Das Problem der Verstellung der Phasenlage bzw. der Winkel- lage der Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle wird seit der Nutzung des Verbrennungsmotors diskutiert und es werden immer wieder neue Lösungsansätze gesucht. Der Wunsch ist da- bei, möglichst einfach und schnell unter Aufwendung mög- lichst wenig Energie die Nockenwelle gegenüber der Kurbel- welle zu verdrehen. Es ist hierbei sehr wichtig, eine hohe Sicherheit der Kraftübertragung über die. Verstelleinheit zu gewährleisten, da sonst erhebliche Schäden an den Ventilen oder dem gesamten Motor auftreten können. Der zunehmende Druck Kraftstoff einzusparen, die Emissionen zu verringern und trotzdem dem Kunden ein hohes Leistungsvermögen zur Ver- fügung zu stellen, erfordert immer grössere Verstellbereiche bei kontinuierlicher Verstellbarkeit, hoher Verstellge- schwindigkeit und hoher Präzision.

Ausgehend von dieser Aufgabenstellung wurden verschiedene Lösungsansätze realisiert. Eine bekannte Lösung ist bei- spielsweise das Prinzip der ineinanderlaufenden gerad-und schrägverzahnten Wellen, wie dies in der Veröffentlichung von Michael Kron und Klaus Wolf beschrieben ist unter dem Titel"Variable Steuerzeiten der neuen Mercedes-Benz Vier- ventilmotorenB (MTZ50 (1989) Seite 327ff). Ein weiterer Lö- sungsansatz wird mit der umgekehrt betriebenen Flügelzellen- pumpe in den Schriften US 5,738,056 und US 5,794,577 be- schrieben. Eine weitere Ausführungsform mit einem speziellen Jochmechanismus ist aus der US 5,671,706 bekannt geworden.

Eine weitere Verstellvorrichtung mit schräglaufenden Kugeln wird in der GB 98/02153 erläutert. Diese bekannten Systeme werden in der Regel durch Oel betrieben, das wegen der Mo- torschmierung bereits im Motor vorhanden ist. Die Ausnutzung der normalen Motorölschmierung weist allerdings auch erheb- liche Nachteile auf. So steigt der Oelbedarf des Motors, was durch grössere Oelpumpen ausgeglichen werden muss, was wie- derum zu erhöhten Verlustleistungen insgesamt im Motor führt. Ferner steht der Druck und Volumenstrom für die Ver- stellung erst nach mehr oder weniger kurzer Zeit, das heisst verzögert, nach dem Kaltstart zur Verfügung und kann auch im Heissleerlauf nicht immer gewährleistet sein. Zur Abhilfe kann entweder ein separates Oelversorgungsaggregat, das wie- derum zu erhöhter Verlustleistung führt, oder ein Ausblenden der Verstellung bei bestimmten Motorzuständen Verwendung finden. Ein weiterer Nachteil besteht darin, dass die be- kannten Systeme, wenn sie in einer mittleren Verstelllage gehalten werden müssen, von beiden Seiten mit gleichem, mög- lichst hohem Oeldruck versorgt werden müssen, um den Spit- zenwerten der Wechselmomente der Nockenwelle, die durchaus 30 Nm und mehr erreichen können, stand zu halten, bzw. die Position zu halten. Wegen der inneren Leckagen der Systeme führt das zu erhöhtem Oelbedarf und zu entsprechenden Ver- lustleistungen, wobei zusätzlich das Oelversorgungssystem für diesen hohen Bedarf ausgelegt werden muss. Weiterhin muss beim Kaltstart eine Lock-Einrichtung Verwendung finden, damit die Systeme ohne Oelversorgung nicht hin-und her- schwingen, wodurch die Ventilsteuerzeiten eine undefinierte Lage erfahren.

