Der
Erfindung liegt insbesondere die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung
mit einem großen Einstellbereich
bereitzustellen, bei der jedoch zumindest eine vorteilhafte Arretierstellung
stets sicher erreicht werden kann. Die Aufgabe wird gelöst durch die
Merkmale des Patentanspruchs 1, wobei weitere Ausgestaltungen der
Erfindung den Unteransprüchen
entnommen werden können.
Die
Erfindung geht aus von einer Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine,
insbesondere einer Nockenwellenstellvorrichtung, mit einer Stelleinheit
und mit einer Arretiereinheit.
Es
wird vorgeschlagen, dass die Stelleinheit in zumindest eine Stellrichtung
umlauffähig
ausgebildet ist. Dabei soll unter „umlauffähig" insbesondere verstanden werden, dass
mittels der Stelleinheit ein Phasenwinkel, insbesondere ein Nockenwellenphasenwinkel,
in eine Stellrichtung um einen beliebigen Winkel, insbesondere über 360°, verstellbar
ist, so dass von jedem beliebigen Phasenwinkel aus durch Verstellen
in eine Stellrichtung eine gewünschte
Arretierstellung erreicht werden kann. Ferner soll unter einem „Wellenphasenwinkel" insbesondere ein
Phasenwinkel einer ersten Welle zu einer zweiten Welle verstanden
werden, wie dies insbesondere bei einer von einer Kurbelwelle angetriebenen
Nockenwelle mit einer Nockenwellenstellvorrichtung auftritt. Durch eine
entsprechende Ausgestaltung kann eine Stellvorrichtung mit einem
großen
Stellbereich erzielt und es kann konstruktiv einfach und kostengünstig eine vorteilhafte
Arretierstellung stets sicher erreicht werden, und zwar unabhängig von
einem vorliegenden Phasenwinkel bei einem Notfall und unabhängig von einer
Standgetriebeübersetzung
eines Verstellgetriebes. Bei dem Einsatz einer entsprechenden Nockenwellenstellvorrichtung
in einer Brennkraftmaschine ist insbesondere darauf zu achten, dass
ein ausreichender Freigang zwischen Kolben bzw. deren Oberseite
und zu steuernden Ventilen vorliegt, so dass stets eine Kollision
der Kolben und der Ventile ausgeschlossen ist.
In
einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass
die Stellvorrichtung einen in axialer Richtung verschiebbar gelagerten Rotor
aufweist, wodurch die Arretiereinheit vorteilhaft integrierbar ist
und zusätzliche
Bauteile, Bauraum, Gewicht, Montageaufwand und Kosten eingespart werden
können.
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Arretiereinheit zumindest einen elektromagnetischen
Aktuator aufweist, der Platz sparend integrierbar ist, und zwar
insbesondere, wenn die Stell vorrichtung eine elektromagnetische
Bremse und/oder einen Elektromotor aufweist. Dabei kann der elektromagnetische Aktuator
als separate Einheit ausgebildet sein oder kann zumindest teilweise
einstückig
mit der elektromagnetischen Bremse bzw. dem Elektromotor ausgeführt sein.
Vorteilhaft können
insbesondere eine Erregerspule der elektromagnetischen Bremse bzw. des
Elektromotors einstückig
mit einer Hilfserregerspule des elektromagnetischen Aktuators zur
Betätigung
der Arretiereinheit ausgeführt
sein. Grundsätzlich
ist jedoch auch denkbar, dass ein Arretiermittel der Arretiereinheit
direkt und/oder indirekt mit einem hydraulischen Aktuator betätigt wird
und/oder an die Bewegung eines Stellmittels gekoppelt ist, wie beispielsweise
an einen Ventilkolben usw.
Weist
die Arretiereinheit wenigstens ein in einem Antriebsrad, wie insbesondere
in einem Kettenrad, bewegbar gelagertes Arretiermittel auf, kann
dieses auf einem großen
Teilkreis angeordnet und es können
vorteilhaft kleine Arretierkräfte
erzielt werden.
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Stelleinheit ein Summierungsgetriebe,
wie insbesondere ein Planetengetriebe, aufweist, wodurch konstruktiv einfach
ein großer
Verstellbereich erzielt werden kann.
Weist
die Stelleinheit zudem eine Bremseinheit zur Einstellung eines Übersetzungsverhältnisses des
Summierungsgetriebes auf, kann eine besonders energiesparende Verstellung
ermöglicht
werden.
Ferner
wird vorgeschlagen, dass die Arretiereinheit zur Erzielung eines
einstellbaren Wellenphasenwinkels einstellbar ausgeführt ist,
wodurch während
des Betriebs und/oder auch grundsätzlich vor einer Inbetriebnahme
eine Anpassung an verschiedene Randbedingungen ermöglicht werden kann.
