WO2001088344A1 - Verstellvorrichtung zum verstellen der winkellage einer welle - Google Patents

Verstellvorrichtung zum verstellen der winkellage einer welle Download PDF

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WO2001088344A1
WO2001088344A1 PCT/CH2001/000272 CH0100272W WO0188344A1 WO 2001088344 A1 WO2001088344 A1 WO 2001088344A1 CH 0100272 W CH0100272 W CH 0100272W WO 0188344 A1 WO0188344 A1 WO 0188344A1
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adjusting device
adjusting
adjustment
shaft
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PCT/CH2001/000272
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Helmut Kirmsze
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Krupp Presta Ag
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    • 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
    • F01L1/352—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
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    • F01L2820/01—Absolute values

Definitions

  • Adjustment device for adjusting the angular position of a shaft
  • the invention relates to an adjusting device with a drive for adjusting the angular position of a shaft with an alternating load, in particular a camshaft, according to the preamble of claim 1.
  • the present invention has for its object to avoid the disadvantages of the prior art.
  • it is an object of the invention to provide an adjustment arrangement which is simple and economical to produce, which works reliably and precisely even at low engine speeds and additionally enables the drive power to be reduced further and thus energy to be saved.
  • an adjustment device which is provided with an inhibiting device acting in the opposite direction of rotation, is provided with an electromechanical drive.
  • the inhibiting device is, for example, a controlled inhibiting device, which is always activated in a controlled manner when the shaft torque, which acts against the respective drive direction of rotation, exceeds the drive torque of the adjusting drive.
  • This inhibiting device can be operated hydraulically, for example, as in the case of a valve-controlled vane cell drive or an electromechanically controlled inhibitor arrangement.
  • the electromechanical arrangement is preferably designed as an electromagnetic inhibiting device which can be operated particularly well electrically via a control system. Combinations hydraulic / electrical are also possible.
  • the self-locking device can be designed hydraulically or mechanically.
  • the self-locking arrangements are particularly easy to implement and have good efficiency.
  • Self-locking, mechanical transmission or gear arrangements such as freewheel gear are preferably used.
  • the rotary piston adjuster based on the orbit principle combined with an electromechanical drive, with which the rotary piston can be operated entirely or partially as needed or as a support, has proven to be particularly advantageous.
  • the electromechanical adjustment of the phase position also has the considerable advantage that the oil control valve for controlling the hydraulic adjustment systems can be dispensed with and a power amplifier output of the engine management system can be used directly to actuate the adjustment.
  • This concept allows the camshaft to be adjusted with respect to the crankshaft at a very high speed with a low drive torque.
  • An adjustment with an electric motor drive therefore requires only a very small amount Torque, for example below 2 Nm, preferably below 0.5 Nm.
  • the electric motor operates the rotor of the stage directly or indirectly via a gear.
  • Electric motors can therefore be used with drive powers of less than 500 watts or even less than 200 watts. With an even more optimized, preferred arrangement, very small motors with drive powers below 20 watts are possible.
  • the entire rotary piston adjuster with an electric motor drive is tightly encapsulated in oil, for example, and is controlled simply by feeding in an electrical current for the operation of the electric motor drive. The feed takes place only as long as is to be adjusted.
  • the arrangement can also be built very small and housed directly inside the sprocket on the camshaft.
  • the electric motor only has to apply very little torque.
  • the adjustment mechanism based on the rotary piston principle is therefore only used for mechanical self-locking.
  • other self-locking adjusting devices can also be used for the inventive arrangement, the use of the rotary piston arrangement according to the orbit principle is particularly suitable.
  • the actual adjustment is no longer carried out by the oil-hydraulic drive, but by the electric drive.
  • the arrangement it is also advantageously possible to use the arrangement as a hybrid drive combined from an electric drive and an oil-hydraulic drive, which has the advantage that the already existing oil-hydraulic supply can be used in internal combustion engines and at the same time it can be dimensioned in a miniaturized manner, which results in energy savings.
  • An electro-mechanical drive of an adjuster would be without an inhibitor and In particular without a self-locking device, this would mean that it would have to tackle the occurring torque peaks and the power would have to be brought up permanently, with the result that the electric drive would have to be dimensioned very powerfully, which would not be achievable with small, inexpensive systems and from an energy point of view would be unrealistic.
  • a particular advantage of the adjustment arrangement according to the invention is the adjustment characteristic, which is very easy to control. Due to the self-locking, it is sufficient to switch off the adjustment current immediately after reaching the desired adjustment angle. The camshaft torque therefore exceeds the adjustment torque at all times or has almost the value zero, so that the system always remains self-locking at this operating point.
