Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen zu nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise bei Brennkraftmaschinen bekannt und werden dort zur relativen Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber einer diese an¬ treibenden Kurbelwelle vorgesehen. Durch diesen Eingriff in die Ventiltriebskinematik werden die Phasenlage der Ventil- Öffnung, die Öffnungsdauer und der Ventilhub in Grenzen vari¬ abel be'einflusst.

Neben bekannten hydraulischen Nockenwellenstellern zum Ver¬ stellen einer Phasenlage einer die Ventile eines Verbren¬ nungsmotors betätigenden Nockenwelle, die im Wesentlichen aus einem vom Motorölkreislauf gespeisten Hydromotor, z.B. nach dem Flügelzellenprinzip, bestehen, sind neuerdings auch elektrische Nockenwellensteiler aus Summiergetriebe und Drehaktor bekannt, bei denen ein Elektromotor oder eine e- lektrischen Bremse als Drehaktor dient. Alle Systeme müssen beim Auftreten von Fehlern in der Elektronik, beim Abfallen von Kabeln, Ausfällen der Sensorik oder der Aktorik, bei¬ spielsweise beim Hydraulikventil, Elektromotor, Bremse und dergleichen, die Phasenlage der Nockenwelle in eine definier¬ te Notlaufposition bringen, so dass der Betrieb der Brenn- kraftmaschine wenigstens mit Einschränkungen noch sicherge¬ stellt ist. Bei hydraulischen Nockenwellenstellern mit ihren typischerweise geringen Stellbereichen liegt diese Notlaufpo¬ sition in der Regel in einem Anschlag des Nockenwellenstel- lers. Diese Nockenwellensteller laufen durch das mittlere No¬ ckenwellenmoment ohne Ölzufuhr in der Regel in den Anschlag „Spät", was beispielsweise die Notlaufposition für eine Ein¬ lassseite der Brennkraftmaschine sein kann. Sollte der An¬ schlag „Früh" die einzustellende Notlaufposition sein, z.B. eine Auslassseite der Brennkraftmaschine, kommt üblicherweise eine Rückstellfeder zwischen Kettenrad und Nockenwelle zum Einsatz. Der Nockenwellensteller wird unter anderem aus Ge¬ räuschgründen in der Notlaufposition in der Regel verriegelt.

Um die Lauffähigkeit von Brennkraftmaschinen mit Nockenwel¬ lenstellern mit erweitertem Stellbereich im Notlauffall si¬ cherzustellen, ist zweckmäßigerweise eine Notlaufposition zwischen den Anschlägen anzufahren. Dies kann z.B. durch zwei gegeneinander arbeitende Drehfedern zwischen Kettenrad und Nockenwelle erfolgen, deren Wirkung sich in der Notlaufposi¬ tion aufhebt. Allerdings muss der Nockenwellensteller während des Normalbetriebs ständig gegen diese Federn arbeiten, so dass sich dessen Leistungsaufnahme hinsichtlich Motordrucköl bzw. elektrischem Strom zum Teil beträchtlich erhöht.

Aus der Offenlegungsschrift DE 102 20 687 ist eine Vorrich¬ tung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, an¬ triebsverbundenen Elementen bekannt, bei der bei einem Aus¬ fall der Verstelleinrichtung und/oder ihrer Steuerung durch Abbremsen bzw. Festsetzen der Verstellwelle und durch Drehen der Antriebswelle sowie durch eine geeignete Standgetriebe¬ übersetzung eine Notlaufposition erreichbar und haltbar ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine energiesparen¬ de Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotieren¬ den, antriebsverbundenen Elementen anzugeben, die einzuver- lässiges Erreichen und Halten einer Notlaufposition ermög¬ licht.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des An¬ spruchs 1 gelöst.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die über eine Verstelleinrichtung verbunden sind, ist ein Wech¬ selmoment des einen Elements im Fehlerfall zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar, bei der die relative Winkelstellung zwischen den beiden Elementen im Wesentlichen konstant halt¬ bar ist. Dadurch kann ein ungleichförmiger Momentenverlauf an der Verstelleinrichtung ausgenutzt werden, der beispielsweise durch eine Ventilbetätigung durch eine Nockenwelle verursacht wird. So entstehen beim Öffnen der Ventile bremsende Anteile durch die Betätigungsnocken. Beim Schließen leiten die Venti¬ le auf rückseitigen Flanken der Betätigungsnocken eine Kraft ein und bewirken mitdrehende Anteile des Moments.

Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung sind der Beschreibung sowie den weiteren Ansprüchen zu entnehmen.

Vorzugsweise ist zur Verstellung im Fehlerfall ein freilauf¬ artiger Mechanismus mit winkelabhängig einseitig wirkender Hemmung vorgesehen ist, der das Wechselmoment eines Elements zur relativen Winkelverstellung zwischen den beiden Elementen zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar macht. Der frei¬ laufartige Mechanismus ist bevorzugt als Rastenmechanismus so ausgebildet, dass eine federbelastete Raste auf einer Zahn¬ struktur eines Gegenstücks bewegbar ist, die eine Bewegung der Raste in eine erste Freilaufrichtung zulässt. Auf diese Weise ist die Raste in eine definierte Richtung bewegbar. Die Raste wird durch eine Feder auf die Zahnstruktur gepresst . Wirkt zwischen einer Lagerung der Raste und dem die Zahn- struktur tragenden Gegenstück ein hinreichend großes Wechsel- moment, kann die Raste auf einer flachen Zahnflanke der Zahn¬ struktur gleiten und in eine folgende Zahnlücke springen. Ei¬ ne Bewegung in einer entgegen der Freilaufrichtung ist durch eine entsprechend steile Zahnflanke unterbindbar. Der Vorgang setzt sich solange fort, bis eine Zahnlücke mit beidseitig steilen Zahnflanken erreicht ist. Befindet sich die anzulau¬ fende Notlaufposition zwischen Endanschlägen der Verstellein¬ richtung, so sind zweckmäßigerweise beidseits der Notlaufpo- sition jeweils in entgegengesetzter Richtung wirkende Zahn¬ strukturen angeordnet. Die Notlaufposition ist innerhalb kür¬ zester Zeit erreichbar, da z.B. bei einer Vierzylinder- Brennkraftmaschine innerhalb einer Nockenwellenumdrehung viermal mitdrehende und viermal bremsende Anteile des Wech¬ selmoments auftreten und sich der bevorzugte Rastenmechanis¬ mus dabei um vier Zähne weiterbewegen kann.

Vorzugsweise ist die Notlaufposition in einer Zahnlücke ange¬ ordnet, an der zwei Zahnstrukturen mit gegenläufigen Frei- laufrichtungen der Raste zusammentreffen. Damit ist die Not- laufposition zuverlässig erreichbar und die Raste in der Zahnlücke fixierbar, bis zur Einleitung von Stellvorgängen eine Wirkverbindung zwischen Raste und Zahnstruktur die Raste aus der Zahnstruktur ausgefahren wird.

Günstigerweise ist der freilaufartige Mechanismus so angeord¬ net, dass das Wechselmoment zwischen einer Lagerung der Raste und dem die Zahnstruktur tragenden Gegenstück wirkt.

In einer bevorzugten Ausgestaltung ist die Zahnstruktur bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement an einem drehfest mit dem ers¬ ten Element verbundenen Flügelrad angeordnet. Vorzugsweise ist die Raste mit dem zweiten Element drehfest verbunden, wo- bei die Raste bevorzugt radial bewegbar ist. Der bevorzugte Rastenmechanismus ist kompakt und erfordert keinen zusätzli¬ chen Bauraum. Der Rastenmechanismus kann mit vorhandenen Kom¬ ponenten kombiniert werden.

