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WO2003102381A1 - Vorrichtung zur relativen winkelverstellung zwischen zwei rotierenden elementen - Google Patents

Vorrichtung zur relativen winkelverstellung zwischen zwei rotierenden elementen Download PDF

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WO2003102381A1
WO2003102381A1 PCT/EP2003/004105 EP0304105W WO03102381A1 WO 2003102381 A1 WO2003102381 A1 WO 2003102381A1 EP 0304105 W EP0304105 W EP 0304105W WO 03102381 A1 WO03102381 A1 WO 03102381A1
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rotor
rotating elements
actuator
rotating
operative connection
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PCT/EP2003/004105
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French (fr)
Inventor
Alexander Von Gaisberg-Helfenberg
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Mercedes Benz Group AG
Original Assignee
DaimlerChrysler AG
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Publication date
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    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
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    • F01L1/344Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • FMECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01LCYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2800/00Methods of operation using a variable valve timing mechanism
    • F01L2800/12Fail safe operation

Definitions

  • the invention relates to a device for the relative angle adjustment between two rotating, drive-connected elements according to the preamble of claim 1.
  • a sprocket is assigned to the camshaft in the drive from the crankshaft, which drives the camshaft by means of a transmission element.
  • the transmission link allows the relative angular position of the two rotating elements to be changed. This change is brought about by an electric actuator, the rotor of which acts on an actuating shaft of the transmission element and which rotates in every operating state of the device.
  • the invention has for its object to provide a device in which the actuator has a low electrical energy consumption and the device has a safe emergency operation.
  • An important advantage of the invention is that in normal operation the transmission element can be blocked with the relative angular position of the two rotating elements unchanged and the actuator does not require any energy. This leads to an overall lower energy consumption and thus to a lower thermal load on the actuator. Should there still be an inadmissible heating of the actuator, it can be stopped for cooling while the internal combustion engine is running, without this leading to an uncontrolled adjustment of the relative angular position of the two rotating elements.
  • the transmission in which when the actuator is de-energized, the rotor of which is operatively connected to at least one of the rotating elements, the transmission is automatically blocked if the actuator fails. tion member, thus a trouble-free emergency operation is guaranteed.
  • 1 denotes a rotating element which is designed as a camshaft.
  • a further rotating element 2 which is designed as a chain wheel, is assigned to the rotating element 1 in the drive of a crankshaft, not shown, of the internal combustion engine.
  • the rotating element 2 drives the rotating element 1 by means of a transmission link 3, so that the rotating element 1 and the rotating element 2 have the same speed.
  • the rotating element 2, which carries a chain on its circumference, is arranged concentrically with the rotating element 1 and surrounds it, the transmission element 3 being located between the rotating element 1 and the rotating element 2.
  • This transmission member 3 can be used, for example, as a planetary gear, swash plate gear or the like. be formed and has an actuating shaft 4 which is acted upon by a rotor 5a of an electric actuator 5. The drive torque required for the adjustment is generated between the rotor 5a and a stator 5b of the actuator 5.
  • the relative rotation of the two rotating elements 1, 2 can be changed by a relative rotation of the adjusting shaft 4.
  • the relative rotation of the actuating shaft 4 is effected via the rotor 5a of the actuator 5.
  • the actuating shaft 4 can be operatively connected to one of the rotating elements 1 or 2, the operative connection between the actuating shaft 4 and the rotating element 2 being shown in the exemplary embodiment.
  • the control shaft 4 is operatively connected to the rotating element 2 by the rotor 5a of the actuator 5, which is axially displaceably connected to the control shaft 4. Through the operative connection of the control shaft 4 with the rotating element 2, the transmission member 3 is blocked, whereby the relative angular position of the two rotating elements 1 and 2 remains constant.
  • the rotor 5a When the actuator is de-energized, the rotor 5a is operatively connected to the rotating element 2.
  • the operative connection between the rotor 5a and the rotating element 2 takes place through an axial force application F A1 of the rotor 5a, the application being generated by means of a plate spring 6.
  • Other operating principles can also be used to generate this axial force F A ⁇ .
  • an axial force component F A2 between the stator 5b and the rotor 5a of the actuator 5 is effective. This can be done, for example, by an axial offset 7 between stator 5b and rotor 5a, since this offset 7 causes the magnetic force effect between rotor 5a and stator 5b to cause this axial force component F A2 .
  • the rotor 5a In order not to mount the rotor 5a fixed to the housing and thereby generate frictional losses, the rotor 5a is mounted on the rotating element 1, bearing on another rotating element, such as the setting shaft 4, also being conceivable.
  • the operative connection between the actuating shaft 4 and one of the rotating elements 1, 2 can also take place by means of a component which is not shown here and which can be controlled separately.
  • the component can be designed as a frictional connection element, such as a brake, and / or as a form-locking connection element, such as a clutch, and / or a non-positive connection element, such as a magnetic coupling.

