DE102007019923A1 - Nockenwellenverstellsystem - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem mit einem Nockenwellenversteller und mit einem Aktor zur Ansteuerung eines Zentralventils.
- Hintergrund der Erfindung
- Ein derartiges Nockenwellenverstellsystem dient üblicherweise zur Drehwinkelverstellung und Verriegelung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, insbesondere eines Kraftfahrzeugs, gegenüber einer Kurbelwelle. Diese ist über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette mit einem Nockenwellenversteller gekoppelt, der seinerseits über Druckkammern zwischen einem kurbelseitigen Antriebsteil und einem nockenwellenseitigen Abtriebsteil mit der Nockenwelle gekoppelt ist. Zur Drehwinkelverstellung dient ein Zentralventil, über welches die Druckkammern des Nockenwellenverstellers gezielt mit einem Druckmittel, üblicherweise mit Hydrauliköl, beaufschlagt werden. Die Funktionsweise und der Aufbau eines derartigen Nockenwellenverstellers ist beispielsweise in der
DE 10 2004 038 160 A1 beschrieben. - Die Ansteuerung des Zentralventils erfolgt über einen an sich beispielsweise aus der
DE 102 11 467 A1 bekannten, dort als Proportionalmagnet bezeichneten Elektromagnet, dessen Magnetanker über einen Stößel (Stößelstange) einen Steuerkolben des Zentralventils axial verschiebt. - Um die Lage der Nockenwelle zu erfassen, ist es aus der
DE 101 48 059 A1 bekannt, bei einer Nockenwellenverstellvorrichtung einen Sensor und einen Aktuator in Form eines Hubmagneten zur Verstellung der Nockenwelle vorzusehen. Bei dieser bekannten Nockenwellenverstellvorrichtung sind die Sensoreinheit und die Aktuatoreinheit auf einer gemeinsamen Trägereinheit vormontiert und das derart zusammengefasste Modul kann an einer Brennkraftmaschine montiert werden. Die oder jede Sensoreinheit sowie die oder jede Aktuatoreinheit sind dabei als getrennte Bauteile mit separaten Steckern ausgeführt, über die diese einzelnen Funktionseinheiten mit einer Steuereinheit der Brennkraftmaschine verbindbar sind. Die Trägereinheit dient insbesondere als Deckel der Brennkraftmaschine und verschließt hierzu einen Innenraum an einer Durchgangsöffnung nach außen. - Bei einer speziellen Ausführungsform der bekannten Nockenwellenverstellvorrichtung sind zwei Sensoreinheiten und zwei Aktuatoreinheiten auf einer gemeinsamen Trägereinheit befestigt. Eine zusätzliche Versorgungseinheit umfasst eine als Zentralstecker ausgebildete Schnittstelle, mit der die einzelnen Stecker der Sensoreinheiten einerseits und diejenigen der Aktuatoreinheiten andererseits verbindbar sind. Aufgrund der Bereitstellung der Trägereinheit zur Vormontage der Sensoreinheiten und der Aktuatoreinheiten andererseits sowie infolge der Bereitstellung einer zusätzlichen plattenförmigen Versorgungseinheit mit einem Zentralstecker als Schnittstelle für die Einzelstecker der Sensor- und Aktuatoreinheiten sind zusätzlich zu einem nicht unerheblichen Montageaufwand ein unerwünscht hoher Raumbedarf erforderlich.
- Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein möglichst raumsparendes Nockenwellenverstellsystem anzugeben.
- Lösung der Aufgabe
- Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen, Weiterbildungen und Varianten sind Gegenstand der hierauf rückbezogenen Unteransprüche.