In einer günstigen Ausgestaltung ist die Zahnstruktur einer hydraulischen Verstelleinrichtung mit einem Hydromotor mit einem Flügelzellenelement drehfest mit dem zweiten Element verbunden. Vorzugsweise ist die Raste an einem mit dem ersten Element drehfest verbundenen Flügelrad angeordnet, wobei die Raste bevorzugt axial bewegbar ist. Der bevorzugte Rastenme¬ chanismus ist kompakt und erfordert keinen zusätzlichen Bau¬ raum.

Bei einer hydraulischen Verstelleinrichtung ist zweckmäßiger¬ weise ein modifiziertes Hydraulikventil vorgesehen, dessen Kammern im Fehlerfall entleerbar sind. Dann kann eventuell vorhandenes Restöl in den Flügelzellen das Anfahren der Not¬ laufposition nicht behindern.

In einer günstigen Ausgestaltung bei einer elektrischen Ver¬ stelleinrichtung ist die Zahnstruktur mit einer Stellwelle eines Getriebes drehfest verbunden, wobei das erste mit dem zweiten Element über das die Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist. Die elektrische Verstelleinrichtung umfasst einen elektrischen Drehaktor und ein Getriebe. Das Getriebe ist vorzugsweise als Summiergetriebe mit drei Wellen, zwei Eingängen und einem Ausgang, ausgebildet. Sind zwei der drei Wellen miteinander drehfest verbunden, ist das Getriebe blo¬ ckiert, und die Phasenlage bleibt konstant.

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung ist bei einer e- lektrischen Verstelleinrichtung die Zahnstruktur mit einem Ausgang eines Getriebes drehfest verbunden, wobei das erste mit dem zweiten Element über das die Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist .

In einer weiteren günstigen Ausgestaltung bei einer elektri¬ schen Verstelleinrichtung ist die Zahnstruktur in einem Ge¬ triebe angeordnet, wobei das erste mit dem zweiten Element über das eine Stellwelle aufweisende Getriebe verbunden ist.

Besonders günstig ist bei einer elektrischen Verstelleinrich¬ tung, wenn die Raste im Normalbetrieb durch Magnetkraft von der Zahnstruktur abhebbar ist, so dass ein Verstellvorgang eingeleitet werden kann.

Ist die elektrische Verstelleinrichtung als Elektromotor aus¬ gebildet, kann ein separater Elektromagnet zum Abheben der Raste von der Zahnstruktur vorgesehen sein, dessen Spule e- lektrisch in Reihe oder parallel zur Verstelleinrichtung ge¬ schaltet sein kann,

Ist die elektrische Verstelleinrichtung als Hysteresebremse ausgebildet, kann die Raste mit günstigerweise geringem kon¬ struktivem Aufwand so angeordnet sein, dass diese durch den magnetischen Fluss der Hysteresebremse von der Zahnstruktur abhebbar ist.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von in der Zeichnung beschriebenen Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahl¬ reiche Merkmale in Kombination, die der Fachmann zweckmäßi¬ gerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen wird.

Dabei zeigen: Fig. 1 a, b; einen bevorzugten Rastenmechanismus mit einer abgewickelt dargestellten Zahnstruktur in einer Notlaufposition(a) und in einer Bewegung in Rich¬ tung Notlaufposition (b) , Fig. 2 ein Verlauf eines Wechselmoments einer Nockenwelle über einem Kurbelwinkel, Fig. 3 in Explosionsdarstellung einen hydraulischen No- ckenwellensteller nach einem Flügelzellenprinzip mit einem Rastenmechanismus mit radial bewegbarer Raste, Fig. 4 in Explosionsdarstellung einen hydraulischen No- ckenwellensteller nach einem Flügelzellenprinzip mit einem Rastenmechanismus mit axial bewegbarer Raste, Fig. 5 a, b, c; schematisch in einem elektrischen Nocken- wellensteller einen Rastenmechanismus zwischen Stelleingang und Eingang (a) , einen Rastenmechanis¬ mus zwischen Eingang und Ausgang (b) , einen Rasten¬ mechanismus zwischen Stelleingang und Ausgang (c) , und Fig. 6 schematisch in einem elektrischen Nockenwellenstel- ler mit Hysteresebremse einen Rastenmechanismus zwischen Stelleingang und Eingang.

