DE10352255B4

DE10352255B4 - Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10352255B4
Application number: DE10352255.7A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schäfer Jens; Dipl.-Ing. Steigerwald Martin; Dipl.-Ing. Heywood Jonathan
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2003-11-08
Filing date: 2003-11-08
Publication date: 2017-03-09
Anticipated expiration: 2023-11-09
Also published as: US20080314345A1; US7717072B2; DE10352255A1; US20070074692A1; US7882813B2; US20080236530A1; WO2005047658A1; JP2007510085A

Abstract

Verstellvorrichtung (1) zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle (2) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe (3), das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil (4), ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle (5) eines Verstellmotors (6) verbundene Verstellwelle (7) aufweist, wobei der Verstellmotor (6) als Elektromotor ausgebildet und räumlich getrennt von der Verstellwelle (7) platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das von ihm erzeugte Verstellmoment durch eine flexible Welle (8) mechanisch auf die Verstellwelle (7) übertragen wird.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle eines Verstellmotors verbundene Verstellwelle aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Bei modernen Brennkraftmaschinen dient ein Nockenwellenversteller zur Variation der Steuerzeiten der Gaswechselventile, wodurch eine Verbrauchs- und Leistungsverbesserung über den gesamten Last- und Drehzahlbereich erreicht wird. Es ist bekannt, dass Nockenwellenversteller hydraulisch betätigt werden können. Herkömmliche, hydraulisch betätigte Nockenwellenversteller (Axialkolbenversteller, Flügelzelle, Schwenk- und Segmentflügler) haben den Vorteil, dass das zur Ansteuerung benötigte Hydraulikventil nicht direkt axial vor dem Versteller angeordnet werden muss, sondern dezentral an einer Stelle angebracht werden kann, wo genügend Bauraum für das Ventil zur Verfügung steht. Das Öl wird über Bohrungen im Zylinderkopf zum Versteller geleitet. Dadurch bauen hydraulische Nockenwellenversteller sehr kurz und können auch unter beengten Einbaubedingungen eingebaut werden. Da bei herkömmlichen, hydraulischen Nockenwellenverstellern die Verstellung durch den Druck von Motoröl erfolgt, hängt die Funktion des Nockenwellenverstellers stark von der Temperatur des Motoröls ab. Bei niedrigen Temperaturen und somit dickflüssigem Öl reagiert der Nockenwellenversteller nicht oder nur träge durch den geringen Volumenstrom. Bei hohen Temperaturen und somit sehr dünnflüssigem Öl baut sich kein hoher Druck auf, weswegen auch unter dieser Bedingung nur eine langsame Verstellung erfolgt. Außerdem hängt der Öldruck und damit die Funktion des Nockenwellenverstellers von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ab.
Diese Nachteile entfallen bei einem aus Elektromotor und Verstellgetriebe aufgebauten elektrischen Nockenwellenversteller. Wie jedoch beispielsweise der Offenlegung DE 41 10 195 A1 entnommen werden kann, ist dieser herkömmlicherweise derart ausgebildet, dass der Elektromotor axial vor dem Verstellgetriebe angeordnet ist und damit viel axialer Bauraum benötigt wird.
US 2002/0 170 513 A1 und DE 37 37 602 A1 offenbaren Nockenwellenversteller mit einem Schrittmotor als Verstellmotor. Die Verstellvorrichtungen benötigen relativ viel axialen Bauraum. Gleiches gilt für die Nockenwellenversteller der DE 693 12 060 T2 und DE 35 36 919 A1 , die von einem Pneumatikmotor bzw. einem Hydromotor angetrieben werden.
DE 197 02 670 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Nockenwellenversteller mit einem Elektromotor, der von der Verstellwelle räumlich getrennt und über einen Bowdenzug angebunden ist.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die die Vorteile der elektrischen Nockenwellenversteller mit dem Vorteil einer sehr kurzen Bauweise ähnlich wie bei den hydraulischen Vorrichtungen vereint.
Beschreibung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Entweder ist der Elektromotor räumlich getrennt von einem Verstellgetriebe platziert, wobei das von ihm erzeugte Verstellmoment durch eine flexible Welle mechanisch auf das Verstellgetriebe übertragen wird. Oder er ist radial oder parallel zur Nockenwelle angeordnet, und das von ihm erzeugte Verstellmoment wird über ein Zahnradgetriebe bzw. einen Sekundärtrieb auf die Verstellwelle übertragen.
Im ersten Fall kann der Elektromotor beliebig platziert werden. Das von ihm erzeugte Verstellmoment wird durch die flexible Welle übertragen. Die flexible Welle kann – wie eine Tachowelle – an den Einbauraum variabel angepasst werden und überträgt dabei die Rotation und das Moment von der Elektromotorwelle auf die Verstellwelle des Verstellgetriebes. Weil der Wirkungsgrad dieser Übertragung sehr hoch ist, kann die räumliche Trennung von Verstellgetriebe und Elektromotor realisiert werden. Um den Stromhaushalt der Umgebung der Brennkraftmaschine nicht zu sehr zu belasten, hat es sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, einen leistungsmäßig kleinen, aber schnell rotierenden Elektromotor zu verwenden. Sein Moment wird dann über die flexible Welle auf die Verstellwelle des Verstellgetriebes übertragen, dessen Übersetzungsverhältnis zweckmäßigerweise im Bereich 1:50 bis 1:120 liegt.
Sollte radial zur Verstellwelle Bauraum vorhanden sein, ist es möglich, den Verstellmotor radial anzuordnen. Sein Verstellmoment wird über ein Zahnradgetriebe, dessen Übersetzungsverhältnis vorzugsweise 1:1 ist, angetrieben. Als Getriebeausbildungen sind dabei beispielsweise Kegelradgetriebe, Schneckengetriebe oder Schraubradgetriebe denkbar. Der Vorteil dieses Systems ist, dass man weder Druckluftaggregate benötigt noch muss eine Integration in einen Fluidkreislauf erfolgen. Das System ist somit einfacher im Aufbau, unanfällig gegenüber Undichtigkeiten und damit wartungsfreundlicher.
