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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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GEBIET DER ERFINDUNG
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Die Erfindung betrifft das Gebiet der variablen Nockenwellenverstellung bei Verbrennungskraftmaschinen. Insbesondere betrifft die Erfindung ein stufenlos verstellbares Friktionsgetriebe als Nockenwellenversteller oder „Versteller“.
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BESCHREIBUNG DES STANDES DER TECHNIK
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Das
US-Patent Nr. 3,727,474 offenbart ein Kraftfahrzeuggetriebe mit einer Antriebsscheibe und einer angetriebenen Scheibe, die einen Hohlraum für eine Aufnahme von Reibscheiben bilden. Die angetriebene Scheibe und die antreibende Scheibe sind jeweils derart konturiert, dass sie eine halbtorusförmige Reibfläche aufweisen. Die Mitte jeder der Scheiben ist über eine Achse mit einem federbelasteten Träger, der sich auf einem Antriebsrohr befindet, mechanisch verbunden. Die Scheiben sind um den Mittelpunkt schwenkbar. Es sind Mittel bereitgestellt, wie etwa gewichtsbelastete Kugeln, um den Träger axial auf dem Antriebsrohr zu bewegen; sie sind der Zentrifugalkraft ausgesetzt und können mittels einer Stellstange von Hand bewegt werden.
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WO 2013/110 920 offenbart ein Getriebe mit stufenlos verstellbarem Verhältnis und einem Variator, der zwei Antriebsscheiben und eine Abtriebsscheibe zwischen den zwei Antriebsscheiben aufweist. Die Abtriebsscheibe weist auf gegenüberliegenden Seiten torusförmig vertiefte Abtriebsflächen auf. Am Außenumfang der Abtriebsscheibe sind Zähne für einen Eingriff mit einem Zahnrad einer Welle. Eine Abtriebsscheibe und eine erste Antriebsscheibe stellen einen ersten Hohlraum bereit, und die Abtriebsscheibe und die zweite Antriebsscheibe stellen einen zweiten Hohlraum bereit. In jedem der Hohlräume ist ein Rollkörper. Die Rollkörper sind via Sphärolager in einen Rollkörperträger montiert. Die Rollkörperträger sind durch eine Querstange miteinander verbunden. Ein Drehpunkt jedes Lagers befindet sich auf halber Strecke zwischen den Mittelpunkten der zwei Sphärolager, welche die zwei Rollkörper halten. Die Querstangen weisen jeweils einen Betätigungsarm auf, der an ein mechanisches Gestänge montiert ist. Das mechanische Gestänge weist einen Anlenkhebel zum Schwenken der Träger mittels der Betätigungsarme auf. In einer alternativen Ausführungsform ist das Gestänge weggelassen und jeder Arm wird in unabhängige Weise mittels eines einzelnen Aktors betätigt.
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Die vorstehend angegebenen Referenzbeispiele sind alle zur Verwendung als variable Getriebe bestimmt, bei denen es darum geht, dass zwei Wellen vorhanden sind, die sich mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, beispielsweise bei einem stufenlosen Getriebe für Kraftfahrzeuge.
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Die variable Nockenwellenverstellung oder „VCT“ ist ein Prozess, der sich auf ein Steuern und Verändern, wenn dies wünschenswert ist, der Winkelbeziehung (der „Phase“) zwischen der Antriebswelle und einer oder mehreren Nockenwellen, welche die Ansaug- und Auslassventile der Kraftmaschine steuern, bezieht. In einem VCT-Regelungssystem misst das System den Dreh- oder Phasenwinkel einer Nockenwelle in Bezug auf die Kurbelwelle, mit der sie wirkverbunden ist, und ändert dann in Reaktion auf einen Bedarf an entweder einer Erhöhung oder einer Verringerung der Leistung den Phasenwinkel, um verschiedene Kennwerte der Kraftmaschine einzustellen. Üblicherweise handelt es sich dabei um einen geschlossenen Regelkreis, in dem die Sollwerte solcher Kennwerte der Kraftmaschine gegen ihre Istwerte gemessen werden und in Reaktion auf Abweichungen Änderungen in der Kraftmaschine vorgenommen werden.
