EP2350442B1 - Verstellsystem für nockenwellen einer brennkraftmaschine - Google Patents

Verstellsystem für nockenwellen einer brennkraftmaschine Download PDF

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EP2350442B1
EP2350442B1 EP09736420.2A EP09736420A EP2350442B1 EP 2350442 B1 EP2350442 B1 EP 2350442B1 EP 09736420 A EP09736420 A EP 09736420A EP 2350442 B1 EP2350442 B1 EP 2350442B1
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EP
European Patent Office
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electromagnet
pad carrier
friction surface
carrier
spring
Prior art date
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EP09736420.2A
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French (fr)
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EP2350442A1 (de
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Jochen Walliser
Frank Richter
Ewald Schmitz
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ZF Friedrichshafen AG
Original Assignee
ZF Friedrichshafen AG
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Publication date
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    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
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    • F01L2001/3522—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using bevel or epicyclic gear with electromagnetic brake
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
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    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2800/00—Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • F01L2800/12—Fail safe operation

Definitions

  • Adjustment system for camshafts of an internal combustion engine with emergency function comprising a superposition gearbox with a driven by a crankshaft of the internal combustion engine drive element, a camshaft of the internal combustion engine driving output element and an actuating element, by means of a device for applying a variable braking torque for normal operation on the actuating element Can cause relative rotation between the drive element and the output element, wherein in case of failure of the device and / or its control by braking or setting of the actuating element emergency position of the camshaft can be reached and preserved.
  • Such an adjustment system is in the DE 102 20 687 A1 described.
  • an adjusting motor is used, the stator is either fixed to the cylinder head, in which the camshaft is mounted, and whose rotor acts on the drive element of the superposition gear, or the stator is fixedly connected to the drive element, wherein the rotor also on the actuator of the superposition gear acts.
  • the adjusting motor can be designed as a permanent magnet adjustment motor or as a separately excited DC motor.
  • the rotor In an adjusting motor designed as a permanent magnet motor whose stator is rotatably connected to the cylinder head of the internal combustion engine, the rotor must be controlled so that it is in stationary operation, ie when a predetermined phase position of the drive element, which is driven by the crankshaft of the internal combustion engine, compared to Output element that drives the camshaft, has reached a predetermined value, at the same speed as the drive element rotates. To adjust the camshaft to "early” or “late”, this rotor is momentarily slower or faster than the drive element in rotation, until the desired phase position is reached.
  • Such, designed as a permanent magnet motor adjusting motor has according to the DE 102 20 687 A1 a self-holding torque, which increases from a central position in both directions of rotation to a maximum and then drops again.
  • the self-holding torque is the maximum torque with which you can statically load a non-energized variable motor without causing a non-uniform but continuous rotation.
  • This self-holding torque may be sufficient to cause an adjustment of the actuating element in a Notertonposition when the voltage application of the servomotor and / or its control fails. If this self-holding torque is insufficient to set the actuating element, an external braking torque must additionally be applied by a cylinder-head-resistant, mechanically or electrically acting brake. In a stator rotating with the drive element, this cylinder-head-resistant, mechanically or electrically acting brake is even absolutely necessary.
  • an adjusting device for a camshaft which has a driven by a crankshaft of the internal combustion engine drive element, a camshaft driving output element and an actuating element, which is acted upon by a brake with a braking force.
  • a brake By a variation of the braking torque on the adjusting element, a relative rotation between the drive element and the driven element can be achieved.
  • the design of the adjusting device allows any phase angle between the drive element and the output element.
  • the brake is considered a non-contact, electromagnetic Brake executed.
  • a hysteresis brake is used whose braking torque is independent of the speed.
  • adjusting devices for a camshaft of an internal combustion engine are known from DE 10 2004 043 548 A1 .
  • DE 10 2004 033 522 A1 and DE 10 2006 011 806 A1 known.
  • the adjusting device according to the DE 10 2006 011 806 A1 has a brake system as well as an output side connected to a camshaft on the output side and with the crankshaft of the engine drive side, wherein the superposition gear for adjusting the camshaft dissipates a part of the drive-side energy in the brake system.
  • the brake system is designed as a frictional braking system, wherein the required braking force is generated via a friction lining located in the long-term slip.
  • the DE 10 2005 037 158 A1 describes an adjustment system for camshafts of an internal combustion engine with emergency function according to the preamble of claim 1.
  • the invention has the object to provide an adjustment system for camshafts of an internal combustion engine with emergency function, which is simple and easy to control.
  • an adjustment system comprising a superposition gear with a driven by a crankshaft of the engine drive element, a camshaft of the internal combustion engine driving output element and an actuator, by means of a device for applying a variable braking torque for normal operation on the Actuator can cause a relative rotation between the drive element and the output element, in case of failure the device and / or its control by braking or setting the actuator an emergency position of the camshaft reachable and durable, provided that a lining carrier of the device is axially displaceable and non-rotatably mounted on a shaft supporting the actuator that the braking torque for normal operation means one on the pad carrier against the force of a spring and non-contact, fixed and acted upon with different voltage electromagnet is variable, and that the lining carrier in the failure of the voltage application of the electromagnet and / or its control by the force of the spring against a fixed Gegenreib Structure pressed and thereby the emergency position is adjustable.
  • the electromagnet In normal operation, the electromagnet is subjected to an electrical voltage which is variable in dependence on the predetermined phase angle between the crankshaft and the camshaft in height, whereby the contact pressure of the spring against the fixed Schmidtreib Scheme is more or less reduced, so that the actuator can rotate relative to the drive element until the predetermined phase angle is reached.
