WO2011134729A1 - Vorrichtung zur verstellung der drehwinkellage einer nockenwelle - Google Patents

Vorrichtung zur verstellung der drehwinkellage einer nockenwelle Download PDF

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WO2011134729A1
WO2011134729A1 PCT/EP2011/054792 EP2011054792W WO2011134729A1 WO 2011134729 A1 WO2011134729 A1 WO 2011134729A1 EP 2011054792 W EP2011054792 W EP 2011054792W WO 2011134729 A1 WO2011134729 A1 WO 2011134729A1
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shaft
drive element
displacement
relative
drive
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PCT/EP2011/054792
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Inventor
Sebastian Zwahr
Jens Schäfer
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Schaeffler Technologies Gmbh & Co. Kg
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    • F01L1/047—Camshafts
    • F01L2001/0471—Assembled camshafts
    • F01L2001/0473—Composite camshafts, e.g. with cams or cam sleeve being able to move relative to the inner camshaft or a cam adjusting rod

Definitions

  • the invention relates to a device for adjusting the relative angular position of a rotating shaft, in particular a camshaft, relative to a drive element having the features of the preamble of claim 1.
  • Such a device is also known from the prior art as a phase displacer or camshaft adjuster, provided that the shaft to be adjusted is, for example, a camshaft.
  • the invention is not limited to use as a camshaft adjuster, but can be applied analogously to any rotating adjusting shafts, for example on adjusting shafts for adjusting the valve lift mechanically variable valve trains.
  • An adjusting device for a camshaft for example, from DE 41 01 676 A1. It comprises an actuating element, which is in operative connection with the shaft to be adjusted and a drive wheel via inner and outer splines.
  • a spline is designed as a helical toothing, so that causes an adjustment of the rotational angle position of the camshaft relative to the drive element according to the principle of inclined planes an axial displacement of the actuating element.
  • the actuation of the actuating element takes place here by an electric motor.
  • concepts are known from the prior art, which use one or more brake actuators for adjusting the rotational angle position of a camshaft relative to a drive element. When using a brake actuator, an adjustment in only one adjustment can be effected.
  • a spring can be used.
  • a spring-actuated adjustment has the disadvantage that a permanently acting force is generated by the spring. Holding a certain adjustment therefore requires a counterforce, which in turn must be applied by the brake actuator.
  • the spring force should therefore be chosen as low as possible.
  • a high spring force has a favorable effect on the dynamics of the adjustment system. There is therefore a conflict if at the same time a low holding power and high dynamics should be ensured.
  • the adjustment speed of a spring-actuated adjustment is furthermore dependent on the speed, the load and the temperature of the internal combustion engine, so that often very different times are achieved. In addition, the achievable adjustment speed is below that of a brake-actuated adjustment.
  • EP 2 067 944 A1 discloses a device which uses two brake actuators for adjusting the rotational angle position of the camshaft relative to a drive wheel.
  • the brake actuators are used for the axial displacement of an intermediate member which is coupled to a shaft portion and a drive wheel such that an adjustment of the relative rotational angular position of the shaft portion relative to the driven gear is effected via the axial displacement of the intermediate member.
  • the shaft section serves only the extension of the camshaft.
  • each brake actuator comprises a rotating annular coupling member which is operatively connected to the intermediate member such that a change in the rotational speed of a coupling member due to the actuation of a brake actuator causes a speed difference and thus axial displacement of the intermediate member.
  • the proposed for adjusting the relative angular position of a rotating shaft, in particular a camshaft relative to a drive element device comprises a coaxial with the shaft and the drive element arranged, substantially hollow cylindrical sliding member which is coupled to the shaft and the drive element such that a axial displacement of the slide member causes an adjustment of the relative rotational position of the shaft relative to the drive element, and an actuator unit for axial displacement of the slide member comprising two brake actuators and two counter-rotating screw drives for coupling the brake actuators with the slide member so that upon selective actuation of a brake actuator axial Displacement of the displacement member takes place in one or the other direction.
  • At least one screw drive of the actuating unit is at least partially accommodated in the shaft to be adjusted, wherein the recorded part of the screw drive comprises a spindle section arranged coaxially with the shaft and an axially movable nut relative to the spindle section, thus comprising a section of the displacement also received in the shaft - member is connected, that an axial movement of the nut causes an axial displacement of the displacement member in a first direction.
  • the proposed arrangement of the adjusting device in which parts of the device are arranged within the shaft to be adjusted, is characterized on the one hand by the fact that it requires a small radial space.
  • the at least partial arrangement of the device within the shaft to be adjusted with the result that the effective diameter is relatively small, namely smaller than the diameter of the shaft to be adjusted.
  • the moment of inertia is kept low, which must be overcome with each adjustment.
  • a high adjustment dynamic is accompanied by a simultaneous low energy requirement, so that the specified adjusting device also has a high efficiency.
  • At least one of the two counter-rotating screw drives for coupling the brake actuators with the sliding member, preferably the recorded in the shaft screw, as a non-self-locking ball screw, as this reduces the friction forces occurring at the respective contact surfaces.
  • a reduction of the friction forces in turn, a lower energy requirement of the device is accompanied, so that a possibly used for operating the device power electronics can be correspondingly smaller.
  • the electrical system is relieved and fuel consumption reduced.
