EP2520772B1

EP2520772B1 - Nockenwellenversteller mit Vorrichtung zum Notbetrieb

Info

Publication number: EP2520772B1
Application number: EP12165842.1A
Authority: EP
Inventors: Michael Schober
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Priority date: 2011-05-02
Filing date: 2012-04-27
Publication date: 2016-06-29
Anticipated expiration: 2032-04-27
Also published as: EP2520772A3; EP2520772A2; US20120279466A1; JP2012233478A; US8757115B2

Description

Die vorllegende Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle Innerhalb eines vorgegebenen Verstellwinkelbereichs nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Verstellvorrichtungen bzw. Nockenwellenversteller dieser Art müssen in einem Notfail, d. h. bei einem Auftreten von Fehlern in der Elektronik, der Sensorik oder Aktorik die Nockenwelle in eine definierte Notlaufstellung (Fail-Safe-Position) bringen, so dass der Betrieb der Verbrennungskraftmaschine zumindest mit Einschränkungen noch sichergestellt Ist. Insbesondere kann die Notlaufstellung so gewählt sein, dass in dieser auch ein Starten des Verbrennungsmotors bzw. der Verbrennungskraftmaschine gewährleistet ist.
Üblicherweise, d.h. Im Normalbetrieb des Verbrennungsmotors, wird die Nockenwelle beim Abschalten des Verbrennungsmotors geregelt (beispielsweise mit Hilfe eines Verstellmotors) in Ihre Basisstellung bzw. Notlaufstellung gefahren, d.h. bei einer Einlassnockenwelle i.d.R. in die Position "spät" oder bei einer Auslassnockenwelle in die Position "früh". Kommt es Jedoch beispielsweise zu einem Abwürgen des Verbrennungsmotors oder einem Ausfall der Elektronik (z.B. des Verstellmotors), kann sich die Nockenwelle in einer undefinierten Position ausserhalb der Notlaufstellung befinden, was bei einem Neustart des Verbrennungsmotors zu Problemen führen kann.
Üblicherweise sind Vorrichtungen zum Verstellen der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors als Verstellgetriebe, Insbesondere als ein Dreiwellengetriebe ausgebildet, das beispielsweise eine kurbelwellenverbundene Antriebswelle, eine nockenwellenverbundene Abtriebswelle und eine mit einem elektrischen Verstellmotor verbundene Verstellwelle aufweist.
Aus dem Dokument WO 2005/008034 ist ein elektromechanischer Phasensteller zum Verstellen der Phasenlage einer Nockenwelle im Bezug zu einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt, bei dem der Bereich der möglichen Phasenlagen (Verstellwinkelbereich) der Nockenwelle von zwei Endanschlägen begrenzt wird, dem sogenannten Spätendansohlag und dem sogenannten Frühendanschlag
In einer Ausführungsform sind diese zwei Endanschläge an einer mit dem Nockenwellenrad verbundenen Drehscheibe des Getriebes verbunden und stehen in Wechselwirkung mit einem Anschlag, der sich getriebeausgangsseitig an einer mit der Nockenwelle verbundenen Drehscheibe des Getriebes befindet.
Das Getriebe des elektromechanischen Phasenstellers weist keine Seibsthemmung auf, d.h. ein Drehmoment an dessen Getriebeeingangsseite bewirkt eine Drehung an dessen Getriebeausgangsseite und umgekehrt.
Des Weiteren besitzt das Verstellgetriebe eine negative Umlaufübersetzung, d. h. der Drehsinn an der zum Stellantrieb gehörigen Getriebeeingangsseite ist dem an der Getriebeausgangsseite entgegengesetzt. Infolge dessen bewirkt eine Verzögerung der Getriebeeingangsseite eine Verstellung der Getriebeausgangsseite in Richtung "früh". Fällt dieser aus, so bewirkt eine Verriegelungsvorrichtung, dass die Nockenwelle In eine vorgegebene Notlaufstellung verlagert wird. Je nach Ausführungsform ist hierzu der Anschlag, welcher an der Nockenwelle angeordnet ist, oder sind die beiden Endanschläge, welche den Verstellwinkelbereich begrenzen, verlagerbar ausgebildet. Zur Verlagerung ist an dem zu verlagernden Anschlag eine vorgespannte Feder vorgesehen, die mittels eines Rastiermechanismus Im Normalbetrieb in ihrer vorgespannten Stellung gehalten wird. Infolge einer Aktivierung eines Entriegelungsmechanismus der Verriegelungsvorrichtung wird der Rastiermechanismus freigegeben, so dass die Feder Infolge Ihrer Vorspannung den zugehörigen Anschlag verlagern kann.
Ein ebenfalls dem zu verlagernden Anschlag zugeordneter Hemmmechanismus verhindert, dass dieser in eine Richtung entgegen der Federvorspannung bewegt wird.
In einem Notfall, in dem der elektrische Stellantrieb ausgefallen ist, entriegelt also der Entriegelungsmechanismus den Rastiermechanismus, so dass der Anschlag der Nockenwelle mit dem Endanschlag des Antriebsrads in Anlage gebracht wird. Der Hemmmechanismus verhindert, dass eine Bewegung der Nockenwelle entgegen des anilegenden Endanschlags möglich ist.
Bei den darauffolgenden wiederholten Wechseln der Phasenverstellrichtung wird der erste Endanschlag oder der Anschlag in Anlage an dem Endanschlag so lange in Richtung seiner Notlaufposition verstellt, bis er diese erreicht hat. In der Notlaufposition liegt auch der zweite Endanschlag an dem Anschlag an und verriegelt somit die Phasenverstellvorrichtung In Ihrer Notlaufposition.
