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Die
Erfindung geht aus von einer Vorrichtung zur Verstellung der relativen
Drehwinkellage zwischen einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine und
einem die Nockenwelle antreibenden Antriebsrad nach dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Bei
einer bekannten Verstellvorrichtung zur Relativverstellung einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gegenüber dem sie antreibenden Antriebsrad
(
DE 41 10 195 A1 )
sitzt das Antriebsrad drehbar auf der Nockenwelle und ist drehfest
mit einem innenverzahnten, ersten Hohlrad verbunden. Ein ebenfalls
innenverzahntes, zweites Hohlrad, das axial neben dem ersten Hohlrad
angeordnet ist, ist starr mit auf einem mit der Welle drehfesten
Wellenstück
verbunden. Die Hohlräder
kämmen
mit zwei koaxialen Planetenrädern,
die fest miteinander verbunden und auf einem Exzenter gelagert sind.
Der Exzenter ist drehfest mit dem Rotor des Elektromotors verbunden
und auf dem Wellenstück
drehbar gelagert. Der Stator des Elektromotors ist in einem ortsfesten
Gehäuse
angeordnet. Die Zähnezahlen
der Hohlräder
und der Planetenräder
sind so gewählt, dass
sich eine selbsthemmende Getriebeübersetzung ergibt. Beispielweise
besitzt das eine Planetenrad 27 Zähne, das mit diesem in Eingriff
stehende Hohlrad 29 Zähne,
das zweite Planetenrad 28 Zähne und
das mit diesem kämmende
Hohlrad 30 Zähne.
Ist der Elektromotor nicht bestromt, so drehen sich wegen der Selbsthemmung
des Übersetzungsgetriebes Antriebsrad
und Nockenwelle synchron, also gleich schnell. Bei einer Bestromung
des Elektromotors erfolgt ein kurzzeitiger, schnellerer oder langsamerer Lauf
des Rotors gegenüber
Nockenwelle und Antriebsrad. Aufgrund der Getriebeübersetzung
erfolgt über
mehrere Umdrehungen des Rotors hinweg eine langsame und stetige
Relativverdrehung der beiden Hohlräder zueinander und damit eine Änderung
der Drehwinkellage zwischen Nockenwelle und Antriebsrad.
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Bei
einer bekannten Vorrichtung zum geregelten Verstellen der relativen
Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine (
DE
103 23 705 A1 ) weist das zwischen dem von der Kurbelwelle
angetriebenen Antriebsrad und der Nockenwelle angeordnete Stellgetriebe
ein mit dem Antriebsrad drehfest verbundenes, innenverzahntes, erstes
Hohlrad und ein mit der Nockenwelle drehfest verbundenes, innenverzahntes, zweites
Hohlrad sowie ein Planetenrad auf, das auf einem Exzenter einer
Exzenterwelle mittels eines Lagers gelagert ist. Die Exzenterachse,
um die das Planetenrad drehen kann, besitzt zur Drehachse der Exzenterwelle
eine Exzentrität.
Die Exzenterwelle ist von einem räumlich feststehenden Elektromotor
antreibbar. Das Planetenrad besitzt eine Verzahnung, die sich über die
gesamte Breite der beiden Innenverzahnungen der Hohlräder erstreckt
und mit diesen kämmt.
Um eine Untersetzung zwischen der ersten Getriebestufe mit dem ersten
Hohlrad und der zweiten Getriebestufe mit dem zweiten Hohlrad zu
erzielen, sind die Hohlräder
mit unterschiedlichen Zähnezahlen
versehen. Bei unbestromtem Elektromotor laufen infolge der Selbsthemmung
des Stellgetriebes die Hohlräder
mit dem Planetenrad im Block um, und die Nockenwelle dreht synchron
mit dem Antriebsrad. Bei Bestromung des Elektromotors ändert sich die
Phasenlage zwischen den Hohlrädern
und damit die Drehwinkellage zwischen Antriebsrad und Nockenwelle.
