WO2015117580A2

WO2015117580A2 - Nockenwellenversteller und verfahren zum betrieb eines nockenwellenverstellers

Info

Publication number: WO2015117580A2
Application number: PCT/DE2014/200690
Authority: WO
Inventors: Mike Kohrs; Jens Schäfer; Marco HILDEBRAND
Original assignee: Schaeffler Technologies AG & Co. KG
Priority date: 2014-02-05
Filing date: 2014-12-09
Publication date: 2015-08-13
Also published as: CN105940192B; US9920660B2; US20160333749A1; WO2015117580A3; CN105940192A; DE102014202060A1

Abstract

Ein Nockenwellenversteller (1) umfasst ein Verstellgetriebe (2) mit einer Eingangswelle (7), einer zur drehfesten Verbindung mit einer Nockenwelle vorgesehenen Ausgangswelle (6), sowie einer Verstellwelle (8), wobei die Verstellwelle (8)durch einen Aktuator (3) angetrieben wird. Der Aktuator (3) treibt die Verstellwelle (8) unter Überwindung eines von deren Winkelstellung (φ) abhängigen Drehmoments (MB) an, womit Vorzugsstellungen, insbesondere Rastierstellungen, der Ausgangswelle (6) gegeben sind.

Description

Bezeichnung der Erfindung Nockenwellenversteller und Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers

Beschreibung Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen zur Verwendung in einer Brennkraftmaschine vorgesehenen Nockenwellenversteller sowie ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers. Hintergrund der Erfindung

Aus der DE 102 48 355 A1 ist ein elektrisch angetriebener Nockenwellenversteller mit einem Verstellgetriebe bekannt, welches als Doppelexzentergetriebe oder Doppelplanetengetriebe ausgebildet sein kann. Das Verstellgetriebe weist eine geringe Reibung sowie eine hohe Untersetzung von beispielsweise 1 :250 auf.

Aus der DE 10 2004 038 695 A1 ist ein weiterer Nockenwellenversteller bekannt, welcher ein Innenexzentergetriebe oder ein Planetengetriebe als Vers- tellgetriebe aufweist. Ein Planetengetriebe ist auch Teil eines aus der DE 100 54 797 A1 bekannten Nockenwellenverstellers, wobei in diesem Fall die Verstellung hydraulisch oder elektrisch erfolgen kann. Die DE 10 201 1 004 077 A1 offenbart ein für einen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe. Generell können Wellgetriebe von Nockenwellenverstel- lern entweder als Topfgetriebe oder als Flachgetriebe ausgeführt sein. Bei einem Wellgetriebe handelt es sich um ein Drei-Wellen-Getriebe.

Aufgabe der Erfindung Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektrisch antreibbaren No- ckenwellenversteller gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter energetischen Aspekten weiterzuentwickeln.

Beschreibung der Erfindung

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 1 . Weiter wird die Aufgabe gelöst durch einen zur Durchführung dieses Verfahrens geeigneten Nocken- wellenversteller gemäß Anspruch 6. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Nockenwellenversteller erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für das Betriebsverfahren und umgekehrt. Der Nockenwellenversteller umfasst ein Verstellgetriebe mit einer Eingangswelle, einer Ausgangswelle und einer Verstellwelle, wobei die Eingangswelle mittels eines Zugmittelgetriebes von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibbar und die Ausgangswelle drehfest mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist. Die Verstellwelle ist durch einen Aktuator antreibbar, welcher vorzugsweise als Elektromotor ausgebildet ist. An Stelle eines elektrischen Aktuators kann jedoch auch ein hydraulischer Aktuator vorgesehen sein. Bei dem Verstellgetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein Drei-Wellen-Getriebe; Ausführungsformen als Vier-Wellen-Getriebe sind ebenfalls realisierbar.

