DE102012207318B4

DE102012207318B4 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102012207318B4
Application number: DE102012207318.3A
Authority: DE
Inventors: Felix Kuffner; Michael Schober
Original assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2012-05-03
Filing date: 2012-05-03
Publication date: 2021-07-15
Anticipated expiration: 2032-05-04
Also published as: JP5911999B2; US20150152751A1; CN104271901A; WO2013164129A1; US9334762B2; JP2015519506A; CN104271901B; DE102012207318A1

Abstract

Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, mit einem von der Verbrennungskraftmaschine her getriebenen Antriebsrad (1), über welches das Antriebsmoment für die Nockenwelle eingeleitet wird, einem mit der Nockenwelle drehfest gekoppelten Getriebeausgang (5), einem mit einem Antriebsmotor gekoppelten Getriebeeingangsrad (3), über welches das die relative Verdrehung zwischen Antriebsrad (1) und Getriebeausgang (5) bewirkende Verstellmoment in das Verstellgetriebe eingeleitet wird, wobei ein eine Sperrung des Verstellgetriebes bewirkender Fail-Safe-Mechanismus (11) vorgesehen ist, welcher im Falle des Ausbleibens eines über das Getriebeeingangsrad (3) einzubringenden Verstellmomentes sperrend zwischen dem Antriebsrad (1) und Getriebeausgang (5) wirkt, nämlich auf ein zwischen dem Antriebsrad (1) und dem Getriebeausgang (5) befindliches Planetenrad (2) sperrend einwirkt, wobei der Fail-Safe-Mechanismus (11) drehfest auf dem Antriebsrad (1) angeordnet ist und das Planetenrad (2) drehfest mit dem Getriebeausgang (5) gelagert ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
Aus der DE 10 2005 018 956 A1 oder der DE 102 48 355 A1 ist ein elektrischer Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine bekannt. Die Nockenwelle wird von der Kurbelwelle her halbtourig angetrieben, wozu ein Nockenwellenantriebsrad der Nockenwelle mit der Kurbelwelle gekoppelt ist. Ein Verstellgetriebe zwischen Nockenwelle und Nockenwellenantriebsrad erlaubt eine Verstellung der Phasenlage von Nockenwellenantriebsrad und der Nockenwelle. Das Verstellgetriebe kann bspw. als Doppelplanetengetriebe oder als Harmonic-Drive-Getriebe ausgebildet sein.
Die DE 103 52 255 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellantrieb. Der Elektromotor ist räumlich getrennt von der Verstellwelle des Verstellgetriebes angeordnet - das Verstellmoment wird durch eine flexible Welle übertragen.
Bei einem Ausfall der Ansteuerungselektronik und/oder des Elektromotors muss der Nockenwellenversteller die Nockenwelle in eine Nulllage bzw. in eine Notlaufposition verbringen und diese so definierte relative Verdrehung zwischen Nockenwellenantriebsrad und der Nockenwelle ist aufrechtzuhalten, um die Verbrennungskraftmaschine weiter zu betreiben bzw. nach einem Abstellen wieder betreiben zu können.
In der EP 1 504 172 B1 ist ein Nockenwellenversteller beschrieben, bei welchem bei Ausfall des Stellmotors dieser bremsend wirkt (also gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad an Drehzahl verliert) und so das Anfahren einer Endlage, einer Failsafeposition bewirkt. Es wird also die max. Früh- oder Spätposition der NW angefahren. Es wird nicht beschrieben, wie die Nockenwelle in dieser Position gehalten wird. Auch sind keine Maßnahmen vorgesehen, wenn der Stellmotor bei Ausfall oder bei Ausfall der Ansteuerungselektronik nur wenig Bremsmoment erzeugt. In diesen Fällen wird die Failsafeposition u.U. nicht erreicht bzw. es ist nicht gewährleistet, dass die Nockenwelle, in der Failsafeposition verbleibt bzw. diese Position unkontrolliert verlässt.
