EP3721062A1 - Antriebsvorrichtung zur verstellung einer steuerwelle eines vollvariablen ventiltriebs einer verbrennungskraftmaschine - Google Patents

Antriebsvorrichtung zur verstellung einer steuerwelle eines vollvariablen ventiltriebs einer verbrennungskraftmaschine

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EP3721062A1
EP3721062A1 EP18811782.4A EP18811782A EP3721062A1 EP 3721062 A1 EP3721062 A1 EP 3721062A1 EP 18811782 A EP18811782 A EP 18811782A EP 3721062 A1 EP3721062 A1 EP 3721062A1
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variable valve
internal combustion
combustion engine
adjusting
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Michael Breuer
Stefan Moormann
Christoph Sadowski
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Pierburg GmbH
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    • F01L2820/00—Details on specific features characterising valve gear arrangements
    • F01L2820/03—Auxiliary actuators

Definitions

  • the present invention relates to a drive device for adjusting a control shaft of a fully variable valve train of an internal combustion engine having an electric motor with a drive shaft and coupled to the electric motor gear, wherein an output member of the transmission is coupled to a control shaft of a fully variable valve train.
  • Mechanically controllable, fully variable valve trains are known in various designs from the prior art and serve the reduction of fuel consumption and the reduction of emissions.
  • a control shaft is used to change the valve stroke. By changing the valve lift as a function of the load of the internal combustion engine, an increase in efficiency is achieved.
  • a fully variable valve train with input and output valves which can be actuated by a facial expressions.
  • the facial expressions include a control shaft with cams, which act on the valve train, so that by rotation of the control shaft, the stroke of the valves can be adjusted both in the lifting height and in its phase.
  • the rotation of the control shaft via an electronic actuator which is arranged radially to the control shaft and consists of a worm gear, wherein the worm is arranged on the output shaft of the electric motor and acts on a gear which is fixed on the control shaft.
  • a disadvantage is the space requirement of the radially mounted actuator including the transmission, since the space is limited radially to the control shaft by other components of the internal combustion engine.
  • the invention is therefore based on the object to develop a drive for the control shaft, which reduces the indicated disadvantage of the required space requirement in the radial direction to the control shaft and thus saves the limited space in the control shaft in the radial direction
  • the drive shaft of the electric motor and the control shaft is aligned coaxially with each other, so that additional radial space is saved and storage is facilitated.
  • the waves are arranged in alignment with each other.
  • an eccentric gear is used as the transmission, since these eccentric gear have a compact design and a high reduction ratio. Furthermore, these transmissions have a long service life and a small installation space and high reduction ratios can be realized in a few gear stages.
  • the drive shaft of the electric motor is arranged in the axial extension of the control shaft, so that no offset between The drive shaft and the control shaft is created so that space is saved and a direct force transmission exists.
  • the ring gear of the transmission is fixed on one end of the control shaft and serves as a driven member.
  • the eccentric is fixed to the drive shaft of the electric motor or the eccentric is formed integrally with the drive shaft, whereby components are saved, so that the drive is less expensive.
  • the drive shaft of the electric motor is mounted in the control shaft.
  • transverse forces are absorbed by the bearings of the control shaft, so that it is possible to dispense with additional bearing points for mounting the drive shaft, whereby the actuator has a shorter axial length.
  • the planet gears are mounted on the eccentric, since thus transverse and bending forces are reduced and a longer life is achieved.
  • Preferred is the use of an electronically commutated internal rotor motor, which has a low power consumption with low wear.
  • FIG. 1 shows a sectional view of a drive device according to the invention for rotating a control shaft.
  • the drive device has an electric motor 10, which is arranged in a motor housing 12 and is designed as an electronically commutated internal rotor motor.
  • the electric motor consists of a stator 14 with windings 16, which are energized to generate a rotational movement of a rotor 18 of the electric motor 10.
  • the rotor is mounted on a drive shaft 20 whose end protrudes from the motor housing 12 through an opening 15 in the motor housing 12 into a space 13 which is closed by a valve cover 24 of an internal combustion engine and in which a control shaft 22 of a variable valve train is arranged. In a recess at the end of the control shaft 22 protrudes the end of the drive shaft 20 and is supported there by means of a needle bearing.
  • an eccentric 27 is fixed or integrally formed with the drive shaft 20.
  • the eccentric 27 carries a needle bearing 28, via which a first planetary gear 32 and a second planetary gear 30 are mounted, which are arranged rotationally fixed to each other.
  • the second planetary gear 30 has, in the radially inner region, an annular extension 34 extending axially into an inner opening of the first planetary gear 32, on which the first one Planet wheel 32 is pressed or otherwise secured.
  • the first planet gear 32 meshes with a first ring gear 36 which is fixed to an inner wall of the valve cover 24.
  • the second planetary gear 30 is coupled to a driven member 38 which is configured as a second ring gear fixedly disposed within an axially extending annular projection of the control shaft 22 extending from a plate-shaped member fixedly disposed on the end of the control shaft 22 is or is integrally formed with this.
  • a driven member 38 which is configured as a second ring gear fixedly disposed within an axially extending annular projection of the control shaft 22 extending from a plate-shaped member fixedly disposed on the end of the control shaft 22 is or is integrally formed with this.
  • an electronically commutated internal rotor motor can be used, which is arranged parallel to the transmission, whereby no installation space is necessary radially to the valve train and the actuator is arranged completely in the axial direction of extent.
  • an at least two-stage planetary gear can be used, wherein a first sun gear is fixed to the drive shaft or made in one piece with this. By a rotationally fixed coupling of the first planetary gear with the second planetary gear, a rotation of the drive shaft is transmitted to the rotatably mounted in the control shaft second ring gear.

