DE102004033522A1

DE102004033522A1 - Nockenwellenversteller mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE102004033522A1
Application number: DE102004033522A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Mike Dipl.-Ing. Kohrs; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald; Jonathan Dipl.-Ing. Heywood
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-07-10
Filing date: 2004-07-10
Publication date: 2006-02-09
Also published as: WO2006005406A1; JP2008506070A; EP1766197A1; US7597075B2; CN100529362C; CN1985070A; EP1766197B1; US20080053389A1

Abstract

Verstellvorrichtung (1) zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle, die ein kurbelwellenfestes Antriebsteil (4) und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil (5) aufweist, wobei die Verstellvorrichtung (1) einen Verstellmotor (2) als primäre Verstellvorrichtung und einen Hilfsantrieb (11) als sekundäre Verstellvorrichtung aufweist, wobei die Nockenwelle (3) beim Ausfallen des Verstellmotors (2) über den Hilfsantrieb (11) in eine feste Drehwinkellage, eine Notlaufposition, verstellbar ist.

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 eine nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle eines Verstellmotors verbundene Verstellwelle aufweist.
Hintergrund der Erfindung
Um bei einem Verbrennungsmotor mit hydraulischem oder elektrischem Nockenwellenverstellsystem einen sicheren Motorstart zu gewährleisten, muss sich die Nockenwelle in der so genannten Basis- oder Notlaufposition befinden. Diese liegt bei Einlassnockenwellen üblicherweise in „spät", bei Auslassnockenwellen in „früh". Im normalen Betrieb des Fahrzeugs wird die Nockenwelle beim Abstellen des Motors geregelt in die jeweilige Basisposition gefahren und dort fixiert oder verriegelt.
Herkömmliche, hydraulisch betätigte Rotationskolbenversteller wie Flügelzeller, Schwenk- oder Segmentflügler besitzen eine Verriegelungseinheit. Diese fixiert den hydraulischen Versteller in seiner Basisposition, bis sich genügend Öldruck zum Verstellen der Nockenwelle aufgebaut hat. Kommt es zum Abwürgen des Motors, kann sich die Nockenwelle in einer undefinierten Position außerhalb der Basisposition befinden.
Bei hydraulischen Nockenwellenverstellsystemen mit der Basisposition in „spät" wird die Nockenwelle beim nächsten Start des Verbrennungsmotors und dem dabei fehlenden Öldruck aufgrund des Nockenwellenreibmoments, das entgegen der Nockenwellendrehrichtung wirkt, automatisch in die späte Basisposition verstellt. Liegt die Basisposition in „früh", muss sich die Nockenwelle bei fehlendem Öldruck entgegen dem Nockenwellenreibmoment in die frühe Basisposition verstellen. Dies geschieht zumeist mit Hilfe einer Ausgleichsfeder, die ein dem Nockenwellenreibmoment entgegen gerichtetes Moment erzeugt.
Diese bei hydraulischen Nockenwellenverstellern üblichen Methoden zur Verstellung in die Basisposition nach Abwürgen des Verbrennungsmotors sind bei elektrisch angetriebenen Nockenwellenverstellern nicht anwendbar. Sie sind auch nicht erforderlich, solange das Verstellmotorsystem intakt ist und die Nockenwelle auch bei stehendem Verbrennungsmotor oder beim erneuten Starten in die jeweilige Basisposition verstellen kann. Bei elektrischen Verstellmotorsystemen können jedoch der Verstellmotor und/oder seine Steuerung ausfallen und dadurch das Erreichen der Basisposition fehlschlagen.

In der DE 41 10 195 A1 ist eine Vorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors beschrieben mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, das eine mit der Kurbelwelle verbundene Antriebswelle, eine mit der Nockenwelle verbundene Abtriebswelle und mit eine mit einem elektrischen Verstellmotor verbundene Verstellwelle aufweist, wobei zwischen Antriebs- und Abtriebswelle bei stillstehender Verstellwelle eine Standgetriebeübersetzung I₀ vorliegt, die die Getriebegattung (Minus- oder Plusgetriebe) und die Verstellrichtung der Nockenwelle in die jeweilige Basis- oder Notlaufposition bestimmt.

