专利名称：具有电气驱动装置的凸轮轴调节装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种调节在具有一个设计成三轴变速器变速齿轮箱的内燃机中凸轮轴相对于曲轴的相对转角位置的调节装置，所述变速齿轮箱具有固定在曲轴上的主动件和固定在凸轮轴上的从动件，以及与调节电机的调节电机轴相连接的调节轴。
背景技术：
为了确保在具有液压或电气的凸轮轴调节系统的内燃机中可靠地起动发动机，凸轮轴必须位于所谓的基准位置或应急运行位置上。该位置在进气凸轮轴上通常在“推迟”位置，在排气凸轮轴上在“提早”位置。在汽车正常运行状态下，凸轮轴在发动机关闭时被调节行驶到相应的基准位置，并在那里被固定或锁止。
传统的液压动作式旋转活塞调节装置，如叶片泵、摆动式叶片泵或扇形式叶片泵都具有一个锁紧单元。该锁紧单元将液压调节装置固定在其基准位置，直到用于调节凸轮轴的油压被建立起为止。如因故导致了发动机熄火，则凸轮轴位于在基准位置之外的非定义位置。
对于具有在“推迟”基准位置的液压式凸轮轴调节系统，在下次起动内燃机和由于与凸轮轴旋转方向成反向作用的凸轮轴摩擦力矩而导致的油压缺少时，凸轮轴被自动地调节到推迟的基准位置。如果在“提早”基准位置，则凸轮轴必须在缺少油压时与凸轮轴摩擦力矩成反向地调节到提早的基准位置。这通常借助于一个产生与凸轮轴摩擦力矩成反向的力矩的补偿弹簧来实现。
这种在液压式凸轮轴调节装置中通常用于在内燃机熄火后调节到基准位置的方法无法应用在电气驱动的凸轮轴调节装置中。在调节电机系统没有故障期间和凸轮轴在内燃机停止运行或重新起动时能够调节到相应的基准位置时，这种电气驱动的凸轮轴调节装置也是不需要的。但是在电气驱动的调节电机系统中，调节电机和/或其控制装置会发生故障，因而没法到达基准位置。
在DE41 10 195 A1中描述了一种用于调节在具有一个设计成三轴变速器的变速齿轮箱的内燃机中在凸轮轴和曲轴之间的转角位置的装置，所述变速齿轮箱具有与曲轴连接的主动轴和与凸轮轴连接的从动轴以及与电气驱动的调节电机相连接的调节轴，其中在主动轴和从动轴之间在调节轴静止时会得到固定变速箱传动比(Standgetriebeübersetzung)I0，所述传动比确定了变速箱的种类(负变速箱或正变速箱)和凸轮轴在相应的基准位置或应急运行位置的调节方向。
在每个调节装置中都设法轻便和精确地调节凸轮轴位置。为了在调节电机系统发生故障时仍能至少应急维持内燃机的功能，对调节角度设定了限制。但是在这种情况下还是缺少对到达基准位置或应急运行位置的提示。此外，对于任何一种设计结构，基准位置都必须位于凸轮轴调节装置的两个终端位置中的一个位置上；凸轮轴调节装置始终朝着提早或推迟极限位置方向运行。
但是根据某些热力学观点，希望选择任意的中间位置作为基准位置。
发明内容
因此本发明的任务是，提供一种内燃机中用于调节凸轮轴相对于曲轴转角位置的调节装置，所述调节装置在调节电机发生故障时可以被调节到一个任意的，特别是中间的应急运行位置。在该位置处调节装置必须被固定。
根据本发明，上述任务在内燃机中通过权利要求1前序部分的特征进行解决的方法是，调节装置具有一台作为主要调节装置的调节电机和一个作为次要调节装置的辅助驱动装置，其中该辅助驱动装置在调节电机发生故障时将凸轮轴调节到固定的转角位置，一个应急运行位置。
辅助装置可以设计成主动的或者被动的方式。主动的辅助装置需要一个控制系统、一个开关和一个执行元件。它只在需要时才连接，从而才消耗能量。接着采集相对于应急运行位置的实际偏转，从实际偏转中导出经过整流的能量输入，由此对应急运行位置进行控制。有利的是，如果通过与辅助装置相应的工作介质进行连接。对于辅助电机例如它可能涉及到的是气动马达，该气动马达在正常状态下通过一根弹簧与调节轴进行脱开。在这种情况下如果导致调节电机失灵，则通过压缩空气进行连接。
被动的辅助驱动装置与主驱动装置持续地连接。凸轮轴的基准位置相应于具有辅助驱动装置的三轴变速器系统的平衡状态。在正常运行状态下，随着每次相对于基准位置的转角调节，就有能量被输入到辅助驱动装置内。如果相对于辅助驱动装置而正在工作的主驱动装置发生了故障，则由辅助驱动装置将凸轮轴的转角位置调节到基准位置。对于被动的辅助驱动装置来说仅需要一个执行元件。可以不需要控制系统和开关。