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Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die über ein eine Stellwelle aufweisendes übertragungsglied verbunden sind, das über einen Rotor eines elekt rischen Stellantriebs beaufschlagt ist, und über das durch Veränderung seiner Relativlage zu den rotierenden Elementen deren relative Winkelstellung veränderbar ist. Um eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden Elementen so auszubilden, dass der Stellantrieb einen geringen elektrischen Energieverbrauch und die Vorrichtung einen sicheren Notlauf aufweist, wird erfindungsgemäss vorgeschlagen, dass die Stellwelle mit mindestens einem der rotierenden Elemente wirkverbindbar ist.

Description

Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei ro- tierenden Elementen
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen gemass dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise bei Brennkraftmaschinen bekannt und werden dort zur relativen Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle vorgesehen. Durch diesen Eingriff in die Ventiltπebskinematik werden die Phasenlage der Ventiloff- nung, die Offnungsdauer und der Ventilhub m Grenzen variabel beemflusst .
Aus der DE 100 36 275 AI ist eine gattungsgemasse Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bekannt. Der Nockenwelle ist im Antrieb von der Kurbelwelle ein Kettenrad zugeordnet, das die Nockenwelle unter Vermittlung eines Uber- tragungsgliedes antreibt. Das Übertragungsglied erlaubt es eine Veränderung der relativen Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente einzustellen. Diese Veränderung wird durch einen elektrischen Stellantrieb bewirkt, dessen Rotor eine Stellwelle des Ubertragungsgliedes beaufschlagt und der m jedem Betriebszustand der Vorrichtung mitdreht.
Bei durch Schwingungen ausgelosten Tragheitskraften auf den Rotor des Stellantriebes oder die Stellwelle des Ubertragungsgliedes können unerwünschte Verstellungen der relativen Winkelstellung erfolgen. Dies muss vom Stellantrieb ausgere- gelt werden und erfordert einen permanenten Energieeinsatz. Bei Ausfall des Stellantriebs ist diese Funktion nicht mehr möglich, es erfolgen unkontrollierte Verstellungen, die den Betrieb der Brennkraftmaschine erschweren und möglicherweise die Brennkraftmaschine beschädigen können. Da der Stellantrieb permanent mitlaufen muss, kann sich dieser auch im Normalbetrieb unzulässig erwarmen. In einem solchen Fall musste die Brennkraftmaschine um eine Beschädigung des Stellantriebes zu vermeiden, stillgesetzt werden.
Zum allgemeinen technischen Hintergrund wird noch auf die DE 100 38 354 AI und die DE 41 10 195 AI verwiesen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zu schaffen, bei welcher der Stellantrieb einen geringen elektrischen Energieverbrauch und die Vorrichtung einen sicheren Notlauf aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemass durch die im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 gegebenen Merkmale gelost.
Ein wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass im Normalbetrieb das Übertragungsglied bei unveränderter relativer Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente blockiert werden kann und der Stellantrieb keine Energie benotigt. Dies fuhrt zu einem insgesamt geringeren Energieverbrauch und damit zu einer geringeren Warmebelastung des Stellantriebes. Sollte es dennoch zu einer unzulässigen Erwärmung des Stellantriebs kommen, kann dieser bei laufender Brennkraftmaschine zur Abkühlung stillgesetzt werden, ohne dass es zu einer unkontrollierten Verstellung der relativen Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente fuhrt. In einer besonderen Ausgestaltung der Erfindung, bei der im unbestromten Zustand des Stellantriebes, dessen Rotor mit mindestens einem der rotierenden Elemente wirkverbunden ist, erfolgt bei Ausfall des Stellantriebes eine automatische Blockierung des Ubertra- gungsgliedes, somit ist ein problemloser Notlauf gewährleistet.
Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gehen aus den übrigen Unteranspruchen und der Beschreibung hervor.
Nachstehend wird die Erfindung anhand einer schematisierten, teilweisen Schnittdarstellung erläutert, die einen Ausschnitt aus einem Nockenwellenantrieb einer Brennkraftmaschine mit einer erfmdungsgemassen Vorrichtung zeigt.
In der teilweise im Schnitt gezeigten Schemadarstellung des Nockenwellenantriebes einer Brennkraftmaschine ist mit 1 ein rotierendes Element, das als Nockenwelle ausgebildet ist, bezeichnet. Dem rotierenden Element 1 ist im Antrieb von einer nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein weiteres rotierendes Element 2, welches als Kettenrad ausgeführt ist, zugeordnet. Das rotierende Element 2 treibt das rotierende Element 1 unter Vermittlung eines Ubertragungs- gliedes 3 an, so dass das rotierende Element 1 und das rotierende Element 2 die gleiche Drehzahl aufweisen. Das an seinem Umfang eine Kette tragende, rotierende Element 2 ist konzentrisch zum rotierenden Element 1 angeordnet und umschliesst dieses, wobei das Übertragungsglied 3 zwischen dem rotierenden Element 1 und dem rotierenden Element 2 liegt. Dieses nicht naher dargestellte Übertragungsglied 3 kann beispielsweise als Planetengetriebe, Taumelscheibengetriebe o.a. ausgebildet sein und weist eine Stellwelle 4 auf, die von einem Rotor 5a eines elektrischen Stellantriebes 5 beaufschlagt wird. Das zum Verstellen erforderliche Antriebsmoment wird zwischen dem Rotor 5a und einem Stator 5b des Stellantriebes 5 erzeugt.
Durch eine Relativdrehung der Stellwelle 4 können die beiden rotierenden Elemente 1, 2 in ihrer relativen Winkelstellung zueinander verändert werden. Die Relativdrehung der Stellwelle 4 wird über den Rotor 5a des Stellantriebes 5 bewirkt. Um einen niedrigen Energieverbrauch und eine zuverlässige Notlauffunktion zu erreichen, ist die Stellwelle 4 erfin- dungsgemass mit einem der rotierenden Elemente 1 oder 2 wirk- verbmdbar, wobei im Ausfuhrungsbeispiel die Wirkverbindung zwischen Stellwelle 4 und rotierendem Element 2 dargestellt ist. Die Wirkverbindung der Stellwelle 4 mit dem rotierenden Element 2 erfolgt durch den Rotor 5a des Stellantriebes 5, der axial verschieblich mit der Stellwelle 4 verbunden ist. Durch die Wirkverbindung der Stellwelle 4 mit dem rotierenden Element 2 wird das Übertragungsglied 3 blockiert, wodurch die relative Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente 1 und 2 konstant bleibt.
Bei unbestromtem Stellantrieb ist der Rotor 5a mit dem rotierenden Element 2 wirkverbunden. Die Wirkverbindung zwischen Rotor 5a und rotierendem Element 2 erfolgt durch eine Axial- kraftbeaufschlagung FA1 des Rotors 5a, wobei die Beaufschlagung mittels einer Tellerfeder 6 erzeugt wird. Zur Erzeugung dieser Axialkraft FAι können auch andere Wirkprinzipien herangezogen werden.
Bei bestromtem Stellantrieb ist die Wirkverbindung zwischen Rotor 5a und rotierendem Element 2 gelost um die elektrische Antriebsleistung des Stellantriebs 5 gering zu halten. Vor- teilhafterweise ist bei bestromtem Stellantrieb 5 eine Axial- kraftkomponente FA2 zwischen Stator 5b und Rotor 5a des Stellantriebes 5 wirksam. Dies kann beispielsweise durch einen A- xialversatz 7 zwischen Stator 5b und Rotor 5a erfolgen, da durch diesen Versatz 7 die Magnetkraftwirkung zwischen Rotor 5a und Stator 5b diese Axialkraftkomponente FA2 hervorruft.
