Bezeichnung der Erfindung Name of the invention
Vorrichtung zum lösbaren Verbinden und Verstellen zweier zueinander drehwin- kelverstellbarer WellenDevice for releasably connecting and adjusting two shafts that can be rotated relative to one another
Gebiet der ErfindungField of the Invention
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum lösbaren Verbinden und Verstellen zweier zueinander drehwinkelverstellbarer Wellen, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to a device for releasably connecting and adjusting two shafts that can be rotated relative to one another, in particular according to the preamble of claim 1.
Hintergrund der ErfindungBackground of the Invention
Bei modernen Hochleistungsmotoren wird durch Variation der Steuerzeiten der Gaswechselventile eine Verbrauchs-, Emissions- und Leistungsverbesserung über den gesamten Last- und Drehzahlbereich erreicht. Dazu dient ein Nok- kenwellenversteller. Dieser fixiert die Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle während etwa 90% der Betriebsdauer des Motors in bestimmten Positionen, den sogenannten Regellagen und verändert dieselben während nur etwa 10% der Betriebszeit.In modern high-performance engines, the control times of the gas exchange valves improve consumption, emissions and performance over the entire load and speed range. A camshaft adjuster is used for this. This fixes the angular position of the camshaft relative to the crankshaft during approximately 90% of the engine's operating time in certain positions, the so-called control positions, and changes the same during only about 10% of the operating time.
Nockenwellenverstellsysteme mit einem elektrischen Verstellmotor weisen das Potential hoher Verstellgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit auf, wodurch diese auf steigendes Interesse stoßen. Erfolgt die Fixierung der jeweiligen Regellage über das Haltemoment des Verstellmotors, so bedarf es dazu einer erheblichen elektrischen Energiemenge. Diese belastet das Bordnetz des Fahrzeuges und bedeutet Energieverlust.
Die Regellagen der Nockenwelle können auch durch ein selbsthemmendes oder selbstbremsendes Verstellgetriebe fixiert werden. Auf diese Weise entfällt der hohe Stromverbrauch im geregelten Betrieb durch Entfall des Haltemoments des Verstellmotors.Camshaft adjustment systems with an electric adjustment motor have the potential for high adjustment speed and control accuracy, which is why they are attracting increasing interest. If the respective control position is fixed via the holding torque of the adjustment motor, this requires a considerable amount of electrical energy. This puts a strain on the vehicle's electrical system and means energy loss. The control positions of the camshaft can also be fixed by a self-locking or self-braking adjustment gear. In this way, the high power consumption in regulated operation is eliminated by eliminating the holding torque of the servomotor.
In diesem Fall besteht jedoch im Verstellbetrieb das Problem hoher mechani-
In this case, however, there is the problem of high mechanical
Auslegung gegenüber einem solchen ohne Selbsthemmung einen um etwa die Hälfte reduzierten mechanischen Wirkungsgrad aufweist.Design compared to one without self-locking has a mechanical efficiency reduced by about half.
Trotz dieser hohen Reibverluste ist es wegen des stark impulshaltigen Drehmoments der Nockenwelle schwierig, das bei Regellage erforderliche Drehmomentengleichgewicht durch Selbsthemmung zu erreichen. Das gilt um so mehr, wenn die Getriebeverzahnung Verdrehspiel aufweist, das zudem durch Verschleiß des Verstellgetriebes mit dessen Betriebsdauer zunimmt.Despite these high friction losses, it is difficult to achieve the torque balance required for the control position by self-locking due to the strong impulsive torque of the camshaft. This applies all the more if the gear toothing has torsional backlash, which also increases with the operating time due to wear of the adjusting gear.
Aufgabe der ErfindungObject of the invention
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorisch verstellbaren Nockenwellenversteller zu schaffen, bei dem die Regelstellung der Nockenwelle mit geringem elektrischen Energieaufwand fixier- und verstellbar ist.The invention has for its object to provide an electric motor adjustable camshaft adjuster, in which the control position of the camshaft can be fixed and adjusted with little electrical energy expenditure.
Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die im Verhältnis von Halte- zu Nockenwellenmoment stehende Übersetzung zwischen der Verstell- und Abtriebs- bzw. Nockenwelle ermöglicht ein Drehmomentengleichgewicht zwischen den drei Wellen des Verstellgetriebes und damit einen Gleichlauf derselben auch bei niedrigem Haltemoment. Dieses ermöglicht trotz fehlender Selbsthemmung des Verstellgetriebes einen niedrigen Energieaufwand zum Koppeln von Rotor und Stator des Verstellmotors.