Vorteilhaft bei dieser Ausführung Ist, dass eine frei definierbare Mittenposition (Position innerhalb des Stellbereichs) als Notlaufstellung (Fail-Safe-Position) gewählt werden kann. Jedoch ist keine Möglichkeit aufgezeigt, wie beispielsweise die verwendeten Aktuatoren den Betriebszustand des Notlaufs (Fail-Safe-Modus) wieder verlassen können, um in den Normalbetrieb überzugehen. Dieses ist jedoch insbesondere dann entscheidend, wenn sich beispielsweise herausstellt, dass der Notlauf-Betrieb nur wegen eines Plausibillsierungsproblems oder einer vorübergehenden Störung eingeleitet wurde.
Aus der WO 03/095803 A1 ist ferner eine Vorrichtung zum lösbaren Verbinden und Verstellen der Nockenwelle und der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors bekannt. Bei dieser wird die Notlaufposition der Nockenwelle durch ein Drehen der Antriebswelle, weiche mit der Kurbelwelle verbunden Ist, und durch eine geeignete Standgetriebeübersetzung erreicht.
Bei dieser Ausführungsform wird somit die Notlaufstellung dadurch erreicht, dass ein mechanischer Endanschlag in Anlage gebracht wird. Somit entspricht die Notlaufposition der maximalen Früh- oder Spätstellung an dem jeweiligen Früh-Endanschlag oder SpätEndanschlag der Nockenwelle.
Jedoch kann es passieren, dass die Nockenwelle nicht ihre abschliessende Notlaufposition erreicht, insbesondere dann, wenn der Stellmotor bei dessen Ausfall oder beim Ausfall einer Ansteuerungselektronik ein Bremsmoment erzeugt. Weiterhin ist auch eine sichere Positionierung der Nockenwelle nicht gewährleistet, so dass diese ihre Notlaufposition gegebenenfalls auch unkontrolliert wieder verlassen kann. Dies kann Insbesondere in Folge der trägheitsbedingten Drehmomente durch den Verstellmotor, weiche der Verbrennungsmotor am Getriebeeingang des Verstellgetriebes beim Beschleunigen oder Abbremsen erzeugt, oder dann passieren, wenn an der Nockenwelle stark wechseinde Drehmomente angreifen.
Die DE 10 2004 061 710 A1 offenbart ferner eine Nockenwellenverstelleinrichtung, die im Notfall mit Hilfe eines Verriegelungselements zur Verriegelung eines nockenwellenfesten Bauteils mit einem kurbeiwellenfesten Bauteils verriegelbar ist.
Aus der WO 2011/104051 A1 ist weiterhin ein elektrischer Nockenwellensteller bekannt, bei dem eine vorgespannte Feder den Nockenwellensteller in eine entsprechende Endlage (maximale Frühposition oder maximale Spätposition der Nockenwelle) zurückdrückt. Nachteilig bei einer solchen Ausführungsform kann es sein, dass die Feder nicht nur im Notbetrieb aktiv Ist, sondern über den gesamten Stellbereich der Nockenwelle aktiv auf diese einwirkt, was sich gegebenenfalls bezüglich deren Energieaufnahme nachteilig auswirken kann. Wird die Federkraft dieser Stellfeder geringer gewählt, so besteht das Risiko, dass ihre Stellkraft nicht ausreichend gross ist, um die Nockenwelle in einem Notfallbetrieb in die gewünschte Endlage zu verstellen. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Nockenwelle zudem bei besonders hohen stark wechselnden Drehmomenten aus ihrer Notlaufposition unkontrolllert verstellt werden. Aus der DE 10 2004 033 522 A1 ist schliesslich ein Nockenversteller mit elektrischem Antrieb bekannt, wobei die Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einen Verstellmotor als primäre Verstellvorrichtung und einen Hilfsantrieb als sekundäre Verstellvorrichtung aufweist.
Im Falle eines Ausfalls des Verstellmotors kann die Nockenwelle über den Hilfsantrieb in eine feste Drehwinkellage, die sogenannten Notlaufstellung, verstellt werden. Eine mögliche Gestaltung eines solchen Hilfsantriebs umfasst eine Drehfeder, die durch eine Auslenkung des Drehwinkels zwischen dem Antriebsrad der Nockenwelle und einem zur Nockenwelle festen Teil des Verstellgetriebes zu einer Basisposition vorgespannt wird und bei einem Versagen des Verstellmotors eine Rückstellung durch Entspannen bewirkt.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform können jedoch die mit Bereitstellung eines solchen Hilfsantriebs verbundenen Kosten sein. Ferner benötigt der Hilfsantrieb einen nicht unerheblich grossen Anteil des verfügbaren Bauraums, was ebenfalls als nachteilig angesehen werden kann.
Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller ist aus der WO 2006/027131 A1 bekannt. Beschrieben ist eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle, wobei die Verstellvorrichtung eine Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung aufweist und die Vorrichtung zum Notbetrieb eine Freilaufeinrichtung umfasst.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle bereitzustellen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Nachteile zumindest teilweise verringert werden können.
Gemäss der vorliegenden Erfindung wird eine Verstellvorrichtung vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Verstellvorrichtung kann als ein Verstellgetriebe, insbesondere als Dreiwellengetriebe ausgebildet sein, welches geeignet ist, die relative Drehwinkellage der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber seiner Kurbelwelle zu verstellen, Die Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung (Notlaufeinrichtung) kann beispielsweise als eine schaltbare Freilaufeinrichtung ausgeführt sein, die im Normalbetrieb unwirksam ist und im Notlaufbetrieb aktiviert wird. In ihrem aktivierten Zustand ist die Freilaufeinrichtung dazu ausgebildet, die Bewegung der Nockenwelle nur noch in
Jedoch kann es passieren, dass die Nockenwelle nicht ihre abschließende Notlaufposition erreicht, insbesondere dann, wenn der Stellmotor bei dessen Ausfall oder beim Ausfall einer Ansteuerungselektronik ein Bremsmoment erzeugt. Weiterhin ist auch eine sichere Positionierung der Nockenwelle nicht gewährleistet, so dass diese ihre Notlaufposition gegebenenfalls auch unkontrolliert wieder verlassen kann. Dies kann insbesondere in Folge der trägheitsbedingten Drehmomente durch den Verstellmotor, welche der Verbrennungsmotor am Getriebeeingang des Verstellgetriebes beim Beschleunigen oder Abbremsen erzeugt, oder dann passieren, wenn an der Nockenwelle stark wechselnde Drehmomente angreifen.