Ein wichtiger Schritt zur Verbesserung der vorerwähnten Pro- bleme wurde mit einer Verstellanordnung mit einem Kreiskol- benantrieb nach dem sogenannten Orbit-Prinzip erreicht, wie er in der WO 99/58821 beschrieben ist. Ein wesentlicher Vor- teil dieser Anordnung besteht darin, dass dieser Antrieb ge- genüber mechanischen Einwirkungen inhärent eine Selbsthem- mung bewirkt. Der Versteller kann nur durch Oeldruckzufuhr in seiner Drehwinkellage verstellt werden, jedoch nicht durch Drehmomentaufbringung von aussen. Damit ist gewährlei- stet, dass hohe Drehmomentspitzen beziehungsweise Wechsella- sten der Nockenwelle nicht zu hohen Gegendrücken in den Ar- beitskammern des Hydrauliksystems führen können und dass für den Normalbetrieb, also wenn keine Winkelverstellung statt findet, kein Stützdruck für die Drehmomentübertragung not- wendig ist. Ein Versteller dieser Art mit Selbsthemmung kann auch bei nur geringem statischen Verstellmoment eine hohe Verstellgeschwindigkeit erreichen. Das hängt damit zusammen, dass der Versteller mit seinem relativ kleinen aufzubringen- den Verstellmoment nur zu denjenigen Prozessphasen verstellt wird, in denen das Verstellmoment grösser als das momentane Wechselmoment der Nockenwelle ist. Ubersteigt das momentane Nockenwellenwechselmoment das Verstellmoment des Verstellers stützt sich das System in seiner Selbsthemmung ab und fällt nicht zurück, wie Systeme ohne Selbsthemmung es tun, wie dies in Fig. 2 dargestellt ist. In Fig. 2 ist der Verstell- winkel w abhängig von der Zeit t für eine nicht selbsthem- mende Anordnung dargestellt. In Fig. 3 ist ebenfalls der Verstellwinkel w der Kurbelwelle [°KW] abhängig von der Zeit t für ein selbsthemmendes System dargestellt. Im Bereich A ist das Moment der Nockenwelle kleiner als dasjenige des Verstelllers, wobei im Bereich B das Moment der Nockenwelle grösser ist als dasjenige des Verstellers. Für eine Verstel- lung ist allerdings weiterhin Oeldruck erforderlich. Auch dieses System bedarf zur Verstellung eines Oelvolumenstroms, der durch die Zuleitungen und Steuerventile geleitet werden muss. Die Verstellzeit ist also nicht nur durch das aufge- brachte Verstellmoment, sondern auch durch die Dauer bzw. die Zeitkonstante, den Oelvolumenstrom durch das System zu fördern, begrenzt. Ferner steht gerade im Kaltstart oder Heissleerlauf jedoch generell wenig Oel zur Verfügung und dieses Oel muss unbedingt zur Schmierung der hochempfindli- chen Lager zur Verfügung stehen.

Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Nachteile des Standes der Technik zu vermeiden. Insbesondere ist es Aufgabe der Erfindung, eine einfach und wirtschaft- lich herstellbare Verstellanordnung zu schaffen, welche auch bei niederen Drehzahlen des Verbrennungsmotores zuverlässig und präzise arbeitet und zusätzlich ermöglicht, die An- triebsleistung weiterhin zu verringern und somit Energie zu sparen.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss durch die Merkmale des Anspruches 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausführungsformen beinhalten die abhängigen Patentansprüche.

Erfindungsgemäss wird eine Verstellvorrichtung, welche mit einer in gegen die Drehrichtung wirkenden Hemmvorrichtung versehen ist, mit einem elektromechanischen Antrieb verse- hen. Mit diesem Antrieb kann elektrisch über eine Steuervor- richtung der Verdrehwinkel jederzeit präzise und rasch ein- gestellt werden. Die Hemmvorrichtung ist beispielsweise eine gesteuerte Hemmeinrichtung, welche immer dann gesteuert ak- tiv wird, wenn das Wellenmoment, das gegen die jeweilige An- triebsdrehrichtung wirkt, das Antriebsmoment des Verstellan- triebes überschreitet.

Diese Hemmvorrichtung kann beispielsweise hydraulisch be- trieben sein, wie bei einem ventilgesteuerten Flügelzellen- antrieb oder eine elektromechanisch gesteuerte Hemmanord- nung. Vorzugsweise ist die elektromechanische Anordnung als elektromagnetische Hemmvorrichtung ausgebildet, welche sich besonders gut elektrisch über ein Steuersystem betreiben lässt. Kombinationen hydraulisch/elektrisch sind ebenfalls möglich.

