DE102022106369A1

DE102022106369A1 - Camshaft adjuster, rotary actuator and method for actuating a camshaft adjuster

Info

Publication number: DE102022106369A1
Application number: DE102022106369.0A
Authority: DE
Inventors: Juergen Weber; Resat Aras
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-03-18
Filing date: 2022-03-18
Publication date: 2023-09-21

Abstract

Eine Phasenrelation zwischen der Nockenwelle (3) und der Kurbelwelle (2) eines Verbrennungsmotors (1) wird durch Erfassung eines auf ein Element (6, 17, 19) des Nockenwellenverstellers (5) wirkendes Drehmoment detektiert. In analoger Weise ist allgemein die Winkelrelation zwischen zwei relativ zueinander verschwenkbaren, über ein Stellgetriebe (12), insbesondere Wellgetriebe, miteinander gekoppelten Elementen (6, 19) der Robotik erfassbar, indem ein in dem Stellgetriebe (12) wirkendes Drehmoment gemessen wird.A phase relationship between the camshaft (3) and the crankshaft (2) of an internal combustion engine (1) is detected by detecting a torque acting on an element (6, 17, 19) of the camshaft adjuster (5). In an analogous manner, the angular relationship between two elements (6, 19) of the robotics that can be pivoted relative to one another and are coupled to one another via an actuating gear (12), in particular a wave gear, can generally be detected by measuring a torque acting in the actuating gear (12).

Description

Die Erfindung betrifft einen zur Verwendung in einem als Hubkolbenmotor ausgebildeten Verbrennungsmotor vorgesehenen Nockenwellenversteller. Weiterhin betrifft die Erfindung einen zur Verwendung in der Robotik geeigneten Drehaktuator. Ferner betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers.The invention relates to a camshaft adjuster intended for use in an internal combustion engine designed as a reciprocating piston engine. The invention further relates to a rotary actuator suitable for use in robotics. The invention further relates to a method for actuating a camshaft adjuster.

Ein in der DE 10 2016 218 192 B3 offenbarter Nockenwellenversteller umfasst einen Elektromotor und ein mit diesem zusammenwirkendes Getriebe, wobei eine Verstellwelle des Getriebes mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt ist. Das Getriebe, das heißt Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers ist als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, ausgebildet. Eine Abtriebswelle des Getriebes ist mit der zu verstellenden Nockenwelle gekoppelt. Zur Ansteuerung des Elektromotors ist eine außerhalb eines den Stator des Elektromotors umschließenden Gehäuses des Elektromotors angeordnete, sensorlose Ansteuereinheit vorgesehen. Diese Ansteuereinheit ist zur Durchführung zweier verschiedener Betriebsmodi in unterschiedlichen Drehzahlbereichen des Elektromotors ausgebildet. Hierbei ist in einem unteren Drehzahlbereich ein impulsbasierter Modus und in einem oberen Drehzahlbereich ein gegenspannungsbasierter Modus vorgesehen.An Indian DE 10 2016 218 192 B3 disclosed camshaft adjuster comprises an electric motor and a gearbox that interacts with it, an adjusting shaft of the gearbox being coupled to the rotor of the electric motor. The gear, that is to say the adjusting gear of the camshaft adjuster, is designed as a three-shaft gear, namely wave gear. An output shaft of the transmission is coupled to the camshaft to be adjusted. To control the electric motor, a sensorless control unit is provided which is arranged outside of a housing of the electric motor that encloses the stator of the electric motor. This control unit is designed to carry out two different operating modes in different speed ranges of the electric motor. A pulse-based mode is provided in a lower speed range and a counter-voltage-based mode in an upper speed range.

Die DE 103 30 872 B4 hat ein Verfahren zum Bestimmen des Verdrehwinkels einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zum Gegenstand und ist ebenfalls zur Anwendung bei einem elektromechanischen Nockenwellenversteller, welcher mit einem Dreiwellengetriebe als Stellgetriebe arbeitet, vorgesehen. Im Rahmen dieses Verfahrens kommen drei Hall-Sensoren zum Einsatz, welche den drei Phasen des Stators des Elektromotors, nämlich BLDC-Motors, des Nockenwellenverstellers zugeordnet sind. Unter zusätzlicher Verwendung von Signalen eines Kurbelwellentriggerrades ist der Verdrehwinkel zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors berechenbar.The DE 103 30 872 B4 The subject is a method for determining the angle of rotation of a camshaft relative to the crankshaft of an internal combustion engine and is also intended for use in an electromechanical camshaft adjuster, which works with a three-shaft gear as an actuating gear. As part of this process, three Hall sensors are used, which are assigned to the three phases of the stator of the electric motor, namely the BLDC motor, of the camshaft adjuster. By additionally using signals from a crankshaft trigger wheel, the angle of rotation between the camshaft and the crankshaft of the internal combustion engine can be calculated.