Bei jener Verstellvorrichtung wird eine leichtgängige und genaue Einstellung der Nockenwellenlage angestrebt. Damit bei Ausfall des Verstellmotorsystems die Funktion des Verbrennungsmotors zumindest notdürftig aufrecht erhalten werden kann, ist eine Begrenzung des Verstellwinkels vorgesehen. Ein Hinweis auf das Erreichen der Basis bzw. einer Notlaufposition in einem solchen Fall fehlt jedoch. Zudem muss sich bei jener Ausbildung die Basisposition in einer der beiden Endlagen des Nockenwellenverstellers befinden; der Nockenwellenversteller läuft immer zum Früh- oder Spätanschlag.

Unter bestimmten thermodynamischen Gesichtspunkten ist es aber wünschenswert, eine beliebige Mittenposition als Basisposition zu wählen.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die sich bei Ausfall des Verstellmotors in eine beliebige, insbesondere mittige Notlaufposition verstellen lässt. In dieser muss die Verstellvorrichtung dann gehalten werden.

Beschreibung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1 dadurch gelöst, dass die Verstellvorrichtung einen Verstellmotor als primäre Verstellvorrichtung und einen Hilfsantrieb als sekundäre Verstellvorrichtung aufweist, wobei der Hilfsantrieb die Nockenwelle beim Ausfallen des Verstellmotors in eine feste Drehwinkelposition, eine Notlaufposition, verstellt.

Der Hilfsantrieb kann von aktiver oder passiver Art ausgebildet sein. Für einen aktiven Hilfsantrieb sind eine Steuerung, ein Schalter und ein Stellglied notwendig. Er wird nur im Bedarfsfall zugeschaltet und nimmt somit nur dann Energie auf. Dann wird die Ist-Auslenkung bezüglich der Notlaufposition erfasst, eine gerichtete Energiezufuhr aus der Ist-Auslenkung abgeleitet und damit dann die Notlaufposition angesteuert. Es ist von Vorteil, wenn die Zuschaltung durch das jeweilige Betriebsmedium des Hilfsantriebs erfolgt. Es kann sich beim Hilfsmotor beispielsweise um einen Pneumatikmotor handeln, der im Normalzustand durch eine Feder von der Verstellwelle abgekuppelt ist. Käme es in diesem Fall zum Versagen des Verstellmotors, erfolgte eine Zuschaltung durch Druckluft.

Ein passiver Hilfsantrieb ist mit dem Hauptantrieb permanent gekoppelt. Die Basisposition der Nockenwelle entspricht dem Gleichgewichtszustand des Systems Dreiwellengetriebe mit dem Hilfsantrieb. Im Normalbetrieb wird dann mit jeder Drehwinkelverstellung aus der Basisposition Energie in den Hilfsantrieb eingebracht. Fällt dann der gegen den Hilfsantrieb arbeitende Hauptantrieb aus, so stellt der Hilfsantrieb die Drehwinkellage der Nockenwelle in die Basisposition. Für einen passiven Hilfsantrieb ist nur ein Stellglied erforderlich. Auf Steuerung und Schalter kann verzichtet werden.

Von Vorteil beim aktiven Hilfsantrieb ist es, dass während des Normalbetriebs keine Energie in den Hilfsantrieb eingebracht wird und somit keine Rückwirkungen, meist in Form von Schwingungen, erfolgen. Ein Vorteil des passiven Hilfsantriebs ist seine einfachere und kostengünstigere Realisierung. Beide Hilfsantriebe lassen sich auch zu einem Mischantrieb verbinden, dann erfolgt in eine Richtung eine passive Verstellung, die beispielsweise durch Reibung erfolgen kann, und die Verstellung in Gegenrichtung erfolgt unter Zuschaltung eines aktiven Systems, das dann nur in eine Richtung wirkt.

