Hintergrund der Erfindung Bei modernen Hochleistungsmotoren wird durch Variation der Steuerzeiten der Gaswechselventile eine Verbrauchs-, Emissions-und Leistungsverbesserung über den gesamten Last-und Drehzahlbereich erreicht. Dazu dient ein Nok- kenwellenversteller. Dieser fixiert die Drehwinkellage der Nockenwelle gegen- über der Kurbelwelle während etwa 90% der Betriebsdauer des Motors in be- stimmten Positionen, den sogenannten Regellagen und verändert dieselben während nur etwa 10% der Betriebszeit.

Nockenwellenverstellsysteme mit einem elektrischen Verstellmotor weisen das Potential hoher Verstellgeschwindigkeit und Regelgenauigkeit auf, wodurch diese auf steigendes Interesse stoßen. Erfolgt die Fixierung der jeweiligen Re- gellage über das Haltemoment des Verstellmotors, so bedarf es dazu einer erheblichen elektrischen Energiemenge. Diese belastet das Bordnetz des Fahrzeuges und bedeutet Energieverlust.

Die Regellagen der Nockenwelle können auch durch ein selbsthemmendes oder selbstbremsendes Verstellgetriebe fixiert werden. Auf diese Weise entfällt der hohe Stromverbrauch im geregelten Betrieb durch Entfall des Haltemo- ments des Verstellmotors.

In diesem Fall besteht jedoch im Verstellbetrieb das Problem hoher mechani- scher Verluste, da ein selbsthemmendes Verstellgetriebe bei vergleichbarer Auslegung gegenüber einem solchen ohne Selbsthemmung einen um etwa die Hälfte reduzierten mechanischen Wirkungsgrad aufweist.

Trotz dieser hohen Reibverluste ist es wegen des stark impulshaltigen Drehmoments der Nockenwelle schwierig, das bei Regellage erforderliche Drehmomentengleichgewicht durch Selbsthemmung zu erreichen. Das gilt um so mehr, wenn die Getriebeverzahnung Verd'rehspiel aufweist, das zudem durch Verschleiß des Verstellgetriebes mit dessen Betriebsdauer zunimmt.

Aufgabe der Erfindung ..'J' Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen elektromotorisch verstellbaren Nockenwellenversteller zu schaffen, bei dem die Regelstellung der Nocken- welle mit geringem elektrischen Energieaufwand fixier-und verstellbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Die im Verhältnis von Halte-zu Nockenwellenmoment stehende Über- setzung zwischen der Verstell-und Abtriebs-bzw. Nockenwelle ermöglicht ein Drehmomentengleichgewicht zwischen den drei Wellen des Verstellgetriebes und damit einen Gleichlauf derselben auch bei niedrigem Haltemoment. Dieses ermöglicht trotz fehlender Selbsthemmung des Verstellgetriebes einen niedri- gen Energieaufwand zum Koppeln von Rotor und Stator des Verstellmotors.

Durch die geringe Reibung im Verstellgetriebe ist auch der elektrische Ener- gieverbrauch beim Verstellen desselben gering.

Drehmomentengleichgewicht und Gleichlauf der drei Wellen erhöhen auch die Drehsteifigkeit des Nockenwellenantriebs in Regellage der Nockenwelle und reduzieren so deren Drehwinkelschwingungen.

Der verringerte Stromverbrauch gestattet eine Verkleinerung des Verstellmo- tors und der Stromversorgung und erhöht deren Lebensdauer durch Senken der Wärmebelastung.

Als Dreiwellengetriebe kommen z. B. Planeten-oder Exzentergetriebe in Fra- ge. Anstelle eines elektrischen Verstellmotors sind grundsätzlich auch ein hy- draulischer oder pneumatischer Stellantrieb denkbar.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass der Verstellmo- tor ein Permanentmagnet-Verstellmotor oder ein fremderregter Verstellmotor ist. Permanentmagnet-Verstellmotoren sind Gleichstrommotoren, die. unbe- stromt ein Selbsthaltemoment aufbauen, das von einer Mittenlage aus in beide Drehrichtungen bis zu einem Maximum ansteigt und danach wieder abfällt.