Die Erfindung ist besonders für einen Nockenwellensteller ge¬ eignet, mit dem eine Phasenlage der Nockenwelle gegenüber ei¬ nem von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine antreibba¬ ren Antrieb, beispielsweise einem Kettenrad, variiert werden kann.

In den Figuren sind gleiche oder im Wesentlichen gleich wir¬ kende Elemente mit den gleichen Bezugszeichen beziffert. Wie in Figur I a, b dargestellt, besteht ein bevorzugter freilaufartiger, als Rastenmechanismus 21 ausgebildeter Me¬ chanismus aus einer Raste 22 in einer Führzug 24, wobei die Raste 22 mit einer Feder 23 auf eine abgewickelt dargestellte Zahnstruktur 25, 26 gedrückt wird. In Figur Ia ist die Raste 22 in einer Notlaufposition in einer Zahnlücke 29 angeordnet, in Figur Ib ist eine Bewegung der Raste 22 in Richtung Not- laufposition veranschaulicht. Die Zahnstruktur 25 bzw. 26 weist in ihrer Freilaufrichtung 27 bzw. 28 ansteigende flache Zahnflanken ihrer Zähne auf, während die abfallenden Flanken deutlich steiler, vorzugsweise senkrecht angeordnet sind. Die Raste 22 kann in Freilaufrichtung 27 über die Zahnstruktur 25 bzw. in Freilaufrichtung 28 über die Zahnstruktur 26 gleiten. In Figur Ib ist erkennbar, wie die Raste 22 von einer Zahnlü¬ cke in Freilaufrichtung 27 über einen Zahn gleitet und in die nächste Zahnlücke fällt. Gerät die Raste 22 in die Zahnlücke 29, hat sie die Notlaufposition erreicht. An die Zahnlücke 29 grenzen zu beiden Seiten die Zahnstrukturen 25, 26 an, die die sich entgegengesetzten Freilaufrichtungen 27, 28 aufwei¬ sen. Die Zahnlücke 29 ist beiderseits von steilen Zahnflanken so begrenzt, dass die Raste 22 gegen den Federdruck der Feder 24 nicht aus der Zahnlücke 29 gleiten kann. Zur Unterbrechung einer Wirkverbindung zwischen der Raste 22 und den Zahnstruk¬ turen 25, 26 im Normalbetrieb bzw. zur Einleitung eines Ver¬ stellvorgangs muss die Raste 22 von der Zahnstruktur 25, 26 abgehoben werden.

Die Bewegung der Raste 22 in Freilaufrichtung 27 oder 28 wird durch ein Wechselmoment ermöglicht, das zwischen einer Lage¬ rung der Raste 22 und einem die Zahnstruktur 25, 26 tragenden Gegenstück wirkt . Der Verlauf des Wechselmoments einer No¬ ckenwelle über einem Kurbelwinkel ist in Figur 2 skizziert. Der erkennbar ungleichförmige Momentenverlauf ist an einer Verstelleinrichtung der Nockenwelle spürbar. Die Spitzen in positiver Richtung entsprechen bremsenden Anteilen B, die beim Öffnen von Ventilen durch deren Betätigungsnocken der Nockenwelle entstehen. Beim Schließen leiten die Ventile auf der rückseitigen Flanke der Nocken eine Kraft ein, welche die negativen Spitzen, entsprechend mitdrehenden Anteilen A, ver¬ ursachen. Das mittlere Nockenwellenmoment M ist als gestri¬ chelte konstante Linie in das Schaubild eingefügt. Die mit¬ drehenden Anteile A des Wechselmoments können vorteilhaft im Fehlerfall zum Antreiben des Rastenmechanismus 21 genutzt werden.