Die DE 10 2004 061 710 A1 offenbart ferner eine Nockenwellenverstelleinrichtung, die im Notfall mit Hilfe eines Verriegelungselements zur Verriegelung eines nockenwellenfesten Bauteils mit einem kurbelwellenfesten Bauteils verriegelbar ist.
Aus der WO 2011/104051 A1 ist weiterhin ein elektrischer Nockenwellensteller bekannt, bei dem eine vorgespannte Feder den Nockenwellensteller in eine entsprechende Endlage (maximale Frühposition oder maximale Spätposition der Nockenwelle) zurückdrückt. Nachteilig bei einer solchen Ausführungsform kann es sein, dass die Feder nicht nur im Notbetrieb aktiv ist, sondern über den gesamten Stellbereich der Nockenwelle aktiv auf diese einwirkt, was sich gegebenenfalls bezüglich deren Energieaufnahme nachteilig auswirken kann. Wird die Federkraft dieser Stellfeder geringer gewählt, so besteht das Risiko, dass ihre Stellkraft nicht ausreichend groß ist, um die Nockenwelle in einem Notfallbetrieb in die gewünschte Endlage zu verstellen. Auch bei dieser Ausführungsform kann die Nockenwelle zudem bei besonders hohen stark wechselnden Drehmomenten aus ihrer Notlaufposition unkontrolliert verstellt werden.
Aus der DE 10 2004 033 522 A1 ist schließlich ein Nockenversteller mit elektrischem Antrieb bekannt, wobei die Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle einen Verstellmotor als primäre Verstellvorrichtung und einen Hilfsantrieb als sekundäre Verstellvorrichtung aufweist.
Im Falle eines Ausfalls des Verstellmotors kann die Nockenwelle über den Hilfsantrieb in eine feste Drehwinkellage, die sogenannten Notlaufstellung, verstellt werden. Eine mögliche Gestaltung eines solchen Hilfsantriebs umfasst eine Drehfeder, die durch eine Auslenkung des Drehwinkels zwischen dem Antriebsrad der Nockenwelle und einem zur Nockenwelle festen Teil des Verstellgetriebes zu einer Basisposition vorgespannt wird und bei einem Versagen des Verstellmotors eine Rückstellung durch Entspannen bewirkt.
Nachteilig bei dieser Ausführungsform können jedoch die mit Bereitstellung eines solchen Hilfsantriebs verbundenen Kosten sein. Ferner benötigt der Hilfsantrieb einen nicht unerheblich großen Anteil des verfügbaren Bauraums, was ebenfalls als nachteilig angesehen werden kann.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht demgegenüber darin, eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle bereitzustellen, bei der die aus dem Stand der Technik bekannt gewordenen Nachteile zumindest teilweise verringert werden können.
Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Verstellvorrichtung vorgeschlagen, welche die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist.
Die Verstellvorrichtung kann als ein Verstellgetriebe, insbesondere als Dreiwellengetriebe ausgebildet sein, welches geeignet ist, die relative Drehwinkellage der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber seiner Kurbelwelle zu verstellen. Die Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung (Notlaufeinrichtung) kann beispielsweise als eine schaltbare Freilaufeinrichtung ausgeführt sein, die im Normalbetrieb unwirksam ist und im Notlaufbetrieb aktiviert wird. In ihrem aktivierten Zustand ist die Freilaufeinrichtung dazu ausgebildet, die Bewegung der Nockenwelle nur noch in eine Richtung bezüglich der Kurbelwelle zuzulassen und in der entgegengesetzten Richtung zu blockieren. Die Bewegung der Nockenwelle in die eine Richtung wird ferner so lange zugelassen, bis ein Endanschlag oder eine vorbestimmte Notlaufposition der Nockenwelle erreicht ist.
Ist die Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung aktiviert, so wird der Antrieb eines Nockenwellenantriebsrads (z.B. in Form eines Kettenrads) mit einer ungleichförmigen Drehzahl dazu genutzt, dass die Nockenwelle in ihre Notlaufposition verstellt wird.
Es kann ferner vorgesehen sein, dass die Freilaufeinrichtung fest mit der Nockenwelle verbunden ist.
Ferner kann die Freilaufeinrichtung zur Blockierung einer Verstellbewegung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in der zweiten Richtung einen Form- und/oder Kraftschluss mit einem sich relativ zu der Nockenwelle drehenden Teil der Verstellvorrichtung umfassen.
Unter einem Formschluss wird nachfolgend eine Verbindung verstanden, in der ein Verbindungspartner die Bewegung des anderen Verbindungspartners zumindest in einer Bewegungsrichtung unterbindet, indem er an diesem anliegt. Eine kraftschlüssige Verbindung liegt ferner dann vor, wenn die Verbindungspartner durch Haftreibung miteinander verbunden sind.
Die Freilaufeinrichtung der Verstellvorrichtung kann eine federnd vorgespannte Klinkensperre umfassen, die dazu ausgebildet ist, in ein Getriebeelement der als Verstellgetriebe ausgebildeten Verstellvorrichtung formschlüssig einzugreifen.
Die Freilaufeinrichtung wirkt bevorzugt zwischen einem Antriebsrad oder dem Getriebeausgang einer als Verstellgetriebe ausgebildeten Verstellvorrichtung und einem weiteren Getriebeteil. Das weitere Getriebeteil kann dabei ein höher übersetztes Element des Getriebes sein, wie beispielsweise das Getriebeeingangsrad oder ein Planetenrad. Auf diese Weise können die notwendigen Kräfte, welche die Freilaufeinrichtung für die Funktion der Notlaufeinrichtung aufbringen soll, deutlich reduziert werden, so dass die Freilaufeinrichtung gegebenenfalls auch in Kunststoff ausgeführt werden kann.
