DE10036275A1 - Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei drehzahlgleich rotierenden, antriebsverbundenen Elementen - Google Patents

Abstract

Durch die Erfindung wird eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei drehzahlgleich rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, insbesondere zwischen einem Kettenrad und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, geschaffen, bei der als Stellantrieb ein elektrisch kommutierter Elektromotor mit gehäusefest angeordnetem Stator als Spulenteil vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Winkel­ verstellung zwischen zwei drehzahlgleich rotierenden, antriebs­ verbundenen Elementen gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Vorrichtungen der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus der DE 196 54 926 A1 bekannt und werden dort zur relativen Winkelverstellung der Nockenwelle gegenüber der diese antrei­ benden Kurbelwelle im Übergang zwischen dem nockenwellenseiti­ gen und drehzahlgleich zur Nockenwelle umlaufenden Kettenrad und der Nockenwelle als in ihrer relativen Winkelstellung zu­ einander verstellbaren Elementen vorgesehen. Die Winkelverstel­ lung erfolgt unter Vermittlung eines axial verschiebbaren Über­ tragungsgliedes, das radial innen und radial außen eine Schräg­ verzahnung trägt, wobei die radial innere und die radial äußere Schrägverzahnung entgegengesetzt angestellt sind, so dass die über das Übertragungsglied verbundenen Elemente bei axialer Verschiebung des Übertragungsgliedes in ihrer relativen Winkel­ lage zueinander verstellt werden. Die Verschiebung des Übertra­ gungsgliedes erfolgt über einen hydraulisch beaufschlagbaren Stellkolben, in dessen Versorgungsweg ein über ein Magnetventil beaufschlagter Steuerschieber liegt.

Derartige Vorrichtungen haben sich in der Praxis bewährt und machen es möglich, durch Anschluss an den Ölkreislauf der Brennkraftmaschine die notwendigen Stellkräfte aufzubringen. Sie sind andererseits aber in ihrem mechanischen Aufbau relativ kompliziert und bedingen zusätzlich zum Anschluss an den Öl­ kreislauf der Brennkraftmaschine für den Steilmagneten auch ei­ ne elektrische Ansteuerung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine in ihrem Aufbau vereinfachte und in ihrem Raumbedarf reduzierte Vorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen.

Erfindungsgemäß wird dies durch die Merkmale des Anspruches 1 erreicht. Hierbei wird von einem elektronisch kommutierten E­ lektromotor als Stellantrieb Gebrauch gemacht, dessen den Spu­ lenteil bildender Stator zur Abstützung lagefest ist, so dass einfache Leitungszuführungen gegeben sind, und dessen Rotor als mit Dauermagneten besetzter Teil einem der rotierenden Elemente zugeordnet und bevorzugt über dieses getragen ist. Diese Aus­ gestaltung vermeidet bezüglich der Steuerung und der elektri­ schen Energieversorgung Schnittstellen zwischen bewegten und unbewegten Teilen und sie ermöglicht bezüglich des Rotors einen einfachen, drehzahlunempfindlichen Aufbau, der in Verbindung mit einer entsprechenden Getriebeverbindung zum Übertragungs­ glied auch die Realisierung großer Übersetzungsverhältnisse er­ möglicht, so dass vergleichsweise geringe Antriebsleistungen erforderlich sind.

Findet die erfindungsgemäße Vorrichtung auf einen Nockenwellen­ versteller für Brennkraftmaschinen Anwendung, bei dem das Über­ tragungsglied zwischen von der Kurbelwelle angetriebenen und zur Nockenwelle konzentrischen Kettenrad und Nockenwelle liegt, so erweist es sich als zweckmäßig, den Rotor gegen die Nocken­ welle abzustützen, wobei diese Abstützung zweckmäßigerweise ei­ ne Getriebeverbindung zum Übertragungsglied umfasst, so dass sich ein einfacher Aufbau ergibt, wobei der Rotor als Hohlrad zweckmäßigerweise auf zur Nockenwelle konzentrischen Planeten­ rädern abgestützt ist, die in einem auf der Nockenwelle abge­ stützten Traggehäuse gelagert sind und sich in koaxialen Spindeln fortsetzen, die in das Übertragungsglied eingreifen und ü­ ber die das Übertragungsglied axial verstellbar ist.

