DE102004009128A1

DE102004009128A1 - Elektrischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102004009128A1
Application number: DE102004009128A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald; Jonathan Dipl.-Ing. Heywood
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-02-25
Filing date: 2004-02-25
Publication date: 2005-09-15
Also published as: US20080210182A1; WO2005080757A1; EP1718846B1; JP2007527968A; US7673598B2; EP1718846A1; KR20060129029A

Abstract

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, mit einem Dreiwellengetriebe, das als Wellgetriebe (19, 19') in Hülsenbauform ausgebildet ist und ein kurbelwellenfestes Antriebsrad (1) mit einem ersten Hohlrad (2) sowie ein nockenwellenfestes Abtriebsteil (4) mit einem neben dem ersten Hohlrad (2) angeordneten zweiten Hohlrad (5) und eine von einem elektrischen Verstellmotor antreibbare Verstellwelle (10, 10', 10'', 10''') aufweist, mit einem Wellgenerator (17, 17', 17''), der Mittel zur elliptischen Verformung einer biegeelastischen, außenverzahnten Hülse (18) besitzt. DOLLAR A Ein Weg zur Verbesserung eines Wellgetriebes in Hülsenbauform besteht darin, dass der Bauaufwand für das Wellgetriebe (19, 19') durch Änderungen am Wellgenerator (17, 17', 17'') und der axiale Bauraum desselben durch Integration der Hohlräder (2, 5) in das axial ineinander geschobene Antriebsrad (1) und Abtriebsteil (4) gesenkt sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, mit einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebsrad, einem nockenwellenfesten Abtriebsteil, und einem Wellgetriebe mit mindestens einer Hohlrad-Stirnradpaarung, wobei eines der beiden Bauteile drehfest mit dem Antriebsrad verbunden ist und das andere Bauteil zumindest in einer drehmomentübertragenden Verbindung zum Abtriebsteil steht, wobei das Stirnrad als biegeelastische Hülse ausgeführt und zumindest teilweise innerhalb des ersten Hohlrades angeordnet ist, mit einem von einem elektrischen Verstellmotor über eine getriebefeste Verstellwelle angetriebenen Wellgenerator, der Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse besitzt, wodurch die Hülse derart verformt wird, dass zwischen dem Hohlrad und der Hülse an zwei gegenüberliegenden Stellen der Hülse eine drehmomentübertragende Verbindung hergestellt ist.
Hintergrund der Erfindung
Bei elektrischen Nockenwellenverstellern muss das niedrige Drehmoment des elektrischen Verstellmotors in ein hohes Drehmoment gewandelt werden, das zur Verstellung der Nockenwelle erforderlich ist. Hierzu dienen sogenannte Dreiwellengetriebe (Summiergetriebe). Deren Antrieb erfolgt über ein kurbelwellenfestes Antriebsrad und eine Antriebswelle, während der Abtrieb über eine Abtriebswelle und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil erfolgt. Die Verstellleistung wird von dem elektrischen Verstellmotor über eine Verstellwelle in die eine oder andere Richtung in das Dreiwellengetriebe eingekoppelt.
An die Dreiwellengetriebe werden hohe Anforderungen gestellt. Sie sollen einen hohen Wirkungsgrad aufweisen, damit der elektrische Verstellmotor und dessen Verlustwärme klein bleiben. Zudem sollen die Zahnspiele der Verzahnungen möglichst gering sein, da sonst das stark veränderliche Wechselmoment der Nockenwelle zu unerwünschten Geräuschen führt. Dies um so mehr, als das Zahnflankenspiel zwischen den Verzahnungen von Verstell- sowie An- und Abtriebswelle durch die Übersetzung vergrößert und damit die Geräuschbildung verstärkt wird.
Außerdem ist es notwendig, den Bauraum für das Dreiwellengetriebe zu minimieren, da moderne Fahrzeugmotoren immer kompakter gebaut werden müssen, um den sicherheitsrelevanten Mindestabstand zwischen Karosserie und Fahrzeugmotor einzuhalten.
Zuguterletzt muss das Dreiwellengetriebe kostengünstig herstellbar sein, um die Systemkosten für einen elektrischen Nockenwellenversteller mit Verstellgetriebe, Verstellmotor und Ansteuerelektronik niedrig zu halten.
Als Dreiwellengetriebe kommen Doppelplanetengetriebe, Doppel- und Einfachexzentergetriebe sowie Wellgetriebe (harmonic drive) in Frage. Insbesondere die Letzteren scheinen geeignet zu sein, obige Forderungen zu erfüllen.
Dabei sind zwei Versionen des Wellgetriebes bekannt, nämlich das Wellgetriebe in Topfbauform und das in Hülsenbauform.

In der EP 1 039 100 A2 und der EP 1 039 101 A2 sind Wellgetriebe in Topfbauform dargestellt. Diese Bauart benötigt relativ viel axialen Bauraum und weist einen prinzipbedingten Axialschub auf, der eine entsprechende Lagerung bedingt. Außerdem besteht bei der Topfbauform die Gefahr des Verkippens und Verklemmens des Wellgenerators durch die Verzahnung der Hülse, zumal eine schwimmende Lagerung derselben wegen deren einseitiger Verschraubung kaum möglich ist. Die Verzahnung dieser Bauform erfordert ein Spezialprofil, das eine umformtechnische Herstellung erschwert. Außerdem ist anstelle eines kostengünstigen Standard-Rillenkugellagers ein aufwändiges Dünnringlager erforderlich.