Ferner kann zur Aktivierung der Vorrichtung zum Notbetrieb (Notlaufeinrichtung) die Verstellvorrichtung einen Aktuator zum Aktivieren der Freilaufeinrichtung umfassen.
Insbesondere kann der Aktuator einen Endschalter umfassen, welcher außerhalb des Verstellwinkelbereichs der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle im Normalbetrieb der Verstellvorrichtung angeordnet ist. Somit wird eine Aktivierung der Notlaufeinrichtung durch Erreichen eines bestimmten Phasenwinkels der Nockenwelle bewirkt, der außerhalb des im normalen Betrieb des Verbrennungsmotors verwendeten Winkelbereichs liegt. Beispielsweise kann der Aktuator an demjenigen Ende des Verstellbereichs vorgesehen sein, zu dem sich die Verstellvorrichtung (bei Ausfall des Verstellmotors) typischerweise hinbewegt.
Zusätzlich zu dem Aktuator kann noch ein mechanischer Endanschlag vorgesehen sein, der zur weiteren Absicherung des Verstellbereichs an diesem Verstellbereichsende angeordnet ist.
Die Aktivierung der Notlaufeinrichtung kann in einer solchen Ausführungsform folglich an einem Ende des Verstellbereichs erfolgen. Die Freilaufeinrichtung verstellt dann die Nockenwelle weg von diesem Ende in Richtung zu dem anderen Ende des Verstellbereichs bis eine Notlaufstellung der Nockenwelle oder der andere Endanschlag erreicht ist.
Ferner kann die Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung (Notlaufeinrichtung) eine Verriegelungseinrichtung umfassen, die die Verstellvorrichtung dann, wenn die Nockenwelle ihre Notlaufstellung relativ zu der Kurbelwelle erreicht hat, zu verriegeln vermag.
Die Verriegelungseinrichtung stellt somit eine Blockiereinrichtung bzw. Hemmeinrichtung dar, die beim Erreichen eines bestimmten vorgesehenen Verstellwinkels der Nockenwelle das Verstellgetriebe bzw. die Verstellvorrichtung verriegelt und ein Weiterverstellen zumindest bis zu einem vorbestimmten Drehmoment hemmt. Ein solches Drehmoment kann beispielsweise so ausgelegt sein, dass bei einem nicht bestromten Verstellmotor dieses Drehmoment nicht erreicht wird und damit die Verstellvorrichtung in dieser Stellung bei einem weiteren Betrieb (Notlaufbetrieb) des Verbrennungsmotors verbleibt. Andererseits kann bei einer erneuten Ansteuerung des Verstellmotors durch diesen das vorbestimmte Drehmoment überschritten werden, so dass mithilfe des Verstellmotors die Nockenwelle über diese Winkelstellung hinaus weiter in die Richtung verstellt wird, die die Freilaufeinrichtung zulässt, bis der entsprechende Endanschlag erreicht ist.
Weiterhin kann die Verriegelungseinrichtung auch in ihrem aktivierten Zustand drehzahlabhängig oder richtungsabhängig ein unterschiedliches Verhalten aufweisen. So kann insbesondere die Verriegelungseinrichtung so ausgeführt sein, dass diese bei einer Nockenwellendrehzahl, die unter einem bestimmten Schwellenwert liegt, die Verstellvorrichtung beim Erreichen des jeweiligen Phasenwinkels der Verstellvorrichtung freigibt und bei einer Nockenwellendrehzahl, die oberhalb dieses Schwellenwerts liegt, die Verstellvorrichtung blockiert. Auch kann das zum weiteren Verstellen der Verstellvorrichtung notwendige Drehmoment (der Schwellenwert) durch die aktivierte Verriegelungseinrichtung mit zunehmender Nockenwellendrehzahl kleiner oder größer oder näherungsweise gleich Null werden. Eine solche Drehzahlabhängigkeit kann besonders einfach durch die Ausnutzung der drehzahlabhängigen Zentrifugalkraft erreicht werden, die an den an der Verstellvorrichtung verbauten Teilen wirkt, bewirkt werden.
Ferner kann die Verriegelungseinrichtung einen Verriegelungsbolzen umfassen, der dazu eingerichtet ist, zwischen dem Antriebsrad der Nockenwelle und einem nockenwellenfesten Teil zu wirken.
Die Verriegelungseinrichtung kann ferner ein elastisches Element, insbesondere eine Blattfeder umfassen, die den Verriegelungsbolzen in Richtung zu seiner Verriegelungsstellung vorzuspannen vermag.
Grundsätzlich können sowohl die Freilaufeinrichtung als auch die Verriegelungseinrichtung durch einen entsprechenden Aktuator wieder deaktiviert werden. Dieses kann beispielsweise derselbe Aktuator sein, der die Freilaufeinrichtung und/oder die Verriegelungseinrichtung aktiviert. Alternativ kann es sich jedoch auch um einen anderen Aktuator handeln, d.h. es können ein erster Aktuator zur Aktivierung der Freilaufeinrichtung und/oder der Verriegelungseinrichtung und ein zweiter Aktuator zur Deaktivierung der Freilaufeinrichtung und/oder der Verriegelungseinrichtung vorgesehen sein.
Alternativ kann anstelle eines (aktiven) Aktuators zur Deaktivierung der Freilaufeinrichtung und/oder der Verriegelungseinrichtung auch ein Rücksetzen bzw. Deaktivieren beim Erreichen eines Endanschlags bewirkt werden, so dass die Verstellvorrichtung wieder im Normalbetrieb arbeitet, wenn dieser Endanschlag erreicht wurde.
Es kann vorgesehen sein, dass die Freilaufeinrichtung und die Verriegelungseinrichtung integral miteinander ausgebildet sind. In einem solchen Fall ist ein einziges Bauteil vorgesehen, an dem sich die beiden Funktionen der Freilaufeinrichtung und der Verriegelungseinrichtung wiederfinden.
