WO2006027131A1 - Vorrichtung zur winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen elementen - Google Patents

Vorrichtung zur winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen elementen Download PDF

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WO2006027131A1
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catch
adjusting device
tooth
rotatably connected
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PCT/EP2005/009275
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Jens Meintschel
Thomas Stolk
Alexander Von Gaisberg-Helfenberg
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Daimlerchrysler Ag
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Publication date
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    • 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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    • F01L2001/3445—Details relating to the hydraulic means for changing the angular relationship
    • F01L2001/34453—Locking means between driving and driven members
    • F01L2001/34459—Locking in multiple positions

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the angle between two rotating, drive-connected elements to according to the preamble of claim 1.
  • this emergency position is generally located in a stop of the camshaft positioner.
  • These camshaft actuators usually run into the stop “late” due to the mean camshaft torque without oil supply, which may be the emergency running position for an intake side of the internal combustion engine, for example Outlet side of the internal combustion engine, usually a return spring between sprocket and camshaft is used.
  • the camshaft actuator is usually locked in the emergency position for reasons of noise, among other reasons.
  • an emergency running position between the stops is expediently to be approached.
  • This can e.g. take place by two oppositely operating torsion springs between sprocket and camshaft, the effect of which is canceled in the Notlaufposi ⁇ tion.
  • the camshaft actuator must constantly work against these springs during normal operation, so that its power consumption in terms of engine pressure oil or electric current increases considerably in part.
  • DE 102 20 687 discloses a device for adjusting the angle between two rotating, drive-connected elements in which, in the event of a failure of the adjusting device and / or its control, braking or setting of the adjusting shaft and rotation of the drive shaft and by an appropriate Standgetriebe ⁇ translation a Notlaufposition reachable and durable.
  • the invention is based on the object of specifying an energy-saving device for adjusting the angle between two rotating, drive-connected elements, which incorporate permissible reaching and holding a Notlaufposition ermög ⁇ light.
  • a Wech ⁇ selmoment of the one element in case of failure for starting a Notlaufposition is used, in which the relative angular position between the two elements substantially constant halt ⁇ bar is.
  • a non-uniform torque curve can be exploited on the adjusting device, which is caused for example by a valve actuation by a camshaft.
  • opening the valves braking components caused by the actuating cam.
  • closing the Venti ⁇ le on rear flanks of the actuating cams introduce a force and cause co-rotating portions of the moment.
  • a quicker ⁇ -like mechanism is provided with angle-dependent unilaterally acting inhibition for adjustment in case of failure, which makes the alternating torque of an element for relative angular adjustment between the two elements for starting an emergency running position usable.
  • the free-running mechanism is preferably designed as a latching mechanism so that a spring-loaded catch on a Zahn ⁇ structure of a counterpart is movable, which allows movement of the catch in a first freewheeling direction. In this way, the catch is movable in a defined direction.
  • the catch is pressed by a spring on the tooth structure. Acts between a bearing of the catch and the tooth Structure-bearing counterpart a sufficiently large change moment, the catch can slide on a flat tooth flank of Zahn ⁇ structure and jump into a following tooth gap.
  • Ei ⁇ ne movement in one opposite to the freewheeling direction can be prevented by a correspondingly steep tooth flank.
  • the process continues until a tooth gap is reached with tooth flanks that are steep on both sides.
  • the emergency running position to be indicated is located between limit stops of the adjusting device, it is expedient to arrange toothed structures acting in opposite directions on both sides of the emergency stop position.
  • the emergency running position can be reached within the shortest possible time since, for example, in a four-cylinder internal combustion engine, four times co-rotating and four times braking portions of the alternating torque occur within one camshaft revolution and the preferred detent mechanism can move four teeth further.
  • the emergency running position is preferably arranged in a tooth gap, on which two tooth structures meet with opposite free running directions of the catch.
  • the emergency running position is reliably accessible and the catch in the tooth gap can be fixed until the initiation of actuation an operative connection between the catch and tooth structure, the catch is extended from the tooth structure.
  • the freewheeling mechanism is angeord ⁇ net, that the alternating moment acts between a bearing of the catch and the tooth structure supporting counterpart.
  • the tooth structure is arranged in a hydraulic adjusting device with a hydraulic motor with a vane cell element on a rotatably connected to the ers ⁇ th element impeller.
  • the catch is rotatably connected to the second element, whereby in the catch is preferably radially movable.
  • the preferred detent mechanism is compact and requires no additional space. The detent mechanism can be combined with existing components.
  • the detent is arranged on a rotatably connected to the first element impeller, wherein the detent is preferably axially movable.
  • the preferred Rastenme ⁇ mechanism is compact and requires no additional Bau ⁇ space.
  • a modified hydraulic valve is expediently provided, the chambers of which can be emptied in the event of a fault. Then any residual oil in the vane cells can not hinder the start of the emergency running position.
  • the tooth structure is rotatably connected to a control shaft of a transmission, wherein the first is connected to the second element via the actuating shaft having the transmission.
  • the electric adjusting device comprises an electric rotary actuator and a transmission.