Eine weitere Nockenwellenverstellvorrichtung ist in der DE 10 2013 220 220 B4 beschrieben. Hierbei wird besonders auf die Schmiermittelversorgung eines Verstellgetriebes eingegangen. Auch in diesem Fall handelt es sich bei dem Verstellgetriebe um ein Wellgetriebe.Another camshaft adjustment device is in the DE 10 2013 220 220 B4 described. Particular attention will be paid to the lubricant supply to an adjustment gear. In this case too, the adjustment gear is a wave gear.

Die DE 10 2014 202 060 A1 beschreibt einen Nockenwellenversteller, welcher Rastierstellungen einer Ausgangswelle aufweist. Ein Aktuator des Nockenwellenverstellers ist hierbei dazu ausgelegt, eine Verstellwelle unter Überwindung eines von deren Winkelstellung abhängigen Drehmoments anzutreiben.The DE 10 2014 202 060 A1 describes a camshaft adjuster which has locking positions of an output shaft. An actuator of the camshaft adjuster is designed to drive an adjusting shaft while overcoming a torque that depends on its angular position.

Ein in der DE 10 2016 216 594 B3 beschriebener Nockenwellenversteller weist eine Verdrehsicherung auf, die insbesondere als Sicherung beim Transport des Nockenwellenverstellers nutzbar ist. Ferner weist der Nockenwellenversteller nach der DE 10 2016 216 594 B3 eine Drehfeder auf, die in der Lage ist, das Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers selbsttätig in eine Extremposition zu verstellen.An Indian DE 10 2016 216 594 B3 The camshaft adjuster described has an anti-rotation device, which can be used in particular as a safeguard when transporting the camshaft adjuster. Furthermore, the camshaft adjuster points to the DE 10 2016 216 594 B3 a torsion spring that is able to automatically adjust the actuating gear of the camshaft adjuster to an extreme position.

Die EP 3 530 414 A1 offenbart einen Aktuator, einen Roboterarm und einen Roboter. Dem Aktuator sind ein Motor, ein Positionsgeber sowie ein Untersetzungsgetriebe in Form eines Planetengetriebes zuzurechnen.The EP 3 530 414 A1 discloses an actuator, a robotic arm and a robot. The actuator includes a motor, a position sensor and a reduction gear in the form of a planetary gear.

Ein weiterer Drehaktuator, der ein Planetengetriebe als Untersetzungsgetriebe umfasst, ist beispielsweise in der EP 3 151 392 B1 beschrieben.Another rotary actuator that includes a planetary gear as a reduction gear is, for example, in EP 3 151 392 B1 described.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, die Ansteuerung von Nockenwellenverstellern gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterzuentwickeln, wobei ein besonders günstiges Verhältnis zwischen apparativem Aufwand und Funktionalität angestrebt wird. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, unter den gleichen Aspekten Fortschritte bei der Ansteuerung von Drehaktuatoren, insbesondere in Industrierobotern, zu erzielen.The invention is based on the object of further developing the control of camshaft adjusters compared to the prior art mentioned, with the aim of achieving a particularly favorable relationship between the expenditure on equipment and functionality. It is also an object of the invention to achieve progress in the control of rotary actuators, especially in industrial robots, under the same aspects.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zur Betätigung eines Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 4 sowie durch einen Drehaktuator mit den Merkmalen des Anspruchs 10. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Nockenwellenversteller sowie dem diesen umfassenden Verbrennungsmotor erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Verfahren zur Betätigung des Nockenwellenverstellers beziehungsweise des gesamten Verbrennungsmotors. Der anmeldungsgemäße Drehaktuator greift Funktionsprinzipien des Nockenwellenverstellers auf und macht diese in einem industriellen Umfeld nutzbar.This object is achieved according to the invention by a method for actuating a camshaft adjuster according to claim 1. The object is also achieved by a camshaft adjuster with the features of claim 4 and by a rotary actuator with the features of claim 10. In the following in connection with the camshaft adjuster and the The refinements and advantages of the invention explained in this comprehensive internal combustion engine also apply analogously to the methods for actuating the camshaft adjuster or the entire internal combustion engine. The rotary actuator according to the application takes up the functional principles of the camshaft adjuster and makes them usable in an industrial environment.

Das anmeldungsgemäße Verfahren sieht vor, eine Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors durch Erfassung eines auf ein Element des Nockenwellenverstellers wirkendes Drehmoment zu detektieren. In analoger Weise ist allgemein die Winkelrelation zwischen zwei relativ zueinander verschwenkbaren, über ein Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, miteinander gekoppelten Elementen der Robotik erfassbar, indem ein in dem Stellgetriebe wirkendes Drehmoment gemessen wird.The method according to the application provides for detecting a phase relationship between the camshaft and crankshaft of an internal combustion engine by detecting a torque acting on an element of the camshaft adjuster. In an analogous manner, the angular relationship between two elements of the robotics that can be pivoted relative to one another and are coupled to one another via an actuating gear, in particular wave gear, can generally be detected by measuring a torque acting in the actuating gear.