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Ein VCT-System umfasst eine Nocken-Winkelverstellvorrichtung, mitunter als „Versteller“ bezeichnet, Steuerventile, Steuerventil-Stellantriebe und Steuerschaltungen. In Reaktion auf Eingangssignale stellt der Versteller die Nockenwelle ein, um die Ventilsteuerzeiten der Kraftmaschine entweder nach früh oder nach spät zu verstellen.
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Wenn sich in einem VCT-System die Nockenwelle und die Kurbelwelle mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen, kann das an der Kraftmaschine einen erheblichen Schaden verursachen.
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KURZDARSTELLUNG DER ERFINDUNG
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Gegenstand der Erfindung ist ein stufenlos verstellbares Friktionsgetriebe oder ein stufenloser Versteller, das/der verwendet wird, um eine Nockenscheibe, die an der Nockenwelle angebracht ist, hinsichtlich des Dreh- oder Phasenwinkels relativ zu einer Kettenradscheibe, die von der Kurbelwelle angetrieben wird, einzustellen. In dem Hohlraum zwischen der Kettenradscheibe und der Nockenscheibe sind Scheiben aufgenommen. Die Scheiben können sich frei um eine Drehachse drehen, jedoch ist die Scheiben-Drehachse bezüglich des Nockens und des Kettenrades fixiert, sodass, wenn sich die Kettenradscheibe dreht, die Nockenscheibe von den Scheiben in die entgegengesetzte Richtung gedreht wird. Wenn die Scheiben zu den Drehachsen der Nockenscheibe und der Kettenradscheibe ausgerichtet sind, drehen sich die beiden Letzteren mit der gleichen Geschwindigkeit, jedoch in verschiedene Richtungen. Die Drehachse der Scheiben kann mittels eines Aktors, wie etwa eines Aktors vom Typ Kugelgewindetrieb, schräg gestellt werden, sodass die Scheiben von selbst mit der Nockenscheibe und der Kettenradscheibe in unterschiedlichen Abständen von ihren Drehachsen in Kontakt kommen, wodurch sich die Drehgeschwindigkeit der einen relativ zur anderen ändert. Wenn sich die Drehgeschwindigkeiten von Kurbel- und Nockenwelle unterscheiden, ändert sich der Phasenwinkel zwischen den beiden Wellen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
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1 zeigt eine schematische Darstellung eines Friktionsgetriebes der vorliegenden Erfindung.
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2 zeigt eine schematische Darstellung eines Teilschnitts des Friktionsgetriebes.
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3 zeigt eine Angabe der Drehrichtung der Rollkörper und der Nockenscheibe.
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4 zeigt eine schematische Darstellung eines Friktionsgetriebes in einer Haltestellung.
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5 zeigt einen Abschnitt des Friktionsgetriebes von 4 in der Haltestellung.
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6 zeigt eine schematische Darstellung eines Friktionsgetriebes, das gerade ein Verstellen nach früh durchführt.
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7 zeigt eine schematische Darstellung des Friktionsgetriebes von 6, das gerade ein Verstellen nach früh durchführt.
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8 zeigt eine schematische Darstellung eines Friktionsgetriebes, das gerade ein Verstellen nach spät durchführt.
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9 zeigt eine schematische Darstellung des Friktionsgetriebes von 8, das gerade ein Verstellen nach spät durchführt.
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10A zeigt die Stellung eines Gestänges des Friktionsgetriebes bei der Bewegung in eine Spätverriegelungsstellung.
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10B zeigt die Stellung eines Gestänges des Friktionsgetriebes in einer Haltestellung.
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10C zeigt die Stellung eines Gestänges des Friktionsgetriebes bei der Bewegung in eine Frühverriegelungsstellung.
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11 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Einstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle durch kurzzeitiges Ändern des Verhältnisses des Friktionsgetriebes.