主动的辅助驱动装置的优点是，在正常运行期间没有能量输入到辅助驱动装置中，因而没有通常以振动形式的负面作用。被动的辅助驱动装置的优点是其结构较简单，且成本较低。两种辅助装置也可以连接成一种混合驱动装置，在一个方向进行被动的调节，例如可以通过摩擦来进行，而在另一个相反的方向则通过连接只在一个方向起作用的主动的辅助装置进行调节。
原则上，辅助驱动装置在这里可以按两种方式进行工作。首先，它可以作用在调节轴上，而转矩支承则在链轮或凸轮轴上进行。然后要求辅助驱动装置提供小力矩，但是它要提供高转速。例如在典型的最大凸轮轴调节角为30°和调节机构的减速比为1∶60时，需要调节轴转5圈。
其次，辅助驱动装置可以直接作用在链轮或凸轮轴上，而转矩支承则相互进行。在这种情况下要求辅助驱动装置提供高力矩。但是，摩擦影响或轴承损坏对凸轮轴和链轮之间的调节力矩有较大的影响。
具体地说，辅助驱动装置可以例如通过扭转弹簧、液压马达、气动马达、电气辅助电机、制动器、离心电机、三轴变速器、可开关的空转、飞轮或通过使用调节电机的惯性矩来自我实现。
如果辅助驱动装置设计成扭簧，则它布置在调节轴和链轮之间或者在链轮和凸轮轴之间。它可以设计成双作用的扭簧或者具有减速机构的扭簧。这种系统要求较小的技术费用，它的开关时间由设计而定。
如果辅助驱动装置设计成液压马达，则它可以产生高力矩。它的开关时间取决于运行需要的工作介质，如油，的粘度。由于所述液压马达可以在没有油的情况下一起运转，因此这个缺点可以通过其不仅在失灵的情况下，而且在正常运行的情况下都只有较小的负面作用来得到补偿。它也只有在失灵的情况下才需要能量。如果辅助驱动装置设计成气动马达，则开关时间与粘度没有关系。但是在电动机失灵的情况下，相对于液压马达来说其效率较差。
设计成调节驱动装置的辅助驱动装置可以是例如应急绕组或者连接的电动机，但也可以是电池或电容器，它具有开关时间短，并且在必要时只消耗很少的能量。如果辅助驱动装置设计成制动器，例如与三轴变速器或制动摩擦片或涡流制动器相组合，则它具有电气辅助电机的相同优点，而且对正常运行的负面作用还要小。
容易实现的还有以具有飞轮的调节轴形式的辅助驱动装置。这种系统在失灵的情况下产生的负面作用较小，为此其对正常运行的负面作用因较大的惯性而可以被觉察到。
同样辅助驱动装置也可以设计成离心电机。在这种情况下主动的或被动的系统都可以实现，它的开关时间取决于设计参数和凸轮轴的转速。在失灵的情况下几乎没有负面作用，在正常运行时随着凸轮轴转速的提高负面作用也相应地提高。一旦驱动轮到达了一定的最低转速之后，该机构就处于准备运行状态。
在主动件和从动件之间的辅助驱动装置可以根据权利要求2从空间上进行这样的布置，但是并不限于此。相反地，该布置是基干力线，如同根据一些前面的详细描述而得出的特别有利的结构。例如如果调节电机被设计成电动机，则它根据现有的技术沿轴向布置在凸轮轴的前面。在电动机中设计成制动绕组的辅助驱动装置同样也是沿轴向布置在凸轮轴的前面，并通过一个三轴变速器对主动件和从动件起作用。
总之，被动的系统具有结构简单，但是由于持续的功率消耗和输出，因此会在发生偏转的情况下对正常运行产生不利的作用。主动的系统避免了该缺点，但是结构较复杂。
如果在失灵的情况下使用辅助驱动装置，则应急运行位置可以通过三种不同的措施进行固定或者通过主动的调节系统，或者通过形状接合的连接，这可以例如通过轴向或径向作用的锁紧销来实现，所述锁紧销采用油压或者空气压力或者也可以通过电磁进行动作，或者通过力接合的连接，例如通过可开关的空转。
为了防止在电气调节电机的调节轴突然发生闭锁时调节轴和/或调节机构出现过载，可以在调节电机和凸轮轴之间布置一个安全联轴器。该安全联轴器可以例如设计成摩擦联轴器或者安全销。
通过本发明的解决方法将大大提高调节装置的故障安全性。这里可以使用结构简单的被动系统，或者使用对运行的负面作用较小的主动系统。
下面结合附图对本发明作进一步的详细说明。