Der Hilfsantrieb kann dabei grundsätzlich auf zwei Weisen arbeiten. Erstens kann er auf die Verstellwelle wirken, und die Drehmomentabstützung erfolgt auf dem Kettenrad oder der Nockenwelle. Dann ist ein geringes Moment des Hilfsantriebs erforderlich, er sollte aber eine hohe Drehzahl liefern. Beispielsweise sind bei einer typischerweise maximalen Nockenwellenverstellung von 30° bei einer Untersetzung des Verstellmechanismus von 1:60 fünf Umdrehungen der Verstellwelle notwendig.

Zweitens kann der Hilfsantrieb direkt auf das Kettenrad oder die Nockenwelle wirken, die Drehmomentabstützung erfolgt dann untereinander. In diesem Fall ist eine hohes Moment erforderlich. Reibungseinflüsse oder ein Lagerschaden haben dann aber einen größeren Einfluss auf das Verstellmoment zwischen Nockenwelle und Kettenrad.

Konkret kann der Hilfsantrieb beispielsweise durch eine Drehfeder, einen Hydromotor, einen Pneumatikmotor, einen elektrischen Hilfsmotor, eine Bremse, einen Fliehkraftmotor, ein Dreiwellengetriebe, einen schaltbaren Freilauf, ein Schwungrad oder durch das Ausnutzen des Massenträgheitsmoments des Verstellmotors selbst realisiert sein.

Wird der Hilfsantrieb als Drehfeder ausgebildet, ist diese entweder zwischen Verstellwelle und Kettenrad oder zwischen Kettenrad und Nockenwelle angeordnet. Sie kann doppelt wirkend oder als Drehfeder mit Untersetzung ausgebildet sein. Dieses System erfordert einen geringen technischen Aufwand, seine Schaltzeit ist auslegungsabhängig.

Ist der Hilfsantrieb als Hydromotor ausgebildet, kann er ein hohes Moment erzeugen. Seine Schaltzeit ist abhängig von der Viskosität des zum Betreiben notwendigen Arbeitsmediums, beispielsweise Öl. Dieser Nachteil wird aufgewogen durch seine geringe Rückwirkung sowohl im Versagensfall als auch im Normalbetrieb, da er dann kann ölleer mitlaufen kann. Er benötigt auch nur im Versagensfall Energie. Ist der Hilfsantrieb als Pneumatikmotor ausgebildet, entfällt die Abhängigkeit der Schaltzeit von der Viskosität. Man nimmt dafür aber im Versagensfall des Elektromotors einen gegenüber dem Hydromotor schlechteren Wirkungsgrad in Kauf.

Ein als elektrischer Stellantrieb ausgebildeter Hilfsantrieb, dies kann beispiels weise eine Notlaufwicklung oder ein gekoppelter Elektromotor sein, aber auch eine Batterie oder ein Kondensator, weist eine kurze Schaltzeit auf und verbraucht im Bedarfsfall wenig Energie. Ist der Hilfsantrieb als Bremse ausgebildet, beispielsweise in Kombination mit dem Dreiwellengetriebe oder als Bremsbelag oder als Wirbelstrombremse, weist er die gleichen Vorteile des elektrischen Hilfsmotors auf bei noch geringerer Rückwirkung auf den Normalbetrieb.

Einfach zu realisieren ist auch ein Hilfsantrieb in Form einer Verstellwelle mit Schwungrad. Dieses System übt im Versagensfall eine geringe Rückwirkung aus, dafür ist dessen Rückwirkung auf den Normalbetrieb aufgrund der höheren Trägheit spürbar.

