DE10355560A1

DE10355560A1 - Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10355560A1
Application number: DE10355560A
Authority: DE
Inventors: Matthias Dipl.-Ing. Gregor; Jens Dipl.-Ing. Meintschel; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Alexander Von Dipl.-Ing. Gaisberg-Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-11-28
Filing date: 2003-11-28
Publication date: 2005-08-11
Also published as: US20060236967A1; JP2007512460A; WO2005061861A1

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellvorrichtung (1) für eine Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebselement (3), einem die Nockenwelle (2) der Brennkraftmaschine antreibenden Abtriebselement (4) und einem Stellelement (5), das von einer Bremse (6) beaufschlagt wird, wobei durch Variation des Bremsmomentes am Stellelement (5) eine Relativdrehung zwischen Antriebselement (3) und Abtriebselement (4) erreichbar ist. DOLLAR A Um eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei kostengünstiger und einfacher Herstellung einen Einsatz in jedem Anwendungsbereich ermöglicht, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, eine Bauform der Verstellvorrichtung (1) vorzusehen, die beliebige Phasenwinkel zwischen Antriebselement (3) und Abtriebselement (4) zulässt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Aus der DE 100 38 354 A1 ist eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bekannt, die aus einem Umlauf-Summiergetriebe und einem elektrischen Stellmotor besteht. Einer der beiden Eingänge des Getriebes ist mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine, der andere Eingang ist mit dem Stellmotor verbunden. Am Getriebeausgang ist die Nockenwelle angebracht. Bei Veränderung der Drehzahl des Stellmotors wird die Drehzahl der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle geändert und damit die Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verstellt. Jedoch wird zur Umsetzung dieser Lösung ein hochübersetzendes, zweistufiges Getriebe benötigt, wodurch erhöhte Kosten verursacht werden. Ferner fließen bei der Verstellung relativ hohe Ströme, wodurch eine Leistungsendstufe erforderlich ist.

Aus der DE 102 47 650 A1 ist eine gattungsgemäße Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Die Verstellvorrichtung weist ein drehfest mit der Kurbelwelle verbundenes Antriebselement und ein auf der No ckenwellenseite angeordnetes Antriebselement auf. Zur Verstellung des Phasenwinkels zwischen Antriebselement und Abtriebselement ist zwischen den beiden Elementen ein Stellelement angeordnet, welches als Hebelmechanismus ausgebildet ist, wobei das Stellelement von einer Bremse beaufschlagt wird. Allerdings ist der Hebelmechanismus relativ aufwändig und sehr verschleißempfindlich und läßt auch nur einen eingeschränkten Stellbereich zu. Durch die direkte Ankoppelung der Nockenwelle an die Kurbelwelle muss außerdem der mit dem Stellelement bzw. dem Hebelmechanismus verbundenen Rotor der Bremse bei konstanter Phasenlage mit gleicher Drehzahl (Übersetzung 1:1) wie die Nockenwelle laufen. Aufgrund der Übersetzung von Ein- und Ausgangsglied sind Elemente für die Verstellung in beiderlei Richtungen erforderlich. Die Verstellung des Phasenwinkels wird durch Abbremsung bzw. Beschleunigung des Rotors vorgenommen. Um die Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle vordrehen zu können, d.h. Beschleunigung des Rotors, befindet sich am Stellelement zusätzlich eine Drehfeder, deren ständig wirkendes Drehmoment bei konstanter Phase bzw. bei Zurückdrehung zusätzlich gebremst werden muss, was zu Wirkungsgradeinbußen führt.

Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 102 47 548 A1 , DE 103 01 493 A1 und DE 102 03 621 A1 verwiesen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu schaffen, die bei kostengünstiger und einfacher Herstellung einen Einsatz in jedem Anwendungsbereich ermöglicht.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass die Verstellvorrichtung für alle Anwendungsfälle bzw. alle Phasenwinkelbereiche einsetzbar ist, da durch die Anwendung eines Umlaufgetriebes der Stellbereich theoretisch unbegrenzt ist.