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12 zeigt ein Diagramm der Betätigungsgeschwindigkeit versus die Hubstellung des Aktors.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die 1 bis 3 zeigen ein stufenlos verstellbares Friktionsgetriebe oder einen stufenlosen Versteller 10, das/der verwendet wird, um eine Nockenscheibe 23, die an der Nockenwelle 26 angebracht ist, hinsichtlich des Dreh- oder Phasenwinkels relativ zu einer Kettenradscheibe 12 einzustellen. Das stufenlos verstellbare Friktionsgetriebe 10 wird als Nockenwellenversteller wirksam, indem es dynamisch die Rotationsbeziehung der Nockenwelle 26 einer Verbrennungskraftmaschine bezüglich der Kurbelwelle (nicht gezeigt) einstellt. Die Nockenscheibe 23 kann einstückig mit der Nockenwelle 26 ausgebildet oder an dieser fixiert sein. Die Kettenradscheibe 12 ist auf einer Welle 25 drehbar gelagert, die eine Verlängerung der Nockenwelle 26 ist oder mit Letzterer verschraubt ist.
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Eine Kette oder ein Riemen (nicht gezeigt) verbindet die Kettenradscheibe 12 mit der Kurbelwelle (nicht gezeigt) und zwar über Kettenradzähne 40, sodass die Kurbelwelle die Kettenradscheibe 12 über die Kettenradzähne 40 antreibt. Die Kettenradscheibe 12 dreht sich in eine erste Richtung, entgegengesetzt zur Drehrichtung der Nockenscheibe 23, wie in 3 gezeigt und durch die Pfeile angegeben ist. Die Kettenradscheibe 12 weist eine Innenfläche 14 auf, die nicht eben oder gekrümmt ist, und die Nockenscheibe 23 weist ebenfalls eine Innenfläche 24 auf, die nicht eben oder gekrümmt ist. Die Innenfläche 24 der Nockenscheibe 23 ist parallel zur Innenfläche 14 der Kettenradscheibe 12.
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In einem Hohlraum 28 zwischen der Nockenscheibe 23 und der Kettenradscheibe 12 befinden sich etliche Träger, hier als erster Träger 16 und zweiter Träger 20 dargestellt. Es versteht sich, dass im Rahmen der Lehren der Erfindung die Zahl der Träger und Scheiben zwei sein könnte, wie gezeigt ist, oder eine andere Zahl, wie etwa drei oder vier oder mehr.
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Jeder der Träger 16, 20 enthält eine Scheibe 17, 21 mit einem Außenumfang 18, 22. Der Außenumfang 18, 22 der Scheibe 17, 21 ist mit der Innenfläche 14 der Kettenradscheibe 12 und der Innenfläche 24 der Nockenscheibe 23 in Kontakt. Der Träger 16, 20 schwenkt relativ zur Nockenscheibe 23 und zur Kettenradscheibe 12, um den Winkel der Scheibe 17, 21 relativ zu den Innenflächen 14, 24 der Nocken- und Kettenradscheibe 12, 23 einzustellen. Ansonsten ist der Träger 16, 20 in Bezug auf das Nockenlager 27 ortsfest. Die Scheiben 17, 21 drehen sich um eine Scheibenachse 36 auf Zapfen 15, 19 die an den Trägern 16, 20 fixiert sind.
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Die Kettenradscheibe 12 ist in Richtung der Nockenscheibe 23 vorbelastet, wodurch die Scheiben 17, 21 in Richtung des Kontakts mit den Innenflächen 14, 24 der Kettenradscheibe 12 und der Nockenscheibe 23 vorbelastet werden. Das Vorbelasten kann durch ein Federpaket 11 erfolgen. Zwischen dem Federpaket 11 und der Kettenradscheibe 12 kann ein Drucklager 13 vorhanden sein. Alternativ kann die Vorbelastungskraft von hydraulischen Mitteln bereitgestellt werden. Die Reibung zwischen der Kettenradscheibe 12 und den Scheiben 17, 21 und zwischen der Nockenscheibe 23 und den Scheiben 17, 21 beschränkt den Schlupf zwischen den Komponenten. Ferner sind die Träger 16, 20, die die Scheiben 17, 21 halten, abgesehen von der Rotation, um den Winkel der Scheiben 17, 21 zu ändern, in Bezug auf das Kopf- oder Nockenlager 27 ortsfest.
