DE102016215679A1

DE102016215679A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102016215679A1
Application number: DE102016215679.9A
Authority: DE
Inventors: Ali BAYRAKDAR
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-08-22
Filing date: 2016-08-22
Publication date: 2018-02-22

Abstract

Ein Nockenwellenversteller umfasst einen Elektromotor (2), ein Stellgetriebe (3), sowie eine mit dem Stellgetriebe (3) zusammenwirkende hydraulische Bremse (6), insbesondere Strömungsbremse.

Description

Die Erfindung betrifft einen zum Verstellen einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors geeigneten elektrischen Nockenwellenversteller, welcher einen Elektromotor und ein von diesem betätigtes Stellgetriebe umfasst.
Ein derartiger elektrischer Nockenwellenversteller ist zum Beispiel aus der DE 10 2011 083 800 A1 bekannt. Ein elektrischer Verstellmotor dieses bekannten Nockenwellenverstellers ist an einem Bauteil eines Verbrennungsmotors elastisch abgestützt.
Ein weiterer elektromechanischer Nockenwellenversteller ist zum Beispiel in der DE 10 2008 039 008 A1 offenbart. Der Verstellbereich dieses Nockenwellenverstellers ist im Sinne eines fail-safe-Konzeptes begrenzt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelten elektrischen Nockenwellenversteller anzugeben, welcher sich durch eine besonders hohe Betriebssicherheit bei zugleich hoher Energieeffizienz auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Nockenwellenversteller weist als elektromechanischer Nockenwellenversteller in an sich bekannter Grundkonzeption einen Elektromotor sowie ein mit diesem zusammenwirkendes Stellgetriebe auf. Erfindungsgemäß weist der Nockenwellenversteller weiter eine mit dem Stellgetriebe zusammenwirkende hydraulische Bremse auf. Bei der hydraulischen Bremse handelt es sich vorzugsweise um eine Strömungsbremse. Hinsichtlich grundsätzlicher Eigenschaften von Strömungsbremsen wird beispielhaft auf die Dokumente DE 28 15 294 B1 sowie DE 2 106 931 C verwiesen.
Die hydraulische Bremse des Nockenwellenverstellers hat vorzugsweise eine Doppelfunktion: Zum einen sorgt sie bei Energieausfall des Elektromotors dafür, dass der Nockenwellenversteller im Sinne eines fail-safe-Konzeptes selbsttätig einen definierten Zustand einnimmt oder in einem solchen Zustand verbleibt. Zum anderen sind bestimmte Verstellvorgänge durch die Wirkung der hydraulischen Bremse im bestimmungsgemäßen Betrieb des Nockenwellenverstellers unterstützbar, was der Energieeffizienz zugutekommt.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die hydraulische Bremse, nämlich Strömungsbremse, ein erstes, am Gehäuse des Elektromotors oder einem anderen relativ zum Gehäuse des Elektromotors nicht drehbaren Teil gehaltenes Bremsenteil und ein zweites Bremsenteil, welches mit einem rotierbaren Getriebeelement des Stellgetriebes drehfest verbunden ist. Unter den Begriff „Getriebeelement“ wird hierbei auch eine Eingangswelle des Stellgetriebes, eine sonstige Welle des Stellgetriebes, sowie ein Kupplungsteil, welches mit einer Welle des Stellgetriebes verbunden ist, subsumiert.
Eine Drehmomentübertragung zwischen den beiden Bremsenteilen ist prinzipiell vergleichbar mit der Drehmomentübertragung in einem Drehmomentwandler, wie er zum Beispiel im Antriebsstrang von Kraftfahrzeugen zum Einsatz kommt. Im Fall des elektrischen Nockenwellenverstellers hängt die Bremswirkung der hydraulischen Bremse maßgeblich davon ab, inwieweit diese mit Öl beaufschlagt ist. Solange die hydraulische Bremse vollständig oder weitgehend frei von Öl ist, tritt praktisch keine Bremswirkung auf. In diesem Zustand ist der elektrische Nockenwellenversteller entsprechend einem herkömmlichen Nockenwellenversteller ohne hydraulische Bremse betreibbar. Sobald dagegen die hydraulische Bremse mit Öl, nämlich Motoröl, beaufschlagt wird, tritt die gewünschte Bremswirkung ein, wobei das erzeugte Bremsmoment vorzugsweise größer als das vom Elektromotor erzeugbare Drehmoment ist.