In der WO 95/00748 ist ein Nockenwellenversteller mit einem Wellgetriebe in Hülsenbauform offenbart. Bei dieser Bauform tritt kein Axialschub auf, da sich die Kippkräfte in der Verzahnung der Hülse wegen der schwimmenden Lagerung des Wellgenerators ausgleichen und den Wellgenerator vor Verkippen und Verklemmen schützen. Außerdem benötigt die Hülsenbauform vergleichsweise geringen axialen Bauraum. Jedoch werden auch in obigem Beispiel aufwändige Dünnringlager für den Wellgenerator verwendet. Zudem erfordert die Anordnung von Antriebsrad, Abtriebsteil und Hohlrädern in obigem Beispiel erheblichen Bauraum.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen elektrischen Nockenwellenversteller mit möglichst geringem axialen Bauraum und niedrigem Bauaufwand zu schaffen, dessen Verstellgetriebe als Wellgetriebe in Hülsenbauform ausgebildet, gewichtsoptimiert und kostengünstig in der Herstellung ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass mindestens eines der Räder der Hohlrad-Stirnradpaarung einteilig mit dem Antriebsrad oder Abtriebsteil ausgebildet ist.

In einer weiteren erfindungsgemäßen Ausführungsform der Erfindung wird die Aufgabe dadurch gelöst, dass die Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse zwei an der Verstellwelle angebrachte, an zwei gegenüberliegenden Bereichen der Hülse anliegende Lagerzapfen sind, auf denen je ein Wälzlager angeordnet ist.

Die Modifizierung der Bauteile betrifft den Wellgenerator und die Hülse, während sich die Integration auf die Anordnung des Antriebsrads und des Abtriebsteils sowie des ersten und zweiten Hohlrades beziehen.

Das Ineinanderschieben von Antriebsrad und Abtriebsteil ist durch die Lagerung des Ersteren auf dem Zweiten ermöglicht. Bei dem dazu verwendeten Lager handelt es sich um ein Vierpunktlager. An dieser Stelle sind aber auch Rillenkugellager, Zylinderrollenlager oder Gleitlager denkbar.

Die einteilige Ausführung der Zahnräder des Wellgetriebes mit dem Antriebsrad und/oder Abtriebsteil des Nockenwellenverstellers reduziert die Anzahl der Bauteile und damit die Montagekosten. Gleichzeitig können durch den Einsatz von spanlosen Produktionstechniken die Produktionskosten der Bauteile gesenkt werden. Dabei sind spanlose Umformverfahren, angewandt an einem Stahlblech geeigneten Zuschnittes, genauso einsetzbar, wie Stanzpaketieren. Auch die Verzahnungen der Zahnräder sind mit diesen Techniken realisierbar.

Weiterhin ist vorgesehen, dass die Hülse topfförmig ausgebildet ist. Die biegeelastische Hülse wirkt mit ihrer Außenmantelfläche mit der Innenmantelfläche eines Hohlrades derart zusammen, dass eine drehmomentübertragende Verbindung zwischen diesen Flächen entsteht.

Die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Hohlrad und der Hülse kann über eine in eine Innenverzahnung des Hohlrades eingreifende Außenverzahnung der Hülse realisiert sein, wobei die Zähnezahl der Innenverzahnung des Hohlrades von der Zähnezahl der Außenverzahnung der Hülse abweicht.

Eine weitere Möglichkeit stellt die Ausführung als Reibradpaarung dar. Dabei wird die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Hohlrad und der Hülse reibschlüssig durch das Zusammenwirken einer glatten Innenmantelfläche des Hohlrades und einer glatten Außenmantelfläche der Hülse realisiert. Zur Verbesserung der Funktion ist auch vorgesehen die in Kontakt tretenden Flächen mit Reibbelägen zu versehen.

Die Untersetzung des Wellgetriebes wir durch die geringe Zähnezahldifferenz bzw. die geringe Differenz der Radien des Hohlrades und der Hülse realisiert. Über den sich von einem axialen Ende der Hülse radial einwärts erstreckenden Boden ist die Hülse direkt mit der Nockenwelle verbunden. Die Verbindung kann über eine Schraube oder formschlüssige Elemente realisiert sein.

Alternativ zu der Ausführungsform in Topform ist vorgesehen, dass in axialer Richtung neben und koaxial zu dem ersten Hohlrad ein zweites Hohlrad angeordnet ist, die Hülse zumindest teilweise innerhalb des zweiten Hohlrades angeordnet ist und an zwei gegenüberliegenden Stellen eine drehmomentübertragende Verbindung mit dem zweiten Hohlrad eingeht.

Dabei ist vorgesehen, dass die Hülse in axialer Richtung zumindest teilweise und mindestens ein Hohlrad mit einer Verzahnung versehen sind. Die Verzahnungen greifen in den Bereichen der zwei Schnittpunkte des Ellipsenumfangs mit der Hauptachse der Ellipse ineinander, wodurch eine drehmomentübertragende Verbindung hergestellt ist. Die zweite Stirnrad-Hohlradpaarung kann als Reibradpaarung oder ebenfalls als Zahnradpaarung ausgeführt sein.

