EP1509684B1 - Vorrichtung zur relativen winkelverstellung zwischen zwei rotierenden elementen - Google Patents

Vorrichtung zur relativen winkelverstellung zwischen zwei rotierenden elementen Download PDF

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EP1509684B1 EP03722513A EP03722513A EP1509684B1 EP 1509684 B1 EP1509684 B1 EP 1509684B1 EP 03722513 A EP03722513 A EP 03722513A EP 03722513 A EP03722513 A EP 03722513A EP 1509684 B1 EP1509684 B1 EP 1509684B1
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    • F01L2800/00—Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • F01L2800/12—Fail safe operation

Definitions

  • the invention relates to a device for relative angular displacement between two rotating, drive-connected elements according to the preamble of claim 1.
  • From the DE 100 36 275 A1 is a generic device for relative angular displacement between a camshaft and a crankshaft of an internal combustion engine known.
  • the camshaft is assigned in the drive of the crankshaft a sprocket, which drives the camshaft through the intermediary of a transmission member.
  • the transmission member makes it possible to set a change in the relative angular position of the two rotating elements. This change is effected by an electric actuator whose rotor acts on a control shaft of the transmission member and which rotates in any operating state of the device.
  • the invention has for its object to provide a device in which the actuator has a low electrical energy consumption and the device safe emergency.
  • a significant advantage of the invention is that in normal operation, the transmission member can be blocked with unchanged relative angular position of the two rotating elements and the actuator requires no energy. This leads to an overall lower energy consumption and thus to a lower heat load of the actuator. Should it nevertheless come to an impermissible heating of the actuator, this can be stopped when the engine is running for cooling, without leading to an uncontrolled adjustment of the relative angular position of the two rotating elements.
  • an automatic blocking of the transmission element thus a trouble-free emergency is guaranteed.
  • 1 denotes a rotating element, which is designed as a camshaft.
  • the rotating element 1 is in the drive of a crankshaft, not shown, of the internal combustion engine, a further rotating element 2, which is designed as a sprocket assigned.
  • the rotating element 2 drives the rotating element 1 through the intermediary of a transmission member 3, so that the rotating element 1 and the rotating element 2 have the same rotational speed.
  • the bearing at its periphery a chain, rotating element 2 is arranged concentrically to the rotating element 1 and encloses this, wherein the transmission member 3 is located between the rotating element 1 and the rotating element 2.
  • This transfer member 3 can, for example, as a planetary gear, swash plate mechanism o.ä. be formed and has an actuating shaft 4, which is acted upon by a rotor 5a of an electric actuator 5.
  • the drive torque required for adjusting is generated between the rotor 5a and a stator 5b of the actuator 5.
  • control shaft 4 is according to the invention with one of the rotating elements 1 or 2 operatively connected, wherein in the embodiment, the operative connection between the adjusting shaft 4 and rotating element 2 is shown.
  • the operative connection of the control shaft 4 with the rotating element 2 is effected by the rotor 5a of the actuator 5, which is connected axially displaceable with the control shaft 4.
  • the transmission member 3 is blocked, whereby the relative angular position of the two rotating elements 1 and 2 remains constant.
  • an axial force component F A2 between the stator 5b and the rotor 5a of the actuator 5 is effective. This can be done, for example, by an axial offset 7 between the stator 5b and the rotor 5a, since the magnetic force action between the rotor 5a and the stator 5b causes this axial force component F A2 through this offset 7.
  • the rotor 5a In order to store the rotor 5a not fixed to the housing and thereby to generate friction losses, the rotor 5a is mounted on the rotating element 1, wherein a bearing on another rotating element, such as the control shaft 4, is conceivable.
  • the operative connection between the control shaft 4 and one of the rotating elements 1, 2 can also be done by a not shown here, to be controlled separately component.
  • the component may be formed as a frictional connection element, such as a brake, and / or as a positive connection element, such as a clutch, and / or a frictional connection element, such as a magnetic coupling.
  • Each of the above-described active connection options can advantageously be effected by friction.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die über ein eine Stellwelle aufweisendes übertragungsglied verbunden sind, das über einen Rotor eines elekt rischen Stellantriebs beaufschlagt ist, und über das durch Veränderung seiner Relativlage zu den rotierenden Elementen deren relative Winkelstellung veränderbar ist. Um eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden Elementen so auszubilden, dass der Stellantrieb einen geringen elektrischen Energieverbrauch und die Vorrichtung einen sicheren Notlauf aufweist, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Stellwelle mit mindestens einem der rotierenden Elemente wirkverbindbar ist.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen gemäss dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise bei Brennkraftmaschinen bekannt und werden dort zur relativen Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle vorgesehen. Durch diesen Eingriff in die Ventiltriebskinematik werden die Phasenlage der Ventilöffnung, die Öffnungsdauer und der Ventilhub in Grenzen variabel beeinflusst.
  • Aus der DE 100 36 275 A1 ist eine gattungsgemässe Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Nockenwelle ist im Antrieb von der Kurbelwelle ein Kettenrad zugeordnet, das die Nockenwelle unter Vermittlung eines Übertragungsgliedes antreibt. Das Übertragungsglied erlaubt es eine Veränderung der relativen Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente einzustellen. Diese Veränderung wird durch einen elektrischen Stellantrieb bewirkt, dessen Rotor eine Stellwelle des Übertragungsgliedes beaufschlagt und der in jedem Betriebszustand der Vorrichtung mitdreht.