Figur 3 zeigt in einer Explosionsdarstellung einen bevorzug¬ ten hydraulischen Nockenwellensteller mit einem Hydromotor nach dem Flügelzellenprinzip als Verstelleinrichtung 12 zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbun¬ denen Elementen 10, 20, die über die Verstelleinrichtung 12 verbunden sind, mit einem Rastenmechanismus 21 mit einer Ras¬ te 22. Die Verstelleinrichtung 12 umfasst ein Flügelrad 15 sowie ein Außenteil 16 dem Flügelzellenelement 17, das an ei¬ nem inneren Umfang des als Kettenrad ausgebildeten zweiten Elements 20 angeordnet ist. Das zweite Element 20 kann auch als Riemenscheibe ausgebildet sein. Das Flügelrad 15 ist mit einer Zahnstruktur 25, 26 versehen, wie sie in der Figur 1 beschrieben ist, und ist drehfest mit dem als Nockenwelle ausgebildeten ersten Element 10 verbunden. Die federbelastete Raste 22 des bevorzugten Rastenmechanismus 21 ist radial be¬ wegbar und greift im Fehlerfall in die Zahnstruktur 25, 26 ein. Die durch ihre Feder 23 radial nach innen fahrende Raste 22 ist drehfest mit dem Außenteil 16 des als Kettenrad ausge¬ bildeten zweiten Elements 20 verbunden. Die als Hydromotor ausgebildete Verstelleinrichtung 12 ist mit einer ersten Deckscheibe 13 und einer nockenwellenseitigen Deckscheibe 14 abgedeckt . Im Normalbetrieb wird die Raste 22 durch den in den Flügel- zellen 17 herrschenden Öldruck in Richtung der Feder 23 ge- presst, so dass die Raste 22 von der Zahnstruktur 25, 26 ab¬ gehoben ist und es zu keiner Berührung kommt. Fällt die als Hydromotor ausgebildete Verstelleinrichtung 12 aus, bricht auch der Öldruck in den Flügelzellen 17 zusammen. Die Raste 22 fährt unter Wirkung der Feder 23 aus, und durch das Wech¬ selmoment wird die Notlaufposition angefahren. Da Restöl in den Flügelzellen 17 diesen Vorgang behindern kann, ist es vorteilhaft, wenn diese im Notlauffall entleert werden. Dies kann z.B. durch ein modifiziertes Mehrwege-Hydraulikventil erzielt werden, das neben üblichen Stellungen „Füllen Rich¬ tung 1 / Entleeren Richtung 2" und „Füllen Richtung 2 / Ent¬ leeren Richtung 1" und „Halten" zusätzlich eine stromlose Stellung „Entleeren beider Kammern" aufweist.

Eine alternative Ausgestaltung mit einer axial beweglichen Raste 22 zeigt Figur 4. Der Aufbau entspricht weitgehend dem Aufbau in Figur 3. Zu hier nicht näher erklärten Elementen wird auf die Figurenbeschreibung der Figur 3 verwiesen. Die Raste 22 ist im Flügelrad 15 gelagert und wirkt auf die zwei¬ te Deckscheibe 14, in welche die Zahnstruktur 25, 26 einge¬ bracht ist. Die Deckscheibe 14 ist mit dem als Kettenrad aus¬ gebildeten zweiten Element 20 drehfest verbunden. Im Normal- betrieb wird, wie vorstehend beschrieben, die Raste 22 durch den in den Flügelzellen 17 herrschenden Öldruck von der Zahn¬ struktur 25, 26 abgehoben und greift im Fehlerfall bei feh¬ lendem Öldruck in die Zahnstruktur 25, 26 ein und fährt die Notlaufposition an.