图1是具有定子固定在气缸盖上的调节电机的调节装置示意图，图2是具有一个设计成飞轮的调节电机的调节装置示意图，图3a是设计成扭簧并布置在链轮和凸轮轴之间的辅助驱动装置示意图，图3b是设计成弹簧并在链轮和调节轴之间起作用的辅助装置示意图，图4是具有在调节轴和链轮之间布置气动马达或液压马达的调节装置示意图，图5a是设计成离心电机并处在基准位置的辅助驱动装置横剖面图，图5b是设计成离心电机但不处在基准位置的辅助驱动装置横剖面图，图6a是具有辅助驱动装置和内部布置制动器的调节装置示意图，图6b是具有辅助驱动装置和外部布置制动器的调节装置示意图，图7a是具有通过电容器供给能量的辅助驱动装置的调节装置示意图，图7b是具有通过外部电源供给能量的辅助驱动装置的调节装置示意图，图7c是具有外部的设计成电动机的辅助驱动装置的调节装置示意图，图8具有安全联轴器的调节装置示意图，图9具有锁紧单元的调节装置横剖面图。
具体实施例方式
本发明的实施例在图1中示出为具有变速齿轮箱13和基本上由转子8和定子9组成的调节电机2的调节装置。所述调节装置用于调节在未示出的内燃机中曲轴和凸轮轴3之间的转角位置。所述变速齿轮箱13设计成三轴变速器，具有一个主动件4，一个从动件5和一根调节轴6。主动件4与驱动轮7并通过未示出的齿轮、齿形带或者齿形链与曲轴固定连接。从动件5与凸轮轴3以及调节轴6与调节电机2的转子8固定连接。调节电机2的定子9与气缸盖10固定连接并处于静止状态。凸轮轴3具有一个对于可靠起动和限定运行必须要到达的基准位置或应急运行位置。在调节电机2没有故障期间，由于调节电机2在内燃机停止运行或重新起动期间将凸轮轴3调节到基准位置，因此即使在没有辅助驱动装置11(图2)的内燃机发生熄火后也可以实现。但是在调节电机2发生故障的情况下，如没有辅助驱动装置11，就无法调节转角位置。
在图2中示出了设计成飞轮12的辅助驱动装置11，所述辅助驱动装置直接布置在调节轴6上，因而与调节电机2固定连接。为此驱动轮7一方面与调节轴6，另一方面则与凸轮轴3有效连接。飞轮12可以集成在调节装置1中以节省空间，其中特别有利的是，质量块尽可能远离旋转轴布置，以便在规定惯性矩的情况下使用尽可能小的质量。但是如果调节电机2的转子8已经有很大的质量，如果还用作转矩存储器的转子8具有足够高的转矩，则必要时可以不使用附加的飞轮12。
在图3a中示出了设计成双作用扭簧14的辅助驱动装置11。它在凸轮轴3和驱动轮7之间起作用。基准位置可以通过凸轮轴位置和驱动轮位置之间的转角来形成，其中调节电机2对力矩平衡没有影响。在正常运行下电气的调节电机2改变平衡，从而使扭簧14偏转。如果调节电机2发生了故障，则扭簧14就从偏转的位置松弛到其静止位置。扭簧14本身可以单作用或者双作用。在图3b中弹簧18被布置在驱动轮7和调节轴6之间。在这种情况下力矩通过调节轴6的减速机构15进行传递，否则该功能机构相应于在图3a中示出的；特别是这里可以使用单作用的弹簧18或者螺旋弹簧。
在图4中示出了具有设计成气动马达16的辅助驱动装置11的调节装置1。气动马达的外壳20以及其内腔抗扭地与驱动轮7相连接，气动马达转子21抗扭地与调节轴6相连接。一旦调节电机2发生故障，则气动马达16就作为主动的驱动装置或者持续地接受其功能，或者如同在被动的辅助驱动装置中调节装置1只调节到基准位置，然后通过锁紧单元19(图9)将该基准位置保持固定状态。气动马达16可能的结构型式例如有片式马达或齿形马达。
除了气动马达16外，辅助驱动装置11也可以设计成液压马达17，其中特别适宜的是使用滚子叶片泵、内齿轮泵或叶轮式泵。
在图5a和5b中示出了基本上由具有滑槽24的内齿轮23组成的离心电机22，所述内齿轮固定在驱动轮7上的方法是，它相对于该驱动轮可以转动。
内齿轮23在行星轮25上面，所述行星轮布置在与驱动轮7固定连接的连接轴26(Stegwelle)上，并与布置在调节轴6上的中心轮27产生有效传递连接。在滑槽24内有一个具有与其固定连接的质量块30的滑动套28，所述滑动套28同时在一个长形孔29内滑动，其中长形孔集成在驱动轮7上并呈径向。除了滑动套28之外还可以布置滑块。原则上滑槽24可以具有任意的形状，只要它不是精确地沿着径向，并且调节装置的基准位置相应于滑动套的位置和沿径向与内齿轮23的中心距离最远。特别有利的是，滑槽24采用抛物线或V形结构。