Das von dem Aktuator zur Verdrehung der Verstellwelle aufzubringende Drehmoment ist erfindungsgemäß von der Winkelstellung der Verstellwelle abhängig. In bevorzugter Ausgestaltung schwankt das vom Aktuator aufzubringende Antriebsmoment periodisch, wobei sich ein Zyklus der Schwankungen des An- triebsmoments über weniger als eine halbe Umdrehung der Verstellwelle erstreckt. Die Schwankungen des in der Verstellwelle wirkenden Drehmoments können dabei beispielsweise einen sinusförmigen oder sägezahnförmigen Verlauf beschreiben. Ebenso sind sonstige periodisch schwankende, von der Win- kelstellung der Verstellwelle abhängige Drehmomentverläufe möglich, welche beispielsweise - zumindest angenähert - durch ein Polynom oder eine trigonometrische Funktion beschreibbar sind. Unabhängig von der genauen Form der Kurve, welche durch den Drehmomentverlauf beschrieben wird, durchläuft das bei einer vollen Umdrehung der Verstellwelle des lastfreien Verstellgetriebes zwischen dem Aktuator und der Verstellwelle wirkende Drehmoment vorzugsweise jeweils mindestens zwei Minima und Maxima, beispielsweise jeweils mindestens vier oder zehn Minima und Maxima.

Die Schwankungen des bei der Verdrehung der Verstellwelle in dieser wirkenden Drehmoments korrespondieren mit definierten Vorzugsstellungen der Ausgangswelle in Relation zur Eingangswelle. Aus einer Vorzugsstellung heraus ist die Ausgangswelle nur mit einem in beide Drehrichtungen ansteigenden Drehmoment der Verstellwelle verstellbar. Befindet sich der Nockenwellenvers- teller in einer Vorzugsstellung, so bedeutet dies eine im Vergleich zu anderen Stellungen der Ausgangswelle energetisch besonders günstige Einstellung des Nockenwellenverstellers. Der Vorteil der Winkelabhängigkeit des zur Verstel- lung des Nockenwellenverstellers erforderlichen, vom Aktuator auf die Verstellwelle zu übertragenden Drehmoments liegt somit darin, dass der Nocken- wellenversteller mit relativ geringem Energieaufwand in einer Vorzugsstellung gehalten werden kann. Die winkelabhängigen Schwankungen des in die Verstellwelle einzuleitenden Drehmoments gehen weit über eventuelle Drehmomentschwankungen konventioneller Motor-Getriebe-Anordnungen hinaus. Vorzugsweise entspricht die Differenz zwischen dem maximalen und dem minimalen vom Aktuator auf die Verstellwelle übertragenen Drehmoment mindestens 20 % des mittleren in der Verstellwelle wirkenden Drehmoments. Selbst ein Wechsel des Vorzeichens des Drehmoments in der Verstellwelle während einer Verstellung in gleichbleibender Richtung ist möglich. Dies ist gleichbedeutend damit, dass der No- ckenwellenversteller selbsttätig in seine Vorzugsstellungen hineingezogen wird. Sobald sich der Nockenwellenversteller in einer Vorzugsstellung befindet, kann somit die Bestromung des Aktuators unterbleiben.

Das Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers ist beispielsweise als Well- getriebe ausgebildet. Ein Wellgetriebe umfasst sowohl bei Ausführung als Topfgetriebe als auch bei Ausführung als Flachgetriebe ein elastisches, verzahntes Bauteil. Zusätzlich zu diesem Bauteil sind in bevorzugter Ausgestaltung weitere Bauteile des Verstellgetriebes zumindest geringfügig elastisch nachgiebig ausgebildet. Hierbei kann es sich insbesondere um einen Lagerring eines Wälzlagers in dem Verstellgetriebe handeln. Besonders ausgeprägt kommen die Vorteile eines elastischen Lagerrings zur Geltung, wenn das entsprechende Wälzlager eine gerade Anzahl an Wälzkörpern aufweist.