Fremderregte Verstellmotoren sind Gleichstrommotoren, die von Haus aus kein Haltemoment besitzen. Dieses bildet sich erst bei Bestromung derselben. Wäh- rend das Selbsthaltemoment des Permanentmagnet-Verstellmotors ein passi- ves, in beide Drehrichtungen wirkendes ist, handelt es sich bei dem Haltemo- ment des fremderregten Verstellmotors um ein aktives, das nur in eine Dreh- richtung wirkt. Dadurch kommt es bei Nockenwellenmomenten mit Nulidurch- gängen zu verstärkten Drehschwingungsausschlägen der Nockenwelle. Diese sind mit entsprechendem Bauaufwand durch rasches Umpolen des Erreger- stromes im Takt der Nulldurchgänge zu kompensieren.

Der gleiche Effekt wirkt auch beim Verstärken des Selbsthaltemoments des Permanentmagnet-Verstellmotors durch Bestromen desselben. Hierbei erübrigt sich jedoch eine Umpolung des Erregerstromes, da das Selbsthaltemoment stabilisierend wirkt. Durch die Verwendung von Permanentmagneten, deren Material seltene Erden aufweist, wird eine erhöhte Magnetkraft und dadurch ein entsprechend erhöhtes Selbsthaltemoment erzielt. Als Verstellmotor kommt aber auch ein bürstenloser, fromderregtor Roluktanzmeter in Frage.

Ist das Selbsthaltemoment eines Permanentmagnet-Verstellmotors grö#er als das zum Verstellen der Nockenwelle benötigte Moment (z. B. bei niedrigen Nockenwellendrehzahlen), kann die Verstellung erst erfolgen, wenn das elek- trische Moment größer als das Selbsthaltemoment ist. Dies führt dazu, dass nach Überschreiten von dessen Maximum bei dem darauffolgenden Abfall die Verstellgeschwindigkeit sehr groß wird und eine Verstellung mit geringer Ge- schwindigkeit und kleinen Regelsprüngen kaum möglich ist. Diese Schwierig- keiten werden dadurch umgangen, dass der Verstellmotor in Regellage mit kurzen Stromimpulsen beaufschlagt wird, die in ihrer Höhe, Frequenz und Richtung variierbar sind und so ein schrittweises Verstellen in beide Verste- richtungen ermöglichen.

Die Vergrößerung des Haltemoments durch eine Bremsvorrichtung bietet den Vorteil, dass das Bremsmoment, ähnlich den Reibmomenten, ein passives, in beide Drehrichtungen wirksames ist. Außerdem ist der Aufbau der Bremsvor- richtungen vergleichsweise einfach und unaufwendig.

Dadurch, dass die Bremsvorrichtung mit mechanischer, elektromagnetischer, hydraulischer oder pneumatischer Betätigung und Regelung ausführbar ist kann sie den jeweils vorliegenden Randbedingungen angepasst werden.

Eine besonders einfache Ausführung der Bremsvorrichtung besteht darin, dass diese als Federdruckbremse ausgebildet und am oder im Verstellmotor ange-

ordnet ist sowie bei annähernd stromlosen Zustand desselben selbstständig zum Eingriff kommt.

Die Leistung des Verstellmotors ist so ausgelegt, dass dieser bei Frühverstel- lung der Nockenwelle eine Verstellgeschwindigkeit von 30° bis 80° Nockenwin- kel pro Sekunde ermöglicht.

Dadurch das der Verstellmotor als Außen-, Zwischen-oder Innenrotormotor mit einem Walzen-oder Scheibenrotor ausbildbar ist und das der Rotor und der Stator vertauschbar sind, besteht eine große Flexibilität bei der Gestaltung der Vorrichtung.

Kurze Beschreibung der Zeichnung Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und der Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt einen Querschnitt durch die erfindungs- gemäße Vorrichtung mit Bremsvorrichtung jedoch ohne Steuereinheit.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung Die erfindungsgemäße Vorrichtung dient zum lösbaren Verbinden und Ver- stellen der zueinander drehwinkelverstellbaren Kurbelwelle (nicht dargestellt) und Nockenwelle 1 mittels eines als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstell- getriebes 2. Dieses weist eine kurbelwellenverbundene Antriebswelle 3 mit einem von der Kurbelwelle über Kette, Zahnriemen oder Zahnrad angetriebe- nen Nockenwellenantriebsrad 4 und eine nockenwellenverbundene Abtriebs- welle 5 sowie einen mitrotierenden elektrischen Verstellmotor 6,7 auf. Dessen Rotor 8 ist mit einer Verstellwelle 9 des Verstellgetriebes 2 und dessen Stator 10 mit der Antriebswelle 3 und einem Getriebegehäuse 11 fest verbunden.

