WO2005111384A1 - Verstelleinrichtung einer nockenwelle, vorrichtung für eine verstelleinrichtung sowie verfahren zum betreiben einer verstelleinrichtung - Google Patents

Verstelleinrichtung einer nockenwelle, vorrichtung für eine verstelleinrichtung sowie verfahren zum betreiben einer verstelleinrichtung Download PDF

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WO2005111384A1
WO2005111384A1 PCT/EP2005/004626 EP2005004626W WO2005111384A1 WO 2005111384 A1 WO2005111384 A1 WO 2005111384A1 EP 2005004626 W EP2005004626 W EP 2005004626W WO 2005111384 A1 WO2005111384 A1 WO 2005111384A1
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adjusting
camshaft
braking
coupling
phase position
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PCT/EP2005/004626
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Inventor
Jens Meintschel
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Daimlerchrysler Ag
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • 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
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/03—Auxiliary actuators
    • F01L2820/031—Electromagnets

Definitions

  • Adjustment device of a camshaft device for an adjustment device and method for operating an adjustment device
  • the invention relates to an adjusting device of a camshaft, a device for an adjusting device and a method for operating an adjusting device according to the preambles of the independent claims.
  • Hydraulic vane adjusters are known for changing the phase position of a camshaft, but their actuating speed and actuating angle are low. Adjustment is not possible at low speeds and low oil pressure. For this reason, passive electrical adjusting devices for camshafts have already been proposed which enable sufficiently high actuating speeds and large actuating angles.
  • an electrical adjusting device of a camshaft is known, which comprises a braking device, a lever mechanism as a gear and an actuating spring. To adjust in a first direction, an actuating input of the adjusting device is braked. Adjustment in an opposite direction takes place via the adjusting spring. If the phase is constant, the braking device must work against the spring, which can cause high braking losses.
  • the invention is based on the object of adjusting a camshaft, a device for a Specify actuator and a method for operating an adjusting device of a camshaft, a simple control should be possible and braking losses on the camshaft are reduced with a constant phase position.
  • a clutch device With such a clutch device, a clutch torque to be transmitted can be adjusted as required, and the clutch can be released within a very short time, which is particularly advantageous when the phase position is adjusted, in which a high dynamic range is desired. Furthermore, the wear of the coupling device is advantageously low.
  • the adjustment input is preferably braked for adjustment in a first direction, for which purpose a contactlessly operating magnetic braking device is preferably provided.
  • an effect of any actuating spring which is preferably arranged between the actuating input and the drive element, which causes an adjustment of the camshaft in a second direction can be compensated for if an adjustment in a first direction occurs, for example
  • the control input is braked, for example to a speed below the camshaft speed.
  • the actuating spring can also be located between the actuating input and ment (camshaft) can be arranged.
  • the actuating spring should be dimensioned so strong that its torque is sufficient to achieve the required actuating speed when the brake is released, despite a possible low gear efficiency when using a self-locking gear.
  • the coupling device advantageously brings about a bridging of the actuating spring, so that the brake can even be completely released when the phase is constant, at least with low to medium camshaft torques.
  • the brake and the clutch device can also be operated in parallel in order to keep the phase position constant.
  • the coupling device can expediently be arranged between the actuating input and the output element (camshaft) if an actuating spring is arranged between the actuating input and the output element.
  • the actuating spring can be arranged between the drive element and the driven element.
  • the rotational speed of a sun gear of a preferred transmission can be matched to that of the drive element, in particular of a chain wheel, or of the camshaft by torque flow in the coupling device.
  • the braking device does not have to be actuated, which is why no mechanical braking loss is generated on the camshaft.
  • additional auxiliary units such as a high-pressure pump, a low-pressure pump and the like are driven via the camshaft.
  • a minus summation gear means that the camshaft rotates counter to the control input when the drive element is held.
  • a preferred and particularly advantageous embodiment is a single-stage planetary gear with a chain wheel as a drive element on a planet carrier, a camshaft as an output element on a ring gear and an actuating input on a sun gear.
  • a gear mechanism with a lever mechanism can also be provided, as is known, for example, from DE 102 47 650 AI. This can be favorable with small ratios between the actuating input and the camshaft and a small adjustment range, since self-locking of the transmission can be represented particularly easily with a lever mechanism.
  • the clutch device is arranged in such a way that, when the clutch device is engaged, the brake device can be completely released with a constant phase position and at least small to medium camshaft torques.
  • the reduction in braking losses enables fuel savings to be made in an internal combustion engine, the intake and / or exhaust valves of which are actuated by the camshaft.
  • the transmission is designed to be self-locking from the output element in the direction of the control input.
  • Such self-locking prevents alternating torques from penetrating from the camshaft to the control input.
  • the gear ratios are sufficiently high, there is also the option of dispensing with self-locking of the gear, with the advantage of improved gear efficiency.
  • both self-locking of the gear drive as well as an adjusting spring are dispensed with, with a constant phase position, preferably the coupling device alone applies the holding force for the phase position.
  • a compact and easily controllable adjusting device can be achieved if a braking element of the braking device forms a coupling element of the coupling device.
  • the braking device like the coupling device, is preferably a contactlessly operating magnetic device, particularly preferably the braking device is a hysteresis brake and the coupling device is a hysteresis coupling, both of which access a common hysteresis band.
  • a flow of force when the clutch is closed can be easily represented if a carrier of the coupling element is connected to the control input.
  • the coupling element is designed as a circumferential band in a stator.
