DE102012207318A1 - Nockenwellenversteller - Google Patents
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Abstract
Description
- Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
- Aus der
DE 10 2005 018 956 A1 oder derDE 102 48 355 A1 ist ein elektrischer Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle her halbtourig angetrieben, wozu ein Nockenwellenantriebsrad der Nockenwelle mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Ein Verstellgetriebe zwischen Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad erlaubt eine Verstellung der Phasenlage von Nockenwellenantriebsrad und der Nockenwelle. Das Verstellgetriebe kann bspw. als Doppelplanetengetriebe oder als Harmonic-Drive-Getriebe ausgebildet sein. - Die
DE 103 52 255 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellantrieb. Der Elektromotor ist räumlich getrennt von der Verstellwelle des Verstellgetriebes angeordnet – das Verstellmoment wird durch eine flexible Welle übertragen. - Bei einem Ausfall der Ansteuerungselektronik und/oder des Elektromotors muss der Nockenwellenversteller die Nockenwelle in eine Nulllage bzw. in eine Notlaufposition verbringen und diese so definierte relative Verdrehung zwischen Nockenwellenantriebsrad und der Nockenwelle ist aufrechtzuhalten, um die Verbrennungskraftmaschine weiter zu betreiben bzw. nach einem Abstellen wieder betreiben zu können.
- In der
EP 1 504 172 B1 ist ein Nockenwellenversteller beschrieben, bei welchem bei Ausfall des Stellmotors dieser bremsend wirkt (also gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad an Drehzahl verliert) und so das Anfahren einer Endlage, einer Failsafeposition bewirkt. Es wird also die max. Früh- oder Spätposition der NW angefahren. Es wird nicht beschrieben, wie die Nockenwelle in dieser Position gehalten wird. Auch sind keine Maßnahmen vorgesehen, wenn der Stellmotor bei Ausfall oder bei Ausfall der Ansteuerungselektronik nur wenig Bremsmoment erzeugt. In diesen Fällen wird die Failsafeposition u.U. nicht erreicht bzw. es ist nicht gewährleistet, dass die Nockenwelle, in der Failsafeposition verbleibt bzw. diese Position unkontrolliert verlässt. - Die
PCT/EP 2011/050861 - Die
DE 103 32 264 A1 beschreibt ein Failsafesystem eines Nockenwellenverstellers, welcher verschiebbare mechanische Endanschläge aufweist. Diese Endanschläge werden durch je eine Feder derartig in eine Richtung vorgespannt, so dass sie entsprechend den Verstellbereich in Richtung Failsafeposition verkleinern, also die max. Spät- bzw. Frühposition des NW-Verstellers verringert wird Im störungsfreien Normalbetrieb werden diese verschiebbaren Anschläge mit einer mechanischen Einrichtung blockiert, so dass der gesamte Verstellbereich des NW-Verstellers genutzt werden kann. - Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Nockenwellenversteller in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung und insbesondere mit einem in bautechnisch einfacher Weise realisiertem Failsafesystem vorzuschlagen.
- Es soll ein Failsafemechanismus geschaffen werden, der sehr einfach aufgebaut ist, also möglichst keinen zusätzlichen Aktuator benötigt. Ferner sollte die Lösung möglichst keinen Einfluss auf den Normalbetrieb oder die Auslegung des Nockenwellenverstellers für den Normalbetrieb haben. Der Failsafe-Modus sollte nur durch eine wieder mögliche Kontrolle des Verstellmotors deaktiviert werden also in den Normalbetrieb zurückgeführt werden können. Letztlich sollte dieser Mechanismus wenig Bauraum benötigen bzw. bereits vorhandenen Bauraum nutzen.