Da in einem Wellgetriebe Belastungsmaxima an diametral gegenüberliegenden Stellen eines Wälzlagers auftreten, befinden sich an den entsprechenden Stellen der Lagerringe dank der geraden Wälzkörperanzahl stets entweder zwei Wälzkörper oder zwei Lücken. Das Wälzlager, welches Teil eines Wellgenerators im als Wellgetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe ist, ist vorzugsweise derart vorgespannt, dass eine Einfederung von Lagerringen auftritt, welche maßgeblich davon abhängig ist, ob die um 180° gegeneinander versetzten Bereiche maximaler Krafteinleitung in Umfangsabschnitten des Wälzlagers liegen, in denen die Lagerringe durch Wälzkörper unterstützt sind oder aufgrund einer Lücke zwischen benachbarten Wälzkörpern leichter nachgiebig sind. Eine leichtere Nachgiebigkeit korrespondiert mit einer leichteren Verdrehbarkeit der Verstellwelle. Im Extremfall sind Minima des Drehmomentverlaufs als Rastierstellungen ausgebildet.

Im einfachsten Fall wird für signifikante Drehmomentschwankungen bei der Betätigung des Nockenwellenverstellers gesorgt, indem ein Lagerring, insbe- sondere Außenring, eines als Komponente eines Wellgenerators fungierenden Wälzlagers derart dünnwandig ist, dass er elastisch nachgiebig ist und damit einen Rastiereffekt erzeugt. Alternativ kann ein Innenring oder eine die Wälzkörper kontaktierende Welle des Wälzlagers am Umfang wellig gestaltet sein. Ebenso ist es möglich, dass mindestens ein Lagerring des Wälzlagers eine um seinen Umfang variierende Wandstärke aufweist. Eine gezielte Herabsetzung der radialen Steifigkeit des Wälzlagers ist auch durch Bohrungen unterhalb der Wälzkörperlaufbahn erzielbar.

Ein Rastiereffekt einer Wälzlagerung im Verstellgetriebe ist auch durch die Verwendung von Wälzkörpern möglich, deren Querschnitt von der Kreisform abweicht. Beispielsweise können unrunde Rollen oder Nadeln einen leicht elliptischen oder polygonen Querschnitt aufweisen. Ebenso sind innerhalb des Wälzlagers verschiedene Wälzkörper verwendbar, welche einen geringfügig voneinander abweichenden Durchmesser aufweisen. Zum Beispiel können sich in Umfangsrichtung des Wälzlagers stets zwei kleinere Wälzkörper und ein größerer Wälzkörper abwechseln. Das Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers weist eine hohe Untersetzung auf, welche selbst bei einer nur groben Rastierung der Verstellwelle für eine vielfach feinere Rastierung der Ausgangswelle, bezogen auf die Winkellage der Eingangswelle, sorgt. Vorzugsweise existieren mindestens 30 Rastierstellungen der Ausgangswelle. Die Ausgangswelle kann somit in zahl- reichen Positionen, nämlich Vorzugsstellungen, zwischen ihren mechanischen Endanschlägen festgehalten werden, wobei zum Halten der Ausgangswelle, das heißt zum Fixieren der Nockenwelle in Relation zur Kurbelwelle, höchstens ein geringes Drehmoment durch den Aktuator aufgebracht werden muss. Während der Aktuator in den Vorzugsstellungen zumindest weitgehend entlastet ist, wird die Ausgangswelle zum überwiegenden Teil oder vollständig durch Widerstände innerhalb des Verstellgetriebes gehalten.

Eine solche selbständige Fixierung eines Getriebeausgangselementes ist prinzipiell auch bei jedem selbsthemmenden Getriebe gegeben. Hiervon unter- scheidet sich das Verstellgetriebe des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers jedoch grundlegend dadurch, dass die selbsttätige Fixierung der Ausgangswelle des Getriebes nur bei einzelnen Winkelstellungen gegeben ist. Das mittlere Drehmoment, welches zur Verstellung des Nockenwellenverstellers erforderlich ist, ist dagegen deutlich geringer als bei einem selbsthemmenden Getriebe. Dementsprechend kann der Wirkungsgrad des erfindungsgemäßen Verstellgetriebes bei über 50% liegen, was bei einem selbsthemmenden Getriebe nicht der Fall ist.