Dank dieses indirekten Verfahrens zur Bestimmung einer Winkelrelation kann von jeglicher Winkelsensorik an der Nockenwelle oder an einem Stellgetriebe, über welches die Nockenwelle oder - im Fall einer industriellen Anwendung - beispielsweise ein Roboterarm verstellt wird, abgesehen werden. Im Anwendungsgebiet Robotik kann der Drehaktuator einem Gelenk eines Mehrachsroboters zugeordnet, insbesondere in das Gelenk eingebaut oder an das Gelenk angebaut sein. Bei jeglichem Anwendungsgebiet kann es sich bei dem Stellmotor insbesondere um einen bürstenlosen Gleichstrommotor handeln.Thanks to this indirect method for determining an angular relation, any angle sensor on the camshaft or on an actuating gear, via which the camshaft or - in the case of an industrial application - for example a robot arm, is adjusted, can be dispensed with. In the field of robotics, the rotary actuator can be assigned to a joint of a multi-axis robot, in particular installed in the joint or attached to the joint. In any area of application, the servomotor can in particular be a brushless DC motor.

Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass beim Betrieb eines Verbrennungsmotors mit Nockenwellenversteller ein Sollwinkelverlauf des Verstellwinkels einer Nockenwelle unter allen Betriebsbedingungen, idealerweise bereits unmittelbar nach dem Motorstart, möglichst exakt eingehalten werden sollte. Um dieses Ziel weitestmöglich umzusetzen, können nach dem Stand der Technik, wie eingangs erläutert, verschiedene Prinzipien der Winkeldetektion zum Einsatz kommen. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass das genannte Ziel mit der anmeldungsgemäßen Vorrichtung sowie dem anmeldungsgemäßen Verfahren erreichbar ist, ohne irgendeine Winkelstellung oder Winkeländerung an einem Element des Nockenwellenverstellers direkt zu messen. Durch den Wegfall von Sensorik kann der Nockenwellenversteller besonders kompakt, robust und fertigungsfreundlich gestaltet werden.The invention is based on the idea that when operating an internal combustion engine with a camshaft adjuster, a target angle curve of the adjustment angle of a camshaft should be maintained as precisely as possible under all operating conditions, ideally immediately after the engine is started. In order to implement this goal as far as possible, various principles of angle detection can be used according to the state of the art, as explained at the beginning. Surprisingly, it has been shown that the stated goal can be achieved with the device according to the application and the method according to the application without directly measuring any angular position or change in angle on an element of the camshaft adjuster. By eliminating sensors, the camshaft adjuster can be designed to be particularly compact, robust and easy to manufacture.

In vorteilhafter Verfahrensführung basiert die Detektion des Drehmoments, welches zwischen verschiedenen Elementen des Nockenwellenverstellers wirkt, ausschließlich auf der Messung elektrischer Größen des das Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers betätigenden Elektromotors, insbesondere auf einer Strommessung.In an advantageous method, the detection of the torque that acts between different elements of the camshaft adjuster is based exclusively on the measurement of electrical variables of the electric motor actuating the actuating gear of the camshaft adjuster, in particular on a current measurement.

Die Elemente des Nockenwellenverstellers, zwischen welchen das zu erfassende Drehmoment wirkt, sind insbesondere über ein als Torsionsfeder wirkendes Federelement miteinander gekoppelt. Zwischen der Auslenkung des Federelementes und der Winkelrelation zwischen den beiden genannten Elementen besteht ein eindeutiger Zusammenhang.The elements of the camshaft adjuster, between which the torque to be detected acts, are coupled to one another in particular via a spring element acting as a torsion spring. There is a clear connection between the deflection of the spring element and the angular relationship between the two elements mentioned.

In Fällen, in denen das Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers als Dreiwellengetriebe, insbesondere Wellgetriebe, ausgebildet ist, existieren verschiedene Möglichkeiten der Anordnung des Federelementes:

Zum einen ist die Möglichkeit gegeben, das Federelement, mit welchem das Federdrehmoment bestimmbar ist, zwischen ein mit der Motorwelle des Elektromotors gekoppeltes Verstellelement einerseits und ein Antriebselement des Stellgetriebes andererseits zu spannen. Das Federmoment liegt hierbei in typischen Anwendungsfällen im Bereich von 0,03 Nm bis 0,3 Nm.

In cases in which the actuating gear of the camshaft adjuster is designed as a three-shaft gear, in particular a wave gear, there are various options for arranging the spring element:

On the one hand, there is the possibility of tensioning the spring element, with which the spring torque can be determined, between an adjusting element coupled to the motor shaft of the electric motor on the one hand and a drive element of the actuating gear on the other. In typical applications, the spring torque is in the range of 0.03 Nm to 0.3 Nm.

