DE102012223398A1 - Camshaft adjuster of internal combustion engine, has electro-active polymer film that is provided as actuator, by which relative rotation of rotor and stator is performed - Google Patents

Camshaft adjuster of internal combustion engine, has electro-active polymer film that is provided as actuator, by which relative rotation of rotor and stator is performed Download PDF

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Abstract

The camshaft adjuster (1) has a stator (2) and rotatable rotor (3). An electro-active polymer film (4) is provided as an actuator, by which a relative rotation of the rotor and the stator is performed. The electro-active polymer film during the relative rotation of the biasing spring (5) is reset. The rotor configured to form a chamber system in vane construction. The electro-active polymer film of the rotor is separated from each other by a wing (7). The electro-active polymer film has a centrally apertured electrode for supplying current.

Description

Gebiet der ErfindungField of the invention

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit einem Stator und einem zum Stator verdrehbaren Rotor.The invention relates to a camshaft adjuster with a stator and a rotor rotatable to the stator.

Hintergrund der ErfindungBackground of the invention

Nockenwellenversteller sind in den unterschiedlichsten Bauformen bekannt und verbreitet. Hierzu gehören die Flügelzellenversteller, die Axialkolbenversteller und die elektromotorisch betriebenen Versteller. Gattungsgemäße Nockenwellenversteller sind zwischen eine Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und eine beispielsweise Einlassventilen und/oder Auslassventilen zugeordnete Nockenwelle zwischengeschaltet, um die Drehwinkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zur Beeinflussung der Ladungszustände der Brennkraftmaschine zu beeinflussen. Hierzu besitzen bekannte Nockenwellenversteller ein Antriebselement, beispielsweise ein Antriebszahnrad, welches insbesondere über ein Zugmittel, wie einen Riemen oder eine Kette, in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle steht. Weiterhin besitzen die Nockenwellenversteller ein Abtriebselement, welches in Antriebsverbindung mit einer Nockenwelle steht, beispielsweise unter Zwischenschaltung einer getrieblichen Verbindung oder unter unmittelbarer Befestigung an der Nockenwelle. Eine Betätigung des Nockenwellenverstellers erfolgt über ein Stellaggregat mit einem Druckmittel, welches auf eine erste Wirkfläche sowie eine zweite Wirkfläche des Stellaggregates wirkt, wodurch Kräfte und Bewegungen zwischen Antriebselement und Antriebselement hervorgerufen werden.Camshaft adjusters are known and widely used in a wide variety of designs. These include the Flügelzellenversteller, the Axialkolbenversteller and the electric motor operated stage. Generic camshaft adjusters are interposed between a crankshaft of an internal combustion engine and a camshaft, for example, associated with intake valves and / or exhaust valves, in order to influence the rotational angular position between the camshaft and the crankshaft for influencing the charge states of the internal combustion engine. For this purpose, known camshaft adjusters have a drive element, for example a drive gear wheel, which is in drive connection with the crankshaft, in particular via a traction means, such as a belt or a chain. Furthermore, the camshaft adjuster have an output element which is in drive connection with a camshaft, for example, with the interposition of a geared connection or under direct attachment to the camshaft. An actuation of the camshaft adjuster via an actuator with a pressure medium, which acts on a first active surface and a second active surface of the actuator, whereby forces and movements between the drive element and the drive element are caused.

Nach Maßgabe der Veränderung des Abstandes der Wirkflächen ist die relative Winkellage zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement veränderbar. Für Nockenwellenversteller in Axialkolbenbauweise bedeutet dies, dass die Wirkflächen, bspw. eine Kolbenfläche und eine Begrenzung eines Druckraumes, axial gegeneinander verschoben werden. Für einen Nockenwellenversteller in Flügelzellenbauweise bedeutet dies hingegen, dass eine Wirkfläche eines Flügels, welcher dem Antriebs- oder Abtriebselement zugeordnet ist, in Umfangsrichtung gegenüber einer die gebildeten Druckräume begrenzenden Fläche des anderen von dem Antriebselement oder Abtriebselement verschoben wird.According to the change in the distance of the active surfaces, the relative angular position between the drive element and the output element is variable. For camshaft adjuster in axial piston design, this means that the active surfaces, for example, a piston surface and a boundary of a pressure chamber, are moved axially against each other. For a vane-type camshaft adjuster, however, this means that an active surface of a wing, which is assigned to the drive or driven element, is displaced in the circumferential direction relative to a surface of the other bounding the pressure chambers formed by the drive element or driven element.