Auch kann der Hilfsantrieb als Fliehkraftmotor ausgebildet sein. Dann ist ein passives oder aktives System realisierbar, dessen Schaltzeiten von der Auslegung und der Nockenwellendrehzahl abhängen. Es gibt kaum Rückwirkungen im Versagensfall, dafür steigt die Rückwirkung im Normalbetrieb mit der Drehzahl der Nockenwelle an. Dieser Mechanismus ist betriebsbereit, sobald das Antriebsrad eine gewisse Mindestdrehzahl erfährt.

Die laut Anspruch 2 vorgesehene Anordnung des Hilfsantriebs zwischen An- und Abtriebsteil kann räumlich gesehen erfolgen, ist aber nicht hierauf beschränkt. Vielmehr bezieht sich die Anordnung auf den Kraftfluss, wie es sich auch aus einigen vorstehend näher beschriebenen, besonders vorteilhaften Ausbildungen ergibt. Ist beispielsweise der Verstellmotor als Elektromotor ausgebildet, so ist er im Stand der Technik axial vor der Nockenwelle angeordnet. Ein als Bremswicklung im Elektromotor ausgebildeter Hilfsantrieb ist dann ebenfalls axial vor der Nockenwelle angeordnet und wirkt über ein Dreiwellengetriebe auf An- und Abtriebsteil ein.

Zusammenfassend bestechen passive Systeme durch Einfachheit im Aufbau, wirken sich aber aufgrund der permanenten Leistungsaufnahme und -abgabe unter Auslenkung nachteilig auf den Normalbetrieb aus. Ein aktives System vermeidet diese Nachteile, ist aber im Aufbau komplexer.

Kommt im Versagensfall der Hilfsantrieb zum Einsatz, ist das Halten der Notlaufposition durch drei verschiedene Maßnahmen möglich: entweder durch eine aktive Regelung, durch einen Formschluss, dies kann beispielsweise mittels eines axial oder radial wirkenden Verriegelungsstifts, der mit Öldruck oder Luftdruck oder auch elektromagnetisch betätigt wird, geschehen, oder durch einen Kraftschluss, beispielsweise durch einen schaltbaren Freilauf.

Zum Schutz der Verstellwelle und/oder des Verstellmechanismus' vor Überlastung bei plötzlichem Blockieren der Verstellwelle des elektrischen Verstellmotors kann eine Überlastkupplung zwischen diesem und der Nockenwelle angeordnet werden. Diese Überlastkupplung kann beispielsweise als Rutschkupplung oder Scherstift ausgebildet sein.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird die Ausfallsicherheit der Verstellvorrichtung wesentlich erhöht. Es besteht dabei die Möglichkeit, sich einfach aufgebauten, passiven Systemen zu bedienen oder aktive Systeme mit geringer Rückwirkung auf den Betrieb einzusetzen.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend näher erläutert und in den dazugehörigen Zeichnungen dargestellt. Es zeigen:

1 eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem Verstellmotor, dessen Stator zylinderkopffest ist,

2 eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem als Schwungrad ausgebildeten Verstellmotor,

3a eine schematische Darstellung eines Hilfsantriebs, der, als Drehfeder ausgebildet, zwischen Kettenrad und Nockenwelle ange ordnet ist,

3b eine schematische Darstellung eines als Feder ausgebildeten Hilfsantriebs, der zwischen Kettenrad und Verstellwelle wirkt,

4 eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem zwischen Verstellwelle und Kettenrad angeordneten Pneumatik- bzw. Hydromotor,

5a einen Querschnitt eines als Fliehkraftmotor ausgebildeten Hilfsantriebs, welcher sich in der Basisposition befindet,

5b einen Querschnitt eines als Fliehkraftmotor ausgebildeten Hilfsantriebs, welcher nicht in der Basisposition befindet,

6a eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit Hilfsantrieb und einer intern angeordneten Bremse,

6b eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit Hilfsantrieb und einer extern angeordneten Bremse,

7a eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem durch Kondensatoren versorgten Hilfsantrieb,

7b eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem durch eine externe Spannungsquelle versorgten Hilfsantrieb,

