-
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum geregelten Verstellen
der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer
Nockenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen, die im Viertaktverfahren arbeiten,
wird die Steuerwelle, die Nockenwelle, zum Betätigen von
Gaswechselventilen mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle angetrieben. Die
Steuerzeiten der Gaswechselventile, insbesondere der Einlassventile,
beeinflussen vor allem das erreichbare Maximum des Mitteldrucks und
damit des Drehmoments und dessen Lage im nutzbaren Drehzahlband
sowie der erreichbaren Leistung bei Nenndrehzahl. Mit Steuerzeiten,
die in allen Betriebsbereichen der Hubkolbenbrennkraftmaschine
konstant sind, können die Forderungen nach einem optimalen
Drehmomentverlauf über der Drehzahl, einer hohen Leistung und geringen
Abgasemissionen insbesondere bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit einem
breiten Drehzahlband, z. B. bei Ottomotoren, nicht erfüllt werden.
Daher werden die Steuerzeiten in Abhängigkeit von
Betriebsparametern, insbesondere der Motordrehzahl, variiert, indem z. B. die
Drehlage der Nockenwelle zur Kurbelwelle während des Betriebs geändert
wird. Dies wird in Abhängigkeit von Betriebskennwerten, -kennlinien
und/oder -kennfeldern gesteuert oder geregelt. Da es für die
vorliegende Erfindung unerheblich ist, ob gesteuert oder geregelt wird,
soll im Folgenden unter "regeln" auch "steuern" subsumiert werden,
ohne darauf jedes Mal hinzuweisen.
-
Aus der DE 36 07 256 A1 ist eine Vorrichtung zum geregelten
Verstellen der relativen Drehlage eines getriebenen zu einem treibenden
Maschinenteil bekannt, insbesondere der relativen Drehlage einer
Nockenwelle zu einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Dabei
wird die Nockenwelle von der Kurbelwelle über einen Zahnriemen und
ein außen verzahntes Antriebsrad angetrieben. Ein Stellmotor steht
einerseits über seine Antriebswelle mit der Nockenwelle und
andererseits über sein Gehäuse mit dem Antriebsrad jeweils unmittelbar in
drehfester Verbindung, so dass eine drehfeste Verbindung von
Nockenwelle und Antriebsrad durch ein vom Stellmotor bewirktes Haltemoment
erreicht wird. Durch Betätigen des Stellmotors kann die relative
Drehlage des Antriebsrads und damit der Kurbelwelle zur Nockenwelle
verändert werden. Der Stellmotor wirkt wie eine Kupplung und ändert
nur die Drehlage, ohne die Übersetzung von der Kurbelwelle zur
Nockenwelle zu beeinflussen. Da sich das Gehäuse des Stellmotors mit
dem Antriebsrad dreht, müssen die elektrische Leistung und die
Steuersignale über Schleifkontakte übertragen werden. Außerdem erhöht
die Masse des Stellmotors die rotierenden Massen der Nockenwelle und
ihres Antriebs und damit die Trägheitskräfte.
-
Aus der EP 0 254 058 A2 ist eine Verstelleinrichtung für eine
Nockenwelle zum Steuern der Gasein- und Auslassventile von
Verbrennungsmotoren bekannt. Die Nockenwelle besteht aus einer hohlen
Außenwelle und einer darin über Lager gelagerte hohlen Innenwelle.
Während die Steuernocken für die einen Ventile, Einlassventile oder
Auslassventile, auf der hohlen Außenwelle fest aufgeschrumpft sind,
sind die Nocken für die anderen Ventile auf der Außenwelle
schwenkbar gelagert und mit der hohlen Innenwelle drehfest verbunden. Die
Verstelleinrichtung kann die relative Drehlage der Innenwelle zur
Außenwelle und damit die Drehlage der Auslassventile zu den
Einlassventilen über einen begrenzten Drehwinkelbereich ändern. Dabei
ändern sich gleichzeitig die Drehlagen der Außenwelle und der
Innenwelle zu einem Antriebsrad, das von der Kurbelwelle angetrieben
wird.