  • the further screw drive of the actuating unit of the proposed device is at least partially accommodated in the drive element or in the shaft to be adjusted, wherein the recorded part of the threaded operation comprises a spindle section designed as a hollow shaft and a nut movable axially relative to the spindle section Also included in the drive element portion of the sliding member is connected such that an axial movement of the nut an axial Ver Shift the displacement member causes in a second direction.
  • the further screw is designed as a non-self-locking ball screw to effect a reduction of the friction forces and, consequently, a reduction in energy consumption.
  • the first, recorded in the shaft screw drive asuß dutyder screw drive and the second, preferably recorded in the drive element screw drive can be designed as a left-hand screw drive or vice versa.
  • the drive element may comprise, for example, a drive wheel and a hub for connecting the drive element to the shaft.
  • the diameter of the hub is then selected to be substantially equal to the diameter of the shaft, so that the components associated with the second screw drive are also accommodated with a small effective diameter.
  • this part of the adjusting device requires a small radial space and also has a low moment of inertia, so that a further efficiency optimization of the device takes place.
  • the proposed design of the second spindle portion as a hollow shaft allows a particularly compact design of the device in both the radial, as well as in the axial direction. Because of the trained as a hollow shaft spindle portion is simply pushed for connection to the first spindle portion or formed as a solid shaft extension of the spindle portion.
  • the formed as a solid shaft extension of the first spindle portion may for this purpose have a portion with a smaller outer diameter, so that the total outer diameter of this or not at all differs.
  • a radially extending shoulder can be created, which forms a stop which is effective in the axial direction.
  • connection of the spindle sections of the two counter-rotating screw drives which are preferably designed as solid shaft and hollow shaft, in such a way that they are rotatably supported relative to each other.
  • a brake actuator has the consequence that each braked spindle portion slower than the respective other spindle portion rotates to effect the phase adjustment.
  • the mother of the slower rotating spindle section shifts the displacement member into an axial direction predetermined by the pitch of the screw drive, whereby the nut of the further spindle section also experiences a displacement in the same direction.
  • Due to the opposing nature of the screw drives the further, not braked spindle section experiences an acceleration.
  • this requires that the two spindle sections are mounted rotatably to each other.
  • the displacement member is coupled via at least one oblique ball guide with the shaft and / or the drive element.
  • An oblique ball guide in the sense of the present invention acts analogously to the already mentioned at the beginning and known from the prior art helical gear according to the principle of inclined planes. That is, by applying an axial load, a torque can be generated and vice versa.
  • the displacement member has for this purpose on the outer circumference arranged ball guides in the form of obliquely extending grooves, which are comparable to a thread are carried out rising or falling.
  • the sliding member has two guide sections designed as counter-rotating angular ball guides, one of which serves for coupling the sliding element to the shaft and the other for coupling the sliding element to the drive element.
  • the pitch of the two counter-rotating angular ball guides can be chosen the same or different.
  • a guide section provided for coupling the displacement member to the shaft or the drive element may also be designed as a linear guide with a plurality of linearly extending grooves instead of as an angular ball guide.
  • Such an embodiment also ensures that an axial displacement of the sliding element at the same time causes a relative rotation of the components coupled to the sliding element via the guide sections.
  • at least one angular ball guide for coupling the displacement member to the shaft and / or the drive element ensures that a linear movement of the displacement member is converted into a rotational movement of a component coupled to the displacement member.
  • the gear ratio can be defined via the respectively selected pitch of the at least one angular ball guide. To achieve a high positioning accuracy of the adjusting device preferably a high overall ratio is selected. Further preferably, the overall gear ratio of the rotational angle position of the drive element to the rotational angle position of the shaft to be adjusted between 1: 20 and 1: 100.
  • the two brake actuators of the actuating device of the adjusting device are electrically actuated.
  • the actuation of the brake hydraulic actuators can also be provided.
  • friction or non-contact brake actuators can be used.
  • the energy requirement of the device according to the invention can be further optimized, for example due to a reduction of the friction forces.
  • FIG. 1 a longitudinal section through a device according to the invention.
  • FIG. 2 is a perspective view of an angular ball guide and FIG. 3 is a perspective view of a cage for the angular ball guide of FIG. 2.
  • the device shown in FIG. 1 comprises a drive element 2, comprising a drive wheel 16 with attached hub 17, and a shaft 1, which in the present case is designed as a camshaft.
  • the shaft 1 and the hub 17 each have a collar region, by means of which they are supported against each other in the axial direction.
  • the connection of the shaft 1 with the hub 17 of the drive element 2 is further designed such that a relative rotation of the shaft 1 relative to the hub 17 and the drive element 2 can be executed in order to allow a phase adjustment.
  • an adjusting device is arranged essentially within the diameter of the shaft 1 and the hub 17, which comprises a displacement member 3 and an actuating unit 4.
  • the displacement member 3 is likewise hollow-cylindrical and has a first section received in the shaft 1 and a second section received within the hub 17, the first section being connected via an axial ball guide 15 to the shaft 1 and the second section. is coupled via an angular ball guide 14 with the hub 17.
  • the coupling of the displacement element 3 with the shaft 1 need not necessarily take place via an axial ball guide 15.
  • another oblique ball guide can be provided for coupling to the shaft 1, which, however, is then to be executed in opposite directions to the oblique ball guide 14 of the other section of the sliding element.