- Demnach ist ein Nockenwellenverstellsystem mit einem Nockenwellenversteller und mit einem Sensor vorgesehen, der zumindest teilweise integrales Strukturteil des Zentralgehäuses eines Zentralmagneten als Aktor zur Ansteuerung des Zentralventils ist. Der Sensor ist somit struktureller Bestandteil des Zentralgehäuses des Zentralmagneten, d. h. vorzugsweise derart vollständig oder teilweise in das Zentralgehäuse integriert und mit diesem gehäusefest verbunden, dass der Sensor praktisch nicht zerstörungsfrei vom Zentralmagneten bzw. dessen Gehäuse demontierbar ist. Ein Triggerrad dient als Signalgeber für den Sensor zur Drehzahl-, Drehwinkel- und/oder Positionserfassung der Nockenwelle.
- Die Erfindung geht von der Überlegung aus, die verschiedenen Komponenten, die durch die Funktionen der Ventilsteuerung einerseits und diejenigen der Positionserfassung andererseits bestimmt sind, in einem Bauteil derart zusammenzufassen, dass dieses bei gleichzeitig hoher Funktionalität besonders platzsparend ist. Hierzu ist erfindungsgemäß für die Funktionalitäten sowohl des Zentralmagneten als auch des Sensors ein gemeinsames Strukturgehäuse geschaffen. Dieses wiederum kann ein zur Aufnahme der Sensorfunktionalität entsprechend vergrößertes Zentralgehäuse mit integrierter Sensorstruktur oder ein vergleichsweise kleines Zentralgehäuse mit separater Sensorstruktur sein, d. h. der Sensor ist separates oder integrales Strukturteil des Zentralgehäuses des Zentralmagneten.
- Die Integration des Sensors in den Zentralmagneten ermöglicht auch gegenüber dem aus der
DE 101 48 059 A1 bekannten Nockenwellenverstellsystem, bei dem die Aktuatoren und die Sensoren an einer gemeinsamen Trägerplatte montiert sind, eine erhebliche Reduzierung des Bauraumes für den Sensor. Zudem ermöglicht die unmittelbare strukturelle Zuordnung des Sensors zum Zentralmagneten die Einsparung eines zusätzlichen Anschlusssteckers für den Sensor, da dessen Versorgungs- und Signalanschlüsse bevorzugt in den bereits vorhandenen elektrischen Anschluss des Zentralmagneten integriert sind. - Vorteilhafterweise ist zur Erfassung der Position der Nockenwelle ein Hall-Sensor vorgesehen. Mittels eines Hall-Sensors kann die lokale Stärke eines Magnetfeldes ermittelt werden. Hierzu werden die Ladungsträger eines elektrischen Stroms in einem Leiterband durch das Magnetfeld transversal zur Stromrichtung und zu dem Magnetfeld abgelenkt, da auf bewegte Ladungsträger in einem Magnetfeld eine Lorentzkraft einwirkt, die proportional zur Geschwindigkeit der Ladungsträger und zur einwirkenden magnetischen Flußdichte ist. Der durch die Ablenkung der Ladungsträger entstehenden Inhomogenität der Ladungsverteilung wirkt die sogenannte Hall-Spannung entgegen, bis ein Gleichgewicht wieder hergestellt ist. Die erzeugte Hall-Spannung ist proportional zu der magnetischen Flußdichte. Wird daher in Abhängigkeit des Drehwinkels der Nockenwelle ein variables Magnetfeld vorgegeben, so kann aus der ermittelten Hall-Spannung auf den Drehwinkel sowie auf die Drehzahl und/oder die Position der Nockenwelle geschlossen werden.
- Vorteilsmäßigerweise umfasst der Sensor ein Hall-Element oder Hall-IC sowie einen Permanentmagneten zur Bereitstellung einer zeitlich homogenen magnetischen Flußdichte, der das Hall-Element ausgesetzt ist. Die drehwinkelabhängige Veränderung des Magnetfeldes beruht dabei auf einer Beeinflussung des Feldes durch lokale Elemente des Triggerrades. Bevorzugterweise ist das Triggerrad hierzu mit lokalen Zähnen bzw. Zahnlücken zur drehpositionsabhängigen Beeinflussung der magnetischen Flußdichte des Permanentmagneten ausgebildet. Hierbei wird das von dem Permanentmagneten des Sensors bereitge stellte Magnetfeld im Bereich des Hall-Elementes durch Streuung an den Zähnen drehwinkelabhängig periodisch verändert. Beispielsweise durch die Definition eines Referenz- oder Startpunktes kann somit die Lage der Nockenwelle anwendungsabhängig hinreichend genau ermittelt werden.