  • the superposition gearing according to the invention is designed as a planetary gearing, with an output element consisting of a ring gear, with a drive element consisting of a planetary carrier, with planetary gears and with an actuator consisting of a sun gear, wherein the planet carrier has at least one radially spaced recess, wherein the ring gear has at least one axially projecting, engaging in the recess control nose, and at the circumferentially spaced end faces of the at least one recess stops form for the at least one control nose and represent the extreme adjustment positions of the camshaft relative to the drive element.
  • the cooperating control nose on the output element forming ring gear can accumulate upon application of the electromagnet with a corresponding electrical voltage and reversing the forces acting in the superposition gear moments on the ramp to reach the cam surface.
  • the pressure plate is displaced axially, after which the phase angle between the drive element and the output element can be changed with a constant bias of the spring acting on the lining carrier.
  • the end region of the cam surface can also be formed as a locking pocket in which the control nose is held securely when reaching the emergency running position even when increased torques, for example breakaway torques, occur. In this case, it is necessary to move the thrust washer axially by external action when the locking of the control nose is to be lifted at the ring gear in the locking pocket.
  • the electromagnet is arranged with respect to the lining carrier and the counter friction surface, that in normal operation acting between the lining carrier and arranged on one side of the lining carrier Jacobreib Reality braking torque by applying the electromagnet with a variable voltage to the complete concerns of Pad carrier produced at the Gegenreib Simulation against the force of the spring and the braking torque for the emergency position in case of failure of the voltage application of the electromagnet and / or its control by pressing the pad carrier through the spring force against a arranged on the other side of the lining carrier, fixed Jacobreib Structure is generated.
  • the adjustment system according to Fig. 1 comprises a trained as a planetary gear superposition gear with a ring gear 1, which forms the output element, with a planet carrier 2 with a sprocket for connecting the same with a crankshaft of an internal combustion engine by means of a Roller or toothed chain, which forms the drive element, with planetary gears 3 rotatably mounted on bearing axles 23 and with a sun gear 4 mounted on a central shaft 5 as an actuating element.
  • a camshaft 21 is driven in the cylinder head of the internal combustion engine.
  • the output element 1 is rotatably connected to the camshaft 21 by means of a screw.
  • a stationary component 6 of the internal combustion engine which may be part of the cylinder head, carries a counter friction surface 7 which cooperates with a lining carrier 8 provided with a friction lining 9.
  • the lining carrier 8 is rotatably mounted on the shaft 5 against the force of a spring 10 which is formed in the illustrated embodiment as a plate spring, and mounted axially displaceable against a stop 28.
  • the axial displacement of the lining carrier 8 is effected by an electromagnet 11 which is fixedly arranged in the component 6.
  • the formed on the shaft 5 stop 28 limits the axial movement of the pad carrier 8 upon application of the electromagnet 11 with a voltage such that no contact and thus no friction between the pad carrier 8 and the electromagnet 11 occurs.
  • a thrust washer 12 is rotatably supported by means of a rolling bearing 19 on a rotationally fixed sleeve 17, wherein the sleeve 17 is axially displaceable by the force of the spring 10 on the shaft 5.
  • the thrust washer 12 engages with diametrically opposed control cam 13 in circular arc-shaped recesses 15 of the drive element 2 a.
  • the extent of the control cam 13 in the circumferential direction corresponds to the extension of the recesses 15 in the circumferential direction, so that the pressure plate 12 rotates with the drive element 2 substantially free of play, but is axially displaceable.
  • a cam surface 20 of the control cam 13 in a formed as a locking pocket 22 lowering, which receives a control cam 16 in the locking position, so that the output element 1 and the drive element 2 are coupled positively in the emergency position with each other.
  • the lowering at the end of the cam surface 20 is formed as a ramp 14, each receiving a control cam 16 in the locking position and allows sliding out of the control cam 16 under certain conditions.
  • the output element 1 and the drive element 2 are mounted on the sun gear 4 by means of rolling bearings 18.
  • the planet gears 3 mesh in a known manner with their teeth on the one hand with the outer toothing of the sun gear 4 and with the internal toothing of the ring gear first
  • Intermediate positions can be adjusted by reducing the voltage applied to the electromagnet 11 until a friction torque corresponding to the respective angular position is set between the counter friction surface 7 and the friction lining 9 on the lining carrier 8, which is in equilibrium with the resistance moment of the internal combustion engine Camshaft 21 is located.
  • the axial displacement of the pressure plate 12 in the emergency position results in a reduced friction torque between the friction lining 9 on the lining carrier 8 and the counter friction surface 7, whereby an overload of the friction lining 9 is prevented by excessive heating.
  • the axial movement of the lining carrier 8 is limited by the stop 28 so that it does not come to rest on the pad carrier 8 on the electromagnet 11 when it is acted upon by the maximum electrical voltage and the friction lining 9 is completely lifted off the counter friction surface 7 on the lining carrier 8 , so that no unwanted friction between the lining carrier 8 and the electromagnet 11 may occur.
  • the lining carrier 8 and the spring 10 are mounted directly on the shaft 5, without additional support on the electromagnet 11, which can be further storage between the electromagnet 11 and the shaft 5 can save.