Vorteilhafterweise wird die Verstellung des Phasenwinkels zwischen Antriebselement und Antriebselement ausschließlich mittels einer Bremse bewirkt. Die elektrisch geregelte Bremse erfordert keine Leistungsendstufe im Steuergerät, da die hierfür erforderlichen Ströme sehr gering sind. Bevorzugt wird eine Hysteresebremse eingesetzt, deren Bremsmoment unabhängig von der Drehzahl ist.

Vorteilhafterweise ist die Verstellvorrichtung in allen Anwendungsfällen einsetzbar, indem der ursprünglich unbegrenzte Stellbereich über einen Anschlag jedem Anwendungsfall angepasst werden kann.

Vorteilhafterweise kann durch eine geeignete Wahl der Übersetzung des Umlaufgetriebes auf eine Rückstellfeder verzichtet werden, d.h. für die Verstellung in beiderlei Richtungen ist ein Verstellelement, in diesem Fall die Bremse, ausreichend. Soll die Verstellvorrichtung allerdings auf eine besonders hohe Stelldynamik ausgelegt werden, kann das Lastmoment der Nockenwelle durch eine Stellfeder vergrößert werden, um bei gelöster Bremse eine optimale Stellgeschwindigkeit des Nockenwellenverstellers in der einen Richtung zu realisieren.

Vorteilhafterweise ist die Verstellvorrichtung als zwei miteinander gekoppelte Planetengetriebe ausgeführt, welche gemeinsame Elemente aufweisen, wodurch Bauteile entfallen können. Hierdurch ergibt sich eine schlanke Bauform der Verstellvorrichtung, die eine platzsparende Anordnung erlaubt.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteransprüchen und der Beschreibung hervor.