  • the transmission is preferably designed as a summing with three waves, two inputs and one output. If two of the three shafts are connected to one another in a rotationally fixed manner, the transmission is blocked and the phase position remains constant.
  • the tooth structure is rotatably connected to an output of a transmission in an electrical adjusting device, wherein the first is connected to the second element via the actuating shaft having the transmission.
  • the tooth structure is arranged in a gear, the first element being connected to the second element via the gear having an actuating shaft.
  • the electric adjustment device is designed as an electric motor, a separate electromagnet can be provided for lifting the catch from the tooth structure, the coil of which can be switched electrically in series or parallel to the adjustment device,
  • the catch can be arranged with a favorably low constructive effort so that it can be lifted off the tooth structure by the magnetic flux of the hysteresis brake.
  • Fig. 1 a, b Showing: Fig. 1 a, b; a preferred detent mechanism with a toothed structure shown unwound in an emergency running position (a) and in a movement in the direction of emergency running position (b),
  • FIG. 3 shows an exploded view of a hydraulic camshaft adjuster according to a vane-cell principle with a detent mechanism with a radially movable detent;
  • FIG. 4 shows an exploded view of a hydraulic camshaft adjuster according to a vane-cell principle with a detent mechanism with an axially movable detent
  • Fig. 5 a, b, c schematically in an electric cam shaft controller a detent mechanism between control input and input (a), a Rastenmechanis ⁇ mechanism between input and output (b), a Rasten ⁇ mechanism between control input and output (c), and
  • Fig. 6 shows schematically in an electric Nockenwellenstel- ler with hysteresis a detent mechanism between control input and input.
  • the invention is particularly suitable for a camshaft positioner with which a phase angle of the camshaft relative to a drive drivable by a crankshaft of an internal combustion engine, for example a sprocket, can be varied.
  • a preferred freewheeling mechanism constructed as a detent mechanism 21 consists of a detent 22 in a guide 24, wherein the detent 22 is pressed by a spring 23 onto a toothed structure 25, 26 shown unwound.
  • the catch 22 is arranged in an emergency running position in a tooth gap 29, in FIG. 1 b a movement of the catch 22 in the direction of the emergency running position is illustrated.
  • the tooth structure 25 and 26 has in their freewheeling direction 27 and 28 rising flat tooth flanks of their teeth, while the falling edges are much steeper, preferably arranged vertically.
  • the catch 22 can slide in the freewheeling direction 27 via the tooth structure 25 or in the freewheeling direction 28 via the tooth structure 26.
  • FIG. 1b it can be seen how the catch 22 slides over a tooth from a tooth gap in the freewheeling direction 27 and falls into the next tooth space.
  • the tooth structures 25, 26, which have the opposite free-wheeling directions 27, 28, adjoin the tooth gap 29 on both sides.
  • the tooth gap 29 is limited on both sides of steep tooth flanks so that the catch 22 against the spring pressure of the spring 24 can not slide out of the tooth gap 29.
  • the catch 22 must be lifted off the tooth structure 25, 26.
  • the movement of the catch 22 in the freewheeling direction 27 or 28 is made possible by an alternating moment, which acts between a bearing of the detent 22 and a toothed structure 25, 26 bearing counterpart.
  • the course of the alternating torque of a camshaft over a crank angle is sketched in FIG.
  • the recognizable non-uniform torque curve can be felt on an adjusting device of the camshaft.
  • the tips in positive direction correspond to braking portions B, which arise when opening valves by their cam actuation cam.
  • the average camshaft torque M is inserted as a gestri ⁇ smile constant line in the graph.
  • the mit ⁇ rotating portions A of the alternating torque can be used advantageously in case of failure to drive the latching mechanism 21.
  • FIG. 3 shows an exploded view of a preferred hydraulic camshaft positioner with a vane-cell hydraulic motor as an adjusting device 12 for adjusting the angle between two rotating drive-connected elements 10, 20 which are connected via the adjusting device 12, with a detent mechanism 21 with a Ras
  • the adjusting device 12 comprises an impeller 15 and an outer part 16 of the vane cell element 17, which is arranged on ei ⁇ nem inner circumference of the formed as a sprocket second element 20.
  • the second element 20 may also be designed as a pulley.
  • the impeller 15 is provided with a tooth structure 25, 26, as described in Figure 1, and is rotatably connected to the camshaft formed as a first element 10.
  • the spring-loaded detent 22 of the preferred detent mechanism 21 can be moved radially and engages in the tooth structure 25, 26 in the event of a fault.
  • the catch 22, which moves radially inwardly through its spring 23, is connected in a rotationally fixed manner to the outer part 16 of the second element 20 formed as a sprocket. Trained as a hydraulic motor adjusting 12 is covered with a first cover plate 13 and a camshaft side cover plate 14. In normal operation, the catch 22 is pressed in the direction of the spring 23 by the oil pressure prevailing in the vane cells 17, so that the catch 22 is lifted off the tooth structure 25, 26 and there is no contact. If the adjusting device 12 designed as a hydraulic motor fails, the oil pressure in the vane cells 17 also collapses.
  • the catch 22 extends under the action of the spring 23, and by the Wech ⁇ selmoment the emergency position is approached. Since residual oil in the vane 17 can hinder this process, it is advantageous if they are emptied in the emergency case.