7c eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einem externen, als Elektromotor ausgebildeten Hilfsantrieb,

8 eine schematische Darstellung einer Verstellvorrichtung mit einer Überlastkupplung,

9 einen Querschnitt durch eine Verstellvorrichtung mit einer Verriegelungseinheit.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in 1 als eine Verstellvorrichtung 1 mit einem Verstellgetriebe 13 und einem Verstellmotor 2, der im wesentlichen aus einem Rotor 8 und einem Stator 9 besteht, dargestellt. Diese dient zum Verstellen der Drehwinkellage zwischen der nicht dargestellten Kurbelwelle und der Nockenwelle 3 einer Brennkraftmaschine. Das Verstellgetriebe 13 ist als Dreiwellengetriebe ausgebildet, mit einem Antriebsteil 4, einem Abtriebsteil 5 und einer Verstellwelle 6. Das Antriebsteil 4 ist mit einem Antriebsrad 7 und über dieses mittels eines nicht dargestellten Zahnrads, eines Zahnriemens oder einer Zahnkette mit der Kurbelwelle fest verbunden. Das Abtriebsteil 5 steht mit der Nockenwelle 3 und die Verstellwelle 6 steht mit dem Rotor 8 des Verstellmotors 2 in fester Verbindung. Der Stator 9 des Verstellmotors 2 ist mit dem Zylinderkopf 10 fest verbunden und steht still. Die Nockenwelle 3 besitzt eine Basis- bzw. Notlaufposition, die für einen sicheren Start und einen eingeschränkten Betrieb erreicht werden muss. Bei intaktem Verstellmotor 2 gelingt dies auch nach einem Abwürgen der Brennkraftmaschine ohne Hilfsantrieb 11 (2), da der Verstellmotor 2 die Nockenwelle 3 bei stehender Brennkraftmaschine oder während des erneuten Starts in die Basisposition verstellt. Ohne Hilfsantrieb 11 ist aber eine Regelung der Drehwinkellage bei defektem Verstellmotor 2 nicht mehr möglich.

2 zeigt einen als Schwungrad 12 ausgebildeten Hilfsantrieb 11, welcher direkt auf der Verstellwelle 6 angeordnet ist und somit mit dem Verstellmotor 2 fest verbunden ist. Das Antriebsrad 7 steht damit zum einen mit der Verstellwelle 6 zum anderen mit der Nockenwelle 3 in Wirkverbindung. Das Schwungrad 12 kann Platz sparend in die Verstellvorrichtung 1 integriert werden, wobei es besonders vorteilhaft ist, die Masse möglichst weit von der Drehachse anzuordnen, um bei vorgegebenem Trägheitsmoment eine möglichst kleine Masse verwenden zu können. Ist der Rotor 8 des Verstellmotors 2 allerdings schon von großer Masse, kann eventuell auf ein extra Schwungrad 12 verzichtet werden, wenn der Rotor 8, der auch als Drehmomentspeicher agieren kann, ein ausreichend hohes Drehmoment besitzt.

In 3a ist ein als doppelt wirkende Drehfeder 14 ausgebildeter Hilfsantrieb 11 dargestellt. Er wirkt zwischen der Nockenwelle 3 und dem Antriebsrad 7. Die Basisposition wird dann durch den Drehwinkel zwischen Nockenwellenlage und Antriebsradlage gebildet, in dem ohne Einwirkung vom Verstellmotor 2 ein Momentengleichgewicht besteht. Im Normalbetrieb verändert der elektrische Verstellmotor 2 das Gleichgewicht und lenkt damit die Drehfeder 14 aus. Sollte dann der Verstellmotor 2 ausfallen, entspannt sich die Drehfeder 14 aus der Auslenkung in ihre Ruhelage. Die Drehfeder 14 selbst kann dabei einfach oder doppelt wirkend sein. In 3b ist eine Feder 18 zwischen Antriebsrad 7 und Verstellwelle 6 angeordnet. Das Moment wird dann mittels einer Untersetzung 15 von der Verstellwelle 6 übertragen, ansonsten entspricht der Funktionsmechanismus dem der 3a; es kann insbesondere hier auch eine einfach wirkende Feder 18 verwendet werden oder eine Spiralfeder.