In den Zeichnungen ist die Erfindung anhand von sechs Ausführungsbeispielen erläutert, und zwar zeigen:
1 einen Nockenwellenversteller mit einem Antriebselement, einem Abtriebselement und einem Stellelement, welche als umlaufendes sogenanntes Plusgetriebe ausgebildet sind, wobei das Stellelement und das Abtriebselement den gleichen Drehsinn aufweisen und das Stellelement von einer Bremse beaufschlagbar ist,
2 einen Nockenwellenversteller, der als umlaufendes sogenanntes Minusgetriebe ausgebildet ist, wobei das Stellelement und das Antriebselement gegenläufige Drehsinne aufweisen und das Stellelement von einer Bremse beaufschlagbar ist,
3 einen Nockenwellenversteller, dessen Elemente als zweistufiges, gekoppeltes Planetengetriebe ausgebildet sind, wobei das Stellelement von einer Bremse beaufschlagbar ist,
4 einen Nockenwellenversteller, der eine Stellfeder zwischen Antriebselement und Stellelement aufweist,
5 einen Nockenwellenversteller, der eine Stellfeder zwischen Abtriebselement und Antriebselement aufweist, und
6 einen Nockenwellenversteller, der eine Stellfeder zwischen Abtriebselement und Stellelement aufweist.
Der Einfachheit halber werden in den Figuren für übereinstimmende Bauteile dieselben Bezugszeichen verwendet.
1 zeigt eine Verstellvorrichtung 1 für eine Nockenwelle 2 einer Brennkraftmaschine zum Verändern der Phasenlage der Nockenwelle 2 gegenüber einer hier nicht sichtbaren Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei die Nockenwelle 2 über die Verstellvorrichtung 1 von der Kurbelwelle angetrieben wird.
Die Verstellvorrichtung 1 umfasst drei Elemente und zwar ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement 3, ein drehfest mit der Nockenwelle 2 verbundenes, die Nockenwelle 2 antreibendes Abtriebselement 4 und ein Stellelement 5 zur Verstellung des Phasenwinkels zwischen Antriebselement 3 und Antriebselement 4, das von einer Bremse 6 beaufschlagt wird, wobei durch Variation des Bremsmomentes am Stellelement 5 eine Relativdrehung zwischen Antriebselement 3 und Abtriebselement 4 erreichbar ist. Vorzugsweise handelt es sich bei der Bremse 6 um eine verschleissfrei insbesondere berührungslos arbeitende, elektromagnetische Bremse. Besonders geeignet ist eine Hysteresebremse, deren Bremsmoment unabhängig von der Drehzahl ist. Die zur Ansteuerung der Bremse 6 benötigten Ströme sind so gering, dass auf eine Leistungsendstufe im Steuergerät verzichtet werden kann. Bei der Bremse 6 kann es sich um eine einfach- oder mehrfach-wirkende Bremse handeln. Der hier nicht sichtbare Rotor der Bremse 6 ist mit dem Stellelement 5 drehfest verbunden. Ebenfalls nicht sichtbar ist, dass sich das Gehäuse (Stator) 7 der Bremse 6 an einem ruhenden Bauteil der Brennkraftmaschine, wie beispielsweise Zylinderkopf, Zylinderkopfdeckel, Steuergehäusedeckel usw. abstützt. Das Antriebselement 3 ist im vorliegenden Fall als Kettenrad ausgebildet, welches über eine hier nicht dargestellte Steuerkette von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird.
Um einen Einsatz der Verstellvorrichtung in jedem Anwendungsbereich zu ermöglich, ist erfindungsmäß eine Bauform der Verstellvorrichtung 1 vorgesehen, die beliebige Phasenwinkel zwischen Antriebselement 3 und Antriebselement 4 zulässt.
Vorzugsweise ist die Verstellvorrichtung 1 als Zahnradgetriebe ausgebildet und insbesondere als Planetengetriebe, wobei in diesem Fall die drei Elemente 3 bis 5 der Verstelleinrichtung als jeweils eines der Elemente des Planetengetriebes ausgebildet sind.
Gemäß 1 sind die Elemente 3 bis 5 der Verstellvorrichtung 1 als einstufiges Planetengetriebe ausgebildet. Ein Planetengetriebe besteht aus einem Hohlrad 3, Planetenrädern 8, einem Sonnenrad 5 und mindestens einem Planetenradträger 4. Das Abtriebselement 4 bildet die beiden Planetenradträger, in welchen die Planetenräder 8 über Lagerbolzen 9 mit ihren Achsen 10 gelagert sind. Vorzugsweise sind drei Planetenräder 8 vorgesehen, die von außen von dem das Hohlrad bildende Antriebselement 3 umschlossen werden, wobei sie mit dem Antriebselement 3 in Kämmeingriff stehen. Im Inneren laufen die Planetenräder 8 auf dem als Sonnenrad ausgebildeten Stellelement 5. Die Welle 11 des Stellelementes (Sonnenrad) 5 ist in diesem Ausführungsbeispiel auch gemeinsame Drehachse 12 für das Antriebselement (Hohlrad) 3 und das Antriebselement (Planetenradträger) 4. Auf der Abtriebsseite sind die Planetenräder 8 über die Planetenradträger 4 mit der Nockenwelle 2 verbunden. In diesem Fall sind die Elemente 3 bis 5 der Verstellvorrichtung 1 als Plusgetriebe ausgebildet, d.h. bei festgehaltenem Kettenrad 3, drehen sich Stellelement 5 und Nockenwelle 2 in der gleichen Richtung.