Es hat Vorteile für eine einfache und verschleißarme Stromzuführung, wenn der elektrische Verstellmotor vorzugsweise als bipolar betriebener, bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) mit Seltenerd-Permanentmagneten und zylinderkopffestem Stator ausgebildet ist. Es ist aber auch denkbar, einen Gleichstrommotor mit Bürsten oder ein Asynchronmotor sowie ein Elektromotor mit umlaufendem Stator einzusetzen.

Da der Wellgenerator in der Verzahnung des Wellgetriebes schwimmend gelagert ist, ist es erforderlich, dass die Motorwelle des BLDC-Motors und die Verstellwelle eine Verbindung durch eine verdrehfeste, jedoch radial bewegliche bzw. nachgiebige Kupplung aufweisen, die beispielsweise als Polymer-Kupplung ausgebildet ist.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass die Verzahnungen des Wellgetriebes eine Profilverschiebung aufweisen. Dies ist erforderlich, da die Verzahnung der Hülse und die Verzahnungen des ersten und zweiten Hohlrades miteinander kämmen müssen, die beide eine unterschiedliche Zähnezahl aber den gleichen, zur Hülse passenden Innendurchmesser aufweisen.

Eine vorteilhafte Variante des erfindungsgemäßen Wellgetriebes ist dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzungsstufe als Reibradgetriebe ausgebildet ist, das glatte Flächen anstelle der Verzahnungen des Hohlrades und des zugehörigen Anteils der Hülse aufweist. Auf diese Weise werden die Fertigung der Verzahnung der 1:1 Kupplungsstufe vereinfacht und das Laufgeräusch sowie der Verschleiß vermindert.

Es hat Vorteile, wenn an dem Antriebsrad ein Anschlagring mit einer Fahne befestigt ist, die in eine entsprechende, ringsegmentförmige, den Verstellwinkel begrenzende Aussparung des Abtriebsteils eingreift. Das gilt insbesondere für die Reibgetriebeversion, bei der eine winkelgetreue Zuordnung der Reibräder nicht sichergestellt ist.

Vorteilhaft ist auch, wenn ein Fixierring, dessen Außendurchmesser mindestens dem Zahnkopfdurchmesser des ersten Hohlrads entspricht, in dasselbe und an dessen Verzahnung axial anliegend eingepresst ist. Der Fixierring dient der axialen Sicherung von Verstellwelle, Wellgenerator und Hülse.

Die Dynamik der Nockenwellenverstellung wird dadurch gesteigert, dass zumindest die Verstellwelle zum Zwecke der Gewichtsreduzierung Aussparungen aufweist und/oder aus Leichtmetall, Kunststoff oder einem Verbundmaterial besteht. Zusätzlich ist vorgesehen, dass mindestens eines der, möglicherweise aber auch alle Verzahnungsbauteile zum Zwecke der Gewichtsreduzierung aus Leichtmetall, Kunststoff oder einem Verbundmaterial besteht.

Fertigungstechnische Vorteile für das Wellgetriebe ergeben sich, wenn die Bauteile desselben ungehärtet und spanlos gefertigt werden und zumindest die Verzahnung nachträglich gehärtet oder nitriert wird. Auf diese Weise kann die Hülse durch Ziehen gefertigt werden. Denkbar ist auch, dass die Hohlräder durch Stanzpaketieren hergestellt werden.

Als Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse ist ein Wellring mit elliptischem Außenumfang und ein darauf angebrachtes elliptisch verformtes Wälzlager vorgesehen. In der Ausführung des Wellgetriebes mit verzahntem Stirnrad ist vorgesehen, dass der Außenring des Wälzlagers und die außenverzahnte Hülse einteilig ausgeführt sind, wodurch die Bauteilanzahl und damit die Montagekosten gesenkt werden können. Als Wälzlager kommen Rillenkugel-, Rollen- oder Nadellager in Frage. Aber auch Gleitlager sind denkbar.

Weiterhin ist vorgesehen, dass der elliptische Wellring und der Innenring des Wälzlagers einteilig ausgeführt sind. Wenn die elliptische Oberfläche des Wellgenerators als Lauffläche für die Wälzkörper dient, erübrigt sich auch der Innenring des Standard-Wälzlagers. Damit wird ein weiteres Bauteil des Wellgetriebes eingespart.

Eine weitere erfindungsgemäße Ausführungsform der Erfindung sieht den Einsatz von zwei an der Verstellwelle angebrachten, an zwei gegenüberliegenden Bereichen der Hülse anliegenden Lagerzapfen als Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse, statt einer massiven oder hohlen Welle vor. Dadurch wird das Gewicht des Nockenwellenverstellers, vor allem das Gewicht rotierender Teile und damit das Trägheitsmoment, deutlich gesenkt.

Zur Reibungsminimierung ist auf jedem Lagerzapfen ein Wälzlager angeordnet. Der Innenring des Wälzlagers stützt sich auf den Lagerzapfen ab, während die Hülse sich auf dem Außenring abstützt. Rotieren die Verstellwelle und das Antriebsrad mit unterschiedlichen Drehzahlen, so wälzt sich der Außenring des Wälzlagers an der Innenmantelfläche der Hülse ab.