4 stellt eine Verstellvorrichtung 1 mit einem Hilfsantrieb 11 dar, der als Pneumatikmotor 16 ausgebildet ist. Das Gehäuse 20 des Pneumatikmotors ist mit seinen Kammern drehfest mit dem Antriebsrad 7 verbunden, der Pneumatikmotorrotor 21 ist drehfest mit der Verstellwelle 6 verbunden. Sobald der Verstellmotor 2 ausfällt, kann der Pneumatikmotor 16 als ein aktiver Antrieb entweder dessen Funktion dauerhaft übernehmen oder aber wie bei den passiven Hilfsantrieben die Verstellvorrichtung 1 lediglich in die Basisposition verstellen, die dann durch eine Verriegelungseinheit 19 (9) fixiert bleibt. Etwaige Ausbildungsformen des Pneumatikmotors 16 wären zum Beispiel ein Lamellen- oder ein Zahnradmotor.

Anstatt als Pneumatikmotor 16 kann der Hilfsantrieb 11 auch als Hydromotor 17 ausgebildet sein, wobei es besonders zweckmäßig ist, eine Rollenzellenpumpe, eine Innenzahnradpumpe oder eine Strömungspumpe zu verwenden.

Die 5a und 5b stellen einen Fliehkraftmotor 22 dar, der im Wesentlichen aus einem Hohlrad 23 mit einer Kulisse 24 besteht, welches so auf dem Antriebsrad 7 befestigt sind, dass es sich relativ zu diesem verdrehen kann. Das Hohlrad 23 steht über einen Planeten 25, der auf einer fest mit dem Antriebsrad 7 verbundenen Stegwelle 26 angeordnet ist, mit einem auf der Verstellwelle 6 angeordneten Sonnenrad 27 in Wirkübertragungsverbindung. In der Kulisse 24 ist eine Laufhülse 28 mit einer damit fest verbundenen Masse 30 geführt, die gleichzeitig in einem Langloch 29 geführt ist, wobei das Langloch in das Antriebsrad 7 integriert ist und radial verläuft. Anstatt einer Laufhülse 28 kann auch ein Gleitstein angeordnet sein. Die Kulisse 24 kann prinzipiell beliebig geformt sein, sofern sie nicht genau in radialer Richtung verläuft und die Basisposition der Vorrichtung der Laufhülsenposition entspricht, radial am weitesten vom Mittelpunkt des Hohlrades 23 entfernt ist. Besonders vorteilhaft ist eine parabolische oder V-förmige Ausführung der Kulisse 24.

Der Fliehkraftmotor 22 ist betriebsbereit, sobald das Antriebsrad 7 eine Mindestdrehzahl erreicht hat. Wenn dann der Verstellmotor 2 eine Drehwinkelverstellung initiiert, verdreht er über die Verstellwelle 6 und das Sonnenrad 27 das Antriebsrad 7. Gleichzeitig wird über die Kopplung mit dem Planeten 25 das Hohlrad 23 verdreht, wodurch die Masse 30 über die Kulisse radial nach innen gezogen wird (5b). Bei Ausfall des Verstellmotors 2 bewegt sich die Masse 30 aufgrund der Fliehkraft in die am weitesten außen gelegene Position. Der Leistungsfluss kehrt sich um, und die Verstellvorrichtung 1 wird in die Basisposition verstellt. Dort kann die Verstellvorrichtung 1 gegebenenfalls mit einer Verriegelungseinheit 19 (9) verriegelt werden.