  • stator is formed from a stationary stator part and a rotating stator part that is connected to the drive element in a rotationally fixed manner, a compact hysteresis coupling can be created. Both stator parts are preferably arranged concentrically.
  • a device according to the invention for an adjusting device has a contactlessly operating magnetic braking device which is firmly connected to a contactlessly operating magnetic coupling device.
  • a common band running in an air gap of the braking device and in an air gap of the coupling device is preferably provided, which can cause braking forces on the one hand and coupling forces on the other hand.
  • the devices tion is compact and practically wear-free.
  • the device also enables a quick release of the clutch to initiate adjustment processes of the phase position, an adjustable clutch torque on the clutch and braking torque on the brake, as well as quick braking.
  • the method according to the invention for operating an adjusting device of a camshaft for adjusting a phase position of the camshaft provides that, with a constant phase position, an rpm of an actuating input of the adjusting device is adapted to a rotational speed of an output element or a drive element by a torque flow through a coupling device.
  • a loss of braking at the camshaft with a constant phase position is reduced. With small to medium camshaft torques, the brake can be released completely with a constant phase position and braking losses can be further minimized.
  • the braking device and the clutch device for maintaining the phase position can be operated in parallel, so that a reliable function of the adjusting device is ensured even in cold start conditions in which high camshaft torques occur.
  • FIG. 1 shows a schematic structure of an adjusting device according to the invention with an adjusting spring between the actuating input and the drive element
  • FIG. 2 shows a schematic structure of an adjusting device according to the invention with an adjusting spring between the drive element and the driven element
  • FIG. 3 shows a schematic structure of an adjusting device according to the invention without an adjusting spring
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of an adjusting device comprising a transmission, a braking device and a coupling device without an actuating spring
  • FIG. 5 shows an exploded view of the braking device and clutch device as a detail of an adjusting device without showing the adjusting spring and adjusting device.
  • FIG. 1 to 3 show a schematic structure of an adjusting device 10 of a camshaft according to the invention.
  • the adjusting device 10 in the figures comprises a preferred gear 11 with a drive element 12, for example a sprocket, which by means of a chain, not shown, of a crankshaft, not shown, does not Internal combustion engine shown is drivable.
  • An output element 13 is formed by the camshaft.
  • the gear 11 can be designed to be self-locking to simplify the control (FIGS. 1 and 2), so that alternating moments of the camshaft cannot penetrate as far as the control input 15.
  • An adjustment of the phase position of the cam Wave takes place in that the adjustment input 15 is braked by means of a braking device 20 for adjustment in a first direction.
  • An adjustment in a direction opposite to the first direction takes place by means of an actuating spring 16.
  • FIG. 1 shows the actuating spring 16 between the actuating input 15 and the drive element 12
  • FIG. 2 shows the actuating spring 16 between the drive element 12 and the output element 13.
  • the action of the actuating spring 16 can preferably be bridged by a coupling device 30, which is arranged between the actuating input 15 and the drive element 12.
  • the coupling device 30 can be arranged between the actuating input 15 and the output element 13. This can prevent the braking device 20 from working against the actuating spring 16 when the phase position is constant.
  • FIG. 3 shows a schematic structure of an adjusting device 10 according to the invention without an adjusting spring.
  • the adjusting spring can be dispensed with if the gear 11 is designed as a preferred minus summation gear.
  • actuation of the braking device 20 with a constant phase position can be omitted.
  • the speed of the control input 14 is matched by torque flow in the clutch device 30 to that of the drive element 12 or the camshaft (output element 13).
  • the braking device 20 can be operated in parallel with the clutch device 30 with a constant phase position.
  • the maximum torque to be applied by the braking device 20, which is an important design criterion around the braking device 20 is reduced, and the braking device 20 can be made smaller, since the torque is now divided between the coupling device 30 and the braking device 20.
  • FIG. 4 shows a sectional illustration of an adjusting device 10 comprising a transmission 11, a braking device 20 and a coupling device 30.
  • a preferred adjusting spring 16 (FIGS. 1, 2) is not shown in the figure.
  • the clutch device 30 is preferably a contactlessly operating magnetic clutch and is arranged such that when the clutch device 30 is engaged, the brake device 20 can be completely released at least small to medium camshaft torques with a constant phase position.
  • the gear 11 is preferably designed as a minus summing gear.
  • a preferred and particularly advantageous embodiment is a single-stage planetary gear with a chain wheel as drive element 12 on a planet carrier 45, 46 with planet gears 42, 43, a camshaft as output element 13 on a ring gear 44 and an actuating input 15 on a sun gear 41. 46 are provided with bearing bolts for planetary gear bearings.
  • the planet gears 42, 43 are in mesh with the sun gear 41 located in the center and with the ring gear 44, which represents an outer region of the transmission 11.
  • a brake device 20 and a clutch device 30 are coupled as a common device. Both the braking device 20 and the clutch device 30 are designed as contactlessly operating magnetic elements.
  • the braking device 20 is in particular a hysteresis brake and has an annular stator 21, in the body of which an excitation coil 24 is arranged in a cavity 26.
  • An air gap 25 of the stator 21 has a pole structure 23 with pole teeth arranged on both sides of the air gap 25, with which magnetic flux can be coupled into a braking element 22 rotating in the air gap 25.
  • the braking element 22 projects into the air gap 25 with its side facing the braking device 20.
  • the air gap 25 opens into the air gap 26.
