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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung gemäss dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Um In verschiedenen Bereichen des Motorkennfeldes optimale Verbrauchs- und Abgaswerte zu erzielen, ist es erforderlich, die Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit verschiedener Betriebspara- meter zu verändern. Eine solche Veränderung der Steuerzeiten kann in eleganter Weise durch eine Verdrehung der Nockenwelle in Bezug auf das sie antreibende Rad bewirkt werden. Die
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch ein Kettenrad, das mit der Kurbel- welle über eine Antriebskette verbunden ist, oder ein als Riemenscheibe ausgebildetes Antriebs- rad, das über einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle in Verbindung steht, angetrieben.
Die GB 2 221 513 A zeigt eine Verstellvorrichtung für Nockenwellen, bei der ein Elektromotor eine Gruppe von Hebeln betätigt, die die Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad verdrehen. Zu diesem Zweck wird ein Betätigungselement, an dem die Hebel angelenkt sind, in Axialrichtung verschoben. Eine solche Lösung ist jedoch aufwendig und aufgrund der Vielzahl von Lagern mit einem grossen Spiel behaftet.
Aus der DE 41 10 088 C1 und aus der DE 39 29 619 A1 sind Verstelleinrichtungen bekannt, bei denen zwischen einem mit der Nockenwelle in Verbindung stehenden Bauteil und einem mit dem Antriebsrad in Verbindung stehenden Bauteil ein Verstellelement vorgesehen ist, das zwei
Schrägverzahnungen aufweist, die mit entsprechenden Verzahnungen der Nockenwelle bzw. des
Antriebsrades in Eingriff stehen. Durch eine Axialverschiebung dieses Verstellelements kann eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad bewirkt werden. Eine Möglichkeit der Axiaiverschiebung des Verstellelements ist dabei die Betätigung durch einen Hydraulikkolben, der in Abhängigkeit von der erforderlichen Verstellung betätigt wird.
Nachteilig bei dieser Lösung ist, dass zur Erzielung der erforderlichen Kräfte ein relativ grosser Hydraulikkolben erforderlich ist, was einen grossen baulichen Aufwand darstellt. Ausserdem ist der Ölverbrauch durch die Betätigung des
Kolbens relativ gross, was eine Belastung des Motors durch ein entsprechende Ölpumpe darstellt.
Darüber hinaus kann bei einer solchen bekannten Vorrichtung die Nockenwelle nur zwischen zwei Endstellungen hin- und hergeschaltet werden.
Weiters ist aus der DE 41 01 676 A1 eine elektrische Verstellvorrichtung bekannt, bei der ein Elektromotor vorgesehen ist, der über eine Gewindespindel das Verstellelement verschiebt. Da sich jedoch das Verstellelement im wesentlichen mit Nockenwellendrehzahl dreht, muss zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement ein Axialdrucklager vorgesehen sein, das die Relativbewegung zwischen dem verdrehfesten und dem sich drehenden Bauteil aufnimmt. Dieses Axialdrucklager ist bei der bekannten Lösung praktisch während des gesamten Motorbetriebs belastet, da durch die zwischen Antriebsrad und Nockenwelle wirkenden Torsionsmomente stets eine in Axialrichtung wirkende Kraft auf das Verstellelement ausgeübt wird. Dieses Axialdrucklager ist daher ein kritischer Bauteil, der die Lebensdauer des Motors einschränkt.
Eine ähnliche Lösung ist in der DE 33 20 835 A1 beschrieben, wobei die gleichen Nachteile auftreten.
Die DE 36 07 256 A beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Schrittmotor zur Verstellung der Nockenwelle vorgesehen ist, der einerseits mit der Nockenwelle und andererseits mit dem Antriebsrad verbunden ist. Da dieser Schrittmotor das gesamte Antriebsmoment der Nockenwelle aufnehmen muss, ist eine solche Lösung mit vernünftigem Aufwand nicht realisierbar.
Ferner zeigt die EP 0 596 860 A eine Vorrichtung zur Verstellung der Ventilöffnungszeiten, bei der die Nockenwelle hohl ausgeführt ist, und eine Innenwelle enthält. Die Nocken sind zweiteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Nockenabschnitte um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht werden können. Die Verdrehung der beiden Nockenabschnitte erfolgt durch einen sich mitdrehenden Elektromotor, der über Schleifringe versorgt wird. Eine ähnliche Lösung ist in der US 5, 417, 186 A beschrieben.
