DE102012223398A1

DE102012223398A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102012223398A1
Application number: DE201210223398
Authority: DE
Inventors: Klaus Daut
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-12-17
Filing date: 2012-12-17
Publication date: 2014-06-18

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (1) mit einem Stator (2) und einem zum Stator (2) verdrehbaren Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine elektroaktive Polymerfolie (4) als Aktor aufweist, über welche eine Relativdrehung des Rotors (3) und des Stators (2) erfolgt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit einem Stator und einem zum Stator verdrehbaren Rotor.
Hintergrund der Erfindung
Nockenwellenversteller sind in den unterschiedlichsten Bauformen bekannt und verbreitet. Hierzu gehören die Flügelzellenversteller, die Axialkolbenversteller und die elektromotorisch betriebenen Versteller. Gattungsgemäße Nockenwellenversteller sind zwischen eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und eine beispielsweise Einlassventilen und/oder Auslassventilen zugeordnete Nockenwelle zwischengeschaltet, um die Drehwinkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zur Beeinflussung der Ladungszustände der Brennkraftmaschine zu beeinflussen. Hierzu besitzen bekannte Nockenwellenversteller ein Antriebselement, beispielsweise ein Antriebszahnrad, welches insbesondere über ein Zugmittel, wie einen Riemen oder eine Kette, in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle steht. Weiterhin besitzen die Nockenwellenversteller ein Abtriebselement, welches in Antriebsverbindung mit einer Nockenwelle steht, beispielsweise unter Zwischenschaltung einer getrieblichen Verbindung oder unter unmittelbarer Befestigung an der Nockenwelle. Eine Betätigung des Nockenwellenverstellers erfolgt über ein Stellaggregat mit einem Druckmittel, welches auf eine erste Wirkfläche sowie eine zweite Wirkfläche des Stellaggregates wirkt, wodurch Kräfte und Bewegungen zwischen Antriebselement und Antriebselement hervorgerufen werden.
Nach Maßgabe der Veränderung des Abstandes der Wirkflächen ist die relative Winkellage zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement veränderbar. Für Nockenwellenversteller in Axialkolbenbauweise bedeutet dies, dass die Wirkflächen, bspw. eine Kolbenfläche und eine Begrenzung eines Druckraumes, axial gegeneinander verschoben werden. Für einen Nockenwellenversteller in Flügelzellenbauweise bedeutet dies hingegen, dass eine Wirkfläche eines Flügels, welcher dem Antriebs- oder Abtriebselement zugeordnet ist, in Umfangsrichtung gegenüber einer die gebildeten Druckräume begrenzenden Fläche des anderen von dem Antriebselement oder Abtriebselement verschoben wird.
Derartige Nockenwellenversteller erfordern einen erhöhten Aufwand für die Ausbildung der Druckräume, die mit relativ zueinander bewegten begrenzenden Bauteilen ein veränderliches Volumen aufweisen müssen und im Kontaktbereich der relativ zueinander bewegten Bauteile abgedichtet sein müssen. Dies bedingt beispielsweise viele Präzisionsteile, was mit hohen Herstellungskosten verbunden ist. Weiterhin stellt diese Anforderung eine Begrenzung für Gewichtsoptimierungsmöglichkeiten dar. Unter Umständen ist eine letzte Abdichtung der Druckräume und des gesamten Nockenwellenverstellers erst mit der Montage an der Nockenwelle oder einem Zylinderkopf, erforderlich. Darüber hinaus stellen die bekannten Lösungen für Nockenwellenversteller Einschränkungen hinsichtlich der Bauraumgestaltungen dar, insbesondere infolge der Gestaltung der Kolben, der Druckräume und der die Druckräume begrenzenden Flächen.
Wenn im Falle eines elektrischen Nockenwellenverstellers der Motor eine Relativbewegung zur Nockenwelle herstellen muss, ist es notwendig, dass der Motor immer die Drehzahl der Nockenwelle überlagern muss. Dies stellt einen hohen Rechenaufwand und Verschwendung dar. Wenn der Nockenwellenversteller jetzt nicht verstellt werden muss, muss der Motor trotzdem die Nockenwellendrehzahl mitgehen. Im Falle einer Störung am Eingangsmotor steht das ganze System. Dadurch dass der Motor immer mitlaufen muss, benötigt das System viel Energie.
Bei Flügelzellenverstellern und Axialkolbenverstellern findet Öl als Aktor Verwendung. Das Öl muss gereinigt und in einem gewissen Druckfenster zur Verfügung gestellt werden. Ferner benötigt man noch ein Ventil zur Ansteuerung. Dies alles ist kostenintensiv.
Aus der Druckschrift DE 10 2005 010 712 A1 ist der Einsatz eines druckmittelbetätigten Muskels für einen Nockenwellenversteller bekannt.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Erfindungsgemäß wird die Einfachheit eines Flügelzellenverstellers in Kombination mit der Vollvariabilität, die eine elektrische Ansteuerung bietet, genutzt. Hierzu ist es notwendig, dass in den Kammern der Flügelzelle ein Material untergebracht wird, das es ermöglicht, dass sich der Hohlraum in der Kammer ausdehnt und somit den Rotor zum Stator verdreht. Dadurch wird eine Relativbewegung zur Nockenwelle herstellt.