  • the air gap 25 with the pole structure 23 is arranged on the end face of the braking device 20 facing the transmission 11.
  • the braking element 22 is preferably designed as a magnetically semi-hard band.
  • the clutch device 30 which is preferably designed as a hysteresis clutch, is connected to the brake device 20.
  • the braking element 22 of the braking device 20 simultaneously forms a coupling element of the coupling device 30, in that the braking element 22, which is designed as a band, projects with its side facing the coupling device 30 into an air gap 37 of a stator 35 of the coupling device 30.
  • the air gap 37 is arranged on the end face of the coupling device 30 facing away from the gear 11.
  • the stator 35 is divided into two parts, an outer, stationary stator part 31 and an inner stator part 32 arranged concentrically therewith and rotating with the drive element 12.
  • the stator part 31 and the stator part 32 are separated by a narrow air gap 36.
  • the air gap 37 is closed on its side facing the transmission 11 by a bridge 39, preferably made of a non-magnetically conductive material.
  • the stator 21 of the braking device 20 is connected to the stationary stator part 31 via a connecting element 48.
  • a carrier 38 of the clutch element or brake element 22 is connected to the actuating input 15 of the transmission 11.
  • the common band circulating in the air gap 25 of the brake device 20 and in the air gap 37 of the clutch device 30 causes the braking torque when the brake is applied and the clutch to close when the clutch device 30 is engaged, depending on the location of the clutch device here, for example, between the control input 15 and Drive element 12.
  • a rotational speed of an actuating input 15 of the adjusting device 10 is adjusted to a rotational speed of the output element 13 or the drive element 12 by a torque flow through the coupling device 30
  • a braking device 20 for braking an actuating input 15 can be completely opened at a constant phase position with at least small to medium camshaft torques.
  • the braking device 20 and the clutch device 30 can be operated in parallel to maintain the phase position. The phase can be adjusted when the clutch is disengaged.
  • FIG. 5 An exploded view of the braking device 20 and clutch device 30 as a detail of an adjusting device 11 is shown in FIG. 5. An adjusting spring and the adjustment device itself are not shown.
  • a stator 21 of the braking device 20 is designed as a cup-shaped part 29, which is closed with a cover 28.
  • a cavity 26 is formed in the interior, in which an annular excitation coil 24 can be received, which coaxial around a central axis 47 is wound.
  • a pole structure 23 is formed in the bottom of the cup-shaped part 29, the opposite pole teeth (each tooth offset from the opposite gap) being separated by a narrow air gap 25 (FIG. 4), a part of a braking element 22 facing the stator 21 being located in the air gap 25 protrudes.
  • the brake element 22 is connected with its carrier 38 to an actuating input 15.
  • the brake element 22 projects with its side facing a clutch device 30 into an air gap 37 of a stator 35, the air gap 37 separating a pole structure 33 of the stator 35.
  • the basic structure and the mode of operation of the brake device 30 and the clutch device 30 are the same over a wide range. Both function as a hysteresis brake or hysteresis clutch.
  • the braking element 22 designed as a band simultaneously engages in the air gap 25 of the pole structure 23 of the braking device 20 and in the air gap 37 of the pole structure 33 of the coupling device 30.
  • both excitation coils 24, 34 can be energized, so that braking device 20 and clutch device 30 are operated in parallel.
  • the strength of the braking device 20 or the strength of the coupling device 30 can be adjusted.
  • the stator 35 consists of two coaxial parts, an outer, stationary stator part 31, which surrounds an inner, rotating stator part 32.
  • the stator part 32 rotates with the drive element 12.
  • the pole structure 33 of the stator 35 is located in an end face of the rotating stator part 32, which faces away from the gear, not shown.
  • an excitation coil 34 is arranged in a cavity and is coaxially wound around the central axis 47. Overall, the structure is compact and robust.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung einer Nocken­welle mit einem Getriebe (11), einem Antriebselement (12), einer Nockenwelle als Abtriebselement (13), einer Bremsein­richtung (20) zum Abbremsen eines Stelleingangs (15) des Ge­triebes (11) zum Verstellen einer Phasenlage der Nockenwelle in eine erste Richtung. Eine Verminderung der Bremsverluste der Nockenwelle (13) und eine hohe Stelldynamik ist erreich­bar, wenn eine Kupplungseinrichtung (30) vorgesehen ist, die vorzugsweise als berührungslos arbeitende magnetische Kupp­lung ausgebildet ist. Ferner betrifft die Erfindung eine Vor­richtung mit einer Bremseinrichtung (20) und einer Kupplungs­einrichtung (30) für eine Verstelleinrichtung einer Nocken­welle sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Verstellein­richtung einer Nockenwelle.

Description

DaimlerChrysler AG
Versteileinrichtung einer Nockenwelle, Vorrichtung für eine VerStelleinrichtung sowie Verfahren zum Betreiben einer Versteileinrichtung
Die Erfindung betrifft eine VerStelleinrichtung einer Nockenwelle, eine Vorrichtung für eine VerStelleinrichtung und ein Verfahren zum betreiben einer Versteileinrichtung nach den Oberbegriffen der unabhängigen Ansprüche.