Ebenso zeigt ein älterer Vorschlag der Anmelderin, veröffentlicht in der EP-A 0 903 471, eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Planetengetriebe, bei der die Verstellung durch einen Elektromotor erfolgt, der über Schleifkontakte mit Strom versorgt wird.
Bei den meisten der oben beschriebenen Lösungen erfolgt die elektromotorische Verstellung über ein Getriebe mit einem grossen Untersetzungsverhältnis, um das am Elektromotor anliegende Drehmoment in einem akzeptablen Bereich zu halten. Die Kraftübertragung über ein axial verschiebliches Element mit schraubenförmigen Verzahnungen besitzt den Vorteil, dass sehr grosse Untersetzungsverhältnisse relativ einfach darstellbar sind. Nachteilig bei diesen Lösungen ist
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jedoch, dass die Reibung relativ gross ist, und dass entsprechende Kräfte in Axialrichtung auftreten, die durch die Lager aufgenommen werden müssen. Andererseits ist die Kraftübertragung über ein
Planetengetriebe relativ aufwendig, und es ist schwierig, grosse UntersetzungsverhÅaltnisse zu erzielen.
Durch die Verwendung eines sogenannten Harmonic-Drive-Getriebes kann in einfacher Weise ein grosses Untersetzungsverhältnis erreicht werden. Wenn beispielsweise die Zähnezahl des aussenverzahnten Zahnrades um zwei geringer ist, als die Zähnezahl des innenverzahnten Zahn- rades, die beispielsweise 50 beträgt, so wird ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1 : 25 erreicht.
Bei der konkreten Ausführung einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art sind jedoch über die bereits beschriebenen Fragen folgende Problemkreis konstruktiv zu bewältigen : Die Lagerung des Elektromotors soll in möglichst einfacher Weise gestaltet werden, so dass auf das Harmonic-
Drive-Getriebe keine unzulässig grossen Beanspruchungen wirken. Weiters darf die Lagerung des
Elektromotors die erforderliche Abdichtung zwischen den ölführenden Abschnitten (Nockenwelle und Getriebe) und den nicht ölführenden Abschnitten nicht behindern. Weiters ist es erforderlich, die Lagerung des Antriebsrades in möglichst einfacher Weise zu realisieren. Besondere Rücksicht soll dabei auf den beschränkten Bauraum an der Stirnseite des Zylinderkopfs von Brennkraft- maschinen gelegt werden.
Eine weitere konstruktive Vorgabe besteht darin, einen Notlaufbetrieb des Motors bei ausgefal- lener Verstellvorrichtung zu gewährleisten und generell den Verstellbereich auf zulässige Winkel zu beschränken.
Die US 5, 123, 300 A und die DE 197 47 667 A zeigen jeweils ein Getriebe mit einer koaxialen
Eingangs- und Ausgangswelle nach dem Harmonic-Drive-Prinzip und einem im Getriebe angetrie- benen Elektromotor, der in verschiedenen Ausführungsvarianten auch als Scheibenläufer ausge- bildet ist. Beide Dokumente beziehen sich jedoch nicht auf Getriebe, die besonders für die Verstel- lung von Nockenwellen ausgeführt sind. Insbesondere sind die Getriebe in diesen Druckschriften jeweils mit einer Eingangs- und einer Ausgangswelle versehen, über die Momente übertragen werden. Ein Antriebsrad im Sinne der Erfindung, das zur Einleitung des Drehmoments über einen Zahnriemen dient, ist in keiner der Druckschriften offenbart.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs beschriebene Vorrichtung in der Art weiterzubilden, dass die obigen Forderungen mit möglichst geringem Aufwand erreicht werden.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein Gehäuse aufweist, das fest mit dem Antriebsrad verbunden ist, und das zumindest teilweise in diesem angeordnet ist, und dass der Elektromotor als Scheibenläufer ausgebildet ist, dessen Magnetfeld in axialer Richtung ausgerichtet ist und der als Rotor einen eisenfrei aufgebauten Anker aufweist, der in einem Spalt zwischen zwei Gehäusehälften des Elektromotors angeordnet ist.