In den 6a und 6b ist der Hilfsantrieb 11 als Bremse 31 ausgebildet, wobei es sich in 5a um eine in den elektrischen Verstellmotor integrierte Bremse 31 handelt. Sie kann beispielsweise als Kurzschlussbremswicklung ausgebildet sein, und so über Induktion den Verstellmotor 2 abbremsen. Eine andere Möglichkeit wäre eine separate Wicklung, die als Notlaufwicklung 35 dienen kann. Die Bremse 31 kann aber auch extern angeordnet sein (6b) zum Beispiel als auf der Verstellwelle angeordnete Bremsscheibe 32, die im Versagensfall über Bremssteine 33, welche hydraulisch oder elektromagnetisch bestätigt werden, abgebremst wird. Weitere mögliche Ausführungsformen der Bremse 31 sind Band-, Scheiben- oder Backenbremsen. Die Bremse 31 kann direkt auf das Abtriebsteil 5 und damit auf die Nockenwelle 3 wirken oder indirekt, beispielsweise auf eine Welle, welche über eine Kupplung mit der Verstellwelle verbunden ist.

Die 7a und 7b zeigen den als ein Elektromotor 34 ausgebildeten Hilfsantrieb 11, wobei dessen Rotor durch den Rotor des Verstellmotors 2 gebildet wird. Um den Stator des Elektromotors 34 ist eine separate Wicklung als Notlaufwicklung 35 ausgeführt. Die Versorgung des Elektromotors 34 mit Energie wird entweder durch Kondensatoren 36 oder durch ein externes Netz 37 sicher gestellt. Statt der Kondensatoren 36 kann auch eine Batterie verwendet werden. Alternativ kann auch ein Antrieb über einen Riemen oder eine Kette erfolgen. Aus 7c wird deutlich, dass der Elektromotor 34 auch als externes Bauteil realisiert sein kann.

8 zeigt die Verstellvorrichtung 1 mit einem Verstellmotor 2, wobei eine Überlastkupplung 38 zwischen dem Verstellmotor 2 und der Abtriebswelle 5 angeordnet ist. Sollte die Verstellwelle 6 blockieren, hat das Blockieren dann keinen hemmenden Einfluss auf die Nockenwelle 3. Zweckmäßigerweise ist der Hilfsantrieb 11 hinter der Überlastkupplung 38 angeordnet, damit der ausgefallene Verstellmotor 2 nicht dem Hilfsantrieb 11 entgegen wirken kann. Die Überlastkupplung 38 kann dabei als aus dem Stand der Technik bekannte Kupplung gewählt werden, beispielsweise werden Kupplungsscheiben 40, 41 mit einer Druckfeder 39 betätigt, oder sie ist magnetisch wirkend ausgebildet.

9 zeigt exemplarisch eine mögliche Anordnung einer Verriegelungseinheit 19, welche bei den vorstehend genannten passiven Systemen notwendig ist, um im Versagensfall den Drehwinkel zu fixieren. Die Verriegelungseinheit 19 ist hier als radial wirkendes Federelement ausgebildet. Das Entriegeln und Verriegeln erfolgt in dieser Figur über Öldruck, der über einen Ölkanal 42 zugeführt wird. Alternativ kann die Verriegelungseinheit 19 die Fliehkraft, eine Magnetkraft oder den Drehimpuls der Verstellwelle ausnutzen, um bestätigt zu werden. Eine Anordnung der Verriegelungseinheit 19 in der Verstellvorrichtung kann sowohl axial als auch radial erfolgen.

Zusammenfassend wird durch die erfindungsgemäßen Ausbildungen eines Hilfsantriebs 11 bei Ausfall des Verstellmotors 2 eine kontrollierte, entweder aktive oder passive Rückstellmöglichkeit in die Basisposition ermöglicht, so dass die Brennkraftmaschine durch den festen Drehwinkel zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle 3 sicher weiter betrieben werden kann.