Durch die geringe Reibung im Verstellgetriebe ist auch der elektrische Energieverbrauch beim Verstellen desselben gering.The object is achieved by the features of claim 1. The ratio of the holding torque to the camshaft torque between the adjusting and output or camshaft enables a torque balance between the three shafts of the adjusting gear and thus synchronism of the same even with a low holding torque. Despite the lack of self-locking of the adjustment gear, this enables a low energy expenditure for coupling the rotor and stator of the adjustment motor. Due to the low friction in the adjustment gear, the electrical energy consumption when adjusting it is also low.
Drehmomentengleichgewicht und Gleichlauf der drei Wellen erhöhen auch die Drehsteifigkeit des Nockenwellenantriebs in Regellage der Nockenwelle und reduzieren so deren Drehwinkelschwingungen.Torque balance and synchronism of the three shafts also increase the torsional rigidity of the camshaft drive in the normal position of the camshaft and thus reduce its angular vibrations.
Der verringerte Stromverbrauch, gestattet eine Verkleinerung des Verstellmotors und der Stromversorgung und erhöht deren Lebensdauer durch Senken der Wärmebelastung.The reduced power consumption allows the servomotor and the power supply to be reduced in size and increases their service life by lowering the heat load.
Als Dreiwellengetriebe kommen z. B. Planeten- oder Exzentergetriebe in Frage. Anstelle eines elektrischen Verstellmotors sind grundsätzlich auch ein hydraulischer oder pneumatischer Stellantrieb denkbar.As three-shaft gearboxes come e.g. B. planetary or eccentric gear in question. Instead of an electric adjustment motor, a hydraulic or pneumatic actuator is basically also conceivable.
Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass der Verstellmotor ein Permanentmagnet-Verstellmotor oder ein fremderregter Verstellmotor ist. Permanentmagnet-Verstellmotoren sind Gleichstrommotoren, die unbe- stromt ein Selbsthaltemoment aufbauen, das von einer Mittenlage aus in beide Drehrichtungen bis zu einem Maximum ansteigt und danach wieder abfällt.An advantageous embodiment of the invention is that the adjustment motor is a permanent magnet adjustment motor or an externally excited adjustment motor. Permanent magnet adjustment motors are DC motors that generate a self-holding torque when de-energized, which rises to a maximum in both directions of rotation from a center position and then drops again.
Fremderregte Versteilmotoren sind Gleichstrommotoren, die von Haus aus kein Haltemoment besitzen. Dieses bildet sich erst bei Bestromung derselben. Während das Selbsthaltemoment des Permanentmagnet-Verstellmotors ein passi- ves, in beide Drehrichtungen wirkendes ist, handelt es sich bei dem Haltemoment des fremderregten Verstellmotors um ein aktives, das nur in eine Drehrichtung wirkt. Dadurch kommt es bei Nockenwellenmomenten mit Nulldurchgängen zu verstärkten Drehschwingungsausschlägen der Nockenwelle. Diese sind mit entsprechendem Bauaufwand durch rasches Umpolen des Erreger- Stromes im Takt der Nulldurchgänge zu kompensieren.
Der gleiche Effekt wirkt auch beim Verstärken des Selbsthaltemoments des Permanentmagnet-Verstellmotors durch Bestromen desselben. Hierbei erübrigt sich jedoch eine Umpolung des Erregerstromes, da das Selbsthaltemoment stabilisierend wirkt. Durch die Verwendung von Permanentmagneten, deren Material seltene Erden aufweist, wird eine erhöhte Magnetkraft und dadurch ein entsprechend erhöhtes Selbsthaltemoment erzielt. Als Verstellmotor kommtExternally excited adjusting motors are DC motors that do not have a holding torque inherently. This only forms when current is applied to them. While the self-holding torque of the permanent magnet adjustment motor is a passive one that acts in both directions of rotation, the holding torque of the externally excited adjustment motor is an active one that only acts in one direction of rotation. This leads to increased torsional vibrations of the camshaft at camshaft torques with zero crossings. These are to be compensated with a corresponding construction effort by rapidly reversing the polarity of the excitation current in time with the zero crossings. The same effect also acts when the self-holding torque of the permanent magnet variable motor is increased by energizing it. However, there is no need to reverse the polarity of the excitation current since the self-holding torque has a stabilizing effect. Through the use of permanent magnets, the material of which contains rare earths, an increased magnetic force and thus a correspondingly increased self-holding torque are achieved. Comes as a servomotor