  • the axial displacement of the slide member 3 is indexed by the actuator unit 4.
  • This comprises two brake actuators 5 and 6, which are each coupled via a screw drive 7, 8 with the displacement member 3.
  • the screw drives 7, 8 are designed as non-self-locking ball screws and effective in opposite directions.
  • the coupling of the displacement member 3 may be formed with the actuator unit 4.
  • the screw drive 7 comprises a spindle section 9, on which outer circumference a helically extending groove 19 for receiving balls 18 is formed.
  • the groove 19 cooperates with further, formed in a nut 10 counter-grooves in such a way that an axial displacement of the nut 10, a rotational movement of the spindle 9 and a rotational movement of the spindle 9 causes an axial displacement of the nut 10.
  • the ball screw shown in Figure 2 thus able to implement a rotary motion in a linear, translational motion or a linear translational motion in a rotational.
  • each of the two counter-rotating screw drives 7, 8 a nut 10, 12 which is supported for mechanical coupling with the sliding member 3 on a radially extending support surface 13 of the displacement element 3. Accordingly, an axial load can be applied in both directions via the nuts 10, 12, wherein a displacement of the nuts 10, 12 in one or the other direction causes a rotational movement of the respective spindle sections 9, 11 of the screw drives 7 interacting with the nuts 10, 12 , 8 causes.
  • the rotational speed of the spindle section assigned to the brake device is reduced, while the respective other spindle section experiences an acceleration. Due to the speed difference, the displacement member 3 is displaced via the nuts 10, 12 in the axial direction. The coupling of the displacement member 3 with the shaft 1 and the drive element 2, in turn, causes a phase adjustment to take place.
  • the displacement member 3 and the two counter-rotating screw drives 7, 8 are arranged within the diameter of the shaft 1 and the hub 17.
  • the spindle portion 9 of the screw 7 is formed as a solid shaft, which is passed through the trained as a hollow shaft portion 1 1 of the screw 8, so that the two Bremsaktua- gates 5, 6 can be arranged in the axial direction one behind the other.
  • the illustrated device according to the invention therefore requires a very small installation space in the radial direction. Thanks to the compact construction of the device in the radial direction, the mass moment of inertia to be overcome during an adjustment is low, so that the device has a high adjustment dynamic and a high degree of efficiency.
  • the coupling of the individual components via angular ball guides or ball screw drives in turn enables a friction-optimized design of the device, the actuation of which thus requires a low energy requirement.
  • the illustrated device is due to the advantages mentioned above in particular as a camshaft adjuster in a motor vehicle. In addition, further re possible applications, which are also the subject of the present invention.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Transmission Devices (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstelllung der relativen Drehwinkellage einer rotierenden Welle (1), insbesondere einer Nockenwelle, gegenüber einem Antriebselement (2) umfassend ein koaxial zur Welle (1) und zum Antriebselement (2) angeordnetes, im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Verschiebeglied (3), das derart mit der Welle (1) und dem Antriebselement (2) gekoppelt ist, dass eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) eine Verstellung der relativen Drehlage der Welle (1) gegenüber dem Antriebselement (2) bewirkt, sowie eine Betätigungseinheit (4) zur axialen Verschiebung des Verschiebegliedes (3), welche zwei Bremsaktuatoren (5, 6) sowie zwei gegenläufige Gewindetriebe (7, 8) zur Kopplung der Bremsaktuatoren (5, 6) mit dem Verschiebeglied (3) umfasst, so dass bei wahlweiser Betätigung eines Bremsaktuators (5, 6) eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) in die eine oder andere Richtung erfolgt. Erfindungsgemäss ist wenigstens ein Gewindetrieb (7) der Betätigungseinheit (4) zumindest teilweise in der zu verstellenden Welle (1) aufgenommen, wobei der aufgenommene Teil des Gewindetriebes (7) einen koaxial zur Welle (1) angeordneten Spindelabschnitt (9) und eine gegenüber dem Spindelabschnitt (9) axial bewegliche Mutter (10) umfasst, die derart mit einem ebenfalls in der Welle (1) aufgenommenen Abschnitt des Verschiebegliedes (3) verbunden ist, dass eine axiale Bewegung der Mutter (10) eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) in eine erste Richtung bewirkt.

Description

Bezeichnung der Erfindung
VORRICHTUNG ZUR VERSTELLUNG DER DREHWINKELLAGE EINER NOCKENWELLE Beschreibung
Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung der relativen Drehwinkellage einer rotierenden Welle, insbesondere einer Nockenwelle, gegenüber einem Antriebselement mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 .
Aus dem Stand der Technik ist eine solche Vorrichtung auch als Phasenvers- teller oder Nockenwellenversteller bekannt, sofern es sich bei der zu verstellenden Welle beispielsweise um eine Nockenwelle handelt. Die Erfindung ist jedoch nicht auf den Einsatz als Nockenwellenversteller beschränkt, sondern kann analog auf beliebige rotierende Verstellwellen appliziert werden, beispielsweise auf Verstellwellen zur Verstellung des Ventilhubs mechanisch vari- abler Ventiltriebe.
