DE4101676A1

DE4101676A1 - Verstellvorrichtung fuer eine nockenwelle

Info

Publication number: DE4101676A1
Application number: DE19914101676
Authority: DE
Inventors: Joachim Dipl Ing Schneider; Peter Dr Ing Tenberge; Eduard Dipl Golovatai-Schmidt; Hanns Dipl Ing Seegers
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1991-01-22
Filing date: 1991-01-22
Publication date: 1992-07-23

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung für zwei in drehender Antriebsverbindung stehende Bauteile, insbe sondere zur Relativverstellung einer Nockenwelle zu dem sie antreibenden Antriebsrad, welche einen Elektromotor aufweist, dessen Rotor einen ersten Gewindeabschnitt an treibt, der mit einem zweiten Gewindeabschnitt in Eingriff ist und wobei einer der beiden Gewindeabschnitte axial be wegbar ist und ein Stellelement axial beaufschlagt, wel ches zur Relativverstellung nach dem Prinzip der schiefen Ebene an beiden Bauteilen eingreift und einer der beiden Gewindeabschnitte undrehbar gehalten ist.

Die optimale Ausnutzung einer Brennkraftmaschine ist unter anderem dadurch zu verbessern, daß eine von der jeweiligen Drehzahl der Brennkraftmaschine abhängige Relativverstel lung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle vorge nommen wird. Hierbei besteht die Möglichkeit, einerseits die Leistungsfähigkeit der Brennkraftmaschine zu erhöhen und andererseits den Kraftstoffverbrauch zu minimieren. Der Antrieb der Nockenwelle erfolgt hierbei über ein An triebsrad, welches von der Kurbelwelle über einen Zahn- oder Kettenantrieb beaufschlagt wird. Eine Verstellvor richtung befindet sich häufig zwischen Antriebsrad und Nockenwelle und besteht beispielsweise aus einem mecha nischen Stellelement zur Verbindung der Nockenwelle und des Antriebsrades, welches mit einer Keilverzahnung an beiden Bauteilen eingreift oder eine Gleitbuchsen führung mit sich überdeckenden und kreuzenden Schlitzen aufweist, in die Widerlagerelemente eingreifen. Die Wider lagerelemente sind mit dem Stellelement und die Gleit buchsen sind mit dem Antriebsrad bzw. der Nockenwelle drehfest verbunden. Das mechanische Stellelement kann beispielsweise durch eine öldruckgesteuerte oder elektro motorisch betätigte Vorrichtung angetrieben werden.

Eine derartige Ausführung ist beispielsweise aus der DE-PS 32 43 682 mit einer Vorrichtung zur Veränderung der Ven tilabstimmung einer Brennkraftmaschine bekannt, die mit einer mechanischen Stellvorrichtung in Form von Gleit buchsen arbeitet, welche über Widerlagerelemente eine Relativverstellung des Antriebsrades zur Nockenwelle er möglicht. Das Antriebsrad und die Nockenwelle sind jeweils über eine Gleitbuchse miteinander verbunden, die sich kreuzende Schlitze aufweist, in denen die Widerlagerele mente geführt sind. Die mechanische Stellvorrichtung wird über eine Antriebsvorrichtung betätigt, welche über einen motorischen Antrieb relativ zur Kurbelwellenposition ver stellt werden kann. Die motorische Verstellvorrichtung weist hierzu einen normal drehenden Elektromotor oder einen Hydraulikmotor auf, dessen Rotor mit einer Gewinde spindel mit Außengewinde verbunden ist. Auf der Gewinde spindel ist eine Stellhülse mit Innengewinde axial ver schiebblich gelagert, welche mit dem Widerlagerelement über eine Drehführung verbunden ist. Nachteilig wirkt sich bei dieser Ausführungsform aus, daß sehr viele und aufwen dige Bauelemente verwendet werden, die die Herstellungs kosten erheblich verteuern. Ferner beeinflußt die Anzahl der Bauteile die Einstellgenauigkeit aufgrund der sich addierenden Toleranzen.