Die besonderen Vorteile eines solchen Scheibenläufermotors sind folgende : - Aufgrund des scheibenförmigen Ankers wird eine kurze Baulänge erreicht, die besonders bei Nockenwellenverstelleinrichtungen dazu beiträgt, Packageprobleme zu vermeiden.
- Der massearme Anker ermöglicht eine schnelle Beschleunigung, so dass ein besseres An- sprechverhalten erreicht wird.
- Die geringere Ankerinduktivität beansprucht den Kollektor und die Kohlebürsten weniger.
Dadurch wird eine längere Lebensdauer der Kohlebürsten erreicht.
- Der Scheibenläufermotor besitzt normalerweise ein gleichförmiges Drehmoment über den gesamten Drehzahlbereich, so dass die Nennleistung geringer gewählt werden kann als bei vergleichbaren Gleichstrommotoren.
- Lineare Motorparameter ergeben eine optimale und kostengünstige Regelbarkeit.
Durch die erfindungsgemässe Ausbildung wird erreicht, dass die Verstellvorrichtung geringstmögliche axiale Abmessungen aufweist. Da der Rotor des Elektromotors als Scheibenläufer ausgebildet ist, kann durch einen vergleichsweise grossen Durchmesser ein hohes Drehmoment erreicht werden. Eine besonders günstige Konstruktive Lösung ergibt sich, wenn der Scheibenläufer innerhalb des Antriebsrades angeordnet ist. Dabei wird auch der Bauraum innerhalb des Antriebsrades für die Verstellvorrichtung ausgenützt.
Weiters kann vorgesehen sein, dass das Antriebsrad als Zahnriemenrad ausgebildet ist, das auf der Nockenwelle über Wälzlager gelagert ist. Günstig dabei ist, dass der Elektromotor selbst keine Lagerung benötigt, da er mit dem Antriebsrad integriert ausgeführt ist. Durch die Lagerung
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des Antriebsrades auf der Nockenwelle wird die Relativbewegung im Bereich des Harmonic-Drive-
Getriebes minimiert, so dass eine unzulässige Belastung durch Schwingungen od. dgl.
praktisch ausgeschlossen ist
Für Motoren mit zwei Nockenwellen pro Zylinderreihe ist es besonders günstig, wenn das
Zahnriemenrad zwei Laufflachen mit unterschiedlichen Aussendurchmessern aufweist, wovon eine
Lauffläche zur Aufnahme eines Zahnriemens ausgebildet ist, der von einer Kurbelwelle der Brenn- kraftmaschine angetrieben ist und die andere Lauffläche zur Aufnahme eines Zahnriemens ausge- bildet ist, der zum Antrieb einer weiteren Nockenwelle vorgesehen ist. Auf diese Weise braucht nur eine Nockenwelle direkt von der Kurbelwelle angetrieben werden, was die Führung des entspre- chenden Zahnriemens vereinfacht. Weiter ist auf diese Weise ein verringerter Abstand zwischen den beiden Nockenwellen möglich.
Eine besonders platzsparende konstruktive Lösung ist gegeben, wenn Schleifringe zur Versor- gung des Elektromotors auf einer Stirnfläche des Antriebsrades ausgebildet sind.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Elektromotor eine Welle aufweist, die direkt mit dem elliptischen Innenring des Wälzlagers verbunden ist. Dabei ist es günstig, wenn flexible Zahnrad des Harmonic-Drive-Getriebes direkt mit der Nockenwelle verbunden ist. In diesem Fall Ist das innenverzahnte Zahnrad des Harmonic-Drive-Getriebes mit dem Antriebsrad verbunden. Auf diese
Welse ist ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemässen Lösung darstellbar.
Eine konstruktiv besonders günstige Lösung wird dadurch erreicht, dass die Halteelemente als
Bolzen ausgebildet sind, die durch kreisbogenförmige Langlöcher im Antriebsrad hindurchgeführt sind. Eine besonders günstige seitliche Führung des Antriebsrades wird erreicht, wenn das An- triebsrad an einer Seite an einer Schulter der Nockenwelle anliegt, und an der anderen Seite an
Schultern von Hülsen anliegt, die von den Bolzen an die Nockenwelle gepresst werden.