Stand der Technik
Eine Versteilvorrichtung für eine Nockenwelle geht beispielsweise aus der DE 41 01 676 A1 hervor. Sie umfasst ein Stellelement, das über eine innere und äußere Keilverzahnung in Wirkverbindung mit der zu verstellenden Welle und einem Antriebsrad steht. Dabei ist eine Keilverzahnung als Schrägverzahnung ausgeführt, so dass nach dem Prinzip der schiefen Ebenen eine axiale Verschiebung des Stellelementes eine Verstellung der Drehwinkellage der No- ckenwelle gegenüber dem Antriebselement bewirkt. Die Betätigung des Stellelementes erfolgt hierbei elektromotorisch. Darüber hinaus sind aus dem Stand der Technik Konzepte bekannt, die zur Verstellung der Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einem Antriebselement einen oder mehrere Bremsaktuatoren einsetzen. Bei Einsatz eines Bremsaktuators kann eine Verstellung in lediglich eine Verstellrichtung bewirkt werden. Zur Verstellung in die jeweils andere Richtung kann dann beispielsweise eine Feder eingesetzt werden. Eine federbetätigte Verstellung weist jedoch den Nachteil auf, dass über die Feder eine permanent wirkende Kraft erzeugt wird. Das Halten einer bestimmten Verstellposition erfordert demnach eine Gegenkraft, die wiederum vom Bremsaktuator aufgebracht werden muss. Die Federkraft sollte demnach möglichst niedrig gewählt werden. Eine hohe Federkraft dagegen wirkt sich günstig auf die Dynamik des Verstellsystems aus. Es besteht demnach ein Konflikt, wenn zugleich eine geringe Haltekraft und eine hohe Dynamik gewährleistet werden sollen. Die Verstellgeschwindigkeit einer federbetätigten Verstellung ist des Weiteren abhängig von der Dreh- zahl, der Last und der Temperatur des Verbrennungsmotors, so dass oftmals stark unterschiedliche Zeiten erreicht werden. Zudem liegt die erreichbare Verstellgeschwindigkeit unter der einer bremsaktuierten Verstellung.
Aus der EP 2 067 944 A1 geht eine Vorrichtung hervor, welche zwei Bremsak- tuatoren zur Verstellung der Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber einem Antriebsrad einsetzt. Die Bremsaktuatoren dienen der axialen Verschiebung eines Zwischengliedes, das derart mit einem Wellenabschnitt und einem Antriebsrad gekoppelt ist, dass über die axiale Verschiebung des Zwischengliedes eine Verstellung der relativen Drehwinkellage des Wellenabschnitts gegenüber dem Abtriebsrad bewirkt wird. Der Wellenabschnitt dient dabei lediglich der Verlängerung der Nockenwelle. Zur Kopplung mit dem Zwischenglied umfasst jeder Bremsaktuator ein rotierendes ringförmiges Kupplungsglied, das derart mit dem Zwischenglied in Wirkverbindung steht, dass eine Veränderung der Rotationsgeschwindigkeit eines Kupplungsgliedes aufgrund der Betätigung eines Bremsaktuators eine Geschwindigkeitsdifferenz und damit eine axiale Verschiebung des Zwischengliedes bewirkt. Wechselweises Betätigen der Bremsaktuatoren führt demnach zu einer Abbremsung des einen oder des anderen Kupplungsgliedes, so dass eine Verschiebung des Zwischenglie- des in die eine oder andere Verstellrichtung erfolgt. Über die axiale Verschiebung des Zwischengliedes wird schließlich die Drehwinkellage der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad verstellt. Ausgehend von dem vorstehend genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine alternative Versteilvorrichtung zu schaffen, die zudem einfach aufgebaut und besonders kompaktbauend ist. Insbesondere soll die Vorrichtung einen möglichst geringen Bauraum in radialer Richtung erfordern.
Zur Lösung der Aufgabe wird die Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 vorgeschlagen. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung werden in den Unteransprüchen angegeben. Offenbarung der Erfindung
Die zur Verstellung der relativen Drehwinkellage einer rotierenden Welle, insbesondere einer Nockenwelle, gegenüber einem Antriebselement vorgeschlagene Vorrichtung umfasst ein koaxial zur Welle und zum Antriebselement an- geordnetes, im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Verschiebeglied, das derart mit der Welle und dem Antriebselement gekoppelt ist, dass eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes eine Verstellung der relativen Drehlage der Welle gegenüber dem Antriebselement bewirkt, sowie eine Betätigungseinheit zur axialen Verschiebung des Verschiebegliedes, welche zwei Bremsaktuatoren sowie zwei gegenläufige Gewindetriebe zur Kopplung der Bremsaktuatoren mit dem Verschiebeglied umfasst, so dass bei wahlweiser Betätigung eines Bremsaktuators eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes in die eine oder andere Richtung erfolgt. Erfindungsgemäß ist wenigstens ein Gewindetrieb der Betätigungseinheit zumindest teilweise in der zu verstellenden Welle aufgenommen, wobei der aufgenommene Teil des Gewindetriebes einen koaxial zur Welle angeordneten Spindelabschnitt und eine gegenüber dem Spindelabschnitt axial bewegliche Mutter umfasst, die derart mit einem ebenfalls in der Welle aufgenommenen Abschnitt des Verschiebe- gliedes verbunden ist, dass eine axiale Bewegung der Mutter eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes in eine erste Richtung bewirkt.