  • the embodiment according to Fig. 6 has, instead of the pressure plate 12, an additional counter friction surface 24 on the stationary component 6, which is arranged with respect to the counter friction surface 7 on the other side of the lining carrier 8, which carries a friction lining 9 on one axial side and an emergency friction lining 26 on the opposite side ,
  • the electromagnet 11 is arranged in this embodiment on the side of the counter-friction surface 7 and pulls the lining carrier 8 against the force of the spring 10, which is supported on a stop 25 on the sun gear 4, against the counter-friction surface 7. Also in this case limits a stop 29 on the sun gear 4, the axial displaceability of the lining carrier 8, so that it does not come into contact with the electromagnet 11.
  • the spring 10 presses the lining carrier 8 with the emergency friction lining 26 against the stationary counter-friction surface 24, so that the emergency running position of the ring gear 1 or the camshaft 21 is assumed upon rotation of the drive element 2 due to the friction torque occurring thereby.
  • the friction lining 9 of the lining carrier 8 is pressed more or less strongly against the counter-friction surface 7, whereby, as in the embodiment according to FIG Fig. 1 , a friction torque tuned for adjusting the phase angle of the camshaft 21 to the respective desired phase angle is generated and this phase angle is maintained.
  • the extreme positions of the output element 1 with respect to the drive element 2 are also determined here by recesses 15 in the drive element 2 and control lugs 16 on the output element 1, while intermediate positions by the adjustable by means of the electromagnet 11 braking torque between the friction lining 9 on the lining carrier 8 and the counter friction surface. 7 be determined.

Description

  • Verstellsystem für Nockenwellen einer Brennkraftmaschine mit Notlauffunktion, umfassend ein Überlagerungsgetriebe mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebselement, einem eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine antreibenden Abtriebselement und einem Stellelement, durch das sich mittels einer Einrichtung zum Aufbringen eines für den Normalbetrieb veränderbaren Bremsmoments auf das Stellelement eine Relativdrehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement bewirken lässt, wobei bei Ausfall der Einrichtung und/oder ihrer Steuerung durch Abbremsen bzw. Festsetzen des Stellelements eine Notlaufposition der Nockenwelle erreichbar und haltbar ist.
  • Ein derartiges Verstellsystem ist in der DE 102 20 687 A1 beschrieben. Bei diesem Verstellsystem wird ein Verstellmotor verwendet, dessen Stator entweder mit dem Zylinderkopf, in dem die Nockenwelle gelagert ist, fest verbunden ist und dessen Rotor auf das Antriebselement des Überlagerungsgetriebes wirkt, oder dessen Stator mit dem Antriebselement fest verbunden ist, wobei der Rotor ebenfalls auf das Stellelement des Überlagerungsgetriebes wirkt. Der Verstellmotor kann als Permanentmagnetverstellmotor oder als fremderregter Gleichstrommotor ausgebildet sein. Bei einem als Permanentmagnetmotor ausgebildeten Verstellmotor, dessen Stator drehfest mit dem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine verbunden ist, muss der Rotor so angesteuert werden, dass er im stationären Betrieb, wenn also eine vorgegebene Phasenlage des Antriebselements, das von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, gegenüber dem Abtriebselement, das die Nockenwelle antreibt, einen vorgegebenen Wert erreicht hat, mit derselben Drehzahl wie das Antriebselement umläuft. Zum Verstellen der Nockenwelle auf "früh" oder "spät" wird dieser Rotor kurzzeitig langsamer oder schneller als das Antriebselement in Drehung versetzt, bis die gewünschte Phasenlage erreicht ist.
  • Ein solcher, als Permanentmagnetmotor ausgebildeter Verstellmotor weist gemäß der DE 102 20 687 A1 ein Selbsthaltemoment auf, das von einer Mittellage aus in beide Drehrichtungen bis zu einem Maximum ansteigt und danach wieder abfällt. Das Selbsthaltemoment ist das maximale Drehmoment, mit dem man einen nicht erregten Verstellmotor statisch belasten kann, ohne eine ungleichförmige aber kontinuierliche Drehung hervorzurufen. Dieses Selbsthaltemoment kann ausreichen, um ein Verstellen des Stellelements in einer Notlaufposition zu bewirken, wenn die Spannungsbeaufschlagung des Stellmotors und/oder dessen Steuerung ausfällt. Reicht dieses Selbsthaltemoment zum Festsetzen des Stellelements nicht aus, muss zusätzlich durch eine zylinderkopffeste, mechanisch oder elektrisch wirkende Bremse ein externes Bremsmoment aufgebracht werden. Bei einem mit dem Antriebselement rotierenden Stator ist diese zylinderkopffeste, mechanisch oder elektrisch wirkende Bremse sogar zwingend erforderlich.
  • Der Aufbau eines derartigen als Permanentmagnetmotor oder als fremderregter Gleichstrommotor ausgebildeten Stellmotors ist kompliziert und erfordert eine aufwendige Steuerung. Durch die zusätzlich erforderliche, zylinderkopffeste, mechanisch oder elektrisch wirkende Bremse wird dieser Aufbaut noch aufwendiger.
  • Weiter ist aus der DE 103 55 560 A1 eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle bekannt, welche ein von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenes Antriebselement, ein die Nockenwelle antreibendes Abtriebselement und ein Stellelement aufweist, welches von einer Bremse mit einer Bremskraft beaufschlagt wird. Durch eine Variation des Bremsmomentes am Stellelement ist eine Relativdrehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erreichbar. Dabei lässt die Bauform der Verstellvorrichtung beliebige Phasenwinkel zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu. Die Bremse ist als eine berührungslos arbeitende, elektromagnetische Bremse ausgeführt. Vorzugsweise wird eine Hysteresebremse verwendet, deren Bremsmoment unabhängig von der Drehzahl ist.
