DE10054798A1

DE10054798A1 - Elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb

Info

Publication number: DE10054798A1
Application number: DE10054798A
Authority: DE
Inventors: Jens Schaefer; Hans Fleischer
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2002-05-08
Anticipated expiration: 2020-11-05
Also published as: US6637389B2; DE10054798B4; US20020053327A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb (2), mit einem Exzentergetriebe, das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes Stirnrad aufweist, das durch eine elektrisch drehbare Exzenterwelle antreibbar ist. DOLLAR A Der erhebliche Bauaufwand und Platzbedarf sowie das Geräuschniveau bisheriger Lösungen wird dadurch vermindert, dass als Hohlrad ein erstes und zweites Hohlrad (6, 9) sowie als Stirnrad ein erstes und zweites Stirnrad (16, 17) vorgesehen und mit gleicher Zähnezahl sowie gegensinnig verdrehbar ausgebildet sind, und dass die Hohlräder (6, 9) mit dem Antrieb (2) und die Stirnräder (16, 17) mit der Nockenwelle verbunden und durch eine Doppelexzenterwelle (20) mit um 180 DEG versetzt angeordneten, jedoch gleichen Exzentern (18, 19) antreibbar sind.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkel verstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

In der gattungsgemäßen DE 41 10 195 C2 wird eine elektrisch verstellbare Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors beschrieben, mit einem Exzenterge triebe, das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes Stirn rad aufweist, das durch eine mittels Elektromotor drehbare Exzenterwelle an treibbar ist.

Diese Vorrichtung ist bezüglich Zahl, Ausbildung und Platzbedarf ihrer Bautei le, insbesondere ihrer Zahnräder, aufwendig. Außerdem ist bei der Vielzahl der Zahneingriffe und dem fehlenden Massenausgleich mit Geräusch- und Schwingungsproblemen zu rechnen.

Dasselbe gilt im Wesentlichen auch für die elektrisch angetriebene Verstellvor richtung der DE-41 33 408 A1. Hierbei besteht zwar ein Massenausgleich bei den Außenexzentern; jedoch besitzen diese ein hohes Massenträgheitsmo ment, das eine entsprechende Verstellleistung erfordert.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße, elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nocken welle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die geringen Bauaufwand und Platzbedarf sowie niedriges Geräusch- und Vibrati onsniveau aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Ausbildung geteilter Hohl- und Stirnräder wird ein gegenläufiges Verdrehen der Teilräder zum Ausgleich des Zahnflan kenspiels ermöglicht, während die um 180° versetzt angeordneten, gleichen Exzenter den Massenausgleich bewirken. Auf diese Weise wird ein geräusch- und vibrationsarmer Lauf des Exzentergetriebes erreicht. Die unmittelbare Ver bindung von Hohlrädern und Antrieb sowie Stirnrädern und Abtrieb führt zu einem raum- und aufwandsparenden, einstufigen Verstellgetriebe.

Durch die gleiche Zähnezahl der Hohl- bzw. Stirnräder können jeweils mehrere derselben in einem Arbeitsgang (z. B. durch Räumen) wirtschaftlich gefertigt werden.

Durch die sich der Innenkontur der Hohlräder anschmiegende Außenkontur der Stirnräder beträgt der Überdeckungsgrad anders als bei einem üblichen Zahn radgetriebe nicht nur ein bis zwei Zähne, sondern 0,15 - 0,2 der Gesamtzäh nezahl. Deshalb kann trotz des kleinen Zahnmoduls ein hohes Moment über tragen werden. Außerdem erübrigt sich in der Regel ein Härten der Zähne. Der kleine Zahnmodul ermöglicht auch eine sehr kompakte Bauweise des Exzen tergetriebes.

Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Stirnräder mit einer nockenwellen festen Abtriebswelle über eine lösbare Kupplung drehfest verbunden sind. Auf diese Weise ist eine einfache Montage und Demontage der Verstellvorrichtung möglich.

Vorteilhaft ist auch, dass die lösbare Kupplung vorzugsweise als Stiftkupplung ausgebildet ist, mit Mitnahmestiften, die in achsparallele Wellenbohrungen der Abtriebswelle eingepresst sind und die in achsparallele Stirnradbohrungen der Stirnräder formschlüssig eingreifen.

Als Alternative zur Stiftkupplung sind eine Segmentkupplung oder eine Old hamkupplung denkbar, bei denen vorstehende Übertragungselemente der ei nen Kupplungsseite in entsprechende Aussparungen der anderen Kupplungs seite eingreifen. Alle diese Kupplungen haben kein Verdrehspiel, können je doch durch ihr Axial- und Radialspiel Toleranzen ausgleichen.