  • This can be achieved, for example, by a modified multi-way hydraulic valve which, in addition to the usual positions "filling direction 1 / emptying direction 2" and “filling direction 2 / emptying direction 1" and “holding” additionally an electroless position "emptying both Chambers "has.
  • FIG. 4 An alternative embodiment with an axially movable catch 22 is shown in FIG. 4.
  • the structure largely corresponds to the construction in FIG. 3.
  • the catch 22 is mounted in the impeller 15 and acts on the second cover disk 14 into which the tooth structure 25, 26 is inserted.
  • the cover plate 14 is rotatably connected to the second element 20 formed as a sprocket.
  • the catch 22 is lifted off the tooth structure 25, 26 by the oil pressure prevailing in the vane cells 17 and engages in the tooth structure 25, 26 in the event of a fault and causes the emergency running position at.
  • FIGS. 5 and 6 show a plurality of preferred embodiments which have an electrical adjusting device 12.
  • the adjusting device 12 comprises an electrical see rotary actuator 30 and a gear 31.
  • the rotary actuator 30 may be formed as an electric motor or as a passive brake in the form of a hysteresis.
  • the adjusting device 12 actuates a control input 32, which acts on the transmission 31, which is in particular a summing gear.
  • the first element 10 is located at the output of the transmission 31.
  • the input of the transmission 31 forms the second drive element 20.
  • the drive may be in the form of a sprocket or pulley. If two of the three inputs or outputs are connected to each other in a rotationally fixed manner, the transmission 31 is blocked and the phase position remains constant.
  • FIGS. 5 a, b, c describe various arrangements of a preferred detent mechanism 21.
  • the detent mechanism 21 is arranged between the actuating input 32 of the transmission 31 and the input of the transmission 31, which is disposed through the second element 20 is formed, wherein the detent 22 is rotatably connected with its guide 24 connected to the input and the tooth structure 25, 26 is arranged on de actuating shaft ( Figure 5a).
  • the detent mechanism 21 can be arranged between the said input of the transmission 31 and the output of the transmission 31 (FIG. 5b).
  • the tooth structure 25, 26 rotatably connected to the formed as a camshaft first member 10 and the detent with its guide 24 with the rotatably connected to the second member 20 gear housing.
  • the detent mechanism 21 can also be arranged within the transmission 31 between the control input 32 and the output of the transmission 31. be ordered, the catch with its guide 24 is rotatably connected to the output.
  • FIG. 6 shows schematically in an electrical camshaft adjuster with a detent mechanism 21 between the actuating input 32 and the output of a transmission 31 as described in FIG. 5, wherein the rotary actuator 30 of the electrical adjusting device 12 is designed as a hysteresis brake.
  • a stator 34 a coil 36 is arranged in a stator 34. If this is energized, a hysteresis band 33, which engages in a pole structure 35, which is formed on both sides of a gap of the stator 34, is constantly being magnetized, which slows down the hysteresis band 33. Since the hysteresis 33 is rotatably connected to its carrier with the control input 32, this is also braked.
  • the control input 32 carries the tooth structure 25, 26, while the catch with its carrier 24 is rotatably connected to the transmission housing or the second element 20.
  • the catch 22 is disengaged by the magnetic flux in the stator 34.
  • the catch 22 is therefore expediently formed from a soft-magnetic or magnetizable material. If the stator 34 or its coil 36 is not energized, the spring 23 of the detent mechanism 21 pushes the catch 22 onto the tooth structure 25, 26.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen (10, 20), die über eine Verstelleinrichtung (12) verbunden sind. Eine energiesparende Winkelverstellung ist möglich, wenn ein Wechselmoment des einen Elements (10) im Fehlerfall zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar ist, bei der die relative Winkelstellung zwischen den beiden Elementen (10, 20) im Wesentlichen konstant haltbar ist.

Description

Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen zu nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise bei Brennkraftmaschinen bekannt und werden dort zur relativen Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber einer diese an¬ treibenden Kurbelwelle vorgesehen. Durch diesen Eingriff in die Ventiltriebskinematik werden die Phasenlage der Ventil- Öffnung, die Öffnungsdauer und der Ventilhub in Grenzen vari¬ abel be'einflusst.