  • the control of the motor also does not require any additional complex control logic, since the motor no longer emits any torque within a very short time after the supply current has been switched off. In this way it is possible to work with a low operating power of the electric motor.
  • Fig. 1 in section a rotary piston camshaft adjuster according to the orbit principle according to the prior art
  • FIG. 2 shows the adjustment angle w in degrees of the crankshaft [° KW] over time t for a camshaft adjuster without self-locking
  • FIG. 3 shows the adjustment angle w over time t for a camshaft adjuster with inhibitor
  • FIG. 6 in section an adjustment device according to the invention with a rotary piston adjustment arrangement and an electric motor drive
  • Adjustment devices for adjusting the angular position of a shaft in relation to the main drive phase position are difficult to master when alternating loads occur on the shaft, as occur in particular with camshafts of internal combustion engines. In such applications, it is not necessary to continuously adjust the angle without interruption. It is much more sufficient to be able to make this adjustment in short steps, which allow a sufficiently precise control step by step compared to the process to be controlled, such as the combustion of the engine. According to the invention, the adjustment device is therefore designed such that it is only effectively engaged when the Adjusting torque is not in the area of the load peak.
  • Phase 3 shows schematically how the adjustment torques behave in different time ranges in a device according to the invention, depending on the adjustment angle W in degrees of crankshaft adjustment over time.
  • Phase A is the area in which the torque of the camshaft is smaller than the torque applied by the adjuster and B in which the torque of the camshaft is greater than the torque applied by the adjuster.
  • phase B there is inhibition and the drive does not have to overcome any additional torque during this time.
  • the inhibition therefore acts in phase B, where an additional moment occurs against the direction of rotation of the shaft and is compensated for at this point in time by means of an inhibitor arrangement in relation to the drive.
  • an inhibiting device which is designed as a controlled locking arrangement.
  • be settled for example hydraulically as with a type of valve-controlled wing motor and / or with an electromechanical device, a type of brake, and / or preferably with an electromagnetic blocking, which is particularly easy to implement and control.
  • the inhibiting effect can be realized even more easily if the transmission device, for example a transmission, or the drive itself inherently has a self-locking effect.
  • These can be, for example, hydraulic systems and / or preferably mechanically inhibiting arrangements such as freewheel gear arrangements.
  • a self-locking arrangement a rotary piston arrangement according to the orbit principle is particularly suitable, which can be operated in combination both as a supporting oil-hydraulic direct drive and in combination with an easily controllable electromechanical drive.
  • the hybrid drive design with oil-hydraulic support and with electromechanical drive enables on the one hand the use of the sufficiently high-speed engine available at high speeds and, on the other hand, the takeover by the electromechanical drive, especially at lower speeds, where the hydraulic supply is less the advantage of the good and precise controllability of an electric motor drive.
  • the purely electromechanical drive with the help of an electric motor alone without a hydraulic hybrid drive has the advantage that the actuator can be controlled even better and more precisely with modern control means such as microprocessor controls. It is easily possible to provide engine load and / or speed dependent algorithms.
  • Suitable electromechanical drive units are DC motors, stepper motors, synchronous motors or, in particular, electronically commutated DC motors.
  • the detour via oil-hydraulic control elements e.g. 4/3 way proportional valves, which also involves dead times, is not necessary with the electric drive.
  • a self-locking power transmission device according to the preferred rotary piston arrangement based on the orbit principle is shown in cross section in FIG.
  • the stator 1 carries a ring gear or a belt ring, as a result of which this is driven by the internal combustion engine.
  • a rotary piston 2 is arranged eccentrically to the camshaft 12 and is rotated in a valve-controlled manner by a fluid in the fluid high pressure pressure 10. The fluid is returned to the hydraulic circuit in the low-pressure area 11.
  • the rotation of the rotary piston 2 also moves a pinion 3, which is arranged on the shaft 12 and serves as an output, with which the shaft 12 is driven.
  • an electromechanical drive is now coupled directly to the rotary piston 2.
  • the drive can preferably be carried out only electrically or can also be operated hybrid together with the oil hydraulics.
  • FIG. 4 the static adjustment torque in Newton meters (Nm) is shown as a function of the oil pressure p in bar of a self-locking rotary piston arrangement 0 in the same with a helical shaft arrangement Z according to the prior art. It can be seen from this that the self-locking arrangement easily requires a lower adjusting torque m by a factor of 5. This shows that electromechanical operation is only possible with such an inhibiting adjustment arrangement, with the aforementioned advantages.
  • FIG. 5 shows qualitatively the adjustment speed v of the adjustment angle in degrees per second (° KW / s) comparatively depending on the operating pressure p in bar comparatively with the two aforementioned adjustment drives.