Somit ist gemäß der Erfindung der Einsatz von sogenannten elektroaktive Polymerfolien, nachfolgend mit EAP-Folien bezeichnet, vorgesehen. Diese haben in der Mitte eine gelochte Elektrode, welche bestromt werden kann. Die EAP-Folie kann sie sich unter Bestromung zusammenziehen oder auseinander gedrückt werden. Der Nockenwellenversteller weist zumindest eine EAP-Folie auf.
Wird mehr Kraft für die Verstellung durch den Nockenwellenversteller benötigt, so kann die Mischung der Folie verändert, bzw. in der Stärke angepasst werden.
Um den Stellweg des Nockenwellenverstellers zu vergrößern, werden mehrere EAP-Folien gestapelt angeordnet. Bei Bestromung aller EAP-Folien vollzieht jedes dieser EAP-Folien einen für sich genommenen geringen Weg, welcher sich jedoch durch die gestapelte, einer Reihenschaltung ähnlichen, Anordnung der EAP-Folien zum gewünschten Stellweg addiert. Vorteilhafterweise lassen sich so verschiedene Stellwege durch die unterschiedliche Gesamtanzahl von EAP-Folien im Stapel ausbilden.
Alternativ kann ein bereits vorhandener Stapel von EAP-Folien vorhanden sein, wobei nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien bestromt wird. Dadurch fährt auch nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien einen Stellweg, welcher geringer ist als der maximal mögliche Stellweg. Vorteilhafterweise ist so ein vordefinierter Stapel von EAP-Folien für unterschiedlich große Stellwege einsetzbar.
Im Gegensatz zu einem Piezostack generieren EAP-Folien einen Weg von ca. 300% ihrer Bauhöhe bei Bestromung.
Eine Befestigung im Außenbereich des Verbrennungsmotors ist einfach umsetzbar, da nicht auf Öldichtheitsanforderungen geachtet werden muss. Der Nockenwellenversteller ist einfach elektrisch ansteuerbar, da er keinen Motor und kein Getriebe erfordert.
An die Front wird noch ein kleiner Mikrocontroller angeflanscht.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:
1 einen Nockenwellenversteller mit einem EAP-Folienstack im Querschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
Die Figur zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Der Stator 2 ist außenliegend angeordnet und weist nach innen gerichtete Vorsprünge 9 auf, die in Kontakt mit dem Rotor 3 stehen. Zwischen den Vorsprüngen sind Kammern 6 ausgebildet, in die sich Flügel 7 des Rotors 3 erstrecken (vorliegend nur ein Flügel 7 dargestellt). Der gezeichnete Rotor 3 hat der Einfachheit halber nur einen Flügel 7. Er kann auch zwei drei oder mehr Flügel 7 haben. Dies kommt ganz auf den Verstellwinkel und die benötigte Verstellkraft an. Dieser Flügel 7 wird bei Bestromung von einem elektroaktiven Polymer Aktor 4 gegen den Uhrzeigersinn gedrückt. Wird die Feldstärke reduziert zieht sich der Aktor zusammen und die Rückstellfeder 5 drückt den Flügel 7 wieder zurück nach rechts. Dies kann aber auch ein zweiter Aktor anstelle der Feder 7 übernehmen. Hier bieten sich alle gestalterischen Freiheiten.
Da der zentrale Bereich in der Bohrung nicht zur Ölverteilung genutzt wird, kann der ganze Nockenwellenversteller 1 deutlich verkleinert werden.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Stator
3: Rotor
4: elektroaktive Poymerfolie
5: Feder
6: Kammer
7: Flügel
8: Stapel
9: Vorsprung

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 102005010712 A1 [0007]

Claims

Nockenwellenversteller (1) mit einem Stator (2) und einem zum Stator (2) verdrehbaren Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine elektroaktive Polymerfolie (4) als Aktor aufweist, über welche eine Relativdrehung des Rotors (3) und des Stators (2) erfolgt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine Feder (5) aufweist, wobei die elektroaktive Polymerfolie (4) während der Relativdrehung die Feder (5) zur Rückstellung vorspannt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und der Rotor (3) ein Kammersystem in Flügelzellenbauweise bilden, wobei die elektroaktive Polymerfolie in einer oder mehreren Kammern (6) angeordnet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) zwei elektroaktive Polymerfolien (4) aufweist, die durch einen Flügel (7) des Rotors (3) voneinander getrennt sind, wobei die elektroaktiven Polymerfolien (4) die Verstellung in beide Verstellrichtungen bewirken.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroaktiven Polymerfolien (4) mittig eine gelochte Elektrode zur Bestromung aufweisen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als ein Stapel (8) elektroaktiver Polymerfolien (4) ausgebildet ist.