Fällt der Elektromotor, etwa aufgrund von Kabelbruch, aus, so kann nur noch ein geringes Bremsmoment vom Rotor des Elektromotors auf die Anordnung, welche das Stellgetriebe sowie die hydraulische Bremse umfasst, übertragen werden. Innerhalb der Anordnung aus dem Stellgetriebe und der hydraulischen Bremse wird dieser Zu stand in vorteilhafter Ausgestaltung durch ein Federelement erkannt, welches als Sensorfeder fuingiert. Ebenso kann eine Anordnung aus mehreren Federn im Sinne einer Sensorfederanordnung wirken. In jedem Fall erzeugt die Feder beziehungsweise die Federanordnung ein zwischen relativ zueinander beschränkt verschwenkbaren Teilen wirkendes Drehmoment, welches das Bremsmoment des Elektromotors signifikant, vorzugsweise um ein mehrfaches, übersteigt. Hierdurch wird ein Betriebszustand eingenommen, in welchem Öl, nämlich Motoröl, zu Schaufeln der Bremsenteile geleitet wird, womit diese ihre Bremswirkung entfalten. Der Bremsvorgang wird selbsttätig solange fortgesetzt, bis eine Anschlagposition der Nockenwelle erreicht ist, in welcher diese im weiteren Betrieb des Verbrennungsmotors verbleibt. Vorzugsweise handelt es sich hierbei um die Extremposition in Richtung „früh“.
Wird dagegen im bestimmungsgemäßen Betriebe des Nockenwellenverstellers die Nockenwelle mit Hilfe des Elektromotors in Richtung „spät“ verstellt, so wirkt das vom Elektromotor erzeugte Drehmoment dem mit Hilfe der genannten Feder oder Federn erzeugten Moment entgegen. Das im Vergleich zum Bremsmoment wesentlich höhere Antriebs-Drehmoment des Elektromotors überwindet das von der Feder beziehungsweise den Federn erzeugte Moment, womit ein Schaltzustand angenommen wird, in welchem die Ölzufuhr zu den Schaufeln der Bremsenteile gestoppt ist. Stattdessen wird das Öl, nämlich Motoröl, an anderer Stelle ausgeleitet. Die Zuleitung des Motoröls kann beispielsweise über die Nockenwelle erfolgen. Die Erzeugung von Drehmoment mittels des Elektromotors ist somit mit einer Außerbetriebsetzung der hydraulischen Bremse gleichbedeutend. Der elektrische Nockenwellenversteller kann damit, solange die Energieversorgung des Elektromotors gegeben ist, entsprechend einem herkömmlichen Nockenwellenversteller betrieben werden. Von besonderem Vorteil ist die Tatsache, dass für die Aktivierung sowie Deaktivierung der hydraulischen Bremse kein zusätzliches Bauteil, etwa in Form eines Magnetventils, erforderlich ist. Vielmehr wird die hydraulische Bremse ausschließlich durch das Öffnen und Schließen von Strömungskanälen betätigt, was selbsttätig durch den Drehmomentfluss zwischen dem Elektromotor und dem Stellgetriebe erfolgt.
In raumsparender Anordnung kann sich die hydraulische Bremse axial zwischen dem Elektromotor und dem Stellgetriebe befinden. Sofern zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe eine Ausgleichskupplung, insbesondere Oldham-Kupplung, geschaltet ist, ist eines der Bremsenteile der hydraulischen Bremse vorzugsweise mit einem Kupplungsteil der Ausgleichskupplung drehfest verbunden.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 einen Nockenwellenversteller in teilweise geschnittener Ansicht,
2 einen Querschnitt des Nockenwellenverstellers nach 1.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Nockenwellenversteller ist zur Verstellung einer nicht dargestellten Nockenwelle eines Verbrennungsmotors vorgesehen und umfasst einen Elektromotor 2 und ein Stellgetriebe 3, nämlich Wellgetriebe. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Die mit 4 bezeichnete Motorwelle des Elektromotors 2 ist über eine Ausgleichskupplung 5, nämlich Oldham-Kupplung, mit dem Stellgetriebe 3 gekoppelt. Weiter ist zwischen den Elektromotor 2 und das Stellgetriebe 3 eine hydraulische Bremse 6, nämlich Strömungsbremse, geschaltet. Die hydraulische Bremse 6 umfasst ein erstes Bremsenteil 7 und ein zweites Bremsenteil 8, welche jeweils Schaufeln aufweisen, die in Zusammenwirkung mit einem Hydraulikmedium, nämlich Öl, für die gewünschte Bremswirkung sorgen. Das erste Bremsenteil 7 ist fest mit einem Gehäuse 9 des Elektromotors 2 verbunden, während das zweite Bremsenteil 8 an einem Kupplungsteil 10 der Oldham-Kupplung 5 befestigt ist. Das Kupplungsteil 10, bei welchem es sich um ein Getriebeelement des Stellgetriebes 3 handelt, ist innerhalb eines Getriebegehäuses 11 des Stellgetriebes 3 drehbar. Mit dem Kupplungsteil 10 ist ein Innenring 12 eines Wellgenerators 13 fest verbunden. In an sich bekannter Weise sorgt der Wellgenerator 13, welcher mit einem Wälzlager, nämlich Kugellager 14, arbeitet, dafür, dass ein elastisches, außenverzahntes Getriebeelement 15, nämlich ein Flexring, partiell gegen Innenverzahnungen von Hohlrädern 16, 17 gepresst wird. Während das Hohlrad 16 fest mit dem Getriebegehäuse 11 verbunden ist, ist das Hohlrad 17 innerhalb des Getriebegehäuses 11 drehbar und über ein Abtriebselement 18 mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verbunden. In 1 ist ferner eine Anschlagscheibe 19 erkennbar, welche den Verstellbereich der Nockenwelle begrenzt. Die gemeinsame Rotationsachse der Nockenwelle und des Stellgetriebes 3 ist mit R bezeichnet.