- Diese Aufgabe wird gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale von Anspruch 1. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
- Die Erfindung sieht einen Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine vor, bestehend aus einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, mit einem von der Verbrennungskraftmaschine her getriebenen Antriebsrad, über welches das Antriebsmoment für die Nockenwelle eingeleitet wird, einem mit der Nockenwelle drehfest gekoppelten Getriebeausgang, einem mit einem Antriebsmotor gekoppelten Getriebeeingangsrad, über welches das die relative Verdrehung zwischen Antriebsrad und Getriebeausgang bewirkende Verstellmoment in das Verstellgetriebe eingeleitet wird, wobei ein eine Sperrung des Verstellgetriebes bewirkender Fail-Safe-Mechanismus vorgesehen ist, welcher im Falle des Ausbleibens eines über das Getriebeeingangsrad einzubringenden Verstellmomentes auf ein zwischen Antriebsrad und Getriebeausgang befindliches Getriebeelement einwirkt
- Für die erfindungsgemäße Nockenwellenverstellung ist im Verstellgetriebe somit eine Blockier- bzw. Hemmeinrichtung vorgesehen, welche beim Erreichen einer bestimmten Phasenposition des Nockenwellenverstellers, der Nockenwelle gegenüber ihrem Antriebsrad, das Verstellgetriebe in dieser Position gegen ein weiteres Verstellen blockiert bzw. hemmt.
- Diese erfindungsgemäße Blockier- bzw. Hemmeinrichtung wirkt sperrend zwischen dem Antriebsrad der Nockenwelle und dem Getriebeausgang, dem zur Nockenwelle festen Teil des Verstellgetriebes. Gemäß der Erfindung wirkt die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung auf ein zwischen dem Antriebsrad und dem Getriebeausgang liegendes Getriebeteil. Der weitere Getriebeteil ist dabei vorzugsweise ein höher übersetztes Element des Getriebes, bspw. die Getriebeeingangswelle, das Getriebeeingangsrad oder ein Planetenrad. Damit können die notwendigen Kräfte für eine solche Blockier- bzw. Hemmeinrichtung deutlich reduziert werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, eine derartige Vorrichtung in Kunststoff auszuführen.
- Die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung blockiert bei ihrer Aktivierung das Verstellgetriebe gegen ein Losdrehen bis zum Erreichen eines gewissen Losbrechmomentes. Das Losbrechmoment der Einrichtung ist so ausgelegt, dass sich das Verstellgetriebe trotz anliegender Wechseldrehmomente an der Nockenwelle, der Reibmomente am Verstellmotor sowie der bei Drehzahländerungen wirkenden Trägheitsmomente des Verstellmotors nicht von der Failsafeposition wegbewegt.
- Die erfindungsgemäße Hemmeinrichtung ist insbesondere derartig ausgelegt, dass sie im Wesentlichen ohne Zusatzdrehmomente aktivierbar ist. Wird das Verstellgetriebe betätigt und erreicht der Verstellwinkel der Nockenwelle die entsprechende Position bei der die Hemmeinrichtung zu aktivieren ist, so ist in diesem Bereich nahezu kein zusätzliches Drehmoment zur Aktivierung der Hemmeinrichtung erforderlich. Soll diese Position wieder verlassen werden, so ist hierzu lediglich ein bestimmtes minimales Losbrechmoment notwendig. Dies kann gezielt vom Verstellmotor aufgebracht werden.
- Die Blockiereinrichtung kann weiterhin derartig ausgelegt sein, dass der Verstellmotor die Blockiereinrichtung nicht aus eigener Kraft entriegeln kann. Eine Entriegelung hat dann bspw. manuell in einer Werkstatt zu erfolgen.
- Das notwendige Losbrechmoment kann auch richtungsabhängig unterschiedlich hoch gewählt sein.
- Weiterbildend ist es ebenfalls möglich, dass das notwendige Losbrechmoment drehzahlabhängig ausgelegt wird. So ist es möglich, dass der Mechanismus der drehzahlabhängigen Fliehkraft der Nockenwellendrehzahl ausgesetzt ist. So kann die Auslegung dieser Einrichtung so erfolgen, dass das erforderliche Losbrechmoment mit steigender Nockenwellendrehzahl steigt oder sinkt.