  • Bei durch Schwingungen ausgelösten Trägheitskräften auf den Rotor des Stellantriebes oder die Stellwelle des Übertragungsgliedes können unerwünschte Verstellungen der relativen Winkelstellung erfolgen. Dies muss vom Stellantrieb ausgeregelt werden und erfordert einen permanenten Energieeinsatz. Bei Ausfall des Stellantriebs ist diese Funktion nicht mehr möglich, es erfolgen unkontrollierte Verstellungen, die den Betrieb der Brennkraftmaschine erschweren und möglicherweise die Brennkraftmaschine beschädigen können. Da der Stellantrieb permanent mitlaufen muss, kann sich dieser auch im Normalbetrieb unzulässig erwärmen. In einem solchen Fall müsste die Brennkraftmaschine um eine Beschädigung des Stellantriebes zu vermeiden, stillgesetzt werden.
  • Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 100 38 354 A1 und die DE 41 10 195 A1 verwiesen.
  • Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher der Stellantrieb einen geringen elektrischen Energieverbrauch und die Vorrichtung einen sicheren Notlauf aufweist.
  • Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelöst.
  • Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Normalbetrieb das Übertragungsglied bei unveränderter relativer Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente blockiert werden kann und der Stellantrieb keine Energie benötigt. Dies führt zu einem insgesamt geringeren Energieverbrauch und damit zu einer geringeren Wärmebelastung des Stellantriebes. Sollte es dennoch zu einer unzulässigen Erwärmung des Stellantriebs kommen, kann dieser bei laufender Brennkraftmaschine zur Abkühlung stillgesetzt werden, ohne dass es zu einer unkontrollierten Verstellung der relativen Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente führt. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung, bei der im unbestromten Zustand des Stellantriebes, dessen Rotor mit mindestens einem der rotierenden Elemente wirkverbunden ist, erfolgt bei Ausfall des Stellantriebes eine automatische Blockierung des Übertragungsgliedes, somit ist ein problemloser Notlauf gewährleistet.
  • Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.
  • Nachstehend wird die Erfindung anhand einer schematisierten, teilweisen Schnittdarstellung erläutert, die einen Ausschnitt aus einem Nockenwellenantrieb einer Brennkraftmaschine mit einer erfindungsgemässen Vorrichtung zeigt.
  • In der teilweise im Schnitt gezeigten Schemadarstellung des Nockenwellenantriebes einer Brennkraftmaschine ist mit 1 ein rotierendes Element, das als Nockenwelle ausgebildet ist, bezeichnet. Dem rotierenden Element 1 ist im Antrieb von einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein weiteres rotierendes Element 2, welches als Kettenrad ausgeführt ist, zugeordnet. Das rotierende Element 2 treibt das rotierende Element 1 unter Vermittlung eines Übertragungsgliedes 3 an, so dass das rotierende Element 1 und das rotierende Element 2 die gleiche Drehzahl aufweisen. Das an seinem Umfang eine Kette tragende, rotierende Element 2 ist konzentrisch zum rotierenden Element 1 angeordnet und umschliesst dieses, wobei das Übertragungsglied 3 zwischen dem rotierenden Element 1 und dem rotierenden Element 2 liegt. Dieses nicht näher dargestellte Übertragungsglied 3 kann beispielsweise als Planetengetriebe, Taumelscheibengetriebe o.ä. ausgebildet sein und weist eine Stellwelle 4 auf, die von einem Rotor 5a eines elektrischen Stellantriebes 5 beaufschlagt wird. Das zum Verstellen erforderliche Antriebsmoment wird zwischen dem Rotor 5a und einem Stator 5b des Stellantriebes 5 erzeugt.
  • Durch eine Relativdrehung der Stellwelle 4 können die beiden rotierenden Elemente 1, 2 in ihrer relativen Winkelstellung zueinander verändert werden. Die Relativdrehung der Stellwelle 4 wird über den Rotor 5a des Stellantriebes 5 bewirkt.
  • Um einen niedrigen Energieverbrauch und eine zuverlässige Notlauffunktion zu erreichen, ist die Stellwelle 4 erfindungsgemäss mit einem der rotierenden Elemente 1 oder 2 wirkverbindbar, wobei im Ausführungsbeispiel die Wirkverbindung zwischen Stellwelle 4 und rotierendem Element 2 dargestellt ist. Die Wirkverbindung der Stellwelle 4 mit dem rotierenden Element 2 erfolgt durch den Rotor 5a des Stellantriebes 5, der axial verschieblich mit der Stellwelle 4 verbunden ist. Durch die Wirkverbindung der Stellwelle 4 mit dem rotierenden Element 2 wird das Übertragungsglied 3 blockiert, wodurch die relative Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente 1 und 2 konstant bleibt.
  • Bei unbestromtem Stellantrieb ist der Rotor 5a mit dem rotierenden Element 2 wirkverbunden. Die Wirkverbindung zwischen Rotor 5a und rotierendem Element 2 erfolgt durch eine Axialkraftbeaufschlagung FA1 des Rotors 5a, wobei die Beaufschlagung mittels einer Tellerfeder 6 erzeugt wird. Zur Erzeugung dieser Axialkraft FA1 können auch andere Wirkprinzipien herangezogen werden.
  • Bei bestromtem Stellantrieb ist die Wirkverbindung zwischen Rotor 5a und rotierendem Element 2 gelöst um die elektrische Antriebsleistung des Stellantriebs 5 gering zu halten. Vorteilhafterweise ist bei bestromtem Stellantrieb 5 eine Axialkraftkomponente FA2 zwischen Stator 5b und Rotor 5a des Stellantriebes 5 wirksam. Dies kann beispielsweise durch einen Axialversatz 7 zwischen Stator 5b und Rotor 5a erfolgen, da durch diesen Versatz 7 die Magnetkraftwirkung zwischen Rotor 5a und Stator 5b diese Axialkraftkomponente FA2 hervorruft.
  • Um den Rotor 5a nicht gehäusefest zu lagern und dadurch Reibungsverluste zu erzeugen, ist der Rotor 5a auf dem rotierenden Element 1 gelagert, wobei auch eine Lagerung auf einem anderen rotierenden Element, wie beispielsweise der Stellwelle 4, denkbar ist.
  • Die Wirkverbindung zwischen der Stellwelle 4 und einem der rotierenden Elemente 1, 2 kann auch durch ein hier nicht dargestelltes, separat anzusteuerndes Bauteil erfolgen. Das Bauteil kann als reibschlüssiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Bremse, und/oder als formschlüssiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Kupplung, und/oder ein kraftschlüssiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Magnetkupplung, ausgebildet sein.
  • Jede der oben beschrieben Wirkverbindungsmöglichkeiten kann vorteilhafterweise reibschlüssig erfolgen.