Um den Rotor 5a nicht gehausefest zu lagern und dadurch Reibungsverluste zu erzeugen, ist der Rotor 5a auf dem rotierenden Element 1 gelagert, wobei auch eine Lagerung auf einem anderen rotierenden Element, wie beispielsweise der Stellwelle 4, denkbar ist. Die Wirkverbindung zwischen der Stellwelle 4 und einem der rotierenden Elemente 1, 2 kann auch durch ein hier nicht dargestelltes, separat anzusteuerndes Bauteil erfolgen. Das Bauteil kann als reibschlussiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Bremse, und/oder als formschlussiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Kupplung, und/oder ein kraftschlussiges Verbindungselement, wie beispielsweise eine Magnetkupplung, ausgebildet sein.
Jede der oben beschrieben Wirkverbmdungsmoglichkeiten kann vorteilhafterweise reibschlussig erfolgen.
.o θ*o.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen (1, 2), die u- ber ein eine Stellwelle (4) aufweisendes Übertragungsglied (3) verbunden sind, das über einen Rotor (5a) eines elektrischen Stellantriebs (5) beaufschlagt ist, und über das durch Veränderung seiner Relativlage zu den rotierenden Elementen (1, 2) deren relative Winkelstellung veränderbar ist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Stellwelle (4) mit mindestens einem der rotierenden Elemente (1, 2) wirkverbmdbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s durch die Wirkverbindung der Stellwelle (4) mit einem der rotierenden Elemente (1, 2) die relative Winkelstellung der beiden rotierenden Elemente (1, 2) im wesentlichen konstant bleibt.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wirkverbindung der Stellwelle (4) mit einem der rotierenden Elemente (1, 2) durch den Rotor (5a) des Stellantriebes (5) erfolgt.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei unbestromtem Stellantrieb (5), dessen Rotor (5a) mit mindestens einem der rotierenden Elemente (1, 2) wirkverbunden ist.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wirkverbindung zwischen Rotor (5a) und rotierendem Element (1, 2) durch eine Axialkraftbeaufschlagung (FAι) des Rotors (5a) erfolgt.
6. Vorrichtung nach Anspruch 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei bestromten Stellantrieb (5) die Wirkverbindung gelost ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s bei bestromten Stellantrieb (5) eine Axialkraft (FA2) zwischen einem Stator (5b) und dem Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) wirksam wird.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Axialkraftwirkung (FA2) zwischen Stator (5b) und Rotor (5a) durch einen axialen Versatz (7) zwischen Stator (5b) und Rotor (5a) verursacht wird.
9. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) auf einem der rotierenden Elemente (1, 2) gelagert
10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s der Rotor (5a) des elektrischen Stellantriebs (5) mit einer Stellwelle (4) unmittelbar verbunden ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wirkverbindung zwischen der Stellwelle (4) und dem rotierenden Element (1, 2) durch ein separat anzusteuerndes Bauteil erfolgt.
12. Vorrichtung nach Anspruch 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s das separat anzusteuernde Bauteil eine reib- schlussige und/oder eine formschlussige und/oder eine kraftschlussige Verbindung herbeifuhrt.
13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Wirkverbindung reibschlussig erfolgt.
.o*0*o.
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