  • FIG. 6 An exemplary embodiment of an electromechanical drive coupling to a self-locking rotary piston arrangement is shown in cross section in FIG. 6 and in three dimensions in FIG.
  • the drive shaft 9 is driven by an electric motor, the drive shaft 9 driving an engagement gear 6, which is coupled to a transmission gear 7 and is in engagement with an outer ring 4 with internal teeth, which encloses the entire arrangement. Overall, this arrangement forms a drive gear.
  • the circular piston 2 has an increased fine toothing 5 in its outer area, in which transfer gears 8 engage, which are arranged peripherally distributed around the circular piston 2 and are freely rotatably mounted on the stator 1.
  • the external ring gear, which is drive gear 6, 7, 9 is driven, in turn drives these transfer gears and thereby transmits the force to the rotary piston 2 in any position.
  • the coupling of an electromechanical driving force between the stator 1 and the rotary piston 2 enables the rotary piston and thus the shaft 12 to be rotated using the self-locking effect of the rotary piston arrangement according to the orbit principle.
  • An electromechanical coupling can be implemented in a further simplified manner by using magnetic coupling elements such as with permanent and / or electromagnets in order to keep the mechanical outlay as low as possible.

Abstract

Eine Verstellvorrichtung mit Antrieb zum Verstellen der Winkellage einer Welle mit Wechsellast, insbesondere für eine Nockenwellenverstellung für Verbrennugsmotoren, wird mit einem Hemmmechanismus versehen zur Aufnahme von auf den Antrieb rückwirkenden Wechsellasten, so dass es möglich wird, die Verstellvorrichtung elektromechanisch geeignet zu betreiben mit dem Vorteil eines noch präziseren gesteuerten Motormanagementes.

Description

Verstellvorrichtung zum Verstellen der Winkellage einer Welle
Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung mit Antrieb zum Verstellen der Winkellage einer Welle mit Wechsellast insbesondere einer Nockenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Problem der Verstellung der Phasenlage bzw. der Winkellage der Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle wird seit der Nutzung des Verbrennungsmotors diskutiert und es werden immer wieder neue Lösungsansätze gesucht. Der Wunsch ist dabei, möglichst einfach und schnell unter Aufwendung möglichst wenig Energie die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu verdrehen. Es ist hierbei sehr wichtig, eine hohe Sicherheit der Kraftübertragung über die Verstelleinheit zu gewährleisten, da sonst erhebliche Schäden an den Ventilen oder dem gesamten Motor auftreten können. Der zunehmende Druck Kraftstoff einzusparen, die Emissionen zu verringern und trotzdem dem Kunden ein hohes Leistungsvermögen zur Verfügung zu stellen, erfordert immer grössere Verstellbereiche bei kontinuierlicher Verstellbarkeit, hoher Verstellgeschwindigkeit und hoher Präzision.
Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wurden verschiedene Lösungsansätze realisiert. Eine bekannte Lösung ist beispielsweise das Prinzip der ineinanderlaufenden gerad- und schrägverzahnten Wellen, wie dies in der Veröffentlichung von Michael Krön und Klaus Wolf beschrieben ist unter dem Titel 'Variable Steuerzeiten der neuen Mercedes-Benz Vierventilmotoren' (MTZ50 (1989) Seite 327ff) . Ein weiterer Lösungsansatz wird mit der umgekehrt betriebenen Flügelzellenpumpe in den Schriften US 5,738,056 und US 5,794,577 be- schrieben. Eine weitere Ausführungsform mit einem speziellen Jochmechanismus ist aus der US 5,671,706 bekannt geworden. Eine weitere Verstellvorrichtung mit schräglaufenden Kugeln wird in der GB 98/02153 erläutert. Diese bekannten Systeme werden in der Regel durch Oel betrieben, das wegen der Motorschmierung bereits im Motor vorhanden ist. Die Ausnutzung der normalen MotorölSchmierung weist allerdings auch erhebliche Nachteile auf. So steigt der Oelbedarf des Motors, was durch grössere Oelpumpen ausgeglichen werden uss, was wiederum zu erhöhten Verlustleistungen insgesamt im Motor führt. Ferner steht der Druck und Volumenstrom für die Verstellung erst nach mehr oder weniger kurzer Zeit, das heisst verzögert, nach dem Kaltstart zur Verfügung und kann auch im Heissleerlauf nicht immer gewährleistet sein. Zur Abhilfe kann entweder ein separates Oelversorgungsaggregat, das wiederum zu erhöhter Verlustleistung führt, oder ein Ausblenden der Verstellung bei bestimmten Motorzuständen Verwendung finden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die