Dadurch, dass der Durchmesser der Stirnradbohrungen zumindest dem Durch messer der Mitnahmestifte vermehrt um die doppelte Exzentrizität der Exzenter entspricht, ist ein einfaches Zusammenstecken der Stiftkupplung möglich. Eine weitere wichtige Voraussetzung dafür ist die Übereinstimmung von Teilkreis durchmesser und Teilung bei den Stirnrad- und Wellenbohrungen.

Eine wichtige Voraussetzung zur Ausschaltung des Zahnflankenspiels und des Spiels zwischen den Mitnahmestiften und den Stirnradbohrungen besteht darin, dass das erste und zweite Hohlrad zusammen mit einem Deckel durch Flanschschrauben verspannbar sind, die in das zweite Hohlrad einschraubbar sind und im ersten Hohlrad ein größeres Spiel als im Deckel aufweisen. Durch ein Werkzeug, das in die Stiftbohrung des Deckels und in die Kerbe des ersten Hohlrades eingreift, können die Hohlräder bei gelockerten Flanschschrauben gehalten und zur Spielausschaltung geringfügig gegeneinander verdreht wer den. Das dazu erforderliche Verdrehspiel ist in den Durchgangslöchern des ersten Hohlrads für die Flanschschrauben vorhanden. Auf diese Weise kann die Ausschaltung des Verdrehspiels von der nockenwellenfernen Seite der Verstellvorrichtung aus im eingebauten Zustand derselben erfolgen.

Alternativ kann durch z. B. elektromotorisches Verdrehen der Doppelexzenter welle bei festgehaltener Nockenwelle und gelockerten, aber festgehaltenen Hohlrädern ebenfalls ein Anliegen der Mitnahmestifte in den Stirnradbohrungen und der Zahnflanken aneinander erreicht und damit das Zahnflankenspiel auf gehoben bzw. auf ein gewünschtes Maß reduziert werden. Danach muss die Flanschverschraubung angezogen werden, um diesen Zustand zu fixieren.

Eine Minimierung der Lagerreibung der Vorrichtung wird dadurch erreicht, dass die Stirnräder, die Doppelexzenterwelle und die Abtriebswelle vorzugsweise in Wälzlagern gelagert sind. Die Wälzlager können aber auch zumindest teilwei se durch ölgetränkte Bronzelager oder Kunststofflager ersetzt werden. Die da durch bedingte Erhöhung der Reibung ist dem Erreichen von Selbsthemmung förderlich. Außerdem werden Bauraum und Bauaufwand durch Gleitlager ge senkt. Die Selbsthemmung wird aber vor allem durch entsprechende Wahl des Übersetzungsverhältnisses beeinflußt.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung, den Patentansprüchen und der dazugehörigen Zeichnung, auf der ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Die einzige Figur zeigt dabei einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Die Vorrichtung 1 weist einen Antrieb 2 und eine Abtriebswelle 3 auf, die durch ein Exzentergetriebe 4 kinematisch verbunden sind. Der Antrieb 2 ist im vorlie genden Fall als Kettenrad ausgebildet, das in leistungsübertragender Verbin dung mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors steht. Diese Verbindung kann auch als Zahnradtrieb verwirklicht werden.

Der Antrieb 2 ist mittels Senkkopfschrauben 5 an ein erstes Hohlrad 6 an geflanscht. Dieses ist zwischen einem Deckel 7 und einem Flansch 8 eines zweiten Hohlrads 9 durch Flanschschrauben 10 eingespannt.

Das zweite Hohlrad 9 weist eine Hülse 11 auf, an deren Innenumfang zwei Abtriebswellenlager 12 für die Abtriebswelle 3 angeordnet sind. Die Abtriebs welle 3 steht in kraftschlüssiger Verbindung mit der nicht dargestellten Noc kenwelle, die durch eine ebenfalls nicht dargestellte Zentralschraube gegen eine Schulter 13 der Abtriebswelle 3 gespannt wird. Die Abtriebswelle 3 ist auf der Nockenwellenseite durch eine Stützscheibe 14 axial festgelegt, die wieder um von einem Sicherungring 15 axial fixiert ist.

Zwischen der Abtriebswelle 3 und dem Deckel 7 sind ein erstes und ein zwei tes Stirnrad 16, 17 angeordnet, die auf einem ersten und zweiten Exzenter 18, 19 einer Doppelexzenterwelle 20 in Stirnradlagern 21 gelagert sind. Die Ex zenter 18, 19 sind gleich ausgebildet aber um 180° versetzt angeordnet. Die Doppelexzenterwelle 20 ist im Deckel 7 und in der Abtriebswelle 3 auf Exzen terwellenlagern 22 gelagert.