Als zweckmäßig erweist es sich, das Übertragungsglied als Gleitstein auszubilden, der radial außen und radial innen je­ weils eine Schrägverzahnung aufweist, wobei die beiden Schräg­ verzahnungen entgegengesetzt angestellt sind und mit entspre­ chenden Schrägverzahnungen des Kettenrades bzw. der Nockenwelle kämmen, so dass in Verbindung mit einer Axialverstellung des als Gleitstein ausgebildeten Übertragungsgliedes eine Verdre­ hung des Kettenrades und der Nockenwelle in einander entgegen­ gesetzten Drehrichtungen einhergeht, die zur beabsichtigten Winkelverstellung führt.

Bei einer derartigen Lösung ist eine axiale Verstellung des Gleitsteins bevorzugt nur durch Drehantrieb über die Spindel, nicht aber durch axiale, über die Schrägverzahnungen eingelei­ tete Kräfte möglich, so dass eine selbsthemmende Verbindung ge­ geben ist, durch die Kettenrad und Nockenwelle bei konzentri­ scher Lage zueinander drehfest verbunden sind, solange nicht ü­ ber den Antrieb der Spindel eine angestrebte Winkelverstellung vorgenommen wird. Entsprechend ist das Traggehäuse für die Ab­ stützung der Spindeln bzw. der Planetenräder gegenüber der No­ ckenwelle über die in die Gleitsteine eingreifenden Spindeln relativ zur Nockenwelle in Umfangsrichtung festgelegt, solange der Rotor nicht mit zur Nockenwelle abweichender Drehfrequenz angetrieben ist.

Ein derartiger Spindelantrieb für die Übertragungsglieder er­ möglicht sehr hohe Übersetzungsverhältnisse, einmal durch die Wahl des Spindelgewindes und zum anderen aufgrund des relativ großen Durchmessers des Rotors, der über das Hohlrad mit den im Traggehäuse gelagerten, planetenartig zur Nockenwelle angeord­ neten Zahnrädern kämmt.

Soll über den Stellantrieb eine relative Winkelverstellung zwi­ schen den beiden Elemente, nämlich dem Kettenrad und der No­ ckenwelle vorgenommen werden, so wird das Drehfeld des Stators mit einer anderen als der Drehfrequenz der Nockenwelle ange­ regt. Die Differenz zwischen der Drehfrequenz der Nockenwelle und der Anregungsfrequenz des Stators entspricht der resultie­ renden Drehfrequenz des Rotors. Bei der Drehfrequenz der No­ ckenwelle entsprechender Anregungsfrequenz des Stators dreht somit der Rotor synchron mit der Nockenwelle, so dass, entspre­ chend der Anregungsfrequenz des Stators vorausgesetzt, das Ü­ bertragungsglied auch über die Spindeln in einer einer gegebe­ nen, einer relativen Winkelstellung zwischen Kettenrad und No­ ckenwelle zugeordneten Axiallage gehalten wird.

Anstelle eines Getriebesystems der vorgenannten Art kann zwi­ schen Kettenrad und Nockenwelle auch ein Schneckentrieb vorge­ sehen werden, der bei entsprechender Aktivierung des Stellan­ triebes Kettenrad und Nockenwelle in ihrer Winkellage zueinan­ der verstellt.

Weitere Einzelheiten und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen. Ferner wird die Erfindung nachstehend an­ hand einer schematisierten, teilweisen Schnittdarstellung er­ läutert, die einen Ausschnitt aus einem Nockenwellenantrieb ei­ ner Brennkraftmaschine mit zugeordneter Verstellvorrichtung zeigt.

In der teilweise im Schnitt gezeigten Schemadarstellung des No­ ckenwellenantriebes einer Brennkraftmaschine ist mit 1 die No­ ckenwelle bezeichnet, der im Antrieb zu der nicht dargestellten Kurbelwelle der Brennkraftmaschine ein Kettenrad 2 zugeordnet ist, das die Nockenwelle 1 unter Vermittlung eines Übertra­ gungsgliedes 3 antreibt, so dass Kettenrad 2 und Nockenwelle 1 die gleiche Drehzahl aufweisen. Das in nicht gezeigter Weise an seinem Umfang die Kette tragende, mit einer entsprechenden Kettenverzahnung versehene Kettenrad 2 ist konzentrisch zur No­ ckenwelle 1 angeordnet und umschließt diese, wobei das zwischen Kettenrad 2 und Nockenwelle 1 liegende Übertragungsglied 3 als axial verschiebbarer Gleitkörper ausgebildet ist, der auch als die Nockenwelle 2 umschließender Ringkörper ausgestaltet sein kann und der über gegeneinander winklig angestellte, radial in­ nen und radial außen vorgesehene Schrägverzahnungen 4 bzw. 5 mit entsprechenden Gegenverzahnungen 6 bzw. 7 der Nockenwelle 1 bzw. des Kettenrades 2 in Eingriff steht, so dass bei axialer Verschiebung des Übertragungsgliedes 3 Kettenrad 2 und Nocken­ welle 1 in ihrer relativen Winkelstellung zueinander verändert werden.