Dementsprechend kann auch vorgesehen sein, dass der Aktuator zum Aktivieren sowohl der Freilaufeinrichtung als auch der Verriegelungseinrichtung vorgesehen ist bzw. zum Deaktivieren sowohl der Freilaufeinrichtung als auch der Verriegelungseinrichtung.
Unabhängig von der Art der Aktivierung der Freilaufeinrichtung kann zudem vorgesehen sein, dass diese drehzahlabhängig aktiviert bzw. deaktiviert werden kann.
Bei einer Weiterentwicklung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die Freilaufeinrichtung zusätzlich einen Schwinghebel umfasst, an dem eine Klinkensperre der Freilaufeinrichtung verschwenkbar angebracht ist. Der Schwinghebel kann drehbar oder biegeelastisch in einem Drehpunkt an der Grundplatte oder dem Antriebsrad der Verstellvorrichtung gelagert sein und dann, wenn er entriegelt ist, um diesen Drehpunkt schwingen bzw. pendeln. Zudem können eine oder mehrere federnde Elemente vorgesehen sein, die dazu ausgebildet sind, den Schwinghebel in einer nominalen Stellung (Nullstellung) zu halten, um welche der Schwinghebel schwingen kann.
Die federnden Elemente können beispielsweise als Federn ausgebildet sein und sich an der Grundplatte bzw. dem Antriebsrad der Verstellvorrichtung abstützen.
Bei einer bestimmten Drehzahl der Nockenwelle bzw. einer bestimmten Frequenzanregung der Drehzahlungleichförmigkeit des Nockenwellenantriebs und bei einem entriegelten Schwinghebel schwingt dieser immer stärker um seine Nominalstellung, bis die angebrachte Klinkensperre beispielsweise das Getriebeeingangszahnrad um einen Zahn weiter dreht. Dabei dienen die federnden Elemente dazu, die Trägheit des Schwingarms für eine gewünschte Resonanzfrequenz abzustimmen.
Diese Ausführungsform ist insbesondere dann von Vorteil, wenn ohne einen solchen Schwinghebel ein Verstellen des Verstellgetriebes bzw. der Verstellvorrichtung in Richtung der Notlaufstellung nicht möglich ist, da das Antreiben des beispielsweise Getriebeeingangszahnrads eine zu hohe Kraft erfordern würde.
Grundsätzlich kann die Freilaufeinrichtung auch eine weitere Klinkensperre umfassen, die dazu geeignet ist, in ein Getriebeelement des Verstellgetriebes der Verstellvorrichtung formschlüssig einzugreifen.
Alternativ zu einem vorstehend beschriebenen Schwinghebel kann auch ein linear bewegter Schwinger verwendet werden, dessen Masse ebenfalls in einer im Wesentlichen tangentialen Richtung bei einer Aktivierung am Verstellgetriebe schwingt.
Die Erfindung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren beschrieben, welche Ausführungsformen der Erfindung beispielhaft darstellen. Die Figuren zeigen schematisch:

Fig. 1: eine isometrische Ansicht einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung;
Fig. 2: eine isometrische Ansicht der Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung gemäß Fig. 1;
Fig. 3a und 3b: die Vorrichtung zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung in isometrischer Rückansicht, wobei in der Fig. 3a die Vorrichtung zum Notbetrieb aktiviert ist, während sie in der Fig. 3b deaktiviert ist;
Fig. 4a, 4b und 4c: die Verstellvorrichtung gemäß der Fig. 1 in einer Draufsicht, wobei in der Fig. 4a die Vorrichtung zum Notbetrieb nicht aktiviert ist, in der Fig. 4b die Vorrichtung zum Notbetrieb ausgelöst wird und in der Fig. 4c die Vorrichtung zum Notbetrieb verriegelt ist; und
Fig. 5: die Verstellvorrichtung gemäß einer zweiten Ausführungsform.

Die Figuren 1 bis 4 zeigen eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung, die allgemein mit dem Bezugszeichen 10 bezeichnet ist. Die Verstellvorrichtung 10 ist als ein Dreiwellengetriebe ausgebildet, umfassend ein Kettenrad 12, das einem Nockenwellenantriebsrad entspricht oder fest mit diesem verbunden ist, ein in einem zentralen Bereich 14 angeordnetes Getriebeeingangszahnrad 16, das mit einem elektrischem Verstellmotor (nicht dargestellt) drehfest verbunden ist, sowie eine Grundplatte 18, die fest mit der Nockenwelle verbunden ist. Über das Kettenrad 12 wird das (regelmäßig ungleichmäßige) Eingangsdrehmoment eines zugehörigen Verbrennungsmotors in die Verstellvorrichtung 10 eingeleitet, während über das Getriebeeingangszahnrad 16 das Verstelldrehmoment des Verstellmotors in die Verstellvorrichtung 10 eingeleitet wird.
Weiterhin umfasst die Verstellvorrichtung 10 eine Notlaufeinrichtung 20, welche drehfest mit der Grundplatte 18 verbunden ist und in der Figur 1 mit einem zusätzlichen Sicherungsring 18a gesichert ist. Dieser ist in den nachfolgenden Figuren ausgeblendet, um die Funktionsweise der Verstellvorrichtung 10 besser darstellen zu können.
Die Notlaufeinrichtung 20 bzw. ein wesentliches Bauteil der Vorrichtung 20 zum Notbetrieb der Verstellvorrichtung 10 ist im Einzelnen in den Figuren 2 bis 3b gezeigt, wobei die Figur 2 eine isometrische Darstellung von vorne (gemäß Figur 1) zeigt, während die Figuren 3a und 3b isometrische Ansichten dieses Bauteils der Notlaufeinrichtung 20 von hinten sind.