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Abstract

Antriebsvorrichtungen zur Verstellung einer Steuerwelle (22) eines vollvariablen Ventiltriebs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor (10) mit einer Antriebswelle (20) und einem mit dem Elektromotor (10) gekoppelten Getriebe (26), wobei ein Abtriebsglied (38) des Getriebes (26) mit einer Steuerwelle (22) eines vollvariablen Ventiltriebs gekoppelt ist, sind bekannt. Um einen solchen Antrieb axial zur Steuerwelle (22) anzuordnen, sodass kein Bauraum radial zum Ventiltrieb benötigt wird, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Drehachsen des Getriebes (26) parallel zur Steuerwelle (22) und zur Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) angeordnet sind.

Description

B E S C H R E I B U N G Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebs einer Verbrennungskraftmaschine
Die vorliegende Erfindung betrifft eine Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor mit einer Antriebswelle und einem mit dem Elektromotor gekoppelten Getriebe, wobei ein Abtriebsglied des Getriebes mit einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebs gekoppelt ist. Mechanisch steuerbare, vollvariable Ventiltriebe sind in vielfältigen Ausführungen aus dem Stand der Technik bekannt und dienen der Reduzierung des Kraftstoffbedarfs sowie der Reduktion von Emissionen. Zur Änderung des Ventilhubes wird eine Steuerwelle verwendet. Durch eine Änderung des Ventilhubs in Abhängigkeit der Last der Verbrennungskraftmaschine wird eine Effizienzsteigerung erreicht.
In der EP 3 165 724 Al wird ein vollvariabler Ventiltrieb mit Ein- und Ausgangsventilen beschrieben, die über eine Mimik aktuierbar sind. Die Mimik enthält eine Steuerwelle mit Nocken, die auf den Ventiltrieb wirken, so dass durch Drehung der Steuerwelle der Hub der Ventile sowohl in der Hubhöhe als auch in seiner Phase verstellt werden kann. Die Drehung der Steuerwelle erfolgt über einen elektronischen Aktor, der radial zur Steuerwelle angeordnet ist und aus einem Schneckengetriebe besteht, wobei die Schnecke auf der Ausgangswelle des Elektromotors angeordnet ist und auf ein Zahnrad wirkt, welches auf der Steuerwelle befestigt ist. Nachteilig ist der Bauraumbedarf des radial gelagerten Aktors samt Getriebe, da der Bauraum radial zur Steuerwelle durch weitere Bauteile der Verbrennungskraftmaschine beschränkt ist. Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Antrieb für die Steuerwelle zu entwickeln, der den aufgezeigten Nachteil des benötigten Bauraumbedarfs in radialer Richtung zur Steuerwelle reduziert und somit den beschränkten Platz im Bereich der Steuerwelle in radialer Richtung einspart
Diese Aufgabe wird durch eine Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebs einer
Verbrennungskraftmaschine mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass die Drehachsen des Getriebes und der Antriebswelle des Elektromotors parallel zur Steuerwelle angeordnet sind, wird radialer Bauraum eingespart, da die Erstreckungsrichtung eines derartigen Aktors vollständig in axialer Richtung anzuordnen ist.
Vorzugsweise ist die Antriebswelle des Elektromotors und die Steuerwelle koaxial zueinander ausgerichtet, so dass zusätzlicher radialer Bauraum eingespart wird und die Lagerung erleichtert wird. Insbesondere sind die Wellen dabei fluchtend zueinander angeordnet.
In einer vorteilhaften Ausführung wird als Getriebe ein Exzentergetriebe verwendet, da diese Exzentergetriebe eine kompakte Bauweise und eine hohe Untersetzung haben. Des Weiteren weisen diese Getriebe eine hohe Lebensdauer und einen geringen Bauraum auf und es können hohe Untersetzungen in wenigen Getriebestufen realisiert werden. Vorzugsweise ist die Antriebswelle des Elektromotors in axialer Verlängerung der Steuerwelle angeordnet, sodass kein Versatz zwischen der Antriebswelle und der Steuerwelle entsteht, sodass Bauraum eingespart wird und ein direkter Kraftübertrag existiert.