- Zweckmäßigerweise sind die Zähne des Triggerrades derart zur zentralen Dreh- oder Längsachse axial angeordnet, dass die Zähne das Strukturgehäuse, d. h. das Zentralgehäuse des Zentralmagneten mit integriertem Sensor zumindest auf einem Teilabschnitt des Gehäuses konzentrisch umgreifen. Alternativ können die Zähne auch innerhalb der Rotationsebene des Triggerrades ausgebildet sein. Stets ist der Hall-Sensor dabei derart ausgebildet und angeordnet, dass das Hall-Element im Wesentlichen zwischen den Zähnen des Triggerrades und dem Permanentmagneten liegt, da in diesem Bereich die Veränderung des Magnetfeldes des Permanentmagneten stärker ist als in marginalen Bereichen.
- Der für den Zentralmagneten und für den Sensor gemeinsame Kontaktanschluss ist zweckmäßigerweise auf eine für die Funktionalität des Zentralmagneten und die Funktionalität des Sensors notwendige Anzahl von Anschlussgins oder Anschlusssteckern bzw. -buchsen begrenzt. Dadurch ist ein besonders einfacher und zeitsparender Anschluss dieser Funktionalitäten in einem Nockenwellenverstellsystem mittels einer einzelnen Steckverbindung ermöglicht. Hierzu ist eine bereits zum Anschluss des Zentralmagneten vorhandene Zuführungstülle für den gemeinsamen Kontaktanschluss besonders geeignet. Diese Zuführungstülle ist vorteilhafterweise auf der dem Triggerrad abgewandten Flanschseite eines Anschlussflansches des Zentralmagneten angeordnet und bildet die negative Passform eines Stecker- oder Buchseanschlusses, der die Kontakte sowohl für den Zentralmagneten als auch für den Sensor umfasst.
- Kurze Beschreibung der Zeichnung
- Nachfolgend werden Anwendungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Darin zeigen:
-
1 in einem Längsschnitt ein Nockenwellenverstellsystem mit einem Zentralmagneten und mit einem magnetfeldsensitiven Sensor als teilweise separate Strukturkomponente eines Zentralgehäuses des Zentralmagneten sowie mit einem axial orientierten Triggerrad als Signalgeber, -
2 das Nockenwellenverstellsystem gemäß1 in perspektivischer Darstellung, -
3 in perspektivischer Darstellung den Zentralmagneten mit dem Sensor als Strukturkomponente, -
4 in einem Längsschnitt ein Nockenwellenverstellsystem gemäß1 mit in das Zentralgehäuse vollständig integrierter Sensorstruktur, -
5 das Nockenwellenverstellsystem gemäß4 in perspektivischer Darstellung, -
6 ein Nockenwellenverstellsystem gemäß1 mit dem Sensor als teilweise separate Strukturkomponente des Zentralgehäuses und mit radial orientiertem Triggerrad, -
7 das Nockenwellenverstellsystem gemäß6 in einer Seitenansicht, -
8 ein Nockenwellenverstellsystem gemäß6 mit in das Zentralgehäuse integrierter Sensorstruktur, und -
9 das Nockenwellenverstellsystem gemäß8 in perspektivischer Darstellung. - Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
- Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
- Das in den Figuren dargestellte Nockenwellenverstellsystem