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Bei
einer bekannten Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung zwischen
einem antreibenden Antriebsrad und einer mit diesem antriebsverbundenen, synchron
rotierenden Nockenwelle (
DE
103 15 151 A1 ) ist das Stellgetriebe als gekoppeltes Planetengetriebe
ausgeführt
und umfasst ein fest mit dem Antriebsrad verbundenes, innenverzahntes,
erstes Hohlrad, ein fest mit der Nockenwelle verbundenes, innenverzahntes,
zweites Hohlrad, ein Sonnenrad und mehrere Planenteräder. Das
Sonnenrad sitzt drehfest auf der Abtriebswelle eines ortsfesten
Elektromotors, und die um gleiche Umfangswinkel zueinander versetzt
angeordneten Planentenräder
kämmen
einerseits mit dem Sonnenrad und andererseits mit den beiden Innenverzahnungen
der axial nebeneinander angeordneten Hohlräder. Das abtriebseitige, also
das drehfest mit der Nockenwelle verbundene, zweite Hohlrad besitzt
eine größere Zähnezahl als
das antriebsseitige, also mit dem Antriebsrad drehfest verbundene,
erste Hohlrad. Die größere Zähnezahl
des zweiten Hohlrads wird durch eine Profilverschiebung erzielt,
wobei jedoch der Durchmesser des Fußkreises der Verzahnung und
der Verzahnungsmodul unverändert
bleiben und das zweite Hohlrad im Kämmeingriff mit den Planetenrädern steht.
Ist der Elektromotor stromlos, so wird die Rotation des Antriebsrads über die
beiden Hohlräder
synchron auf die Nockenwelle übertragen.
Eine Phasenverschiebung der Nockenwelle, also die Veränderung
ihrer Drehwinkellage relativ zum Antriebsrad, wird über das
zentrale Sonnenrad eingeleitet, das mit Bestromen des Elektromotors
dreht.
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Vorteile der
Erfindung
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Die
erfindungsgemäße Vorrichtung
zur Verstellung der Relativdrehwinkellage zwischen Nockenwelle und
dem diese antreibenden Antriebsrad mit den Merkmalen des Anspruchs
1 hat den Vorteil, dass durch die Ausbildung des Gehäuses des
mit der Nockenwelle mitdrehenden Elektromotors als Funktionsteil
des Stellgetriebes ein vereinfachter Aufbau des Stellgetriebes und
eine kompakte, Einbauraum sparende Bauform der Vorrichtung erreicht
wird. Innerhalb des Stellgetriebes übernimmt das Gehäuse die
drehfeste Ankopplung des Antriebsrads an ein Getrieberad, das bei
der Ausbildung des Stellgetriebes als modifiziertes Exzentergetriebe
ein Stirnrad ist, das drehbar auf einem von dem Rotor des Elektromotors
angetriebenen Exzenter sitzt, und bei einer Ausbildung des Stellgetriebes
als offenes Plusgetriebe ein mit Planetenrädern kämmendes Hohlrad ist.
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Durch
die in den weiteren Ansprüchen
aufgeführten
Maßnahmen
sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen der im Anspruch
1 angegebenen Vorrichtung möglich.
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Gemäß einer
vorteilhaften Ausführungsform der
Erfindung ist das Stellgetriebe als modifiziertes Exzentergetriebe
konzipiert und weist einen auf der Nockenwelle drehbar sitzenden,
mit dem Rotor drehfest verbundenen Exzenter und ein mit der Nockenwelle
drehfest verbundenes, innenverzahntes Hohlrad, sowie ein mit dem
Hohlrad kämmendes,
außenverzahntes
Stirnrad auf, dessen Zähnezahl
um mindestens "1" kleiner ist als
die Zähnezahl
des Hohlrads. Das Stirnrad sitzt drehbar auf dem Exzenter und ist
am Gehäuse
des Elektromotors undrehbar und radial verschieblich festgelegt.
Durch diese Ausführung
des Stellgetriebes wird bei kleinem Bauraum der Vorrichtung in axialer
Richtung eine hohe Untersetzung und eine hohe Leistungsdichte erreicht.
Um den geringen Zähnezahlunterschied
von vorzugsweise "1" zu erreichen, ist
zwischen Stirnrad und Hohlrad eine Zykloiden-Triebstockverzahnung ausgeführt, bei
der die Zähne
des Hohlrads als Kreiselemente und die Zähne des Stirnrads als Zykloiden ausgebildet
sind. Mit dem Exzentergetriebe vorteilhaft zu realisierende, maximale
Untersetzungen liegen im Bereich 1:50 bis 1:70.