In einer vorteilhaften Ausführung ist das Hohlrad des Getriebes auf einem Ende der Steuerwelle fixiert und dient als Abtriebsglied. Dadurch werden zusätzliche Bauteile gespart, sodass die Montage einfacher ist und Bauraum eingespart wird.
Vorzugsweise ist an die Antriebswelle des Elektromotors der Exzenter fixiert oder der Exzenter ist einstückig mit der Antriebswelle ausgebildet, wodurch Bauteile eingespart werden, sodass der Antrieb kostengünstiger ist.
In einer vorteilhaften Ausführung ist die Antriebswelle des Elektromotors in der Steuerwelle gelagert. Dadurch werden Querkräfte durch die Lager der Steuerwelle aufgenommen, so dass auf zusätzliche Lagerstellen zur Lagerung der Antriebswelle verzichtet werden kann, wodurch der Aktor eine kürzere axiale Länge aufweist. Vorteilhaft sind die Planetenräder auf dem Exzenter gelagert, da somit Quer- und Biegekräfte reduziert werden und eine höhere Lebensdauer erreicht wird.
Bevorzugt ist die Verwendung eines elektronisch kommutierten Innenläufermotors, der einen niedrigen Energieverbrauch bei geringem Verschleiß aufweist.
Die Verwendung des axial angeordneten Antriebs spart insgesamt Bauraum ein. Insbesondere entfällt eine zusätzliche radiale Erstreckung des Aktors, so dass eine gute Zugänglichkeit des Aktors vorhanden ist, ohne dass zusätzlicher radialer Bauraum geschaffen werden muss, der üblicherweise in Verbrennungsmotoren stark beschränkt ist. Zusätzlich werden Bauteile eingespart, was zu einem leichteren Gewicht führt, die Montage erleichtert und Baukosten einspart. Durch die kompakte Bauweise des Getriebes ist eine leckagearme Verwendung möglich. Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebs einer Verbrennungskraftmaschine ist in der Figur dargestellt und wird nachfolgend beschrieben. Die Figur 1 zeigt eine Schnittansicht einer erfindungsgemäßen Antriebsvorrichtung zur Drehung einer Steuerwelle.
Die Antriebsvorrichtung weist einen Elektromotor 10 auf, der in einem Motorgehäuse 12 angeordnet ist und als elektronisch kommutierter Innenläufermotor ausgebildet ist. Der Elektromotor besteht aus einem Stator 14 mit Wicklungen 16, welche zur Erzeugung einer Drehbewegung eines Rotors 18 des Elektromotors 10 bestromt werden. Der Rotor ist auf einer Antriebswelle 20 befestigt, deren Ende aus dem Motorgehäuse 12 durch eine Öffnung 15 im Motorgehäuse 12 in einen Raum 13 ragt, der durch einen Ventildeckel 24 eines Verbrennungsmotors verschlossen ist und in dem eine Steuerwelle 22 eines variablen Ventiltriebs angeordnet ist. In eine Ausnehmung am Ende der Steuerwelle 22 ragt das Ende der Antriebswelle 20 und ist dort mittels eines Nadellagers gelagert. Auf der Antriebswelle 20 ist ein Exzenter 27 fixiert oder einstückig mit der Antriebswelle 20 ausgebildet. Der Exzenter 27 trägt ein Nadellager 28, über welches ein erstes Planetenrad 32 und ein zweites Planetenrad 30 gelagert werden, die drehfest zueinander angeordnet sind. Das zweite Planetenrad 30 weist hierzu im radial inneren Bereich einen sich axial in eine innere Öffnung des ersten Planetenrades 32 erstreckenden ringförmigen Fortsatz 34 auf, auf dem das erste Planetenrad 32 aufgepresst oder anderweitig befestigt ist. Das erste Planetenrad 32 kämmt mit einem ersten Hohlrad 36, welches an einer Innenwand des Ventildeckels 24 befestigt ist. Das zweite Planetenrad 30 ist mit einem Abtriebsglied 38 gekoppelt, welches als zweites Hohlrad ausgeführt ist, das fest innerhalb eines sich axial erstreckenden ringförmigen Vorsprungs der Steuerwelle 22 angeordnet ist, der sich von einem plattenförmigem Element erstreckt, das fest auf dem Ende der Steuerwelle 22 angeordnet ist oder einstückig mit dieser ausgebildet ist. Bei einer Drehung der Antriebswelle 20 des Elektromotors 10 wird die Drehbewegung durch den Exzenter 27 auf das erste Planetenrad 32 und das zweite Planetenrad 30 übertragen. Durch das Abrollen des ersten Planetenrades 32 im ersten gehäusefesten und damit stillstehenden Hohlrad 36 erfolgt somit eine zwangsweise Drehung des zweiten Planetenrades 30, welches die Drehbewegung auf das als zweites Hohlrad ausgeführte Abtriebsglied 38 überträgt, das fest mit der Steuerwelle 22 verbunden ist, sodass sich die Steuerwelle 22 dreht.