Die axiale Verschiebung zur Änderung der Phasenlage zwischen Kettenrad 2 und Nockenwelle 1 erfolgt über einen Stellantrieb 8, der über eine Getriebeverbindung 9 mit dem Übertragungsglied 3 verbunden ist. Die Getriebeverbindung 9 umfasst einen Spin­ deltrieb 10 mit einer zur Nockenwelle 1 parallel verlaufenden Spindel 11, die in eine Gewindebuchse 12 des Übertragungsglie­ des 3 eingreift und die axial gegenüberliegend ein Zahnrad 13 trägt, das zusammen mit dem entsprechenden Endbereich der Spin­ del 11 in einem Traggehäuse 14 gelagert ist, welches auf der Nockenwelle 1 drehbar abgestützt ist. Das Traggehäuse 14 bildet eine zweiseitige Lagerung für das Zahnrad 13, wobei, was die Zeichnung nicht zeigt, über den Umfang der Nockenwelle 1 bevor­ zugt zumindest drei gleich ausgebildete Spindeltriebe 10 vorge­ sehen sind und das Traggehäuse 14 als die Nockenwelle 1 um­ schließendes Ringgehäuse ausgebildet ist. Die Zahnräder 13 bil­ den die radiale Abstützung für ein Hohlrad 15, das den als Tragplaneten wirkenden Zahnrädern 13 entsprechend verzahnt ist und das dem Rotor 16 des Stellantriebes 8 zugeordnet ist, der als elektromotorischer Stellantrieb durch einen elektronisch kommutierten Elektromotor gebildet ist. Dessen Stator ist mit 17 bezeichnet und ortsfest angebracht, insbesondere an einem Gehäuse oder Verkleidungsteil 18 der Brennkraftmaschine, wobei dem Stator 17 der Spulenteil des Elektromotores zugeordnet ist, so dass die hier nicht gezeigten elektrischen Anschlüsse einem nicht bewegten Teil des elektromotorischen Antriebes, nämlich dem gehäusefest abgestützten Stator 17 zugeführt werden, womit die sonst bei Zuordnung des Spulenteiles zum Rotor erforderli­ chen Drehübertragungen, beispielsweise über Schleifringe oder dergleichen entfallen.

Der dem Stator 17 zugeordnete Spulenteil wird in bekannter, hier nicht dargestellter Weise derart angesteuert, dass sich ein Drehfeld ergibt, in dem der mit Dauermagneten besetzte, durch den Rotor 16 gebildete Teil des Motores umläuft, wobei sich eine Relativverdrehung des Rotors 16 gegenüber der das Traggehäuse 14 tragenden Nockenwelle 1 dann ergibt, wenn die Drehfrequenz der Nockenwelle 1 von der Frequenz des Drehfeldes im Stator 17 abweicht. Die Differenz zwischen der Drehfrequenz der Nockenwelle 1 und der Anregungsfrequenz des Stators 17, al­ so der Frequenz des Drehfeldes im Stator 17 entspricht der re­ sultierenden Drehfrequenz des Rotors 16 gegenüber der Nocken­ welle 1, so dass die Drehgeschwindigkeit der Spindel 11, und damit die Verstellgeschwindigkeit bei der relativen Winkelver­ stellung zwischen Kettenrad 2 und Nockenwelle 1, über die Größe der Differenz der Anregungsfrequenz des Stators 17 zur Drehfre­ quenz der Nockenwelle 1 gesteuert werden kann.

Der erfindungsgemäß vorgesehene Antrieb über einen elektronisch kommutierten Motor als Stellantrieb 8 ermöglicht eine ver­ schleißfreie, einfache und raumsparende Vorrichtung zur relati­ ven Winkelverstellung zwischen zwei drehzahlgleich angetriebe­ nen, rotierenden Elementen, hier dem Kettenrad 2 und der No­ ckenwelle 1, und bildet eine besonders günstige Antriebslösung für einen Nockenwellenversteller bei Brennkraftmaschinen, wobei abweichend vom gezeigten Ausführungsbeispiel auch anderweitige Getriebeverbindungen bzw. Stellverbindungen zwischen dem Stel­ lantrieb 8 sowie Nockenwelle 1 und Kettenrad 2 vorgesehen werden können, so beispielsweise Schneckenradsysteme oder derglei­ chen.