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Gemäß einer
alternativen Ausführungsform der
Erfindung ist das Stellgetriebe als offenes Plusgetriebe konzipiert
und weist ein auf der Nockenwelle drehfest sitzendes, innenverzahntes,
erstes Hohlrad, ein mit dem Gehäuse
drehfest verbundenes, innenverzahntes, zweites Hohlrad und mindestens
ein mit den beiden Hohlrädern
kämmendes
Planetenrad auf, das auf einem Planetenradträger drehbar gehalten ist. Der
Planetenradträger
ist fest mit dem Rotor des Elektromotors verbunden. Zwischen den
beiden Hohlrädern
besteht eine Zähnezahldifferenz,
die mindestens "1" beträgt, vorzugsweise
der Anzahl der Planetenräder
oder einem Vielfachen davon entspricht. Mit diesem Stellgetriebe
können
unendlich große
Untersetzungen erreicht werden, sowie ein Gesamtwirkungsgrad, der
kleiner als 0,5 ist, so dass wiederum eine Selbsthemmung des Getriebes
bei stromlosem Elektromotor vorhanden ist.
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Zeichnung
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Die
Erfindung ist anhand von in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispielen
in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils im
schematisierten Längsschnitt:
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1 eine
Nockenwellenverstellvorrichtung mit einem als Exzentergetriebe ausgebildeten
Stellgetriebe,
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2 eine
Nockenverstellvorrichtung mit einem als offenes Plusgetriebe ausgebildeten
Stellgetriebe.
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Beschreibung
der Ausführungsbeispiele
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Bei
einer Brennkraftmaschine ist eine Nockenwelle 11 mit Ventilantriebsnocken
zur Betätigung der
Hubventile in einem Verbrennungszylinder über ein Antriebsrad 12 in
Form eines Kettenrads von einer Kurbelwelle angetrieben. Zur optimalen
Ausnutzung der Brennkraftmaschine wird eine von der jeweiligen Drehzahl
und der Last der Brennkraftmaschine abhängige Relativverstellung zwischen
der Kurbelwelle und der Nockenwelle 11 vorgenommen, wodurch
einerseits die Leistungsfähigkeit
der Brennkraftmaschine erhöht
und andererseits der Kraftstoffverbrauch minimiert wird. Hierzu
dient eine Verstellvorrichtung, die die relative Drehwinkellage
zwischen der Nockenwelle 11 und dem Antriebsrad 12 zu ändern vermag.
Die Verstellvorrichtung weist ein zwischen Antriebsrad 12 und
Nockenwelle 11 angeordnetes Stellgetriebe 13 und
einen Elektromotor 14 auf. Der Elektromotor 14,
der im Ausführungsbeispiel
der 1 und 2 als Scheibenläufer- oder
Axialflussmotor konzipiert ist, hat ein Gehäuse 15 mit einem daran
festgelegten Stator 16 und einen im Gehäuse 15 rotierenden
Rotor 17, der auf einem in das Gehäuse 15 hineinragenden
Wellenabschnitt 111 der Nockenwelle 11 drehbar
abgestützt
ist. Auf dem gleichen Wellenabschnitt 111 ist auch das
Gehäuse 15 mit
Stator 16 mittels eines Wälzlagers 23 drehbar
gelagert. Von dem Stator 16 sind lediglich die Permanentmagnetpole 161 dargestellt.
Auf die Darstellung der Ankerwicklung des Rotors 17 ist
verzichtet worden. Anstelle des Axialflussmotors kann aber auch ein
Radialflussmotor eingesetzt werden. In beiden Fällen ist eine Kommutierung
der Ankerwicklung über
einen Kommutator (DC-Motor) oder durch eine Elektronik (EC-Motor)
vorgenommen. Auf dem Gehäuse 15 des
Elektromotors 14 ist das Antriebsrad 12 befestigt.
Das Stellgetriebe 13 ist von einer Schutzkappe 24 abgedeckt,
die mit ihrem Kappenrand 241 am Gehäuse 15 des Elektromotors 14 anliegt
und mit einer zentralen Ausnehmung 242 die Nockenwelle 11 gleitdichtend
umschließt.
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Im
Ausführungsbeispiel
der 1 ist das Stellgetriebe 13 als modifiziertes
Exzentergetriebe ausgeführt.
Das Exzentergetriebe weist eine auf dem Wellenabschnitt 111 der
Nockenwelle 11 drehbar sitzende Exzenterhülse 18 mit
einem daran einstückig ausgebildeten
Exzenter 181 auf, dessen Mittenachse gegenüber der
Achse der Nockenwelle 11 und der damit koaxialen Exzenterhülse 18 eine
Exzentrität hat.
Die Exzenterhülse 18 ist
drehfest mit dem Rotor 17 des Elektromotors 14 verbunden.