Noch effektiver arbeiten erfindungsgemäss elektrisch betrie- bene, selbsthemmende Verstellvorrichtungen. Auch hier kann die selbsthemmende Vorrichtung hydraulisch oder mechanisch ausgebildet sein. Die selbsthemmenden Anordnungen sind be- sonders einfach zu realisieren und weisen einen guten Wir- kungsgrad auf. Vorzugsweise werden selbsthemmende, mechani- sche Ubertragungs-beziehungsweise Getriebeanordnungen wie Freilaufgetriebe verwendet.

Als besonders vorteilhaft hat sich hierbei der Kreiskolben- versteller nach dem Orbit-Prinzip kombiniert mit einem elek- tromechanischen Antrieb erwiesen, mit welchem elektromoto- risch ganz oder teilweise nach Bedarf oder unterstützend der Kreiskolben betrieben werden kann. Die elektromechanische Verstellung der Phasenlage birgt zudem den erheblichen Vor- teil, dass das Oelsteuerventil zur Steuerung der hydrauli- schen Verstellsysteme entfallen kann und direkt ein Lei- stungsverstärkerausgang des Motormanagementsystems zur Betä- tigung der Verstellung genutzt werden kann. Dieses Konzept gestattet die Verstellung der Nockenwelle gegenüber der Kur- belwelle mit sehr hoher Geschwindigkeit bei geringem einzu- bringendem Antriebsdrehmoment. Eine Verstellung mit einem- Elektromotorantrieb benötigt deshalb nur ein sehr geringes Drehmoment, beispielsweise unter 2Nm, vorzugsweise unter 0,5 Nm. Der Elektromotor betreibt hierbei direkt oder indirekt über ein Getriebe den Rotor des Verstellers. Es sind somit Elektromotore einsetzbar mit Antriebsleistungen unter 500 Watt oder sogar unter 200 Watt. Bei noch weiter optimierter, bevorzugter Anordnung sind sehr kleine Motore möglich mit Antriebsleistungen unter 20 Watt. Der gesamte Kreiskol- benversteller mit Elektromotorantrieb ist beispielsweise in Oel dicht gekapselt und wird einfach durch Einspeisen eines eletkrischen Stromes für den Betrieb des Elektromotorantrie- bes angesteuert. Die Einspeisung erfolgt jeweils nur solan- ge, wie verstellt werden soll. Die Anordnung kann ausserdem sehr klein gebaut werden und direkt innerhalb des Kettenra- des an der Nockenwelle untergebracht werden.

Dank der selbsthemmenden Verstellvorrichtung muss der Elek- tromotor nur sehr geringe Momente aufbringen. Der Verstell- mechanismus nach dem Kreiskolbenprinzip wird folglich nur zur mechanischen Selbsthemmung genutzt. Obwohl auch andere selbsthemmende Verstelleinrichtungen für die erfinderische Anordnung eingesetzt werden können, ist die Verwendung der Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip besonders geeig- net. Die eigentliche Verstellung erfolgt erfindungsgemäss nicht mehr durch den Oel-hydraulischen Antrieb, sondern durch den elektrischen Antrieb. Es ist jedoch auch vorteil- hafterweise möglich, die Anordnung als Hybridantrieb kombi- niert aus Elektroantrieb und Oel-hydraulischem Antrieb zu nutzen, was den Vorteil hat, dass bei Verbrennungsmotoren die ohnehin vorhandene Oel-hydraulische Versorgung genutzt werden kann und gleichzeitig diese aber minimallisiert di- mensioniert werden kann, was entsprechend Energieeinsparun- gen bewirkt. Ein elektromechanischer Antrieb eines Verstel- lers würde bei Verstellanordnungen ohne Hemmeinrichtung und insbesondere ohne Selbsthemmeinrichtung dazu führen, dass dieser gegen die auftretenden Momenspitzen angehen müsste und die Leistung permanent gebracht werden müsste, was zur Folge hat, dass der elektrische Antrieb sehr leistungsstark dimensioniert werden müsste, was mit kleinen preiswerten An- lagen nicht zu erzielen wäre und aus energetischer Hinsicht unrealistisch wäre.