Zu Veränderung der Phasenlage einer Nockenwelle sind hydraulische Flügelzellenversteller bekannt, deren Stellgeschwindigkeit und Stellwinkel jedoch gering sind. Bei niedrigen Drehzahlen und bei niedrigem Öldruck ist eine Verstellung nicht möglich. Daher wurden bereits passive elektrische Versteileinrichtungen für Nockenwellen vorgeschlagen, welche ausreichend hohe Stellgeschwindigkeiten und große Stellwinkel ermöglichen. Aus der Offenlegungsschrift DE 102 47 650 AI ist eine elektrische Versteileinrichtung einer Nockenwelle bekannt, die eine Bremseinrichtung, einen Hebelmechanismus als Getriebe und eine Stellfeder umfasst . Zum Verstellen in eine erste Richtung wird ein Stelleingang der Versteileinrichtung abgebremst. Das Verstellen in eine entgegengesetzte Richtung erfolgt über die Stellfeder. Bei konstanter Phasenlage muss die Bremseinrichtung gegen die Stellfeder arbeiten, was hohe Bremsverluste verursachen kann.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Versteileinrichtung einer Nockenwelle, eine Vorrichtung für eine Ver- Stelleinrichtung sowie ein Verfahren zum Betreiben einer Versteileinrichtung einer Nockenwelle anzugeben, wobei eine einfache Regelung möglich sein soll und Bremsverluste an der Nockenwelle bei konstanter Phasenlage vermindert sind.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche gelöst .
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Eine erfindungsgemäße Versteileinrichtung einer Nockenwelle mit einem Getriebe, einem Antriebselement, einem Abtriebselement (Nockenwelle) sowie einem Stelleingang weist eine Kupplungseinrichtung auf, die vorzugsweise als berührungslos arbeitende magnetischen Kupplung ausgebildet ist. Mit einer solchen Kupplungseinrichtung ist ein zu übertragendes Kupplungsmoment bedarfsgerecht einstellbar, und die Kupplung ist innerhalb sehr kurzer Zeit lösbar, was insbesondere bei einer Verstellung der Phasenlage günstig ist, bei der eine hohe Stelldynamik erwünscht ist. Ferner ist der Verschleiß der Kupplungseinrichtung vorteilhaft gering. Vorzugsweise wird zum Verstellen in einer ersten Richtung der Stelleingang abgebremst, wozu bevorzugt eine berührungslos arbeitende, magnetische Bremseinrichtung vorgesehen ist.
Ist die Kupplungseinrichtung zwischen dem Stelleingang und dem Antriebselement angeordnet, kann eine Wirkung einer etwaigen Stellfeder, die vorzugsweise zwischen Stelleingang und Antriebselement angeordnet ist, kompensiert werden, welche eine Verstellung der Nockenwelle in eine zweiten Richtung bewirkt, wenn eine Verstellung in einer ersten Richtung beispielsweise durch Abbremsen des Stelleingangs, etwa auf eine Drehzahl unterhalb der Nockenwellendrehzahl, erfolgt. Die Stellfeder kann auch zwischen Stelleingang und Abtriebsele- ment (Nockenwelle) angeordnet sein. Die Stellfeder sollte so stark dimensioniert sein, dass ihr Moment, trotz eines etwaigen geringen Getriebewirkungsgrads bei Verwendung eines selbsthemmenden Getriebes, zur Erreichung einer erforderlichen Stellgeschwindigkeit bei gelöster Bremse ausreicht. Bei konstanter Phasenlage müsste die Bremse so stark angezogen sein, dass die Wirkung der Stellfeder kompensiert wäre. Die Kupplungseinrichtung bewirkt vorteilhaft eine Überbrückung der Stellfeder, so dass bei konstanter Phasenlage die Bremse sogar vollständig gelöst werden kann, zumindest bei geringen bis mittleren Nockenwellenmomenten. Bei hohen Nockenwellenmomenten, wie sie etwa bei einem Kaltstart auftreten, können die Bremse und die Kupplungseinrichtung auch parallel betrieben werden, um die Phasenlage konstant zu halten. Zweckmäßigerweise kann die Kupplungseinrichtung zwischen dem Stelleingang und dem Abtriebselement (Nockenwelle) angeordnet sein, wenn eine Stellfeder zwischen Stelleingang und dem Abtriebselement angeordnet ist.
In einer alternativen Ausgestaltung kann die Stellfeder zwischen Antriebselement und dem Abtriebselement angeordnet sein. Bei konstanter Phasenlage ist die Drehzahl eines Sonnenrads eines bevorzugten Getriebes durch Momentfluss in der Kupplungseinrichtung an die des Antriebselements, insbesondere eines Kettenrads, bzw. der Nockenwelle angleichbar. Die Bremseinrichtung muss in diesem Fall nicht betätigt werden, weshalb auch kein mechanischer Bremsverlust an der Nockenwelle erzeugt wird. Diese Lösung ist besonders dann vorteilhaft, wenn über die Nockenwelle zusätzliche Nebenaggregate wie etwa eine Hochdruckpumpe, eine Niederdruckpumpe und dergleichen angetrieben werden.
Mit ähnlichen Vorteilen kann auf eine Stellfeder verzichtet werden, wenn das Getriebe ein Summiergetriebe ist, das als Minus-Summiergetriebe ausgebildet ist. Unter Minus- Summiergetriebe ist zu verstehen, dass bei festgehaltenem Antriebselement sich die Nockenwelle entgegengesetzt zum Stelleingang dreht. Eine bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausführung ist ein einstufiges Planetengetriebe mit einem Kettenrad als Antriebselement an einem Planetenträger, einer Nockenwelle als Abtriebselement an einem Hohlrad und einem Stelleingang an einem Sonnenrad. Optional kann jedoch auch ein Getriebe mit Hebelmechanismus vorgesehen sein, wie es etwa aus der DE 102 47 650 AI bekannt ist. Dies kann bei kleinen Übersetzungen zwischen Stelleingang und Nockenwelle sowie einem kleinen Stellbereich günstig sein, da sich eine Selbsthemmung des Getriebes besonders einfach mit einem Hebelmechanismus darstellen lässt .