Neben bekannten hydraulischen Nockenwellenstellern zum Ver¬ stellen einer Phasenlage einer die Ventile eines Verbren¬ nungsmotors betätigenden Nockenwelle, die im Wesentlichen aus einem vom Motorölkreislauf gespeisten Hydromotor, z.B. nach dem Flügelzellenprinzip, bestehen, sind neuerdings auch elektrische Nockenwellensteiler aus Summiergetriebe und Drehaktor bekannt, bei denen ein Elektromotor oder eine e- lektrischen Bremse als Drehaktor dient. Alle Systeme müssen beim Auftreten von Fehlern in der Elektronik, beim Abfallen von Kabeln, Ausfällen der Sensorik oder der Aktorik, bei¬ spielsweise beim Hydraulikventil, Elektromotor, Bremse und dergleichen, die Phasenlage der Nockenwelle in eine definier¬ te Notlaufposition bringen, so dass der Betrieb der Brenn- kraftmaschine wenigstens mit Einschränkungen noch sicherge¬ stellt ist. Bei hydraulischen Nockenwellenstellern mit ihren typischerweise geringen Stellbereichen liegt diese Notlaufpo¬ sition in der Regel in einem Anschlag des Nockenwellenstel- lers. Diese Nockenwellensteller laufen durch das mittlere No¬ ckenwellenmoment ohne Ölzufuhr in der Regel in den Anschlag „Spät", was beispielsweise die Notlaufposition für eine Ein¬ lassseite der Brennkraftmaschine sein kann. Sollte der An¬ schlag „Früh" die einzustellende Notlaufposition sein, z.B. eine Auslassseite der Brennkraftmaschine, kommt üblicherweise eine Rückstellfeder zwischen Kettenrad und Nockenwelle zum Einsatz. Der Nockenwellensteller wird unter anderem aus Ge¬ räuschgründen in der Notlaufposition in der Regel verriegelt.
Um die Lauffähigkeit von Brennkraftmaschinen mit Nockenwel¬ lenstellern mit erweitertem Stellbereich im Notlauffall si¬ cherzustellen, ist zweckmäßigerweise eine Notlaufposition zwischen den Anschlägen anzufahren. Dies kann z.B. durch zwei gegeneinander arbeitende Drehfedern zwischen Kettenrad und Nockenwelle erfolgen, deren Wirkung sich in der Notlaufposi¬ tion aufhebt. Allerdings muss der Nockenwellensteller während des Normalbetriebs ständig gegen diese Federn arbeiten, so dass sich dessen Leistungsaufnahme hinsichtlich Motordrucköl bzw. elektrischem Strom zum Teil beträchtlich erhöht.
Aus der Offenlegungsschrift DE 102 20 687 ist eine Vorrich¬ tung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, an¬ triebsverbundenen Elementen bekannt, bei der bei einem Aus¬ fall der Verstelleinrichtung und/oder ihrer Steuerung durch Abbremsen bzw. Festsetzen der Verstellwelle und durch Drehen der Antriebswelle sowie durch eine geeignete Standgetriebe¬ übersetzung eine Notlaufposition erreichbar und haltbar ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energiesparen¬ de Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotieren¬ den, antriebsverbundenen Elementen anzugeben, die einzuver- lässiges Erreichen und Halten einer Notlaufposition ermög¬ licht.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die über eine Verstelleinrichtung verbunden sind, ist ein Wech¬ selmoment des einen Elements im Fehlerfall zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar, bei der die relative Winkelstellung zwischen den beiden Elementen im Wesentlichen konstant halt¬ bar ist. Dadurch kann ein ungleichförmiger Momentenverlauf an der Verstelleinrichtung ausgenutzt werden, der beispielsweise durch eine Ventilbetätigung durch eine Nockenwelle verursacht wird. So entstehen beim Öffnen der Ventile bremsende Anteile durch die Betätigungsnocken. Beim Schließen leiten die Venti¬ le auf rückseitigen Flanken der Betätigungsnocken eine Kraft ein und bewirken mitdrehende Anteile des Moments.
Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.
Vorzugsweise ist zur Verstellung im Fehlerfall ein freilauf¬ artiger Mechanismus mit winkelabhängig einseitig wirkender Hemmung vorgesehen ist, der das Wechselmoment eines Elements zur relativen Winkelverstellung zwischen den beiden Elementen zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar macht. Der frei¬ laufartige Mechanismus ist bevorzugt als Rastenmechanismus so ausgebildet, dass eine federbelastete Raste auf einer Zahn¬ struktur eines Gegenstücks bewegbar ist, die eine Bewegung der Raste in eine erste Freilaufrichtung zulässt. Auf diese Weise ist die Raste in eine definierte Richtung bewegbar. Die Raste wird durch eine Feder auf die Zahnstruktur gepresst . Wirkt zwischen einer Lagerung der Raste und dem die Zahn- struktur tragenden Gegenstück ein hinreichend großes Wechsel- moment, kann die Raste auf einer flachen Zahnflanke der Zahn¬ struktur gleiten und in eine folgende Zahnlücke springen. Ei¬ ne Bewegung in einer entgegen der Freilaufrichtung ist durch eine entsprechend steile Zahnflanke unterbindbar. Der Vorgang setzt sich solange fort, bis eine Zahnlücke mit beidseitig steilen Zahnflanken erreicht ist. Befindet sich die anzulau¬ fende Notlaufposition zwischen Endanschlägen der Verstellein¬ richtung, so sind zweckmäßigerweise beidseits der Notlaufpo- sition jeweils in entgegengesetzter Richtung wirkende Zahn¬ strukturen angeordnet. Die Notlaufposition ist innerhalb kür¬ zester Zeit erreichbar, da z.B. bei einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine innerhalb einer Nockenwellenumdrehung viermal mitdrehende und viermal bremsende Anteile des Wech¬ selmoments auftreten und sich der bevorzugte Rastenmechanis¬ mus dabei um vier Zähne weiterbewegen kann.