Eine besonders gute Ausnützung des Bauraumes bel möglichst grossem Drehmoment des
Elektromotors wird erzielt, wenn der Durchmesser des Scheibenläufers zwischen 60 und 90% des Aussendurchmessers des Antriebsrades beträgt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsvariante der Erfindung ist vorgesehen, dass zwei- schen Nockenwelle und Antriebsrad ein Drehbegrenzungsmittel vorgesehen ist, das aus einem
Rastelement besteht, das in einer Nut beschränkt beweglich aufgenommen ist. Dadurch wird die Verdrehung der Nockenwelle auf zulässige Werte begrenzt. Weiters wird durch diese Massnahme gewährleistet, dass bei Ausfall der Verstelleinrichtung oder beim Kaltstart eine definierte Stellung der Nockenwelle gewährleistet ist. An sich ist zwar das Harmonic-Drive-Getriebes aufgrund des grossen Untersetzungsverhältnisses selbsthemmend, aber durch die unvermeidlichen Drehschwingungen im System wird bei stromlosem Elektromotor praktisch sofort eine Stellung der Nockenwelle erreicht, die der spätestmöglichen Ventilöffnungszeit entspricht.
Es ist daher möglich, die Motorelektronik so abzustimmen, dass unter diesen Voraussetzungen ein akzeptabler Notlaufbetneb möglich ist.
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung, Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines allgemeinen Harmonic-Drive-Getriebes, Fig. 3A, B, C und D Darstellungen zur Erklärung der Wirkungsweise eines Harmonic-Drive-Getriebes.
In der Fig. 1 ist eine erfindungsgemässe Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle 1 über einen Elektromotor 2 dargestellt. Der Antrieb der Nockenwelle 1 erfolgt über ein Antriebsrad 3, das als Zahnriemenscheibe ausgebildet ist. Ein Ende der Nockenwelle 1 ist mit einem Antnebsteil 4 fest verbunden, der gegenüber dem Gehäuse 5 mit einem Simmerring 6 abgedichtet ist.
Das Antriebsrad 3 ist mit zwei Wälzlagern 7a, 7b, die als Kugellager ausgebildet sind, auf dem Antriebsteil 4 gelagert. Der Elektromotor 2 besteht aus einem Im wesentlichen zylindrischen Gehäuse 2a, das fest mit dem Antriebsrad 3 verbunden ist. Das Gehäuse 2a ist an seinen Stirnseiten durch Gehäusehälften 2b und 2c abgeschlossen. In den Gehäusehälften 2b und 2c sind die Wicklungen des Elektromotors 2 angeordnet. Weiters ist in den Gehäusehälften 2b, 2c über Wälzlager 8,9 eine Welle 14 angeordnet, die über eine Hülse 15 fest mit dem elliptisch ausgebildeten Innenring 16 eines Wälzlagers 17 verbunden ist. Dieser Teil eines Harmonic-Drive-Getriebes wird in der Literatur zumeist als Wave-Generator bezeichnet.
Der Aussenring 18 des Wälzlagers 17 ist mit einem flexiblen, aussen verzahnten Zahnrad 19 verbunden, das in seiner Gesamtheit topfförmig
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ausgebildet ist, und über eine Verschraubung 20 mit dem Halteteil 4 und somit mit der Nocken- welle 1 verbunden ist. Die äussere Verzahnung des Zahnrades 19 steht mit einem starren, innen verzahnten Zahnrad 22 an zwei Stellen in Eingriff, nämlich den Scheitelpunkten, der durch den
Wave-Generator gebildeten Ellipse. Das aussen verzahnte Zahnrad 22 ist über Schrauben 23 fest mit dem Antriebsrad 3 verbunden.
An einer Stirnseite des Antriebsrades 3 ist eine scheibenförmige Halterung 13 über Schrauben
13a fest verbunden. An der Halterung 13 sind Schleifringe 10 angebracht, die mit feststehenden
Schleifkontakten 12 in Verbindung stehen, die als Kohlebürsten ausgebildet sind.
Das Antriebsrad 3 besitzt zwei Laufflächen 3a und 3b mit unterschiedlichem Durchmesser. Die
Lauffläche 3a mit grösserem Durchmesser ist zur Aufnahme eines nicht dargestellten Zahnriemens ausgebildet, um das Antriebsrad 3a über die ebenfalls nicht dargestellte Kurbelwelle der Brenn- kraftmaschine anzutreiben. Die Lauffläche 3b besitzt einen geringeren Durchmesser und ist dazu vorgesehen, einen ebenfalls nicht dargestellten Zahnriemen aufzunehmen, der eine weitere
Nockenwelle antreibt. Die Schleifkontakte 12 sitzen in dem Freiraum innerhalb dieses nicht darge- stellten Zahnriemens.