Die vorgeschlagene Anordnung der Versteilvorrichtung, bei welcher Teile der Vorrichtung innerhalb der zu verstellenden Welle angeordnet sind, zeichnet sich zum Einen dadurch aus, dass sie einen geringen radialen Bauraum erfordert. Zum Anderen hat die zumindest teilweise Anordnung der Vorrichtung innerhalb der zu verstellenden Welle zur Folge, dass der Wirkdurchmesser relativ klein, nämlich kleiner als der Durchmesser der zu verstellenden Welle ist. Somit wird auch das Massenträgheitsmoment gering gehalten, das es bei jedem Verstellvorgang zu überwinden gilt. Mit einem geringen Massenträgheitsmoment geht wiederum eine hohe Verstelldynamik bei gleichzeitig geringem Energiebedarf einher, so dass die angegebene Versteilvorrichtung ferner einen hohen Wirkungsgrad aufweist.
Zur Wirkungsgradoptimierung wird weiterhin vorgeschlagen, wenigstens einen der beiden gegenläufigen Gewindetriebe zur Kopplung der Bremsaktuatoren mit dem Verschiebeglied, vorzugsweise den in der Welle aufgenommenen Gewindetrieb, als nicht selbsthemmenden Kugelgewindetrieb auszubilden, da hierdurch die an den jeweiligen Kontaktflächen auftretenden Reibungskräfte reduziert werden. Mit einer Reduzierung der Reibungskräfte geht wiederum ein geringerer Energiebedarf der Vorrichtung einher, so dass eine zur Betätigung der Vorrichtung ggf. eingesetzte Leistungselektronik entsprechend kleiner ausfallen kann. Das Bordnetz wird dabei entlastet und der Kraftstoffverbrauch re- duziert.
Bevorzugt ist der weitere Gewindetrieb der Betätigungseinheit der vorgeschlagenen Vorrichtung zumindest teilweise in dem Antriebselement oder in der zu verstellenden Welle aufgenommen, wobei der aufgenommene Teil des Gewin- detriebes einen als Hohlwelle ausgebildeten Spindelabschnitt und eine gegenüber dem Spindelabschnitt axial bewegliche Mutter umfasst, die derart mit einem ebenfalls im Antriebselement aufgenommenen Abschnitt des Verschiebegliedes verbunden ist, dass eine axiale Bewegung der Mutter eine axiale Ver- Schiebung des Verschiebegliedes in eine zweite Richtung bewirkt. Vorzugsweise ist auch der weitere Gewindetrieb als nicht selbsthemmender Kugelgewindetrieb ausgebildet, um eine Reduzierung der Reibungskräfte und damit einhergehend eine Verringerung des Energiebedarfs zu bewirken. Beispielsweise kann der erste, in der Welle aufgenommene Gewindetriebe als rechtssteigender Gewindetrieb und der zweite, vorzugsweise in dem Antriebselement aufgenommene Gewindetrieb als linkssteigender Gewindetrieb ausgebildet sein oder umgekehrt. Das Antriebselement kann beispielsweise ein Antriebsrad und eine Nabe zur Verbindung des Antriebselements mit der Welle umfassen. Vorzugs- weise ist dann der Durchmesser der Nabe im Wesentlichen gleich dem Durchmesser der Welle gewählt, so dass auch die dem zweiten Gewindetrieb zugehörigen Komponenten auf kleinem Wirkdurchmesser untergebracht sind. Somit erfordert auch dieser Teil der Versteilvorrichtung einen geringen radialen Bauraum und weist zudem ein geringes Massenträgheitsmoment auf, so dass eine weitere Wirkungsgradoptimierung der Vorrichtung erfolgt.
Die vorgeschlagene Ausbildung des zweiten Spindelabschnitts als Hohlwelle ermöglicht eine besonders kompaktbauende Ausbildung der Vorrichtung sowohl in radialer, als auch in axialer Richtung. Denn der als Hohlwelle ausgebil- dete Spindelabschnitt wird zur Verbindung mit dem ersten Spindelabschnitt bzw. einer als Vollwelle ausgebildeten Verlängerung des Spindelabschnitts einfach aufgeschoben. Die als Vollwelle ausgebildete Verlängerung des ersten Spindelabschnitts kann hierzu einen Abschnitt mit kleinerem Außendurchmesser aufweisen, so dass sich der Gesamtaußendurchmesser von diesem nicht oder nur kaum unterscheidet. Darüber hinaus kann im Bereich der Durchmesserverkleinerung ein radial verlaufender Absatz geschaffen werden, der einen in axialer Richtung wirksamen Anschlag ausbildet.