Mit der Nockenwelle 11 ist drehfest ein Hohlrad 19 verbunden,
das eine Innenverzahnung 191 trägt. Auf dem Exzenter 181 der
Exzenterhülse 18 ist
ein Stirnrad 20 mit einer Außenverzahnung 201 drehend
gelagert. Das Stirnrad 20 trägt zwei axial vorstehende,
diametral angeordnete Zapfen 21, von denen jeweils einer
in einer von zwei im Gehäuse 15 des
Elektromotors 14 diametral angeordneten, radialen Aussparungen 22 radial
verschieblich geführt
ist. Die Außenverzahnung 201 des
Stirnrads 20 steht mit der Innenverzahnung 191 des
Hohlrads 19 im Zahneingriff. Die Zähnezahl der Außenverzahnung 201 ist
dabei so gewählt,
dass sie um mindestens "1" geringer ist als
die Zähnezahl der
Innenverzahnung 191. Dadurch wird eine Getriebeuntersetzung
erzielt, die abhängig
ist von der Zähnezahldifferenz
und der Absolutzähnezahl.
Beispielhaft hat die Außenverzahnung 201 des
Stirnrads 20 fünfzig
Zähne und
die Innenverzahnung 191 des Hohlrads 19 einundfünfzig Zähne, wodurch
sich eine Untersetzung von –1:50
ergibt. Der Gesamtwirkungsgrad des Getriebes, der untersetzungsabhängig ist, wird
dabei so gewählt,
dass er kleiner 0,5 ist und somit das Exzentergetriebe bei stromlosem
Elektromotor 14 selbsthemmend ist.
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Die
Wirkungsweise der Verstellvorrichtung ist wie folgt: Rotiert bei
stromlosem Elektromotor 14 das Antriebsrad 12,
so wird dessen Drehung durch das selbsthemmende Exzentergetriebe
1:1 auf die Nockenwelle 11 übertragen, so dass diese mit
gleicher Drehzahl wie das Antriebsrad 12 rotiert. Wird nunmehr
der Elektromotor 14 bestromt, so erfolgt eine kurzzeitige
Drehzahlveränderung
des Rotors 17 gegenüber
Nockenwelle 11 und Antriebsrad 12. Aufgrund der
Getriebeuntersetzung erfolgt eine langsame und stetig zunehmende
Relativverdrehung zwischen Gehäuse 15 und
Hohlrad 19 und damit zwischen Antriebsrad 12 und
Nockenwelle 11, wozu mehrere Umdrehungen des Rotors 17 notwendig sind.
Wird der Elektromotor 14 wieder stromlos geschaltet, so
bleibt die relative Veränderung
der Drehwinkellage der Nockenwelle 11 gegenüber dem
Hohlrad 12 erhalten und Antriebsrad 12 und Nockenwelle 11 drehen
wieder gleich schnell.
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Wie
nicht weitere dargestellt ist, kann im Exzentergetriebe noch ein
Ausgleichsgewicht vorgesehen werden, das eine durch die exzentrische
Bewegung des Stirnrads 20 entstehende Unwucht kompensiert.
Beispielsweise kann hierzu ein zum Stirnrad 20 identisch
ausgebildetes, zweites Stirnrad drehbar auf dem Exzenter 181 der
Exzenterhülse 18 angeordnet
sein, das um 180° gegenüber dem
Stirnrad 20 versetzt an dem Gehäuse 15 – ebenso
wie das Stirnrad 20 – undrerbar
und radial verschieblich festgelegt ist und mit der Innenverzahnung 191 des Hohlrad 19 kämmt.
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Das
in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Verstellvorrichtung
zur Verstellung der relativen Drehwinkellage zwischen Nockenwelle 11 und Antriebsrad 12 unterscheidet
sich von der in 1 dargestellten und vorstehend
beschriebenen Verstellvorrichtung nur hinsichtlich der Ausführung des Stellgetriebes 13,
so dass gleiche Bauteile mit gleichen Bezugszeichen versehen sind.