bekannten Systeme, wenn sie in einer mittleren Verstelllage gehalten werden müssen, von beiden Seiten mit gleichem, möglichst hohem Oeldruck versorgt werden müssen, um den Spitzenwerten der Wechselmomente der Nockenwelle, die durchaus 30 Nm und mehr erreichen können, stand zu halten, bzw. die Position zu halten. Wegen der inneren Leckagen der Systeme führt das zu erhöhtem Oelbedarf und zu entsprechenden Verlustleistungen, wobei zusätzlich das Oelversorgungssystem für diesen hohen Bedarf ausgelegt werden muss. Weiterhin muss beim Kaltstart eine Lock-Einrichtung Verwendung finden, damit die Systeme ohne Oelversorgung nicht hin- und herschwingen, wodurch die Ventilsteuerzeiten eine Undefinierte Lage erfahren. Ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der vorerwähnten Probleme wurde mit einer Verstellanordnung mit einem Kreiskolbenantrieb nach dem sogenannten Orbit-Prinzip erreicht, wie er in der WO 99/58821 beschrieben ist. Ein wesentlicher Vorteil dieser Anordnung besteht darin, dass dieser Antrieb gegenüber mechanischen Einwirkungen inhärent eine Selbsthemmung bewirkt. Der Versteller kann nur durch Oeldruckzufuhr in seiner Drehwinkellage verstellt werden, jedoch nicht durch Drehmomentaufbringung von aussen. Damit ist gewährleistet, dass hohe Drehmomentspitzen beziehungsweise Wechsellasten der Nockenwelle nicht zu hohen Gegendrücken in den Ar- beitskammern des Hydrauliksystems führen können und dass für den Normalbetrieb, also wenn keine Winkelverstellung statt findet, kein Stützdruck für die Drehmomentübertragung notwendig ist. Ein Versteller dieser Art mit Selbsthemmung kann auch bei nur geringem statischen Verstellmoment eine hohe Verstellgeschwindigkeit erreichen. Das hängt damit zusammen, dass der Versteller mit seinem relativ kleinen aufzubringenden Verstellmoment nur zu denjenigen Prozessphasen verstellt wird, in denen das Verstellmoment grösser als das momentane Wechselmoment der Nockenwelle ist. Übersteigt das momentane Nockenwellenwechselmoment das Verstellmoment des Verstellers stützt sich das System in seiner Selbsthemmung ab und fällt nicht zurück, wie Systeme ohne Selbsthemmung es tun, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 ist der Verstellwinkel w abhängig von der Zeit t für eine nicht selbsthemmende Anordnung dargestellt. In Fig. 3 ist ebenfalls der Verstellwinkel w der Kurbelwelle [°KW] abhängig von der Zeit t für ein selbsthemmendes System dargestellt. Im Bereich A ist das Moment der Nockenwelle kleiner als dasjenige des Verstelllers, wobei im Bereich B das Moment der Nockenwelle grösser ist als dasjenige des Verstellers. Für eine Verstellung ist allerdings weiterhin Oeldruck erforderlich. Auch dieses System bedarf zur Verstellung eines Oelvolumenstroms, der durch die Zuleitungen und Steuerventile geleitet werden muss. Die Verstellzeit ist also nicht nur durch das aufgebrachte Verstellmoment, sondern auch durch die Dauer bzw. die Zeitkonstante, den Oelvolumenstrom durch das System zu fördern, begrenzt. Ferner steht gerade im Kaltstart oder Heissleerlauf jedoch generell wenig Oel zur Verfügung und dieses Oel muss unbedingt zur Schmierung der hochempfindlichen Lager zur Verfügung stehen.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfach und wirtschaftlich herstellbare Verstellanordnung zu schaffen, welche auch bei niederen Drehzahlen des Verbrennungsmotores zuverlässig und präzise arbeitet und zusätzlich ermöglicht, die Antriebsleistung weiterhin zu verringern und somit Energie zu sparen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen beinhalten die abhängigen Patentansprüche.
Erfindungsgemäss wird eine Verstellvorrichtung, welche mit einer in gegen die Drehrichtung wirkenden Hemmvorrichtung versehen ist, mit einem elektromechanisehen Antrieb versehen. Mit diesem Antrieb kann elektrisch über eine Steuervorrichtung der Verdrehwinkel jederzeit präzise und rasch eingestellt werden. Die Hemmvorrichtung ist beispielsweise eine gesteuerte Hemmeinrichtung, welche immer dann gesteuert aktiv wird, wenn das Wellenmoment, das gegen die jeweilige Antriebsdrehrichtung wirkt, das Antriebsmoment des VerStellantriebes überschreitet. Diese Hemmvorrichtung kann beispielsweise hydraulisch betrieben sein, wie bei einem ventilgesteuerten Flügelzellenantrieb oder eine elektromechanisch gesteuerte Hemmanordnung. Vorzugsweise ist die elektromechanische Anordnung als elektromagnetische Hemmvorrichtung ausgebildet, welche sich besonders gut elektrisch über ein Steuersystem betreiben lässt. Kombinationen hydraulisch / elektrisch sind ebenfalls möglich.