In einer vorteilhaften Ausführung der Erfindung sind die Lagerzapfen mit einem exzentrischen Befestigungsmittel und drehbar an der Verstellwelle angebracht und in beliebiger Verdrehwinkellage daran fixierbar. Mit Hilfe dieser Maßnahme ist eine einfache Spieleinstellung zwischen der Außenverzahnung der Hülse und der Innenverzahnung der Hohlräder möglich.

Alternativ ist zur Spielminimierung zwischen der Außenverzahnung der Hülse und der Innenverzahnung der Hohlräder vorgesehen, dass die Wälzlager exzentrisch ausgebildete Innenringe aufweisen, die in beliebiger Verdrehwinkellage auf die Lagerzapfen aufpressbar sind. Dadurch ist eine stufenlose Einstellung des Zahnspiels möglich. Es ist aber auch möglich, Verstellwellen zu schaffen, die eine gestufte Sollwertabweichung des Abstands der Lagerzapfen von der Achse der Verstellwellen aufweisen, um im Auswahlverfahren eingebaut zu werden.

Die beiden Wälzlager können als Kugellager, vorzugsweise Rillenkugellager, Zylinderrollen- oder Nadellager ausgebildet sein. Prinzipbedingt werden die beiden Standard-Wälzlager im Betrieb nicht verformt, so dass sie keiner Zusatzbelastung ausgesetzt sind. Im Vergleich zu einem elliptischen Wellgenerator wird die Hülse nicht am gesamten Umfang sondern nur an den Stellen des Zahneingriffs gestützt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt eines Wellgetriebes mit einem Wellgenerator, der ein Standard-Rillenkugellager aufweist;
2 eine Ansicht eines Wellgetriebes mit Hohlrädern und einer flexiblen, außenverzahnten Hülse;
3a ein unverformtes Wälzlager der Hülse;
3b ein auf das gewünschte Ellipsenmaß verformtes Wälzlager der Hülse;
3c eine Vermessung des Innenrings des Wälzlagers der Hülse;
4 ein Längsschnitt durch ein Standard-Rillenkugellager mit verzahntem Außenring;
5 eine Ansicht des Standard-Rillenkugellagers von 4;
6 einen Längsschnitt durch eine Verstellwelle mit einem Wellgenerator,
7 einen Längsschnitt durch eine Variante des Wellgetriebes von 1 mit einer modifizierten Verstellwelle;
8 einen Längsschnitt durch einen Nockenwellenversteller mit einer dritten Ausführungsform einer Verstellwelle.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller dargestellt. Dieser weist ein als Kettenrad ausgebildetes Antriebsrad 1 auf, das über eine nicht dargestellte Kette mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle verdrehfest verbunden ist. Ebenso denkbar ist natürlich das Antriebsrad 1 als Zahnriemenrad oder Stirnrad auszuführen, welches durch einen Zahnriemen bzw. einen Stirnradtrieb angetrieben wird. Das Antriebsrad 1 und ein erstes Hohlrad 2 sind einteilig ausgebildet, wobei das erste Hohlrad 2 eine erste Innenverzahnung 3 aufweist. Ein Abtriebsteil 4, welches einteilig mit einem zweiten Hohlrad 5 ausgeführt ist, ist mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verdrehfest verbunden. Das zweite Hohlrad 5 weist eine zweite Innenverzahnung 6 auf und ist in axialer Richtung benachbart und koaxial zum ersten Hohlrad 2 angeordnet. Das Antriebsrad 1 ist zusammen mit dem ersten Hohlrad 2 mittels eines Vierpunktlagers 7, das radial und axial innerhalb des Antriebsrades 1 angeordnet ist, über das zweite Hohlrad 5 und das Abtriebsteil 4 auf der nicht dargestellten Nockenwelle gelagert. Das Vierpunktlager kann, wie dargestellt als separates Bauteil mit Innenring, Wälzkörpern, Käfig und Außenring ausgeführt sein. In einer weiteren vorteilhaften Ausführung sind die Wälzkörperlaufbahnen direkt am Antriebsrad 1 und dem zweiten Hohlrad 5 ausgebildet, wodurch der Innen- und der Außenring des Wälzlagers wegfallen und die Anzahl der Bauteile reduziert wird. Neben dem dargestellten Kugellager sind auch Nadel- oder Rollenlager einsetzbar. Am Antriebsrad 1 ist ein Anschlagring 22 beispielsweise mittels Schrauben 23, Nieten, Schweißverbindungen oder Verstemmen befestigt. Dieser trägt eine Fahne 8, die in eine entsprechende ringsegmentförmige, den Verstellwinkel begrenzende Aussparung 9 des Abtriebteils 4 eingreift. Ebenso denkbar sind Ausführungsformen, bei denen die Verstellwinkel begrenzende Aussparung 9 in das Antriebsrad 1 eingebracht ist, in die ein drehfest mit dem Abtriebsteil 4 verbundenes Element eingreift.
