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KR100976099B1 - 전기 구동 장치를 구비한 캠 샤프트 조절기 - Google Patents

전기 구동 장치를 구비한 캠 샤프트 조절기 Download PDF

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Publication number
KR100976099B1
KR100976099B1 KR1020047017940A KR20047017940A KR100976099B1 KR 100976099 B1 KR100976099 B1 KR 100976099B1 KR 1020047017940 A KR1020047017940 A KR 1020047017940A KR 20047017940 A KR20047017940 A KR 20047017940A KR 100976099 B1 KR100976099 B1 KR 100976099B1
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KR
South Korea
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regulating
shaft
shafts
camshaft
gear
Prior art date
Application number
KR1020047017940A
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KR20040106496A (ko
Inventor
쉐퍼옌스
슈타이게르발트마르틴
Original Assignee
쉐플러 카게
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
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Publication date
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Abstract

본 발명은 크랭크 샤프트에 연결된 구동 샤프트(4), 캠 샤프트에 연결된 피동 샤프트(5) 및 전기 조절 모터(2)에 연결된 조절 샤프트(6)를 포함하는 3-샤프트-기어로서 형성된 조절 기어(1)를 구비한, 내연 기관의 캠 샤프트(3) 및 크랭크 샤프트를 해체 가능하게 연결 및 조절하기 위한 장치에 관한 것으로, 조절 샤프트(6)가 정지한 경우에는 구동 샤프트(4)와 피동 샤프트(5) 사이에 고정 기어 변속비(i0)이 존재하고, 상기 기어 변속비의 크기은 기어의 유형(마이너스- 또는 플러스 기어) 그리고 기본 위치 또는 비상 주행 위치를 갖는 상기 캠 샤프트(3)의 조절 방향을 결정한다.
상기 장치의 기능 안전은, 조절 모터(2) 및/또는 상기 모터의 제어부가 고장인 경우에는 조절 샤프트(6)의 제동 및 고정에 의해서, 및 구동 샤프트(4)의 동시 회전에 의해서 그리고 적합한 정지식 기어 변속비(i0)에 의해서 상기 캠 샤프트(3)의 기본 위치 또는 비상 주행 위치에 도달하여 그 위치를 유지할 수 있음으로써 개선된다.

Description

전기 구동 장치를 구비한 캠 샤프트 조절기 {CAMSHAFT ADJUSTER WITH AN ELECTRICAL DRIVE}
본 발명은 특히 청구항 1의 전제부에 따른, 내연 기관의 캠 샤프트 및 크랭크 샤프트를 해체 가능하게 연결 및 조절하기 위한 장치에 관한 것이다.
유압식 또는 전기식 캠 샤프트 조절-시스템을 구비한 내연 기관에서 보다 확실한 모터 스타트를 보장하기 위해서는, 캠 샤프트가 소위 기본 위치 또는 비상 주행 위치에 있어야 한다. 유입 캠 샤프트의 경우에는 상기 위치가 통상적으로 "늦은 (지각)" 에 있고, 배출 캠 샤프트의 경우에는 "이른 (진각)" 에 있다. 차량의 정상 동작중에는 캠 샤프트가 모터의 정지시에 조절되어 각각의 기본 위치로 이동되고, 그곳에 고정 또는 로킹된다.
예를 들어 베인 셀, 선회- 또는 세그먼트 임펠러와 같이 유압식으로 작동되는 종래의 회전 피스톤 조절기는 로킹 유닛을 구비한다. 상기 로킹 유닛은, 캠 샤프트를 조절하기에 충분한 오일 압력이 형성될 때까지 유압식 조절기를 기본 위치에 고정시킨다. 모터가 실수로 정지된 경우에는, 캠 샤프트가 기본 위치 밖의 규정되지 않은 위치에 있을 수 있다.