Besonders geringe Bremsverluste der Nockenwelle sind möglich, wenn die Kupplungseinrichtung so angeordnet ist, dass bei eingekuppelter Kupplungseinrichtung die Bremseinrichtung bei konstanter Phasenlage und zumindest kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten vollständig lösbar ist. Die Verringerung der Bremsverluste ermöglicht Verbrauchseinsparungen einer Brennkraftmaschine, deren Einlass- und/oder Auslassventile von der Nockenwelle betätigt werden.
In einer günstigen Weiterbildung der Erfindung ist das Getriebe vom Abtriebselement in Richtung Stelleingang selbst- hemmend ausgebildet. Eine solche Selbsthemmung verhindert, dass Wechselmomente von der Nockenwelle zum Stelleingang durchdringen. Bei ausreichend hohen Getriebeübersetzungen kann optional auch auf eine Selbsthemmung des Getriebes verzichtet werden mit dem Vorteil eines verbesserten Getriebewirkungsgrads. Insbesondere kann bei ausreichend hohen Getriebeübersetzungen und einer Ausgestaltung des Getriebes als Minus-Summiergetriebe sowohl auf eine Selbsthemmung des Ge- triebes als auch auf eine Stellfeder verzichtet werden, wobei bei konstanter Phasenlage vorzugsweise die Kupplungseinrichtung alleine die Haltekraft für die Phasenlage aufbringt.
Eine kompakte und leicht steuerbare Versteileinrichtung ist erreichbar, wenn ein Bremselement der Bremseinrichtung ein Kupplungselement der Kupplungseinrichtung bildet. Bevorzugt ist die Bremseinrichtung wie die Kupplungseinrichtung eine berührungslos arbeitende magnetische Einrichtung, besonders bevorzugt ist die Bremseinrichtung eine Hysteresebremse und die Kupplungseinrichtung eine Hysteresekupplung, welche beide auf ein gemeinsames Hystereseband zugreifen.
Ein Kraftfluss bei geschlossener Kupplung ist einfach darstellbar, wenn ein Träger des Kupplungselements mit dem Stelleingang verbunden ist.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Kupplungselement als umlaufendes Band in einem Stator ausgebildet.
Ist der Stator aus einem ruhenden Statorteil und einem mit dem Antriebselement drehfest verbundenen, mitdrehenden Statorteil gebildet, kann eine kompakt bauende Hysteresekupplung geschaffen werden. Vorzugsweise sind beide Statorteile konzentrisch angeordnet.
Eine erfindungsgemäße Vorrichtung für eine Versteileinrichtung weist eine berührungslos arbeitende magnetische Bremseinrichtung auf, die mit einer berührungslos arbeitenden magnetischen Kupplungseinrichtung fest verbunden ist. Vorzugsweise ist ein gemeinsames, in einem Luftspalt der Bremseinrichtung und in einem Luftspalt der Kupplungseinrichtung umlaufendes Band vorgesehen, welches Bremskräfte einerseits und Kupplungskräfte andererseits verursachen kann. Die Vorrich- tung ist kompakt und praktisch verschleißfrei. Die Vorrichtung ermöglicht ferner ein schnelles Lösen der Kupplung zur Einleitung von Verstellvorgängen der Phasenlage, ein einstellbares Kupplungsmoment an der Kupplung und Bremsmoment an der Bremse sowie ein schnelles Bremsen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zum Betreiben einer Verstell- einrichtung einer Nockenwelle zum Verstellen einer Phasenlage der Nockenwelle sieht vor, dass bei konstanter Phasenlage eine Anpassung einer Drehzahl eines Stelleingangs der VerStelleinrichtung durch einen Momentfluss durch eine Kupplungsvorrichtung an eine Drehzahl eines Abtriebselements oder eines Antriebselements erfolgt. Ein Bremsverlust an der Nockenwelle bei konstanter Phasenlage wird vermindert. Bei kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten kann die Bremse bei konstanter Phasenlage vollständig gelöst werden und die Bremsverluste weiter minimiert werden.
Bei hohen Nockenwellenmomenten können die Bremseinrichtung und die Kupplungseinrichtung zum Halten der Phasenlage parallel betrieben werden, so dass auch bei Kaltstartbedingungen, bei denen hohe Nockenwellenmomente auftreten, eine zuverlässige Funktion der Versteileinrichtung gewährleistet ist.
Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispiels näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird. Dabei zeigen:
Fig. 1 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Versteileinrichtung mit einer Stellfeder zwischen Stelleingang und Antriebselement,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen VerStelleinrichtung mit einer Stellfeder zwischen Antriebselement und Abtriebselement,
Fig. 3 einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Versteileinrichtung ohne Stellfeder,
Fig. 4 eine Schnittdarstellung einer Versteileinrichtung aus Getriebe, Bremseinrichtung und Kupplungseinrichtung ohne Darstellung einer Stellfeder,
Fig. 5 eine Explosionsdarstellung von Bremseinrichtung und Kupplungseinrichtung als Detail einer VerStelleinrichtung ohne Darstellung von Stellfeder und Versteileinrichtung .