Ist das Selbsthaltemoment eines Permanentmagnet-Verstellmotors größer als das zum Verstellen der Nockenwelle benötigte Moment (z. B. bei niedrigen Nockenwellendrehzahlen), kann die Verstellung erst erfolgen, wenn das elektrische Moment größer als das Selbsthaltemoment ist. Dies führt dazu, dass nach Überschreiten von dessen Maximum bei dem darauffolgenden Abfall die Verstellgeschwindigkeit sehr groß wird und eine Verstellung mit geringer Ge- schwindigkeit und kleinen Regelsprüngen kaum möglich ist. Diese Schwierigkeiten werden dadurch umgangen, dass der Verstellmotor in Regellage mit kurzen Stromimpulsen beaufschlagt wird, die in ihrer Höhe, Frequenz und Richtung variierbar sind und so ein schrittweises Verstellen in beide Verstellrichtungen ermöglichen.If the self-holding torque of a permanent magnet adjustment motor is greater than the torque required to adjust the camshaft (e.g. at low camshaft speeds), the adjustment can only take place when the electrical torque is greater than the self-holding torque. This leads to the fact that after its maximum is exceeded, the rate of adjustment becomes very high with the subsequent drop and an adjustment with low speed and small control jumps is hardly possible. These difficulties are avoided by the control motor being subjected to short current pulses in the control position, which can be varied in height, frequency and direction and thus enable a gradual adjustment in both directions of adjustment.
Die Vergrößerung des Haltemoments durch eine Bremsvorrichtung bietet den Vorteil, dass das Bremsmoment, ähnlich den Reibmomenten, ein passives, in beide Drehrichtungen wirksames ist. Außerdem ist der Aufbau der Bremsvorrichtungen vergleichsweise einfach und unaufwendig.The increase in the holding torque by means of a braking device offers the advantage that the braking torque, similar to the frictional moments, is a passive one that is effective in both directions of rotation. In addition, the structure of the braking devices is comparatively simple and inexpensive.
Dadurch, dass die Bremsvorrichtung mit mechanischer, elektromagnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Betätigung und Regelung ausführbar ist kann sie den jeweils vorliegenden Randbedingungen angepasst werden.Because the braking device can be implemented with mechanical, electromagnetic, hydraulic or pneumatic actuation and control, it can be adapted to the prevailing boundary conditions.
Eine besonders einfache Ausführung der Bremsvorrichtung besteht darin, dass diese als Federdruckbremse ausgebildet und am oder im Verstellmotor ange-
ordnet ist sowie bei annähernd stromlosen Zustand desselben selbstständig zum Eingriff kommt.A particularly simple embodiment of the braking device consists in that it is designed as a spring-loaded brake and is attached to or in the adjusting motor. is ordered and automatically intervenes when it is almost de-energized.
Die Leistung des Verstellmotors ist so ausgelegt, dass dieser bei Frühverstel- lung der Nockenwelle eine Verstellgeschwindigkeit von 30° bis 80° Nockenwinkel pro Sekunde ermöglicht.The power of the servomotor is designed in such a way that when the camshaft is adjusted early, it can be adjusted from 30 ° to 80 ° cam angle per second.
Dadurch das der Verstellmotor als Außen-, Zwischen- oder Innenrotormotor mit einem Walzen- oder Scheibenrotor ausbildbar ist und das der Rotor und der Stator vertauschbar sind, besteht eine große Flexibilität bei der Gestaltung der Vorrichtung.As a result of the fact that the adjusting motor can be designed as an outer, intermediate or inner rotor motor with a roller or disc rotor and that the rotor and the stator are interchangeable, there is great flexibility in the design of the device.
Kurze Beschreibung der ZeichnungBrief description of the drawing
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Er indung schematisch dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung mit Bremsvorrichtung jedoch ohne Steuereinheit.Further features of the invention will become apparent from the following description and the drawing, in which an embodiment of the invention is shown schematically. The single figure shows a cross section through the device according to the invention with a braking device but without a control unit.
Ausführliche Beschreibung der ZeichnungDetailed description of the drawing
Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum lösbaren Verbinden und Verstellen der zueinander drehwinkelverstellbaren Kurbelwelle (nicht dargestellt) und Nockenwelle 1 mittels eines als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstell- getriebes 2. Dieses weist eine kurbelwellenverbundene Antriebswelle 3 mit einem von der Kurbelwelle über Kette, Zahnriemen oder Zahnrad angetriebenen Nockenwellenantriebsrad 4 und eine nockenwellenverbundene Abtriebswelle 5 sowie einen mitrotierenden elektrischen Verstellmotor 6, 7 auf. Dessen Rotor 8 ist mit einer Verstellwelle 9 des Verstellgetriebes 2 und dessen Stator 10 mit der Antriebswelle 3 und einem Getriebegehäuse 11 fest verbunden.