Alternativ kann das Federelement direkt zwischen ein Antriebselement und das Abtriebselement des Stellgetriebes geschaltet werden, wobei das Antriebselement typischerweise über die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird. In diesem Fall liegt das Federmoment aufgrund des Entfalls der Ausnutzung der Getriebeübersetzung in einem deutlich höheren Bereich, beispielsweise im Bereich von 2,2 Nm bis 22 Nm.Alternatively, the spring element can be connected directly between a drive element and the output element of the actuating gear, with the drive element typically being driven via the crankshaft of the internal combustion engine. In this case, the spring torque is in a significantly higher range due to the elimination of the use of the gear ratio, for example in the range from 2.2 Nm to 22 Nm.

Unabhängig von der Art und Anordnung der Feder, deren Auslenkung mit dem zu erfassenden Drehmoment und damit mit der zu detektierenden Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle korreliert, kann es sich bei dem Federelement um dieselbe Feder handeln, die auch dazu vorgesehen ist, den Nockenwellenversteller selbsttätig, insbesondere bei einem Ausfall des Stellmotors, in eine definierte Standardposition, insbesondere Extremposition, zu verfahren. Somit hat ein und dasselbe Element, nämlich Federelement, eine Mehrfachfunktion.Regardless of the type and arrangement of the spring, the deflection of which correlates with the torque to be detected and thus with the phase relationship to be detected between the camshaft and crankshaft, the spring element can be the same spring that is also intended to automatically control the camshaft adjuster. especially in the event of a failure of the servomotor, to move to a defined standard position, in particular an extreme position. This means that one and the same element, namely the spring element, has multiple functions.

Das Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers kann prinzipiell ein- oder mehrstufig ausgebildet sein. Zum Beispiel kann das Stellgetriebe mindestens ein Planetengetriebe umfassen. Insbesondere ist als Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers ein Wellgetriebe geeignet, welches ein Untersetzungsverhältnis im Bereich von 1 : 60 bis 1 : 90, beispielsweise eine Getriebeübersetzung von 1 : 73, aufweist. Wellgetriebe arbeiten prinzipbedingt mit einem verformbaren Getriebeelement. Dieses Getriebeelement kann beispielsweise die Form eines einfachen Ringes, das heißt Flexringes, eine Topfform oder eine Kragenform, das heißt Hutform, aufweisen.The adjusting gear of the camshaft adjuster can in principle be designed in one or more stages. For example, the actuating gear can include at least one planetary gear. In particular, a wave gear is suitable as the actuating gear of the camshaft adjuster, which has a reduction ratio in the range from 1:60 to 1:90, for example a gear ratio of 1:73. Wave gears basically work with a deformable gear element. This gear element can, for example, have the shape of a simple ring, i.e. flex ring, a pot shape or a collar shape, i.e. hat shape.

Bei jeglicher Bauart des Stellgetriebes können Zusammenhänge zwischen Stromstärke des elektrischen Stellmotors des Nockenwellenverstellers, Verstellwinkel der Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle, und Kurbelwellendrehzahl in einem Kennfeld hinterlegt werden. Der Elektromotor ist demnach mit einer im Kennfeld gespeicherten Stromstärke zu bestromen, um eine gewünschte Winkelrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle einzustellen.For any type of actuator, relationships between the current strength of the electric actuator of the camshaft adjuster, the adjustment angle of the camshaft in relation to the crankshaft, and the crankshaft speed can be stored in a map. The electric motor must therefore be energized with a current intensity stored in the map in order to set a desired angular relationship between the crankshaft and camshaft.

Insgesamt ist damit eine sogenannte virtuelle Sensorsteuerung realisierbar. Ein besonderer Vorteil liegt darin, dass das gesamte System zur Ansteuerung des Nockenwellenverstellers sehr schnell startbereit ist, da nicht auf Daten eines Nockenwellensensors zugegriffen werden muss. Auch ist damit ein ungewolltes Erreichen einer Endanschlagsposition des Nockenwellenverstellers vermeidbar.Overall, a so-called virtual sensor control can be implemented. A particular advantage is that the entire system for controlling the camshaft adjuster is ready to start very quickly, as data from a camshaft sensor does not need to be accessed. This also means a Unintentional reaching of an end stop position of the camshaft adjuster can be avoided.