Aus der DE-OS 36 19 956 ist eine Einrichtung zur automa tischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der sie antreibenden Kurbelwelle bekannt. Die Einrichtung weist ein elektronisches Steuergerät auf, daß in Abhängig keit von der jeweiligen Motorlast über eine elektrische Verstelleinrichtung ein Steuerventil betätigt, welches den Motoröldruck über ein mechanisches Verstellglied beein flußt und eine Drehwinkelverstellung des Nockenwellen-An triebsrades gegenüber der Nockenwelle ermöglicht. Das Ventil wird hierbei über einen Elektromotor mit einer Stellspindel angetrieben und regelt die zufließende Öl menge. Nachteilig wirkt sich hier die Verwendung einer Öldrucksteuerung aus, weil es sich um relativ empfindliche Bauteilkomponenten handelt und nur Öle mit höchster Rein heit verwendet werden können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Verstell vorrichtung zur Relativverstellung zweier in drehender Antriebsverbindung stehender Bauteile zu schaffen, die bei größerer Einstellgenauigkeit einen geringen Bauaufwand aufweist.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß das Stellelement als Hülse ausgebildet ist, welche über ein Lager axial fest aber relativ drehbar unmittelbar an einem der beiden Bauteile des Elektromotors, bestehend aus dem Rotor und einem Stator, gelagert ist und daß der Rotor den ersten Gewindeabschnitt aufweist und der zweite Gewindeabschnitt ortsfest und undrehbar gegenüber der Hülse gehalten ist.

Durch die Verwendung einer Stellhülse, die unmittelbar nach dem Prinzip der schiefen Ebene in das Antriebsrad bzw. die Nockenwelle eingreift, wird der Herstellungsauf wand erheblich reduziert. Die Stellhülse ist unmittelbar mit einem der beiden Bauteile des Elektromotors drehbar verbunden. Der Rotor des Elektromotors besitzt einen ersten Gewindeabschnitt, der in einen zweiten ortsfest gehaltenen Gewindeabschnitt eingreift und eine axiale Verlagerung des gesamten Elektromotors oder eines Teiles ermöglicht, wobei die beiden Gewindeabschnitte gemäß einem weiteren Merkmal unmittelbar als Gewinde oder als Wälz schraub-, Kugelschraub- oder Rollengewinde ausgebildet sind. In den zuletzt genannten Fällen wird eine besonders leichtgängige Variante der Verstellvorrichtung erzielt, so daß die Antriebsenergie des Elektromotors reduziert werden kann.

In einer ersten Ausführungsform der Erfindung ist vorge sehen, daß der zweite Gewindeabschnitt als Träger des Stators ausgebildet ist und der Rotor axial bewegbar und außenliegend auf dem zweiten Gewindeabschnitt angeordnet ist.

In einer alternativen Ausführungsform der Erfindung ist vorgesehen, daß der Stator und Rotor zusammen axial be wegbar auf dem zweiten Gewindeabschnitt angeordnet sind und der Stator undrehbar gehalten ist.

In beiden Ausführungsvarianten ist der gesamte Elektro motor oder ein Teil auf einem ortsfest gehaltenen zweiten Gewindeabschnitt gelagert, wobei der Elektromotor selbst mit einem ersten Gewindeabschnitt ausgestattet ist, wel ches mit dem zweiten Gewindeabschnitt in Eingriff ist. Der erste Gewindeabschnitt ist hierbei jeweils dem Rotor zuge ordnet, so daß bei einer Drehbewegung des Rotors der Motor mit Stator und Rotor oder nur der Rotor axial bewegbar ist. Der Stator ist im letzteren Fall selbst ortsfest ge halten. Desweiteren ist das axial verschiebliche Element des Elektromotors drehbar mit dem Stellelement verbunden, so daß eine Relativverstellung zwischen Antriebsrad und Nockenwelle auch im Betrieb der Brennkraftmaschine mit einer hoher Drehzahl vorgenommen werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß das Stellelement eine Innen- und eine Außenkeilverzahnung aufweist, von denen eine in Eingriff mit dem Antriebsrad und eine in Verbindung mit dem Nockenendstück steht und eine der Keilverzahnungen als Schrägverzahnung ausgebildet ist.

Das Stellelement weist eine Innen- und Außenkeilverzahnung auf, mit dem es in die korrespondierende Verzahnung des Antriebsrades und der Nockenwelle eingreift. Eine der beiden Verzahnungen ist hierbei als Schrägverzahnung aus gebildet, so daß bei einer Axialbewegung des Stellelemen tes nach dem Prinzip der schiefen Ebene eine Relativver stellung erfolgen kann. In allen Fällen wird eine beson ders exakte und genaue Relativverstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle erreicht, wobei der Platzbedarf äußerst gering gehalten wird. Desweiteren ist es denkbar, daß mehrere Stellelemente mit Verstellvorrichtungen vorge sehen sind, die beispielsweise über ineinandergeschobene Nockenwellen mit entsprechenden Ausnehmungen für die Nocken eine Relativverstellung einzelner Nockengruppen gegeneinander und/oder zur Kurbelwelle ermöglichen.