在驱动轮7达到了最低转速之后，离心电机22就处于准备运行的状态。如果调节电机2开始了转角调节，则它通过调节轴6和中心轮27旋转驱动轮7。同时通过联轴器和行星轮25旋转内齿轮23，由此使质量块30通过滑槽沿着径向朝里拉(图5b)。当调节电机2发生故障时，由于离心力的作用质量块30运动到最外面的位置处。能流则反向流动，调节装置1被调节到基准位置。必要时在那里用锁紧单元19(图9)将调节装置1锁紧。
在图6a和6b中示出了设计成制动器31的辅助装置11，其中在图5a中涉及一个集成在电气的调节电机内的制动器31。它可以例如设计成短路制动器绕组，这样可以通过感应来制动调节电机2。另外一种可能是一个可以用作应急运行绕组35的独立的绕组。但是制动器31也可以布置在外面(图6b)，例如布置在调节轴上的制动盘32，它在失灵的情况下通过液压或电磁动作的制动块33进行制动。制动器31的其它可能的结构型式有带式制动器、盘式制动器或蹄式制动器。制动器31可以直接地对从动件5并从而对凸轮轴3起作用，或者间接地例如对通过联轴器与调节轴相连接的轴起作用。
在图7a和7b中示出了设计成电动机34的辅助驱动装置11，其中其转子通过调节电机2的转子而构成。电动机34的转子设计成一个独立的绕组作为应急运行绕组35。电动机34的供电或者通过电容器36或者通过外部的电网37来确保。除了电容器36以外还可以使用电池。另外一个替换方案是通过皮带或链条来传动。图7c中清楚地示出了电动机34也可作为外部的零件来实现。
在图8中示出了具有一个调节电机2的调节装置1，其中一个安全联轴器38布置在调节电机2和从动轴5之间。如果调节轴6闭锁，则该闭锁对凸轮轴3没有止动影响。较有利的是，辅助驱动装置11布置在安全联轴器38的后面，从而使发生故障的调节电机2不会对辅助驱动装置11产生负面作用。这里安全联轴器38可以根据现有的技术选择熟知的联轴器，例如通过压簧39动作或者电磁作用的联轴器盘40、41。
在图9中示范性地示出了锁紧单元19的可能布置方式，为了在失灵的情况下固定转角，所述锁紧单元在前面所述的被动的系统中是必要的。这里锁紧单元19被设计成径向作用的弹簧元件。在本图中解锁和锁紧都是通过油槽42供给的油压来进行。另外一个替换方案是，锁紧单元19的动作可以使用离心力、电磁力或者调节轴的旋转脉冲。锁紧单元19在调节装置中既可以轴向布置，也可以径向布置。
总之，通过根据本发明的辅助驱动装置11的设计结构，在调节电机2发生故障的情况下，可以实现受控的或者是主动或者是被动地复位到基准位置，从而使内燃机通过在曲轴和凸轮轴3之间的固定转角仍然能够可靠地工作。
附图标记1调节装置2调节电机3凸轮轴4主动件5从动件6调节轴7驱动轴8转子9定子10 气缸盖11 辅助驱动装置12 飞轮13 变速齿轮箱14 扭簧15 减速机构16 气动马达17 液压马达18 弹簧19 锁紧单元20 外壳21 气动马达转子22 离心电机23 内齿轮24 滑槽25 行星轮26 连接轴27 中心轮
28 滑动套29 长形孔30 质量块31 制动器32 制动盘33 制动块34 电动机35 应急运行绕组36 电容器37 外部电网38 安全联轴器39 压簧40 联轴器盘41 联轴器盘42 油槽
权利要求
1.用于调节内燃机中凸轮轴(3)相对于曲轴的相对转角位置的调节装置(1)，所述调节装置具有固定在曲轴上的主动件(4)和固定在凸轮轴上的从动件(5)，其特征在于，调节装置(1)具有一台作为主要调节装置的调节电机(2)和一个作为次要调节装置的辅助驱动装置(11)，其中凸轮轴(3)在调节电机(2)发生故障时可通过辅助驱动装置(11)调节到固定的转角位置，即一个应急运行位置。
2.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)布置在主动件(4)和从动件(5)之间。
3.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，在到达应急运行位置之后，锁紧单元(19)在主动件(4)和从动件(5)之间产生一个形状接合的连接或力接合的连接。
