DE102008039009A1

DE102008039009A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102008039009A1
Application number: DE102008039009A
Authority: DE
Inventors: Mike Kohrs; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-08-21
Filing date: 2008-08-21
Publication date: 2010-02-25

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (13) zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle (23) und/oder einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors. Der Nockenwellenversteller umfasst ein als Dreiwellengetriebe ausgebildetes Verstellgetriebe (17), welches ein Antriebsteil, ein Abtriebsteil und eine Verstellwelle (21) zur Verstellung des Antriebsteils aufweist. Erfindungsgemäß weist der Nockenwellenversteller ein Gesamtuntersetzungsverhältnis von mehr als 1 : 120 oder 1 : -120 auf. Vorzugsweise besitzt der Nockenwellenversteller ein Vorübersetzungsgetriebe (15), welches zwischen der Verstellwelle (21) und einer Motorwelle (25) eines dem Antrieb der Stellwelle (21) dienenden Elektromotors (24) angeordnet ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle und/oder einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe.
Zur Verstellung einer Nockenwelle sind aus dem Stand der Technik unter anderem elektromechanische Nockenwellenverstellsysteme bekannt. Bei elektromechanischen Nockenwellenverstellsystemen werden üblicherweise Dreiwellengetriebe verwendet, bei denen eine erste Welle des Getriebes, gewöhnlich die Antriebswelle, mit dem Nockenwellenkettenrad eines Verbrennungsmotors verbunden ist, eine zweite Welle (Abtriebswelle) mit der Nockenwelle antriebswirksam über das Nockenwellenkettenrad wirksam verbunden ist und eine dritte Welle, die Stellwelle, mit der Rotorwelle eines elektrischen Verstellmotors (Elektromotor) verbunden ist. Die Stellwelle dient der Verstellung der relativen Winkellage zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle bei Betrieb des Verbrennungsmotors. Beispiele für derartige Dreiwellengetriebe sind Taumelscheiben getriebe und Innenexzentergetriebe, welche in der WO 2006/018080 beschrieben sind. Hierzu gehören auch die aus der WO 2005/080757 bekannten Wellengetriebe und die in der US 2007/0051332 A1 und US 2003/0226534 A1 enthaltenen Getriebe.
Als Aktuatoren in solchen Dreiwellensystemen kommen häufig Elektromotoren zur Verstellung der Stellwelle zum Einsatz. Es ist aber ebenso möglich, elektrische, mechanische oder hydraulische Bremsen oder rotatorisch oder linear wirkende Elektromagnete zu verwenden, um die Phasenverstellung zu ermöglichen.
Alle bekannten Nockenwellenverstellsysteme sind aufgrund ihres Wirkprinzips und/oder ihrer Dimensionierung für die Phasenverstellung der Nockenwelle während des Motorbetriebes ausgelegt. Eine Mitbenutzung von Steller und Stellglied zur Vorpositionierung der Kurbelwelle bei Motorstillstand ist mit solchen Systemen nicht möglich.
In der DE 103 52 255 A1 wird eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dargestellt. Der Verstellmotor ist als Elektromotor ausgebildet und ist räumlich getrennt von der Verstellwelle platziert. Das vom Elektromotor erzeugte Verstellmoment wird mechanisch durch eine flexible Welle oder pneumatisch über einen Verdichter auf das Verstellgetriebe übertragen. Der Verstellmotor kann auch rechtwinklig oder parallel zur Nockenwelle angeordnet sein, wobei das von ihm erzeugte Verstellmoment über ein Zahnradgetriebe bzw. ein Sekundärtrieb auf die Verstellwelle übertragen wird.
Die DE 10 2006 007 584 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller mit einem Überlagerungsgetriebe. Die Einspeisung der Antriebsbewegung erfolgt von der der Nockenwelle zugewandten Seite des Überlagerungsgetriebes um somit einen Anschluss von Zusatzaggregaten zu ermöglichen. Es werden Ausführungsbeispiele dargestellt, in welchen eine Getriebestufe zwischen der Abtriebswelle des Stellgetriebes und der Stellwelle des Überlagerungsgetriebe angeordnet ist. Die Getriebestufe kann eine einfache Stirnradstufe, ein Kettentrieb oder ein Riementrieb sein.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller bereitzustellen, der es ermöglicht, die Kurbelwelle und/oder die Nockenwelle eines Verbrennungsmotors aus dem Stand heraus zu verdrehen, um damit für den folgenden Startvorgang des Verbrennungsmotors die Nockenwellenphasenlage und/oder die Kurbelwelle vorzupositionieren.