Um eine Relativverstellung der Nockenwelle gegenüber der Kubelwelle in der einen oder anderen Richtung mit einer Trennung von der antreibenden Kurbelwelle drehmomentfrei zu ermöglichen, ist vorgesehen, daß die drehfeste Verbindung zwischen Antriebsrad und Hülse durch eine elektromagnetisch betätigbare Kupplung zeitweise aufhebbar ist.

Zur Reduzierung des Herstellungsaufwandes ist vorgesehen, daß der Elektromotor ein Hohlwellenmotor ist und daß der Rotor koaxial inner- oder außerhalb des Stators angeord net ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß der Rotor des Elektromotors aus einem dauermagne tischen Werkstoff besteht, damit Zuleitungen für den Rotor entfallen können und die Herstellung des Elektromotors wesentlich verbilligt wird.

Der Rotor kann hierbei vorteilhafterweise über Rillen kugellager gegenüber dem Stator gelagert sein. Die Rillen kugellager können gemäß einem weiteren Merkmal als Schräg kugellager ausgebildet sein, um eine große Stützweite zu gewährleisten. Die Lagerung erfolgt durch eine äußere Laufrille, die Bestandteil des Stators ist und durch eine innere Laufrille, die an den Rotor angeformt ist.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung ist vorgesehen, daß das Gewinde der ersten und zweiten Gewindeabschnitte ein leichtgängiges, aber im selbsthemmenden Bereich arbeitendes Gewinde ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß eine elektronische Steuereinheit vorhanden ist, die gleichzeitig zur Erfassung und Verarbeitung von Steuer signalen des jeweiligen Motorzustandes ausgebildet ist.

Durch die Steuereinheit besteht die Möglichkeit, den au genblicklichen Motorzustand zu erfassen und einen ent sprechenden Verstellwinkel der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle zu berechnen und über die Verstellvorrichtung zu realisieren. Die Steuerung kann hierbei äußerst exakt und innerhalb kürzester Zeit vorgenommen werden, so daß die Brennkraftmaschine die optimale Leistungsfähigkeit und den geringsten Kraftstoffverbrauch in jedem Motorzustand aufweist.

Die Erfindung wird anhand zweier Ausführungsbeispiele in den nachfolgenden Figuren näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Ansicht einer Verstellvorrichtung mit einem axial beweg lichen außenliegenden Rotor,

Fig. 2 eine Verstellvorrichtung gemäß Fig. 1 mit einem axial beweglichen Hohlwellenmotor.

Fig. 1 und 2 zeigen in einer geschnittenen Darstellung das Ende einer Nockenwelle 1, welche mit einer Verstell vorrichtung 2 eine Relativverstellung der Nockenwelle 1 gegenüber der Kurbelwelle ermöglicht. Die Nockenwelle 1 besteht aus einem Wellenkörper 3, einem Nockenendstück 4 und einem Antriebsrad 5. Das Antriebsrad 5 ist über einen Zahnriemen oder Kettenantrieb mit der Kurbelwelle und mit einer radial erweiterten Verlängerung 6 verbunden. Die Verlängerung 6 des Antriebsrades 5 ist mit einer innen liegenden Keilverzahnung 7 ausgestattet. Das Nockenend stück 4 weist eine außenliegende Keilverzahnung 8 auf und ist mittels einer Befestigungsschraube 26 mit dem Wellen körper 3 drehfest verschraubt, wobei das Ende des Wellen körpers 3 koaxial im Antriebsrad 5 gelagert ist. Die Keil verzahnung 7 der Verlängerung 6 und die Keilverzahnung 8 des Nockenendstückes 4 greifen nicht unmittelbar inein ander, sondern sind mittelbar über ein Stellelement 9 mit einer Außenkeilverzahnung 10 und einer Innenkeilverzahnung 11 zur Drehmomentübertragung verbunden. Das Stellelement 9 ist in Richtung auf die Nockenwelle 1 axial verschiebblich gelagert und wird durch einen Verstellvorrichtung 2 ver schoben. Zur Relativverstellung der Nockenwelle 1 gegen über dem Antriebsrad 5 ist die Außenkeilverzahnung 10 oder die Innenkeilverzahnung 11 als Schrägverzahnung ausgebil det, so daß nach dem Prinzip der schiefen Ebenen bei einer axialen Verlagerung des Stellelementes 9 eine Relativver drehung des Antriebsrades 5 gegenüber der Nockenwelle 1 erzielt wird.