  • Weitere Verstellvorrichtungen für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine sind aus der DE 10 2004 043 548 A1 , DE 10 2004 033 522 A1 und DE 10 2006 011 806 A1 bekannt. Die Verstellvorrichtung gemäß der DE 10 2006 011 806 A1 weist ein Bremssystem sowie ein mit einer Nockenwelle abtriebsseitig und mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antriebsseitig verbundenes Überlagerungsgetriebe auf, wobei das Überlagerungsgetriebe zum Verstellen der Nockenwelle einen Teil der antriebsseitigen Energie in das Bremssystem abführt. Gemäß einem weiteren Merkmal dieser bekannten Verstellvorrichtung ist das Bremssystem als reibschlüssiges Bremssystem ausgebildet, wobei die erforderliche Bremskraft über einen im Dauerschlupf befindlichen Reibbelag erzeugt wird.
  • Die DE 10 2005 037 158 A1 beschreibt ein Verstellsystem für Nockenwellen einer Brennkraftmaschine mit Notlauffunktion nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
  • Vor diesem Hintergrund liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verstellsystem für Nockenwellen einer Brennkraftmaschine mit Notlauffunktion zu schaffen, das einfach aufgebaut und leicht steuerbar ist.
  • Diese Aufgabe wird durch ein Verstellsystem gemäß Anspruch 1 gelöst. Dazu ist bei einem Verstellsystem der eingangs erwähnten Art, umfassend ein Überlagerungsgetriebe mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebselement, einem eine Nockenwelle der Brennkraftmaschine antreibenden Abtriebselement und einem Stellelement, durch das sich mittels einer Einrichtung zum Aufbringen eines für den Normalbetrieb veränderbaren Bremsmoments auf das Stellelement eine Relativdrehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement bewirken lässt, wobei bei Ausfall der Einrichtung und/oder ihrer Steuerung durch Abbremsen bzw. Festsetzen des Stellelements eine Notlaufposition der Nockenwelle erreichbar und haltbar ist, vorgesehen, dass ein Belagträger der Einrichtung axial verschiebbar und drehfest auf einer das Stellelement tragenden Welle angeordnet ist, dass das Bremsmoment für den Normalbetrieb mittels eines auf den Belagträger gegen die Kraft einer Feder und berührungslos wirkenden, feststehenden sowie mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagbaren Elektromagneten veränderbar ist, und dass der Belagträger beim Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten und/oder seiner Steuerung durch die Kraft der Feder gegen eine feststehende Gegenreibfläche pressbar und dadurch die Notlaufposition einstellbar ist.
  • Bei dem erfindungsgemäßen Verstellsystem ist demnach kein Stellmotor erforderlich, da der Belagträger, der mit dem Stellelement drehfest aber axial verschiebbar verbunden ist, beim Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten und/oder seiner Steuerung gegen die feststehende Gegenreibfläche gepresst wird und dadurch die Notlaufposition eingestellt wird.
  • Im Normalbetrieb wird der Elektromagnet mit einer elektrischen Spannung beaufschlagt, die in Abhängigkeit von dem vorgegebenen Phasenwinkel zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle in ihrer Höhe veränderbar ist, wodurch die Anpresskraft der Feder gegen die feststehende Gegenreibfläche mehr oder weniger vermindert wird, so dass sich das Stellelement gegenüber dem Antriebselement verdrehen kann, bis der vorgegebene Phasenwinkel erreicht ist.
  • Das Überlagerungsgetriebe ist erfindungsgemäß als Planetengetriebe ausgebildet, mit einem aus einem Hohlrad bestehenden Abtriebselement, mit einem aus einem Planetenträger bestehenden Antriebselement, mit Planetenrädern und mit einem aus einem Sonnenrad bestehenden Stellelement, wobei der Planetenträger wenigstens eine, von einer Drehachse radial beabstandete Ausnehmung aufweist, wobei das Hohlrad wenigstens eine axial hervorstehende, in die Ausnehmung eingreifende Steuernase aufweist, und bei dem in Umfangsrichtung beabstandete Endflächen der wenigstens einen Ausnehmung Anschläge für die wenigstens eine Steuernase bilden und die extremen Verstellstellpositionen der Nockenwelle relativ zum Antriebselement darstellen.
  • Diese extremen Verstellstellpositionen entsprechen dem maximalen Phasenwinkel in Richtung "früh" und in Richtung "spät", und eine dieser extremen Verstellstellpositionen entspricht gleichzeitig der Notlaufposition, die dann erreicht wird, wenn die Spannungsbeaufschlagung und/oder die Steuerung des Elektromagneten ausfällt und der Belagträger durch Federkraft gegen eine feststehende Gegenreibfläche gepresst wird, während die entgegen gesetzte Position erreicht wird, wenn der Belagträger vollständig durch die entsprechende Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten ohne Berührung mit der feststehenden Gegenreibfläche ist.