Die Lager 12, 21, 22 sind in vorliegendem Beispiel als ölgetränkte Bronzelager oder als Kunststofflager ausgeführt. Sie können aber alle oder teilweise durch Wälzlager vorzugsweise Nadellager ersetzt werden. Dadurch treten die gering sten Reibverluste im Exzentergetriebe 4 auf; jedoch müssen die Lagerflächen dazu ausreichende Härte aufweisen.

Während die beiden Hohlräder 6, 9 zwar gleiche Zähnezahl aber unterschiedli che Gestalt aufweisen, sind die Stirnräder 16, 17 identisch ausgebildet. In den Stirnrädern 16, 17 sind axiale Stirnradbohrungen 23 angeordnet, deren Teil kreisdurchmesser und Teilung mit denen von axialen Wellenbohrungen 24 der Abtriebswelle 3 übereinstimmen.

In die Wellenbohrung 24 sind Mitnahmestifte 25 eingepresst, die in die Stirn radbohrungen 23 mit Spiel hineinragen. Der Durchmesser der Stirnradbohrun gen 23 entspricht dem um die doppelte Exzentrizität der Exzenter 18, 19 ver größerten Durchmesser der Mitnahmestifte 25. Die Zahl der Mitnahmestifte 25 hängt von der Höhe des übertragenden Drehmoments ab.

Die Doppelexzenterwelle 20 wird von einem nicht dargestellten Elektromotor angetrieben, dessen Abtriebswelle über eine Gewindebohrung 26 mit der Dop pelexzenterwelle 20 verbunden ist. Der Stator kann motorgehäusefest ausge führt sein, mit dem Vorteil einer einfachen Stromzufuhr, oder vorrichtungsfest, mit dem Vorteil eines kleineren Spaltmaßes zwischen Rotor und Stator.

Die Schmierung des Exzentergetriebes 4 erfolgt beispielsweise durch die nicht dargestellte, hohlgebohrte Zentralschraube von der Nockenwelle aus. Das Schmieröl gelangt über das Innere der Abtriebswelle 3 und über Schmierölboh rungen 27 und den Lagerspalt des Abtriebswellenlagers 12 zu der Verzahnung der Zahnräder 6, 9, 16, 17 und zu den Stirnradbohrungen 23 sowie über die Lagerspalte der Exzenterwellenlager 22 und der Stirnradlager 21 zu einer Axialnut 28 im Deckel 7, von wo es über eine Ölbohrung 29 abfließt.

Die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung 1 funktioniert folgendermaßen:
Vor Inbetriebnahme der Verstellvorrichtung 1 muss deren Verdrehspiel aus Geräusch- und Verschleißgründen eliminiert werden. Dazu werden zunächst die Flanschschrauben 10 gelockert und die Hohlräder 6, 9 festgehalten. Das geschieht bei dem ersten Hohlrad 6 mit Hilfe einer Kerbe 30 an dessen Umfang und bei dem zweiten Hohlrad 9 mit Hilfe einer Stiftbohrung 31 im Deckel 7, in die zusätzlich zur Kerbe 30 gegebenenfalls eine Vorrichtung einsteckbar ist. Während das Festhalten des ersten Hohlrades 6 direkt über die Kerbe 30 er folgt, wird das zweite Hohlrad 9 über den Deckel 7 und die Flanschschrauben 10 festgehalten. Nach dem die Nockenwelle festgelegt ist, können durch ge gensinniges Verdrehen der Hohlräder 6, 9 oder durch elektromotorisches Ver drehen der Doppelexzenterwelle 20 die Mitnahmestifte 25 in den Stirnradboh rungen 23 und die Zähne der Zahnräder 6, 9, 16, 17 an ihren gegenüberlie genden Flanken zur Anlage kommen. Dieser Zustand wird durch Anziehen der Flanschschrauben 10 fixiert.

Im Motorbetrieb ohne Drehwinkelverstellung der Nockenwelle arbeitet die Vor richtung 1 als Zahn- und Stiftkupplung, die als Ganzes umläuft. Dabei wird das Nockenwellenantriebsmoment von dem Antrieb 2 über die Zahnräder 6, 9, 16, 17 auf die Stirnradbohrungen 23 und die Mitnahmestifte 25 sowie von diesen auf die Abtriebswelle 3 und weiter auf die Nockenwelle bei konstanter, relativer Drehwinkellage übertragen.

