DE10054798B4

DE10054798B4 - Elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb

Info

Publication number: DE10054798B4
Application number: DE10054798A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Hans Dipl.-Ing. Fleischer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2009-03-05
Anticipated expiration: 2020-11-05
Also published as: US6637389B2; DE10054798A1; US20020053327A1

Abstract

Elektrisch angetriebene Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb (2), insbesondere einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem Exzentergetriebe (4), das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes Stirnrad aufweist, das durch eine elektrisch drehbare Exzenterwelle antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, 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° versetzt angeordneten, jedoch gleichen Exzentern (18, 19) antreibbar sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung 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 Exzentergetriebe, das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes Stirnrad aufweist, das durch eine mittels Elektromotor drehbare Exzenterwelle antreibbar ist.
Diese Vorrichtung ist bezüglich Zahl, Ausbildung und Platzbedarf ihrer Bauteile, 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 Verstellvorrichtung der DE-41 33 408 A1 . Hierbei besteht zwar ein Massenausgleich bei den Außenexzentern, jedoch besitzen diese ein hohes Massenträgheitsmoment, das eine entsprechende Verstellleistung erfordert.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße, elektrisch angetriebene Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die geringen Bauaufwand und Platzbedarf sowie niedriges Geräusch- und Vibrationsniveau aufweist.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst. Durch die Ausbildung geteilter Hohl- und Stirnräder wird ein gegenläufiges Verdrehen der Teilräder zum Ausgleich des Zahnflankenspiels 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 Verbindung von Hohlrädern und Antrieb sowie Stirnrädern und Abtrieb führt zu einem raum- und aufwandsgarenden 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 Gesamtzähnezahl. Deshalb kann trotz des kleinen Zahnmoduls ein hohes Moment übertragen werden. Außerdem erübrigt sich in der Regel ein Härten der Zähne. Der kleine Zahnmodul ermöglicht auch eine sehr kompakte Bauweise des Exzentergetriebes.
Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Stirnräder mit einer nockenwellenfesten 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 Oldhamkupplung denkbar, bei denen vorstehende Übertragungselemente der einen Kupplungsseite in entsprechende Aussparungen der anderen Kupplungsseite eingreifen. Alle diese Kupplungen haben kein Verdrehspiel, können jedoch durch ihr Axial- und Radialspiel Toleranzen ausgleichen.
Dadurch, dass der Durchmesser der Stirnradbohrungen zumindest dem Durchmesser 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 Teilkreisdurchmesser 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 werden. 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 Doppelexzenterwelle 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 aufgehoben 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 teilweise durch ölgetränkte Bronzelager oder Kunststofflager ersetzt werden. Die dadurch bedingte Erhöhung der Reibung ist dem Erreichen von Selbsthemmung förderlich. Außerdem werden Bauraum und Bauaufwand durch Gleitlager gesenkt. 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 Beschreibung, 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 vorliegenden Fall als Kettenrad ausgebildet, das in leistungsübertragender Verbindung 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 angeflanscht. 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 Abtriebswelle 3 steht in kraftschlüssiger Verbindung mit der nicht dargestellten Nockenwelle, 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 wiederum von einem Sicherungring 15 axial fixiert ist.
Zwischen der Abtriebswelle 3 und dem Deckel 7 sind ein erstes und ein zweites Stirnrad 16, 17 angeordnet, die auf einem ersten und zweiten Exzenter 18, 19 einer Doppelexzenterwelle 20 in Stirnradlagern 21 gelagert sind. Die Exzenter 18, 19 sind gleich ausgebildet aber um 180° versetzt angeordnet. Die Doppelexzenterwelle 20 ist im Deckel 7 und in der Abtriebswelle 3 auf Exzenterwellenlagern 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 geringsten Reibverluste im Exzentergetriebe 4 auf, jedoch müssen die Lagerflächen dazu ausreichende Härte aufweisen.
Während die beiden Hohlräder 6, 9 zwar gleiche Zähnezahl aber unterschiedliche Gestalt aufweisen, sind die Stirnräder 16, 17 identisch ausgebildet. In den Stirnrädern 16, 17 sind axiale Stirnradbohrungen 23 angeordnet, deren Teilkreisdurchmesser und Teilung mit denen von axialen Wellenbohrungen 24 der Abtriebswelle 3 übereinstimmen.
In die Wellenbohrung 24 sind Mitnahmestifte 25 eingepresst, die in die Stirnradbohrungen 23 mit Spiel hineinragen. Der Durchmesser der Stirnradbohrungen 23 entspricht dem um die doppelte Exzentrizität der Exzenter 18, 19 vergrößerten 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 Doppelexzenterwelle 20 verbunden ist. Der Stator kann motorgehäusefest ausgeführt 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 Schmierölbohrungen 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 erfolgt, wird das zweite Hohlrad 9 über den Deckel 7 und die Flanschschrauben 10 festgehalten. Nach dem die Nockenwelle festgelegt ist, können durch gegensinniges Verdrehen der Hohlräder 6, 9 oder durch elektromotorisches Verdrehen der Doppelexzenterwelle 20 die Mitnahmestifte 25 in den Stirnradbohrungen 23 und die Zähne der Zahnräder 6, 9, 16, 17 an ihren gegenüberliegenden Flanken zur Anlage kommen. Dieser Zustand wird durch Anziehen der Flanschschrauben 10 fixiert.
Im Motorbetrieb ohne Drehwinkelverstellung der Nockenwelle arbeitet die Vorrichtung 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 Doppelexzenterwelle 20 in die eine oder andere Richtung antreiben. Dadurch wälzen sich die Stirnräder 16, 17 mit einer Fasenverschiebung von 180° auf den Hohlrädern 6, 9 und mit dem Innenumfang der Stirnradbohrungen 23 auf den Mitnahmestiften 25 ab. Daraus ergibt sich pro Umdrehung der Doppelexzenterwelle 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 Getriebestufe auf im Vergleich zu Planetensätzen kleinem Raum hohe Übersetzungsverhältnisse verwirklicht. Diese gestatten die Verwendung kleiner, schnelllaufender Elektromotoren mit geringem Drehmoment, um das hohe Nockenwellenverstellmoment 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 Vorrichtung 1 auch mit nur einem Hohl- und Stirnrad 6, 16 und nur einem Exzenter 18 ausgeführt werden. Der Massenausgleich muss in diesem Fall durch Anbringen entsprechender Ausgleichsmassen realisiert werden.