Bei einem mit 20 bezeichneten Antriebsrad des Stellgetriebes 3 handelt es sich um ein bezüglich des Stellgetriebes 3 gehäusefestes Element, welches über einen nicht dargestellten Ketten- oder Riementrieb von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben wird. Solange die Motorwelle 4 des Elektromotors 2 mit der Drehzahl der Antriebswelle 20 und damit des gesamten Getriebegehäuses 11 rotiert, findet keine Phasenverstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle statt. Ein Abbremsen der Motorwelle 4 relativ zum rotierenden Getriebegehäuse 11 bedeutet eine Verstellung der Nockenwelle in Richtung „früh“. Dieser Verstellvorgang wird automatisch dann eingeleitet, wenn der Elektromotor 2 ausfällt. In diesem Fall wird innerhalb des Elektromotors 2 ein lediglich geringes Reibungsmoment erzeugt, welches auf die Motorwelle 4 wirkt. Diesem Reibmoment wirkt ein durch Federkraft, nämlich durch Federn 21, erzeugtes Stellmoment entgegen, welches das Reibungsmoment überwindet und für einen definierten Zustand innerhalb des Stellgetriebes 3 sorgt. Eine beschränkte Winkelbeweglichkeit innerhalb der Oldham-Kupplung 5 geht aus dem Schnitt nach 2 hervor. Durch die definierte Winkelstellung, welche relativ zueinander begrenzt verschwenkbare Teile, unter anderem das Kupplungsteil 10, einnehmen, werden mit W bezeichnete Ölwege zu der hydraulischen Bremse 6 geöffnet. Die hydraulische Bremse 6 entfaltet damit ihre Bremswirkung, was mit einer Verstellung des Nockenwellenverstellers 1 in Richtung „früh“ einhergeht.
Im Gegensatz zu einer Verstellung in Richtung „früh“ kann eine Verstellung der Nockenwelle in Richtung „spät“ ausschließlich durch den Elektromotor 2 erfolgen. Das vom Elektromotor 2 aufgebrachte Drehmoment sorgt hierbei dafür, dass sich Getriebeelemente einschließlich des Kupplungsteils 10 im Stellgetriebe 3 derart gegeneinander verdrehen, dass die Ölzufuhr zur hydraulischen Bremse 6 gesperrt wird und das Öl, nämlich Motoröl des Verbrennungsmotors, über umgeschaltete Ölwege W an anderer Stelle vom Nockenwellenversteller 1 abgeleitet wird. Die hydraulische Bremse 6 ist damit außer Funktion gesetzt, womit eine Betätigung des Nockenwellenverstellers 1 durch den Elektromotor 2 in herkömmlicher Weise freigegeben ist.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Elektromotor
3: Stellgetriebe, Wellgetriebe
4: Motorwelle
5: Ausgleichskupplung, Oldham-Kupplung
6: hydraulische Bremse
7: erstes Bremsenteil
8: zweites Bremsenteil
9: Gehäuse
10: Kupplungsteil, Getriebeelement
11: Getriebegehäuse
12: Innenring
13: Wellgetriebe
14: Wälzlager, Kugellager
15: elastisches Getriebeelement, Flexring
16: Hohlrad
17: Hohlrad
18: Abtriebselement
19: Anschlagscheibe
20: Antriebsrad
21: Feder
R: Rotationsachse
W: Ölweg

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

DE 102011083800 A1 [0002]
DE 102008039008 A1 [0003]
DE 2815294 B1 [0005]
DE 2106931 C [0005]

Claims

Nockenwellenversteller, mit einem Elektromotor (2), einem durch diesen betätigbaren Stellgetriebe (3), sowie einer mit dem Stellgetriebe (3) zusammenwirkenden hydraulischen Bremse (6).
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Bremse (6) ein erstes, am Gehäuse (9) des Elektromotors (2) gehaltenes Bremsenteil (7) und ein zweites, mit einem rotierbaren Getriebeelement (10) des Stellgetriebes (3) drehfest verbundenes Bremsenteil (8) aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Bremse (6) schaltbare Ölwege (W) aufweist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die hydraulische Bremse (6) axial zwischen dem Elektromotor (2) und dem Stellgetriebe (3) angeordnet ist.