Eine Verstellwelle 10 weist eine Zahnkupplung 24 für einen nicht dargestellten elektrischen Verstellmotor auf. Natürlich sind auch andere Kupplungen, wie Polymerkupplungen oder magnetische Kupplungen denkbar, die zwischen der Getriebewelle und der Elektromotorwelle auftretenden axialen und radialen Versatz ausgleichen können. Die Verstellwelle 10 ist mit einem Wellring 11 verbunden, der eine elliptische Außenkontur 12 aufweist. Auf diesem befindet sich ein Wälzlager 13, dessen Innenring 14 und Außenring 15 beim Aufpressen desselben die elliptische Form des Wellrings 11 annehmen. Neben dem dargestellten Kugellager, vorzugsweise Rillenkugellager sind auch andere Wälzlagerausführungen denkbar, wie beispielsweise Zylinderrollen- oder Nadellager. Das Wälzlager 13, das durch einen Sprengring 16 axial gesichert ist, bildet zusammen mit dem elliptischen Wellring 11 einen Wellgenerator 17 als Teil des Wellgetriebes 19.
Auf den Außenring 15 des Wälzlagers 13 ist eine elastische Hülse 18 mit einer Außenverzahnung 28 aufgepresst, wobei die Hülse 18 beim Aufpressen ebenfalls die elliptische Form annimmt. Die Hülse 18 kann mit Hilfe formschlüssiger Mittel gegen axiales Wandern auf dem Wälzlager 13 gesichert werden. Dies kann beispielsweise durch radial nach innen gerichtete Bördelungen der axialen Enden der Hülse 18 realisiert werden.
Der Wellgenerator 17 und die Hülse 18 sind derart ausgeführt, dass sie radial innerhalb der Hohlräder 2, 5 angeordnet werden können. Dabei liegt der Wellgenerator 17 in axialer Richtung am Abtriebsteil 4 an. Zur axialen Fixierung der Hülse 18 und des Wellgenerators 17 wird in das erste Hohlrad 2 an der vom Abtriebsteil 4 abgewandten Seite ein Fixierring 20 eingepresst, dessen Außendurchmesser mindestens dem Zahnfußdurchmesser des ersten Hohlrads 2 entspricht und der an der Innenverzahnung 3 desselben anliegt. Der Wellgenerator 17 und die Hülse 18 liegen nun in axialer Richtung zwischen dem Abtriebsteil 4 und dem Fixierring 20. Die elliptisch verformte Hülse 18 greift mit ihrer Außenverzahnung 28 in den Bereichen der zwei Schnittpunkte des Ellipsenumfangs mit der Hauptachse der Ellipse in die erste und zweite Innenverzahnungen 3, 6 der Hohlräder 2, 5 ein.
Die Innenverzahnung 3, 6 jedes Hohlrades 2, 5 steht also mit der Außenverzahnung 28 der Hülse 18 in zwei Bereichen im Eingriff. Durch die elliptische Verformung der Hülse 18 ist gewährleistet, dass diese Bereiche an gegenüberliegenden Stellen bezogen auf den Mittelpunkt des jeweiligen Hohlrades 2, 5 an diesem lokalisiert sind.
In 2 ist das Wellgetriebe 19 mit der Hülse 18 und den Hohlrädern 2, 5 in vereinfachter Seitenansicht dargestellt. Deutlich zu erkennen ist, dass die Außenverzahnung 28 der elliptisch verformten Hülse 18 je in zwei Bereichen der ersten und zweiten Innenverzahnung 3, 6 der Hohlräder 2, 5 eingreift. Eines der Hohlräder 2, 5 besitzt die gleiche Zähnezahl wie die Hülse 18, das andere Hohlrad 2, 5 besitzt z. B. zwei Zähne mehr. Durch Profilverschiebung gelingt es, dass die Außenverzahnung 28 der elliptischen Hülse 18 mit beiden Hohlrädern 2, 5 trotz deren unterschiedlicher Zähnezahl zugleich im Eingriff steht, und zwar an zwei gegenüberliegenden Stellen derselben. Das Hohlrad 2 oder 5 mit der gleichen Zähnezahl wie die Hülse 18 wirkt