In Verbindung mit der erfindungsgemäßen Lösung bietet der vor­ gesehene Spindeltrieb 10 eine besonders einfache und große Ü­ bersetzungsverhältnisse ermöglichende Lösung, so dass kleinbau­ ende und mit hohen Drehzahlen betriebene elektromotorische Stellantriebe eingesetzt werden können.

Die Efindung bietet die generelle Möglichkeit, berührungsfrei in einem gegenüber einem Bezugssystem rotierenden System trans­ latorische oder rotatorische Stellbewegungen durch eine von der Drehfrequenz des rotierenden Systems abweichende Anregungsfre­ quenz für den das Spulensystem enthaltenden, zum Bezugssystem feststehenden Stator zu initiieren. Die jeweilige Stellbewegung ergibt sich dadurch, dass der dem rotierenden System zugehöri­ ge, gegenüber diesem drehbare und mit diesem umlaufende Rotor des Stator und Rotor umfassenden elektromotorischen Stellan­ triebs bei von der Drehfrequenz des rotierenden Systems abwei­ chender Anregungsfrequenz des Stators mit einer der Differenz dieser Frequenzen entsprechenden Drehfrequenz zum rotierenden System umläuft. Diese Rotation des Rotors gegenüber dem rotie­ renden System lässt sich über entsprechende Getriebeverbindun­ gen in Stellbewegungen umsetzen, so zum Beispiel, wie im Aus­ führungsbeispiel erläutert, in rotatorische Stellbewegungen, o­ der auch in translatorische Stellbewegungen, wie sie beispiels­ weise in CVT-Getrieben zur Einstellung des dem jeweiligen Über­ setzungsverhältnis entsprechenden axialen Scheibenabstandes nö­ tig sind. Bezogen auf das geschilderte Ausführungsbeispiel ist eine solche translatorische Verstellung über den Gleitstein bei entsprechender Führung des Gleitsteines möglich, wobei die Füh­ rung beispielsweise als zur Spindel gleichgerichtete Parallel­ führung ausgebildet sein kann, so dass der Gleitstein quasi ei­ nen über die Spindel angetriebenen Stellkolben bildet.

Claims (9)

1. Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen zwei drehzahlgleich rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die in einer Antriebskette liegend in Bezug auf eine Abstützung konzentrisch ortsfest gelagert sind und die über ein Übertra­ gungsglied verbunden sind, das über einen Stellantrieb beauf­ schlagt ist und über das durch Veränderung seiner Relativlage zu den rotierenden Elementen deren relative Winkelstellung ver­ änderbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb (8) einen elektronisch kommutierten E­ lektromotor umfasst, dessen den Spulenteil tragender Stator (17) zur Abstützung (Gehäuseteil 18) lagefest ist und dessen Rotor (16) einem der rotierenden Elemente (Nockenwelle 1; Ket­ tenrad 2) zugeordnet ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung durch einen Gehäuseteil (18) einer Brenn­ kraftmaschine gebildet ist, die eine Nockenwelle (1) als rotie­ rendes Element aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Abstützung durch einen Gehäuseteil (18) einer Brenn­ kraftmaschine gebildet ist, die ein von der Kurbelwelle ange­ triebenes Kettenrad (2) als rotierendes Element aufweist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) konzentrisch zu Nockenwelle (1) und Ket­ tenrad (2) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) auf der Nockenwelle (1) abgestützt ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) auf dem Kettenrad (2) abgestützt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (16) einem Hohlrad (15) zugeordnet ist, das auf zur Nockenwelle (1) in konzentrischer, planetenartiger Anord­ nung liegenden Zahnrädern (13) abgestützt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die planetenartig angeordneten Zahnräder (13) einem Pla­ netenträger zugeordnet sind, der durch ein auf der Nockenwelle (1) gelagertes Traggehäuse (14) gebildet ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass bei zur Nockenwelle (1) drehbarem Traggehäuse (14) ein Planetenrad (Zahnrad 13) und eine Stellspindel (11) eine Ge­ triebeverbindung (9) zu einem über gegenläufige Schrägverzah­ nungen gegen Nockenwelle (1) und Kettenrad (2) abgestütztes Ü­ bertragungsglied (3) bilden.