Ein besonderer Vorteil der erfindungsgemässen Verstellanord- nung besteht in der regelungstechnisch sehr einfach be- herrschbaren Verstellcharakteristik. Durch die Selbsthemmung genügt es, sofort nach Erreichen des gewünschten Verstell- winkels den Verstellstrom abzuschalten. Das Nockenwellenmo- ment überschreitet damit zu jeder Zeit das Verstellmoment oder hat nahezu den Wert null, so dass das System in diesem Arbeitspunkt immer in der Selbsthemmung bleibt. Auch die An- steuerung des Motores bedarf keiner zusätzlichen aufwendigen Steuerlogik, da der Motor innerhalb kürzester Zeit nach Ab- schalten des Versorgungsstromes kein Moment mehr abgibt. Auf diese Weise kann mit geringer Betriebsleistung des Elektro- motors gearbeitet werden.

Die Erfindung wird nun beispielsweise mit schematischen Fi- guren beschrieben. Es zeigen : Fig. 1 im Schnitt ein Kreiskolbennockenwellenversteller nach dem Orbit-Prinzip gemäss Stand der Technik Fig. 2 eine Darstellung des Verstellwinkels w in Grad der Kurbelwelle [°KW] über der Zeit t für einen Nok- kenwellenvesteller ohne Selbsthemmung Fig. 3 eine Darstellung des Verstellwinkels w über der Zeit t für einen Nockenwellenversteller mit Hemm- vorrichtung Fig. 4 eine Darstellung des statischen Verstellmoments M über dem Oeldruck p [bar] für einen Versteller nach Stand der Technik nach dem Prinzip der schrägverzahnten Welle Z im Vergleich zum erfin- dungsgemässen Prinzip des Orbit-Motors O Fig. 5 eine Darstellung der Vestellgeschwindigkeit v [°KW/s] über dem Oeldruck p nach dem Stand der Technik der schrägverzahnten Welle Z und nach dem erfindungsgemässen Prinzip des Orbit-Motors O Fig. 6 im Schnitt eine erfindungsgemässe Verstellvorrich- tung mit Kreiskolbenverstellanordnung und elektro- motorischem Antrieb Fig. 7 dreidimensionale Ansicht der Anordnung nach Fig. 6 Verstellvorrichtungen zum Verstellen der Winkellage einer Welle gegenüber der Haubtantriebsphasenlage sind schwierig zu beherrschen, wenn Wechsellasten an der Welle auftreten, wie sie insbesondere bei Nockenwellen von Verbrennungsmoto- ren auftreten. Bei solchen Anwendungen ist es nicht notwen- dig, die Winkelverstellung ohne Unterbruch kontinuierlich vorzunehmen. Viel mehr genügt es, diese Verstellung in kur- zen Schritten vornehmen zu können, welche gegenüber dem zu steuernden Prozess, wie der Verbrennung des Motors, eine ge- nügend präzise Steuerung schrittweise ermöglichen. Erfin- dungsgemäss wird deshalb die Verstellvorrichtung so ausge- bildet, dass diese nur wirksam im Eingriff steht, wenn das Verstellmoment nicht im Bereich der Belastungsspitze liegt.

Dies kann dadurch erreicht werden, dass im Bereich der Bela- stungsspitzen in der Verstellvorrichtung ein Hemmmechanismus eingreifft, welcher verhindert, dass die Verstellvorrichtung durch das erzeugte, gegenwirkende Moment der Belastungsspit- ze auf den Verstellantrieb wirkt. Wenn ein gewisses, vorge- wähltes Mass dieses Gegenmomentes unterschritten wird, wird die Hemmung, am besten selbsttätig ohne Steuereingriff, ge- löst und der Antrieb der Verstellvorrichtung wird wirksam zur Verstellung des Nockenwellenwinkels in entsprechenden Schritten. Auf diese Weise kann der Antrieb entsprechend kleiner dimensioniert werden, womit es erst möglich wird ei- ne solche Verstellvorrichtung mit einem elektromechanischen Antrieb wirtschaftlich und kompakt zu realisieren. Ausserdem wird, da nur die notwendige Verstellleistung aufgebracht werden muss und keine permanente Halteleistung, die Energie- bilanz verbessert. In Figur 3 ist schematisch dargestellt, wie sich bei einer erfindungsgemässen Vorrichtung die Ver- stellmomente in verschiedenen Zeitbereichen verhalten, ab- hängig vom Verstellwinkel W in Grad der Kurbelwellenverstel- lung über der Zeit. Hierbei ist die Phase A der Bereich, in der das Moment der Nockenwelle kleiner ist als das durch den Versteller aufgebrachte Drehmoment und B, in der das Moment der Nockenwelle grösser ist als das durch den Versteller aufgebrachte Drehmoment. In der Phase B wird also gehemmt und der Antrieb muss während dieser Zeit kein zusätzliches Moment überwinden.