In den Figuren werden gleiche oder sich entsprechende Elemente mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
Einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen Verstell - einrichtung 10 einer Nockenwelle zeigen die Figuren 1 bis 3. Die VerStelleinrichtung 10 in den Figuren umfasst ein bevorzugtes Getriebe 11 mit Antriebselement 12, beispielsweise ein Kettenrad, das mittels einer nicht dargestellten Kette von einer nicht dargestellten Kurbelwelle einer nicht dargestellten Brennkraftmaschine antreibbar ist. Ein Abtriebselement 13 wird von der Nockenwelle gebildet.
Das Getriebe 11 kann zur Vereinfachung der Regelung selbst - hemmend ausgebildet sein (Figuren 1 und 2) , so dass Wechsel - momente der Nockenwelle nicht bis zum Stelleingang 15 durchdringen können. Eine Verstellung der Phasenlage der Nocken- welle erfolgt, indem zur Verstellung in eine erste Richtung der Stelleingang 15 mittels einer Bremseinrichtung 20 abgebremst wird. Eine Verstellung in eine der ersten Richtung entgegengesetzte Richtung erfolgt durch eine Stellfeder 16. Figur 1 zeigt die Stellfeder 16 zwischen Stelleingang 15 und Antriebselement 12, während Figur 2 die Stellfeder 16 zwischen Antriebselement 12 und Abtriebselement 13 zeigt. Die Wirkung der Stellfeder 16 ist vorzugsweise durch eine Kupplungseinrichtung 30 überbrückbar, welche zwischen dem Stelleingang 15 und dem Antriebselement 12 angeordnet ist. Optional kann die Kupplungseinrichtung 30 zwischen dem Stelleingang 15 und dem Abtriebselement 13 angeordnet sein. Damit kann verhindert werden, dass bei konstanter Phasenlage die Bremseinrichtung 20 gegen die Stellfeder 16 arbeiten muss .
Bei höheren Getriebeübersetzungen kann auf die Selbsthemmung verzichtet werden, was vorteilhaft für einen Getriebewirkungsgrad ist.
Figur 3 zeigt einen schematischen Aufbau einer erfindungsgemäßen VerStelleinrichtung 10 ohne Stellfeder. Auf die Stell- feder kann verzichtet werden, wenn das Getriebe 11 als bevorzugtes Minus-Summiergetriebe ausgebildet ist.
Bei den in den Figuren 1 bis 3 dargestellten Ausführungsformen kann eine Betätigung der Bremseinrichtung 20 bei konstanter Phasenlage entfallen. Die Drehzahl des Stelleingangs 14 wird durch Momentfluss in der Kupplungseinrichtung 30 an die des Antriebselements 12 bzw. der Nockenwelle (Abtriebselement 13) angeglichen. Bei hohen Nockenwellenmomenten, beispielsweise beim Kaltstart, kann die Bremseinrichtung 20 bei konstanter Phasenlage mit der Kupplungseinrichtung 30 parallel betrieben werden. Das maximale aufzubringende Moment der Bremseinrichtung 20, welches ein wichtiges Auslegungskriteri- um der Bremseinrichtung 20 darstellt, wird dadurch vermindert, und die Bremseinrichtung 20 kann kleiner ausgelegt werden, da sich nunmehr das Moment auf Kupplungseinrichtung 30 und Bremseinrichtung 20 aufteilt.
Figur 4 zeigt eine Schnittdarstellung einer Versteileinrichtung 10 aus Getriebe 11, Bremseinrichtung 20 und Kupplungseinrichtung 30. Eine bevorzugte Stellfeder 16 (Figur 1, 2) ist in der Figur nicht dargestellt. Bevorzugt ist die Kupplungseinrichtung 30 eine berührungslos arbeitende magnetische Kupplung und so angeordnet, dass bei eingekuppelter Kupplungseinrichtung 30 die Bremseinrichtung 20 bei konstanter Phasenlage zumindest kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten vollständig lösbar ist.
Das Getriebe 11 ist vorzugsweise als Minus-Summiergetriebe ausgebildet. Eine bevorzugte und besonders vorteilhafte Ausführung ist ein einstufiges Planetengetriebe mit einem Kettenrad als Antriebselement 12 an einem Planetenträger 45, 46 mit Planetenrädern 42, 43, einer Nockenwelle als Abtriebselement 13 an einem Hohlrad 44 und einem Stelleingang 15 an einem Sonnenrad 41. Die Planetenträger 45, 46 sind mit Lagerbo- len zur Planetenradlagerung versehen. Die Planetenräder 42, 43 sind mit dem im Zentrum liegenden Sonnenrad 41 und mit dem einen Außenbereich des Getriebes 11 darstellenden Hohlrad 44 in Kammeingriff.
Eine Bremseinrichtung 20 und eine Kupplungseinrichtung 30 sind als eine gemeinsame Vorrichtung gekoppelt. Sowohl die Bremseinrichtung 20 als auch die Kupplungseinrichtung 30 sind als berührungslos arbeitende magnetische Elemente ausgebildet. Die Bremseinrichtung 20 ist insbesondere eine Hysteresebremse und weist einen ringförmigen Stator 21 auf, in dessen Körper eine Erregerspule 24 in einem Hohlraum 26 angeordnet ist. Ein Luftspalt 25 des Stators 21 weist eine Polstruktur 23 mit beidseits des Luftspalts 25 angeordneten Polzähnen auf, womit magnetischer Fluss in ein in dem Luftspalt 25 umlaufendes Bremselement 22 einkoppelbar ist. Das Bremselement 22 ragt mit seinem der Bremseinrichtung 20 zugewandten Seite in den Luftspalt 25 hinein. Der Luftspalt 25 mündet in den Luftspalt 26. Der Luftspalt 25 mit der Polstruktur 23 ist auf der dem Getriebe 11 zugewandten Stirnfläche der Bremseinrichtung 20 angeordnet. Das Bremselement 22 ist bevorzugt als magnetisch halbhartes Band ausgebildet.