Als Lösung wird ferner vorgeschlagen, den Verstellmotor parallel zum Verstellgetriebe anzuordnen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert und ist in den dazugehörigen Zeichnungen schematisch dargestellt.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines elektromechanischen Systems mit Elektromotor, flexibler Welle, Verstellgetriebe und Nockenwelle;
2 eine schematische Darstellung eines elektrisch-pneumatischen Systems mit Elektromotor, Verdichter, Rückschlagventil, Druckbehälter, Wegeventil, Pneumatikmotor, Verstellgetriebe und Nockenwelle;
3 eine schematische Darstellung eines elektrisch-hydraulischen Systems mit Elektromotor, Pumpe, Rückschlagventil, Druckbehälter, Wegeventil, Hydromotor, Verstellgetriebe und Nockenwelle;
4 eine Querschnittsdarstellung eines elektromechanischen Systems mit radial angeordneter Verstellmotorwelle;
5 einen Querschnitt eines elektromechanischen Systems mit parallel angeordnetem Verstellmotor.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus 1 geht die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer Verstellvorrichtung 1 zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle 2 gegenüber einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe 3, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil 4, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle 5 eines Elektromotors 6 verbundene Verstellwelle 7 aufweist, hervor. Das vom Elektromotor 6 erzeugte Verstellmoment der Verstellmotorwelle 5 wird von einer flexiblen Welle 8 mechanisch auf die Verstellwelle 7 übertragen. Dadurch ist eine räumliche Trennung von Elektromotor 6 und Verstellgetriebe 3 möglich; die dargestellte räumliche Lage der Komponenten der Verstellvorrichtung 1 ist nur als beispielhaft anzusehen, weil die flexible Welle 8 an den Einbauraum anpassbar ist.
2 zeigt die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer Verstellvorrichtung 1' zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle 2' gegenüber einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe 3', das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil 4', ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine von einem Pneumatikmotor 13 angetriebene Verstellwelle 7' aufweist. Das von einem Elektromotor 6' erzeugte Verstellmoment der Verstellmotorwelle 5' treibt einen Verdichter 9 an, der einen Druckbehälter 10 mit Druckluft versorgt. Zwischen Druckbehälter 10 und Verdichter 9 ist dabei ein Rückschlagventil 11 angeordnet, damit schon beim Start der Brennkraftmaschine und noch nicht laufendem Verdichter Druckluft zur Verfügung steht. Der Druckbehälter 10 steht mit einem Wegeventil 12 in Schalt- oder Proportionalausführung, das beispielsweise als 4/3-Wegeventil mit zwei Magnetspulen ausgebildet ist, in Druckluftverbindung. Das Wegeventil 12 bedient einen Pneumatikmotor 13, der mit der Verstellwelle 7' des Verstellgetriebes 3' drehfest verbunden ist.
3 zeigt die prinzipielle Anordnung der Komponenten einer Verstellvorrichtung 1'' zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle 2'' gegenüber einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe 3'', das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil 4'', ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine von einem Hydromotor 16 angetriebene Verstellwelle 7'' aufweist. Das von einem Elektromotor 6'' erzeugte Verstellmoment der Verstellmotorwelle 5'' treibt eine Pumpe 14 an, die Fluid in einen unter Druck stehenden Hydrospeicher 15 pumpt. Zwischen Hydrospeicher 15 und Pumpe 14 ist dabei ein Rückschlagventil 11'' angeordnet, damit schon beim Start der Brennkraftmaschine und noch nicht laufender Pumpe Fluid unter Druck zur Verfügung steht. Der Hydrospeicher 15 steht mit einem Wegeventil 12'', das beispielsweise als Proportionalventil ausgebildet ist, in Verbindung. Das Wegeventil 12'' bedient einen Hydromotor 16, der mit der Verstellwelle 7'' des Verstellgetriebes 3'' drehfest verbunden ist.
4 zeigt einen Querschnitt durch die wesentlichen Komponenten einer Verstellvorrichtung 1 (1) zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle 2 (1) gegenüber einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe 3 (1), das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle 5 eines Elektromotors 6 verbundene Verstellwelle 7 aufweist, wobei der Elektromotor 6 radial angeordnet ist. Das vom Elektromotor 6 erzeugte Verstellmoment der Verstellmotorwelle 5 wird von einem Zahnradgetriebe 17 mechanisch auf die Verstellwelle 7 übertragen. Dadurch ist eine radiale Anordnung von Elektromotor 6 und Verstellwelle 7 möglich.
5 zeigt einen Querschnitt durch die wesentlichen Komponenten einer Verstellvorrichtung 1 (1) zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle 2 (1) gegenüber einer Kurbelwelle (nicht dargestellt) einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe 3 (1), das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle 5 eines Elektromotors 6 verbundene Verstellwelle 7 aufweist, wobei der Elektromotor parallel zur Verstellwelle angeordnet ist. Das vom Elektromotor 6 erzeugte Verstellmoment der Verstellmotorwelle 5 wird von einem Sekundärtrieb 18 mechanisch auf die Verstellwelle 7 übertragen. In 5 ist der Sekundärtrieb als Riementrieb dargestellt.
Sämtliche offenbarte Lösungen haben zum Vorteil, dass der Elektromotor nicht mehr vor der Verstellwelle angeordnet werden muss, wodurch eine erhebliche Bauraumverkürzung möglich ist. Sie lassen es zu, den Elektromotor beliebig im Motorraum zu platzieren, was zudem größere Freiheiten bei der Gestaltung der gesamten Brennkraftmaschine lässt.
Bezugszeichenliste