Das Stellgetriebe 13 ist hier als offenes Plusgetriebe
ausgeführt, wobei
wiederum – wie
bei dem Exzentergetriebe in 1 – das Gehäuse 15 des
Elektromotors 14 eine Funktionskomponente des Plusgetriebes
bildet. Das Plusgetriebe weist ein an der Nockenwelle 11 drehfest
sitzendes, abtriebsseitiges, erstes Hohlrad 29 mit einer
Innenverzahnung 291 und ein drehfest mit dem Gehäuse 15 des
Elektromotors 14 verbundenes, vorzugsweise am Gehäuse 15 angeformtes,
antriebsseitiges, zweites Hohlrad 30 mit einer Innenverzahnung 301 sowie
mehrere Planetenräder 31 auf, die
mit den Innenverzahnungen 291 und 301 der beiden
Hohlräder 29, 30 im
Zahneingriff stehen. Die Planetenräder 31, deren Zahl
vorzugsweise drei bis fünf beträgt, sind
auf Lagerzapfen 32 drehbar aufgenommen, die um gleiche
Umfangswinkel zueinander versetzt an einem die Nockenwelle 11 konzentrisch
umgebenden Planetenradträger 33 axial
abstehend angeordnet sind. Der Planetenradträger 33 ist drehfest mit
dem Rotor 17 des Elektromotors 14 verbunden. Die
Innenverzahnungen 291, 301 der beiden Hohlräder 29, 30 sind
so ausgeführt,
dass die Zähnezahldifferenz
zwischen den Hohlrädern 29, 30 mindestens "1" beträgt. Hierdurch wird wiederum
eine große
Getriebeuntersetzung und eine Selbsthemmung des Stellgetriebes 13 erreicht.
Vorzugsweise wird eine Zähnezahldifferenz
gewählt,
die der Anzahl der Planetenräder 31 oder
einem Vielfachen davon entspricht, wodurch ein einfacher Aufbau
des Stellgetriebes 13 erzielt wird. In einem Ausführungsbeispiel weisen
die drei Planetenräder 31 jeweils
zwölf Zähne, das
erste Hohlrad 29 vierzig Zähne und das zweite Hohlrad 30 dreiundvierzig
Zähne auf,
womit eine Übersetzung
i = 14,3 besteht. Für
eine Übersetzung von
i = 31 besitzt jedes der drei Planetenräder 31 zwölf Zähne, das
erste Hohlrad 29 neunzig Zähne und das zweite Hohlrad 30 dreiundneunzig
Zähne. Die
größere Zähnezahl
des zweiten Hohlrads 30 wird durch eine Profilverschiebung
erzielt, indem die Profilbezugslinie der Verzahnung des Hohlrads 29 ausgehend
vom Teilkreisdurchmesser in Richtung Fußkreisdurchmesser der Verzahnung
so verschoben wird, bis die gewünschte
größere Zähnezahl
erreicht ist. Dabei bleiben der Durchmesser des Fußkreises der
Verzahnung für
das Hohlrad 30 und der Verzahnungsmodul unverändert und
gleich denen des ersten Hohlrads 29, so dass die beiden
Hohlräder 29, 30 im
Kämmeingriff
mit den Planetenrädern 31 stehen können.
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Mit
einer fertigungstechnisch etwas aufwendigeren Getriebeausführung lässt sich
auch eine Zähnedifferenz
von "1" zwischen den beiden
Hohlrädern 29, 30 realisieren.
Hierzu muss jedes auf einem Lagerzapfen 32 drehende Planetenrad 31 in
zwei aufeinandersitzende, miteinander fest verbundene Teilräder unterteilt
werden, die die gleiche Zähnezahl aufweisen,
aber gegeneinander um 1/3 Zahnteilung verdreht sind. Jeweils ein
Teilrad kämmt
mit einem der beiden Hohlräder 29, 30.
Hat das erste Hohlrad 29 neunzig Zähne, das zweite Hohlrad 30 einundneunzig
Zähne und
jedes der Planeten-Teilräder zwölf Zähne, so
ergibt sich eine Übersetzung
i = 91.
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Die
Wirkungsweise der Verstellvorrichtung gemäß 2 ist identisch
mit der zu 1 beschriebenen. Der Elektromotor 14 besitzt
den gleichen Aufbau wie der Elektromotor 14 in 1,
wobei das mit dem Gehäuse 15 des
Elektromotors 14 drehfest verbundene, zweite Hohlrad 30 vorzugsweise
einstückig mit
dem Gehäuse 15 ausgebildet
ist.
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Bei
dem vorstehend beschriebenen Plusgetriebe kann die Zähnezahl
der beiden Hohlräder 29, 30 vertauscht
werden, so dass das erste Hohlrad 29 jeweils die größere Zähnezahl
aufweist. In diesem Fall kehrt sich beim Verdrehen der Nockenwelle 11 lediglich
deren Drehrichtung um.