Die Nockenwelle ist in ca. 90% der Betriebszeit des Verbrennungsmotors in sogenannten Regellagen fixiert und wird nur in ca. 10% der Betriebszeit verstellt. Das Fixieren einer Regellage wird durch ein Drehmomentengleichgewicht der drei Wellen 3, 5, 9 bzw. durch deren Gleichlauf erreicht. Dazu dient das Koppeln der Antriebswelle 3 mit der Verstellwelle 9 über ein Haltemoment des Verstellmotors 6, 7 und/oder über das Reibmoment einer BremsvorrichtungThe device according to the invention serves for releasably connecting and adjusting the crankshaft (not shown) and camshaft 1, which can be rotated relative to one another, by means of an adjusting gear 2 designed as a three-shaft gearbox. This has a drive shaft 3 connected to the crankshaft with a camshaft drive wheel 4 driven by the crankshaft via chain, toothed belt or gearwheel and a camshaft-connected output shaft 5 and a co-rotating electrical adjustment motor 6, 7. Its rotor 8 is fixedly connected to an adjusting shaft 9 of the adjusting gear 2 and its stator 10 to the drive shaft 3 and a gear housing 11. The camshaft is fixed in so-called control positions in approx. 90% of the operating time of the internal combustion engine and is only adjusted in approx. 10% of the operating time. The fixing of a control position is achieved by a torque balance of the three shafts 3, 5, 9 or by their synchronism. For this purpose, the drive shaft 3 is coupled to the adjusting shaft 9 via a holding torque of the adjusting motor 6, 7 and / or via the frictional torque of a braking device
H O ^ Jtl^^J^S^f^rTTOii^o ciπα-αcrrσrαroi — rcrααrc;rrrrιecrιarτrscπe rxeT0 rrrg~rθSD"a veT- bindet.HO ^ Jtl ^^ J ^ S ^ f ^ rTTOii ^ o ciπα-αcrrσrαroi - rcrααrc; rrrrιecrιarτrscπe rxeT0 rrrg ~ rθSD " a veT- binds.
VerStellmotoren 6, die einen Permanentmagnet-Rotor (z. B. ein Permanentmagnetgleichstrommotor) oder einen Permanentmagneten im Stator (magneterregter Gleichstrommotor) aufweisen, erzeugen ein Selbsthalte- oder Rastmoment. Das Selbsthaltemoment ist das maximale Drehmoment mit dem man einen nicht erregten Verstellmotor 6 an dessen Antriebswelle 9 bei festgehalte- nem Stator 10 statisch belasten kann, ohne eine ungleichförmige aber kontinuierliche Drehung hervorzurufen.Adjusting motors 6, which have a permanent magnet rotor (e.g. a permanent magnet direct current motor) or a permanent magnet in the stator (magnetically excited direct current motor), generate a self-holding or cogging torque. The self-holding torque is the maximum torque with which a non-energized adjustment motor 6 can be statically loaded on its drive shaft 9 when the stator 10 is held in place, without causing a non-uniform but continuous rotation.
VerStellmotoren, die ohne Permanentmagnete aufgebaut sind (z. B. schleifringlose Reluktanzmotoren oder fremderregte VerStellmotoren 7), besitzen fast kein Selbsthaltemoment. Sie erzeugen nur bei Erregung ein Haltemoment. Das Haltemoment ist das maximale Drehmoment mit dem man einen erregten Verstellmotor 7 statisch belasten kann, ohne eine kontinuierliche Drehung hervorzurufen.Actuators that are constructed without permanent magnets (e.g. reluctance motors without slip rings or externally excited actuators 7) have almost no self-holding torque. They only generate a holding torque when excited. The holding torque is the maximum torque with which one can statically load an excited adjusting motor 7 without causing a continuous rotation.
Bei der Drehung der Nockenwelle 1 wirkt an der Rotorwelle des Verstellmotors 6, 7 das über das Verstellgetriebe 2 gewandelte Nockenwellenmoment. Um Nockenwellen- und Kurbelwellenposition zueinander zu fixieren, darf es zwischen den drei Getriebewellen 3, 5, 9 zu keiner Relativbewegung kommen, dass heißt, die drei Wellen müssen mit der gleichen Drehzahl umlaufen. Dies bedeutet, dass auch keine Relativbewegung zwischen Rotor 8 und Stator 10 des Verstellmotors 6, 7 entstehen darf.