1 umfasst einen mit einer Nockenwelle2 verbundenen Nockenwellenversteller3 sowie einen elektrischen Zentralmagnet4 . Der Nockenwellenversteller3 wirkt in nicht näher dargestellter Art und Weise über dessen mit einer Außenverzahnung5 versehenes antriebsseitiges Antriebsteil oder Kettenrad6 und eine Antriebskette mit einer Kurbelwelle eine Kraftfahrzeugs zusammen und dient zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage oder des Drehwinkels der Nockenwelle2 gegenüber der Kurbelwelle. Abtriebsseitig ist der Nockenwellenversteller3 mit der Nockenwelle2 über ein Abtriebsteil7 drehfest verbunden, das mit dem Antriebsteil oder -rad6 gekoppelt ist. - Der als Hubmagnet wirksame Zentralmagnet
4 weist innerhalb eines Zentralgehäuses8 eine Spulenwicklung9 und einen axial beweglichen Magnetanker10 auf, der in Folge einer Ansteuerung des Zentralmagneten4 mit einer entsprechenden Bestromung dessen Spulenwicklung9 über einen Stößel11 einen Steuerkolben12 eines Zentralventils13 in Richtung der Längsachse14 gegen die Rückstellkraft einer Druckfeder15 axial verschiebt. Über entsprechend gesteuert miteinander kommunizierende Radialöffnungen16 zwischen dem Steuerkolben12 und einem Ventilgehäuse17 des Zentralventils13 kann ein fluides Druckmittel, insbesondere Hydrauliköl, in zwischen dem Abtriebssteil7 und dem Antriebsteil6 gebildete Druckkammern des Nockenwellenverstellers3 gezielt eingebracht und die gewünschte Drehwinkeleinstellung und damit Relativerstellung zwischen der Nockenwelle2 und der Kurbelwelle vorgenommen werden. - Zwischen dem Zentralmagnet
4 und dem Nockenversteller3 ist auf die Nockenwelle2 – oder auf einen dieser zugeordneten Verlängerungsabschnitt – ein Triggerrad18 nockenwellenfest aufgesetzt, das als Signalgeber für einen Sensor19 dient. Hierzu weist das Triggerrad18 eine Anzahl von umfangsseitig verteilt angeordneten Zähnen22 auf. Der magnetfeldsensitive, d. h. magnetosensitive oder magnetoresistive Sensor19 ist zweckmäßigerweise ein Hall-Sensor mit einem Hall-Element oder Hall-IC20 und mit einem Permanentmagneten21 , dessen zeithomogenes Feld das Hall-Element20 durchsetzt. - Bei den Ausführungsvarianten nach den
1 und2 sowie4 und5 erstrecken sich die Zähne22 des Triggerrades18 bezogen auf die Längsachse14 axial und umgreifen den Zentralmagneten4 gehäuseaußenseitig. Der Innendurchmesser des Triggerrades18 zwischen zwei sich diametral gegenüberlie genden Zähnen22 ist dabei derart gewählt, dass das Triggerrad18 den Sensor19 und das konzentrisch angeordnete Zentralgehäuse8 des Zentralmagneten4 mit radialem Spiel koaxial umgibt. Mit Ausnahme eines Referenzzahnes22' (9 ) für eine definierte Ausgangs- oder Referenzposition des Triggerrades18 weisen die übrigen Zähne22 des Triggerrades18 die gleiche Formgebung auf und sind an der Peripherie des Triggerrades18 gleichmäßig zueinander beabstandet. Der Sensor19 ist hierbei für einen radialen Abgriff ausgebildet und angeordnet, indem das Hall-Element20 des sich ebenfalls axial in Längsrichtung14 erstreckenden Sensors19 zwischen den Zähnen22 und dem Permanentmagneten21 positioniert ist. In diesem Bereich ist die Veränderung des Magnetfeldes maximal. - Bei den Ausführungsvarianten nach den
6 bis9 erstrecken sich die Zähne22 des Triggerrades18 bezogen auf die Längsachse14 radial. Der Sensor19 ist hierbei für einen axialen Abgriff ausgebildet und angeordnet, indem das Hall-Element20 des sich ebenfalls axial in Längsrichtung14 erstreckenden Sensors19 an der dem Triggerrad18 zugewandten Stirnseite des Sensors19 und dabei wiederum zwischen dem Permanentmagneten21 und dem Triggerrad18 angeordnet ist. Durch diese Anordnung des Hall-Elementes20 ist die vom Sensor19 detektierbare Veränderung des Magnetfeldes wiederum maximal. - Im stromdurchflossenen Hall-Element