4.如权利要求3所述的调节装置，其特征在于，锁紧单元(19)设计成轴向或径向作用的销、楔、锥体或者球体，其中锁紧单元(19)通过电磁、液压或气动动作。
5.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)持续地与调节电机(2)进行联接，并且在调节电机(2)发生故障时，转角在没有外部能量输入的情况下被调节到应急运行位置。
6.如权利要求5所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成单作用的扭簧或双作用的扭簧(14)。
7.如权利要求5所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成具有减速机构的扭簧(14)。
8.如权利要求6或7所述的调节装置，其特征在于，扭簧(14)在发动机起动时被预张紧，在预张紧状态下被脱开联接，在调节电机(2)发生故障时通过执行元件进行联接。
9.如权利要求5所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成离心电机(22)。
10.如权利要求5所述的调节装置，其特征在于，调节电机(2)设计成电动机，并且该电动机的转子(8)同时构成辅助驱动装置(11)。
11.如权利要求5所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成飞轮(12)。
12.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)不是持续地与调节电机(2)相联接，和/或在调节电机(2)发生故障时，转角通过外部的能量输入被调节到应急运行位置。
13.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，调节装置(1)具有设计成三轴变速器的变速齿轮箱(13)，辅助驱动装置(11)设计成制动器(31)，所述制动器作用在三轴变速器的一个元件上。
14.如权利要求13所述的调节装置，其特征在于，制动器(31)设计成布置在调节电机(2)中的一个圆盘。
15.如权利要求12所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成一台液压马达(17)或一台气动马达(16)。
16.如权利要求12所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成一台电气辅助电机(34)或在该辅助电机内的一个应急运行绕组(35)。
17.如权利要求16所述的调节装置，其特征在于，电气辅助电机(34)或应急运行绕组(35)通过电容器(36)、外部电网(37)、电池、链条或皮带供给能量。
18.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，辅助驱动装置(11)设计成由分别反向作用的两个辅助驱动装置的组合。
19.如权利要求1所述的调节装置，其特征在于，在调节电机(2)和从动件(5)之间布置了一个安全联轴器(38)。
20.如权利要求19所述的调节装置，其特征在于，安全联轴器(38)设计成摩擦联轴器或安全销。
全文摘要
用于调节凸轮轴(3)相对于曲轴的相对转角位置的调节装置(1)，所述调节装置具有固定在曲轴上的主动件(4)和固定在凸轮轴上的从动件(5)，其中调节装置(1)具有一台作为主要调节装置的调节电机(2)和一个作为次要调节装置的辅助驱动装置(11)，其中凸轮轴(3)在调节电机(2)发生故障时可通过辅助驱动装置(11)调节到固定的转角位置，一个应急运行位置。
文档编号F01L1/46GK1985070SQ200580023180
公开日2007年6月20日 申请日期2005年6月15日 优先权日2004年7月10日
发明者延斯·舍费尔, 迈克·科尔斯, 马丁·施泰格瓦尔德, 乔纳森·海伍得 申请人:谢夫勒两合公司