Die Notlaufeinrichtung 20 umfasst neben dem in der Figur 2 gezeigten Bauteil auch noch einen Verriegelungsbolzen 50, der beispielsweise in der Figur 1 oder den Figuren 4a bis 4c zu erkennen ist.
Das in den Figuren 2 und 3a bis 3b gezeigte Bauteil der Notlaufeinrichtung 20 vereinigt die Freilaufeinrichtung 22 und die Verriegelungseinrichtung 24 der Notlaufeinrichtung 20. Weiterhin ist ein Auslösehebel 26 als Aktuator vorgesehen, der von einer Federspange 28 im eingebauten Zustand in Richtung zu einem seitlichen Anschlag 50a des Verriegelungsbolzens 50 (d.h. in den Figuren 1 und 2 nach rechts) gedrängt wird. Der Anschlag 50a, der gleichzeitig zusammen mit einem Anschlag 50b eine Führung für den Verriegelungsbolzen 50 bildet, ist wie auch der Anschlag 50b an der Grundplatte 18 ausgebildet. Der Auslösehebel 26 liegt im eingebauten Zustand in seiner Normalstellung (vgl. Figur 4a) mit einem korrespondierenden Anschlag 30 an dem Anschlag 50a der Grundplatte an.
Die Freilaufeinrichtung 22 umfasst eine Klinkensperre 32, die an ihrem freien Ende eine Raste bzw. Klinke 40 aufweist, welche in einem montierten Zustand in Richtung zu dem Getriebeeingangsrad 16 vorsteht.
Die Verriegelungseinrichtung 24 umfasst eine Blattfeder 34, welche an dem in Figur 2 gezeigten Bauteil der Notlaufeinrichtung 20 ausgebildet ist sowie den Verriegelungsbolzen 50 (vgl. beispielsweise Figur 1). Die Blattfeder 34 dient dazu, den Verriegelungsbolzen 50 aus seiner inaktiven Stellung (vgl. beispielsweise Figur 4a) in seine aktive Stellung (vgl. Figur 4c) zu überführen, damit dieser die Grundplatte 18 gegen eine Relativbewegung bezüglich des Kettenrads 12 sperren kann. Demgemäß ist die Blattfeder 34 derart vorgespannt, dass sie den Verriegelungsbolzen 50 nach radial außen bezogen auf die Mittelachse M (vgl. Figur 4a) drängt.
An der Klinkensperre 32 ist ferner ein Vorsprung 42 an ihrem freien Ende ausgebildet, welcher von einem korrespondierenden Haltevorsprung 36 untergriffen wird, solange die Freilaufeinrichtung deaktiviert ist, d.h. die Verstellvorrichtung im Normalbetrieb läuft (vgl. Figuren 3b und 4a). Erst wenn die Freilaufeinrichtung 22 aktiviert wird, löst sich der Vorsprung 42 des freien Endes der Klinkensperre 32 von dem Haltevorsprung 36. Die in der ersten Ausführungsform gezeigte Ausführungsform einer Freilaufeinrichtung 22 umfasst eine als biegeelastischen, vorgespannten Balken ausgeführte Klinkensperre 32, die derart vorgespannt ist, dass sie in einem gelösten Zustand in Richtung nach radial innen bezogen zum der Mittellängsachse M verlagert wird. In diesem aktivierten Zustand der Freilaufeinrichtung 22 vermag die Raste bzw. die Klinke 40 der Klinkensperre 32 somit in die Außenverzahnung des Getriebeeingangsrads 16 einzugreifen (vgl. beispielsweise auch Figuren 4b und 4c). Auf diese Weise ermöglicht die Klinkensperre 32 die Drehbewegung des Getriebeeingangsrads 16 in eine erste Drehrichtung, während sie eine Drehbewegung des Getriebeeingangsrads 16 in die entgegengesetzte Richtung sperrt.
Gegenüberliegend zu dem freien Ende der Blattfeder 34 ist ein Sicherungsvorsprung 46 für den Verriegelungsbolzen 50 im Normalbetrieb vorgesehen. Dieser greift (wie beispielsweise in Figur 4a zu erkennen ist), in eine durchgehende Ausnehmung 50c an dem Verriegelungsbolzen 50 ein, in welcher auch das freie Ende der Blattfeder 34 aufgenommen ist. Alternativ können jedoch auch separate Ausnehmungen an dem Sicherungsbolzen 50 zur Sicherung mittels des Sicherungsvorsprungs 46 bzw. zur Vorspannung mit Hilfe der Blattfeder 34 vorgesehen sein.
In den Figuren 3a und 3b ist ferner zu erkennen, dass an der Rückseite des einteiligen Bauteils der Notlaufeinrichtung 20 Fixierungsvorsprünge 44 ausgebildet sind, die zur drehfesten Verbindung des Bauteils mit der Grundplatte 18 der Verstellvorrichtung 10 dienen. Deutlich ist auch zu erkennen, dass diese zur Befestigung dienenden Vorsprünge 44 nicht an dem Auslösehebel 26 oder der Federspange 28 ausgebildet sind, da insbesondere der Auslösehebel 26 zum Auslösen bzw. Aktivieren der Freilaufeinrichtung 22 und/oder der Verriegelungseinrichtung 24 relativ zu der Grundplatte 18 bewegbar bleiben muss.
Nachfolgend wird anhand der Figuren 4a bis 4c die Funktionsweise der vorliegenden Erfindung näher erläutert. Die Figur 4a zeigt dabei den Normalbetrieb der Verstellvorrichtung 10, in dem die Freilaufeinrichtung 22 deaktiviert ist, sodass die Raste bzw. Klinke 40 nicht in die Außenverzahnung des Getriebeeingangsrads 16 eingreift. Stattdessen stützt sich der Vorsprung 42 des freien Endes der Klinkensperre 32 der Freilaufeinrichtung 22 an dem zugehörigen Haltevorsprung 36 ab. Darüber hinaus greift auch der Sicherungsvorsprung 46 in die korrespondierende Ausnehmung 50c des Verriegelungsbolzen50 ein und verhindert so, dass die vorgespannte Blattfeder 34 der Verriegelungseinrichtung 24 den Verriegelungsbolzen 50 nach radial außen drängt.