In den Figuren 5 und 6 sind mehrere bevorzugte Ausgestaltun¬ gen dargestellt, die eine elektrische Verstelleinrichtung 12 aufweisen. Die Verstelleinrichtung 12 umfasst einen elektri- sehen Drehaktor 30 und ein Getriebe 31. Der Drehaktor 30 kann als Elektromotor ausgebildet sein oder als passive Bremse in Form einer Hysteresebremse. Die Verstelleinrichtung 12 betä¬ tigt einen Stelleingang 32, der auf das Getriebe 31 wirkt, das insbesondere ein Summiergetriebe ist. Das erste Element 10 liegt am Ausgang des Getriebes 31. Den Eingang des Getrie¬ bes 31 bildet das zweite, als Antrieb ausgebildete Element 20. Der Antrieb kann als Kettenrad oder als Riemenscheibe ausgebildet sein. Sind zwei der drei Eingänge bzw. Ausgänge miteinander drehfest verbunden, so ist das Getriebe 31 blo¬ ckiert, und die Phasenlage bleibt konstant. Nicht dargestellt ist eine Einrichtung zum Einfahren einer Raste 22 eines be¬ vorzugten Rastenmechanismus 21, wie er in Figur 1 beschrieben ist, bei Normalbetrieb. Dies kann z.B. durch einen Elektro¬ magneten, dessen Spule elektrisch in Serie oder parallel zur elektrischen Verstelleinrichtung 12 geschaltet ist, erfolgen.

Die Figuren 5 a, b, c beschreiben verschiedene Anordnungen eines bevorzugten Rastenmechanismus 21. In einer ersten be¬ vorzugten Anordnung ist der Rastenmechanismus 21 zwischen dem Stelleingang 32 des Getriebes 31 und dem Eingang des Getrie¬ bes 31 angeordnet, der durch das zweite Element 20 gebildet wird, wobei die Raste 22 mit ihrer Führung 24 drehfest mit dem Eingang verbunden ist und die Zahnstruktur 25, 26 auf de Stellwelle angeordnet ist (Figur 5a) . Alternativ kann der Rastenmechanismus 21 zwischen dem besagten Eingang des Ge¬ triebes 31 und dem Ausgang des Getriebes 31 angeordnet sein (Figur 5b) . Dabei ist die Zahnstruktur 25, 26 drehfest mit dem als Nockenwelle ausgebildeten ersten Element 10 verbunden und die Raste mit ihrer Führung 24 mit dem mit dem zweiten Element 20 drehfest verbundenen Getriebegehäuse. Alternativ kann der Rastenmechanismus 21 auch innerhalb des Getriebes 31 zwischen Stelleingang 32 und dem Ausgang des Getriebes 31 an- geordnet sein, wobei die Raste mit ihrer Führung 24 drehfest mit dem Ausgang verbunden ist.

Figur 6 zeigt schematisch in einem elektrischen Nockenwel- lensteller mit einem Rastenmechanismus 21 zwischen Stellein¬ gang 32 und Ausgang eines Getriebes 31 wie in Figur 5 be¬ schrieben, wobei der Drehaktor 30 der elektrischen Verstell- einrichtung 12 als Hysteresebremse ausgebildet ist. In einem Stator 34 ist eine Spule 36 angeordnet. Wird diese bestromt, wird ein Hystereseband 33, das in eine Polstruktur 35 ein¬ greift, die beidseits eines Spalts des Stators 34 ausgebildet ist, ständig ummagnetisiert, was das Hystereseband 33 ab¬ bremst. Da das Hystereseband 33 mit seinem Träger drehfest mit dem Stelleingang 32 verbunden ist, wird dieser ebenfalls abgebremst. Der Stelleingang 32 trägt die Zahnstruktur 25, 26, während die Raste mit ihrem Träger 24 drehfest mit dem Getriebegehäuse bzw. dem zweiten Element 20 verbunden ist.

Bei der Bestromung wird die Raste 22 durch den magnetischen Fluss im Stator 34 ausgerückt. Die Raste 22 ist daher zweck¬ mäßigerweise aus einem weichmagnetischen bzw. magnetisierba- ren Material ausgebildet. Ist der Stator 34 bzw. dessen Spule 36 nicht bestromt, drückt die Feder 23 des Rastenmechanismus 21 die Raste 22 auf die Zahnstruktur 25, 26.