"늦은"에서 기본 위치를 갖는 유압식 캠 샤프트-조절 시스템의 경우, 캠 샤 프트는 내연 기관의 다음 스타트시에 그리고 캠 샤프트 회전 방향과 반대로 작용하는 캠 샤프트 마찰 모멘트로 인해 오일 압력이 없을 때 상기 늦은 기본 위치로 조절된다. 기본 위치가 "이른"에 있으면, 캠 샤프트는 오일 압력이 없을 때 캠 샤프트 마찰 모멘트에 대항하여 이른 기본 위치로 조절되어야 한다. 이와 같은 조절은 대부분 상기 캠 샤프트 마찰 모멘트와 동일하지만 대향하는 모멘트를 발생시키는 보상 스프링에 의해서 이루어진다.
유압식으로 작동될 수 있는 캠 샤프트 조절기에서 통상적인, 내연 기관이 실수로 정지된 후에 기본 위치에 도달하기 위한 상기 방법들은 전기로 구동되는 캠 샤프트 조절기에는 적용될 수 없다. 조절 모터-시스템이 손상되지 않았고, 내연 기관의 정지 상태 또는 재스타트 상태에서도 캠 샤프트가 각각의 기본 위치로 조절될 수 있다면, 상기와 같은 방법들은 필요치 않다. 그러나 전기식 조절 모터-시스템의 경우에는 조절 모터 및/또는 상기 모터의 제어부가 고장날 수 있고, 그럼으로써 기본 위치에 도달하는 동작이 저지된다.
독일 공개 특허 출원서 제 41 10 195호에는 내연 기관의 캠 샤프트 및 크랭크 샤프트를 해체 가능하게 연결 및 조절하기 위한 장치가 기술되어 있으며, 상기 장치는 3-샤프트-기어로서 형성된 조절 기어를 구비하고, 상기 조절 기어는 크랭크 샤프트에 연결된 구동 샤프트, 캠 샤프트에 연결된 피동 샤프트 및 전기식 조절 모터에 연결된 조절 샤프트를 포함하며, 이 때 조절 샤프트가 정지한 경우에는 구동 샤프트와 피동 샤프트 사이에서 고정 기어 변속비(i0)가 이루어지고, 상기 변속비의 크기는 기본 위치 또는 비상 주행 위치를 갖는 캠 샤프트의 조절 방향 및 기어 유형(마이너스- 또는 플러스 기어)을 결정한다.
상기 조절 장치에서는 캠 샤프트의 위치를 용이하고도 정확하게 설정하려는 노력이 강구된다. 조절 모터-시스템이 고장인 경우 내연 기관의 기능을 적어도 임시적이라도 유지할 수 있기 위해, 조절각이 제한된다. 그러나 상기와 같은 경우에는 기본 위치 또는 비상 주행 위치의 도달에 대한 언급이 없다.
본 발명의 목적은, 조절 모터 및/또는 상기 모터의 제어부가 고장인 경우에도 캠 샤프트가 자신의 기본 위치로 조절될 수 있는 전기식 캠 샤프트 조절기를 제작하는 것이다.
상기 목적은 본 발명에 따라 청구항 1의 특징에 의해서 달성된다. 조절 샤프트의 제동 또는 고정 후에는, 구동 샤프트의 회전에 의해서 내연 기관의 공회전이 낮은 경우에 또는 - 상기 내연 기관이 고장인 경우에는 - 상기 내연 기관의 재스타트시에, 고장난 조절 모터-시스템에 의해서도 캠 샤프트는 자신의 기본 위치 또는 비상 주행 위치로 조절된다. 상기 상태에서는 차량이 스타트될 수 있고, 소정의 조건들 하에서 작동될 수 있음으로써, 작업장에 도달할 수 있다. 전제 조건은, 원하는 기어 유형(플러스- 또는 마이너스 기어) 및 조절 방향(늦은 또는 이른)을 결정하기에 적합한 고정 기어 변속비(i0)이다.