- Die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung kann mithilfe eines Magneten aktiviert werden. Hier kann ein Permanentmagnet am Nockenwellenantriebsrad oder an dem nockenwellenfesten Teil des Verstellgetriebes angebracht sein. Bei einer bestimmten Stellung des Verstellgetriebes wird der Abstand des Permanentmagneten zu dem weiteren Getriebeteil minimal bzw. kommt mit diesem in Kontakt. Soll diese bestimmte Winkelstellung des Verstellgetriebes wieder verlassen werden, so bedarf es eines bestimmten Losbrechmomentes, damit der Abstand des Permanentmagnet und des entsprechenden Getriebeteiles wieder vergrößert werden kann. In allen anderen Winkelstellungen des Verstellgetriebes ist der Abstand des Permanentmagnets zum entsprechenden Getriebeteil derartig groß, dass die Magnetkraft vernachlässigbar ist und keine zusätzlich notwendigen Verstellmomente notwendig sind. Ein zusätzlicher Aktuator kann die Blockiereinrichtung wieder entriegeln.
- Des Weiteren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.
-
1 zeigt die Draufsicht auf einen an sich bekannten Nockenwellenversteller, bestehend aus einem Antriebsrad1 , welches von der nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschiene getrieben wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Antriebsrad1 als Kettenrad ausgebildet und wird über eine Kette von einer Kurbelwelle her halbtourig angetrieben. Das Antriebsrad1 kann auch als Zahnscheibe ausgebildet sein, welche mit einem entsprechenden Zahnriemen zusammenwirkt. Die Drehrichtung des Antriebsrades1 und somit die der Nockenwelle ist mit dem Pfeil gekennzeichnet. - Das Antriebsrad
1 ist mit einer nicht dargestellten Innenverzahnung gekoppelt, welches durch ein Hauptgetriebe, das wiederum über drei Zahnräder2 getrieben wird, die nach Art von Planetenrädern um ein zentral angeordnetes Getriebeeingangsrad3 angeordnet sind und mit diesem in Eingriff stehen. Die nach Art von Planetenräder um das Getriebeeingangsrad3 angeordneten Zahnräder2 sind achsfest auf Zapfen einer Trägerplatte4 gelagert, welche drehfest mit dem Getriebeausgang5 , also der Nockenwelle bzw. einem Zwischenglied zur Nockenwelle verbunden ist (Zentralschraube6 ). Die1a) zeigt eine Seitenansicht des Verstellgetriebes mit einer Zentralschraube6 zur drehfesten Verbindung des Getriebeausgangs5 mit der Nockenwelle (nicht dargestellt), dem gegenüber dem Getriebeausgang5 verdrehbaren Antriebsrad1 , dem Getriebeeingangsrad3 sowie den um das Getriebeeingangsrad3 angeordneten Zahnrädern2 . Die Verstellung von Getriebeausgang5 (Nockenwelle) zu Antriebsrad1 erfolgt durch Einleiten eines Drehmomentes von einem nicht dargestellten Verstellmotor (Elektromotor) auf das zentrale Getriebeeingangsrad3 . - In
1 sind verschiedene Anschläge7 ,8 ,9 ,10 dargestellt, welche die maximale Verdrehbarkeit des Getriebeausganges5 , der Nockenwelle sowie des Antriebsrades1 zueinander definieren, letztlich also die maximale Früh- und die maximale Spätposition der Nockenwelle. Der antriebsseitige Endanschlag7 begrenzt das maximale Rückwärtsstellen des Getriebeausgangs5 , der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad1 , also die Spät-Stellung der Nockenwelle, indem dieser mit einem nockenwellenseitigen Endanschlag8 zusammenwirkt. Der Phasenwinkel φ entspricht dem Relativwinkel zwischen Antriebsrad1 und dem Getriebeausgang, der Nockenwelle. - Ein nockenwellenseitig fester Endanschlag
9 wirkt mit einem antriebsseitigen Endanschlag10 zusammen und definiert so das maximale Vorwärtsstellen, also die Früh-Position der Nockenwelle. -