Das in dem Nockenwellenversteller zum Einsatz kommende Verstellgetriebe wird auch als quasi-selbsthemmendes Getriebe oder Getriebe mit gerasterter Selbsthemmung bezeichnet. Es vereint die Vorteile eines selbsthemmenden Getriebes, nämlich das selbsttätige Halten eines Getriebeausgangselements, mit dem wesentlichen Vorteil eines nicht selbsthemmenden Getriebes, nämlich dem im Vergleich zum selbsthemmenden Getriebe wesentlich höheren Wirkungsgrad.

Unabhängig von der Bauart des Verstellgetriebes ist das zur Verdrehung der Verstellwelle erforderliche Drehmoment vorzugsweise zumindest in einem eng beschränkten Winkelbereich, welcher einer Vorzugsstellung entspricht, signifikant niedriger als bei einem herkömmlichen, elektrisch betätigten Nockenwellenversteller, selbst wenn dieser - wie üblich - ein nicht selbsthemmendes Getriebe aufweist. Dagegen kann in einem Winkelbereich zwischen zwei punk- tuellen oder annähernd punktuellen Vorzugsstellungen ein Drehmoment aufzubringen sein, welches größer als das zur Betätigung eines herkömmlichen No- ckenwellenverstellers notwendige Drehmoment ist und in einer für ein selbsthemmendes Getriebe typischen Größenordnung oder sogar darüber liegt. Wegen der Mittelung des Drehmoments beim Verstellvorgang und wegen der Tat- sache, dass der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller während des größten Teils seiner Betriebsdauer in einer der zahlreichen Vorzugsstellungen betrieben wird, ist der Energiebedarf des Nockenwellenverstellers letztlich im Vergleich zum Stand der Technik deutlich herabgesetzt. Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Kurze Beschreibung der Zeich Fig. 1 einen Nockenwellenversteller mit einem in Flachbauweise ausgeführten Wellgetriebe in einer schematisierten Schnittdarstellung, Fig. 2 einen Nockenwellenversteller mit einem Wellgetriebe in Topfbauart in einer Darstellung analog Fig. 1 ,

Fig. 3 ein für ein Wellgetriebe vorgesehenes Wälzlager mit winkelabhängiger elastischer Nachgiebigkeit in unterschiedlichen Winkelstellungen,

Fig. 4 ein Detail aus Fig. 3,

Fig. 5 eine weitere Ausführungsform eines Wälzlagers für ein Wellgetriebe eines Nockenwellenverstellers,

Fig. 6 einen Drehmomentverlauf in einer Verstellwelle bei der Betätigung eines Nockenwellenverstellers.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Einander prinzipiell entsprechende oder gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.

Die Figuren 1 und 2 zeigen in starker Vereinfachung jeweils eine Ausführungs- form eines für die Verwendung in einer Brennkraftmaschine, insbesondere in einem Ottomotor, geeigneten, elektrisch betriebenen Nockenwellenverstellers 1 , hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird. Der Nockenwellenversteller 1 umfasst ein Verstellgetriebe 2 sowie einen Ak- tuator 3, nämlich einen Elektromotor, wobei in den Ausführungsbeispielen eine Kupplung 4 zwischen den Aktuator 3 und das Verstellgetriebe 2 geschalten ist. Das Verstellgetriebe 2 ist sowohl im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 als Wellgetriebe ausgebildet. In beiden Fällen dient ein Kettenrad 5 als Antriebselement des Nockenwellenverstel- lers 1 , während eine Ausgangswelle 6 des Verstellgetriebes 2 fest mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verbunden ist. An Stelle des Kettenrades 5 könnte im Fall einer riemengetriebenen Nockenwelle auch ein Riemenrad vorgesehen sein. Mit dem Kettenrad 5 ist ein Antriebshohlrad 7 verbunden, welches die Eingangswelle 7 des Verstellgetriebes 2 darstellt. Durch den Aktuator 3 ist über die Kupplung 4 eine Verstellwelle 8 als dritte Welle des Verstellgetriebes 2 antreibbar. Solange die Verstellwelle 8 mit der Drehzahl der Ein- gangswelle 7 rotiert, dreht sich auch die Ausgangswelle 6 mit dieser Drehzahl.