Die
erfindungsgemäße Lösung kann
bei sämtlichen,
dem Fachmann als sinnvoll erscheinenden Stellvorrichtungen einer
Brennkraftmaschine eingesetzt werden, wie bei Stellvorrichtungen
zum Einstellen eines Verdichtungsverhältnisses, Stellvorrichtungen
zum Einstellen einer Wasserpumpendrehzahl, Stellvorrichtungen zum
Einstellen einer Kältemittelverdichtungseinrichtung
usw., besonders vorteilhaft jedoch bei Nockenwellenstellvorrichtungen, wodurch
ein Nockenwellenphasenwinkel über
einen großen
Bereich einstellbar und dennoch stets ein sicherer Betrieb der Brennkraftmaschine
gewährleistet ist.
Ferner ist grundsätzlich
auch denkbar, eine entsprechende Stellvorrichtung außer bei
Brennkraftmaschinen auch bei anderen, dem Fachmann als geeignet
erscheinenden Maschinen einzusetzen.
Weitere
Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung.
In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel
der Erfindung dargestellt. Die Beschreibung und die Ansprüche enthalten
zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale
zweckmäßigerweise
auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei
zeigen:
1 einen
schematisch dargestellten Längsschnitt
durch eine Nockenwellenstellvorrichtung mit einer Nockenwelle im
Regelbetrieb,
2 die
Nockenwellenstellvorrichtung aus 1 in arretierter
Stellung,
3 eine
Abwicklung eines von einer Arretierkulisse gebildeten Arretiermittels
mit einem korrespondierenden Arretiermittel bei einem ersten Arretiervorgang,
ausgehend von einem ersten Nockenwellenphasenwinkel,
4 die
Arretiermittel nach dem ersten Arretiervorgang in arretierter Stellung,
5 die
Arretiermittel aus 3 bei einem zweiten Arretiervorgang,
ausgehend von einem zweiten Nockenwellenphasenwinkel in einer ersten
Phase,
6 die
Arretiermittel beim zweiten Arretiervorgang in einer zweiten Phase
und
7 die
Arretiermittel nach dem zweiten Arretiervorgang in arretierter Stellung.
1 zeigt
eine Nockenwellenstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine mit einer
Stelleinheit 10 zur Einstellung eines Nockenwellenphasenwinkels
einer Nockenwelle 33 und mit einer Arretiereinheit 11.
Die Stelleinheit 10 weist eine elektromagnetische Bremseinheit 20 und
ein von einem Planetengetriebe gebildetes Summierungsgetriebe 19 auf.
Die elektromagnetische Bremseinheit 20 weist einen Stator 21 mit
einer Haupterregerspule 22 und einen Rotor 15 auf,
der in einem konzentrischen Durchgangskanal des Stators 21 mit
seiner Rotorwelle 40 drehbar und in axialer Richtung 13, 14 verschiebbar
gelagert ist. Der Rotor 15 weist einen scheibenförmigen Rotationskörper 23 auf,
an dessen radial äußerem Rand
ein hülsenförmiger Rotationskörper 24 aus
einem Hysteresematerial angeordnet ist, der eine Polstruktur 25 des
Stators 21 umschließt
und mit dieser im Betrieb zusammenwirkt. Ferner ist der Rotor 15 mit
seiner Rotorwelle 40 mit einem Sonnenrad 26 des Summierungsgetriebes 19 in
Umfangsrichtung und in axialer Richtung fest gekoppelt.
Die
Arretiereinheit 11 weist ein in einem von einem Kettenrad
gebildeten Antriebsrad 17, in axialer Richtung 13, 14 bewegbar
gelagertes, bolzenförmiges
erstes Arretiermittel 18 auf. Das Arretiermittel 18 ist
mit einer Schraubendruckfeder 27 in axialer Richtung 13 zum
Rotationskörper 23 belastet
und weist auf der dem Rotationskörper 23 zugewandten
Seite eine schraubenköpfförmige Ausformung 28 mit
einem vergrößerten Durchmes ser
gegenüber
dem restlichen Arretiermittel 18 auf. Neben dem ersten
Arretiermittel 18 weist die Arretiereinheit 11 ein
zweites, von einer Arretierkulisse mit einer Arretierausnehmung 39 gebildetes
Arretiermittel 32 auf, das einstückig an eine zum Rotor 15 weisende
Stirnseite der Nockenwelle 33 angeformt ist (1 und 3 bis 7).
Das Antriebsrad 17 ist mit einem Planetenträger 34 gekoppelt,
auf dem Planeten 35 des Summierungsgetriebes 19 gelagert
sind, die mit einem mit der Nockenwelle 33 gekoppelten
Hohlrad 36 kämmen.
Um eine einstellbare Arretiereinheit zu erreichen, könnte beispielsweise
das zweite Arretiermittel 32 von einem von der Nockenwelle 33 getrennten Bauteil
gebildet sein, das grundsätzlich
drehfest mit der Nockenwelle 33 verbunden ist, jedoch zur
Verstellung der Arretiereinheit 11 und damit zur Verstellung
des Nockenwellenphasenwinkels in der Arretierstellung relativ zur
Nockenwelle 33 verdreht werden kann, beispielsweise mittels
eines hydraulischen und/oder elektromagnetischen Aktuators. Alternativ könnte auch
das erste Arretiermittel 18 in Umfangsrichtung des Antriebsrads 17 relativ
zu demselben verstellbar ausgeführt
sein.