  • In der Notlaufposition liegt der Belagträger mit der vollen Federkraft an der Gegenreibfläche an, so dass ein entsprechendes Bremsmoment erzeugt wird, das bei laufender Verbrennungskraftmaschine in dieser Notlaufposition eine dauernde Reibung und damit Erwärmung bewirkt. Um diese Reibungswärme und den damit verbundenen Verschleiß zu vermindern, lässt sich auf der Welle für das als Sonnenrad ausgebildete Stellelement eine durch die Federkraft axial entgegen gesetzt zum Belagträger verschiebbare Druckscheibe drehbar lagern, deren wenigstens einer axial ausgerichteter Steuernocken in die Ausnehmung im als Planetenträger ausgebildeten Antriebselement eingreift und dadurch mit dem den Planetenträger drehfest aber axial verschiebbar gekuppelt ist, wobei ein Endbereich einer Nockenfläche des Steuernockens, welcher der Notlaufposition entspricht, gegenüber der Nockenfläche abgesenkt ausgebildet ist und die wenigstens eine Steuernase am Hohlrad in der Notlaufposition aufnimmt. Durch diese Anordnung werden die auf den Belagträger wirkende Federkraft und damit das Bremsmoment vermindert, so dass beim Erreichen der Notlaufposition eine Überbelastung des Reibbelags durch übermäßige Erwärmung verhindert wird.
  • Wenn der abgesenkte Endbereich der Nockenfläche als Rampe ausgebildet ist, kann die damit zusammenwirkende Steuernase am das Abtriebselement bildende Hohlrad bei Beaufschlagung des Elektromagneten mit einer entsprechenden elektrischen Spannung und Umkehrung der im Überlagerungsgetriebe wirkenden Momente auf die Rampe bis zum Erreichen der Nockenfläche auflaufen. Dadurch wird die Druckscheibe axial verschoben, wonach sich der Phasenwinkel zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement bei konstanter Vorspannung der auf den Belagträger wirkenden Feder verändern lässt.
  • Der Endbereich der Nockenfläche lässt sich auch als Verriegelungstasche ausbilden, in der die Steuernase bei Erreichen der Notlaufposition auch bei Auftreten erhöhter Drehmomente, beispielsweise Losbrechmomente, sicher gehalten wird. In diesem Fall ist es erforderlich, die Druckscheibe durch äußerliche Einwirkung axial zu verschieben, wenn die Verriegelung der Steuernase am Hohlrad in der Verriegelungstasche aufgehoben werden soll.
  • Bei einer zweiten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verstellsystems ist der Elektromagnet derartig bezüglich des Belagträgers und der Gegenreibfläche angeordnet, dass im Normalbetrieb das zwischen dem Belagträger und der auf einer Seite des Belagträgers angeordneten Gegenreibfläche wirkende Bremsmoment durch Beaufschlagung des Elektromagneten mit einer veränderbaren Spannung bis zum vollständigen Anliegen des Belagträgers an der Gegenreibfläche gegen die Kraft der Feder erzeugt und das Bremsmoment für die Notlaufposition bei Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten und/oder seiner Steuerung durch Anpressen des Belagträgers durch die Federkraft gegen eine auf der anderen Seite des Belagträgers angeordneten, feststehenden Gegenreibfläche erzeugt wird.
  • In beiden Varianten ist demnach nur ein mit einer veränderlichen Spannung beaufschlagbarer Elektromagnet erforderlich, um das für die Einstellung des Phasenwinkels veränderbare Bremsmoment zu erzeugen, während das für das Erreichen der Notlaufposition erforderliche Bremsmoment durch eine Federkraft bewirkt wird.
  • Die Erfindung wird nachstehend anhand zweier in der Zeichnung dargestellter Ausführungsbeispiele weiter erläutert. In der Zeichnung zeigt
    • Fig. 1
    eine schematische Schnittdarstellung eines erfindungsgemäßen Verstellsystems gemäß einer ersten Ausführungsform,
    Fig. 2
    eine perspektivische Ansicht eines als Planetenträger in einem Planetengetriebe ausgebildeten Antriebselements,
    Fig. 3
    eine perspektivische Ansicht eines als Hohlrad in einem Planetengetriebe ausgebildeten Abtriebselements,
    Fig. 4
    eine erste Ausführungsform einer Druckscheibe im Verstellsystem gemäß Fig. 1,
    Fig. 5
    eine zweite Ausführungsform einer Druckscheibe in einem Verstellsystem gemäß Fig. 1. und
    Fig. 6
    eine schematische Schnittansicht einer Ausführungsform eines nicht erfindungsgemäßen Verstellsystems.
  • Das Verstellsystem gemäß Fig. 1 umfasst ein als Planetengetriebe ausgebildetes Überlagerungsgetriebe mit einem Hohlrad 1, welches das Abtriebselement bildet, mit einem Planetenträger 2 mit einem Kettenrad zur Verbindung desselben mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mittels einer Rollen- oder Zahnkette, der das Antriebselement bildet, mit auf Lagerachsen 23 drehbar gelagerten Planetenrädern 3 und mit einem auf einer zentralen Welle 5 gelagerten Sonnenrad 4 als Stellelement. Über das Abtriebselement 1 wird eine Nockenwelle 21 im Zylinderkopf der Brennkraftmaschine angetrieben. Hierzu ist das Abtriebselement 1 mit der Nockenwelle 21 mittels einer Verschraubung drehfest verbunden.