Die Verstellung des Phasenwinkels zwischen Antriebselement 3 und Abtriebselement 4 wird ausschließlich durch die Bremse 6 bewirkt und zwar durch Variation des Bremsmomentes am Stellelement 5. Um eine konstante Phasenlage zwischen Kettenrad 3 und Nockenwelle 2 zu erreichen, wirkt die Bremse 6 entsprechend auf das Stellelement 5. Eine Variation des Bremsmomentes erhöht bzw. reduziert die Drehzahl des Stellelementes 5, wodurch eine Änderung der Phasenlage der Nockenwelle 2 relativ zur Kurbelwelle erreicht wird.
2 zeigt eine Verstellvorrichtung 1 gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel. Die Verstellvorrichtung 1 ist ebenfalls als einstufiges Planetengetriebe ausgebildet. Das Antriebselement (Kettenrad) 3 bildet die beiden Planetenradträger, in welchen Planetenräder 8 über Lagerbolzen 9 mit ihren Achsen 10 gelagert sind. Vorzugsweise sind drei Planetenräder 8 vorgesehen, die von außen von dem das Hohlrad bildende Abtriebselement (Nockenwelle) 4 umschlossen werden, wobei sie mit dem Antriebselement 4 in Kämmeingriff stehen. Im Inneren laufen die Planetenräder 8 auf dem als Sonnenrad ausgebildeten Stellelement 5. Die Welle 11 des Stellelementes (Sonnenrad) 5 ist auch gemeinsame Drehachse 12 für das Antriebselement (Hohlrad) 4 und das Antriebselement (Planetenradträger) 3. Auf der Abtriebsseite ist das Hohlrad (Antriebselement) 4 einstückig mit der Nockenwelle 2 ausgebildet. In diesem Fall sind die Elemente 3 bis 5 der Verstellvorrichtung 1 als Minusgetriebe ausgebildet, d.h. bei festgehaltenem Kettenrad 3, drehen sich Stellelement 5 und Nockenwelle 2 in entgegengesetzter Richtung.
Eine Phasenverschiebung der Nockenwelle 2 wird durch Variation des Bremsmomentes am Stellelement 5 erreicht. Die Übersetzung wird vorzugsweise so gewählt, dass bei konstanter Phasenlage zwischen Antriebselement 3 und Antriebselement 4 das Stellelement 5 auf eine bestimmte Drehzahl, die gleich der Drehzahl der Nockenwelle 2 ist, gebremst wird. Eine Erhöhung des Bremsmomentes reduziert die Drehzahl des Stellelementes 5 (gegebenenfalls bis zum Stillstand) und führt zur Vorverstellung der Nockenwelle 2 gegenüber dem Kettenrad 3. Wird das Bremsmoment reduziert (gegebenenfalls bis auf Null, d.h. „Stellelement frei") wird das Stellelement 5 durch das Lastmoment der Nockenwelle 2 beschleunigt und damit die Nockenwelle 2 gegenüber dem Kettenrad 3 zurückverstellt.
3 zeigt eine Verstellvorrichtung 1 gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel. Die Verstellvorrichtung 1 ist als zweistufiges, gekoppeltes Planetengetriebe ausgebildet, wobei beide Planetengetriebeeinheiten gemeinsame Elemente 5, 8 aufweisen. Jede Planetengetriebeeinheit weist ein eigenes Hohlrad 3, 13 mit Innenverzahnung 14, 15 auf und teilt sich sowohl Sonnenrad 5 als auch Planetenräder 8 mit der anderen Planetengetriebeeinheit, wobei das antriebsseitige Hohlrad vom Kettenrad 3 gebildet wird. Die Hohlräder 3, 13 stehen mit ihren Verzahnungen 14, 15 in Kämmeingriff mit den Planetenrädern 8. Die Planetenräder 8 sind im Raum zwischen den Hohlräder 3, 13 und dem als Sonnenrad ausgebildeten Stellelement 5 verteilt angeordnet, d.h. die Planetenräder 8 sind lediglich lose ohne besondere Lagerung eingesetzt. Die axiale Führung der Planetenräder 8 übernimmt eine mit dem Kettenrad 3 verbundene Anlaufscheibe 16 und ein an der Nockenwelle 2 angeformtes Abtriebselement 4, das mit dem abtriebsseitigen Hohlrad 13 fest verbunden ist. Die Planetenräder 8 kämmen mit dem Stellelement 5. Die welle 11 des Stellelementes (Sonnenrad) 5 ist auch gemeinsame Drehachse 12 für das antriebsseitige Hohlrad 3 und das abtriebsseitige Hohlrad 13. In diesem Fall ist eine Ausführung der Verstellvorrichtung 1 sowohl als Plusgetriebe als auch als Minusgetriebe je nach Zähnezahl der beiden Hohlräder 3, 13 möglich. Nach Festlegen der Zähnezahl der Hohlräder 3, 13 kann durch Vertauschen der beiden Hohlrä der 3, 13 aus einem Plusgetriebe ein Minusgetriebe und umgekehrt entstehen.
Soll die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung 1 allerdings auf eine besonders hohe Stelldynamik ausgelegt werden, kann das wirksame Lastmoment der Nockenwelle 2 durch eine Stellfeder 17 gemäß den 4 bis 6 verkleinert oder vergrößert werden, um bei Variation des Bremsmomentes eine optimale Stellgeschwindigkeit der Verstellvorrichtung 1 zu realisieren.
Es sind mehrere Anordnungsmöglichkeiten der Stellfeder 17 denkbar. 4 zeigt die Stellfeder 17 zwischen Antriebselement (Kettenrad) 3 und Stellelement (Bremse) 5, 5 zeigt die Stellfeder 17 zwischen Antriebselement (Kettenrad) 3 und Abtriebselement (Nockenwelle) 4 und 6 zeigt die Stellfeder 17 zwischen Antriebselement (Nockenwelle) 4 und Stellelement (Bremse) 5.
Soll der unbegrenzte Stellbereich der Verstellvorrichtung für einen bestimmten Anwendungsfall eingeschränkt werden, so kann ein Anschlag vorgesehen werden, beispielsweise eine formschlüssige Einrichtung.