Das Stellelement 9 weist an dem der Verzahnung gegenüber liegenden Ende eine radiale Erweiterung auf, die über ein Lager 12 drehbar gegenüber dem Stellelement 9 der An triebsvorrichtung 2 abgestützt ist. Die Verstellvor richtung 2 und das Nockenendstück 4 sind in einem Gehäuse 13 gelagert, welches endseitig und in Axialrichtung zur Nockenwelle 1 angeordnet ist. Die Verstellvorrichtung 2 besteht aus einem Elektromotor 14, der einen Rotor 15 und einen Stator 16 aufweist. Der Rotor 15 ist mit einem ersten Gewindeabschnitt 17 ausgestattet, der mit einem zweiten Gewindeabschnitt 18 in Eingriff ist. Desweiteren ist im Gehäuse 13 eine Führungswelle 19 angeordnet, welche ortsfest gehalten ist und den zweiten Gewindeabschnitt 18 in Form eines Außengewindes trägt.

In Fig. 1 ist der Rotor 15 des Elektromotors 14 koaxial außerhalb des Stators 16 angeordnet und greift mit dem ersten Gewindeabschnitt 17 mittelbar über Kugeln 27 in den Gewindeabschnitt 18 der Führungswelle 19 ein. Hierbei ist es durchaus denkbar, daß die Lagerung der beiden Gewinde abschnitte 17, 18 unmittelbar, wie in Fig. 2 dargestellt, oder mittelbar über Wälz- oder Rollenkörper erfolgt. Die genannten Hilfsmittel vergrößern die Leichtgängigkeit der Gewindeabschnitte 17,18 und führen dazu, daß die Antriebs energie des Elektromotors 14 reduziert werden kann. Die Führungswelle 19 weist an ihrem zum Gehäuse 13 gerichteten Ende ein Abschnitt ohne Gewinde auf, auf dem der Stator 16 drehfest gelagert ist. Der Stator 16 wird über eine Zu leitung 20 mit Spannung beaufschlagt, so daß bei einer Drehbewegung des außenliegenden Rotors der Rotor 15 in Axialrichtung auf der Führungswelle 19 verschoben wird. Gleichzeitig mit dem Rotor 15 erfolgt eine axiale Ver schiebung des Stellelementes 9, welches eine Relativver stellung der Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 5 bewirkt. Der Vorteil diese Ausführungsform in der Ver stellvorrichtung 2 besteht in einer exakten und sehr ge nauen Positionierung der Nockenwelle 1 gegenüber der Kurbelwelle mit wenigen Umdrehungen des Rotors 15.

Fig. 2 zeigt eine alternative Ausführungsform der An triebsvorrichtung 2, mit einer Führungswelle 19, welche einen zweiten Gewindeabschnitt 18 aufweist. Der Rotor 15 des Elektromotors 14 ist in diesem Fall koaxial innen liegend im Stator 16 gelagert. Der Stator 16 ist drehfest über eine Bohrung 21 und einen Stift 22 des Gehäuses 13 gehalten. Bei einer Rotationsbewegung des Rotors 15 er folgt eine axiale Verschiebung des gesamten Elektromotors 14 auf der Führungswelle 19, mit einer gleichzeitigen axialen Verschiebung des Stellelementes 9 zur Relativver stellung der Nockenwelle 1 gegenüber der Kurbelwelle. Auch bei dieser Ausführungsform der Verstellvorrichtung 2 wird eine kontinuierliche und exakte Bewegung der Relativver stellung erzielt. Der Rotor 15 des Elektromotors 14 ist hierbei drehbeweglich gegenüber dem Stator 16 über Rillen kugellager 23 abgestützt, wobei der Stator 16 zwei äußere Laufrillen 24 aufweist und an den Rotor 15 zwei innere Laufrillen 25 angeformt sind. Durch diese Ausführungsform des Elektromotors 14 als Hohlwellenmotor wird eine beson ders preisgünstige Verstellvorrichtung 2 erzielt.