Es gibt verschiedene Möglichkeiten die drei Getriebewellen 3, 5, 9 zueinander zu fixieren. Ist das Selbsthaltemoment des Verstellmotors 6 mit Permanentmagneten größer als das gewandelte Nockenwellenmoment, gibt es zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 8 des Verstellmotors 6 nur eine Relativbewegung bis zur Erreichung der Momentengleichgewichtslage mit geringer Amplitude.
verbunden ist, hat der Rotor 8 des Verstellmotors 6 und somit die Verstellwelle 9 die gleiche Drehzahl wie das Nockenwellenantriebsrad 4. In diesem Fall ro- tiert auch die Nockenwelle 1 mit der Drehzahl des Nockenwellenantriebsrades 4, das heißt, es findet bei unbestromten Verstellmotor 6 keine Verstellung zwischen Nockenwelle 1 und Kurbelwelle statt.When the camshaft 1 rotates, the camshaft torque converted via the adjustment gear 2 acts on the rotor shaft of the adjustment motor 6, 7. In order to fix the camshaft and crankshaft positions to each other, there must be no relative movement between the three gear shafts 3, 5, 9, that is, the three shafts must rotate at the same speed. This means that there must also be no relative movement between the rotor 8 and the stator 10 of the adjusting motor 6, 7. There are different ways to fix the three gear shafts 3, 5, 9 to each other. If the self-holding torque of the servomotor 6 with permanent magnets is greater than the converted camshaft torque, there is only a relative movement between the stator 10 and the rotor 8 of the servomotor 6 until the moment equilibrium position with a small amplitude is reached. ![Figure imgf000009_0001](https://patentimages.storage.googleapis.com/ff/97/ba/af01ff97906114/imgf000009_0001.png)
is connected, the rotor 8 of the adjusting motor 6 and thus the adjusting shaft 9 has the same speed as the camshaft drive wheel 4. In this case, the camshaft 1 also rotates with the speed of the camshaft driving wheel 4, that is to say that none occurs when the adjusting motor 6 is deenergized Adjustment between camshaft 1 and crankshaft instead.
Versteilmotoren 7 die keine Permanentmagnete aufweisen, müssen zum Er- zeugen eines Haltemoments erregt, das heißt, Stromdurchflossen sein. Ist das so erzeugte Haltemoment gleich dem gewandelten Nockenwellenmoment, gibt es auch in diesem Fall zwischen Rotor 8 und Stator 10 des Verstellmotors 7 keine Relativbewegung. Damit rotieren Nockenwellenantriebsrad 4, Verstellwelle 9 und Nockenwelle 1 mit gleicher Drehzahl, was bedeutet, dass die Nok- kenwelle 1 und die Kurbelwelle nicht gegeneinander verdreht werden.Adjustment motors 7 that do not have permanent magnets must be excited to generate a holding torque, that is to say that current must flow through them. If the holding torque generated in this way is equal to the converted camshaft torque, there is no relative movement between the rotor 8 and the stator 10 of the adjusting motor 7 in this case too. The camshaft drive wheel 4, adjusting shaft 9 and camshaft 1 thus rotate at the same speed, which means that the camshaft 1 and the crankshaft are not rotated relative to one another.
Ein elektromagnetisch erzeugtes Haltemoment kann nur ein gewandeltes Nok- kenwellenmoment, das keinen Nulldurchgang (Richtungswechsel) hat, bzw. gewandeltes Reibmoment ohne größer Schwingwinkelamplituden kompensie- ren. Bei Momenten mit Nulldurchgängen müsste der Erregerstrom nach Größe und Richtung entsprechend schnell variiert werden, um einen ähnlichen Effekt wie mit Selbsthaltemoment zu erzielen.An electromagnetically generated holding torque can only compensate for a converted camshaft torque that does not have a zero crossing (change of direction), or a converted friction torque without large oscillation angle amplitudes. At moments with zero crossings, the excitation current would have to be varied quickly and appropriately in size and direction in order to achieve a similar one To achieve the same effect as with a self-holding moment.
