleiche Weise wie oben stehend bereits beschrieben. Daher kann in den Rotationskörper 10 mittels einer Bestromung des Statorteils 6 ein Drehmoment eingeleitet werden, so dass sich die Spindelmutter 9 auf dem Gewinde der Spindel 8 verstellt und die axiale Verstellung der Nockenwelle 2 hervorgerufen wird.
5 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel der Anordnung des Verstellaktuators relativ zur Nockenwelle 2. Während die Nockenwelle 2 um die Nockenwellenachse 4 rotiert, ist der Verstellaktuator mit dem Statorteil 6 und dem Rotorteil 7 auf einer Verstellerachse 11 angeordnet. Koaxial zur Anordnung des Statorteils 6 und des Rotorteils 7 ist ferner das Axialgetriebe, umfassend die Spindel 8 und die Spindelmutter 9 angeordnet. Die axiale Bewegung der Spindelmutter 9 wird mittels eines Übertragungsmittels 12 auf die Nockenwelle 2 übertragen. Ändert sich die Drehzahl der Spindel 8 gegenüber der Drehzahl der Spindelmutter 9, so verfährt diese auf der Spindel 8 in Richtung der Verstellerachse 11. Die axiale Verschiebung wird auf das Übertragungsmittel 12 übertragen, was durch einen Doppelpfeil angedeutet ist. Mit einer Lagerung sowohl in radialer als auch in axialer Richtung ist das Übertragungsmittel 12 mit der Nockenwelle 2 verbunden, so dass diese innerhalb des Übertragungsmittels 12 rotieren kann. Somit wird eine Anordnung der Verstellvorrichtung 1 geschaffen, wobei der Verstellaktuator nicht koaxial mit der Nockenwelle 2 angeordnet ist, was aus konstruktiven Gründen in Abhängigkeit vom Raumangebot zum Einbau des Verstellaktuators eine vorteilhafte Ausführungsform darstellen kann. Eine Zahnradstufe 16 dient zum Antrieb des aus der Spindel 8 und der Spindelmutter 9 gebildeten Axialgetriebes, sodass der Rotorteil 7 mitrotieren kann.
Die vorliegende Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht.

1: Verstellvorrichtung
2: Nockenwelle
3: Gehäuse
4: Nockenwellenachse
5: Axialgetriebe
6: Statorteil
7: Rotorteil
8: Spindel
9: Spindelmutter
10: Rotationskörper
11: Verstellerachse
12: Übertragungsmittel
13: Federelement
14: Nockenwellenantriebsrad
15: axialer Entkoppler
16: Zahnradstufe

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10330871 A1 [0007]
- DE 3536742 A1 [0009]
- US 6474281 B1 [0010]

Claims

Verstellvorrichtung (1) zur Verstellung einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine, welche um eine in einem Gehäuse (3) fest angeordnete Nockenwellenachse (4) rotiert und die Verstellung über einen Verstellweg in axialer Richtung entlag der Nockenwellenachse (4) erfolgt, wobei ein Verstellaktuator vorgesehen ist, mittels dessen die axiale Verstellung über ein Axialgetriebe (5) in die Nockenwelle (2) einleitbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellaktuator aus einem im Gehäuse (3) aufgenommenen Statorteil (6) und einem über das Axialgetriebe (5) mit der Nockenwelle (2) in Wirkverbindung gebrachten Rotorteil (7) gebildet ist, wobei der Rotorteil (7) im die Nockenwelle (2) nicht axial verstellenden Zustand synchron mit dieser rotiert, und wobei zur axialen Verstellung der Nockenwelle (2) mittels einer magnetischen Kraftkopplung vom Statorteil (6) auf den Rotorteil (7) in diesen ein Drehmoment einleitbar ist, sodass eine Differenz der Drehzahl des Rotorteils (7) relativ zur Drehzahl der Nockenwelle (2) erzeugbar ist, um mittels des Axialgetriebes (5) eine axiale Verstellung der Nockenwelle (2) zu schaffen.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorteil (6) hohlzylinderartig ausgebildet und koaxial zum Rotorteil (7) angeordnet ist und der Statorteil (6) den Rotorteil (7) radial um schließt, sodass der Verstellaktuator nach Art eines Radialflussmotors ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Statorteil (6) und der Rotorteil (7) scheibenartig ausgebildet und planparallel zueinander angeordnet sind, sodass der Verstellaktuator nach Art eines Axialflussmotors ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Axialgetriebe (5) in Gestalt eines Spindelgetriebes ausgebildet ist, wobei das Spindelgetriebe eine Spindel (8) umfasst, auf welcher eine Spindelmutter (9) verfahrbar ist.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindel (8) verdrehfest mit dem Rotorteil (7) und die Spindelmutter (9) axial- und/oder verdrehfest mit der Nockenwelle (2) verbunden ist.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellaktuator koaxial zur der Nockenwellenachse (4) angeordnet ist, wobei die Spindel (8) verdrehfest mit der Nockenwelle (2) verbunden ist und die Spindelmutter (9) mit dem Rotorteil (7) als ein Rotationskörper (10) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellaktuator, umfassend den Statorteil (6) und den Rotorteil (7) und die Spindel (8) sowie die auf dieser angeordnete Spindelmutter (9) auf einer Verstellerachse (11) konzentrisch zueinander angeordnet sind, und wobei die Verstellerachse (11) parallel beabstandet zur Nockenwellenachse (4) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Übertragung der Axialbewegung zwischen der Spindel (8) oder der Spindelmutter (9) und der Nockenwelle (2) ein Übertragungsmittel (12) vorgesehen ist.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur Schaffung einer Drehzahldifferenz zwischen der Drehbewegung des Rotorteils (7) und der Drehbewegung der Nockenwelle (2) in Abhängigkeit der gewünschten axialen Verstellrichtung der Nockenwelle (2) der Rotorteil (7) mittels der magnetischen Kraftkopplung durch den Statorteil (6) auf eine höhere oder eine niedrigere Drehzahl als die Nockenwellendrehzahl beschleunigbar oder verzögerbar ist.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der wenigstens aus dem Statorteil (6) und dem Rotorteil (7) gebildete Verstellaktuator nach Art eines bürstenlosen Gleichstrommotors, eines Walzen- eines Glocken- oder eines Scheibenläufermotors ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (2) mittels eines Federelementes (13) in axialer Richtung vorgespannt ist, um ohne Kraftbeaufschlagung mittels des Verstellaktuators die Nockenwelle (2) in eine definierte axiale Position zu bringen.
Verstellvorrichtung (1) nach einem der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung der Nockenwelle (2) einen Phasenversteller umfasst, der am gegenüberliegenden Ende zum Verstellaktuator an der Nockenwelle (2) angeordnet ist.