1 zeigt letztlich den erfindungsgemäßen Fail-Safe-Mechanismus11 in Form einer Sperrvorrichtung, welche in einer noch zu beschreibenden Weise mit einem der Zahnräder2 zusammenwirkt. Die Sperrvorrichtung des Fail-Safe-Mechanismus11 ist mittels Befestigungsschrauben am Antriebsrad1 angebracht und so drehfest mit diesem verbunden. Der Fail-Safe-Mechanismus11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dem oberen der in den Figuren gezeigten drei Zahnräder2 zugeordnet - In
2 ist eine relative Verdrehung von Antriebsrad1 gegenüber dem Getriebeausgang5 , also der Nockenwelle in Richtung maximale Spätstellung dargestellt. Diese Verdrehung ist durch Einleiten eines entsprechenden Drehmomentes über das zentrale Getriebeeingangsrad3 bewirkt, wodurch die Zahnräder2 in Richtung des dargestellten Richtungspfeiles verdreht wurden und über die Innenverzahnung des Antriebsrades1 die relative Verdrehung erzeugten. In dieser Position nahe der maximalen Spätstellung der Nockenwelle hat sich das in den Figuren jeweils oben dargestellte Zahnrad2 dem Fail-Safe-Mechanismus11 angenähert. Der zugehörige Phasenwinkel φ zwischen Antriebsrad1 und dem Getriebeausgang5 hat sich gegenüber dem in1 verkleinert. - Bei weiterer Verdrehung von Getriebeausgang
5 gegenüber dem Antriebsrad1 kommt der Kopfbereich des Zahnrades2 in Kontakt mit einer schwenkbar gelagerten Sperrklinke12 des Fail-Safe-Mechanismus11 . Formgebung und die Schwenklagerung der Sperrklinke12 sind derartig, dass dieses durch das in Richtung des Pfeiles drehende Zahnrad2 , welches ein Verstellen der Nockenwelle in Richtung maximaler Spätstellung bewirkt, in Freigangrichtung eingedrückt wird, also die Drehung des Zahnrades2 in dieser Drehrichtung nicht hindert. Die Nockenwelle kann so bis in die maximale Spätstellung verfahren werden – genau dieser Position ist der Fail-Safe-Mechanismus11 mit der Sperrklinke12 zugeordnet. - Die
3 sowie die vergrößerten Darstellungen der4 –6 des Fail-Safe-Mechanismus11 zeigen, wie die schwenkbar gelagerte Sperrklinke12 , welche durch die Kraft einer Druckfeder13 in Sperrrichtung (hier in Uhrzeigersinn) gespannt ist, durch die Zähne des sich in Richtung des Pfeiles drehende Zahnrad2 nachgibt, die Drehung also nicht hindert. - Die
4 –9 zeigen, dass die Sperrklinke12 ihr Schwenklager14 in einem um eine weitere Schwenkachse15 (parallel zu Schwenklager14 ) gelagerten Lagerteil16 hat, welches durch eine weitere Druckfeder17 entgegen dem Uhrzeigersinn vorgespannt ist. Die Druckfeder17 stützt sich hierbei an einem Basisteil18 ab, welches das Schwenklager15 für das Lagerteil16 aufweist und somit die beschriebenen Teile des Fail-Safe-Mechanismus11 trägt. - Die
4 –6 zeigen, wie die Sperrklinke12 durch das sich in Pfeilrichtung drehende Zahnrad2 – diese Drehrichtung bewirkt das Anfahren der maximalen Spätstellung – entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. In7 ist das Erreichen der maximalen Spätstellung wiedergegeben – die Sperrklinke12 sperrt nun durch die Kraft der Druckfeder13 das Zahnrad2 . - Die Sperrung des Zahnrades
2 gegen ein Zurückdrehen wirkt aber nur bis zu einem gewissen Drehmoment. Bedingt durch die Hebelverhältnisse der Schwenklager14 ,15 in Verbindung mit den Kennlinien der Druckfedern13 ,17 vermag die Sperrklinke12 einer Drehung des Zahnrades2 in der entgegengesetzten Richtung bis zu einem bestimmten Moment sperrend entgegen zu wirken. Wird ein bestimmtes Moment überschritten, so verschwenkt die Sperrklinke12 entgegen der Druckfeder17 das Lagerteil16 in Uhrzeigerrichtung und gibt so das Zahnrad2 wieder frei. Die Drehung des Zahnrades2 , welches nun ein Verlassen der maximalen Spätstellung bewirkt, ist in den8 und9 mit dem Richtungspfeil dargestellt. - Das Drehmoment, welches aufzuwenden ist, um die durch die Sperrklinke