Grundsätzlich kann die Position des Rotors 8 auch bei einem Nockenwellen- moment mit Nulldurchgang mit Strom, der in einer Richtung fließt, im Mittel gehalten werden, allerdings kommt es dann zu größeren Schwingwinkelampli-
tuden zwischen Rotor 8 und Stator 10. Über Dauermagnete erzeugte Selbsthaltemomente können dagegen Nockenwellenmomente mit und ohne Nulldurchgang ohne große Schwingwinkelamplituden kompensieren.In principle, the position of the rotor 8 can also be maintained on average in the case of a camshaft moment with zero crossing with current flowing in one direction. between rotor 8 and stator 10. By contrast, self-holding torques generated by permanent magnets can compensate camshaft torques with and without zero crossing without large oscillation angle amplitudes.
5 Übersteigt bei einem Verstellmotor 6 mit Permanentmagnet das gewandelte Nockenwellenmoment das Selbsthaltemoment desselben, wird der Rotor 8 re-
5 If the converted camshaft torque exceeds the self-holding torque of an adjusting motor 6 with a permanent magnet, the rotor 8 is re-
Nockenwelle 1 und Kurbelwelle statt.Camshaft 1 and crankshaft instead.
10 Um in diesem Fall die Nockenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixieren, muss, wie oben erläutert, ein zusätzliches Moment entweder elektromagnetisch durch Bestromen des Verstellmotors 6 oder/und extern, beispielsweise durch eine mechanische Bremsvorrichtung 12, aufgebracht werden.10 In this case, in order to fix the camshaft 1 and the crankshaft to one another, as explained above, an additional torque must be applied either electromagnetically by energizing the adjusting motor 6 or / and externally, for example by means of a mechanical braking device 12.
15 Bei einem fremderregten Verstellmotor 7 muss zur Erhöhung des Haltemoments der Motor entsprechend stärker bestromt werden, was zu erhöhter thermischer Belastung führt, oder es muss ein externes Moment, beispielsweise ein Bremsmoment, aufgebracht werden.15 In the case of an externally excited adjusting motor 7, the motor must be supplied with a correspondingly higher current in order to increase the holding torque, which leads to increased thermal stress, or an external torque, for example a braking torque, must be applied.
20 Ebenso kann bei Nockenwellenverstellern, bei denen die Nockenwelle 1 und die. Kurbelwelle überwiegend durch ein externes Moment, z. B. durch die Bremsvorrichtung 12, zueinander fixiert werden ein zusätzliches Haltemoment durch Bestromen des Verstellmotors 6, 7 aufgebracht werden, um die Spitzen des Nockenwellenmoments aufzunehmen.20 Likewise, with camshaft adjusters in which camshaft 1 and. Crankshaft mainly due to an external moment, e.g. B. fixed by the braking device 12 to each other, an additional holding torque can be applied by energizing the adjusting motor 6, 7 to accommodate the peaks of the camshaft torque.
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Zum Verstellen der Nockenwelle 1 relativ zur Kurbelwelle wird der Verstellmotor 6, 7 bestromt, bis das Motormoment das gewandelte Nockenwellenmoment übersteigt und die Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle mit der gewünschten Ver- stellgeschwindigkeit (vorzugsweise 30° bis 130° Nockenwinkel pro Sekunde)To adjust the camshaft 1 relative to the crankshaft, the adjustment motor 6, 7 is energized until the engine torque exceeds the converted camshaft torque and the camshaft 1 to the crankshaft at the desired adjustment speed (preferably 30 ° to 130 ° cam angle per second)
30 verstellt wird. Zum Verstellen in Richtung „früh" bzw. „spät" benötigt der Verstellmotor 6, 7 unterschiedliche Drehrichtungen. Weiterhin wird zum Verstellen
in Nockenwellendrehrichtung mehr Leistung benötigt als entgegen der Nok- kenwellendrehrichtung, da in Nockenwellendrehrichtung zusätzlich des Nok- kenwellenreibmoment überwunden werden muss.30 is adjusted. The adjustment motor 6, 7 requires different directions of rotation for adjustment in the “early” or “late” direction. Furthermore, for adjustment requires more power in the direction of rotation of the camshaft than against the direction of rotation of the camshaft, since the camshaft friction torque must also be overcome in the direction of rotation of the camshaft.
Erfindungsgemäß wird in einer ersten Variante der Verstellmotor 6 so dimensioniert, dass das Selbsthaltemoment der Permanentmagneten bei Leerlauf ιjncLnied]J^ec J^ehzahIa^dιas A^According to the invention, in a first variant, the adjusting motor 6 is dimensioned such that the self-holding torque of the permanent magnets when idling ιjncLnied] J ^ ec J ^ ehzahIa ^ dιas A ^
1 und die Kurbelwelle zueinander fixieren. Dann muss nur bei höherer Belastung der Verstellmotor 6 gering bestromt oder/und ein externes Moment (z. B. das der Bremsvorrichtung 12) zum Fixieren der Kurbelwelle zur Nockenwelle 1 aufgebracht werden.1 and fix the crankshaft to each other. Then the adjusting motor 6 only has to be supplied with low current and / or an external torque (for example that of the braking device 12) for fixing the crankshaft to the camshaft 1 only at higher loads.