Die erläuterten Eigenschaften kommen im Fall der Ausbildung der anmeldungsgemäßen Vorrichtung als Drehaktuator auch außerhalb der Automobiltechnik zum Tragen. Der Drehaktuator umfasst gemäß verschiedener möglicher Ausgestaltungen zwei relativ zueinander verschwenkbare, über ein als Wellgetriebe ausgebildetes Stellgetriebe miteinander gekoppelte Elemente, wobei zur Betätigung des Stellgetriebes ein Elektromotor vorgesehen ist, welcher eine elektrische Sensorik aufweist, die in Zusammenwirkung mit einer Ansteuereinheit dazu ausgebildet ist, die Winkelrelation zwischen den genannten Elementen durch Messung eines in dem Stellgetriebe wirkenden Drehmoments zu bestimmen.If the device according to the application is designed as a rotary actuator, the properties explained also come into play outside of automotive technology. According to various possible embodiments, the rotary actuator comprises two elements that can be pivoted relative to one another and are coupled to one another via an actuating gear designed as a wave gear, an electric motor being provided for actuating the actuating gear, which has an electrical sensor system which, in cooperation with a control unit, is designed to determine the angular relationship between the elements mentioned by measuring a torque acting in the actuating gear.

Nachfolgend werden zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 in grob schematisierter Darstellung einen Verbrennungsmotor mit einem Nockenwellenversteller,
2 eine alternative Ausgestaltung eines Verbrennungsmotors mit Nockenwellenversteller in einer Darstellung analog 1.

Two exemplary embodiments of the invention are explained in more detail below using a drawing. Herein show:

1 a roughly schematic representation of an internal combustion engine with a camshaft adjuster,
2 an alternative embodiment of an internal combustion engine with a camshaft adjuster in an analogous representation 1 .

Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf beide Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.Unless otherwise stated, the following explanations refer to both exemplary embodiments. Parts that correspond to one another or have the same effect in principle are marked with the same reference numerals in all figures.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Verbrennungsmotor, nämlich Hubkolbenmotor, welcher in den Figuren nur ansatzweise dargestellt ist, umfasst eine Kurbelwelle 2 sowie eine Mehrzahl an Nockenwellen 3, von welchen in den Figuren jeweils nur eine einzige dargestellt ist. Ein Nocken zur Betätigung von Gaswechselventilen, das heißt Einlass- oder Auslassventilen, ist mit 4 bezeichnet.An internal combustion engine marked overall with the reference number 1, namely a reciprocating piston engine, which is only partially shown in the figures, comprises a crankshaft 2 and a plurality of camshafts 3, of which only one is shown in the figures. A cam for actuating gas exchange valves, i.e. inlet or outlet valves, is designated 4.

Die Phasenrelation zwischen der Kurbelwelle 2 und der Nockenwelle 3 kann mittels eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers 5 verstellt werden. Der Nockenwellenversteller 5 weist ein Antriebselement 6 auf, welches über ein Umschlingungsgetriebe 7 durch die Kurbelwelle 2 angetrieben wird und in an sich bekannter Weise mit halber Kubelwellendrehzahl rotiert. Die Winkelstellung der Kurbelwelle 2 ist mit Hilfe einer Winkelsensorik 8 erfassbar, die ein auf der Kurbelwelle 2 montiertes Sensorrad 9 und einen dieses abtastenden Sensor 10 umfasst. Die Winkelsensorik 8 ist datentechnisch, wie in den Figuren durch gepunktete Linien angedeutet ist, mit einer Ansteuereinheit 11 verknüpft.The phase relationship between the crankshaft 2 and the camshaft 3 can be adjusted by means of an electromechanical camshaft adjuster 5. The camshaft adjuster 5 has a drive element 6, which is driven by the crankshaft 2 via a belt gear 7 and rotates in a manner known per se at half the crankshaft speed. The angular position of the crankshaft 2 can be detected with the aid of an angle sensor system 8, which includes a sensor wheel 9 mounted on the crankshaft 2 and a sensor 10 that scans it. The angle sensor system 8 is linked to a control unit 11 in terms of data technology, as indicated by dotted lines in the figures.

Der Nockenwellenversteller 5 umfasst in beiden Ausführungsbeispielen ein Stellgetriebe 12 in Form eines Dreiwellengetriebes, nämlich Wellgetriebes, sowie einen Elektromotor 13, welcher als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist. Elektrische Größen, die beim Betrieb des Elektromotors 13 gegeben sind, sind mit Hilfe einer elektrischen Sensorik 14 erfassbar. Auch die elektrische Sensorik 14 ist datentechnisch mit der Ansteuereinheit 11 gekoppelt.In both exemplary embodiments, the camshaft adjuster 5 includes an actuating gear 12 in the form of a three-shaft gear, namely wave gear, and an electric motor 13, which is designed as a brushless direct current motor. Electrical variables that occur during operation of the electric motor 13 can be detected using an electrical sensor system 14. The electrical sensor system 14 is also coupled to the control unit 11 in terms of data.