als 1:1 Zahnkupplung, das Hohlrad 2 oder 5 mit der erhöhten Zähnezahl als Übersetzungsstufe. Welches der beiden Hohlräder 2 oder 5 die gleiche und welches die größere Zähnezahl aufweist, hängt davon ab, in welcher Richtung das Wellgetriebe 19 bei stillstehender Verstellwelle 10 verstellen soll, d. h., ob es als Plus- oder als Minusgetriebe funktionieren soll. Ebenso denkbar ist, dass sich die Zähnezahlen aller Verzahnungen 3, 6 und 28 unterscheiden. Auf diese Art kann die Größe der Profilverschiebung an einer Verzahnung 3, 6 und 28 auf ein Minimum begrenzt werden. Ebenso denkbar ist es die Außenverzahnung 28 der Hülse 18 als geteilte Außenverzahnung auszuführen, wobei der eine Teil der Verzahnung in die erste Innenverzahnung 3 und der zweite Teil der Verzahnung in die zweite Innenverzahnung 6 eingreift. Die zwei Außenverzahnungen können unterschiedlich ausgeführt sein. Beispielhaft sollen hier Zähnezahl oder Zahnmodul genannt werden. Auf diese Weise können die Profilverschiebungen reduziert oder verschiedene Module für eine bessere Tragfähigkeit verwendet werden Das Antriebsrad 1, welches einteilig mit dem ersten Hohlrad 2 ausgeführt ist, das Abtriebsteil 4, welches einteilig mit dem zweiten Hohlrad 5 ausgeführt ist und die Hülse 18 sind vorzugsweise in spanlosen Formgebungsverfahren hergestellt. Der Einsatz von Spanlostechniken reduziert sowohl das Gewicht der einzelnen Bauteile als auch deren Herstellungskosten in der Massenproduktion. Die einzelnen Bauteile inklusive der Verzahnungen 3, 6, 28 können vorteilhafterweise aus Stahlblech in einem spanlosen Umformverfahren hergestellt werden. Denkbar ist auch die Komponenten durch Stanzpaketieren herzustellen.
Das Wellgetriebe 19 nach den 1 und 2 funktioniert auf folgende Weise: Bei einer Umdrehung der Verstellwelle 10 macht der Wellgenerator 17 ebenfalls eine Umdrehung. Dabei wird die Außenverzahnung 28 der elliptischen Hülse 18 gleichzeitig auf den Innenverzahnungen 3, 6 des ersten und des zweiten Hohlrads 2, 5 abgewälzt.
Besitzt das erste Hohlrad 2 die gleiche Zähnezahl wie die elliptische Hülse 18, dann greift der Ausgangszahn der Hülse 18 nach einer Umdrehung der Verstellwelle 10 wieder in seine Ausgangs-Zahnlücke ein. Damit hat sich die Stellung der Hülse 18 gegenüber dem ersten Hohlrad 2 nicht verändert und es liegt eine 1:1 Zahnkupplung vor.
Besitzt die zweite Innenverzahnung 6 des zweiten Hohlrads 5 z. B. zwei Zähne mehr als die Außenverzahnung 28 der Hülse 18, dann greift der Ausgangszahn der Hülse 18 nach einer Umdrehung der Verstellwelle 10 in eine Zahnlücke des zweiten Hohlrads 5 ein, die zwei Zahnlücken vor der ursprünglichen liegt. Damit bleibt die Hülse 18 pro Umdrehung der Verstellwelle 10 um zwei Zähne zurück, so dass sich die Hülse 18 im Verhältnis der Gesamtzähnezahl des zweiten Hohlrads 5 (z. B. 300 Zähne) zur Differenzzähnezahl zwei (also 300:2=150:1) entgegen der Verstellwelle 10 dreht, d. h., eine Übersetzung von 150:1 ins Langsame aufweist.
In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die Stirnrad-Hohlradpaarung, die für die Untersetzung verantwortlich ist als Reibradpaarung ausgeführt, während die andere Stirnrad-Hohlradpaarung über Verzahnungen zusammenwirkt und vorzugsweise als 1:1 Kupplung ausgeführt ist. Die Außenverzahnung 28 der Hülse 18 erstreckt sich in axialer Richtung nur in dem Bereich, in dem, die Hülse 18 innerhalb des anderen Hohlrades 2 oder 5 liegt. Der andere Bereich ist glatt ausgeführt und wirkt mit der ebenfalls glatt ausgeführten inneren Mantelfläche des entsprechenden Hohlrades 2 zusammen. Sowohl die Verzahnungen 6, 28 der ersten Stirnrad-Hohlradpaarung als auch die glatten Flächen der zweiten Stirnrad-Hohlradpaarung wirken auf Grund der elliptisch verformten Hülse 18 je an zwei gegenüberliegenden Bereichen zusammen.