Grundsätzlich ist es auch möglich, den Verstellmotor 6 so zu dimensionieren, dass das Selbsthaltemoment immer größer als das gewandelte Nockenwellen- moment ist.In principle, it is also possible to dimension the adjusting motor 6 in such a way that the self-holding torque is always greater than the converted camshaft torque.
Ist das Selbsthaltemoment eines Verstellmotors 6 mit Permanentmagneten größer als das zum Verstellen benötigte Moment (z. B. bei geringen Nockenwellendrehzahlen), kann die Verstellung erst erfolgen, wenn das elektroma- gnetische Moment größer als das Selbsthaltemoment des Verstellmotors 6 ist. Dies führt dazu, dass die Verstellgeschwindigkeiten sehr hoch sind, das heißt, es kann nicht mit kleinen Verstellgeschwindigkeiten verstellt werden und es ist schwierig kleine Regelsprünge zu machen. Um dies zu umgehen, werden dem Verstellmotor 6 in Regellage kurze Stromstöße zugeführt, die bezüglich Fre- quenz, Betrag und Richtung variiert werden können. Dadurch können auch kleine Regelsprünge realisiert werden.If the self-holding torque of a servomotor 6 with permanent magnets is greater than the torque required for the adjustment (eg at low camshaft speeds), the adjustment can only take place when the electromagnetic torque is greater than the self-holding torque of the servomotor 6. This means that the adjustment speeds are very high, which means that it cannot be adjusted at low adjustment speeds and it is difficult to make small control jumps. In order to avoid this, short current surges are fed to the adjusting motor 6 in the control position, which can be varied with regard to frequency, amount and direction. This means that even small changes in the rules can be achieved.
Das Verstellgetriebe 2 weist keine Selbsthemmung, dafür aber einen hohen mechanischen Wirkungsgrad auf und erreicht so günstige energetische Ver- hältnisse im Verstellbetrieb.
In einer zweiten Variante wird der fremderregte Verstellmotor 7 so dimensioniert, dass dessen Haltemoment bei geringer Bestromung im Leerlauf und bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors ausreicht, um die Nockenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixieren. Dabei treten höhere Schwingwinkelamplituden bei Nockenwellenmomenten mit Nulldurchgang auf. Der VerStellmotor 7 muss nur bei höheren Lasten zusätzlich bestromt oder/und ein exrernesπ o erϊrτzrEr ron αer BremsvorπcrTtung T2 zum ixieren der Kur^ beiwelle zur Nockenwelle 1 aufgebracht werden.The adjustment gear 2 has no self-locking, but instead has a high mechanical efficiency and thus achieves favorable energetic conditions in the adjustment operation. In a second variant, the externally excited adjusting motor 7 is dimensioned such that its holding torque is sufficient at low current when idling and at low engine speed to fix the camshaft 1 and the crankshaft to one another. Here, higher oscillation angle amplitudes occur at camshaft torques with zero crossing. The adjusting motor 7 only has to be supplied with current at higher loads and / or an exrernesπ o erϊrτzrEr ron αer BremsvorπcrTtung T2 for ixieren the cam shaft to camshaft 1.
Auch bei dieser Variante kann der Verstellmotor 7 so dimensioniert werden, dass das Haltemoment bei geringer Bestromung immer größer als das gewandelte Nockenwellenmoment ist. Auch hier wird das Verstellgetriebe 2 ohne Selbsthemmung und mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt, um günstige energetische Verhältnisse im Verstellbetrieb zu erhalten.In this variant too, the adjusting motor 7 can be dimensioned such that the holding torque is always greater than the converted camshaft torque when the current is low. Here too, the adjustment gear 2 is used without self-locking and with a high degree of efficiency in order to maintain favorable energetic conditions in the adjustment operation.