Bei dem dargestellten Verstellgetriebe der Verstellvorrichtung 10 handelt es sich um ein Positivgetriebe bzw. positives Summiergetriebe mit einer positiven Über-/Untersetzung, bei dem sich die Nockenwelle in die durch den mit D bezeichneten Pfeil angedeutete Richtung dreht. Im Normalbetrieb stellt der Verstellmotor am Getriebeeingangsrad 16 sicher, dass die Nockenwelle in einer bestimmten Phasenlage bezüglich des Kettenrads 12 dreht. Fällt beispielsweise der Verstellmotor aus, dann erzeugt dieser ein entsprechendes Bremsmoment und seine Drehzahl sinkt gegenüber dem Kettenrad bzw. Nockenwellenantriebsrad 12. Damit wird die Nockenwelle entsprechend dem Positivgetriebe nach Rückwärts, also in Richtung spät gestellt, d.h. der Winkel Xa zwischen einem Anschlag 54 der Grundplatte 18 und einem Anschlag 48 des Kettenrads 12 verringert sich zu einem Winkel Xb (vgl. Figur 4b).
Die Nockenwelle wird dabei über die maximale Spätposition im Normalbetrieb hinaus nach spät verstellt, bis der Auslösehebel 26 als Aktuator ausgelöst wird. Wie in der Figur 4b zu erkennen ist, verringert sich durch die Bewegung der Nockenwelle zusammen mit der Grundplatte 18 relativ zu dem Kettenrad 12 in Richtung spät nicht nur der Winkel Xa, sondern auch der Winkel Ya, wobei dieser zwischen dem Anschlag 30 des Auslösehebels 26 und einem Anschlag 52 des Kettenrads 12 liegt. In der in Figur 4b gezeigten Stellung, ist der Winkel Ya gerade zu null geworden, das heißt der Auslösehebel 26 wird gerade aktiviert, also durch den Anschlag 52 des Kettenrades 12 nach links gedrückt. Im Normalbetrieb der Verstellvorrichtung drückt dabei die zum Auslösehebel gehörende Federspange 28 den Auslösehebel 26 soweit nach rechts bis dabei ein radial innerer Bereich des Anschlags 30 auf dem zur Grundplatte 18 festen Anschlag 50a auftrifft, sodass die Position des Anschlags 30 gegenüber der Grundplatte 18 sehr genau definiert ist.
Die Anbindung des Auslösehebels 26 an die Notlaufeinrichtung 20 erfolgt dabei über einen elastischen Zwischenbereich 38 des Auslösehebels 26 der dabei in der Art eines Gelenkpunkts wirkt.
Durch die geringfügige Verlagerung des Anschlags 30 des Auslösehebels 26 zusammen mit dem Haltevorsprung 36 und dem Sicherungsvorsprung 46 wird die Freilaufeinrichtung 22 aktiviert. So löst sich der Vorsprung 42 der Klinkensperre 32 von dem Haltevorsprung 36 und wird infolge seiner elastischen Vorspannung in Richtung zu dem Getriebeeingangsrad 16 nach radial innen verlagert bis die Klinke bzw. Raste 40 in die Außenverzahnung des Getriebeeingangszahnrads 16 eingreift. Die aktivierte Freilaufeinrichtung 22 lässt von nun an, solange sich die Verstellvorrichtung 10 im Notlaufbetrieb befindet, nur noch eine Vorwärtsbewegung (in Drehrichtung D der Nockenwelle) des Getriebeeingangszahnrads 16 gegenüber dem nockenwellenfesten Teil, der Grundplatte 18, zu.
Da der Antrieb der Nockenwelle über das Nockenwellenantriebsrad bzw. Kettenrad 12 auch bei stationärem Motorbetrieb des Verbrennungsmotors ungleichförmig ist, gibt es immer wieder Winkelbereiche, in denen das Nockenwellenantriebsrad bzw. Kettenrad 12 beschleunigt wird und Winkelbereiche in denen es verzögert wird. Auf diese Weise wird auch das Getriebeeingangszahnrad 16 mitsamt einem Rotor des inaktiven Verstellmotors in der Beschleunigungsphase durch die aktivierte Freilaufeinrichtung beschleunigt, d.h. die Freilaufeinrichtung nimmt das Getriebeeingangsrad 16 des Verstellmotors mit. In der anschließenden Verzögerungsphase des Kettenrads 12 ist der Drehimpuls des Verstellmotors sowie des Getriebeeingangszahnrades 16 groß genug, um das Getriebeeingangszahnrad 16 entgegen einem eventuell wirkenden Bremsmoment des inaktiven Verstellmotors gegenüber der Grundplatte 18 ein kleines Stück nach vorwärts (d.h. in Richtung der Nockenwellendrehrichtung D) zu bewegen. Auf diese Weise wird die Nockenwelle in Richtung zu ihrer Notlaufstelle bewegt.
Ist diese erreicht (vgl. Figur 4c), so wird der Verriegelungsbolzen 50 durch die vorgespannte Blattfeder 34 in die nunmehr zugängliche Ausnehmung 52a nach radial außen bewegt, wodurch eine Verriegelung des Kettenrads 12 relativ zu der Grundplatte 18 bewirkt wird. In der Figur 4c erkennt man ebenso die mechanischen Frühanschläge 70 die fest zur Grundplatte 18 sind und die entsprechenden Frühanschläge 80 die fest zum Kettenrad 12 sind. Anhand des Winkels Xc erkennt man, dass es sich bei der vorliegenden Notlaufstellung um eine definierte Mittenstellung der Nockenwelle handelt.