Vorzugsweise ist die Notlaufposition in einer Zahnlücke ange¬ ordnet, an der zwei Zahnstrukturen mit gegenläufigen Frei- laufrichtungen der Raste zusammentreffen. Damit ist die Not- laufposition zuverlässig erreichbar und die Raste in der Zahnlücke fixierbar, bis zur Einleitung von Stellvorgängen eine Wirkverbindung zwischen Raste und Zahnstruktur die Raste aus der Zahnstruktur ausgefahren wird.
Günstigerweise ist der freilaufartige Mechanismus so angeord¬ net, dass das Wechselmoment zwischen einer Lagerung der Raste und dem die Zahnstruktur tragenden Gegenstück wirkt.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zahnstruktur bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement an einem drehfest mit dem ers¬ ten Element verbundenen Flügelrad angeordnet. Vorzugsweise ist die Raste mit dem zweiten Element drehfest verbunden, wo- bei die Raste bevorzugt radial bewegbar ist. Der bevorzugte Rastenmechanismus ist kompakt und erfordert keinen zusätzli¬ chen Bauraum. Der Rastenmechanismus kann mit vorhandenen Kom¬ ponenten kombiniert werden.
In einer günstigen Ausgestaltung ist die Zahnstruktur einer hydraulischen Verstelleinrichtung mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement drehfest mit dem zweiten Element verbunden. Vorzugsweise ist die Raste an einem mit dem ersten Element drehfest verbundenen Flügelrad angeordnet, wobei die Raste bevorzugt axial bewegbar ist. Der bevorzugte Rastenme¬ chanismus ist kompakt und erfordert keinen zusätzlichen Bau¬ raum.
Bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung ist zweckmäßiger¬ weise ein modifiziertes Hydraulikventil vorgesehen, dessen Kammern im Fehlerfall entleerbar sind. Dann kann eventuell vorhandenes Restöl in den Flügelzellen das Anfahren der Not¬ laufposition nicht behindern.
In einer günstigen Ausgestaltung bei einer elektrischen Ver¬ stelleinrichtung ist die Zahnstruktur mit einer Stellwelle eines Getriebes drehfest verbunden, wobei das erste mit dem zweiten Element über das die Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist. Die elektrische Verstelleinrichtung umfasst einen elektrischen Drehaktor und ein Getriebe. Das Getriebe ist vorzugsweise als Summiergetriebe mit drei Wellen, zwei Eingängen und einem Ausgang, ausgebildet. Sind zwei der drei Wellen miteinander drehfest verbunden, ist das Getriebe blo¬ ckiert, und die Phasenlage bleibt konstant.
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist bei einer e- lektrischen Verstelleinrichtung die Zahnstruktur mit einem Ausgang eines Getriebes drehfest verbunden, wobei das erste mit dem zweiten Element über das die Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist .
In einer weiteren günstigen Ausgestaltung bei einer elektri¬ schen Verstelleinrichtung ist die Zahnstruktur in einem Ge¬ triebe angeordnet, wobei das erste mit dem zweiten Element über das eine Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist.
Besonders günstig ist bei einer elektrischen Verstelleinrich¬ tung, wenn die Raste im Normalbetrieb durch Magnetkraft von der Zahnstruktur abhebbar ist, so dass ein Verstellvorgang eingeleitet werden kann.
Ist die elektrische Verstelleinrichtung als Elektromotor aus¬ gebildet, kann ein separater Elektromagnet zum Abheben der Raste von der Zahnstruktur vorgesehen sein, dessen Spule e- lektrisch in Reihe oder parallel zur Verstelleinrichtung ge¬ schaltet sein kann,
Ist die elektrische Verstelleinrichtung als Hysteresebremse ausgebildet, kann die Raste mit günstigerweise geringem kon¬ struktivem Aufwand so angeordnet sein, dass diese durch den magnetischen Fluss der Hysteresebremse von der Zahnstruktur abhebbar ist.
Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahl¬ reiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßi¬ gerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.
Dabei zeigen: Fig. 1 a, b; einen bevorzugten Rastenmechanismus mit einer abgewickelt dargestellten Zahnstruktur in einer Notlaufposition(a) und in einer Bewegung in Rich¬ tung Notlaufposition (b) ,
Fig. 2 ein Verlauf eines Wechselmoments einer Nockenwelle über einem Kurbelwinkel,
Fig. 3 in Explosionsdarstellung einen hydraulischen No- ckenwellensteller nach einem Flügelzellenprinzip mit einem Rastenmechanismus mit radial bewegbarer Raste,
Fig. 4 in Explosionsdarstellung einen hydraulischen No- ckenwellensteller nach einem Flügelzellenprinzip mit einem Rastenmechanismus mit axial bewegbarer Raste,
Fig. 5 a, b, c; schematisch in einem elektrischen Nocken- wellensteller einen Rastenmechanismus zwischen Stelleingang und Eingang (a) , einen Rastenmechanis¬ mus zwischen Eingang und Ausgang (b) , einen Rasten¬ mechanismus zwischen Stelleingang und Ausgang (c) , und
Fig. 6 schematisch in einem elektrischen Nockenwellenstel- ler mit Hysteresebremse einen Rastenmechanismus zwischen Stelleingang und Eingang.