Die WO 2011 / 104 051 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller mit einer Bias Spring welche den Nockenwellensteller in eine entsprechend Endlage (max. Frühposition oder max. Spätposition der Nockenwelle) zurückdrückt. Diese Feder ist über den gesamten Stellbereich aktiv was nicht vorteilhaft bezüglich der Energieaufnahme ist. Falls der elektrische Verstellmotor beim Ausfall ein entsprechend hohes Bremsmoment erzeugt (bspw. durch einen Wicklungskurzschluss), kann der gewünschte Endanschlag durch eine derartige Rückstellfeder nicht erreicht werden.
Die DE 103 32 264 A1 beschreibt ein Failsafesystem eines Nockenwellenverstellers, welcher verschiebbare mechanische Endanschläge aufweist. Diese Endanschläge werden durch je eine Feder derartig in eine Richtung vorgespannt, so dass sie entsprechend den Verstellbereich in Richtung Failsafeposition verkleinern, also die max. Spät- bzw. Frühposition des NW-Verstellers verringert wird Im störungsfreien Normalbetrieb werden diese verschiebbaren Anschläge mit einer mechanischen Einrichtung blockiert, so dass der gesamte Verstellbereich des NW-Verstellers genutzt werden kann.
Weitere Nockenwellenversteller gehen aus DE 10 2006 028 554 A1 und DE 10 2010 039 426 A1 hervor.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Nockenwellenversteller in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung und insbesondere mit einem in bautechnisch einfacher Weise realisiertem Failsafesystem vorzuschlagen.
Es soll ein Failsafemechanismus geschaffen werden, der sehr einfach aufgebaut ist, also möglichst keinen zusätzlichen Aktuator benötigt. Ferner sollte die Lösung möglichst keinen Einfluss auf den Normalbetrieb oder die Auslegung des Nockenwellenverstellers für den Normalbetrieb des haben. Der Failsafe-Modus sollte nur durch eine wieder mögliche Kontrolle des Verstellmotors deaktiviert werden also in den Normalbetrieb zurückgeführt werden können. Letztlich sollte dieser Mechanismus wenig Bauraum benötigen bzw. bereits vorhandenen Bauraum nutzen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1.
Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Die Erfindung sieht einen Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine vor, bestehend aus einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, mit einem von der Verbrennungskraftmaschine her getriebenen Antriebsrad, über welches das Antriebsmoment für die Nockenwelle eingeleitet wird, einem mit der Nockenwelle drehfest gekoppelten Getriebeausgang, einem mit einem Antriebsmotor gekoppelten Getriebeeingangsrad, über welches das die relative Verdrehung zwischen Antriebsrad und Getriebeausgang bewirkende Verstellmoment in das Verstellgetriebe eingeleitet wird, wobei ein eine Sperrung des Verstellgetriebes bewirkender Fail-Safe-Mechanismus vorgesehen ist, welcher im Falle des Ausbleibens eines über das Getriebeeingangsrad einzubringenden Verstellmomentes sperrend zwischen Antriebsrad und Getriebeausgang wirkt, nämlich auf ein zwischen dem Antriebsrad und dem Getriebeausgang befindliches Planetenrad sperrend einwirkt, wobei der Fail-Safe-Mechanismus (11) drehfest auf dem Antriebsrad (1) angeordnet ist und das Planetenrad (2) drehfest mit dem Getriebeausgang (5) gelagert ist.
Für die erfindungsgemäße Nockenwellenverstellung ist im Verstellgetriebe somit eine Blockier- bzw. Hemmeinrichtung vorgesehen, welche beim Erreichen einer bestimmten Phasenposition des Nockenwellenverstellers, der Nockenwelle gegenüber ihrem Antriebsrad, das Verstellgetriebe in dieser Position gegen ein weiteres Verstellen blockiert bzw. hemmt.