Soll sich die Drehwinkellage verändern, muss der Elektromotor die Doppelex zenterwelle 20 in die eine oder andere Richtung antreiben. Dadurch wälzen sich die Stirnräder 16, 17 mit einer Fasenverschiebung von 180° auf den Hohl rädern 6, 9 und mit dem Innenumfang der Stirnradbohrungen 23 auf den Mit nahmestiften 25 ab. Daraus ergibt sich pro Umdrehung der Doppelexzenter welle 20 ein relativer Drehwinkel zwischen Hohl- und Stirnrädern 6, 9, 16, 17, der der Zähnezahldifferenz zwischen diesen entspricht. Da diese Differenz vorzugsweise nur ein bis zwei Zähne beträgt, werden mit nur einer Getriebe stufe auf im Vergleich zu Planetensätzen kleinem Raum hohe Übersetzungs verhältnisse verwirklicht. Diese gestatten die Verwendung kleiner, schnelllau fender Elektromotoren mit geringem Drehmoment, um das hohe Nockenwellen verstellmoment aufzubringen. Außerdem kann durch ein entsprechend hohes Übersetzungsverhältnis auch bei Verwendung der reibungsarmen Wälzlager Selbsthemmung erzielt werden. Dadurch können der Stromverbrauch bzw. die Erwärmung des Elektromotors niedrig gehalten werden.

Bei Verzicht auf einen Verdrehspielausgleich kann die erfindungsgemäße Vor richtung 1 auch mit nur einem Hohl- und Stirnrad 6, 16 und nur einem Exzenter 18 ausgeführt werden. Der Massenausgleich muss in diesem Fall durch An bringen entsprechender Ausgleichsmassen realisiert werden.

Bezugszeichenliste

1

Vorrichtung

2

Antrieb

3

Abtriebswelle

4

Exzentergetriebe

5

Senkkopfschrauben

6

erstes Hohlrad

7

Deckel

8

Flansch

9

zweites Hohlrad

10

Flanschschrauben

11

Hülse

12

Abtriebswellenlager

13

Schulter

14

Stützscheibe

15

Sicherungsring

16

erstes Stirnrad

17

zweites Stirnrad

18

erster Exzenter

19

zweiter Exzenter

20

Doppelexzenterwelle

21

Stirnradlager

22

Exzenterwellenlager

23

Stirnradbohrung

24

Wellenbohrung

25

Mitnahmestift

26

Exzenterwellenbohrung

27

Schmierölbohrung

28

Axialnut

29

Ölbohrung

30

Kerbe

31

Stiftbohrung

Claims

1. Elektrisch angetriebene Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb (2), insbesondere einer Nockenwelle ge genüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem Exzen tergetriebe (4), das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad käm mendes Stirnrad aufweist, das durch eine elektrisch drehbare Exzenter welle antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Hohlrad ein erstes und zweites Hohlrad (6, 9) sowie als Stirnrad ein erstes und zweites Stirn rad (16, 17) vorgesehen und mit gleicher Zähnezahl sowie gegensinnig verdrehbar ausgebildet sind, und dass die Hohlräder (6, 9) mit dem Antrieb (2) und die Stirnräder (16, 17) mit der Nockenwelle verbunden und durch eine Doppelexzenterwelle (20) mit um 180° versetzt angeordneten, jedoch gleichen Exzentern (18, 19) antreibbar sind.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahn modul der Zahnräder (6, 9, 16, 17) vorzugsweise 0,4 bis 1,2 beträgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnrä der (6, 9) über eine lösbare Kupplung mit einer nockenwellenfesten Ab triebswelle (3) drehfest verbunden sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Kupplung vorzugsweise als Stiftkupplung ausgebildet ist, mit Mitnahme stiften (25), die in achsparallele Wellenbohrungen (24) der Abtriebswelle (3) eingepresst sind und die in achsparallele Stirnradbohrungen (23) der Stirnräder (6, 9) formschlüssig eingreifen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durch messer der Stirnradbohrungen (23) zumindest dem Durchmesser der Mit nahmestifte (25), vermehrt um die doppelte Exzentrizität der Exzenter (18, 19) entspricht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirn radbohrungen (23) und die Wellenbohrungen (24) gleiche Teilkreisdurch messer und gleiche Teilungen aufweisen.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Hohlrad (6, 9) zusammen mit einem Deckel (7) durch Flansch schrauben (10) vorspannbar sind, die in das zweite Hohlrad (9) ein schraubbar sind und im ersten Hohlrad (6) ein größeres Spiel als im Deckel (7) aufweisen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass im Deckel (7) eine Stiftbohrung (31) und am Umfang des ersten Hohlrades (6) eine Kerbe (30) vorgesehen sind.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Fest halten der Nockenwelle und nach gegensinnigem Verdrehen des geloc kerten ersten sowie zweiten Hohlrades (6, 9) die Mitnahmestifte (25) an der Innenkontur der Stirnradbohrungen (23) und die Zahnflanken der Zahnrä der (6, 9, 16, 17) wechselseitig zur Anlage kommen und durch Festziehen der Flanschschrauben (10) in dieser Lage fixierbar sind.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnrä der (16, 17), die Doppelexzenterwelle (20) und die Abtriebswelle (3) vor zugsweise in Wälzlagern gelagert sind.