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Die Träger 16, 20 sind via ein Verbindungsglied 33 und Gestänge 31, 32 mit einer Aktorstange 30 eines Aktors 29 mechanisch verbunden. Der Aktor 29 betätigt die Stange 30 und das Verbindungsglied 33, um die Stellung der Träger 16, 20 und somit die Stellungen der Scheiben 17, 21 relativ zu den Innenflächen 14, 24 der Nockenscheibe 23 und der Kettenradscheibe 12 zu schwenken oder zu drehen. Der Aktor 29 empfängt Eingaben von unterschiedlichen Sensoren 41 der Kraftmaschine und kann von einer Kraftmaschinen-Steuereinheit (ECU) 42 mit Controllern gesteuert werden. Die Kraftmaschinensensoren 41 können die Stellung der Nockenwelle 26, die Stellung der Kurbelwelle, die Stellungen der Scheiben 17, 21 und andere Kraftmaschinenbedingungen erfassen.
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Wenn sich die Kettenradscheibe 12 dreht, wird durch die Berührungspunkte der Scheiben 17, 21 mit der Innenfläche 14 der Kettenradscheibe 12 und der Innenfläche 24 der Nockenscheibe 23 auch die Nockenscheibe 23 gedreht und zwar in die entgegengesetzte Richtung. Die Drehachse 36 der Scheiben 17, 21 kann mittels eines Aktors 29, wie etwa eines Aktors vom Typ Kugelgewindetrieb, schräg gestellt werden, sodass der Außenumfang 18, 22 der Scheiben 17, 21 von selbst in unterschiedlichen Abständen von der Nockendrehachse R mit den Innenflächen 14, 24 der Nockenscheibe 23 und der Kettenradscheibe 12 in Kontakt kommt, wodurch sich die Drehgeschwindigkeit der einen relativ zur anderen ändert und sich die Phase zwischen der Nockenwelle 26 und der Kurbelwelle (nicht gezeigt) ändert.
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Mit Bezug auf die 4 bis 5 und 10B: Der Abstand A ist die Entfernung zwischen den Punkten des Kontakts CP1, CP2 des Außenumfangs 18, 22 der Scheiben 17, 21 mit der Innenfläche 14 der Kettenradscheibe 12. Der Abstand B ist die Entfernung zwischen den Punkten des Kontakts CP1, CP2 des Außenumfangs 18, 22 der Scheiben 17, 21 mit der Innenfläche 24 der Nockenscheibe 23.
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Wenn die Scheiben 17, 21 derart ausgerichtet sind, dass die Drehachse 36 der Zapfen 15, 19 senkrecht zur Drehachse R der Nockenwelle 26 ist, sind der Abstand A und der Abstand B ungefähr gleich. In dieser Konfiguration drehen sich die Nockenscheibe 23 und die Kettenradscheibe 12 mit der gleichen Geschwindigkeit und es tritt keine Phasenänderung zwischen der Nockenwelle 26 und der Kurbelwelle (nicht gezeigt) auf. Der Versteller ist demnach in einer Haltestellung. Es sollte beachtet werden, dass der Ausdruck „ungefähr“ bezüglich des Abstandes A und des Abstandes B verwendet wurde, um einen Schlupf zu berücksichtigen, bei dem der Abstand möglicherweise nicht genau gleich ist.
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Mit Bezug auf die 6 bis 7 und 10C: In dieser Stellung ist der Winkel der Scheiben 17, 21 derart, dass der Abstand A größer als der Abstand B ist. Wenn aufgrund der Schrägstellung der Scheiben 17, 21 der Abstand A größer als der Abstand B ist, bewirkt eine Umdrehung der Kettenradscheibe 12, dass die Nockenscheibe 23 mehr als eine Umdrehung vollführt, und folglich wird die Stellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle (nicht gezeigt) nach früh verstellt.