An die Bremseinrichtung 20 schließt sich die bevorzugt als Hysteresekupplung ausgebildete Kupplungseinrichtung 30 an. Das Bremselement 22 der Bremseinrichtung 20 bildet dabei gleichzeitig ein Kupplungselement der Kupplungseinrichtung 30, indem das als Band ausgebildete Bremselement 22 mit seiner der Kupplungseinrichtung 30 zugewandten Seite in einen Luftspalt 37 eines Stators 35 der Kupplungseinrichtung 30 ragt. Der Luftspalt 37 ist an der dem Getriebe 11 abgewandten Stirnfläche der Kupplungseinrichtung 30 angeordnet. Der Stator 35 ist zweigeteilt in ein äußeres, ruhendes Statorteil 31 und ein konzentrisch dazu angeordnetes inneres, mit dem Antriebselement 12 mitdrehendes Statorteil 32. Statorteil 31 und Statorteil 32 sind durch einen engen Luftspalt 36 getrennt. Der Luftspalt 37 ist an seiner dem Getriebe 11 zugewandten Seite mit einer Brücke 39, vorzugsweise aus nicht magnetisch leitfähigem Material, abgeschlossen. Der Stator 21 der Bremseinrichtung 20 ist mit dem ruhenden Statorteil 31 über ein Verbindungselement 48 verbunden. Ein Träger 38 des Kupplungselements bzw. Bremselements 22 ist mit dem Stelleingang 15 des Getriebes 11 verbunden.
Das gemeinsame in dem Luftspalt 25 der Bremseinrichtung 20 und in dem Luftspalt 37 der Kupplungseinrichtung 30 umlaufende Band verursacht beim Anziehen der Bremse das Bremsmoment und beim Einkuppeln der Kupplungsvorrichtung 30 den Kraft - schluss der Kupplung, je nach Ort der Kupplungsvorrichtung hier beispielsweise zwischen Stelleingang 15 und Antriebselement 12.
Bei dem erfindungsgemäßen Verfahren zum Betreiben der Versteileinrichtung 10 einer Nockenwelle zum Verstellen der Phasenlage der Nockenwelle erfolgt bei konstanter Phasenlage eine Anpassung einer Drehzahl eines Stelleingangs 15 der Versteileinrichtung 10 durch einen Momentfluss durch die Kupplungsvorrichtung 30 an eine Drehzahl des Abtriebselements 13 oder des Antriebselements 12. Bei geschlossener Kupplungsvorrichtung 30 kann bei konstanter Phasenlage bei zumindest kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten eine Bremseinrichtung 20 zum Abbremsen eines Stelleingangs 15 vollständig geöffnet werden. Bei hohen Nockenwellenmomenten können die Bremseinrichtung 20 und die Kupplungseinrichtung 30 zum Halten der Phasenlage parallel betrieben werden. Bei ausgerückter Kupplung kann die Phasenlage verstellt werden.
Eine Explosionsdarstellung von Bremseinrichtung 20 und Kupplungseinrichtung 30 als Detail einer Versteileinrichtung 11 ist in Figur 5 dargestellt. Eine Stellfeder und die Verstell - einrichtung selbst sind nicht dargestellt. Ein Stator 21 der Bremseinrichtung 20 ist als topfförmiges Teil 29 ausgebildet, welches mit einer Abdeckung 28 abgeschlossen ist. Im Inneren ist ein Hohlraum 26 ausgebildet, in dem eine ringförmige Erregerspule 24 aufnehmbar ist, welche koaxial um eine Mitten- achse 47 gewickelt ist. Im Boden des topfförmigen Teils 29 ist eine Polstruktur 23 ausgebildet, deren sich gegenüberliegende Polzähne (jeweils Zahn auf gegenüberliegende Lücke versetzt) durch einen schmalen Luftspalt 25 getrennt sind (Figur 4) , wobei in dem Luftspalt 25 ein dem Stator 21 zugewandeter Teil eines Bremselements 22 hineinragt. Das Bremselement 22 ist mit seinem Träger 38 mit einem Stelleingang 15 verbunden. Das Bremselement 22 ragt mit seiner einer Kupplungseinrichtung 30 zugewandten Seite in einen Luftspalt 37 eines Stators 35, wobei der Luftspalt 37 eine Polstruktur 33 des Stators 35 trennt. Der prinzipielle Aufbau und die Wirkungsweise der Bremseinrichtung 30 und der Kupplungseinrichtung 30 sind weiten Bereichen gleich. Beide funktionieren als Hysteresebremse bzw. Hysteresekupplung. Im zusammengebauten Zustand greift das als Band ausgebildete Bremselement 22 gleichzeitig in den Luftspalt 25 der Polstruktur 23 der Bremseinrichtung 20 und in den Luftspalt 37 der Polstruktur 33 der Kupplungseinrichtung 30 ein. Je nachdem welche der jeweiligen Erregerspulen 24, 34 bestromt wird, wird das Bremselement 22 als Bremse aktiv oder als Kupplung. Gegebenenfalls können, bei hohen Nockenwellenmomenten, wie sie beim Kaltstart auftreten können, beide Erregerspulen 24, 34 bestromt werden, so dass Bremseinrichtung 20 und Kupplungseinrichtung 30 parallel betrieben werden. Abhängig von der Stärke des jeweiligen elektrischen Erregerstroms ist die Stärke der Bremseinrichtung 20 bzw. die Stärke der Kupplungseinrichtung 30 einstellbar.