Nach dem Blockieren des Kettenrads 12 relativ zu der Grundplatte 18 mit Hilfe des Verriegelungsbolzens 50 kann durch eine kleine weitere Vorwärtsbewegung des Getriebeeingangszahnrads 16 gegenüber dem nockenwellenfesten Teil, d.h. der Grundplatte 18, die Verstellvorrichtung entweder annähernd spielfrei oder sogar spielfrei vorgespannt werden.
In der Figur 5 ist schließlich eine weitere Ausführungsform der Freilaufeinrichtung gezeigt, welche in der Figur 5 mit dem Bezugszeichen 122 versehen ist. Bei den beiden Ausführungsformen der Erfindung sind gleiche Merkmale mit den gleichen Bezugszeichen versehen, wobei jedoch bei der zweiten Ausführungsform der Figur 5 den Bezugszeichen die Ziffer "1" vorangestellt ist.
Die Freilaufeinrichtung 22 umfasst in der in Figur 5 gezeigten Ausführungsform neben der Klinkensperre 132 einen zusätzlichen Schwinghebel 160. Die Klinkensperre 132 ist dabei über einen Schwenkarm 158 gelenkig in dem Drehpunkt 168 an dem Schwinghebel 160 gelagert. Ferner wird die Klinkensperre 132 durch eine zusätzliche Feder 162 in Richtung zu dem Getriebeeingangsrad 116 vorgespannt, wobei sich die Feder ebenfalls an dem Schwinghebel 160 abstützt.
Zur Vereinfachung der Ansicht wurde auf die Darstellung der übrigen Komponente der Verstellvorrichtung verzichtet. Der Schwinghebel 160 ist jedoch ebenfalls drehgelenkig gegenüber einem Drehpunkt 166 an der Grundplatte (in Figur 5 nicht dargestellt) der Verstelleinrichtung drehbar gelagert und durch zwei federelastische Elemente 156 federbelastet.
Die Federelemente 156 können sich mit ihrem jeweils anderen Ende ebenfalls an beispielsweise der Grundplatte der Verstellvorrichtung abstützen. Durch die beiden Federelemente 156 wird der Schwinghebel 160 in einer nominalen Winkelposition gehalten und kann zusätzlich verriegelt sein. Im Notfallbetrieb bzw. Notlauf der Verriegelungseinrichtung wird eine solche Verriegelung dann gelöst und der Hebel schwingt bei einer bestimmten Drehzahlanregung des Nockenwellenantriebs in seiner Resonanz und erzeugt damit besonders viel Kraft, um die Nockenwelle in Richtung der Notfallposition zu verstellen. Die Resonanzfrequenz kann dabei über die Federelemente 156 eingestellt werden, wobei diese so ausgelegt sein kann, dass diese bereits während des Motorstarts des Verbrennungsmotors, also durch den Anlasser des Verbrennungsmotors erreicht wird.

Claims

Verstellvorrichtung (10) zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle innerhalb eines vorgegebenen Winkelbereichs, wobei die Verstellvorrichtung (10) eine Vorrichtung zum Notbetrieb (20) der Verstellvorrichtung (10) aufweist, die Vorrichtung zum Notbetrieb (20) eine Freilaufeinrichtung (22) umfasst, die in einem Notbetrieb der Verstellvorrichtung (10) aktivierbar ist und in einem aktivierten Zustand eine Verstellbewegung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle aus der aktuellen Stellung in einer ersten Richtung zu einer Notlaufstellung hin zu erlauben und eine Verstellbewegung in einer hierzu entgegengesetzten zweiten Richtung zu blockieren vermag,
dadurch gekennzeichnet, dass die Freilaufeinrichtung (22) eine federnd vorgespannte Klinkensperre (132) umfasst, die dazu geeignet ist, in ein Getriebeelement eines Verstellgetriebes der Verstellvorrichtung (10) formschlüssig einzugreifen, sowie einen zusätzlichen Schwinghebel (160), der an der Verstelleinrichtung (10) drehbar gelagert und durch federelastische Elemente (156) federbelastet ist.
Verstellvorrichtung (10) nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Freilaufeinrichtung (22) fest mit der Nockenwelle oder einem nockenwellenresien Teil veibunden ist.
Verstellvorrichtung (10) nach Anspruch 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Getriebeelement ein höher übersetztes Getriebeelement umfasst.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zum Notbetrieb (20) einen Aktuator zur Aktivierung der Freilaufeinrichtung (22) umfasst.
Verstellvorrichtung (10) nach einem Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator einen Endschalter umfasst, welcher ausserhalb eines Verstellbereichs der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle im Normalbetrieb der Verstellvorrichtung (10) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung (10) nach einem Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator fest zur Grundplatte (18) bzw. zum Antriebsrad (12) ist und sich ein Endschalter des Aktuators im Normalbetrieb der Verstellvorrichtung (10) federelastisch an einem Anschlag der Grundplatte (18) bzw. des Antriebsrades (12) abstützt.
Verstellvorrichtung (10) nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Vorrichtung zum Notbetrieb (20) eine Verriegelungseinrichtung (24) umfasst, die die Verstellvorrichtung (10) dann, wenn die Nockenwelle ihre Notlaufstellung relativ zu der Kurbelwelle erreicht hat, zu verriegeln vermag.
Verstellvorrichtung (10) nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verriegelungseinrichtung (24) einen Verriegelungsbolzen (50) umfasst, der dazu eingerichtet ist, zwischen dem Antriebsrad (12) der Nockenwelle und einem nockenwellenfesten Teil zu wirken.
Verstellvorrichtung (10) nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Verriegelungseinrichtung (24) ein elastisches Element umfasst, die den Verriegelungsbolzen (50) in Richtung zu seiner Verriegelungsstellung vorzuspannen vermag.
Verstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 9,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Freilaufeinrichtung (22) und die Verriegelungseinrichtung (24) integral miteinander ausgebildet sind.
Verstellvorrichtung (10) nach einem der Ansprüche 7 bis 10,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Aktuator dazu eingerichtet ist, sowohl die Freilaufeinrichtung (22) als auch die Verriegelungseinrichtung (24) zu aktivieren.