12 fixierte maximale Spätstellung wieder zu verlassen, ist durch entsprechende Dimensionierung der beschriebenen Elemente des Fail-Safe-Mechanismus11 so gewählt, dass diese Position nur bei intaktem und treibendem Antriebsmotor (Elektromotor) verlassen werden kann, dieser also über das zentrale Getriebeeingangsrad3 die Rückdrehung des Zahnrades2 bewirkt. Die im Betrieb wirkenden Wechselmomente an der Nockenwelle reichen wegen der hohen Untersetzung des Getriebes und dem fehlendem Antriebsmoment des Motors nicht aus. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Antriebsrad, Kettenrad, Antriebsseite
- 2
- Zahnrad, Planetenrad
- 3
- Getriebeeingangsrad
- 4
- Trägerplatte
- 5
- Getriebeausgang, Abtriebsseite
- 6
- Zentralschraube, Verbindung Nockenwelle
- 7
- Endanschlag
- 8
- Endanschlag
- 9
- Endanschlag
- 10
- Endanschlag
- 11
- Sperrvorrichtung, Fail-Safe-Mechanismus
- 12
- Sperrklinke
- 13
- Druckfeder (Sperrklinke)
- 14
- Schwenklager (Sperrklinke
12 ) - 15
- Schwenklager (Lagerteil
16 ) - 16
- Lagerteil
- 17
- Druckfeder (Lagerteil
16 ) - 18
- Basisteil (Fail-Safe-Mechanismus)
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
- Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
- Zitierte Patentliteratur
-
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- DE 10248355 A1 [0002]
- DE 10352255 A1 [0003]
- EP 1504172 B1 [0005]
- EP 2011/050861 [0006]
- DE 10332264 A1 [0007]
Claims (7)
- Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, mit einem von der Verbrennungskraftmaschine her getriebenen Antriebsrad (
1 ), über welches das Antriebsmoment für die Nockenwelle eingeleitet wird, einem mit der Nockenwelle drehfest gekoppelten Getriebeausgang (5 ), einem mit einem Antriebsmotor gekoppelten Getriebeeingangsrad (3 ), über welches das die relative Verdrehung zwischen Antriebsrad (1 ) und Getriebeausgang (5 ) bewirkende Verstellmoment in das Verstellgetriebe eingeleitet wird, wobei ein eine Sperrung des Verstellgetriebes bewirkender Fail-Safe-Mechanismus (11 ) vorgesehen ist, welcher im Falle des Ausbleibens eines über das Getriebeeingangsrad (3 ) einzubringenden Verstellmomentes auf ein zwischen Antriebsrad (1 ) und Getriebeausgang (5 ) befindliches Getriebeelement (2 ) einwirkt. - Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (
11 ) hält das Verstellgetriebe in einer der Endlagen, welche der maximalen Früh- bzw. Spätposition der Nockenwelle entspricht. - Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dem die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkenden Fail-Safe-Mechanismus (
11 ) ist ein Aktuator zugeordnet, vermittels dem die Sperrung aufhebbar ist. - Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 und 2, der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (
11 ) ist durch Aufbringen eines vom Getriebeeingangsrad (3 ) aufzubringendes Mindestverstellmoment lösbar. - Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (
11 ) ist als eine durch eine Feder (13 ) vorgespannte Sperrklinke (12 ) ausgebildet, welche mit einem zwischen Antriebsrad (1 ) und Getriebeausgang (5 ) geschalteten Zahnrad (2 ) zusammenwirkt. - Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, die durch eine Feder (
13 ) vorgespannte Sperrklinke (12 ) ist auf einem drehfest mit dem Antriebsrad (1 ) oder dem Getriebeausgang (5 ) gekoppelten Basisteil (18 ) angebracht. - Nockenwellenversteller nach Anspruch 4 und 5, die durch eine Feder (
13 ) vorgespannte Sperrklinke (12 ) ist auf einem durch eine weitere Feder (17 ) gespannten und gegenüber dem Basisteil (18 ) verschwenkbar gelagerten Lagerteil (16 ) angebracht.
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