Claims (13)

  1. Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen (1, 2), die über ein eine Stellwelle (4) aufweisendes Übertragungsglied (3) verbunden sind, das über einen Rotor (5a) eines elektrischen Stellantriebs (5) beaufschlagt ist, und über das durch Veränderung seiner Relativlage zu den rotierenden Elementen (1, 2) deren relative Winkelstellung veränderbar ist,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Stellwelle (4) mit mindestens einem der rotierenden Elemente (1, 2) schaltbar wirkverbunden ist.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass durch die Wirkverbindung der Stellwelle (4) mit einem der rotierenden Elemente (1, 2) die relative Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente (1, 2) im wesentlichen konstant bleibt.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wirkverbindung der Stellwelle (4) mit einem der rotierenden Elemente (1, 2) durch den Rotor (5a) des Stellantriebes (5) erfolgt.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei unbestromtem Stellantrieb (5), dessen Rotor (5a) mit mindestens einem der rotierenden Elemente (1, 2) wirkverbunden ist.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wirkverbindung zwischen Rotor (5a) und rotierendem Element (1, 2) durch eine Axialkraftbeaufschlagung (FA1) des Rotors (5a) erfolgt.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 3,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei bestromtem Stellantrieb (5) die Wirkverbindung gelöst ist.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass bei bestromtem Stellantrieb (5) eine Axialkraft (FA2) zwischen einem Stator (5b) und dem Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) wirksam wird.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Axialkraftwirkung (FA2) zwischen Stator (5b) und Rotor (5a) durch einen axialen Versatz (7) zwischen Stator (5b) und Rotor (5a) verursacht wird.
  9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) auf einem der rotierenden Elemente (1, 2) gelagert ist.
  10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass der Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) mit einer Stellwelle (4) unmittelbar verbunden ist.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wirkverbindung zwischen der Stellwelle (4) und dem rotierenden Element (1, 2) durch ein separat anzusteuerndes Bauteil erfolgt.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass das separat anzusteuernde Bauteil eine reibschlüssige und/oder eine formschlüssige und/oder eine kraftschlüssige Verbindung herbeiführt.
  13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet,
    dass die Wirkverbindung reibschlüssig erfolgt.
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