Die Winkelrelation zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine bleibt in diesem Betriebszustand somit unverändert. Eine Verstellung der Nockenwelle erfolgt, indem der Aktuator 3 die Verstellwelle 8 mit einer von der Drehzahl des Kettenrads 5 abweichenden Drehzahl antreibt. In jeder der Ausführungsformen nach den Figuren 1 und 2 handelt es sich bei dem Verstellgetriebe 2 um ein hoch übersetztes Getriebe, sodass eine Veränderung der Winkelrelation zwischen der Verstellwelle 8 und der Eingangswelle 7 um einen bestimmten Betrag zu einer Veränderung der Winkelrelation zwi- sehen der Eingangswelle 7 und dem Kettenrad 5 einerseits und der Ausgangswelle 6 andererseits um einen vielfach geringeren Betrag führt.

Die Verstellwelle 8 ist in den beiden in den Figuren 1 und 2 skizzierten Ausführungsformen jeweils zur Betätigung eines Wellgenerators 9 vorgesehen. Der Wellgenerator 9 umfasst ein Wälzlager 10, welches (in den Figuren 1 und 2 nicht erkennbar) elliptisch gestaltet ist. Hierbei ist ein Innenring 1 1 des Wälzlagers 10 elliptisch geformt, während sich ein relativ dünnwandiger Außenring 12 der Form des Innenrings 1 1 anpasst. Zwischen dem Innenring 1 1 und dem Außenring 12 rollen Kugeln als Wälzkörper 13 ab.

In der Bauform des Verstellgetriebes 2 nach Figur 1 befindet sich unmittelbar auf dem Außenring 12 ein Stirnrad 14, welches ebenfalls verformbar ist und die gleiche in axialer Richtung gemessene Breite wie der Außenring 12 aufweist. Eine Außenverzahnung des Stirnrads 14 kämmt mit einer Innenverzahnung des Antriebshohlrads 7, wobei dieses knapp die halbe Breite des Stirnrades 14 einnimmt. Die Verzahnungen des Stirnrads 14 einerseits und des Antriebsholrads 7 andererseits greifen nur an zwei um 180° gegeneinander versetzten Stellen, in der Anordnung nach Fig. 1 im oberen sowie im unteren Bereich des Verstellgetriebes 2, ineinander. In allen übrigen Winkelbereichen ist aufgrund der elliptischen Form des Wälzlagers 10 das Stirnrad 14 vom Antriebshohlrad 7 abgehoben. In ähnlicher Weise wirkt das Stirnrad 14 mit einem Abtriebsholrad 15 zusammen, welches mit geringem Abstand axial neben dem Antriebshohlrad 7 angeordnet und ebenfalls innenverzahnt ist. Durch eine unterschiedliche Zähnezahl des Antriebshohlrads 7 einerseits und des Abtriebshohlrads 15 andererseits wird bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 1 1 das Abtriebshohlrad 15 gegenüber dem Antriebshohlrad 7 etwas verdreht. Beispielsweise weicht die Anzahl der Zähne des Antriebshohlrads 7 um zwei von der Anzahl der Zähne des Abtriebshohlrads 15 ab. Das Abtriebshohlrad 15 ist fest mit der Ausgangswelle 6 verbunden. Das Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 entspricht hinsichtlich der grundsätzlichen Kinematik dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 , wobei in der Anordnung nach Fig. 2 an Stelle des Stirnrades 14 und des Abtriebshohlrades 15 ein einziges, topfförmiges Abtriebsrad 16 vorgesehen ist, welches mit der Ausgangswelle 6 verbunden ist. Das Abtriebsrad 16 weist eine mit der Innenverzahnung des Antriebshohlrads 7 kämmende Außenverzahnung auf, deren Zähnezahl von der Zähnezahl der Innenverzahnung des Antriebshohlrads 7 geringfügig, beispielsweise um zwei, abweicht. Zumindest im Bereich der Verzahnung ist das Abtriebsrad 16 ausreichend elastisch, um durch den Wellgenerator 9 verformt zu werden.