Weiterhin erfolgt die Verbindung der Spindelabschnitte der beiden gegenläufi- gen Gewindetriebe, die vorzugsweise als Vollwelle und Hohlwelle ausgebildet sind, in der Weise, dass sie relativ zueinander verdrehbar gelagert sind. Denn die Betätigung eines Bremsaktuators hat zur Folge, dass der jeweils abgebremste Spindelabschnitt langsamer als der jeweils andere Spindelabschnitt dreht, um die Phasenverstellung zu bewirken. Hierbei verschiebt die Mutter des langsamer drehenden Spindelabschnitts das Verschiebeglied in eine durch die Steigung des Gewindetriebes vorgegebene axiale Richtung, wobei auch die Mutter des weiteren Spindelabschnitts eine Verschiebung in die gleiche Rich- tung erfährt. Aufgrund der Gegenläufigkeit der Gewindetriebe erfährt dadurch der weitere, nicht gebremste Spindelabschnitt eine Beschleunigung. Dies setzt jedoch voraus, dass die beiden Spindelabschnitte zueinander verdrehbar gelagert sind. Dieses Beispiel zeigt, dass eine Verstellung basierend auf dem Prinzip des Einsatzes zweier Bremsaktuatoren nur dann funktioniert, wenn die me- chanische Kupplung zwischen den beiden Bremsaktuatoren durch Getriebeelemente mit sehr hohem Wirkungsgrad erfolgt. Auf diese Weise kann eine Selbsthemmung der beiden gegenläufigen Gewindetriebe sicher vermieden werden. Zur kraft- und/oder formschlüssigen Verbindung einer Mutter eines Gewindetriebes mit dem Verschiebeglied wird weiterhin vorgeschlagen, dass mindestens eine Mutter eines Gewindetriebes an einer Stützfläche des Verschiebegliedes in axialer Richtung abgestützt ist. Die Stützfläche dient somit als Mitnehmerkante, die eine Mitnahme des Verschiebegliedes bei einer axialen Ver- Schiebung der Mutter bewirkt. Vorzugsweise sind beide Muttern an einer solchen Stützfläche des Verschiebegliedes abgestützt, wobei die Abstützung in der Weise erfolgt, dass in Abhängigkeit von der jeweils betätigten Mutter eine Verschiebung des Verschiebegliedes in die eine oder in die andere Richtung erfolgt.
Vorteilhafterweise ist das Verschiebeglied über wenigstens eine Schrägkugelführung mit der Welle und/oder dem Antriebselement gekoppelt. Eine Schrägkugelführung im Sinne der vorliegenden Erfindung wirkt analog der bereits eingangs genannten und aus dem Stand der Technik bekannten Schrägverzah- nung nach dem Prinzip der schiefen Ebenen. D.h. durch Aufbringen einer Axiallast kann ein Drehmoment erzeugt werden und umgekehrt. Das Verschiebeglied weist hierzu außenumfangseitig angeordnete Kugelführungen in Form von schräg verlaufenden Nuten auf, die vergleichbar mit einem Gewindegang ansteigend bzw. abfallend ausgeführt sind. Im Unterschied zur Schrägverzahnung ermöglicht die Schrägkugelführung jedoch eine reibungsarme Verstellung der miteinander gekoppelten Bauteile, da die Relativbewegung der Bauteile zueinander über eine reibungsarme Abroll beweg ung der Kugeln bewirkt wird. Durch eine entsprechende Kopplung kann demnach eine Reduzierung der Reibungskräfte erzielt werden. Bevorzugt weist das Verschiebeglied zwei als gegenläufige Schrägkugelführungen ausgebildete Führungsabschnitte auf, wobei der eine der Kopplung des Verschiebegliedes mit der Welle und der andere der Kopplung des Verschiebegliedes mit dem Antriebselement dient. Die Steigung der beiden gegenläufigen Schrägkugelführungen kann dabei gleich oder unterschiedlich gewählt sein. Alternativ kann ein zur Kopplung des Verschiebegliedes mit der Welle oder dem Antriebselement vorgesehener Führungsabschnitt anstelle als Schrägkugelführung auch als lineare Führung mit mehreren linear verlaufenden Nuten ausgebildet sein. Auch eine solche Aus- führung gewährleistet, dass eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes zugleich eine Relativdrehung der über die Führungsabschnitte mit dem Verschiebeglied gekoppelten Bauteile zueinander bewirkt. Denn der Einsatz wenigstens einer Schrägkugelführung zur Kopplung des Verschiebegliedes mit der Welle und/oder dem Antriebselement stellt sicher, dass eine lineare Bewe- gung des Verschiebegliedes in eine rotatorische Bewegung eines mit dem Verschiebeglied gekoppelten Bauteils umgewandelt wird. Über die jeweils gewählte Steigung der wenigstens einen Schrägkugelführung kann dabei das Übersetzungsverhältnis definiert werden. Zur Erzielung einer hohen Positioniergenauigkeit der Versteilvorrichtung wird vorzugsweise eine hohe Gesamtübersetzung gewählt. Weiterhin vorzugsweise beträgt das Gesamtübersetzungsverhältnis der Drehwinkellage des Antriebselementes zur Drehwinkellage der zu verstellenden Welle zwischen 1 :20 und 1 :100.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung werden die beiden Bremsaktuatoren der Betätigungseinrichtung der Versteilvorrichtung elektrisch betätigt. Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Betätigung der Brem- saktuatoren hydraulisch erfolgt. Des Weiteren können reibend oder berührungslos arbeitende Bremsaktuatoren eingesetzt werden. In Abhängigkeit von der jeweils gewählten konkreten Ausführungsform der beiden Bremsaktuatoren kann beispielsweise aufgrund einer Reduzierung der Reibungskräfte der Ener- giebedarf der erfindungsgemäßen Vorrichtung weiter optimiert werden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Diese zeigen: Figur 1 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung und