Zwischen den Gehäusehälften 2b und 2c des Elektromotors 2 ist ein Scheibenläufer 25 ange- ordnet. Der Aussendurchmesser d des Scheibenläufers 25 entspricht etwa 80% des Aussendurch- messers D des Antriebsrades 3. Er ist dabei vollständig innerhalb des Antriebsrades 3 angeordnet, und insgesamt ist mehr als die Hälfte des Elektromotors 2 räumlich innerhalb des Antriebsrades 3 angeordnet.
In der Folge wird der Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung näher erklärt werden. Bei nicht angetriebenem Elektromotor 2 findet keine Verstellung der Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 3 statt. Wenn jedoch die Welle 14 des Elektromotors 2 um eine Umdrehung gedreht wird, so kommen durch die Drehung des Wave-Generators nacheinander all Zähne des flexiblen Zahnrades 18 mit dem innen verzahnten Zahnrad 22 in Eingriff. Wenn das aussenverzahnte Zahn- rad 18 beispielsweise achtundvierzig Zähne aufweist, während das innenverzahnte Zahnrad 22 fünfzig Zähne aufweist, so findet eine Relativbewegung dieser beiden Zahnräder im Ausmass von zwei Zähnen, d. h. einer fünfundzwanzigstel Umdrehung statt. Dies entspricht auch dem Verdrehwinkel, um den sich die Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 3 verdreht.
Durch das grosse
Untersetzungsverhältnis ist das Moment, das vom Elektromotor 2 aufzubringen ist, relativ gering.
Die Lagerung des Antriebsrades 3 ist beim erfindungsgemässen Aufbau sehr einfach und da die Verbindung direkt über die Wälzlager 7a, 7b erfolgt, ist das auftretende Spiel im Harmonic-DriveGetriebe gering. Die Schrauben 23 sind in entsprechenden kreisringsektorförmigen Ausnehmungen 26 des Halteteils 4 als Drehbegrenzungsmittel angeordnet. Auf diese Weise ist gleichzeitig der zulässige Verstellwinkel der Nockenwelle begrenzt, um eine unzulässige Verstellbewegung zu verhindern.
In der Fig. 2 ist in einer axonometrischen Explosionsdarstellung das Harmonic-Drive-Getriebe detailliert dargestellt. Der Innenring 11 des Wälzlagers 10 ist elliptisch mit geringfügiger Exzentrizität. Der Aussenring 9 stützt sich direkt an der Innenseite eines flexiblen Zahnrades 6 ab. Dieses Zahnrad 6 steht an zwei gegenüberliegenden Punkten mit einem starren, innenverzahnten Zahnrad 8 in Eingriff, das kreisförmig ausgebildet ist.
In den Fig. 3A, B, C und D ist die Funktionsweise dieses Harmonic-Drive-Getriebes dargestellt.
Der Innenring 11 ist in der Stellung der Fig. 3B gegenüber der Stellung in der Fig. 3A um 900 in Richtung des Uhrzeigersinns verdreht. Die Fig. 3C zeigt eine weitere Drehung um 900 und die Fig. 3D eine Drehung um insgesamt 3600. Zur Erleichterung der Übersicht ist in den Fig. 3A, B, C und D eine pfeilförmige Markierung 11a angebracht. Die Zähnezahl des flexiblen Zahnrades 6 ist um zwei geringer, als die Zähnezahl des innenverzahnten Zahnrades 8. Daher ergibt sich ein geringfügiger Unterschied der Winkelgeschwindigkeit des Zahnrades 6 gegenüber dem Zahnrad 8. Aus den Fig. ist ersichtlich, dass sich die Markierung 6a, die gedanklich mit dem Zahnrad 6 verbunden ist, im Zuge der Drehbewegung des Innenrings 11 langsam in Gegenuhrzeigerrichtung bewegt. Insgesamt entspricht der Verdrehwinkel dem Zentriwinkel von zwei Zähnen des Zahnrads 6.