Die Hemmung wirkt also in der Phase B, wo ein zusätzliches Moment gegen die Drehrichtung der Welle auftritt und wird in diesem Zeitpunkt durch eine Hemmanordnung gegenüber dem An- trieb aufgefangen. Dies kann mit einer Hemmvorrichtung, wel- che als gesteuerte Sperranordnung ausgebildet ist, reali- siert werden, beispielsweise hydraulisch wie mit einer Art ventilgesteuertem Flügelmotor und/oder mit einer elektro- mechanischen Einrichtung, einer Art Bremse, und/oder aber vorzugsweise mit einer eletromagnetischen Blockierung, wel- che besonders einfach zu realisieren und anzusteuern ist.

Noch einfacher ist aber die Hemmwirkung realisierbar, wenn die Übertragungsvorrichtung, beispielsweise ein Getriebe, oder der Antrieb selbst inhärent eine selbsthemmende Wirkung aufweist. Dies können beispielsweise hydraulische Systeme sein und/oder vorzugsweise mechanisch hemmende Anordnungen wie Freilaufgetriebeanordnungen. Als selbsthemmende Anord- nung ist hierbei besonders eine Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip geeignet, welche sowohl als unterstützen- der oelhydraulischer Direktantrieb gekoppelt mit einem gut steuerbaren elektromechanischen Antrieb kombiniert betrieben werden kann. Die hybride Antriebsausführung mit oelhydrauli- scher Unterstützung und mit elektromechanischem Antrieb er- möglicht die Nutzung einerseits des bei hohen Drehzahlen be- triebenen Motores ohnehin genügend vorhandenen oelhydrauli- schen Angebotes und andererseits die vor allem bei tieferen Drehzahlen, wo das hydraulische Angebot geringer ist, eine Übernahme durch den elektromechanischen Antrieb mit dem Vor- teil der guten und präzisen Steuerbarkeit eines elektromoto- rischen Antriebes.

Der rein elektromechanische Antrieb mit Hilfe eines Elektro- motores alleine ohne hydraulischen Hybrid-Antrieb hat den Vorteil, dass die Stellvorrichtung noch besser und präziser mit modernen Steuermitteln wie Mikroprozessorsteuerungen ge- steuert werden können. Es ist hier ohne weiteres möglich mo- torlast-und/oder drehzahlabhängige Algorithmen vorzuse- hen. Geeignete, elektromechanische Antriebseinheiten sind hierbei Gleichstrommotoren, Schrittmotoren, Synchronmotoren oder insbesondere elektronisch kommutierte Gleichstrommoto- ren. Der Umweg über ölhydraulische Steuerglieder (z. B. 4/3- Wege-Proportionalventile), der zudem noch Totzeiten in sich birgt, ist beim elektrischen Antrieb nicht erforder- lich.

Eine selbsthemmende Kraftübertragungseinrichtung gemäss der bevorzugten Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip ist in Figur 1 im Querschnitt dargestellt. Der Stator 1 trägt wie bei Verbrennungsmotorsteuerungen üblich einen Zahnkranz oder einen Riemenkranz, wodurch dieser durch den Verbren- nungsmotor angetrieben wird. Innerhalb dieses Stators 1 ist exzentrisch zur Nockenwelle 12 ein Kreiskolben 2 angeordnet, welcher durch ein Fluid im Fluidhockdruckraum 10 ventilge- steuert rotierend bewegt wird. Das Fluid wird im Nieder- druckraumbereich 11 wieder zurückgeführt in den hydrauli- schen Kreislauf. Durch die Rotation des Kreiskolben 2 wird ein auf der Welle 12 angeordneter Ritzel 3, welcher als Ab- trieb dient, mitbewegt, womit die Welle 12 angetrieben wird.