20 wird eine zur dieses durchsetzenden magnetischen Flußdichte und zur Stromstärke proportionale Hall-Spannung erzeugt. Wenn bei einer Rotation der Nockenwelle2 und hiermit synchron bei einer Drehbewegung des Triggerrades18 sich dessen Zähne22 am Sensor19 vorbei bewegen, resultiert aus der Änderung der magnetischen Flußdichte ein insbesondere digitales Sensorsignal mit zur Anzahl der Zähne22 – bzw. der dazwischen liegenden (nicht näher bezeichneten) Nuten oder Lücken – proportionalen Pulsfolgen in Form von alternierenden High- und Low-Pegeln. Aus dem zeitlichen Profilverlauf der meßbaren Hall-Spannung lässt sich daher die Position oder der Drehwinkel des Triggerrades19 und somit die Position bzw. der Drehwinkel der Nockenwelle2 bestimmen. - Der Sensor
19 kann sowohl bei dessen Ausbildung für einen radialen Abgriff gemäß den1 ,2 ,4 und5 als auch bei dessen Ausbildung für einen axialen Abgriff gemäß den6 bis9 teilweise separates Strukturteil – wie vergleichsweise deutlich aus3 ersichtlich ist – oder vollständig integrales Strukturteil des Zentralgehäuses8 des Zentralmagneten4 sein. So ist bei den Ausführungsformen nach den1 ,2 ,6 und7 der Sensor19 als Strukturteil unter Ausbildung eines schmalen Axialspaltes zu einem zylinderförmigen, dem Triggerrad18 zugewandten Gehäuseabschnitt8a des Zentralmagneten4 an das Zentralgehäuse8 angesetzt, während bei den Ausführungsformen nach den4 ,5 ,8 und9 der Sensor19 als Strukturteil in das Zentralgehäuse8 des Zentralmagneten4 integriert ist. - Bei allen Ausführungsformen ist der Sensor
19 mit dessen dem Triggerad18 abgewandten Anschlussseite23 durch einen Anschlussflansch8b des Zentralmagneten4 hindurch an eine Anschlusstülle24 geführt. Diese Anschlussseite23 des Sensors19 ist als einteiliges, angeformtes Gehäuseteil mit dem Zentralgehäuse8a verbunden, so dass der Sensor19 gehäusefester Bestandteil des Zentralmagneten4 bzw. dessen Zentralgehäuses8a ist. Während sich – bezogen auf die Längsrichtung14 – der Sensor19 axial entlang des Zentralgehäuses8a des Zentralmagneten4 erstreckt, verläuft die ebenfalls gehäusefeste Anschlusstülle24 radial. - Die Anschlusstülle
24 ist für einen gemeinsamen elektrischen Kontaktanschluss sowohl des Zentralmagneten4 als auch des Sensors19 eingerichtet und enthält eine Anzahl von Anschlussgins oder -stiften25 , beispielsweise einen Anschlussstift für die Spulenwicklung9 des Zentralmagneten4 und zwei oder drei weitere Anschlussstifte für die Versorgungsspannung und den Signalabgriff des Sensors19 . -
- 1
- Nockenwellenverstellsystem
- 2
- Nockenwelle
- 3
- Nockenwellenversteller
- 4
- Zentralmagnet
- 5
- Außenverzahnung
- 6
- Antriebsrad
- 7
- Abtreibsteil
- 8
- Zentralgehäuse
- 8a
- Gehäuseabschnitt
- 8b
- Anschlussflansch
- 9
- Spulenwicklung
- 10
- Magnetanker
- 11
- Stößel
- 12
- Steuerkolben
- 13
- Zentralventil
- 14
- Längsrichtung
- 15
- Druckfeder
- 16
- Radialöffnung
- 17
- Ventilgehäuse
- 18
- Triggerrad
- 19
- Sensor
- 20
- Hall-Element/-IC
- 21
- Permanentmagnet
- 22