Ferner
weist die Arretiereinheit 11 einen elektromagnetischen
Aktuator 16 mit einer im Stator 21 angeordneten
Hilfserregerspule 29 auf. Die Hilfserregerspule 29 ist
radial innerhalb der Haupterregerspule 22 angeordnet und
wirkt im aktivierten Zustand in axialer Richtung 13 auf
einen an den Rotationskörper 23 angeformten
ringförmigen
Fortsatz 30, der in axialer Richtung 13 in eine
ringförmige
Ausnehmung 31 des Stators 21 ragt, in der auch
die Hilfserregerspule 29 angeordnet ist.
1 zeigt
die Nockenwellenstellvorrichtung aktiviert im geregelten Betrieb,
in dem die Hilfserregerspule 29 bestromt ist, so dass der
Rotor 15 durch eine von der Hilfserregerspule 29 erzeugte
Magnetkraft in axialer Richtung 13 in einer der Stator 21 zugewandten
Endstellung verschoben ist, und mittels unterschiedlichen Bestromungen
der Haupterregerspule 22 unterschiedliche Bremsmomente
induziert und damit unterschiedliche Nockenwellenphasenwinkel eingestellt
werden können.
Wird
die Stromversorgung, insbesondere zur Hilfserregerspule 29,
unterbrochen, beispielsweise aufgrund eines Kabelbruchs in einem
Notfall, wird der Rotor 15 angetrieben durch eine Schraubendruckfeder 37 in
axialer Richtung 14 in seine der Nockenwelle 33 zugewandte
Endstellung verschoben und damit das Sonnenrad 26 innerhalb
der Planeten 35 (2). Der
Rotationskörper 23 kommt
mit einer ihm zugewandten Stirnseite der Ausformung 28 des
ersten Arretiermittels 18 in Anlage und drückt das
erste Arretiermittel 18 entgegen der Federkraft der Schraubendruckfeder 27 in
axialer Richtung 14 auf die Stirnseite mit dem zweiten
Arretiermittel 32 der Nockenwelle 33 (3).
Durch ein Nockenwellenantriebsmoment zum Antrieb der Nockenwelle 33 läuft die
Stelleinheit 10 bei stromloser Haupterregerspule 22 stets
nur in eine Richtung, und zwar im vorliegenden Fall in Stellrichtung 12.
Bei einer Verstellung in Stellrichtung 12 wird der Nockenwellenphasenwinkel
in Richtung Spät
verstellt, während
bei einer Verstellung in eine der Stellrichtung 12 entgegen
gesetzten Stellrichtung 38 der Nockenwellenphasenwinkel
in Richtung Früh verstellt
wird.
Die 3 und 4 zeigen
einen Arretiervorgang, bei dem eine Stromversorgung der Haupterregerspule 22 und
der Hilfserregerspule 29 unterbrochen wird, während die
Nockenwelle 33 relativ zur Arretierausnehmung 39 in
Stellrichtung 38 bzw. in Richtung Früh verstellt ist. Die Stelleinheit 10 läuft in Stellrichtung 12,
und zwar indem sich die Nockenwelle 33 und das Antriebsrad 17 relativ
zueinander entsprechend verdrehen. Das erste Arretiermittel 18 rastet
in die Arretierausnehmung 39 bzw. in das zweite Arretiermittel 32 ein
und der Nockenwellenphasenwinkel ist arretiert (4).
Die 5 bis 7 zeigen
einen Arretiervorgang, bei dem eine Stromversorgung der Haupterregerspule 22 und
der Hilfserregerspule 29 unterbrochen wird, während die
Nockenwelle 33 relativ zur Arretierausnehmung 39 in
Stellrichtung 12 bzw. Richtung Spät verstellt ist. Die Stelleinheit 10 läuft in Stellrichtung 12.
Nach nahezu einer vollständigen
relativen Umdrehung des Antriebsrads 17 gegenüber der Nockenwelle 33 befindet
sich das erste Arretiermittel 18 kurz vor der Arretierausnehmung 39 (6)
und rastet anschließend
in die Arretierausnehmung 39 ein und der Nockenwellenphasenwinkel
ist arretiert (7).
Entsprechende
Arretierungen können
beim Auslaufen der Brennkraftmaschine und/oder unmittelbar einem
Anlassen der Brennkraftmaschine durchgeführt werden.
Wird
die Hilfserregerspule 29 nach einem Arretiervorgang wieder
bestromt, wird der Rotor 15 durch die von der Hilfserregerspule 29 erzeugte
Magnetkraft in seine dem Stator 21 zugewandte Endstellung
entgegen der Federkraft der Schraubendruckfeder 37 verschoben
und das erste Arretiermittel 18 wird, angetrieben durch
die Federkraft der Schraubendruckfeder 27, aus der Arretierausnehmung 39 gezogen
(1).