Die Erfindung ist besonders für einen Nockenwellensteller ge¬ eignet, mit dem eine Phasenlage der Nockenwelle gegenüber ei¬ nem von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibba¬ ren Antrieb, beispielsweise einem Kettenrad, variiert werden kann.
In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen gleich wir¬ kende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Wie in Figur I a, b dargestellt, besteht ein bevorzugter freilaufartiger, als Rastenmechanismus 21 ausgebildeter Me¬ chanismus aus einer Raste 22 in einer Führzug 24, wobei die Raste 22 mit einer Feder 23 auf eine abgewickelt dargestellte Zahnstruktur 25, 26 gedrückt wird. In Figur Ia ist die Raste 22 in einer Notlaufposition in einer Zahnlücke 29 angeordnet, in Figur Ib ist eine Bewegung der Raste 22 in Richtung Not- laufposition veranschaulicht. Die Zahnstruktur 25 bzw. 26 weist in ihrer Freilaufrichtung 27 bzw. 28 ansteigende flache Zahnflanken ihrer Zähne auf, während die abfallenden Flanken deutlich steiler, vorzugsweise senkrecht angeordnet sind. Die Raste 22 kann in Freilaufrichtung 27 über die Zahnstruktur 25 bzw. in Freilaufrichtung 28 über die Zahnstruktur 26 gleiten. In Figur Ib ist erkennbar, wie die Raste 22 von einer Zahnlü¬ cke in Freilaufrichtung 27 über einen Zahn gleitet und in die nächste Zahnlücke fällt. Gerät die Raste 22 in die Zahnlücke 29, hat sie die Notlaufposition erreicht. An die Zahnlücke 29 grenzen zu beiden Seiten die Zahnstrukturen 25, 26 an, die die sich entgegengesetzten Freilaufrichtungen 27, 28 aufwei¬ sen. Die Zahnlücke 29 ist beiderseits von steilen Zahnflanken so begrenzt, dass die Raste 22 gegen den Federdruck der Feder 24 nicht aus der Zahnlücke 29 gleiten kann. Zur Unterbrechung einer Wirkverbindung zwischen der Raste 22 und den Zahnstruk¬ turen 25, 26 im Normalbetrieb bzw. zur Einleitung eines Ver¬ stellvorgangs muss die Raste 22 von der Zahnstruktur 25, 26 abgehoben werden.
Die Bewegung der Raste 22 in Freilaufrichtung 27 oder 28 wird durch ein Wechselmoment ermöglicht, das zwischen einer Lage¬ rung der Raste 22 und einem die Zahnstruktur 25, 26 tragenden Gegenstück wirkt . Der Verlauf des Wechselmoments einer No¬ ckenwelle über einem Kurbelwinkel ist in Figur 2 skizziert. Der erkennbar ungleichförmige Momentenverlauf ist an einer Verstelleinrichtung der Nockenwelle spürbar. Die Spitzen in positiver Richtung entsprechen bremsenden Anteilen B, die beim Öffnen von Ventilen durch deren Betätigungsnocken der Nockenwelle entstehen. Beim Schließen leiten die Ventile auf der rückseitigen Flanke der Nocken eine Kraft ein, welche die negativen Spitzen, entsprechend mitdrehenden Anteilen A, ver¬ ursachen. Das mittlere Nockenwellenmoment M ist als gestri¬ chelte konstante Linie in das Schaubild eingefügt. Die mit¬ drehenden Anteile A des Wechselmoments können vorteilhaft im Fehlerfall zum Antreiben des Rastenmechanismus 21 genutzt werden.
Figur 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen bevorzug¬ ten hydraulischen Nockenwellensteller mit einem Hydromotor nach dem Flügelzellenprinzip als Verstelleinrichtung 12 zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbun¬ denen Elementen 10, 20, die über die Verstelleinrichtung 12 verbunden sind, mit einem Rastenmechanismus 21 mit einer Ras¬ te 22. Die Verstelleinrichtung 12 umfasst ein Flügelrad 15 sowie ein Außenteil 16 dem Flügelzellenelement 17, das an ei¬ nem inneren Umfang des als Kettenrad ausgebildeten zweiten Elements 20 angeordnet ist. Das zweite Element 20 kann auch als Riemenscheibe ausgebildet sein. Das Flügelrad 15 ist mit einer Zahnstruktur 25, 26 versehen, wie sie in der Figur 1 beschrieben ist, und ist drehfest mit dem als Nockenwelle ausgebildeten ersten Element 10 verbunden. Die federbelastete Raste 22 des bevorzugten Rastenmechanismus 21 ist radial be¬ wegbar und greift im Fehlerfall in die Zahnstruktur 25, 26 ein. Die durch ihre Feder 23 radial nach innen fahrende Raste 22 ist drehfest mit dem Außenteil 16 des als Kettenrad ausge¬ bildeten zweiten Elements 20 verbunden. Die als Hydromotor ausgebildete Verstelleinrichtung 12 ist mit einer ersten Deckscheibe 13 und einer nockenwellenseitigen Deckscheibe 14 abgedeckt . Im Normalbetrieb wird die Raste 22 durch den in den Flügel- zellen 17 herrschenden Öldruck in Richtung der Feder 23 ge- presst, so dass die Raste 22 von der Zahnstruktur 25, 26 ab¬ gehoben ist und es zu keiner Berührung kommt. Fällt die als Hydromotor ausgebildete Verstelleinrichtung 12 aus, bricht auch der Öldruck in den Flügelzellen 17 zusammen. Die Raste 22 fährt unter Wirkung der Feder 23 aus, und durch das Wech¬ selmoment wird die Notlaufposition angefahren. Da Restöl in den Flügelzellen 17 diesen Vorgang behindern kann, ist es vorteilhaft, wenn diese im Notlauffall entleert werden. Dies kann z.B. durch ein modifiziertes Mehrwege-Hydraulikventil erzielt werden, das neben üblichen Stellungen „Füllen Rich¬ tung 1 / Entleeren Richtung 2" und „Füllen Richtung 2 / Ent¬ leeren Richtung 1" und „Halten" zusätzlich eine stromlose Stellung „Entleeren beider Kammern" aufweist.