- Zahn
- 22'
- Referenzzahn
- 23
- Anschlussseite
- 24
- Anschlusstülle
- 25
- Anschlusspin/-stift
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - DE 102004038160 A1 [0002]
- - DE 10211467 A1 [0003]
- - DE 10148059 A1 [0004, 0010]
Claims (12)
- Nockenwellenverstellsystem (
1 ) mit einem Nockenwellenversteller (3 ) und mit einem Zentralmagneten (4 ) als Aktor zur Ansteuerung eines Zentralventils (13 ), – wobei ein Triggerrad (18 ) als Signalgeber für einen Sensor (19 ) zur Erfassung der Position der Nockenwelle (2 ) vorgesehen ist, und – wobei der Sensor (19 ) zumindest teilweise integrales Strukturteil eines Zentralgehäuses (8a ) des Zentralmagneten (4 ) ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach Anspruch 1, wobei der Sensor (19 ) gehäusefester Bestandteil des Zentralgehäuses (8a ) des Zentralmagneten (4 ) ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Sensor (19 ) ein Hall-Element (20 ) sowie einen Permanentmagneten (21 ) zur Bereitstellung einer zeitlich homogenen magnetischen Flußdichte umfasst, der das Hall-Element (20 ) ausgesetzt ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Sensor (19 ) mit dessen dem Triggerrad (18 ) abgewandten Anschlussseite (23 ) in eine Anschlusstülle (24 ) mit Anschlussstiften (25 ) sowohl für den Zentralmagnet (4 ) als auch für den Sensor (19 ) geführt ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei dem das Zentralgehäuse (8a ) des Zentralmagneten (4 ) einen Anschlussflansch (8b ) und einen sich daran auf der dem Triggerrad (18 ) zugewandten Flanschseite anschließenden, vorzugsweise zylindrischen, Gehäuseabschnitt (8a ) aufweist, an bzw. in dem der Sensor (19 ) angeordnet ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei der Sensor (19 ) eine an das Zentralgehäuse (8a ) des Zentralmagneten (4 ) angeformte Anschlussseite (23 ) aufweist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach Anspruch 6, wobei sich die gehäusefeste Anschlussseite (23 ) des Sensors (19 ) durch den Anschlussflansch (8b ) hindurch in die auf der dem Gehäuseabschnitt (8a ) abgewandeten Flanschseite des Anschlussflansches (8b ) angeordnete Anschlusstülle (24 ) erstreckt. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 4 bis 7, bei dem sich – bezogen auf die Längsrichtung (14 ) – der Sensor (19 ) axial entlang des Zentralgehäuses (8a ) und die Anschlusstülle (24 ) radial erstrecken. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei das Triggerrad (18 ) eine Anzahl von sich radial oder axial erstreckenden Zähnen (22 ,22' ) aufweist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Sensor (19 ) für einen axialen bzw. radialen Abgriff am Triggerrad (18 ) ausgebildet ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach Anspruch 9 oder 10, wobei das Hall-Element (20 ) zwischen dem Permanentmagnet (21 ) des Sensors (19 ) und den Zähnen (22 ,22' ) des Triggerrades (18 ) angeordnet ist. - Nockenwellenverstellsystem (
1 ) nach Anspruch 9 bis 11, wobei die Zähne (22 ,22' ) des Triggerrades (18 ) derart zur zentralen Längsachse (14 ) ausgerichtet sind, dass die Zähne (22 ,22' ) das Zentralgehäuse (8 ) mit dem Sensor (19 ) zumindest teilweise konzentrisch umgreifen.
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