조절 기어를 선택하는 경우에는 마이너스- 또는 플러스 기어가 고려된다. 마이너스 기어는 0보다 작은 고정 기어 변속비(i0)를 갖고, 플러스 기어는 0보다 큰 정지식 기어 변속비를 갖는다. 고정 기어 변속비(i0)가 양(+)인 경우에는 구동 샤프트 및 피동 샤프트가 정지 상태의 조절 샤프트 및 상기 샤프트와 연결된 부품과 관련하여 동일한 회전 방향을 가지며, 고정 기어 변속비(i0)가 음(-)인 경우에는 반대의 회전 방향을 갖는다.
마이너스 기어의 경우에 조절 샤프트가 고정되고 구동 샤프트가 시계 바늘 방향으로 회전하면, 피동 샤프트 및 그와 더불어 캠 샤프트는 시계 바늘 방향과 반대로 회전하게 되며, 이와 같은 동작은 늦은 조절에 상응한다.
i0 > 1인 고정 기어 변속비를 갖는 플러스 기어의 경우에 조절 샤프트가 고정되고 구동 샤프트가 시계 바늘 방향으로 회전하면, 피동 샤프트는 구동 샤프트보다 느리게 회전된다, 즉, 피동 샤프트는 시계 바늘 방향과 반대로 및 늦은 조절 방향으로 회전된다.
0 < i0 < 1인 고정 기어 변속비를 갖는 플러스 기어의 경우에 조절 샤프트가 고정되고 구동 샤프트가 시계 바늘 방향으로 회전되면, 피동 샤프트는 구동 샤프트보다 빠르게 회전된다. 즉, 피동 샤프트는 시계 바늘 방향으로 및 이른 조절 방향으로 회전된다.
상기와 같은 상황들은 고려되는 모든 조절 기어에 적용될 수 있다. 요약해서 말하자면, 조절 모터가 고장인 경우 늦은 기본 위치에 도달하기 위해서는 i0 < 0 인 마이너스 기어의 또는 i0 > 1인 플러스 기어의 조절 샤프트가 고정될 필요가 있고, 이른 기본 위치에 도달하기 위해서는 0 < i0 < 1인 플러스 기어의 조절 샤프트가 고정될 필요가 있다.
조절 모터가 수동적인 정지 토크 (holding torque) 를 갖는 영구 자석-회전자를 구비하고, 상기 회전자가 중간 위치로부터 2가지 회전 방향으로 최대값까지 상승한 후에 재차 하강하는 것이 장점이다. 조절 기어의 변화된 마찰 모멘트만큼 증가된 상기 조절 모터의 정지 토크는 조절 샤프트에 반작용하는 변형된 최대 다이내믹 캠 샤프트 회전 모멘트의 단지 60% - 100%만을 가져야 하는데, 그 이유는 상기 캠 샤프트 회전 모멘트의 피크의 에너지 함량이 적고, 필수적인 정지 모멘트가 평균 캠 샤프트 모멘트에 의해서 더 많이 결정되기 때문이다. 영구 자석-회전자의 사용은 영구 자석-고정자에 비해, 전류가 단지 실린더 헤드에 고정된 고정자 내부로만 도통될 수밖에 없다는 장점을 갖는다.
영구 자석 조절 모터의 정지 토크가 충분치 않고, 직류 모터가 정지 토크 없이 별도로 여기되는 경우에는, 추가의 제동 모멘트가 조절 샤프트의 고정을 위해서 이용된다. 상기 추가의 제동 모멘트는 실린더 헤드에 고정된, 바람직하게는 기계적인 또는 와전류 제동을 야기한다. 브레이크는 내연 기관의 공회전이 낮은 경우에 자동으로 작동되고, 조절 모터가 작동될 때 자동으로 느슨해진다. 이와 같은 방식으로 캠 샤프트는 내연 기관이 정지하기 전에는 항상 자신의 기본 위치로 조절된다. 모터가 실수로 정지됨으로써 상기와 같은 조절이 불가능한 경우에는, 상기 조절이 다음 스타트시에 만회된다.