Diese erfindungsgemäße Blockier- bzw. Hemmeinrichtung wirkt sperrend zwischen dem Antriebsrad der Nockenwelle und dem Getriebeausgang, dem zur Nockenwelle festen Teil des Verstellgetriebes. Gemäß der Erfindung wirkt die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung auf ein zwischen dem Antriebsrad und dem Getriebeausgang liegendes Planetenrad. Damit können die notwendigen Kräfte für eine solche Blockier- bzw. Hemmeinrichtung deutlich reduziert werden. Insbesondere ist es dadurch möglich, eine derartige Vorrichtung in Kunststoff auszuführen.
Erfindungsgemäß ist der Fail-Safe-Mechanismus drehfest auf dem Antriebsrad angeordnet und das Planetenrad drehfest mit dem Getriebeausgang gelagert.
Die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung blockiert bei ihrer Aktivierung das Verstellgetriebe gegen ein Losdrehen bis zum Erreichen eines gewissen Losbrechmomentes. Das Losbrechmoment der Einrichtung ist so ausgelegt, dass sich das Verstellgetriebe trotz anliegender Wechseldrehmomente an der Nockenwelle, der Reibmomente am Verstellmotor sowie der bei Drehzahländerungen wirkenden Trägheitsmomente des Verstellmotors nicht von der Failsafeposition wegbewegt.
Die erfindungsgemäße Hemmeinrichtung ist insbesondere derartig ausgelegt, dass sie im Wesentlichen ohne Zusatzdrehmomente aktivierbar ist. Wird das Verstellgetriebe betätigt und erreicht der Verstellwinkel der Nockenwelle die entsprechende Position bei der die Hemmeinrichtung zu aktivieren ist, so ist in diesem Bereich nahezu kein zusätzliches Drehmoment zur Aktivierung der Hemmeinrichtung erforderlich. Soll diese Position wieder verlassen werden, so ist hierzu lediglich ein bestimmtes minimales Losbrechmoment notwendig. Dies kann gezielt vom Verstellmotor aufgebracht werden.
Die Blockiereinrichtung kann weiterhin derartig ausgelegt sein, dass der Verstellmotor die Blockiereinrichtung nicht aus eigener Kraft entriegeln kann. Eine Entriegelung hat dann bspw. manuell in einer Werkstatt zu erfolgen.
Das notwendige Losbrechmoment kann auch richtungsabhängig unterschiedlich hoch gewählt sein.
Weiterbildend ist es ebenfalls möglich, dass das notwendige Losbrechmoment drehzahlabhängig ausgelegt wird. So ist es möglich, dass der Mechanismus der drehzahlabhängigen Fliehkraft der Nockenwellendrehzahl ausgesetzt ist. So kann die Auslegung dieser Einrichtung so erfolgen, dass das erforderliche Losbrechmoment mit steigender Nockenwellendrehzahl steigt oder sinkt.
Die Blockier- bzw. Hemmeinrichtung kann mithilfe eines Magneten aktiviert werden. Hier kann ein Permanentmagnet am Nockenwellenantriebsrad oder an dem nockenwellenfesten Teil des Verstellgetriebes angebracht sein. Bei einer bestimmten Stellung des Verstellgetriebes wird der Abstand des Permanentmagneten zu dem Planetenrad minimal bzw. kommt mit diesem in Kontakt. Soll diese bestimmte Winkelstellung des Verstellgetriebes wieder verlassen werden, so bedarf es eines bestimmten Losbrechmomentes, damit der Abstand des Permanentmagnet und des entsprechenden Planetenrads wieder vergrößert werden kann. In allen anderen Winkelstellungen des Verstellgetriebes ist der Abstand des Permanentmagnets zum entsprechenden Planetenrad derartig groß, dass die Magnetkraft vernachlässigbar ist und keine zusätzlich notwendigen Verstellmomente notwendig sind. Ein zusätzlicher Aktuator kann die Blockiereinrichtung wieder entriegeln.
Des Weiteren wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen beschrieben.