Zwischen den Elektromotor 13 und das Stellgetriebe 12 ist in den skizzierten Fällen eine Ausgleichskupplung 15 geschaltet, bei welcher es sich um eine Oldham-Kupplung handelt. Die Motorwelle des Elektromotors ist mit 16 bezeichnet und über die Ausgleichskupplung 15 drehfest mit einem rotierbaren Verstellelement 17 gekoppelt. Die gemeinsame Rotationsachse von Motorwelle 16, Verstellelement 17 und Nockenwelle 3 ist mit RN bezeichnet. Die Rotationsachse RN stellt auch die Mittelachse eines durch den Elektromotor 13 betätigten Wellgenerators 18 sowie des mit 19 bezeichneten Abtriebselementes des Stellgetriebes 12 dar. Mit RK ist die Rotationsachse der Kurbelwelle 2 bezeichnet.In the cases outlined, a compensating clutch 15 is connected between the electric motor 13 and the actuating gear 12, which is an Oldham clutch. The motor shaft of the electric motor is designated 16 and is coupled in a rotationally fixed manner to a rotatable adjusting element 17 via the compensating clutch 15. The common axis of rotation of motor shaft 16, adjusting element 17 and camshaft 3 is designated RN. The axis of rotation RN also represents the central axis of a wave generator 18 actuated by the electric motor 13 and of the output element of the actuating gear 12 designated 19. The axis of rotation of the crankshaft 2 is designated RK.

Der Wellgenerator 18 umfasst ein Wälzlager 20, nämlich Kugellager, dessen mit 21 bezeichneter Innenring drehfest mit dem Verstellelement 17 verbunden ist. Der Innenring 21 weist in an sich bekannter Weise eine elliptische, nicht kreisrunde Außenkontur auf, auf welcher Kugeln 22 als Wälzkörper abrollen. Die Wälzkörper 22 kontaktieren weiterhin einen Außenring 23, welcher lediglich in 2 dargestellt, aber ebenso in der Variante nach 1 vorhanden ist. Der Außenring 23 passt sich permanent der unrunden Kontur des Innenrings 21 an. Der Außenring 23 ist umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 24, 25. Im Fall von 1 handelt es sich hierbei um einen einfachen Flexring 24, im Fall von 2 um ein topfförmiges flexibles Getriebeelement 25. In beiden Fällen ist das flexible Getriebeelement 24, 25 außenverzahnt. Die Außenverzahnung des Getriebeelementes 24 greift im Fall von 1 sowohl in eine Innenverzahnung des Antriebselementes 6 als auch in eine Innenverzahnung des Abtriebselementes 19 ein. In der Variante nach 2 existiert lediglich ein Eingriff zwischen der Außenverzahnung des topfförmigen flexiblen Getriebeelementes 25 und einer Innenverzahnung des Antriebselementes 6. Der mit 26 bezeichnete Boden des flexiblen Getriebeelementes 25 ist hierbei fest mit dem Abtriebselement 19 verbunden.The wave generator 18 comprises a rolling bearing 20, namely ball bearings, the inner ring of which, designated 21, is connected in a rotationally fixed manner to the adjusting element 17. The inner ring 21 has, in a manner known per se, an elliptical, non-circular outer contour on which balls 22 roll as rolling elements. The rolling elements 22 continue to contact an outer ring 23, which is only in 2 shown, but also in the variant 1 is available. The outer ring 23 permanently adapts to the non-round contour of the inner ring 21. The outer ring 23 is surrounded by a flexible gear element 24, 25. In the case of 1 This is a simple flex ring 24, in the case of 2 around a cup-shaped flexible gear element 25. In both cases, the flexible gear element 24, 25 has external teeth. The external teeth of the gear element 24 engage in the case of 1 both in an internal toothing of the drive element 6 and in an internal toothing of the output element 19. In the variant after 2 There is only an engagement between the external toothing of the cup-shaped flexible gear element 25 and an internal toothing of the drive element 6. The bottom of the flexible gear element 25, designated 26, is firmly connected to the output element 19.

Dem Stellgetriebe 12 ist in beiden Ausführungsbeispielen ein Federelement 27 zuzurechnen, welche dafür sorgt, dass das Stellgetriebe 12 bei einem Ausfall des Elektromotors 13 in eine vordefinierte Position verstellt wird. Bei den in den Figuren lediglich symbolisiert dargestellten Federelementen 27 handelt es sich um Torsionsfedern.In both exemplary embodiments, a spring element 27 is assigned to the actuating gear 12, which ensures that the actuating gear 12 is adjusted to a predefined position in the event of a failure of the electric motor 13. With those in the figures The spring elements 27, which are only shown symbolically, are torsion springs.

Im Ausführungsbeispiel nach 1 ist das Federelement 27 direkt zwischen das Antriebselement 6 und das Abtriebselement 19 gespannt. Eine Federvorspannung braucht lediglich über einen Verstellwinkel von deutlich weniger als 180° gegeben zu sein. Im Wesentlichen erzeugt das Federelement 27 ein Drehmoment, welches zum Verstellwinkel zwischen den Elementen 6, 19 proportional ist.In the exemplary embodiment according to 1 the spring element 27 is tensioned directly between the drive element 6 and the output element 19. Spring preload only needs to be provided over an adjustment angle of significantly less than 180°. Essentially, the spring element 27 generates a torque which is proportional to the adjustment angle between the elements 6, 19.

Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist das Federelement 27 dagegen einerseits am Verstellelement 17 und andererseits am Antriebselement 6 eingehängt. Aufgrund des gegebenen Übersetzungsverhältnisses des Stellgetriebes 6 ist eine wesentlich schwächere Auslegung des Federelementes 27 als im Fall von 1 ausreichend. Jedoch muss in diesem Fall das Federelement 27 über mehrere Umdrehungen des Verstellelementes 17 hinweg, bezogen auf die Winkellage des Antriebselementes 6, wirksam sein.In the exemplary embodiment according to 2 On the other hand, the spring element 27 is suspended on the one hand on the adjusting element 17 and on the other hand on the drive element 6. Due to the given gear ratio of the actuating gear 6, the spring element 27 is designed to be significantly weaker than in the case of 1 sufficient. However, in this case, the spring element 27 must be effective over several revolutions of the adjusting element 17, based on the angular position of the drive element 6.

Abweichend von den skizzierten Ausführungsformten könnte auch bei der Anordnung des Federelementes 27 gemäß 2 ein Flexring 24, das heißt ein einfacher, außenverzahnter Ring ohne jegliche radial nach innen oder außen gerichtete Fortsätze, etwa in Form eines Flansches oder eines Bodens, als flexibles Getriebeelement vorgesehen sein. Ebenso sind Ausführungsformen realisierbar, bei welchen das Federelement 27 direkt zwischen das Antriebselement 6 und das Abtriebselement 19 geschaltet ist, wobei das flexible Getriebeelement 25 eine Topfform aufweist, wie in 2 skizziert.Deviating from the outlined embodiments, the arrangement of the spring element 27 could also be in accordance with 2 a flex ring 24, that is, a simple, externally toothed ring without any radially inwardly or outwardly directed extensions, for example in the form of a flange or a base, can be provided as a flexible gear element. Embodiments can also be realized in which the spring element 27 is connected directly between the drive element 6 and the output element 19, with the flexible gear element 25 having a pot shape, as in 2 sketched.

Sowohl in der Ausführungsform nach 1 als auch in der Ausführungsform nach 2 existiert eine Relation zwischen der Einstellung des Stellgetriebes 12 und dem Drehmoment, welches durch das Federelement 27 zwischen den Elementen 6, 19 beziehungsweise zwischen den Elementen 17, 6 erzeugt wird und beim Verstellen des Nockenwellenverstellers 5 überwunden werden muss. Hierbei können auch weitere Einflüsse eine Rolle spielen. Beispielhaft sind die Drehzahlen und Winkelbeschleunigungen verschiedener Wellen, insbesondere der Nockenwelle 3, des Antriebselementes 6 sowie des Verstellelementes 17, zu nennen. Ebenso haben Trägheitsmomente und Drehmomente einen Einfluss auf die genannten Zusammenhänge.Both in the embodiment according to 1 as well as in the embodiment 2 There is a relationship between the setting of the actuating gear 12 and the torque which is generated by the spring element 27 between the elements 6, 19 or between the elements 17, 6 and which must be overcome when adjusting the camshaft adjuster 5. Other influences can also play a role here. The speeds and angular accelerations of various shafts, in particular the camshaft 3, the drive element 6 and the adjusting element 17, should be mentioned as examples. Moments of inertia and torque also have an influence on the relationships mentioned.

Das durch das Federelement 27 aufgebrachte Drehmoment korreliert mit dem elektrischen Strom, der zur Betätigung des Elektromotors 13 erforderlich ist. Dieser elektrische Strom wird durch die Sensorik 14 erfasst, womit ohne Winkelsensorik am Nockenwellenversteller 5 auf die Einstellung des Stellgetriebes 12, das heißt auf die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle 2 und Nockenwelle 3, geschlossen werden kann. Dank der zusätzlich vorhandenen Winkelsensorik 8 an der Kurbelwelle 2 ist auf diese Weise auch ein eindeutiger Schluss auf die Winkellage der Nockenwelle 3 möglich. Die Zusammenhänge zwischen der Bestromung des Elektromotors 13, der Einstellung des Stellgetriebes 12 und dem durch das Federelement 27 erzeugten Drehmoment, optional ergänzt durch weitere Einflussfaktoren, sind in einem Kennfeld, auf das die Ansteuereinheit 11 zugreift, hinterlegt. Die Ansteuereinheit 11 ist bereits unmittelbar nach dem Start des Verbrennungsmotors 1 zur Einstellung der Phasenrelation zwischen Kurbelwelle 2 und Nockenwelle 3 nutzbar.The torque applied by the spring element 27 correlates with the electrical current that is required to operate the electric motor 13. This electrical current is detected by the sensor system 14, which means that the setting of the actuating gear 12, that is to say the phase relationship between the crankshaft 2 and camshaft 3, can be concluded without angle sensors on the camshaft adjuster 5. Thanks to the additional angle sensor system 8 on the crankshaft 2, a clear conclusion about the angular position of the camshaft 3 is also possible in this way. The relationships between the current supply to the electric motor 13, the setting of the actuating gear 12 and the torque generated by the spring element 27, optionally supplemented by further influencing factors, are stored in a map to which the control unit 11 accesses. The control unit 11 can be used immediately after starting the internal combustion engine 1 to adjust the phase relationship between the crankshaft 2 and camshaft 3.