  • Ein feststehendes Bauteil 6 der Brennkraftmaschine, das Teil deren Zylinderkopfes sein kann, trägt eine Gegenreibfläche 7, die mit einem mit einem Reibbelag 9 versehenen Belagträger 8 zusammenwirkt. Der Belagträger 8 ist auf der Welle 5 gegen die Kraft einer Feder 10, die im dargestellten Ausführungsbeispiel als Tellerfeder ausgebildet ist, drehfest angeordnet und axial bis gegen einen Anschlag 28 verschiebbar gelagert.
  • Die axiale Verschiebung des Belagträgers 8 wird durch einen Elektromagneten 11 bewirkt, der im Bauteil 6 fest angeordnet ist. Der auf der Welle 5 ausgebildete Anschlag 28 beschränkt die Axialbewegung des Belagträgers 8 bei Beaufschlagung des Elektromagneten 11 mit einer Spannung derart, dass keine Berührung und damit keine Reibung zwischen dem Belagträger 8 und dem Elektromagneten 11 auftritt.
  • Eine Druckscheibe 12 ist mittels eines Wälzlagers 19 drehbar auf einer drehfesten Muffe 17 gelagert, wobei die Muffe 17 durch die Kraft der Feder 10 auf der Welle 5 axial verschiebbar ist. Die Druckscheibe 12 greift mit diametral gegenüberliegend angeordneten Steuernocken 13 in kreisbogenförmige Ausnehmungen 15 des Antriebselements 2 ein. Die Erstreckung der Steuernocken 13 in Umfangsrichtung entspricht der Erstreckung der Ausnehmungen 15 in Umfangsrichtung, so dass sich die Druckscheibe 12 mit dem Antriebselement 2 im Wesentlichen spielfrei mitdreht, jedoch axial verschiebbar ist.
  • Auf der dem Elektromagneten 11 zugewandten Stirnfläche des als Hohlrad ausgebildeten Abtriebselements 1 sind diametral gegenüberliegende Steuernasen 16 angeordnet, die ebenfalls in die Ausnehmungen 15 eingreifen. Die Ausnehmungen 15 weisen Endflächen 27 auf, die Anschläge für die Steuernasen 16 bilden, so dass das Abtriebselement 1 gegenüber dem Antriebselement 2 zwei Extremstellungen einnehmen kann, wenn die Steuernasen 16 an der einen oder der anderen Endfläche 27 der Ausnehmungen 15 anliegen. Diese Extremstellungen entsprechen dem maximalen Verstellwinkel des Abtriebselements 1 gegenüber dem Antriebselement 2 zwischen den Stellungen "spät" und "früh". Eine der Extremstellungen bildet gleichzeitig eine Notlaufposition.
  • Bei der Ausführungsform der Druckscheibe 12 gemäß Fig. 4 endet eine Nockenfläche 20 der Steuernocken 13 in einer als Verriegelungstasche 22 ausgebildeten Absenkung, die in der Verriegelungsposition jeweils einen Steuernocken 16 aufnimmt, so dass das Abtriebselement 1 und das Antriebselement 2 in der Notlaufposition formschlüssig miteinander gekuppelt sind.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 ist die Absenkung am Ende der Nockenfläche 20 als Rampe 14 ausgebildet, die jeweils einen Steuernocken 16 in der Verriegelungsposition aufnimmt und ein Herausgleiten der Steuernocken 16 unter bestimmten Bedingungen ermöglicht.
  • Das Abtriebselement 1 und das Antriebselement 2 sind auf dem Sonnenrad 4 mittels Wälzlagern 18 gelagert. Die Planetenräder 3 kämmen in bekannter Weise mit ihrer Verzahnung einerseits mit der Außenverzahnung des Sonnenrads 4 sowie mit der Innenverzahnung des Hohlrades 1.
  • Die Wirkungsweise des Verstellsystems gemäß Fig. 1 ist folgende:
    • Solange der Elektromagnet 11 mit keiner elektrischen Spannung beaufschlagt ist oder die Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten 11 oder seine Steuerung ausgefallen sind, wird der Reibbelag 9 am Belagträger 8 durch die Feder 10 gegen die feststehende Gegenreibfläche 7 gepresst. Dreht sich dann das Antriebselement 2, so wird das Sonnenrad 4 auf der Welle 5 durch das Bremsmoment zwischen dem Reibbelag 9 und der Gegenreibfläche 7 festgehalten und die Nockenwelle 21 mit dem Antriebselement 2 gedreht, bis sich die Druckscheibe 12 unter dem Einfluss der Kraft der Feder 10 durch Verschieben der Muffe 17 axial verschieben kann und die Steuernasen 16 in die durch die Rampe 14 gebildete Absenkung oder die Verriegelungstasche 22 eingreifen. Durch die Axialbewegung der Druckscheibe 12 und der Muffe 17 wird die Vorspannung der Feder 10 vermindert und daraus folgt eine Reduzierung des Reibmoments zwischen der Gegenreibfläche 7 und dem Reibbelag 9, so dass bei der jetzt in der erreichten Notlaufposition laufenden Brennkraftmaschine eine verringerte Reibung und damit Abnutzung zwischen der Gegenreibfläche 7 und dem Reibbelag 9 auftritt.
  • Um wieder in den Normalbetrieb überzugehen, wenn der Elektromagnet 11 mit einer variablen Spannung beaufschlagt wird, ist es bei der Ausführungsform gemäß Fig. 4 erforderlich, die Druckscheibe 12 axial in Richtung des Belagträgers 8 gegen die Kraft der Feder 10 zu verschieben. Dies kann beispielsweise in einer Werkstatt durch einen Eingriff des Servicepersonals erfolgen, oder durch eine weitere Spule, die lediglich der Entriegelung dient.
  • Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 5 genügt es, den Elektromagneten 11 mit einer ausreichend hohen Spannung zu beaufschlagen, um den Reibbelag 9 am Belagträger 8 von der Gegenreibfläche 7 vollständig abzuheben. Aufgrund des Widerstandsmoments der Nockenwelle 21 hat das Abtriebselement 1 das Bestreben, sich gegenüber dem Antriebselement 2 in eine Winkellage zu begeben, die zu der Rampe bzw. der Verriegelungstasche 22 entgegengesetzt ist. Dies bedeutet im Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 5, dass die Steuernasen 16 die Rampen 14 hinauf gleiten und sich auf der Nockenfläche 20 bis zum Endanschlag 27 in den Ausnehmungen 27 des Planetenträgers 2 bewegen können. Zwischenstellungen lassen sich dadurch einstellen, dass die an den Elektromagneten 11 angelegte Spannung vermindert wird, bis ein der jeweiligen Winkellage entsprechendes Reibmoment zwischen der Gegenreibfläche 7 und dem Reibbelag 9 am Belagträger 8 eingestellt ist, welches sich im Gleichgewicht mit dem bei laufender Brennkraftmaschine auftretenden Widerstandsmoment der Nockenwelle 21 befindet.
  • Durch die axiale Verschiebung der Druckscheibe 12 in der Notlaufposition ergibt sich ein vermindertes Reibmoment zwischen dem Reibbelag 9 auf dem Belagträger 8 und der Gegenreibfläche 7, wodurch eine Überlastung des Reibbelags 9 durch übermäßige Erwärmung verhindert wird. Umgekehrt wird die Axialbewegung des Belagträgers 8 durch den Anschlag 28 so begrenzt, dass es nicht zur Anlage des Belagträgers 8 am Elektromagneten 11 kommt, wenn dieser mit der maximalen elektrischen Spannung beaufschlagt ist und der Reibbelag 9 am Belagträger 8 vollständig von der Gegenreibfläche 7 abgehoben ist, so dass auch keine unerwünschte Reibung zwischen dem Belagträger 8 und dem Elektromagneten 11 auftreten kann. Der Belagträger 8 und die Feder 10 sind direkt auf der Welle 5 gelagert, ohne zusätzliche Abstützung am Elektromagneten 11, wodurch sich weitere Lager zwischen dem Elektromagneten 11 und der Welle 5 einsparen lassen.
  • Die Ausführungsform gemäß Fig. 6 weist statt der Druckscheibe 12 eine zusätzliche Gegenreibfläche 24 am feststehenden Bauteil 6 auf, die mit Bezug auf die Gegenreibfläche 7 auf der anderen Seite des Belagträgers 8 angeordnet ist, welcher auf einer axialen Seite einen Reibbelag 9 und auf der gegenüber liegenden Seite einen Notlaufreibbelag 26 trägt.
  • Der Elektromagnet 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel auf der Seite der Gegenreibfläche 7 angeordnet und zieht den Belagträger 8 gegen die Kraft der Feder 10, die sich an einem Anschlag 25 auf dem Sonnenrad 4 abstützt, gegen die Gegenreibfläche 7. Auch in diesem Fall begrenzt ein Anschlag 29 an dem Sonnenrad 4 die axiale Verschiebbarkeit des Belagträgers 8, so dass er nicht mit dem Elektromagneten 11 in Berührung kommt.
  • Ist der Elektromagnet 11 spannungslos, so drückt die Feder 10 den Belagträger 8 mit dem Notlaufreibbelag 26 gegen die feststehende Gegenreibfläche 24, so dass aufgrund des dadurch auftretenden Reibmoments die Notlaufposition des Hohlrades 1 bzw. der Nockenwelle 21 bei Drehung des Antriebselements 2 eingenommen wird. Durch Beaufschlagung des Elektromagneten 11 mit einer einstellbaren elektrischen Spannung wird der Reibbelag 9 des Belagträgers 8 gegen die Gegenreibfläche 7 mehr oder weniger stark gepresst, wodurch, wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1, ein zum Verstellen des Phasenwinkels der Nockenwelle 21 auf den jeweiligen angestrebten Phasenwinkel abgestimmtes Reibmoment erzeugt wird und dieser Phasenwinkel gehalten wird. Die Extremstellungen des Abtriebselements 1 mit Bezug auf das Antriebselement 2 werden auch hier durch Ausnehmungen 15 im Antriebselement 2 und Steuernasen 16 auf dem Abtriebselement 1 bestimmt, während Zwischenstellungen durch das mittels des Elektromagneten 11 einstellbare Bremsmoment zwischen dem Reibbelag 9 am Belagträger 8 und der Gegenreibfläche 7 bestimmt werden.
  • Die Ausführungsformen gemäß den Figuren 1 und 6 stimmen dahingehend überein, dass bei einem Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten 11 oder ihrer Steuerung ein Bremsmoment durch die Kraft der Feder 10 mit Bezug auf das feststehende Bauteil 6 der Brennkraftmaschine erzeugt wird, welches die Nockenwelle 21 über das Abtriebselement 1 in die Notlaufposition verstellt. Selbst wenn durch Abwürgen der Brennkraftmaschine zunächst noch eine Zwischenstellung der Nockenwelle 21 gegeben ist, wird beim Durchdrehen der Brennkraftmaschine durch den Startermotor in kurzer Zeit die Notlaufposition erreicht, und es ist ein temporärer Betrieb der Brennkraftmaschine in dieser Notlaufposition möglich.
  • Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern erstreckt sich auf alle Varianten der durch die Patentansprüche definierten Erfindung.

Claims (5)

  1. Verstellsystem für Nockenwellen einer Brennkraftmaschine mit Notlauffunktion, umfassend ein Überlagerungsgetriebe (1, 2, 3, 4) mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebselement (2), einem eine Nockenwelle (21) der Brennkraftmaschine antreibenden Abtriebselement (1) und einem Stellelement (4), durch das sich mittels einer Einrichtung (7, 8, 9, 10, 11) zum Aufbringen eines für den Normalbetrieb veränderbaren Bremsmoments auf das Stellelement (4) eine Relativdrehung zwischen dem Antriebselement (2) und dem Abtriebselement (1) bewirken lässt, wobei bei Ausfall der Einrichtung (7, 8, 9, 10, 11) und/oder ihrer Steuerung durch Abbremsen bzw. Festsetzen des Stellelements (4) eine Notlaufposition der Nockenwelle (21) erreichbar und haltbar ist und ein Belagträger (8) der Einrichtung (7, 8, 9, 10, 11) axial verschiebbar und drehfest auf einer das Stellelement (4) tragenden Welle (5) angeordnet ist, sowie das Bremsmoment für den Normalbetrieb mittels eines auf den Belagträger (8) gegen die Kraft einer Feder (10) und berührungslos wirkenden, feststehenden sowie mit unterschiedlicher Spannung beaufschlagbaren Elektromagneten (11) veränderbar ist, und der Belagträger (8) beim Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten (11) und/oder seiner Steuerung durch die Kraft der Feder (10) gegen eine feststehende Gegenreibfläche (7; 24) pressbar und dadurch die Notlaufposition einstellbar ist, wobei das Überlagerungsgetriebe (1, 2, 3, 4) als Planetengetriebe mit einem aus einem Hohlrad bestehenden Abtriebselement (1), mit einem aus einem Planetenträger bestehenden Antriebselement (2), mit Planetenrädem (3) und mit einem aus einem Sonnenrad bestehenden Stellelement (4) gebildet ist, wobei der Planetenträger (2) wenigstens eine, von einer Drehachse (5) radial beabstandete Ausnehmung (15) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass
    das Hohlrad (1) wenigstens eine axial hervorstehende, in die Ausnehmung (15) eingreifende Steuernase (16) aufweist, und wobei in Umfangsrichtung beabstandete Endflächen (27) der wenigstens einen Ausnehmung (15) Anschläge für die wenigstens eine Steuernase (16) bilden und die extremen Verstellpositionen der Nockenwelle (21) relativ zum Antriebselement (2) darstellen sowie auf der Welle (5) eine durch die Kraft der Feder (10) axial entgegensetzt zum Belagträger (8) verschiebbare Druckscheibe (12) drehbar gelagert ist, deren wenigstens einer Steuernocken (13) in die Ausnehmung (15) des Planetenträgers (2) eingreift und dadurch mit dem Planetenträger (2) drehfest aber axial verschiebbar gekuppelt ist, wobei ein umfangsbezogener Endbereich einer Nockenfläche (20) des Steuernocken (13), welcher der Notlaufposition entspricht, gegenüber der Nockenfläche (20) abgesenkt ausgebildet ist und die wenigstens eine Steuernase (16) am Hohlrad (1) in der Notlaufposition aufnimmt.
  2. Verstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesenkte Endbereich als Rampe (14) ausgebildet ist.
  3. Verstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der abgesenkte Endbereich als Verriegelungstasche (22) ausgebildet ist.
  4. Verstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (11) derartig bezüglich des Belagträgers (8) und der Gegenreibfläche (7) angeordnet ist, dass im Normalbetrieb das zwischen dem Belagträger (8) und der Gegenreibfläche (7) durch die Kraft der Feder (10) bewirkte Bremsmoment durch Beaufschlagung des Elektromagneten (11) mit einer veränderbaren Spannung bis zum vollständigen Abheben des Belagträgers (8) von der Gegenreibfläche (7) bis auf Null veränderbar ist, und dass beim Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagneten (11) und/ oder seiner Steuerung der Belagträger (8) durch die Kraft der Feder (10) gegen die Gegenreibfläche (7) gepresst wird und dadurch die Notlaufposition eingestellt wird.
  5. Verstellsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromagnet (11) derartig bezüglich des Belagträgers (8) und der Gegenreibfläche (7) angeordnet ist, dass im Normalbetrieb das zwischen dem Belagträger (8) und der auf einer Seite des Belagträgers (8) angeordneten Gegenreibfläche (7) wirkende Bremsmoment durch Beaufschlagung des Elektromagneten (11) mit einer veränderbaren Spannung bis zum vollständigen Anliegen des Belagträgers (8) an der Gegenreibfläche (7) gegen die Kraft der Feder (10) erzeugt wird, und dass das Bremsmoment für die Notlaufposition beim Ausfall der Spannungsbeaufschlagung des Elektromagnete (11) und/ oder seiner Steuerung durch Anpressen des Belagträgers (8) durch die Kraft der Feder (10) gegen eine auf der anderen Seite des Belagträgers (8) angeordnete, feststehende Gegenreibfläche (24) erzeugt wird.
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