Figur 2 eine perspektivische Darstellung einer Schrägkugelführung und Figur 3 eine perspektivische Darstellung eines Käfigs für die Schrägkugelführung der Figur 2.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen Die in Figur 1 dargestellte Vorrichtung umfasst ein Antriebselement 2, bestehend aus einem Antriebsrad 16 mit angesetzter Nabe 17, sowie eine Welle 1 , die vorliegend als Nockenwelle ausgebildet ist. Die Welle 1 und die Nabe 17 weisen jeweils einen Bundbereich auf, mittels welcher sie gegeneinander in axialer Richtung abgestützt sind. Die Verbindung der Welle 1 mit der Nabe 17 des Antriebselements 2 ist des Weiteren derart ausgebildet, dass eine Relativdrehung der Welle 1 gegenüber der Nabe 17 bzw. dem Antriebselement 2 ausführbar ist, um eine Phasenverstellung zu ermöglichen. Hierzu ist im Wesentlichen innerhalb des Durchmessers der Welle 1 und der Nabe 17 eine Versteilvorrichtung angeordnet, die ein Verschiebeglied 3 sowie eine Betätigungsein- heit 4 umfasst. Das Verschiebeglied 3 ist ebenfalls hohlzylindrisch ausgebildet und weist einen ersten in der Welle 1 aufgenommenen Abschnitt sowie einen zweiten innerhalb der Nabe 17 aufgenommenen Abschnitt auf, wobei der erste Abschnitt über eine Axialkugelführung 15 mit der Welle 1 und der zweite Ab- schnitt über eine Schrägkugelführung 14 mit der Nabe 17 gekoppelt ist. Die Kopplung des Verschiebeelements 3 mit der Welle 1 muss nicht zwangsläufig über eine Axialkugelführung 15 erfolgen. Alternativ kann zur Kopplung mit der Welle 1 eine weitere Schrägkugelführung vorgesehen sein, die dann jedoch gegenläufig zur Schrägkugelführung 14 des anderen Abschnitts des Verschiebegliedes auszuführen ist.
Die Art der Kopplung des Verschiebegliedes 3 mit der Welle 1 und der Nabe 17 gewährleistet, dass eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes 3 eine Verstellung der relativen Drehwinkellage der Welle 1 gegenüber dem Antriebsrad 16 bewirkt.
Die axiale Verschiebung des Verschiebegliedes 3 wird durch die Betätigungseinheit 4 indiziert. Diese umfasst zwei Bremsaktuatoren 5 und 6, die jeweils über einen Gewindetrieb 7, 8 mit dem Verschiebeglied 3 gekoppelt sind. Die Gewindetriebe 7, 8 sind als nicht selbsthemmende Kugelgewindetriebe ausgeführt und gegensinnig wirksam.
Das Funktionsprinzip eines Kugelgewindetriebs ist beispielhaft in der Figur 2 dargestellt. In entsprechender Weise kann die Kopplung des Verschiebegliedes 3 mit der Betätigungseinheit 4 ausgebildet sein. In diesem Fall umfasst der Gewindetrieb 7 einen Spindelabschnitt 9, an welchem außenumfangseitig eine schraubenförmig verlaufende Nut 19 zur Aufnahme von Kugeln 18 ausgebildet ist. Die Nut 19 wirkt mit weiteren, in einer Mutter 10 ausgebildeten Gegennuten in der Weise zusammen, dass eine axiale Verschiebung der Mutter 10 eine Rotationsbewegung der Spindel 9 bzw. eine Rotationsbewegung der Spindel 9 eine axiale Verschiebung der Mutter 10 bewirkt. Der in der Figur 2 dargestellte Kugelgewindetrieb vermag somit eine rotatorische Bewegung in eine lineare, translatorische Bewegung oder eine lineare, translatorische Bewegung in eine rotatorische umzusetzen. Die Steigung der schraubenförmig ausgebildeten Nut 19 bestimmt dabei das Übersetzungsverhältnis sowie die jeweilige Bewegungsrichtung. Wie in der Figur 1 dargestellt, weist jeder der beiden gegenläufigen Gewindetriebe 7, 8 eine Mutter 10, 12 auf, die zur mechanischen Kopplung mit dem Verschiebeglied 3 an einer radial verlaufenden Stützfläche 13 des Verschiebeelements 3 abgestützt ist. Über die Muttern 10, 12 kann demnach in beide Richtungen eine axiale Last aufgebracht werden, wobei eine Verschiebung der Muttern 10 ,12 in die eine oder andere Richtung eine Drehbewegung der jeweils mit den Muttern 10, 12 zusammenwirkenden Spindelabschnitte 9, 1 1 der Gewindetriebe 7, 8 bewirkt. Bei Betätigung eines Bremsaktuators 5, 6, wobei die Betätigung elektrisch oder hydraulisch erfolgen kann, wird die Drehge- schwindigkeit des der Bremsvorrichtung zugeordneten Spindelabschnitts reduziert, während der jeweils andere Spindelabschnitt eine Beschleunigung erfährt. Aufgrund der Geschwindigkeitsdifferenz wird das Verschiebeglied 3 über die Muttern 10, 12 in axialer Richtung verschoben. Die Kupplung des Verschiebegliedes 3 mit der Welle 1 und dem Antriebselement 2 wiederum be- wirkt, dass hierbei eine Phasenverstellung erfolgt.