BezugszeichenlisteReference symbol list

11: VerbrennungsmotorInternal combustion engine
22: Kurbelwellecrankshaft
33: Nockenwellecamshaft
44: Nockencam
55: NockenwellenverstellerCamshaft adjuster
66: Antriebselement des NockenwellenverstellerDrive element of the camshaft adjuster
77: UmschlingungsgetriebeBelt gear
88th: WinkelsensorikAngle sensors
99: SensorradSensor wheel
1010: Sensorsensor
1111: AnsteuereinheitControl unit
1212: Stellgetriebe, WellgetriebeActuator, wave gear
1313: ElektromotorElectric motor
1414: elektrische Sensorikelectrical sensors
1515: AusgleichskupplungCompensating clutch
1616: Motorwelle des ElektromotorsMotor shaft of the electric motor
1717: VerstellelementAdjusting element
1818: WellgeneratorWave generator
1919: Abtriebselementoutput element
2020: Wälzlager, KugellagerRolling bearings, ball bearings
2121: InnenringInner ring
2222: Wälzkörper, KugelRolling elements, ball
2323: AußenringOuter ring
2424: flexibles Getriebeelement, Flexringflexible gear element, flex ring
2525: topfförmiges flexibles Getriebeelementcup-shaped flexible gear element
2626: BodenFloor
2727: Federelement Spring element
RKRK: Rotationsachse der KurbelwelleAxis of rotation of the crankshaft
RNRN: Rotationsachse der NockenwelleAxis of rotation of the camshaft

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDED IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

DE 102016218192 B3 [0002]
DE 10330872 B4 [0003]
DE 102013220220 B4 [0004]
DE 102014202060 A1 [0005]
DE 102016216594 B3 [0006]
EP 3530414 A1 [0007]
EP 3151392 B1 [0008]

Claims

Method for actuating a camshaft adjuster (5) of an internal combustion engine (1), wherein a phase relationship between the camshaft (3) and crankshaft (2) of the internal combustion engine (1) is determined by detecting an element (6, 17, 19) of the camshaft adjuster (5) acting torque is detected.

Procedure according to Claim 1 , characterized in that the detection of the torque takes place exclusively on the basis of electrical variables of an electric motor (13) actuating the camshaft adjuster (5).

Procedure according to Claim 1 or 2 , characterized in that to determine the phase relationship between the camshaft (3) and crankshaft (2), a torque transmitted via a spring element (27) is detected.

Camshaft adjuster (5), with an actuating gear (12) to be coupled to a camshaft (3) on the output side, an electric motor (13) provided for its actuation, and a torque measurement device that is connected to the electric motor (13) in terms of data technology and enables torque measurement to carry out the method after Claim 1 trained control unit (11).

Camshaft adjuster (5). Claim 4 , characterized in that the actuating gear (12) is designed as a three-shaft gear, in particular wave gear.

Camshaft adjuster (5). Claim 5 , characterized by a spring element (27) acting between different elements (6, 17, 19) of the actuating gear (12), which is provided on the one hand to return the actuating gear (12) to a standard position and on the other hand together with the control unit (11) allows torque measurement.

Camshaft adjuster Claim 6 , characterized in that the spring element (27) is connected between an adjusting element (17) coupled to the motor shaft (16) of the electric motor (13) and a drive element (6) of the actuating gear (12).

Camshaft adjuster Claim 6 , characterized in that the spring element (27) is located between a drive element (6) of the actuating gear (12) to be driven via the crankshaft (2) of the internal combustion engine (1) and an output element (19) to be connected to the camshaft (3) to be adjusted Actuating gear (12) is switched.

Camshaft adjuster according to one of the Claims 4 until 8th , characterized by an angle sensor (8, 9, 10) provided for detecting the angular position of the crankshaft (2) of the internal combustion engine (1), which is designed in cooperation with said control unit (11) to determine the angular position of the camshaft.

Rotary actuator, with two elements (6, 19) which can be pivoted relative to one another and are coupled to one another via an actuating gear (12) designed as a wave gear, an electric motor (13) which has an electrical sensor system (14) being provided for actuating the actuating gear (12). , which, in cooperation with a control unit (11), is designed to determine the angular relationship between the said elements (6, 19) by measuring a torque acting in the actuating gear (12).