1, 1', 1'': Verstellvorrichtung zum elektromechanischen Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine
2, 2', 2'': Nockenwelle
3, 3', 3'': Verstellgetriebe
4, 4', 4'': nockenwellenfestes Abtriebsteil des Verstellgetriebes
5, 5', 5'': Verstellmotorwelle des Elektromotors
6, 6', 6'': Elektromotor
7, 7', 7'': Verstellwelle
8: flexible Welle
9: Verdichter
10: Druckbehälter
11, 11'': Rückschlagventil
12, 12'': Wegeventil
13: Pneumatikmotor
14: Pumpe
15: Hydrospeicher
16: Hydromotor
17: Zahnradgetriebe
18: Sekundärtrieb
19: Motorhalterung

Claims

Verstellvorrichtung (1) zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle (2) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe (3), das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil (4), ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle (5) eines Verstellmotors (6) verbundene Verstellwelle (7) aufweist, wobei der Verstellmotor (6) als Elektromotor ausgebildet und räumlich getrennt von der Verstellwelle (7) platziert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das von ihm erzeugte Verstellmoment durch eine flexible Welle (8) mechanisch auf die Verstellwelle (7) übertragen wird.
Verstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor (6) radial zur Nockenwelle (2) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Elektromotor und der Nockenwelle (2) ein Zahnradgetriebe (17) angeordnet ist, wobei das vom Elektromotor erzeugte Verstellmoment über das Zahnradgetriebe (17) mechanisch auf die Verstellwelle (7) übertragen wird.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Zahnradgetriebe (17) als Kegelrad-, Schnecken- oder Schraubradgetriebe ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Zahnradgetriebes 1:1 ist.