Eine alternative Ausgestaltung mit einer axial beweglichen Raste 22 zeigt Figur 4. Der Aufbau entspricht weitgehend dem Aufbau in Figur 3. Zu hier nicht näher erklärten Elementen wird auf die Figurenbeschreibung der Figur 3 verwiesen. Die Raste 22 ist im Flügelrad 15 gelagert und wirkt auf die zwei¬ te Deckscheibe 14, in welche die Zahnstruktur 25, 26 einge¬ bracht ist. Die Deckscheibe 14 ist mit dem als Kettenrad aus¬ gebildeten zweiten Element 20 drehfest verbunden. Im Normal- betrieb wird, wie vorstehend beschrieben, die Raste 22 durch den in den Flügelzellen 17 herrschenden Öldruck von der Zahn¬ struktur 25, 26 abgehoben und greift im Fehlerfall bei feh¬ lendem Öldruck in die Zahnstruktur 25, 26 ein und fährt die Notlaufposition an.
In den Figuren 5 und 6 sind mehrere bevorzugte Ausgestaltun¬ gen dargestellt, die eine elektrische Verstelleinrichtung 12 aufweisen. Die Verstelleinrichtung 12 umfasst einen elektri- sehen Drehaktor 30 und ein Getriebe 31. Der Drehaktor 30 kann als Elektromotor ausgebildet sein oder als passive Bremse in Form einer Hysteresebremse. Die Verstelleinrichtung 12 betä¬ tigt einen Stelleingang 32, der auf das Getriebe 31 wirkt, das insbesondere ein Summiergetriebe ist. Das erste Element 10 liegt am Ausgang des Getriebes 31. Den Eingang des Getrie¬ bes 31 bildet das zweite, als Antrieb ausgebildete Element 20. Der Antrieb kann als Kettenrad oder als Riemenscheibe ausgebildet sein. Sind zwei der drei Eingänge bzw. Ausgänge miteinander drehfest verbunden, so ist das Getriebe 31 blo¬ ckiert, und die Phasenlage bleibt konstant. Nicht dargestellt ist eine Einrichtung zum Einfahren einer Raste 22 eines be¬ vorzugten Rastenmechanismus 21, wie er in Figur 1 beschrieben ist, bei Normalbetrieb. Dies kann z.B. durch einen Elektro¬ magneten, dessen Spule elektrisch in Serie oder parallel zur elektrischen Verstelleinrichtung 12 geschaltet ist, erfolgen.
Die Figuren 5 a, b, c beschreiben verschiedene Anordnungen eines bevorzugten Rastenmechanismus 21. In einer ersten be¬ vorzugten Anordnung ist der Rastenmechanismus 21 zwischen dem Stelleingang 32 des Getriebes 31 und dem Eingang des Getrie¬ bes 31 angeordnet, der durch das zweite Element 20 gebildet wird, wobei die Raste 22 mit ihrer Führung 24 drehfest mit dem Eingang verbunden ist und die Zahnstruktur 25, 26 auf de Stellwelle angeordnet ist (Figur 5a) . Alternativ kann der Rastenmechanismus 21 zwischen dem besagten Eingang des Ge¬ triebes 31 und dem Ausgang des Getriebes 31 angeordnet sein (Figur 5b) . Dabei ist die Zahnstruktur 25, 26 drehfest mit dem als Nockenwelle ausgebildeten ersten Element 10 verbunden und die Raste mit ihrer Führung 24 mit dem mit dem zweiten Element 20 drehfest verbundenen Getriebegehäuse. Alternativ kann der Rastenmechanismus 21 auch innerhalb des Getriebes 31 zwischen Stelleingang 32 und dem Ausgang des Getriebes 31 an- geordnet sein, wobei die Raste mit ihrer Führung 24 drehfest mit dem Ausgang verbunden ist.