1 zeigt die Draufsicht auf einen an sich bekannten Nockenwellenversteller, bestehend aus einem Antriebsrad 1, welches von der nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine getrieben wird. Im gezeigten Ausführungsbeispiel ist das Antriebsrad 1 als Kettenrad ausgebildet und wird über eine Kette von einer Kurbelwelle her halbtourig angetrieben. Das Antriebsrad 1 kann auch als Zahnscheibe ausgebildet sein, welche mit einem entsprechenden Zahnriemen zusammenwirkt. Die Drehrichtung des Antriebsrades 1 und somit die der Nockenwelle ist mit dem Pfeil gekennzeichnet.
Das Antriebsrad 1 ist mit einer nicht dargestellten Innenverzahnung gekoppelt, welches durch ein Hauptgetriebe, das wiederum über drei Zahnräder 2 getrieben wird, die nach Art von Planetenrädern um ein zentral angeordnetes Getriebeeingangsrad 3 angeordnet sind und mit diesem in Eingriff stehen. Die nach Art von Planetenräder um das Getriebeeingangsrad 3 angeordneten Zahnräder 2 sind achsfest auf Zapfen einer Trägerplatte 4 gelagert, welche drehfest mit dem Getriebeausgang 5, also der Nockenwelle bzw. einem Zwischenglied zur Nockenwelle verbunden ist (Zentralschraube 6). Die 1 a) zeigt eine Seitenansicht des Verstellgetriebes mit einer Zentralschraube 6 zur drehfesten Verbindung des Getriebeausgangs 5 mit der Nockenwelle (nicht dargestellt), dem gegenüber dem Getriebeausgang 5 verdrehbaren Antriebsrad 1, dem Getriebeeingangsrad 3 sowie den um das Getriebeeingangsrad 3 angeordneten Zahnrädern 2. Die Verstellung von Getriebeausgang 5 (Nockenwelle) zu Antriebsrad 1 erfolgt durch Einleiten eines Drehmomentes von einem nicht dargestellten Verstellmotor (Elektromotor) auf das zentrale Getriebeeingangsrad 3.
In 1 sind verschiedene Anschläge 7, 8, 9, 10 dargestellt, welche die maximale Verdrehbarkeit des Getriebeausganges 5, der Nockenwelle sowie des Antriebsrades 1 zueinander definieren, letztlich also die maximale Früh- und die maximale Spätposition der Nockenwelle. Der antriebsseitige Endanschlag 7 begrenzt das maximale Rückwärtsstellen des Getriebeausgangs 5, der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad 1, also die Spät-Stellung der Nockenwelle, indem dieser mit einem nockenwellenseitigen Endanschlag 8 zusammenwirkt. Der Phasenwinkel φ entspricht dem Relativwinkel zwischen Antriebsrad 1 und dem Getriebeausgang, der Nockenwelle.
Ein nockenwellenseitig fester Endanschlag 9 wirkt mit einem antriebsseitigen Endanschlag 10 zusammen und definiert so das maximale Vorwärtsstellen, also die Früh-Position der Nockenwelle.
1 zeigt letztlich den erfindungsgemäßen Fail-Safe-Mechanismus 11 in Form einer Sperrvorrichtung, welche in einer noch zu beschreibenden Weise mit einem der Zahnräder 2 zusammenwirkt. Der die Sperrvorrichtung des Fail-Safe-Mechanismus 11 ist mittels Befestigungsschrauben am Antriebsrad 1 angebracht und so drehfest mit diesem verbunden. Der Fail-Safe-Mechanismus 11 ist im gezeigten Ausführungsbeispiel dem oberen der in den Figuren gezeigten drei Zahnräder 2 zugeordnet.