Durch eine Steuereinheit besteht die Möglichkeit, den augenblicklichen Motorzustand zu erfassen und einen ent sprechenden Verstellwinkel der Nockenwelle 1 gegenüber der Kurbelwelle zu berechnen und über die Antriebsvorrichtung einzustellen.

Bezugszeichenliste

1 Nockenwelle
2 Verstellvorrichtung
3 Wellenkörper
4 Nockenendstück
5 Antriebsrad
6 Verlängerung
7 Keilverzahnung der Verlängerung
8 Keilverzahnung des Nockenendstückes
9 Stellelement
10 Außenkeilverzahnung
11 Innenkeilverzahnung
12 Lager
13 Gehäuse
14 Elektromotor
15 Rotor
16 Stator
17 erster Gewindeabschnitt
18 zweiter Gewindeabschnitt
19 Führungswelle
20 Zuleitung
21 Bohrung
22 Stift
23 Rillenkugellager
24 äußere Laufrille
25 innere Laufrille
26 Befestigungsschraube
27 Kugel

Claims

1. Verstellvorrichtung (2) für zwei in drehender An triebsverbindung stehende Bauteile, insbesondere zur Relativverstellung einer Nockenwelle (1) zu dem sie antreibenden Antriebsrad (5), welche einen Elektromo tor (14) aufweist, dessen Rotor (15) einen ersten Ge windeabschnitt (17) antreibt, der mit einem zweiten Gewindeabschnitt (18) in Eingriff ist und wobei einer der beiden Gewindeabschnitte (17, 18) axial bewegbar ist und ein Stellelement (9) axial beaufschlagt, welches zur Relativverstellung nach dem Prinzip der schiefen Ebene an beiden Bauteilen eingreift und einer der beiden Gewindeabschnitte (17, 18) undrehbar gehal ten ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (9) als Hülse ausgebildet ist, welche über ein Lager (12) axial fest, aber relativ drehbar unmittelbar an einem der beiden Bauteile des Elektromotors (14), bestehend aus dem Rotor (15) und einem Stator (16), gelagert ist und daß der Rotor (15) den ersten Gewindeabschnitt (17) aufweist und der zweite Gewindeabschnitt (18) ortsfest und undrehbar gegenüber der Hülse gehalten ist.

2. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Gewindeabschnitte (17, 18) unmittelbar als Gewinde oder als Wälzschraub-, Kugelschraub- oder Rollengewinde ausgebildet sind.

3. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite Gewindeabschnitt (18) als Träger des Stators (16) ausgebildet ist und der Rotor (15) axial bewegbar und außenliegend auf dem zweiten Gewindeab schnitt (18) angeordnet ist.

4. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Stator (16) und Rotor (15) zusammen axial be wegbar auf dem zweiten Gewindeabschnitt (18) ange ordnet sind und der Stator (16) undrehbar gehalten ist.

5. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellelement (9) eine Innen- (11) und eine Außenkeilverzahnung (10) aufweist, von denen eine in Eingriff mit dem Antriebsrad (5) und eine in Verbin dung mit dem Nockenendstück (4) steht und eine der Keilverzahnungen (10, 11) als Schrägverzahnung ausge bildet ist.

6. Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die drehfeste Verbindung zwischen Antriebsrad (5) und Hülse durch eine elektromagnetisch betätigbare Kupplung zeitweise aufhebbar ist.

7. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Elektromotor (14) ein Hohlwellenmotor ist und daß der Rotor (15) koaxial inner- oder außerhalb des Stators (16) angeordnet ist.

8. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) des Elektromotors (14) aus einem dauermagnetischen Werkstoff besteht.

9. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Rotor (15) gegenüber dem Stator (16) durch zwei Rillenkugellager (23) gelagert ist.

10. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Rillenkugellager (23) als Schrägkugellager ausgebildet sind.

11. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die äußere Laufrille (24) Teil des Stators (16) und die innere Laufrille (25) an den Rotor (15) ange formt ist.

12. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß das Gewinde der ersten (17) und zweiten Gewinde abschnitte (18) ein leichtgängiges, aber im selbst hemmenden Bereich arbeitendes Gewinde ist.

13. Verstellvorrichtung nach einem oder mehreren der An sprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine elektronische Steuereinheit vorhanden ist, die gleichzeitig zur Erfassung und Verarbeitung von Steuersignalen des jeweiligen Motorzustandes ausgebildet ist.