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Mit Bezug auf die 8 bis 9 und 10A: In dieser Stellung ist der Winkel der Scheiben 17, 21 derart, dass der Abstand A kleiner als der Abstand B ist. Wenn aufgrund der Schrägstellung der Scheiben 17, 21 der Abstand A kleiner als der Abstand B ist, muss die Kettenradscheibe 12 mehr als eine Umdrehung ausführen, damit die Nockenscheibe 23 eine Umdrehung ausführt, und folglich wird die Stellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle (nicht gezeigt) nach spät verstellt.
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Es versteht sich, dass in den vorstehend dargestellten Situationen, in denen der Abstand A ungleich dem Abstand B ist, der Versteller derart betrieben wird, dass sich die Kurbelwelle und die Nockenwelle nur lange genug, um die Phase der einen gegenüber der anderen zu ändern, mit verschiedenen Geschwindigkeiten drehen und dann der Versteller so zurückgestellt wird, dass für die Abstände A = B gilt und die Nockenwelle 26 und die Kurbelwelle (nicht gezeigt) sich wieder mit der gleichen Geschwindigkeit drehen. Das heißt, die Änderung des Drehzahlverhältnisses zwischen den beiden Wellen erfolgt gewollt nur für eine verschwindend kurze Zeitspanne, die gerade lang genug ist, damit die Phase zwischen der Kurbelwelle (nicht gezeigt) und der Nockenwelle 23 um wenige Grad geändert wird.
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12 zeigt ein Diagramm der Änderungsgeschwindigkeit der Phase zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle (Geschwindigkeit der Winkelverstellung) versus die Hubstellung des Aktors. Die in 12 gezeigten Werte dienen nur als Beispiel.
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Die Geschwindigkeiten der Phasen- bzw. Winkelverstellung bei speziellen Drehzahlen sind als durchgezogene Linie 120, gestrichelte Linie 122 und Strich-Punkt-Punkt-Linie 121 dargestellt. Der mit Punkten gezeichnete Kasten 123 repräsentiert ein Vorauseilen bzw. Verstellen nach früh der Stellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Der mit langem Strich – kurzem Strich gezeichnete Kasten 124 repräsentiert ein Zurückbleiben bzw. Verstellen nach spät der Stellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle.
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Im Ursprung des Diagramms 125, das heißt bei einer Geschwindigkeit der Phasen- bzw. Winkelverstellung von null und einer Aktorstellung von null, ändert sich die Phase der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle nicht.
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Das Diagramm von 12 zeigt, wie basierend auf der Drehzahl der Kraftmaschine die Geschwindigkeit der Phasen- bzw. Winkelverstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle beim Verstellen nach früh und beim Verstellen nach spät verändert wird. Je höher die Drehzahl der Kraftmaschine ist, desto größer ist die Änderungsgeschwindigkeit, wenn der Aktor 29 die Schrägstellung der Drehachse der Scheiben 17, 21 hin zu einer vorgegebenen Stellung verändert.
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11 zeigt einen Ablaufplan eines Verfahrens zum Einstellen der Phase einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle durch kurzzeitiges Ändern des Verhältnisses des Friktionsgetriebes.
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In einem ersten Schritt (Schritt 70) bestimmt die ECU 42 eine Sollphase der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle auf der Grundlage von Kraftmaschinenbedingungen. Außerdem bestimmt die ECU 42 die Iststellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle (nicht gezeigt) mittels Nocken- und Kurbelwellensensoren 41. Die speziellen Verfahren zum Bestimmen der Sollphase und der Istphase sind allgemein bekannt und sind kein Bestandteil der Erfindung. Die Kraftmaschinenbedingungen können die Last der Kraftmaschine, die Umdrehungen pro Minute (rpm), die die Kurbelwelle ausführt, die Geschwindigkeit des Fahrzeugs, die Drosselklappenstellung, den Kraftstofffluss und andere Bedingungen, wie allgemein bekannt ist, umfassen.