Noch effektiver arbeiten erfindungsgemäss elektrisch betriebene, selbsthemmende Versteilvorrichtungen. Auch hier kann die selbsthemmende Vorrichtung hydraulisch oder mechanisch ausgebildet sein. Die selbsthemmenden Anordnungen sind besonders einfach zu realisieren und weisen einen guten Wirkungsgrad auf. Vorzugsweise werden selbsthemmende, mechanische Übertragungs- beziehungsweise Getriebeanordnungen wie Freilaufgetriebe verwendet.
Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei der Kreiskolbenversteller nach dem Orbit-Prinzip kombiniert mit einem elek- tromechanischen Antrieb erwiesen, mit welchem elektromotorisch ganz oder teilweise nach Bedarf oder unterstützend der Kreiskolben betrieben werden kann. Die elektromechanische Verstellung der Phasenlage birgt zudem den erheblichen Vorteil, dass das Oelsteuerventil zur Steuerung der hydraulischen Verstellsysteme entfallen kann und direkt ein Leistungsverstärkerausgang des Motormanagementsystems zur Betätigung der Verstellung genutzt werden kann. Dieses Konzept gestattet die Verstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle mit sehr hoher Geschwindigkeit bei geringem einzubringendem Antriebsdrehmoment. Eine Verstellung mit einem- Elektromotorantrieb benötigt deshalb nur ein sehr geringes Drehmoment, beispielsweise unter 2Nm, vorzugsweise unter 0,5 Nm. Der Elektromotor betreibt hierbei direkt oder indirekt über ein Getriebe den Rotor des Verstellers. Es sind somit Elektromotore einsetzbar mit Antriebsleistungen unter 500 Watt oder sogar unter 200 Watt. Bei noch weiter optimierter, bevorzugter Anordnung sind sehr kleine Motore möglich mit Antriebsleistungen unter 20 Watt. Der gesamte Kreiskolbenversteller mit Elektromotorantrieb ist beispielsweise in Oel dicht gekapselt und wird einfach durch Einspeisen eines eletkrischen Stromes für den Betrieb des Elektromotorantriebes angesteuert. Die Einspeisung erfolgt jeweils nur solange, wie verstellt werden soll. Die Anordnung kann ausserdem sehr klein gebaut werden und direkt innerhalb des Kettenrades an der Nockenwelle untergebracht werden.
Dank der selbsthemmenden Verstellvorrichtung muss der Elektromotor nur sehr geringe Momente aufbringen. Der Verstellmechanismus nach dem Kreiskolbenprinzip wird folglich nur zur mechanischen Selbsthemmung genutzt. Obwohl auch andere selbsthemmende Versteileinrichtungen für die erfinderische Anordnung eingesetzt werden können, ist die Verwendung der Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip besonders geeignet. Die eigentliche Verstellung erfolgt erfindungsgemäss nicht mehr durch den Oel-hydraulischen Antrieb, sondern durch den elektrischen Antrieb. Es ist jedoch auch vorteilhafterweise möglich, die Anordnung als Hybridantrieb kombiniert aus Elektroantrieb und Oel-hydraulischem Antrieb zu nutzen, was den Vorteil hat, dass bei Verbrennungsmotoren die ohnehin vorhandene Oel-hydraulische Versorgung genutzt werden kann und gleichzeitig diese aber mini allisiert dimensioniert werden kann, was entsprechend Energieeinsparungen bewirkt. Ein elektro echanischer Antrieb eines Verstellers würde bei Verstellanordnungen ohne Hemmeinrichtung und insbesondere ohne Selbsthemmeinrichtung dazu führen, dass dieser gegen die auftretenden Momenspitzen angehen müsste und die Leistung permanent gebracht werden müsste, was zur Folge hat, dass der elektrische Antrieb sehr leistungsstark dimensioniert werden müsste, was mit kleinen preiswerten Anlagen nicht zu erzielen wäre und aus energetischer Hinsicht unrealistisch wäre.
Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Verstellanordnung besteht in der regelungstechnisch sehr einfach beherrschbaren Verstellcharakteristik. Durch die Selbsthemmung genügt es, sofort nach Erreichen des gewünschten Verstellwinkels den Verstellstrom abzuschalten. Das Nockenwellenmoment überschreitet damit zu jeder Zeit das Verstellmoment oder hat nahezu den Wert null, so dass das System in diesem Arbeitspunkt immer in der Selbsthemmung bleibt. Auch die An- steuerung des Motores bedarf keiner zusätzlichen aufwendigen Steuerlogik, da der Motor innerhalb kürzester Zeit nach Abschalten des Versorgungsstromes kein Moment mehr abgibt. Auf diese Weise kann mit geringer Betriebsleistung des Elektromotors gearbeitet werden.