Eine weitere Ausführungsform der Erfindung sieht nur eine Stirnrad-Hohlradpaarung vor. Denkbar ist die Drehmomentübertragung wiederum über Verzahnungen 2, 28 oder Reibschluß. Das Antriebsrad 1 ist einteilig mit dem Hohlrad 2 ausgebildet. Die Hülse 18 ist topfförmig ausgebildet, wobei die Nockenwelle an deren Boden drehfest angebracht ist.
Die Geometrie der Ellipse des Wellgenerators 17 kann gemäß den 3a, 3b, 3c ermittelt werden:
In 3a ist ein unverformtes Standard-Wälzlager 13 dargestellt.
In 3b wird das Standard-Wälzlager 13 an zwei gegenüberliegenden Stellen am Außenring 15 in Richtung der Pfeile F soweit zusammengedrückt, bis das gewünschte maximale Ellipsenmaß 21 am Außenring 15 erreicht ist.
In 3c wird die elliptische Innenkontur des Innenrings 14 vermessen und ggf. korrigiert, nach der die elliptische Außenkontur 12 des Wellrings 11 des Wellgenerators 17 hergestellt wird.
In 4 ist ein Längsschnitt durch eine weitere Ausführungsform eines als Rillenkugellager ausgebildetes Wälzlager 13' dargestellt, dessen Außenring 15' die Außenverzahnung 28 der Hülse 18 trägt und somit an deren Stelle treten kann. Der Fortfall der Hülse 18 wirkt sich natürlich kostenmindernd aus.
5 zeigt eine Frontansicht des Wälzlagers 13' aus 4 mit der einteilig mit dem Außenring 15' ausgeführten Außenverzahnung 28.
In 6 ist ein Längsschnitt durch einen Wellgenerator 17' mit einer Verstellwelle 10' und einer Außenverzahnung 28 dargestellt. Der Wellgenerator 17' weist einen Wellring 11' und ein als Zylinderrollenlager ausgebildetes Wälzlager 13'' auf. Das Zylinderrollenlager besteht aus mehreren Zylinderrollen 26, die zwischen einem Innenring 14' und einem Außenring 15'' angeordnet sind und bei Relativbewegungen zwischen den Wälzlagerringen 14', 15'' an diesen abrollen. Der Innenring 14' ist einteilig mit dem Wellring 11' ausgeführt. Die Zylinderrollen 26 des Wälzlagers 13'' laufen unmittelbar auf der elliptischen Außenkontur 12' des entsprechend vergrößerten Wellrings 11'. Die Außenverzahnung 28 ist direkt am Außenring 15'' des Wälzlagers 13'' ausgeformt. Da im Vergleich zur ersten Ausführungsform die zyklische Verformung des Innenrings 14' und der Hülse 18 entfällt, kann die Leistung des elektrischen Verstellmotors entsprechend geringer sein.
In 7 ist ein Längsschnitt durch ein Wellgetriebe 19', eine Variante des Wellgetriebes 19 von 1, mit einem modifizierten Wellgenerator 17'' dargestellt. Hierbei weist eine Verstellwelle 10'' anstelle eines Wellrings zwei axiale Lagerzapfen 29 mit zwei als Rillenkugellager ausgebildete Standard-Wälzlager 13''' auf. Die Innenringe 25 der Standard-Wälzlager 13''' sitzen fest auf den Lagerzapfen 29, während sich die Hülse 18 an den Außenringen 15''' abstützt. Die Lagerzapfen 29 sind um 180° versetzt und mit gleichem Abstand zur Achse 30 der Verstellwelle 10'' angeordnet. Der Abstand ist so gewählt, dass die Hülse 18 in gleicher Weise wie durch den Wellring 11 der 1 elliptisch verformt wird.
Zur Minimierung Zahnspiels können die Innenringe 25 der Wälzlager 13''' als exzentrische Innenringe 25 ausgebildet sein. Durch Einbau derselben mit entsprechender Verdrehwinkellage kann das Zahnspiel zwischen den Zähnen der Hülse 18 und der Hohlräder 2, 5 eingestellt werden.
Diesem Ziel dient auch die in 8 dargestellte, mehrteilige Verstellwelle 10''', deren exzentrisch ausgebildete axiale Lagerzapfen 29' durch Spannschrauben 27 in beliebiger Verdrehwinkellage befestigbar sind.
In einer weiteren Ausführungsform sind die Innenringe 25 der Wälzlager 13''' einteilig mit den Lagerzapfen 29, 29' ausgeführt, d.h. die Laufbahnen der Wälzkörper sind in die äußere Mantelfläche der Lagerzapfen 29, 29' eingebracht.