Diese Anordnung nach dem Orbit-Prinzip hat in bekannter Wei- se eine selbsthemmende Wirkung, wie dies durch die Kräfte- paare Fl bis F5 in Figur 1 beispielsweise dargestellt ist.

Dies bedeutet, dass der Kreiskolben 2 durch ein starkes Ge- genmoment der Welle 12 nicht verdreht werden kann. Erfin- dungsgemäss wird nun ein elektromechanischer Antrieb direkt auf den Kreiskolben 2 eingekoppelt. Wie erwähnt kann hierbei der Antrieb vorzugsweise nur elektrisch erfolgen oder aber auch hybrid zusammen mit der Oelhydraulik betrieben werden.

In Figur 4 ist vergleichsweise der statische Verstellmoment m in Newtonmeter (Nm) dargestellt abhängig vom Oeldruck p in bar einer selbsthemmenden Kreiskolbenanordnung 0 im Ver- gleich mit einer schrägverzahnten Wellenanordnung Z gemäss Stand der Technik. Daraus ist ersichtlich, dass die selbsthemmende Anordnung ohne weiteres bis zu einem Faktor 5 geringeres Verstellmoment m benötigt. Dies zeigt, dass erst durch eine solche hemmende Verstellanordnung ein elektrome- chanischer Betrieb möglich ist mit den vorerwähnten Vortei- len. Die Figur 5 zeigt qualitativ die Verstellgeschwindig- keit v des Verstellwinkels in Grad pro Sekunde (°KW/s) ver- gleichsweise abhängig vom Betriebsdruck p in bar vergleichs- weise mit den beiden vorerwähnten Verstellantrieben. Auch daraus ist klar ersichtlich, dass die selbsthemmende Vor- richtung in Bezug auf Verstellgeschwindigkeiten ohne weite- res bis zu einem Faktor 2 bis 4 überlegen ist, was für ein präzises Motormanagement wichtig ist. Die Kombination dieser Vorteile zusätzlich mit dem elektromechanischen Antrieb füh- ren zu einem weiter überlegenen Verhalten in Bezug auf prä- zises Motormanagement wegen der guten Ansteuerbarkeit, Kom- paktheit der Verstellvorrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel einer elektromechanischen Antriebs- einkopplung auf eine selbsthemmende Kreiskolbenanordnung ist in Figur 6 im Querschnitt und in Figur 7 dreidimensional dargestellt. Die Antriebswelle 9 wird von einem Elektromotor angetrieben, wobei die Antriebswelle 9 ein Eingriffszahnrad 6 antreibt, welches mit einem Ubersetzungszahnrad 7 gekop- pelt ist und im Eingriff steht mit einem Aussenkranz 4 mit Innenverzahnung, der die ganze Anordnung umschliesst. Diese Anordnung bildet insgesamt ein Antriebsgetriebe. Der Kreis- kolben 2 weist im Aussenbereich bei seiner Verzahnung eine erhöhte Feinverzahnung 5 auf, in welche Transferzahnräder 8 eingreiffen, welche peripher um den Kreiskolben 2 verteilt angeordnet sind und auf dem Stator 1 frei drehbar gelagert sind. Der Aussenzahnkranz, welcher durch das Elektromotoran- triebsgetriebe 6,7,9 angetrieben wird, treibt wiederum diese Transferzahnräder an und überträgt dadurch die Kraft auf den Kreiskolben 2 in jeder Stellung. Das Einkoppeln ei- ner elektromechanischen Antriebskraft zwischen Stator 1 und Kreiskolben 2 ermöglicht das Verdrehen des Kreiskolbens und somit der Welle 12 unter Nutzung der selbsthemmenden Wirkung der Kreiskolbenanordnung nach dem Orbit-Prinzip. Eine elek- tromechanische Einkopplung kann weiter vereinfacht reali- siert werden durch Verwendung von magnetischen Koppelelemen- ten wie mit Permanent-und/oder Elektromagneten, um den mechanischen Aufwand möglichst gering zu halten.