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

Elektrisch angetriebene Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb (2), insbesondere einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem Exzentergetriebe (4), das zumindest ein Hohlrad und ein mit dem Hohlrad kämmendes Stirnrad aufweist, das durch eine elektrisch drehbare Exzenterwelle antreibbar ist, dadurch gekennzeichnet, 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° versetzt angeordneten, jedoch gleichen Exzentern (18, 19) antreibbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnmodul der Zahnräder (6, 9, 16, 17) 0,4 bis 1,2 beträgt.
Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnräder (6, 9) über eine lösbare Kupplung mit einer nockenwellenfesten Abtriebswelle (3) drehfest verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die lösbare Kupplung als Stiftkupplung ausgebildet ist, mit Mitnahmestiften (25), die in achsparallele Wellenbohrungen (24) der Abtriebswelle (3) eingepresst sind und die in achsparallele Stirnradbohrungen (23) der Stirnräder (6, 9) formschlüssig eingreifen.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stirnradbohrungen (23) zumindest dem Durchmesser der Mitnahmestifte (25) vermehrt um die doppelte Exzentrizität der Exzenter (18, 19) entspricht.
Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnradbohrungen (23) und die Wellenbohrungen (24) gleiche Teilkreisdurchmesser und gleiche Teilungen aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Hohlrad (6, 9) zusammen mit einem Deckel (7) durch Flanschschrauben (10) vorspannbar sind, die in das zweite Hohlrad (9) einschraubbar sind und im ersten Hohlrad (6) ein größeres Spiel als im Deckel (7) aufweisen.
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.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass nach Festhalten der Nockenwelle und nach gegensinnigem Verdrehen des gelockerten ersten sowie zweiten Hohlrades (6, 9) die Mitnahmestifte (25) an der Innenkontur der Stirnradbohrungen (23) und die Zahnflanken der Zahnräder (6, 9, 16, 17) wechselseitig zur Anlage kommen und durch Festziehen der Flanschschrauben (10) in dieser Lage fixierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnräder (16, 17), die Doppelexzenterwelle (20) und die Abtriebswelle (3) in Wälzlagern gelagert sind.