Die Nockenwelle ist in ca. 90% der Betriebszeit des Verbrennungsmotors in sogenannten Regellagen fixiert und wird nur in ca. 10% der Betriebszeit ver- stellt. Das Fixieren einer Regellage wird durch ein Drehmomentengleichge- wicht der drei Wellen 3,5, 9 bzw. durch deren Gleichlauf erreicht. Dazu dient das Koppeln der Antriebswelle 3 mit der Verstellwelle 9 über ein Haltemoment des Verstellmotors 6,7 und/oder über das Reibmoment einer Bremsvorrichtung 12, die den Rotor 8 und den Stator 10 durch mechanische Relbung lösbar ver- bindet.

Verstellmotoren 6, die einen Permanentmagnet-Rotor (z. B. ein Permanentma- gnetgleichstrommotor) oder einen Permanentmagneten im Stator (magneter- regter Gleichstrommotor) aufweisen, erzeugen ein Selbsthalte-oder Rastmo- ment. Das Selbsthaltemoment ist das maximale Drehmoment mit dem man ei- nen nicht erregten Verstellmotor 6 an dessen Antriebswelle 9 bei festgehalte- nem Stator 10 statisch belasten kann, ohne eine ungleichförmige aber konti- nuierliche Drehung hervorzurufen.

Verstellmotoren, die ohne Permanentmagnete aufgebaut sind (z. B. schleifring- lose Reluktanzmotoren oder fremderregte Verstellmotoren 7), besitzen fast kein Selbsthaltemoment. Sie erzeugen nur bei Erregung ein Haltemoment. Das Haltemoment ist das maximale Drehmoment mit dem man einen erregten Ver- stellmotor 7 statisch belasten kann, ohne eine kontinuierliche Drehung hervor- zurufen.

Bei der Drehung der Nockenwelle 1 wirkt an der Rotorwelle des Verstellmotors 6,7 das über das Verstellgetriebe 2 gewandelte Nockenwellenmoment. Um Nockenwellen-und Kurbelwellenposition zueinander zu fixieren, darf es zwi- schen den drei Getriebewellen 3,5, 9 zu keiner Relativbewegung kommen, dass heißt, die drei Wellen müssen mit der gleichen Drehzahl umlaufen. Dies bedeutet, dass auch keine Relativbewegung zwischen Rotor 8 und Stator 10 des Verstellmotors 6,7 entstehen darf.

Es gibt verschiedene Möglichkeiten die drei Getriebewellen 3,5, 9 zueinander zu fixieren. Ist das Selbsthaltemoment des Verstellmotors 6 mit Permanentma- gneten größer als das gewandelte Nockenwellenmoment, gibt es zwischen dem Stator 10 und dem Rotor 8 des Verstellmotors 6 nur eine Relativbewegung bis zur Erreichung der Momentengleichgewichtslage mit geringer Amplitude.

Da der Stator 0 des Verstellmotors 6 fest mit dem Nockenwellenantriebsrad 4 verbunden ist, hat der Rotor 8 des Verstellmotors 6 und somit die Verstellwelle 9 die gleiche Drehzahl wie das Nockenwellenantriebsrad 4. In diesem Fall ro- tiert auch die Nockenwelle 1 mit der Drehzahl des Nockenwellenantriebsrades 4, das heißt, es findet bei unbestromten Verstellmotor 6 keine Verstellung zwi- schen Nockenwelle 1 und Kurbelwelle statt.

Verstellmotoren 7 die keine Permanentmagnete aufweisen, müssen zum Er- zeugen eines Haltemoments erregt, das heißt, stromdurchflossen sein. Ist das so erzeugte Haltemoment gleich dem gewandelten Nockenwellenmoment, gibt es auch in diesem Fall zwischen Rotor 8 und Stator 10 des Verstellmotors 7 keine Relativbewegung. Damit rotieren Nockenwellenantriebsrad 4, Verste- welle 9 und Nockenwelle 1 mit gleicher Drehzahl, was bedeutet, dass die Nok- kenwelle 1 und die Kurbelwelle nicht gegeneinander verdreht werden.

Ein elektromagnetisch erzeugtes Haltemoment kann nur ein gewandeltes Nok- kenwellenmoment, das keinen Nulldurchgang (Richtungswechsel) hat, bzw. gewandeltes Reibmoment ohne größer Schwingwinkelamplituden kompensie- ren. Bei Momenten mit Nulidurchgängen müsste der Erregerstrom nach Größe und Richtung entsprechend schnell variiert werden, um einen ähnlichen Effekt wie mit Selbsthaltemoment zu erzielen.