In einer dritten Variante wird ein äußeres Haltemoment, z. B. durch die zuschalt- und regelbare mechanische Bremsvorrichtung 12 erzeugt. Dieses reicht bei Leerlauf und niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors aus, die Nokkenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixieren, so dass nur bei höheren Lasten zusätzlich der Verstellmotor 6, 7 zum Fixieren der Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle bestromt werden muss. Auch hierbei gilt, dass es möglich ist, ein äußeres Moment aufzubringen, das immer größer als das gewandelte Nockenwellenmoment ist. Auch in diesem Falle wird ein Verstellgetriebe 2 ohne Selbsthemmung und mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt, um günstige ener- getische Verhältnisse im Verstellbetrieb zu erhalten.In a third variant, an external holding torque, e.g. B. generated by the switchable and controllable mechanical braking device 12. When the internal combustion engine is idling and at low engine speeds, this is sufficient to fix the camshaft 1 and the crankshaft to one another, so that the adjusting motor 6, 7 has to be energized to fix the camshaft 1 to the crankshaft only at higher loads. Here, too, it is possible to apply an external torque that is always greater than the converted camshaft torque. In this case too, an adjustment gear 2 is used without self-locking and with a high degree of efficiency in order to maintain favorable energy conditions in the adjustment mode.
Alternativ kann das äußere Moment auch durch eine als Federdruckbremse ausgebildete Bremsvorrichtung 12 aufgebracht werden, die im oder am VerStellmotor 6, 7 integriert ist und bei annähernd stromlosen Zustand selbststän- dig zum Eingriff kommt.
Für die unterschiedlichen Momente sind bezogen auf die Abtriebswelle des Verstellmotors 6, 7 bzw. auf die Verstellwelle 9 vorzugsweise folgende Wertebereiche zu wählen:Alternatively, the external moment can also be applied by a braking device 12 designed as a spring pressure brake, which is integrated in or on the adjusting motor 6, 7 and which automatically intervenes in an almost de-energized state. For the different torques, the following ranges of values should preferably be selected based on the output shaft of the adjusting motor 6, 7 or on the adjusting shaft 9:
■ Selbsthaltemoment mit Permanentmagneten: ■ Self-holding torque with permanent magnets:
0,05 bis 1 ,4 Nm, vorzugsweise 0,1 bis 0,7 Nm,0.05 to 1.4 Nm, preferably 0.1 to 0.7 Nm,
■ elektromagnetisch erzeugtes Moment: ■ Electromagnetically generated moment:
0,1 bis 10 Nm, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Nm,0.1 to 10 Nm, preferably 0.3 to 0.5 Nm,
■ äußeres Moment der Bremsvorrichtung 12: External moment of the braking device 12:
0,05 bis 10 Nm, vorzugsweise 0,1 bis 5 Nm.0.05 to 10 Nm, preferably 0.1 to 5 Nm.
Zusammengefasst bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Vorteile:In summary, the device according to the invention offers the following advantages:
1. Verbesserung des Wirkungsgrades aufgrund geringeren Strombedarfs beim1. Improvement in efficiency due to lower power consumption when
Halten der Nockenwellenverstellvorrichtung in Regellage und günstigere energetische Verhältnisse im Verstellbetrieb durch Einsatz eines Verstellgetriebes 2 ohne Selbsthemmung; 2. keine bzw. geringe zusätzliche thermische Belastung des Verstellmotors 6, 7 beim Fixieren von Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle. Dadurch kann der Verstellmotor 6, 7 kleiner dimensioniert werden, wodurch Kosten sinken. Bei gleicher Baugröße steigt dessen Lebensdauer;Keeping the camshaft adjusting device in the normal position and more favorable energetic conditions in the adjusting operation by using an adjusting gear 2 without self-locking; 2. little or no additional thermal load on the adjusting motor 6, 7 when fixing the camshaft 1 to the crankshaft. As a result, the adjustment motor 6, 7 can be dimensioned smaller, which reduces costs. With the same size, its service life increases;
3. die Steifigkeit des Nockenwellenantriebs wird durch ein wirksames Haltemoment vergrößert, wodurch die Drehwinkelschwingungen in den Regellagen reduziert werden.
Bezugszeichenliste3. The rigidity of the camshaft drive is increased by an effective holding torque, whereby the rotational angle vibrations in the control positions are reduced. LIST OF REFERENCE NUMBERS
Nockenwellecamshaft
Verstellgetriebevariator
Antriebswelledrive shaft
Nockenwellenantriebsradcamshaft drive wheel
Δ triohcλA/ΩllΩΔ triohcλA / ΩllΩ
Verstellmotor mit PermanentmagnetActuator with permanent magnet
Verstellmotor mit FremderregungVariable motor with external excitation
Rotorrotor
Verstellwelleadjusting
Statorstator
Getriebegehäusegearbox
Bremsvorrichtung
braking device