1: Antriebsrad
2: erstes Hohlrad
3: erste Innenverzahnung
4: Abtriebsteil
5: zweites Hohlrad
6: zweite Innenverzahnung
7: Vierpunktlager
8: Fahne
9: Aussparung
10, 10', 10'', 10''': Verstellwelle
11, 11': Wellring
12, 12': elliptische Außenkontur
13, 13', 13'', 13''': Wälzlager
14, 14': Innenring
15, 15', 15'', 15''': Außenring
16: Sprengring
17, 17',17'': Wellgenerator
18: Hülse
19, 19': Wellgetriebe
20: Fixierring
21: maximales Ellipsenmaß
22: Anschlagring
23: Schraube
24: Zahnkupplung
25: exzentrischer Innenring
26: Zylinderrolle
27: Spannschraube
28: Außenverzahnung
29, 29': axialer Lagerzapfen
30: Achse

Claims

Elektrischer Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, – mit einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebsrad (1), – einem nockenwellenfesten Abtriebsteil (4), und – einem Wellgetriebe – mit mindestens einer Hohlrad-Stirnradpaarung, – wobei eines der beiden Bauteile drehfest mit dem Antriebsrad (1) verbunden ist und das andere Bauteil zumindest in einer drehmomentübertragenden Verbindung zum Abtriebsteil (4) steht, – wobei das Stirnrad als biegeelastische Hülse (18) ausgeführt und – zumindest teilweise innerhalb des ersten Hohlrades (2, 5) angeordnet ist, – mit einem von einem elektrischen Verstellmotor über eine getriebefeste Verstellwelle (10, 10', 10'', 10''') angetriebenen Wellgenerator (17, 17', 17''), – der Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse (18) besitzt, – wodurch die Hülse (18) derart verformt wird, dass zwischen dem Hohlrad (2, 5) und der Hülse (18) an zwei gegenüberliegenden Stellen der Hülse (18) eine drehmomentübertragende Verbindung hergestellt ist dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Räder der Hohlrad-Stirnradpaarung einteilig mit dem Antriebsrad (1) oder Abtriebsteil (4) ausgebildet ist.
Elektrischer Nockenwellenversteller zur Verstellung und Fixierung der Phasenlage einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle, – mit einem drehfest mit der Kurbelwelle verbundenen Antriebsrad (1), – einem nockenwellenfesten Abtriebsteil (4), und – einem Wellgetriebe – mit mindestens einer Hohlrad-Stirnradpaarung, – wobei eines der beiden Bauteile drehfest mit dem Antriebsrad (1) verbunden ist und das andere Bauteil zumindest in einer drehmomentübertragenden Verbindung zum Abtriebsteil (4) steht, – wobei das Stirnrad als biegeelastische Hülse (18) ausgeführt und – zumindest teilweise innerhalb des ersten Hohlrades (2, 5) angeordnet ist, – mit einem von einem elektrischen Verstellmotor über eine getriebefeste Verstellwelle (10'', 10''') angetriebenen Wellgenerator (17''), – der Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse (18) besitzt, – wodurch die Hülse (18) derart verformt wird, dass zwischen dem Hohlrad (2, 5) und der Hülse (18) an zwei gegenüberliegenden Stellen der Hülse (18) eine drehmomentübertragende Verbindung hergestellt ist dadurch gekennzeichnet, dass – die Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse (18) zwei an der Verstellwelle (10'', 10''') angebrachte, an zwei gegenüberliegenden Bereichen der Hülse (18) anliegende Lagerzapfen (29) sind, auf denen je ein Wälzlager (13''') angeordnet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse (18) topfförmig ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass in axialer Richtung neben und koaxial zu dem ersten Hohlrad (2) ein zweites Hohlrad (5) angeordnet ist, die Hülse (18) zumindest teilweise innerhalb des zweiten Hohlrades (5) angeordnet ist und an zwei gegenüberliegenden Stellen eine drehmomentübertragende Verbindung mit dem zweiten Hohlrad (5) eingeht.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Hohlrad (2, 5) und der Hülse (18) durch eine in eine Innenverzahnung (3, 6) des Hohlrades (2, 5) eingreifende Außenverzahnung (28) der Hülse (18) realisiert ist und die Zähnezahl der Innenverzahnung (3, 6) des Hohlrades (2, 5) von der Zähnezahl der Außenverzahnung (28) der Hülse (18) abweicht.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die drehmomentübertragende Verbindung zwischen dem Hohlrad (2, 5) und der Hülse (18) reibschlüssig durch das Zusammenwirken der glatt ausgeführten Innenmantelfläche des Hohlrades (2, 5) und der glatt ausgeführten Außenmantelfläche der Hülse (18) realisiert ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der elektrische Verstellmotor vorzugsweise als bipolar betriebener, bürstenloser Gleichstrommotor (BLDC-Motor) mit zylinderkopffestem Stator sowie mit vorzugsweise einem Seltenerdmagneten ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle des BLDC-Motors und die Verstellwelle (10, 10', 10'', 10''') eine Verbindung durch eine verdrehfeste, jedoch radial bewegliche bzw. nachgiebige Kupplung aufweisen, die beispielsweise als Polymer-Kupplung (26) ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Antriebsrad (1) ein Anschlagring (22) befestigt ist, der eine Fahne (8) aufweist, die in eine entsprechende, ringsegmentförmige, den Verstellwinkel begrenzende Aussparung (9) des Abtriebsteils (4) eingreift.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Fixierring (20) dessen Außendurchmesser mindestens dem Zahnkopfdurchmesser des ersten Hohlrades (2) entspricht, in dasselbe einpressbar ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest die Verstellwelle (10, 10', 10'', 10''') zum Zwecke der Gewichtsreduzierung Aussparungen aufweisen und/oder aus Leichtmetall, Kunststoff oder einem Verbundmaterial bestehen.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eines der Verzahnungsbauteile (3, 6, 28) zum Zwecke der Gewichtsreduzierung aus Leichtmetall, Kunststoff oder einem Verbundmaterial besteht.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder einzelne Bauteile, vorzugsweise die Verzahnungsbauteile (3, 6, 28), des Wellgetriebes (19, 19') spanlos gefertigt sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Bauteile des Wellgetriebes (19, 19') spanlos gefertigt sind und die Verzahnungen (3, 6, 28) nachträglich gehärtet bzw. nitriert sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse (18) ein Wellring (11, 11') mit elliptischem Außenumfang (12) und ein darauf angebrachtes elliptisch verformtes Wälzlager (13, 13', 13'') ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Mittel zur elliptischen Verformung der biegeelastischen Hülse (18) ein Wellring (11, 11') mit elliptischem Außenumfang (12) und ein darauf ange brachtes elliptisch verformtes Wälzlager (13', 13'') ist, und der Außenring (15'') des Wälzlagers (13', 13'') und die außenverzahnte Hülse (18) einteilig ausgeführt sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass der elliptische Wellring (11') und der Innenring (14') des Wälzlagers (13'') einteilig ausgeführt sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerzapfen (29') mit einem exzentrischen Befestigungsmittel drehbar an der Verstellwelle (10''') angebracht und in beliebiger Verdrehwinkellage fixierbar sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (13''') exzentrisch ausgebildete Innenringe (25) aufweisen, die in beliebiger Verdrehwinkellage auf die Lagerzapfen (29) aufpressbar sind.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass alle oder einzelne Nockenwellenverstellerbauteile mittels Stanzpaketieren hergestellt sind.