In 2 ist eine relative Verdrehung von Antriebsrad 1 gegenüber dem Getriebeausgang 5, also der Nockenwelle in Richtung maximale Spätstellung dargestellt. Diese Verdrehung ist durch Einleiten eines entsprechenden Drehmomentes über das zentrale Getriebeeingangsrad 3 bewirkt, wodurch die Zahnräder 2 in Richtung des dargestellten Richtungspfeiles verdreht wurden und über die Innenverzahnung des Antriebsrades 1 die relative Verdrehung erzeugten. In dieser Position nahe der maximalen Spätstellung der Nockenwelle hat sich das in den Figuren jeweils oben dargestellte Zahnrad 2 dem Fail-Safe-Mechanismus 11 angenähert. Der zugehörige Phasenwinkel φ zwischen Antriebsrad 1 und dem Getriebeausgang 5 hat sich gegenüber dem in 1 verkleinert.
Bei weiterer Verdrehung von Getriebeausgang 5 gegenüber dem Antriebsrad 1 kommt der Kopfbereich des Zahnrades 2 in Kontakt mit einer schwenkbar gelagerten Sperrklinke 12 des Fail-Safe-Mechanismus 11. Formgebung und die Schwenklagerung der Sperrklinke 12 sind derartig, dass dieses durch das in Richtung des Pfeiles drehende Zahnrad 2, welches ein Verstellen der Nockenwelle in Richtung maximaler Spätstellung bewirkt, in Freigangrichtung eingedrückt wird, also die Drehung des Zahnrades 2 in dieser Drehrichtung nicht hindert. Die Nockenwelle kann so bis in die maximale Spätstellung verfahren werden - genau dieser Position ist der Fail-Safe-Mechanismus 11 mit der Sperrklinke 12 zugeordnet.
Die 3 sowie die vergrößerten Darstellungen der 4 - 6 des Fail-Safe-Mechanismus 11 zeigen, wie die schwenkbar gelagerte Sperrklinke 12, welche durch die Kraft einer Druckfeder 13 in Sperrrichtung (hier in Uhrzeigersinn) gespannt ist, durch die Zähne des sich in Richtung des Pfeiles drehende Zahnrad 2 nachgibt, die Drehung also nicht hindert.
Die 4 - 9 zeigen, dass die Sperrklinke 12 ihr Schwenklager 14 in einem um eine weitere Schwenkachse 15 (parallel zu Schwenklager 14) gelagerten Lagerteil 16 hat, welches durch eine weitere Druckfeder 17 entgegen dem Uhrzeigersinn vorgespannt ist. Die Druckfeder 17 stützt sich hierbei an einem Basisteil 18 ab, welches das Schwenklager 15 für das Lagerteil 16 aufweist und somit die beschriebenen Teile des Fail-Safe-Mechanismus 11 trägt.
Die 4 - 6 zeigen, wie die Sperrklinke 12 durch das sich in Pfeilrichtung drehende Zahnrad 2 - diese Drehrichtung bewirkt das Anfahren der maximalen Spätstellung - entgegen dem Uhrzeigersinn verschwenkt wird. In 7 ist das Erreichen der maximalen Spätstellung wiedergegeben - die Sperrklinke 12 sperrt nun durch die Kraft der Druckfeder 13 das Zahnrad 2.
Die Sperrung des Zahnrades 2 gegen ein Zurückdrehen wirkt aber nur bis zu einem gewissen Drehmoment. Bedingt durch die Hebelverhältnisse der Schwenklager 14, 15 in Verbindung mit den Kennlinien der Druckfedern 13, 17 vermag die Sperrklinke 12 einer Drehung des Zahnrades 2 in der entgegengesetzten Richtung bis zu einem bestimmten Moment sperrend entgegen zu wirken. Wird ein bestimmtes Moment überschritten, so verschwenkt die Sperrklinke 12 entgegen der Druckfeder 17 das Lagerteil 16 in Uhrzeigerrichtung und gibt so das Zahnrad 2 wieder frei. Die Drehung des Zahnrades 2, welches nun ein Verlassen der maximalen Spätstellung bewirkt, ist in den 8 und 9 mit dem Richtungspfeil dargestellt.