Anders als der Stator 21 der Bremseinrichtung 20 besteht der Stator 35 aus zwei koaxialen Teilen, einem äußeren, ruhenden Statorteil 31, welcher einen inneren, drehenden Statorteil 32 umgibt. Das Statorteil 32 dreht mit dem Antriebselement 12 mit. Die Polstruktur 33 des Stators 35 befindet sich in einer Stirnfläche des drehenden Statorteils 32, welche vom nicht dargestellten Getriebe abgewandt ist. Im ruhenden Statorteil 31 ist in einem Hohlraum eine Erregerspule 34 angeordnet, die koaxial um die Mittenachse 47 gewickelt ist. Der Aufbau ist insgesamt kompakt und robust .

Claims

DaimlerChrysler AGPatentansprüche
Versteileinrichtung einer Nockenwelle mit einem Getriebe (11) , einem Antriebselement (12) , einer Nockenwelle als Abtriebselement (13) , einer Bremseinrichtung (20) zum Abbremsen eines Stelleingangs (15) des Getriebes (11) zum Verstellen einer Phasenlage der Nockenwelle (13) wenigstens in eine erste Richtung, dadurch gekennzeichnet, dass eine Kupplungseinrichtung (30) vorgesehen ist.
VerStelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (30) als berührungslos arbeitende elektromagnetische Kupplung ausgebildet ist.
Versteileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (30) zwischen dem Stelleingang (15) und dem Antriebselement (12) angeordnet ist.
Versteileinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (30) zwischen dem Stelleingang (15) und dem Abtriebselement (13) angeordnet ist.
5. Versteileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (30) so angeordnet ist, dass bei eingekuppelter Kupplungseinrichtung (30) die Bremseinrichtung (20) bei konstanter Phasenlage der Nockenwelle und zumindest kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten vollständig lösbar ist.
6. Versteileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zum Verstellen der Phasenlage der Nockenwelle in eine zweite Richtung eine Stellfeder (16) vorgesehen ist.
7. Versteileinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellfeder (16) zwischen Stelleingang (15) und Antriebselement (12) angeordnet ist.
8. Versteileinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellfeder (16) zwischen Stelleingang (15) und Abtriebselement (13) angeordnet ist.
9. VerStelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellfeder (16) zwischen Antriebselement (12) und Abtriebselement (13) angeordnet ist.
10. VerStelleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplungseinrichtung (30) die Stellfeder (16) überbrückt .
11. Versteileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (11) als Minus-Summiergetriebe ausgebildet ist.
12. Versteileinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe (11) einen Hebelmechanismus aufweist.
13. Versteileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dass das Getriebe (11) vom Abtriebselement (13) in Richtung Stelleingang (15) selbsthemmend ausgebildet ist.
14. Versteileinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , dass ein Bremselement (22) der Bremseinrichtung (20) ein Kupplungselement der Kupplungseinrichtung (30) bildet.
15. Versteileinrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass ein Träger (38) des Kupplungselements mit dem Stelleingang (15) verbunden ist.
16. Versteileinrichtung nach einem der Ansprüche 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, dass das Bremselement (22) als in einem Stator (35) umlaufendes Band ausgebildet ist.
17. VerStelleinrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (35) aus einem ruhenden Statorteil (31) und einem mit dem Antriebselement (12) drehfest verbundenen, mitdrehenden Statorteil (32) gebildet ist.
18. Vorrichtung für eine VerStelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine berührungslos arbeitende magnetische Bremseinrichtung (20) mit einer berührungslos arbeitenden magnetischen Kupplungseinrichtung (30) fest verbunden ist.
19. Vorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass ein gemeinsames in einem Luftspalt (25) der Bremseinrichtung (20) und in einem Luftspalt (37) der Kupplungseinrichtung (30) umlaufendes Band vorgesehen ist.
20. Verfahren zum Betreiben einer VerStelleinrichtung einer Nockenwelle zum Verstellen deren Phasenlage nach Anspruch 1, wobei zum Verstellen der Phasenlage in eine Richtung ein Stelleingang (15) abgebremst wird, dadurch gekennzeichnet, dass bei konstanter Phasenlage eine Anpassung einer Drehzahl eines Stelleingangs (15) der Versteileinrichtung (10) durch einen Momentfluss durch eine Kupplungsvorrichtung (30) an eine Drehzahl eines Abtriebselements (13) oder eines Antriebselements (12) erfolgt.
21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass bei Kraftschluss über die Kupplungsvorrichtung (30) bei konstanter Phasenlage bei zumindest kleinen bis mittleren Nockenwellenmomenten eine Bremseinrichtung (20) zum Abbremsen eines Stelleingangs (15) vollständig geöffnet wird.
22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, dadurch gekennzeichnet, dass bei hohen Nockenwellenmomenten die Bremseinrichtung (20) und die Kupplungseinrichtung (30) zum Halten der Phasenlage parallel betrieben werden.
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