Durch diese Art des Getriebes werden sehr hohe Untersetzungen erreicht, so dass eine extrem genaue Winkelverstellung der Steuerwelle ermöglicht wird. Durch die kompakte Bauweise der drehfest verbundenen Planetenräder benötigt das Getriebe wenig Bauraum. Durch die parallele Anordnung des Motors zum Getriebe und die Anordnung der Antriebswelle als axiale Verlängerung der Steuerwelle, wird kein Bauraum radial zum Ventiltrieb benötigt, da die Erstreckungsrichtung des Aktors komplett in axialer Richtung ist, wodurch der durch weitere Bauteile der Verbrennungskraftmaschine beschränkte radiale Bauraum eingespart wird. Durch die Lagerung der Antriebswelle innerhalb der Steuerwelle werden Querkräfte auf die Lagerung der Steuerwelle geführt, was zu einer längeren Lebensdauer der erfindungsgemäßen Vorrichtung führt. Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Modifikationen im Vergleich zu der beschriebenen Ausführungsform möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So kann anstatt des Axialspaltmotors ein elektronisch kommutierter Innenläufermotor verwendet werden, welcher parallel zum Getriebe angeordnet ist, wodurch kein Bauraum radial zum Ventiltrieb notwendig ist und der Aktor komplett in axialer Erstreckungsrichtung angeordnet ist. Anstatt des Exzentergetriebes kann ein mindestens zweistufiges Planetengetriebe genutzt werden, wobei ein erstes Sonnenrad an der Antriebswelle fixiert oder einstückig mit dieser gefertigt ist. Durch eine drehfeste Kopplung des ersten Planetenrades mit dem zweiten Planetenrad, wird eine Drehung der Antriebswelle auf das drehfest in der Steuerwelle gelagerte zweite Hohlrad übertragen.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E 1. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle (22) eines vollvariablen Ventiltriebs einer Verbrennungskraftmaschine mit einem Elektromotor (10) mit einer Antriebswelle (20) und einem mit dem Elektromotor (10) gekoppelten Getriebe (26), wobei ein Abtriebsglied (38) des Getriebes (26) mit einer Steuerwelle (22) eines vollvariablen Ventiltriebs gekoppelt ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Drehachsen des Getriebes (26) und der Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) parallel zur Steuerwelle (22) angeordnet sind.
2. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach
Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) und die Steuerwelle (22) koaxial zueinander angeordnet sind.
3. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Getriebe (26) ein Exzentergetriebe ist.
4. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) in axialer Verlängerung der Steuerwelle (22) angeordnet ist.
5. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Abtriebsglied (38) ein Hohlrad dient, welches zu einem axialen Ende der Steuerwelle (22) fixiert ist.
6. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
ein Exzenter des Exzentergetriebes (26) auf der Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) befestigt ist oder einstückig mit der
Antriebswelle (20) ausgebildet ist.
7. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Antriebswelle (20) des Elektromotors (10) in der Steuerwelle (22) gelagert ist.
8. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der Ansprüche 3 bis 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Planetenräder (30, 32) des Getriebes (26) auf dem Exzenter (27) gelagert sind.
9. Antriebsvorrichtung zur Verstellung einer Steuerwelle eines vollvariablen Ventiltriebes einer Verbrennungskraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Elektromotor (10) ein elektronisch kommutierter Innenläufermotor ist.
EP18811782.4A 2017-12-06 2018-11-28 Antriebsvorrichtung zur verstellung einer steuerwelle eines vollvariablen ventiltriebs einer verbrennungskraftmaschine Withdrawn EP3721062A1 (de)

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