Das Drehmoment, welches aufzuwenden ist, um die durch die Sperrklinke 12 fixierte maximale Spätstellung wieder zu verlassen, ist durch entsprechende Dimensionierung der beschriebenen Elemente des Fail-Safe-Mechanismus 11 so gewählt, dass diese Position nur bei intaktem und treibendem Antriebsmotor (Elektromotor) verlassen werden kann, dieser also über das zentrale Getriebeeingangsrad 3 die Rückdrehung des Zahnrades 2 bewirkt. Die im Betrieb wirkenden Wechselmomente an der Nockenwelle reichen wegen der hohen Untersetzung des Getriebes und dem fehlendem Antriebsmoment des Motors nicht aus.
Bezugszeichenliste

1: Antriebsrad, Kettenrad, Antriebsseite
2: Zahnrad, Planetenrad
3: Getriebeeingangsrad
4: Trägerplatte
5: Getriebeausgang, Abtriebsseite
6: Zentralschraube, Verbindung Nockenwelle
7: Endanschlag
8: Endanschlag
9: Endanschlag
10: Endanschlag
11: Sperrvorrichtung, Fail-Safe-Mechanismus
12: Sperrklinke
13: Druckfeder (Sperrklinke)
14: Schwenklager (Sperrklinke 13)
15: Schwenklager (Lagerteil 16)
16: Lagerteil
17: Druckfeder (Lagerteil 16)
18: Basisteil (Fail-Safe-Mechanismus)

Claims

Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine, bestehend aus einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, mit einem von der Verbrennungskraftmaschine her getriebenen Antriebsrad (1), über welches das Antriebsmoment für die Nockenwelle eingeleitet wird, einem mit der Nockenwelle drehfest gekoppelten Getriebeausgang (5), einem mit einem Antriebsmotor gekoppelten Getriebeeingangsrad (3), über welches das die relative Verdrehung zwischen Antriebsrad (1) und Getriebeausgang (5) bewirkende Verstellmoment in das Verstellgetriebe eingeleitet wird, wobei ein eine Sperrung des Verstellgetriebes bewirkender Fail-Safe-Mechanismus (11) vorgesehen ist, welcher im Falle des Ausbleibens eines über das Getriebeeingangsrad (3) einzubringenden Verstellmomentes sperrend zwischen dem Antriebsrad (1) und Getriebeausgang (5) wirkt, nämlich auf ein zwischen dem Antriebsrad (1) und dem Getriebeausgang (5) befindliches Planetenrad (2) sperrend einwirkt, wobei der Fail-Safe-Mechanismus (11) drehfest auf dem Antriebsrad (1) angeordnet ist und das Planetenrad (2) drehfest mit dem Getriebeausgang (5) gelagert ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (11) das Verstellgetriebe in einer der Endlagen, welche der maximalen Früh- bzw. Spätposition der Nockenwelle entspricht, hält.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dem die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkenden Fail-Safe-Mechanismus (11) ein Aktuator zugeordnet ist, vermittels dem die Sperrung aufhebbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (11) durch Aufbringen eines vom Getriebeeingangsrad (3) aufzubringenden Mindestverstellmoments lösbar ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Sperrung des Verstellgetriebes bewirkende Fail-Safe-Mechanismus (11) als eine durch eine Feder (13) vorgespannte Sperrklinke (12) ausgebildet ist, welche mit dem zwischen Antriebsrad (1) und Getriebeausgang (5) geschalteten Planetenrad (2) zusammenwirkt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Feder (13) vorgespannte Sperrklinke (12) auf einem drehfest mit dem Antriebsrad (1) gekoppelten Basisteil (18) angebracht ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die durch die Feder (13) vorgespannte Sperrklinke (12) auf einem durch eine weitere Feder (17) gespannten und gegenüber dem Basisteil (18) verschwenkbar gelagerten Lagerteil (16) angebracht ist.