Derartige Nockenwellenversteller erfordern einen erhöhten Aufwand für die Ausbildung der Druckräume, die mit relativ zueinander bewegten begrenzenden Bauteilen ein veränderliches Volumen aufweisen müssen und im Kontaktbereich der relativ zueinander bewegten Bauteile abgedichtet sein müssen. Dies bedingt beispielsweise viele Präzisionsteile, was mit hohen Herstellungskosten verbunden ist. Weiterhin stellt diese Anforderung eine Begrenzung für Gewichtsoptimierungsmöglichkeiten dar. Unter Umständen ist eine letzte Abdichtung der Druckräume und des gesamten Nockenwellenverstellers erst mit der Montage an der Nockenwelle oder einem Zylinderkopf, erforderlich. Darüber hinaus stellen die bekannten Lösungen für Nockenwellenversteller Einschränkungen hinsichtlich der Bauraumgestaltungen dar, insbesondere infolge der Gestaltung der Kolben, der Druckräume und der die Druckräume begrenzenden Flächen.Such camshaft adjusters require increased effort for the formation of the pressure chambers, which must have a variable volume with relatively moving limiting components and must be sealed in the contact region of the relatively moving components. This requires, for example, many precision parts, which is associated with high production costs. Furthermore, this requirement is a limitation for weight optimization options. Under certain circumstances, a final sealing of the pressure chambers and the entire camshaft adjuster only with the installation on the camshaft or a cylinder head, required. In addition, the known solutions for camshaft adjuster represent restrictions in terms of space design, in particular due to the design of the piston, the pressure chambers and the pressure chambers bounding surfaces.

Wenn im Falle eines elektrischen Nockenwellenverstellers der Motor eine Relativbewegung zur Nockenwelle herstellen muss, ist es notwendig, dass der Motor immer die Drehzahl der Nockenwelle überlagern muss. Dies stellt einen hohen Rechenaufwand und Verschwendung dar. Wenn der Nockenwellenversteller jetzt nicht verstellt werden muss, muss der Motor trotzdem die Nockenwellendrehzahl mitgehen. Im Falle einer Störung am Eingangsmotor steht das ganze System. Dadurch dass der Motor immer mitlaufen muss, benötigt das System viel Energie. In the case of an electric camshaft phaser, if the engine needs to make a relative movement to the camshaft, it is necessary that the engine always overlap the speed of the camshaft. This is a high computational effort and waste. If the camshaft adjuster now does not need to be adjusted, the engine must still go along with the camshaft speed. In case of a fault on the input motor, the whole system is available. Because the engine always has to run, the system needs a lot of energy.

Bei Flügelzellenverstellern und Axialkolbenverstellern findet Öl als Aktor Verwendung. Das Öl muss gereinigt und in einem gewissen Druckfenster zur Verfügung gestellt werden. Ferner benötigt man noch ein Ventil zur Ansteuerung. Dies alles ist kostenintensiv.For vane and axial piston adjusters, oil is used as an actuator. The oil must be cleaned and made available in a certain pressure window. Furthermore, you still need a valve for control. All this is costly.

Aus der Druckschrift DE 10 2005 010 712 A1 ist der Einsatz eines druckmittelbetätigten Muskels für einen Nockenwellenversteller bekannt.From the publication DE 10 2005 010 712 A1 is the use of a fluid-actuated muscle for a camshaft adjuster known.

Aufgabe der ErfindungObject of the invention

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden.The present invention has for its object to avoid the disadvantages mentioned above.

Zusammenfassung der ErfindungSummary of the invention

Die Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.The object is achieved by a camshaft adjuster according to claim 1. Advantageous embodiments are the subject of the dependent claims.

Erfindungsgemäß wird die Einfachheit eines Flügelzellenverstellers in Kombination mit der Vollvariabilität, die eine elektrische Ansteuerung bietet, genutzt. Hierzu ist es notwendig, dass in den Kammern der Flügelzelle ein Material untergebracht wird, das es ermöglicht, dass sich der Hohlraum in der Kammer ausdehnt und somit den Rotor zum Stator verdreht. Dadurch wird eine Relativbewegung zur Nockenwelle herstellt.In accordance with the invention, the simplicity of a vane phaser in combination with the full variability that provides electrical drive is utilized. For this purpose, it is necessary that in the chambers of the vane a material is accommodated, which allows the cavity in the chamber expands and thus rotates the rotor to the stator. As a result, a relative movement is produced to the camshaft.