Die Erfindung wird nun beispielsweise mit schematischen Figuren beschrieben. Es zeigen:
Fig. 1 im Schnitt ein Kreiskolbennockenwellenversteller nach dem Orbit-Prinzip gemäss Stand der Technik
Fig. 2 eine Darstellung des Verstellwinkels w in Grad der Kurbelwelle [°KW] über der Zeit t für einen Nok- kenwellenvesteller ohne Selbsthemmung Fig. 3 eine Darstellung des Verstellwinkels w über der Zeit t für einen Nockenwellenversteller mit Hemmvorrichtung
Fig. 4 eine Darstellung des statischen Verstellmoments M über dem Oeldruck p [bar] für einen Versteller nach Stand der Technik nach dem Prinzip der schrägverzahnten Welle Z im Vergleich zum erfin- dungsgemässen Prinzip des Orbit-Motors 0
Fig. 5 eine Darstellung der Vestellgeschwindigkeit v [°KW/s] über dem Oeldruck p nach dem Stand der Technik der schrägverzahnten Welle Z und nach dem erfindungsgemässen Prinzip des Orbit-Motors 0
Fig. 6 im Schnitt eine erfindungsgemasse Verstellvorrichtung mit Kreiskolbenverstellanordnung und elektromotorischem Antrieb
Fig. 7 dreidimensionale Ansicht der Anordnung nach Fig. 6
Versteilvorrichtungen zum Verstellen der Winkellage einer Welle gegenüber der Haubtantriebsphasenlage sind schwierig zu beherrschen, wenn Wechsellasten an der Welle auftreten, wie sie insbesondere bei Nockenwellen von Verbrennungsmotoren auftreten. Bei solchen Anwendungen ist es nicht notwendig, die Winkelverstellung ohne Unterbruch kontinuierlich vorzunehmen. Viel mehr genügt es, diese Verstellung in kurzen Schritten vornehmen zu können, welche gegenüber dem zu steuernden Prozess, wie der Verbrennung des Motors, eine genügend präzise Steuerung schrittweise ermöglichen. Erfindungsgemäss wird deshalb die Verstellvorrichtung so ausgebildet, dass diese nur wirksam im Eingriff steht, wenn das VerStellmoment nicht im Bereich der Belastungsspitze liegt. Dies kann dadurch erreicht werden, dass im Bereich der Belastungsspitzen in der Verstellvorrichtung ein Hemmmechanismus eingreifft, welcher verhindert, dass die Verstellvorrichtung durch das erzeugte, gegenwirkende Moment der Belastungsspitze auf den Versteilantrieb wirkt. Wenn ein gewisses, vorgewähltes Mass dieses Gegenmomentes unterschritten wird, wird die Hemmung, am besten selbsttätig ohne Steuereingriff, gelöst und der Antrieb der Verstellvorrichtung wird wirksam zur Verstellung des Nockenwellenwinkels in entsprechenden Schritten. Auf diese Weise kann der Antrieb entsprechend kleiner dimensioniert werden, womit es erst möglich wird eine solche Verstellvorrichtung mit einem elektromechanischen Antrieb wirtschaftlich und kompakt zu realisieren. Ausserdem wird, da nur die notwendige Verstellleistung aufgebracht werden muss und keine permanente Halteleistung, die Energiebilanz verbessert. In Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie sich bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung die Verstellmomente in verschiedenen Zeitbereichen verhalten, abhängig vom Verstellwinkel W in Grad der Kurbelwellenverstellung über der Zeit. Hierbei ist die Phase A der Bereich, in der das Moment der Nockenwelle kleiner ist als das durch den Versteller aufgebrachte Drehmoment und B, in der das Moment der Nockenwelle grösser ist als das durch den Versteller aufgebrachte Drehmoment. In der Phase B wird also gehemmt und der Antrieb muss während dieser Zeit kein zusätzliches Moment überwinden.
Die Hemmung wirkt also in der Phase B, wo ein zusätzliches Moment gegen die Drehrichtung der Welle auftritt und wird in diesem Zeitpunkt durch eine Hemmanordnung gegenüber dem Antrieb aufgefangen. Dies kann mit einer Hemmvorrichtung, welche als gesteuerte Sperranordnung ausgebildet ist, reali- siert werden, beispielsweise hydraulisch wie mit einer Art ventilgesteuertem Flügelmotor und / oder mit einer elektro- mechanischen Einrichtung, einer Art Bremse, und /oder aber vorzugsweise mit einer eletromagnetischen Blockierung, welche besonders einfach zu realisieren und anzusteuern ist.