-
Die Vorrichtung umfasst ein Planetengetriebe, bei dem das
Antriebsrad als Planetenradträger dient, indem an ihm über Planetenbolzen
die Planetenräder drehbar gelagert sind. Die Planetenräder kämmen
einerseits mit einem Hohlrad, das über eine Seitenscheibe drehfest
mit dem Gehäuse eines Stellmotors verbunden ist, und andererseits
mit einem Sonnenrad, das drehfest auf der Innenwelle sitzt. Die
Motorwelle des Stellmotors ist ebenfalls drehfest mit der Innenwelle
und somit mit dem Sonnenrad verbunden. Soll die Drehlage zwischen
den Nocken der Einlassventile bzw. der Auslassventile während des
Betriebs der Brennkraftmaschine unverändert bleiben, so wird der
Stellmotor elektrisch so gesteuert, dass abwechselnd
drehrichtungsmäßig entgegen gerichtete Stellimpulse auf die Innenwelle ausgeübt
werden, mit der Folge, dass bei ausreichend hoher Impulsfrequenz
praktisch eine starre Verbindung zwischen der Außenwelle und er
Innenwelle gegeben ist, so dass das Planetengetriebe im Block mit dem
Stellmotor und dem Antriebsrad umläuft. Zur Veränderung der
Winkellage muss der Stellmotor lediglich so gesteuert werden, dass seine
Motorwelle verdreht wird. Ein festgelegtes Übersetzungsverhältnis
des Planetengetriebes, das die Übersetzung des Nockenwellenantriebs
nicht beeinflusst, bestimmt, in welchem Maße die Nocken
gegeneinander und relativ zum Antriebsrad verdreht werden. Der Stellmotor kann
abhängig von Kenngrößen gesteuert werden, die von bestimmten
Betriebszuständen der Brennkraftmaschine abhängig sind. Dadurch ist
die Winkellage der Nocken zueinander entsprechend den
Betriebsverhältnissen einstellbar bzw. regelbar. Auch hierbei erhöht der
Stellmotor die trägen Massen.
-
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zum
Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer
Nockenwelle zu schaffen, durch die der Bauraum für den Antrieb der
Nockenwelle verkleinert wird und bei dem das Gehäuse des Stellmotors
relativ zum Gehäuse der Brennkraftmaschine fest steht. Die Aufgabe
wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben
sich aus den Unteransprüchen.
-
Nach der Erfindung ist das der Nockenwelle zugeordnete Antriebsrad,
das in der Regel über einen Zahnriemen oder eine Kette von der
Kurbelwelle angetrieben wird, mit einem Hohlrad eines Planetengetriebes
gekoppelt, wobei das Hohlrad über mindestens ein Planetenrad ein
Sonnenrad antreibt, das drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist.
-
Das Planetenrad ist drehbar an einem Planetenträger gelagert, der
sich über ein Getrieberad und dem elektrischen Stellmotor
gehäusefest abstützt. Da der Stellmotor den Planetenradträger zunächst im
Gehäuse fixiert, ergibt sich zwischen dem Hohlrad und dem Sonnenrad
ein konstantes Untersetzungsverhältnis i2, das zweckmäßigerweise
größer 1 ist, und das zusammen mit dem Untersetzungsverhältnis i1
zwischen der Kurbelwelle und dem Antriebsrad im Produkt das gesamte
Untersetzungsverhältnis iges ergibt. Dadurch kann das
Untersetzungsverhältnis i2 kleiner zwei gewählt werden und die Untersetzungsstufe
zwischen der Kurbelwelle und dem Antriebsrad kleiner dimensioniert
werden. Hinzu kommt, dass das Gehäuse des Stellmotors drehfest mit
dem Gehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine verbunden ist, so dass
sich eine einfache Verbindung zur Stromversorgung und zu den
Steuereinheiten ergibt, und die trägen Massen nur unwesentlich erhöht
werden. In vorteilhafter Weise kann die Steuereinheit unmittelbar am
Stellmotor angebracht sein oder in diesen integriert werden, wodurch
sich eine kompakte Bauweise und kurze Signalwege ergeben.
-
Der Bauraum kann ferner dadurch reduziert werden, dass das
Antriebsrad und das Hohlrad des Planetengetriebes einstückig ausgebildet
sind. In gleicher Weise kann das Getrieberad unmittelbar am
Planetenträger angeformt sein und so ein Bauteil mit diesem bilden. Die
relative Drehlage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle wird
durch den elektrischen Stellmotor verändert, indem er über seine
Motorwelle und ein Abtriebselement das Getrieberad um einen
gewünschten Winkelbetrag verdreht, der durch die Steuereinrichtung in
Abhängigkeit von Betriebsparametern vorgegeben wird. Als
Antriebselement können alle aus der Getriebetechnik bekannten und geeigneten
Übertragungsmittel verwendet werden. Als einfache und zweckmäßige
Lösung hat sich ein Ritzel auf der Motorwelle des Stellmotors
erwiesen, das mit dem außen verzahnten Getrieberad am Planetenträger
kämmt. Es können aber auch Kegelräder oder andere Getriebeelemente
verwendet werden, die eine möglichst spielfreie Übertragung der
Stellmomente mit einem geringen Geräuschniveau ergeben, z. B. können
schräg verzahnte Getrieberäder eingesetzt werden, die auch
gegeneinander spielfrei verspannt sein können.