Somit ist gemäß der Erfindung der Einsatz von sogenannten elektroaktive Polymerfolien, nachfolgend mit EAP-Folien bezeichnet, vorgesehen. Diese haben in der Mitte eine gelochte Elektrode, welche bestromt werden kann. Die EAP-Folie kann sie sich unter Bestromung zusammenziehen oder auseinander gedrückt werden. Der Nockenwellenversteller weist zumindest eine EAP-Folie auf.Thus, according to the invention, the use of so-called electroactive polymer films, hereafter referred to as EAP films. These have a perforated electrode in the middle, which can be energized. The EAP sheeting can contract under energization or be pushed apart. The camshaft adjuster has at least one EAP film.

Wird mehr Kraft für die Verstellung durch den Nockenwellenversteller benötigt, so kann die Mischung der Folie verändert, bzw. in der Stärke angepasst werden. If more force is needed for the adjustment by the camshaft adjuster, so the mixture of the film can be changed or adjusted in strength.

Um den Stellweg des Nockenwellenverstellers zu vergrößern, werden mehrere EAP-Folien gestapelt angeordnet. Bei Bestromung aller EAP-Folien vollzieht jedes dieser EAP-Folien einen für sich genommenen geringen Weg, welcher sich jedoch durch die gestapelte, einer Reihenschaltung ähnlichen, Anordnung der EAP-Folien zum gewünschten Stellweg addiert. Vorteilhafterweise lassen sich so verschiedene Stellwege durch die unterschiedliche Gesamtanzahl von EAP-Folien im Stapel ausbilden.To increase the travel of the camshaft adjuster, several EAP films are stacked. When all EAP foils are supplied with power, each of these EAP foils takes a small path taken by itself, which, however, adds up to the desired travel range due to the stacked arrangement of the EAP foils similar to a series connection. Advantageously, different travel ranges can thus be formed by the different total number of EAP films in the stack.

Alternativ kann ein bereits vorhandener Stapel von EAP-Folien vorhanden sein, wobei nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien bestromt wird. Dadurch fährt auch nur ein Teil der gestapelten EAP-Folien einen Stellweg, welcher geringer ist als der maximal mögliche Stellweg. Vorteilhafterweise ist so ein vordefinierter Stapel von EAP-Folien für unterschiedlich große Stellwege einsetzbar.Alternatively, an already existing stack of EAP films may be present, with only a portion of the stacked EAP films being energized. As a result, only a part of the stacked EAP foils drives a travel which is less than the maximum possible travel. Advantageously, such a predefined stack of EAP films for different sized travel paths can be used.

Im Gegensatz zu einem Piezostack generieren EAP-Folien einen Weg von ca. 300% ihrer Bauhöhe bei Bestromung.In contrast to a piezo stack, EAP foils generate a distance of approx. 300% of their overall height when energized.

Eine Befestigung im Außenbereich des Verbrennungsmotors ist einfach umsetzbar, da nicht auf Öldichtheitsanforderungen geachtet werden muss. Der Nockenwellenversteller ist einfach elektrisch ansteuerbar, da er keinen Motor und kein Getriebe erfordert. An attachment in the outer area of the internal combustion engine is easy to implement, since it does not have to pay attention to oil-tightness requirements. The camshaft adjuster is easily electrically controlled, since it requires no engine and no gearbox.

An die Front wird noch ein kleiner Mikrocontroller angeflanscht.A small microcontroller is flanged to the front.

Kurze Beschreibung der FigurenBrief description of the figures

In den Zeichnungen ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Es zeigt:In the drawings, an embodiment of the invention is shown. It shows:

1 einen Nockenwellenversteller mit einem EAP-Folienstack im Querschnitt. 1 a camshaft adjuster with an EAP foil layer in cross section.