Noch einfacher ist aber die Hemmwirkung realisierbar, wenn die Übertragungsvorrichtung, beispielsweise ein Getriebe, oder der Antrieb selbst inhärent eine selbsthemmende Wirkung aufweist. Dies können beispielsweise hydraulische Systeme sein und / oder vorzugsweise mechanisch hemmende Anordnungen wie Freilaufgetriebeanordnungen. Als selbsthemmende Anordnung ist hierbei besonders eine Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip geeignet, welche sowohl als unterstützender oelhydraulischer Direktantrieb gekoppelt mit einem gut steuerbaren elektromechanischen Antrieb kombiniert betrieben werden kann. Die hybride Antriebsausführung mit oelhydraulischer Unterstützung und mit elektromechanischem Antrieb ermöglicht die Nutzung einerseits des bei hohen Drehzahlen betriebenen Motores ohnehin genügend vorhandenen oelhydrauli- schen Angebotes und andererseits die vor allem bei tieferen Drehzahlen, wo das hydraulische Angebot geringer ist, eine Übernahme durch den elektromechanischen Antrieb mit dem Vorteil der guten und präzisen Steuerbarkeit eines elektromotorischen Antriebes.
Der rein elektromechanische Antrieb mit Hilfe eines Elektro- motores alleine ohne hydraulischen Hybrid-Antrieb hat den Vorteil, dass die Stellvorrichtung noch besser und präziser mit modernen Steuermitteln wie Mikroprozessorsteuerungen gesteuert werden können. Es ist hier ohne weiteres möglich motorlast- und / oder drehzahlabhängige Algorithmen vorzusehen. Geeignete, elektromechanische Antriebseinheiten sind hierbei Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Synchronmotoren oder insbesondere elektronisch kommutierte Gleichstrommotoren. Der Umweg über ölhydraulische Steuerglieder (z.B. 4/3 - Wege - Proportionalventile) , der zudem noch Totzeiten in sich birgt, ist beim elektrischen Antrieb nicht erforderlich.
Eine selbsthemmende Kraftübertragungseinrichtung gemäss der bevorzugten Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip ist in Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Der Stator 1 trägt wie bei Verbrennungsmotorsteuerungen üblich einen Zahnkranz oder einen Riemenkranz, wodurch dieser durch den Verbrennungsmotor angetrieben wird. Innerhalb dieses Stators 1 ist exzentrisch zur Nockenwelle 12 ein Kreiskolben 2 angeordnet, welcher durch ein Fluid im Fluidhockdruckrau 10 ventilgesteuert rotierend bewegt wird. Das Fluid wird im Niederdruckraumbereich 11 wieder zurückgeführt in den hydraulischen Kreislauf. Durch die Rotation des Kreiskolben 2 wird ein auf der Welle 12 angeordneter Ritzel 3, welcher als Abtrieb dient, mitbewegt, womit die Welle 12 angetrieben wird. Diese Anordnung nach dem Orbit-Prinzip hat in bekannter Weise eine selbsthemmende Wirkung, wie dies durch die Kräftepaare Fl bis F5 in Figur 1 beispielsweise dargestellt ist. Dies bedeutet, dass der Kreiskolben 2 durch ein starkes Gegenmoment der Welle 12 nicht verdreht werden kann. Erfindungsgemäss wird nun ein elektromechanischer Antrieb direkt auf den Kreiskolben 2 eingekoppelt. Wie erwähnt kann hierbei der Antrieb vorzugsweise nur elektrisch erfolgen oder aber auch hybrid zusammen mit der Oelhydraulik betrieben werden.
In Figur 4 ist vergleichsweise der statische Verstellmoment in Newtonmeter (Nm) dargestellt abhängig vom Oeldruck p in bar einer selbsthemmenden Kreiskolbenanordnung 0 im Ver- gleich mit einer schrägverzahnten Wellenanordnung Z gemäss Stand der Technik. Daraus ist ersichtlich, dass die selbsthemmende Anordnung ohne weiteres bis zu einem Faktor 5 geringeres Verstellmoment m benötigt. Dies zeigt, dass erst durch eine solche hemmende Verstellanordnung ein elektrome- chanischer Betrieb möglich ist mit den vorerwähnten Vorteilen. Die Figur 5 zeigt qualitativ die Verstellgeschwindigkeit v des Verstellwinkels in Grad pro Sekunde (°KW/s) vergleichsweise abhängig vom Betriebsdruck p in bar vergleichsweise mit den beiden vorerwähnten Versteilantrieben. Auch daraus ist klar ersichtlich, dass die selbsthemmende Vorrichtung in Bezug auf Verstellgeschwindigkeiten ohne weiteres bis zu einem Faktor 2 bis 4 überlegen ist, was für ein präzises Motormanagement wichtig ist. Die Kombination dieser Vorteile zusätzlich mit dem elektromechanischen Antrieb führen zu einem weiter überlegenen Verhalten in Bezug auf präzises Motormanagement wegen der guten Ansteuerbarkeit, Kompaktheit der Verstellvorrichtung.
Ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Antriebseinkopplung auf eine selbsthemmende Kreiskolbenanordnung ist in Figur 6 im Querschnitt und in Figur 7 dreidimensional dargestellt. Die Antriebswelle 9 wird von einem Elektromotor angetrieben, wobei die Antriebswelle 9 ein Eingriffszahnrad 6 antreibt, welches mit einem Übersetzungszahnrad 7 gekoppelt ist und im Eingriff steht mit einem Aussenkranz 4 mit Innenverzahnung, der die ganze Anordnung umschliesst. Diese Anordnung bildet insgesamt ein Antriebsgetriebe. Der Kreiskolben 2 weist im Aussenbereich bei seiner Verzahnung eine erhöhte Feinverzahnung 5 auf, in welche Transferzahnräder 8 eingreiffen, welche peripher um den Kreiskolben 2 verteilt angeordnet sind und auf dem Stator 1 frei drehbar gelagert sind. Der Aussenzahnkranz, welcher durch das Elektromotoran- triebsgetriebe 6, 7, 9 angetrieben wird, treibt wiederum diese Transferzahnräder an und überträgt dadurch die Kraft auf den Kreiskolben 2 in jeder Stellung. Das Einkoppeln einer elektromechanischen Antriebskraft zwischen Stator 1 und Kreiskolben 2 ermöglicht das Verdrehen des Kreiskolbens und somit der Welle 12 unter Nutzung der selbsthemmenden Wirkung der Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip. Eine elektromechanische Einkopplung kann weiter vereinfacht realisiert werden durch Verwendung von magnetischen Koppelelementen wie mit Permanent- und / oder Elektromagneten, um den mechanischen Aufwand möglichst gering zu halten.

Claims

Patentansprüche
1. Verstellvorrichtung mit Antrieb zum Verstellen der Winkellage einer Welle mit Wechsellast, insbesondere einer Nokkenwelle (12) , die von einer Antriebswelle, insbesondere einer Kurbelwelle, über eine Übertragungsvorrichtung mit mindestens einem auf einer Welle angebrachten Übertragungsrad (1) in Drehung versetzbar ist, wobei die Verstellvorrichtung, welche die Drehlage des Übertragungsrades (1) relativ zur Welle (12) bewirkt, eine in gegen die Drehrichtung wirkende Hemmvorrichtung umfasst dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung mit einem elektromechanischen Antrieb gekoppelt ist.
2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hemmvorrichtung eine gesteuerte Sperr- Anordnung ist wie eine hydraulische und / oder eine elektromechanische und / oder vorzugsweise eine elektromagnetische.
3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Hemmvorrichtung eine selbsthemmende Vorrichtung ist, wie hydraulisch und / oder vorzugsweise mechanisch hemmend wie eine Freilaufgetriebeanordnung.
4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass der Antrieb eine Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip ist und diese hydraulisch, vorzugsweise elektromechanisch oder hybrid, betreibbar ist.
5. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor des elektromechanischen Antriebes ein Gleichstrommotor, ein Schrittmotor, ein Synchronmotor oder insbesondere ein elektronisch kommutierter Gleichstrommotor ist.
6. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel zur Motorlast und /oder -drehzahlabhängigen Ansteuerung des Elektromotors vorgesehen sind.
7. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass Steuermittel vorgesehen sind zur Optimierung des Leistungsverbrauchs der Verstellanordnung.
8. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der eine hydraulische Antriebsteil des Kreiskolbenantriebes (1, 2, 3) mit der Hydraulikdruckerzeugungsvorrichtung eines Verbrennungsmotors wirkverbindbar ist.
9. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche 4 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotorantrieb (9) auf einen Aussenzahnkranz (4) wirkt, welcher an der Peripherie des Kreiskolbens (2) angeordnete Transferzahnräder (8) antreibt, die mindestens partiell im Eingriff stehen mit einer Verzahnung an äusseren Zahnteilen des Kreiskolbens, um diesen in jeder Position antreiben zu können.
10. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Steuermittel den Elektroantrieb drehzahlabhängig vom Verbrennungsmotor zuschaltet, insbesondere bei vorgegebenen tieferen Drehzahlen zuschaltet.
11. Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass die Elektromotorantriebsleistung < 500W ist, vorzugsweise < 200W.
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