Figur 6 zeigt schematisch in einem elektrischen Nockenwel- lensteller mit einem Rastenmechanismus 21 zwischen Stellein¬ gang 32 und Ausgang eines Getriebes 31 wie in Figur 5 be¬ schrieben, wobei der Drehaktor 30 der elektrischen Verstell- einrichtung 12 als Hysteresebremse ausgebildet ist. In einem Stator 34 ist eine Spule 36 angeordnet. Wird diese bestromt, wird ein Hystereseband 33, das in eine Polstruktur 35 ein¬ greift, die beidseits eines Spalts des Stators 34 ausgebildet ist, ständig ummagnetisiert, was das Hystereseband 33 ab¬ bremst. Da das Hystereseband 33 mit seinem Träger drehfest mit dem Stelleingang 32 verbunden ist, wird dieser ebenfalls abgebremst. Der Stelleingang 32 trägt die Zahnstruktur 25, 26, während die Raste mit ihrem Träger 24 drehfest mit dem Getriebegehäuse bzw. dem zweiten Element 20 verbunden ist.
Bei der Bestromung wird die Raste 22 durch den magnetischen Fluss im Stator 34 ausgerückt. Die Raste 22 ist daher zweck¬ mäßigerweise aus einem weichmagnetischen bzw. magnetisierba- ren Material ausgebildet. Ist der Stator 34 bzw. dessen Spule 36 nicht bestromt, drückt die Feder 23 des Rastenmechanismus 21 die Raste 22 auf die Zahnstruktur 25, 26.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotieren¬ den, antriebsverbundenen Elementen (10, 20) , die über ei¬ ne Verstelleinrichtung (12) verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, dass ein Wechselmoment des einen Elements (10) im Fehler¬ fall zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar ist, bei der die relative Winkelstellung zwischen den beiden Ele¬ menten (10, 20) im Wesentlichen konstant haltbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung im Fehlerfall ein freilaufartiger Mechanismus (21) mit winkelabhängig einseitig wirkender Hemmung vorgesehen ist, der das Wechselmoment eines Ele¬ ments (10) zur relativen Winkelverstellung zwischen den beiden Elementen (10, 20) zum Anlaufen einer Notlaufposi- tion nutzbar macht.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zur Verstellung im Fehlerfall der freilaufartige Me¬ chanismus (21) so ausgebildet ist, dass eine federbelas¬ tete Raste (22) auf einer Zahnstruktur (25, 26) eines Ge¬ genstücks (24, 32, 33) bewegbar ist, die eine Bewegungs- richtung der Raste (22) in eine erste Freilaufrichtung (27, 28) zulässt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Notlaufposition in einer Zahnlücke (29) angeord¬ net ist, an der zwei Zahnstrukturen (25, 26) mit gegen¬ läufigen Freilaufrichtungen (27, 28) der Raste (22) zu¬ sammentreffen.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass der freilaufartige Mechanismus (21) so angeordnet ist, dass das Wechselmoment zwischen einer Lagerung der Raste (22) und dem die Zahnstruktur (25, 26) tragenden Gegenstück (24, 32, 33) wirkt.
6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Unterbrechung einer Wirkverbindung zwischen Ras¬ te (22) und Zahnstruktur (25, 26) im Normalbetrieb die Raste (22) von der Zahnstruktur (25, 26) abgehoben ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung (12) mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement (17) die Zahnstruktur (25, 26) an einem drehfest mit dem ersten Element (10) verbundenen Flügelrad (15) angeordnet ist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Raste (22) mit dem zweiten Element (20) drehfest verbunden ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung (12) mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement (17) die Zahnstruktur (25, 26) drehfest mit dem zweiten Element (20) verbunden ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Raste (22) an einem mit dem ersten Element (10) drehfest verbundenen Flügelrad (15) angeordnet ist.
11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass ein zweikammriges Hydraulikventil vorgesehen ist, dessen zwei Kammern im Fehlerfall entleerbar sind.
12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer elektrischen Verstelleinrichtung (12) die Zahnstruktur (25, 26) mit einer Stellwelle (32) eines Ge¬ triebes (31) drehfest verbunden ist, wobei das erste mit dem zweiten Element (10, 20) über das die Stellwelle (32) aufweisende Getriebe (31) verbunden ist.
13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer elektrischen Verstelleinrichtung (12) die Zahnstruktur (25, 26) mit einem Ausgang (33) eines Ge¬ triebes (31) drehfest verbunden ist, wobei das erste mit dem zweiten Element (10, 20) über das die Stellwelle (32) aufweisende Getriebe (31) verbunden ist.
14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer elektrischen Verstelleinrichtung (12) die Zahnstruktur (25, 26) in einem Getriebe (31) angeordnet ist, wobei das erste mit dem zweiten Element (10, 20) ü- ber das eine Stellwelle (32) aufweisende Getriebe (31) verbunden ist.
15. Vorrichtung nach Anspruch 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Raste (22) im Normalbetrieb durch Magnetkraft von der Zahnstruktur (25, 26) abhebbar ist.
16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verstelleinrichtung (12) einen E- lektromotor als Drehaktor (30) umfasst.
17. Vorrichtung nach der Ansprüche 12 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Verstelleinrichtung (12) eine Hyste¬ resebremse als Drehaktor (30) umfasst.
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