Grundsätzlich kann die Position des Rotors 8 auch bei einem Nockenwellen- moment mit Nulldurchgang mit Strom, der in einer Richtung fließt, im Mittel gehalten werden, allerdings kommt es dann zu größeren Schwingwinkelampli-

tuden zwischen Rotor 8 und Stator 10. Über Dauermagnete erzeugte Selbst- haltemomente können dagegen Nockenwellenmomente mit und ohne Null- durchgang ohne große Schwingwinkelamplituden kompensieren.

Übersteigt bei einem Verstellmotor 6 mit Permanentmagnet das gewandelte Nockenwellenmoment das Selbsthaltemoment desselben, wird der Rotor 8 re- lativ zum Stator 10 verdreht und es findet eine Drehwinkeiverstellung zwischen Nockenwelle 1 und Kurbelwelle statt.

Um in diesem Fall die Nockenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixie- ren, muss, wie oben erläutert, ein zusätzliches Moment entweder elektroma- gnetisch durch Bestromen des Verstellmotors 6 oder/und extern, beispielswei- se durch eine mechanische Bremsvorrichtung 12, aufgebracht werden.

Bei einem fremderregten Verstellmotor 7 muss zur Erhöhung des Haltemo- ments der Motor entsprechend stärker bestromt werden, was zu erhöhter ther- mischer Belastung führt, oder es muss ein externes Moment, beispielsweise ein Bremsmoment, aufgebracht werden.

Ebenso kann bei Nockenwellenverstellern, bei denen die Nockenwelle 1 und die. Kurbelwelle überwiegend durch ein externes Moment, z. B. durch die Bremsvorrichtung 12, zueinander fixiert werden ein zusätzliches Haltemoment durch Bestromen des Verstellmotors 6,7 aufgebracht werden, um die Spitzen des Nockenwellenmoments aufzunehmen.

Zum Verstellen der Nockenwelle 1 relativ zur Kurbelwelle wird der Verstellmo- tor 6,7 bestromt, bis das Motormoment das gewandelte Nockenwellenmoment übersteigt und die Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle mit der gewünschten Ver- stellgeschwindigkeit (vorzugsweise 30° bis 130° Nockenwinkel pro Sekunde) verstellt wird. Zum Verstellen in Richtung"früh"bzw."spät"benötigt der Ver- stellmotor 6,7 unterschiedliche Drehrichtungen. Weiterhin wird zum Verstellen

in Nockenwellendrehrichtung mehr Leistung benötigt als entgegen der Nok- kenwellendrehrichtung, da in Nockenwellendrehrichtung zusätzlich des Nok- kenwellenreibmoment überwunden werden muss.

Erfindungsgemäß wird in einer ersten Variante der Verstellmotor 6 so dimen- sioniert, dass das Selbsthaltemoment der Permanentmagneten bei Leerlauf <BR> <BR> <BR> <BR> und niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmeters ausreicht, die Neckenwette 1 und die Kurbelwelle zueinander fixieren. Dann muss nur bei höherer Bela- stung der Verstellmotor 6 gering bestromt oder/und ein externes Moment (z. B. das der Bremsvorrichtung 12) zum Fixieren der Kurbelwelle zur Nockenwelle 1 aufgebracht werden.

Grundsätzlich ist es auch möglich, den Verstellmotor 6 so zu dimensionieren, dass das Selbsthaltemoment immer größer als das gewandelte Nockenwellen- moment ist.

Ist das Selbsthaltemoment eines Verstellmotors 6 mit Permanentmagneten größer als das zum Verstellen benötigte Moment (z. B. bei geringen Nocken- wellendrehzahlen), kann die Verstellung erst erfolgen, wenn das elektroma- gnetische Moment größer als das Selbsthaltemoment des Verstellmotors 6 ist.

Dies führt dazu, dass die Verstellgeschwindigkeiten sehr hoch sind, das heißt, es kann nicht mit kleinen Verstellgeschwindigkeiten verstellt werden und es ist schwierig kleine Regelsprünge zu machen. Um dies zu umgehen, werden dem Verstellmotor 6 in Regellage kurze Stromstöße zugeführt, die bezüglich Fre- quenz, Betrag und Richtung variiert werden können. Dadurch können auch kleine Regelsprünge realisiert werden.