선택된 고정 기어 변속비(i0)로 인해 모터 샤프트가 정지한 경우 및 내연 기관의 공회전수가 낮은 경우에는 캠 샤프트의 조절 속도가 바람직하게 초당 30° 내지 60°의 캠 각 범위에 있는 것이 바람직한 것으로 나타났다. 이 경우에는, 캠 샤프트가 자신의 기본 위치로 복원되는 경우 조절 모터가 한가지 회전 방향으로 조절되는지 아니면 두 가지 회전 방향으로 조절되는지는 중요하지 않다.
캠 샤프트의 조절시에는 구동 샤프트, 피동 샤프트 및 조절 기어의 조절 샤프트가 동일한 회전수로 회전할 필요가 있다. 이와 같은 방식에 의해, 크랭크 샤프트와 캠 샤프트 사이에는 상대 운동이 존재하지 않는다.
조절 기어로서는 예를 들어 공지된 편심 기어 또는 샤프트 기어(플러스 기어) 또는 텀블링- 혹은 이중 유성 기어(마이너스- 또는 플러스 기어)가 고려되고, 조절 모터는 통상적인 브러시 없는 영구 자석-모터로서 형성되거나 또는 브러시가 장착되고 별도로 여기되는 직류 모터로서 형성된다.
본 발명의 추가의 장점들은 하기의 설명부 및 본 발명의 실시예가 개략적으로 도시된 도면으로부터 알 수 있다.
도 1은 실린더 헤드에 고정된 고정자를 갖는 조절 모터를 구비한 조절 기어이며,
도 2는 함께 회전하는 다른 고정자를 갖는 다른 조절 모터를 구비한 다른 조 절 기어이다.
도 1 및 도 2에는 전기식 조절 모터(2, 2')를 구비한 조절 기어(1, 1')가 도시되어 있으며, 상기 조절 모터는 도시되지 않은 크랭크 샤프트와 내연 기관의 캠 샤프트(3, 3') 사이에서 회전 각 위치를 조절하기 위해 이용된다.
조절 기어(1, 1')는 구동 샤프트(4, 4'), 피동 샤프트(5, 5') 및 조절 샤프트(6, 6')를 구비한 3-샤프트-기어로서 형성된다.
구동 샤프트(4, 4')는 구동 휠(7, 7')과 연결되고, 상기 구동 휠을 통해 도시되지 않은 톱니 휠, 또는 톱니 벨트 또는 톱니 체인에 의해서 크랭크 샤프트와 고정 결합된다.
피동 샤프트(5, 5')는 캠 샤프트(3, 3')와 그리고 조절 샤프트(6, 6')는 조절 모터(2, 2')의 회전자(8, 8')와 고정 결합 상태에 있다.
조절 모터(2)의 고정자(9)는 실린더 헤드(10)와 고정 결합되어 정지하고, 조절 모터(2')의 고정자(9')는 구동 휠(7')과 고정 결합되어 절반의 크랭크 샤프트 회전수를 갖는 조절 기어(1)와 동일하게 회전한다.
캠 샤프트(3, 3')는 확실한 스타트 및 제한된 작동을 위해 도달되어야 하는 기본 위치 및 비상 주행 위치를 갖는다. 이와 같은 위치 도달은 조절 모터(2, 2')가 손상되지 않은 경우에 내연 기관이 실수로 정지된 후에도 별 어려움 없이 이루어질 수 있는데, 그 이유는 내연 기관의 정지시에 또는 재스타트 동안에는 조절 모터(2, 2')가 캠 샤프트(3, 3')를 기본 위치로 조절하기 때문이다. 그러나 적어도 작업장에 도달하기 위해서는, 조절 모터(2, 2')가 고장난 경우에도 재스타트가 가능해야 한다.
조절 기어(1, 1') 및 상기 기어의 고정 기어 변속비(i0)는, 단지 조절 샤프트(6, 6')의 고정만으로 캠 샤프트(3, 3')가 스타트시에 자신의 기본 위치에 도달하고, 그럼으로써 내연 기관이 스타트 가능한 상태를 계속 유지하도록 설계된다.