Ausführliche Beschreibung der FigurenDetailed description of the figures

Die Figur zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Stator 2 und einem Rotor 3. Der Stator 2 ist außenliegend angeordnet und weist nach innen gerichtete Vorsprünge 9 auf, die in Kontakt mit dem Rotor 3 stehen. Zwischen den Vorsprüngen sind Kammern 6 ausgebildet, in die sich Flügel 7 des Rotors 3 erstrecken (vorliegend nur ein Flügel 7 dargestellt). Der gezeichnete Rotor 3 hat der Einfachheit halber nur einen Flügel 7. Er kann auch zwei drei oder mehr Flügel 7 haben. Dies kommt ganz auf den Verstellwinkel und die benötigte Verstellkraft an. Dieser Flügel 7 wird bei Bestromung von einem elektroaktiven Polymer Aktor 4 gegen den Uhrzeigersinn gedrückt. Wird die Feldstärke reduziert zieht sich der Aktor zusammen und die Rückstellfeder 5 drückt den Flügel 7 wieder zurück nach rechts. Dies kann aber auch ein zweiter Aktor anstelle der Feder 7 übernehmen. Hier bieten sich alle gestalterischen Freiheiten.The figure shows a camshaft adjuster 1 with a stator 2 and a rotor 3 , The stator 2 is located outside and has inwardly directed projections 9 on that in contact with the rotor 3 stand. Between the projections are chambers 6 trained in the wings 7 of the rotor 3 extend (in the present case only one wing 7 shown). The drawn rotor 3 For the sake of simplicity, it has only one wing 7 , He can also have two or three wings 7 to have. This depends entirely on the adjustment angle and the required adjustment. This wing 7 becomes actor energized by an electroactive polymer 4 pressed counterclockwise. If the field strength is reduced, the actuator contracts and the return spring 5 press the wing 7 back to the right again. But this can also be a second actuator instead of the spring 7 take. Here are all creative freedom.

Da der zentrale Bereich in der Bohrung nicht zur Ölverteilung genutzt wird, kann der ganze Nockenwellenversteller 1 deutlich verkleinert werden. Since the central area in the hole is not used for oil distribution, the whole camshaft adjuster 1 be significantly reduced.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Nockenwellenversteller Phaser
22
Stator stator
33
Rotor rotor
44
elektroaktive Poymerfolie electroactive polymer film
55
Feder feather
66
Kammer chamber
77
Flügel wing
88th
Stapel stack
99
Vorsprung head Start

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

  • DE 102005010712 A1 [0007] DE 102005010712 A1 [0007]

Claims (6)

Nockenwellenversteller (1) mit einem Stator (2) und einem zum Stator (2) verdrehbaren Rotor (3), dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine elektroaktive Polymerfolie (4) als Aktor aufweist, über welche eine Relativdrehung des Rotors (3) und des Stators (2) erfolgt.Camshaft adjuster ( 1 ) with a stator ( 2 ) and one to the stator ( 2 ) rotatable rotor ( 3 ), characterized in that the camshaft adjuster ( 1 ) an electroactive polymer film ( 4 ) as an actuator, via which a relative rotation of the rotor ( 3 ) and the stator ( 2 ) he follows. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine Feder (5) aufweist, wobei die elektroaktive Polymerfolie (4) während der Relativdrehung die Feder (5) zur Rückstellung vorspannt. Camshaft adjuster according to claim 1, characterized in that the camshaft adjuster ( 1 ) a feather ( 5 ), wherein the electroactive polymer film ( 4 ) during the relative rotation of the spring ( 5 ) to the provision. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (2) und der Rotor (3) ein Kammersystem in Flügelzellenbauweise bilden, wobei die elektroaktive Polymerfolie in einer oder mehreren Kammern (6) angeordnet ist.Camshaft adjuster according to claim 1, characterized in that the stator ( 2 ) and the rotor ( 3 ) form a vane-cell chamber system, wherein the electro-active polymer film in one or more chambers ( 6 ) is arranged. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) zwei elektroaktive Polymerfolien (4) aufweist, die durch einen Flügel (7) des Rotors (3) voneinander getrennt sind, wobei die elektroaktiven Polymerfolien (4) die Verstellung in beide Verstellrichtungen bewirken.Camshaft adjuster according to claim 1, characterized in that the camshaft adjuster ( 1 ) two electroactive polymer films ( 4 ), which by a wing ( 7 ) of the rotor ( 3 ), the electroactive polymer films ( 4 ) effect the adjustment in both adjustment directions. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die elektroaktiven Polymerfolien (4) mittig eine gelochte Elektrode zur Bestromung aufweisen.Camshaft adjuster according to claim 1, characterized in that the electroactive polymer films ( 4 ) have centrally a perforated electrode for energizing. Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Aktor als ein Stapel (8) elektroaktiver Polymerfolien (4) ausgebildet ist.Camshaft adjuster according to claim 1, characterized in that the actuator as a stack ( 8th ) electroactive polymer films ( 4 ) is trained.
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