Claims

Verstellvorrichtung (1) für eine Nockenwelle (2) einer Brennkraftmaschine mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetriebenen Antriebselement (3), einem die Nockenwelle (2) der Brennkraftmaschine antreibenden Antriebselement (4) und einem Stellelement (5), das von einer Bremse (6) beaufschlagt wird, wobei durch Variation des Bremsmomentes am Stellelement (5) eine Relativdrehung zwischen Antriebselement (3) und Antriebselement (4) erreichbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauform der Verstellvorrichtung (1) beliebige Phasenwinkel zwischen Antriebselement (3) und Abtriebselement (4) zulässt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Phasenwinkels zwischen Antriebselement (3) und Antriebselement (4) ausschließlich durch die Bremse (6) bewirkbar ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Bremse (6) um eine einfach- oder mehrfach-wirkende Bremse handelt.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei der Bremse (6) um eine elektrisch angesteuerte und/oder berührungsfrei arbeitende Bremse handelt.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellung des Phasenwinkels durch einen Anschlag begrenzbar ist.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass das Stellelement (5) und das Abtriebselement (4) gegenläufige Drehsinne aufweisen.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) derart ausgebildet ist, dass das Stellelement (5) und das Abtriebselement (4) den gleichen Drehsinn aufweisen.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stellfeder (17) zwischen zwei der drei Elemente (3 bis 5) der Verstellvorrichtung (1) wirksam ist.
Verstellvorrichtung gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) als Zahnradgetriebe ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) als mindestens ein Planetengetriebe ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellvorrichtung (1) als zwei miteinander gekoppelte Planetengetriebe (3, 5, 8 und 13, 5, 8) ausgeführt ist, wobei die beiden Planetengetriebe gemeinsame Elemente (5, 8) aufweisen.
Verstellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die drei Elemente (3 bis 5) der Verstellvorrichtung als jeweils eines der Elemente eines Planetengetriebes ausgebildet sind, wobei das Planetengetriebe Hohlrad (3, 4, 13), Planetenradträger (3, 4) und Sonne (5) aufweist.