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Die ECU 42 berechnet die erforderliche Richtung der Betätigung, um zu bewirken, dass das stufenlos verstellbare Friktionsgetriebe oder der stufenlose Versteller 10 die Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle bewegt, um die Sollphase der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle zu erreichen (Schritt 72). Vorzugsweise wird die ECU 42 auch eine Aktorstellung bestimmen, um die Änderung der Phase in einer gewünschten Zeit auszuführen, wobei sie, wie bereits erörtert und in 12 gezeigt, die Geschwindigkeit der Phasen- bzw. Winkelverstellung im Verhältnis zur Drehzahl der Kraftmaschine berücksichtigt.
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Die ECU 42 sendet ein Signal zum Bewegen der Stellung des Aktors 29 eine Zeit lang, die ausreicht, um die Sollphase zu erzielen (Schritt 74). Der Aktor 29 würde die Stange 30 und das Verbindungsglied 33 betätigen, um die Stellung der Träger 16, 20 und somit die Stellung der Scheiben 17, 21 relativ zu den Innenflächen der Nockenscheibe 23 und der Kettenradscheibe 12 zu schwenken oder zu drehen. Das Ausmaß der Bewegung der Aktorstellung kann aus der bekannten Änderungsgeschwindigkeit der Phase im Verhältnis zur Drehzahl der Kraftmaschine wie in der bereits beschriebenen beispielhaften 12 bestimmt werden.
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Als Beispiel sei angenommen, dass die Kraftmaschine 2500 Umdrehungen pro Minute vollführt und die Sollphase einer Vorverstellung bzw. Verstellung nach früh um 5° von der momentanen Stellung entspricht. Bei dieser Drehzahl ergibt sich, nach 12, bei einer Bewegung des Aktors 29 um ±0,6 mm eine Phasenänderung von 500° pro Sekunde. Bei einer gewünschten Änderung um 5° kann die gewünschte Phasenänderung durch Bewegen des Aktors 29 um –0,6 mm während 0,01 Sekunden (5° dividiert durch 500°/s) erfolgen. Wenn eine höhere oder niedrigere Änderungsgeschwindigkeit der Phase gewünscht ist, kann der Aktor mehr oder weniger bewegt werden. In diesem Beispiel ist die Änderung als sprungartige Änderung (z. B. Sprung zu genau dem Betrag, der erforderlich ist, um die Änderung vorzunehmen) zu einer bestimmten Stellung erörtert worden, es sollte jedoch beachtet werden, dass die Bewegung des Aktors 29 auch hoch- oder heruntergefahren werden kann, um die Änderung wie erforderlich zu erzielen.
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Sobald die Sollphasenverstellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle (nicht gezeigt) erreicht ist (Schritt 76), wird der Aktor 29 in eine Haltestellung bewegt, in der sich die Nockenwelle 26 und die Kurbelwelle mit der gleichen Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen drehen (Schritt 78), und das Verfahren endet.
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Ein Bestimmen, dass die Sollphasenverstellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle (nicht gezeigt) erreicht worden ist, kann auf der Grundlage einer Berechnung der Geschwindigkeit der Phasen- bzw. Winkelverstellung bei der Istdrehzahl der Kraftmaschine und der momentanen Aktorstellung erfolgen. Mit anderen Worten, die ECU 42 könnte den Aktor eine bestimmte Zeit lang bewegen und ihn dann in die Haltestellung zurückstellen. Vorzugsweise würde jedoch anhand einer Istwertmessung durch Abfühlen der Nocken- und Kurbelwellenstellungen mittels Sensoren, die Eingaben für die ECU 42 bereitstellen, bestimmt werden, dass die Sollphasenverstellung der Nockenwelle 26 relativ zur Kurbelwelle erreicht worden ist.
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Demgemäß versteht sich, dass die hier beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung lediglich der Veranschaulichung der Grundzüge der Erfindung dienen. Eine hier erfolgte Bezugnahme auf Details der dargestellten Ausführungsformen soll den Schutzbereich der Ansprüche nicht einschränken, die wiederum jene Merkmale aufführen, die als für die Erfindung wesentlich erachtet werden.