조절 샤프트(6, 6')가 정지해 있고 구동 샤프트(4, 4')가 제대로 회전하는 경우에는, 상기 내용이 i0의 설계에 적용된다.
i0 < 0인 경우에는 늦게 조절되는 마이너스 기어가 제안된다; 0 < i0 < 1인 경우에는 조기에 조절되는 플러스 기어가 제안되고, i0 > 1인 경우에는 늦게 조절되는 플러스 기어가 제안된다.
조절 샤프트(6)의 고정은, 영구 자석-회전자(8) 또는 영구 자석-고정자(9)를 구비하고 전류가 공급되지 않은 조절 모터(2)에 의해서 이루어질 수 있다. 조절 모터(2)는 중간 위치로부터 2가지 회전 방향으로 최대값까지 상승한 후에 재차 하강하는 정지 토크를 갖는다. 상기 정지 토크는, 형태는 동일하지 않지만 연속적으로 이루어지는 회전을 야기하지 않으면서, 여기되지 않은 조절 모터에 정지식으로 부하를 가할 수 있는 최대 회전 모멘트(토크)이다.
상기 정지 토크는 조절 기어(1)의 변화된 마찰 모멘트 만큼 로킹 모멘트로 강화되고, 상기 로킹 모멘트는 내연 기관의 공회전수가 낮은 경우에는 상기 변화된 동역학적 캠 샤프트 토크의 최대값의 60% 내지 100% 범위에 있어야 한다.
전류가 공급되지 않은 조절 모터(2)의 로킹 모멘트가 조절 샤프트의 고정을 위해 충분치 않으면, 실린더 헤드에 고정되어 기계적으로 또는 전기적으로 작용하는 브레이크(11)에 의해서 외부 제동 모멘트가 추가로 제공된다. 상기 외부 제동 모멘트는 로킹 모멘트와 동일하게 조절 샤프트(6)의 2가지 회전 방향으로 작용한다.
내연 기관이 실수로 정지하거나 또는 조절 모터(2)가 고장난 후에는, 캠 샤프트(3)가 규정되지 않은 위치에 있을 수 있다. 조절 샤프트(6)를 고정시키거나 제동시킴으로써, 캠 샤프트(3)는 후속하는 스타트시에, 스타터에 의해 야기된 구동 샤프트(4)의 회전 동작에 의해서 자신의 기본 위치로 조절되고, 그 결과 스타트가 가능해진다.
조절 모터(2')의 고정자(9')가 (도 2 참조) 상기 모터의 회전자(8')와 함께 회전되기 때문에, 조절 샤프트(6')의 고정은 상기 고정자(9')와 회전자(8') 사이에서 작용하는 정지 토크에 의해서는 불가능하다. 이 경우 조절 샤프트(6')는 다만 실린더 헤드에 고정된 기계식 또는 전기식 브레이크(11')에 의해서만 제동될 수 있다. 상기 브레이크에 의해, 내연 기관이 실수로 정지된 후에 또는 조절 모터(2')가 고장난 경우에는 늦어도 다음 모터 스타트시에 캠 샤프트(3')가 자신의 기본 위치로 조절되고, 그럼으로써 모터의 스타트도 가능해진다.
조절 모터(2, 2')가 높은 온도를 가지면, 상기와 같은 조절 샤프트(6, 6')의 기계적인 또는 전기적인 제동은 조절 모터(2, 2')의 열적 부하 경감을 위해서도 이용된다.