Um insbesondere in radialer Richtung eine kompaktbauende Ausgestaltung der Vorrichtung zu erzielen, sind das Verschiebeglied 3 und die beiden gegenläufigen Gewindetriebe 7, 8 innerhalb des Durchmessers der Welle 1 und der Nabe 17 angeordnet. Der Spindelabschnitt 9 des Gewindetriebes 7 ist als Vollwelle ausgebildet, welche durch den als Hohlwelle ausgebildeten Spindelabschnitt 1 1 des Gewindetriebes 8 hindurchgeführt ist, so dass die beiden Bremsaktua- toren 5, 6 in axialer Richtung hintereinander angeordnet werden können. Die dargestellte erfindungsgemäße Vorrichtung erfordert demnach in radialer Rich- tung einen sehr geringen Bauraum. Dank der in radialer Richtung kompaktbauenden Ausgestaltung der Vorrichtung ist das bei einer Verstellung zu überwindende Massenträgheitsmoment gering, so dass die Vorrichtung eine hohe Verstelldynamik und einen hohen Wirkungsgrad aufweist. Die Kupplung der einzelnen Bauteile über Schrägkugelführungen bzw. Kugelgewindetrieben wie- derum ermöglicht eine reibungsoptimierte Ausführung der Vorrichtung, deren Betätigung somit einen geringen Energiebedarf erfordert. Die dargestellte Vorrichtung eignet sich aufgrund der vorstehend genannten Vorteile insbesondere als Nockenwellenversteller in einem Kraftfahrzeug. Darüber hinaus sind weite- re Anwendungen möglich, die ebenfalls Gegenstand der vorliegenden Erfindung sind.
Bezugszeichenliste
1 Welle
2 Antriebselement
3 Verschiebeglied
4 Betätigungseinheit
5 Bremsaktuator
6 Bremsaktuator
7 Gewindetrieb
8 Gewindetrieb
9 Spindelabschnitt
10 Mutter
1 1 Spindelabschnitt
12 Mutter
13 Stützfläche
14 Schrägkugelführung
15 Axialkugelführung
16 Antriebsrad
17 Nabe
18 Kugel
19 Nut

Claims

Patentansprüche
Vorrichtung zur Verstelllung der relativen Drehwinkellage einer rotierenden Welle (1 ), insbesondere einer Nockenwelle, gegenüber einem An- triebselement (2) umfassend ein koaxial zur Welle (1 ) und zum Antriebselement (2) angeordnetes, im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildetes Verschiebeglied (3), das derart mit der Welle (1 ) und dem Antriebselement (2) gekoppelt ist, dass eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) eine Verstellung der relativen Drehlage der Welle (1 ) gegenüber dem Antriebselement (2) bewirkt, sowie eine Betätigungseinheit (4) zur axialen Verschiebung des Verschiebegliedes (3), welche zwei Bremsaktuatoren (5, 6) sowie zwei gegenläufige Gewindetriebe (7, 8) zur Kopplung der Bremsaktuatoren (5, 6) mit dem Verschiebeglied (3) umfasst, so dass bei wahlweiser Betätigung eines Bremsak- tuators (5, 6) eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) in die eine oder andere Richtung erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens ein Gewindetrieb (7) der Betätigungseinheit (4) zumindest teilweise in der zu verstellenden Welle (1 ) aufgenommen ist, wobei der aufgenommene Teil des Gewindetriebes (7) einen koaxial zur Welle (1 ) angeordneten Spindelabschnitt (9) und eine gegenüber dem Spindelabschnitt (9) axial bewegliche Mutter (10) umfasst, die derart mit einem ebenfalls in der Welle (1 ) aufgenommenen Abschnitt des Verschiebegliedes (3) verbunden ist, dass eine axiale Bewegung der Mutter (10) eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) in eine erste Richtung bewirkt.
Vorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der weitere Gewindetrieb (8) der Betätigungseinheit (4) zumindest teilweise in dem Antriebselement (2) oder in der zu verstellenden Welle (1 ) aufgenommen ist, wobei der aufgenommene Teil des Gewindetriebes (8) einen als Hohlwelle ausgebildeten Spindelabschnitt (1 1 ) und eine gegenüber dem Spindelabschnitt (1 1 ) axial bewegliche Mutter (12) umfasst, die derart mit einem ebenfalls im Antriebselement (2) aufgenommenen Abschnitt des Verschiebegliedes (3) verbunden ist, dass eine axiale Bewegung der Mutter (12) eine axiale Verschiebung des Verschiebegliedes (3) in eine zweite Richtung bewirkt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Spindelabschnitte (9, 1 1 ) der beiden gegenläufigen Gewindetriebe (7, 8) relativ zueinander verdrehbar gelagert sind.
4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass mindestens eine Mutter (10, 12) eines Gewindetriebes (7, 8) an einer Stützfläche (13) des Verschiebegliedes (3) in axialer Richtung abgestützt ist.
5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Verschiebeglied (3) über wenigstens eine
Schrägkugelführung (14) mit der Welle (1 ) und/oder dem Antriebselement (2) gekoppelt ist.
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass das Gesamtübersetzungsverhältnis der Drehwinkellage des Antriebselementes (2) zur Drehwinkellage der zu verstellenden Welle (1 ) zwischen 1 :20 und 1 :100 beträgt.
7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch ge- kennzeichnet, dass die beiden Bremsaktuatoren (5, 6) elektrisch oder hydraulisch betätigbar sind.
8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Bremsaktuatoren (5, 6) reibend oder be- rührungslos arbeiten.
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