-
Die Reaktionsmomente des Planetenträgers werden über den Stellmotor
am Gehäuse abgestützt. Damit auch ohne Bestromung des Stellmotors
die Position des Planetenträgers gehalten wird, kann der Stellmotor
mit einer Motorbremse ausgestattet sein. Eine einfache Lösung ergibt
sich ferner, wenn der Stellmotor den Planetenträger durch ein
selbsthemmendes Getriebe verstellt, z. B. indem das Getrieberad als
Schneckenrad ausgebildet ist und mit einer Schnecke auf der
Motorwelle des Stellmotors kämmt. Durch die Selbsthemmung reichen die
Reibungskräfte aus, um das Getrieberad und damit den Planetenträger
in seiner Position zu halten.
-
Die Stellmomente des Stellmotors können dadurch reduziert werden,
dass der Stellmotor das Getrieberad über mehrere Getriebestufen
antreibt. Ferner kann es vorteilhaft sein, das Getrieberad oder ein
mit diesem triebmäßig verbundenes Bauteil in Richtung eines
Stützmoments durch ein vorgespanntes Federelement zu belasten. Bei einer
Stellbewegung entgegen der Abstützkraft wird das Stellmoment durch
das Antriebsmoment der Nockenwelle unterstützt, so dass ohne
nennenswerten Aufwand das Federelement vorgespannt werden kann. Bei
einer Verstellung in Richtung des Stützmoment, entgegen den
Antriebsmomenten, wird der Stellmotor durch das vorgespannte
Federelement unterstützt, so dass in beiden Stellrichtungen ein
angeglichenes Stellmoment erreicht wird.
-
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden
Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung
dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche
Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren
Kombinationen zusammenfassen.
-
Es zeigt:
-
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen
Vorrichtung,
-
Fig. 2 einen schematischen Teillängsschnitt durch eine
Stelleinrichtung und
-
Fig. 3 eine schematische Ansicht in Richtung eines Pfeils III in Fig.
2.
-
In einem Gehäuse 1 der nicht näher dargestellten Brennkraftmaschine,
z. B. in einem Steuergehäuse, ist die erfindungsgemäße Vorrichtung
untergebracht. Sie umfasst ein außen verzahntes Antriebsrad 3, das
mittels eines nicht näher dargestellten Zahnriemens von einer
Kurbelwelle angetrieben wird. Das Antriebsrad 3 ist mit einem Hohlrad 4
drehfest gekoppelt. Es kann auch mit dem Hohlrad 4 ein Bauteil
bilden, indem seine Verzahnung an dem äußeren Umfang des Hohlrads 4
angeformt ist (Fig. 2). Das Hohlrad 4 kämmt mit mindestens einem
Planetenrad 6, das seinerseits ein Sonnenrad 5 des Planetengetriebes
antreibt. Das Sonnenrad 5 sitzt drehfest auf einer Nockenwelle 2,
die im Gehäuse 1 drehbar gelagert ist und auf der das Antriebsrad 3
mittels eines Lagers 20 und ein Planetenträger 7 mittels eines
weiteren Lagers 19 drehbar gelagert sind. An dem Planetenträger 7 ist
das Planetenrad 6 drehbar gelagert. In der Regel sind mehrere, über
den Umfang verteilte Planetenräder 6 vorgesehen.
-
Ein elektrischer Stellmotor 10, dessen Motorgehäuse am Gehäuse 1
befestigt ist, ist über seine Motorwelle 11 und einem Stellgetriebe
mit dem Planetenträger 7 triebmäßig gekoppelt. Das Stellgetriebe
umfasst ein Ritzel 9 auf der Motorwelle 11 und ein Getrieberad 8,
das mit dem Planetenträger 7 fest verbunden ist, und vorzugsweise
mit diesem ein Bauteil bildet. Das Ritzel 9 und das Getrieberad 8
können in zahlreichen Variationen ausgeführt sein, z. B. als gerade
verzahnte oder schräg verzahnte Stirnräder, als Schnecke bzw.
Schneckenrad, als Spindel bzw. Spindelrad, oder als Kegelräder oder dgl.