Das in Fig. 3 in verschiedenen Zuständen dargestellte Wälzlager 10 ist sowohl in der Anordnung nach Fig. 1 als auch in der Anordnung nach Fig. 2 jeweils als Komponente des Wellgenerators 9 verwendbar. Eine Hauptbelastungsrichtung HR, in welcher eine Kraft auf das Wälzlager 10 wirkt, ist in Fig. 3 durch einen radial ausgerichteten Pfeil symbolisiert. Die Drehrichtung des vom Aktuator 3 angetriebenen Innenrings 1 1 ist durch einen Pfeil in Umfangsrichtung angedeutet. In dem in Fig. 3 linken Zustand des Wälzlagers 10 erfolgt ein Kraftfluss vom Antriebshohlrad 7 zum Innenring 1 1 geradlinig durch einen Wälzkörper 13. Eine Verformung des dünnwandigen Außenrings 12, welcher durch die Verzahnung des Antriebshohlrads 7 direkt auf einen Wälzkörper 13 gedrückt wird, ist in dieser Anordnung praktisch nicht möglich. In der in Fig. 3 rechts dargestellten Anordnung ist dagegen der Innenring 12 soweit verdreht, dass die in der Hauptbelastungsrichtung HR einwirkende Kraft mittig zwischen zwei benachbarte Wälzkörper 13 zielt. Aufgrund der dünnwandigen Ausbildung des Außenrings 12 wird dieser in dem entsprechenden Bereich, wie in Fig. 4 durch eine gestrichelte Linie angedeutet, verformt. Die Be- lastungszone des Außenrings 12, in welcher die Verformung vorgesehen ist, ist mit BZ bezeichnet. Das Einfedern des Außenrings 12 in der Belastungszone BZ, soweit sich diese zwischen zwei Wälzkörpern 13 befindet, erzeugt in gewünschter Weise einen Rastierungseffekt des Verstellgetriebes 2. Da sich die Ausgangswelle 6 des Nockenwellenverstellers um ein Vielfaches langsamer als die Verstellwelle 8 dreht und bereits die Verstellwelle 8 eine Vielzahl von Rastierstellungen einnehmen kann, nämlich eine der Anzahl der Wälzkörper 13 entsprechende Anzahl, ist die Ausgangswelle 6 extrem fein rastierbar.

In Fig. 5 ist eine Variante des Wälzlagers 10 des Verstellgetriebes 2 gezeigt, welche ebenfalls in jeder der Anordnungen nach den Fig. 1 und 2 verwendbar ist. Ein Rastierungseffekt des Wälzlagers 10 ist hierbei durch eine unrunde Gestaltung des Innenrings 1 1 erzeugt. Der Innenring 1 1 weist an seinem Umfang eine der Anzahl der Wälzkörper 13 entsprechende Anzahl an Abflachungen 17 auf, an welchen die Oberfläche des Innenrings 1 1 , ausgehend von de- ren zylindrischer Grundform, jeweils um eine Tiefe t vertieft ist. Die Tiefe t beträgt zwischen 0,2 % und 20 % des mit dk bezeichneten Wälzkörperdurchmessers. In Fig. 5 ist ferner ein zur Führung der Wälzkörper 13 vorgesehener Käfig 18 erkennbar. Bei den Wälzkörpern 13 handelt es sich ebenso wie bei der Va- riante nach den Fig. 3 und 4 um Kugeln. Alternativ können beispielsweise auch Nadeln oder Zylinderrollen als Wälzkörper des Wälzlagers 10 vorgesehen sein. In Fig. 6 ist der Verlauf des in der Verstellwelle 8 bei der Betätigung des No- ckenwellenverstellers 1 wirkenden Drehmoments veranschaulicht. Die Darstellung nach Fig. 6 gilt sowohl für die Variante des Wälzlagers 10 nach den Figuren 3 und 4 als auch für die Variante nach Fig. 5. Dargestellt ist die Abhängigkeit des als Betätigungsmoment ME bezeichneten, in der Verstellwelle 8 wir- kenden Drehmoments von deren Winkelstellung, wobei der mit φ bezeichnete Winkel im Diagramm nach Fig. 6 mehrere Zyklen an Drehmomentschwankungen abdeckt. Wie aus Fig. 6 hervorgeht, verläuft das Betätigungsmoment MB etwa sinusförmig; ein mittleres Betätigungsmoment ist mit MB_av, ein minimales Betätigungsmoment mit MB_min und ein maximales Betätigungsmoment mit MB_max bezeichnet. Die Minima der in Fig. 6 aufgetragenen Kurve entsprechen dem in Fig. 4 dargestellten Zustand des Wälzlagers 10. Die Ausgangswelle 6 befindet sich hierbei ebenso wie die Eingangswelle 7 in einer Vorzugsstellung, in welcher sie durch den Aktuator 3 mit minimalem Energieaufwand gehalten werden kann.