* 도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명 *
1, 1': 조절 기어 2, 2': 전기 조절 모터
3, 3': 캠 샤프트 4, 4': 구동 샤프트
5, 5': 피동 샤프트 6, 6': 조절 샤프트
7, 7': 구동 휠 8, 8': 회전자
9, 9': 고정자 10, 10': 실린더 헤드
11, 11': 실린더 헤드에 고정된 브레이크

Claims (10)

  1. 크랭크 샤프트에 연결된 구동 샤프트(4, 4'), 캠 샤프트에 연결된 피동 샤프트(5, 5') 및 전기 조절 모터(2, 2')에 연결된 조절 샤프트(6, 6')를 포함하는 3-샤프트-기어로서 형성된 조절 기어(1, 1')를 구비하고, 내연 기관의 캠 샤프트(3, 3') 및 크랭크 샤프트를 해체 가능하게 연결 및 조절하기 위한 캠 샤프트 조절기로서,
    조절 샤프트(6)가 정지한 경우 구동 샤프트(4, 4')와 피동 샤프트(5, 5') 사이에 고정 기어 변속비(i0) 가 존재하고, 상기 고정 기어 변속비의 크기에 의해 기어의 유형 및, 기본 위치 또는 비상 주행 위치를 갖는 상기 캠 샤프트(3, 3')의 조절 방향이 결정되는 캠 샤프트 조절기에 있어서,
    조절 모터(2, 2') 또는 상기 모터의 제어부가 고장인 경우에는, 조절 샤프트(6, 6')가 제동 및 고정되어, 구동 샤프트(4, 4')가 회전하면, 적합한 고정 기어 변속비(i0)에 의해 상기 캠 샤프트(3, 3') 가 기본 위치 또는 비상 주행 위치에 도달하여 그 위치에 유지될 수 있는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 캠 샤프트(3, 3')의 늦은 조절을 위해서는 i0 < 0인 마이너스 기어 또는 i0 > 1인 플러스 기어를 이용하고, 상기 캠 샤프트(3, 3')의 이른 조절을 위해서는 0 < i0 < 1인 플러스 기어를 이용하는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  3. 제 2 항에 있어서,
    회전자(8) 및 실린더 헤드에 고정된 고정자를 포함하는 조절 모터 (2) 의 정지 토크 (holding torque) 에 의해 상기 조절 샤프트 (6) 가 무전류 방식으로 고정되고, 상기 회전자(8)에 영구 자석이 설치되는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  4. 제 3 항에 있어서,
    상기 조절 기어(1)의 마찰 모멘트의 변화량만큼 정지 토크를 증가시켜, 내연 기관의 스타트시 및 내연 기관의 공회전 시에는, 정지 토크가 상기 조절 샤프트(6)에 반작용하는, 변화된 동적인 캠 샤프트 토크의 최대값의 60% 내지 100% 에 도달할 수 있는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 조절 모터(2, 2')의 정지 토크가 불충분하거나 또는 존재하지 않는 경우에는, 상기 조절 샤프트(6, 6')를 고정시키기 위해 기계식 또는 전기식 브레이크 (11, 11') 가 작동되는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 브레이크(11, 11')는 내연 기관이 공회전하는 경우에는 자동으로 작동되고, 조절 모터(2, 2')가 작동되는 경우에는 자동으로 풀리는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  7. 제 6 항에 있어서,
    조절 샤프트(6, 6')가 정지한 경우 및 내연 기관이 공회전하는 경우에는, 선택된 고정 기어 변속비(i0)에 따라, 캠 샤프트(3, 3')의 조절 속도가 초당 30° 내지 60°의 캠 각 범위에 있는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  8. 제 7 항에 있어서,
    상기 캠 샤프트(3, 3')의 기본 위치 또는 비상 주행 위치로의 복원은 상기 조절 모터(2, 2')의 회전 방향과 무관하게 이루어지는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  9. 제 8 항에 있어서,
    상기 캠 샤프트(3, 3')의 조절시에는 조절 기어(1, 1')의 구동 샤프트, 피동 샤프트 및 조절 샤프트(4, 4'; 5, 5'; 6, 6')가 동일한 회전수로 회전하는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 조절 기어(1, 1')는, 플러스 기어는 편심 기어, 샤프트 기어, 텀블링- 혹은 이중 유성 기어로서 형성되고, 마이너스 기어는 텀블링- 혹은 이중 유성 기어로서 형성되며, 상기 조절 모터(2, 2')는 브러시가 없는 또는 브러시가 장착된 직류 모터로서 형성되는 것을 특징으로 하는 캠 샤프트 조절기.
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