Es kann auch zwischen der Motorwelle 11 und dem Planetenträger 7 ein
Stellgetriebe mit mehreren Getriebestufen vorgesehen sein.
-
Durch das Haltemoment des Stellmotors 10 wird der Planetenträger 7
im Gehäuse 1 festgehalten, so dass sich bei einem Antrieb über das
Antriebsrad 3 in Richtung eines Pfeils 15 die Planetenräder 6 in
Richtung der Pfeile 16 drehen und das Sonnenrad 5 mit der
Nockenwelle 2 in Richtung des Pfeils 17 angetrieben werden. Bei fixierter
Stellung des Planetenträgers 7 nimmt die Nockenwelle 2 eine
definierte relative Drehlage zur Kurbelwelle ein. Soll diese Drehlage
geändert werden, wird der Stellmotor 10 betätigt, dessen Motorwelle
11 mit dem angeformten Ritzel 9 in Form einer Schnecke um einen
definierten Winkelbereich in Richtung der Pfeile 18 verstellt wird.
Das Maß der Verstellung wird durch eine elektronische Steuereinheit
12 in Abhängigkeit der relevanten Betriebsparameter der
Hubkolbenbrennkraftmaschine bestimmt. Entsprechend der Drehung des Ritzels 9
wird das Getrieberad 8 in Richtung der Pfeile 14 verdreht und dann
in der neuen Position gehalten.
-
Damit die Position des Planetenträgers 7 auch erhalten bleibt, wenn
der Stellmotor stromlos ist, ist es zweckmäßig, den Stellmotor mit
einer federbelasteten Motorbremse auszustatten, die beim
Unterbrechen der Stromversorgung schließt, sei es beim Abschalten des
Stellmotors 10 oder beim Ausfall der Stromversorgung. Anstelle der
Motorbremse kann auch ein Stellgetriebe 8, 9 mit Selbsthemmung verwendet
werden, bei dem es durch Reibkräfte möglich ist, das erforderliche
Moment am Gehäuse 1 abzustützen. Hierzu eignen sich insbesondere
Schnecken- oder Spindelgetriebe. Mit der erfindungsgemäßen
Vorrichtung lassen sich beliebig große Verstellwinkel realisieren.
-
Durch das Antriebsmoment am Antriebsrad 3 wird am Stellgetriebe 8, 9
ein entsprechendes entgegen gerichtetes Stützmoment erzeugt. Bei
einer Verstellung entgegen dem Stützmoment wird das Stellmoment des
Stellmotors 10 durch das Antriebsmoment für die Nockenwelle 2
unterstützt, während es bei einer Verstellung in entgegengesetzter
Richtung neben den Reibmomenten und Massenträgheitsmomenten zusätzlich
das aus dem Antriebsmoment resultierende, am Stellgetriebe
abzustützende Moment überwinden muss. Zur gleichmäßigen Belastung des
Stellmotors 10 wird daher gemäß einer Ausführung der Erfindung das
Getrieberad 8 oder ein mit diesem triebmäßig verbundenes Bauteil, z. B.
das Ritzel 9 oder die Motorwelle 11 oder der Planetenträger 7
durch ein vorgespanntes Federelement 13 in Richtung des Stützmoments
belastet. Das Federelement 13, das z. B. eine Spiralfeder oder ein
beliebiges anderes, geeignetes Federelement sein kann, unterstützt
den Stellmotor 10 bei einer Verstellung in Richtung des
Abstützmoments, während es bei entgegengesetzter Stellbewegung entsprechend
vorgespannt wird.
-
Die gesamte Untersetzung zwischen der Kurbelwelle und der
Nockenwelle 2 iges muss bei einer Viertakt-Hubkolbenbrennkraftmaschine zwei zu
eins betragen. Um die Bauteile des Antriebs der Nockenwelle 2 klein
zu halten, ist es zweckmäßig, die gesamte Untersetzung auf eine
erste Untersetzung i1 zwischen der Kurbelwelle und dem Antriebsrad und
auf eine zweite Untersetzung i2 des Planetengetriebes zwischen dem
Hohlrad 4 und dem Sonnenrad 5 aufzuteilen. Damit ergibt sich eine
gesamte Untersetzung iges gleich dem Produkt aus den
Teiluntersetzungen i1 und i2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung eröffnet damit
zahlreiche Möglichkeiten, den für den Nockenwellenantrieb zur Verfügung
stehenden Bauraum optimal zu nutzen und durch kleine Bauteile das
Gewicht und die trägen Massen der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu
reduzieren.