Allgemein ist der Zusammenhang zwischen dem in der Eingangswelle 7 wirkenden Drehmoment MB und einem in der Ausgangswelle 6 wirkenden, mit MA bezeichneten Ausgangsdrehmoment folgendermaßen beschreibbar: MB (cp) = MA / (i_BA x eta (cp)), wobei i_BA das Übersetzungsverhältnis des Verstellgetriebes 2 und eta einen Übertragungsfaktor bezeichnet, welcher vom Winkel φ abhängig ist. Die winkelabhängige Schwankung des Übertragungsfaktors eta spiegelt sich in der in Fig. 5 dargestellten oszillierenden Kurve wieder. Bei einem Getriebe, dessen Übertragungseigenschaften von der Winkellage der Ein- und Ausgangswellen unabhängig sind, wäre an die Stelle von eta (φ) ein nicht winkelabhängiger Wirkungsgrad zu setzen. Beim Verstellgetriebe 2 des Nockenwellenverstel- lers 1 ist der über alle Winkel φ gemittelte Durchschnittswert des Übertragungsfaktors eta größer als 0,5. Das Verstellgetriebe 2 ist von daher nicht als selbsthemmendes Getriebe zu klassifizieren. Reicht die in Abhängigkeit vom Winkel φ der Verstellwelle 8 aufgetragene, eine näherungsweise harmonische Oszillation beschreibende Kurve, welche das zum Verdrehen der Verstellwelle 8 erforderliche Betätigungsmoment MB angibt, abweichend von Fig. 6 in den negativen Bereich, so bedeutet dies, dass die Verstellwelle 8 selbsttätig in die entsprechenden Vorzugsstellungen gezo- gen wird, wobei das mittlere Betätigungsmoment MB_av auch in diesem Fall positiv ist. Eine Bestromung des Aktuators 3 ist in dieser Ausgestaltung nur erforderlich, um die mit der Nockenwelle verbundene Ausgangswelle 6 von einer ersten Rastierstellung in eine andere Rastierstellung zu verstellen. Die Anzahl der Rastier- oder Vorzugsstellungen ergibt sich aus der Anzahl der Umdrehungen, welche zur Verstellung der Ausgangswelle 6 von einem Endanschlag zum zweiten Endanschlag erforderlich sind, multipliziert mit der Anzahl der Wälzkörper 13 des Wälzlagers 10.

Beträgt das Übersetzungsverhältnis i_BA beispielsweise 90 und der Verdrehwinkel zwischen den Endanschlägen der Ausgangswelle 6 genau 60°, das heißt ein Sechstel einer vollen Umdrehung, so ist die Verstellwelle 8 um 90/6 = 15 Umdrehungen zu verdrehen, um von einem Endanschlag zum zweiten Endanschlag zu gelangen. Hat das Wälzlager 10 des Wellgenerators 9, wie in Fig. 3 skizziert, achtzehn Wälzkörper 13, wobei jeweils zwischen zwei benachbarten Wälzkörpern 13 eine Vorzugsposition der Verstellwelle 8 gegeben ist, so existieren während der 15 Umdrehungen insgesamt 15 x 18 = 270 Vorzugsstellungen, die sich gleichmäßig auf den genannten, 60° breiten Verstellbereich der Ausgangswelle 6 verteilen. Bezugszahlenliste