Das Verstellgetriebe 2 weist keine Selbsthemmung, dafür aber einen hohen mechanischen Wirkungsgrad auf und erreicht so günstige energetische Ver- hältnisse im Verstellbetrieb.

In einer zweiten Variante wird der fremderregte Verstellmotor 7 so dimensio- niert, dass dessen Haltemoment bei geringer Bestromung im Leerlauf und bei niedriger Drehzahl des Verbrennungsmotors ausreicht, um die Nockenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixieren. Dabei treten höhere Schwingwin- kelamplituden bei Nockenwellenmomenten mit Nulldurchgang auf. Der Ver- stellmotor 7 muss nur bei höheren Lasten zusätzlich bestromt oder/und ein externes Moment (z. B. von der Bremsvorrichtung 12 zum ixiF-eren - belwelle zur Nockenwelle 1 aufgebracht werden.

Auch bei dieser Variante kann der Verstellmotor 7 so dimensioniert werden, dass das Haltemoment bei geringer Bestromung immer größer als das gewan- delte Nockenwellenmoment ist. Auch hier wird das Verstellgetriebe 2 ohne Selbsthemmung und mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt, um günstige ener- getische Verhältnisse im Verstellbetrieb zu erhalten.

In einer dritten Variante wird ein äußeres Haltemoment, z. B. durch die zu- schalt-und regelbare mechanische Bremsvorrichtung 12 erzeugt. Dieses reicht bei Leerlauf und niedrigen Drehzahlen des Verbrennungsmotors aus, die Nok- kenwelle 1 und die Kurbelwelle zueinander zu fixieren, so dass nur bei höheren Lasten zusätzlich der Verstellmotor 6,7 zum Fixieren der Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle bestromt werden muss. Auch hierbei gilt, dass es möglich ist, ein äußeres Moment aufzubringen, das immer größer als das gewandelte Nocken- wellenmoment ist. Auch in diesem Falle wird ein Verstellgetriebe 2 ohne Selbsthemmung und mit hohem Wirkungsgrad eingesetzt, um günstige ener- getische Verhältnisse im Verstellbetrieb zu erhalten.

Alternativ kann das äußere Moment auch durch eine als Federdruckbremse ausgebildete Bremsvorrichtung 12 aufgebracht werden, die im oder am Ver- stellmotor 6,7 integriert ist und bei annähernd stromlosen Zustand selbststän- dig zum Eingriff kommt.

Für die unterschiedlichen Momente sind bezogen auf die Abtriebswelle des Verstellmotors 6,7 bzw. auf die Verstellwelle 9 vorzugsweise folgende Werte- bereiche zu wählen : Selbsthaltemoment mit Permanentmagneten : 0,05 bis 1,4 Nm, vorzugsweise 0,1 bis 0,7 Nm, 'elektromagnetisch erzeugtes Moment : 0,1 bis 10 Nm, vorzugsweise 0,3 bis 0,5 Nm, äußeres Moment der Bremsvorrichtung 12 : 0, 05 bis 10 Nm, vorzugsweise 0,1 bis 5 Nm.

Zusammengefasst bietet die erfindungsgemäße Vorrichtung folgende Vorteile : 1. Verbesserung des Wirkungsgrades aufgrund geringeren Strombedarfs beim Halten der Nockenwellenverstellvorrichtung in Regellage und günstigere energetische Verhältnisse im Verstellbetrieb durch Einsatz eines Verstellge- triebes 2 ohne Selbsthemmung ; 2. keine bzw. geringe zusätzliche thermische Belastung des Verstellmotors 6,7 beim Fixieren von Nockenwelle 1 zur Kurbelwelle. Dadurch kann der Ver- stellmotor 6,7 kleiner dimensioniert werden, wodurch Kosten sinken. Bei gleicher Baugröße steigt dessen Lebensdauer ; 3. die Steifigkeit des Nockenwellenantriebs wird durch ein wirksames Halte- moment vergrößert, wodurch die Drehwinkelschwingungen in den Regela- gen reduziert werden.

Bezugszeichenliste 1 Nockenwelle 2 Verstellgetriebe 3 Antriebswelle 4 Nockenwellenantriebsrad Abtriebswelle 6 Verstellmotor mit Permanentmagnet 7 Verstellmotor mit Fremderregung 8 Rotor 9 Verstellwelle 10 Stator 11 Getriebegehäuse 12 Bremsvorrichtung