1: Verstellvorrichtung
2: Verstellmotor
3: Nockenwelle
4: Antriebsteil
5: Abtriebsteil
6: Verstellwelle
7: Antriebsrad
8: Rotor
9: Stator
10: Zylinderkopf
11: Hilfsantrieb
12: Schwungrad
13: Verstellgetriebe
14: Drehfeder
15: Untersetzung
16: Pneumatikmotor
17: Hydromotor
18: Feder
19: Verriegelungseinheit
20: Gehäuse
21: Pneumatikmotorrotor
22: Fliehkraftmotor
23: Hohlrad
24: Kulisse
25: Planet
26: Stegwelle
27: Sonnenrad
28: Laufhülse
29: Langloch
30: Masse
31: Bremse
32: Bremsscheibe
33: Bremsstein
34: Elektromotor
35: Notlaufwicklung
36: Kondensatoren
37: externes Netz
38: Überlastkupplung
39: Druckfeder
40: Kupplungsscheibe
41: Kupplungsscheibe
42: Ölkanal

Claims

Verstellvorrichtung (1) zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle (3) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, welche ein kurbelwellenfestes Antriebsteil (4) und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil (5) aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) einen Verstellmotor (2) als primäre Verstellvorrichtung und einen Hilfsantrieb (11) als sekundäre Verstellvorrichtung aufweist, wobei die Nockenwelle (3) beim Ausfallen des Verstellmotors (2) über den Hilfsantrieb (11) in eine feste Drehwinkellage, eine Notlaufposition, verstellbar ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) zwischen An- (4) und Abtriebsteil (5) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass nach Erreichen der Notlaufposition eine Verriegelungseinheit (19) eine form- oder kraftschlüssige Verbindung zwischen Antriebsteil (4) und Abtriebsteil (5) herstellt.
Verstellvorrichtung Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinheit (19) als axial oder radial wirkender Stift, Keil, Kegel oder als Kugel ausgebildet ist, wobei die Verriegelungseinheit (19) elektromagnetisch, hydraulisch oder pneumatisch betätigt wird.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) permanent mit dem Verstellmotor (2) gekoppelt ist und bei Ausfall des Verstellmotors (2) den Drehwinkel ohne externe Energiezufuhr in die Notlaufposition verstellt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als eine einfach oder doppelt wirkende Drehfeder (14) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als eine Drehfeder (14) mit Untersetzung ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehfeder (14) bei Motorstart vorgespannt wird, im vorgespannten Zustand entkoppelt wird und bei Ausfall des Verstellmotors (2) mittels eines Aktuators eingekoppelt wird.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als ein Fliehkraftmotor (22) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellmotor (2) als ein Elektromotor ausgebildet ist und der Rotor (8) des Elektromotors gleichzeitig den Hilfsantrieb (11) bildet.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als ein Schwungrad (12) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) nicht permanent mit dem Verstellmotor (2) gekoppelt ist und/oder bei Ausfall des Verstellmotors (2) den Drehwinkel mittels externer Energiezufuhr in die Notlaufposition verstellt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) ein als Dreiwellengetriebe ausgebildetes Verstellgetriebe (13) aufweist und dass der Hilfsantrieb (11) als eine Bremse (31) ausgebildet ist, welche an einem der Glieder des Dreiwellengetriebes angreift.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (31) als eine im Verstellmotor (2) angeordnete Scheibe ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als ein Hydromotor (17) oder als ein Pneumatikmotor (16) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als ein elektrischer Hilfsmotor (34) oder als eine Notlaufwicklung im (35) ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Energieversorgung des elektrischen Hilfsmotors (34) oder der Notlaufwicklung (35) durch Kondensatoren (36), ein externes Netz (37), durch eine Batterie, durch eine Kette oder durch einen Riemen erfolgt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Hilfsantrieb (11) als Kombination zweier Hilfsantriebe ausgebildet ist, welche jeweils entgegengesetzt wirken.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Überlastkupplung (38) zwischen dem Verstellmotor (2) und dem Abtriebsteil (5) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass die Überlastkupplung (38) als Rutschkupplung oder als Scherstift ausgebildet ist.