BZ Belastungszone

dk Wälzkörperdurchmesser

eta Übertragungsfaktor

HR Hauptbelastungsrichtung

i_BA Übersetzungsverhältnis

MA Ausgangsdrehmoment

MB Betätigungsmoment, Drehmoment MB_av mittleres Betätigungsmoment

MB_min minimales Betätigungsmoment MBjmax maximales Betätigungsmoment t Tiefe

φ Winkel

1 Nockenwellenversteller

2 Verstellgetriebe

3 Aktuator

4 Kupplung

5 Kettenrad

6 Ausgangswelle

7 Eingangswelle, Ant ebshohlrad

8 Verstellwelle

9 Wellgenerator

10 Wälzlager

1 1 Innenring

12 Außenring

13 Wälzkörper

14 Stirnrad

15 Abtriebshohlrad

16 Abtriebsrad

17 Abflachung

18 Käfig

Claims

Patentansprüche

1 . Verfahren zum Betrieb eines Nockenwellenverstellers (1 ), welcher ein Verstellgetriebe (2) mit einer Eingangswelle (7), einer zur drehfesten Verbindung mit einer Nockenwelle vorgesehenen Ausgangswelle (6), sowie einer Verstellwelle (8) umfasst, wobei die Verstellwelle (8) durch einen Aktuator (3) angetrieben wird, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktuator (3) die Verstellwelle (8) unter Überwindung eines von deren Winkelstellung (φ) abhängigen Drehmoments (MB) antreibt.

2. Verfahren nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das vom Aktuator (3) auf die Verstellwelle (8) übertragene Drehmoment (MB) periodisch schwankt, wobei sich ein Zyklus der Drehmomentschwankungen über weniger als eine halbe Umdrehung der Verstellwelle (8) erstreckt.

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Aktuator (3) und der Verstellwelle (8) während einer Verstellung in derselben Richtung ein Drehmoment (MB) mit wechselndem Vorzeichen wirkt.

4. Verfahren nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer vollen Umdrehung der Verstellwelle (8) des lastfreien Verstellgetriebes (2) das zwischen dem Aktuator (3) und der Verstellwelle (8) wirkende Drehmoment (MB) mindestens jeweils zwei Minima (MB_min) und Maxima (MB_max) durchläuft.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenz zwischen dem maximalen zwischen dem Aktuator (3) und der Verstellwelle (8) wirkenden Drehmoment (MB_max) und dem minimalen zwischen dem Aktuator (3) und der Verstellwelle (8) wirkenden Drehmoment (MB_min) mindestens 20% des mittleren zwischen dem Aktuator (3) und der Verstellwelle (8) wirkenden Drehmoments (MB_av) entspricht.

6. Nockenwellenversteller (1 ), umfassend

- ein Verstellgetriebe (2) mit einer Eingangswelle (7), einer zur drehfesten Verbindung mit einer Nockenwelle vorgesehenen Ausgangswelle (6), sowie einer Verstellwelle (8), wobei eine Mehrzahl an Vorzugsstellungen der Ausgangswelle (6) existieren, aus welchen heraus die Ausgangswelle (6) mit einem in beide Drehrichtungen ansteigenden Drehmoment (MB) verstellbar ist,

- einen zum Antrieb der Verstellwelle (8) vorgesehenen Aktuator (3), welcher zur Übertragung eines winkelabhängig veränderlichen Drehmoments (MB) auf die Verstellwelle (8) ausgebildet ist.

7. Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellgetriebe (2) als Wellgetriebe ausgebildet ist.

8. Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellgetriebe (2) ein Wälzlager (10) mit einer geraden Anzahl an Wälzkörpern (13) umfasst.

9. Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der Komponenten Lagerinnenring (1 1 ) und Lageraußenring (12) des Verstellgetriebes (2) eine über den jeweiligen Umfang variierende geometrische Gestaltung aufweist.

10. Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorzugsstellungen der Ausgangswelle (6) als Rastierstellungen ausgebildet sind, in welchen die Ausgangswelle (6) ohne Drehmomentbeaufschlagung durch den Aktuator (3) verbleibt.