Die genannte Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller weist ein als Dreiwellengetriebe ausgebildetes Verstellgetriebe auf, welches ein mit der Kurbelwelle drehfest verbundenes Antriebsteil, ein mit der Nockenwelle drehfest verbundenes Abtriebsteil und eine Verstellwelle umfasst. Die Verstellwelle wird von einem Elektromotor angetrieben. Das Gesamtuntersetzungsverhältnis des Nockenwellenverstellers zwischen Verstellwelle und Abtriebsteil ist erfindungsgemäß größer als 1:120 bzw. 1:–120, vorteilhafterweise größer als 1:200 bzw. 1:–200.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der Nockenwellenversteller ein Vorübersetzungsgetriebe.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass die Startzeit des Verbrennungsmotors durch eine Voreinstellung der Kurbelwellen- und/oder Nockenwellenposition im Motorstillstand erheblich verkürzt werden kann.
Die hohe Gesamtuntersetzung des Nockenwellenverstellers ermöglicht eine aktive Verstellung der Kurbelwellen- und/oder Nockenwellenlage mittels Antrieb der Stellwelle bei Stillstand einer der drei Wellen des Verstellgetriebes. Vorzugsweise wird eine Aktivierung des Nockenwellenverstellsystems durch einen Schalter oder eine Botschaft ausgelöst, welche zum Beispiel über einen CAN-Bus übertragen wird, um den gewünschten Kurbelwellenwinkel und/oder Nockenwellenwinkel bereits vor dem Motorstart einzustellen und zu halten. Auslöser für die Botschaft kann beispielsweise das Öffnen der Fahrertür des Fahrzeuges, die Sitzbelegung oder dergleichen sein.
Zur Verstellung bzw. Vorpositionierung der Nockenwelle und/oder Kurbelwelle über den Steller (Elektromotor, Stellwelle) muss die Gesamtuntersetzung genügend groß sein um das Haftreibmoment des Nockenwellenverstellers, des Steuertriebs, der Kurbelwelle und ggf. der Nockenwelle zu überwinden. Die Gesamtuntersetzung des Nockenwellenverstellers zwischen der Abtriebswelle des Elektromotors und des Nockenwellenabtriebs ergibt sich aus der Multiplikation der Getriebeübersetzung des Nockenwellenverstellsystem und des vorzugsweise vorzusehenden Vorübersetzungsgetriebes.
Eine der Realisierungsmöglichkeiten für die erfindungsgemäß großen Untersetzungen ist z. B. die Auslegung des Verstellgetriebes durch die Änderung der Zähnezahl- bzw. Durchmesserverhältnisse der Räder. Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Vorübersetzungsgetriebe eingesetzt, das sowohl in Form eines kompletten zusätzlichen Getriebes als auch einer einzelnen integrierten Getriebestufe ausgeführt sein kann. Das separate Vorübersetzungsgetriebe hat den Vorteil, dass die ausgereiften Verstellgetriebestufen mit sehr guten Dynamikeigenschaften im Motorbetrieb beibehalten werden können.
Das Vorübersetzungsgetriebe weist vorzugsweise ein Untersetzungsverhältnis von größer 1:2 bzw. 1:–2 auf.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform ist das Vorübersetzungsgetriebe als solches an dem Elektromotor bzw. am Zylinderkopf angeordnet. Der Vorteil dieser Ausführungsform ist die geringe mitdrehende Masse im Motorbetrieb und die einfache Schaltbarkeit, da auf das drehende System keine Verstellenergie übertragen werden muss. Das Vorübersetzungsgetriebe ist vorzugsweise über eine Kupplung zuschaltbar, kann aber auch nicht schaltbar ausgeführt sein. Die Zuschaltung kann realisiert werden sowohl durch einen externen Einfluss als auch durch ein selbstständiges auslösen, wie z. B. durch Ablauf eines bestimmten Verfahrenswegs oder über einen Magnet-Impuls.
Eine zweite Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorübersetzungsgetriebe nockenwellenfest am Verstellgetriebe, also am Stellglied befestigt ist, wobei dieses ebenfalls sowohl über eine Kupplung zuschaltbar als auch nicht zuschaltbar realisiert werden kann.
Vorteilhafterweise kann bei der Verwendung schaltbarer bzw. zustandsabhängiger Vorübersetzungsgetriebe dieses nur für die Dauer der Vorpositionierung aktiviert und während des Normalbetriebes deaktiviert werden.
Das Zuschalten des Vorübersetzungsgetriebes kann hier beispielsweise auch durch ein momentabhängiges Schalten erfolgen, wie z. B. durch das Nockenwellenmoment oder der Verstellwellenmoment mittels einer Art selbstzuziehender Kupplung, welche über die Verformung einer Welle gesteuert wird. Ist das hohe Anschleppmoment überwunden, kann mit einer geringeren Untersetzung schneller verstellt werden. Der Vorteil dabei ist, dass kein separater Aktuator benötigt wird und eine bedarfsgerechte Zuschaltung des Vorübersetzungsgetriebes erfolgt.
Eine weitere Möglichkeit für eine Zuschaltung des Vorübersetzungsgetriebes ist die, dass in einem bestimmten Verstellwinkelbereich das Verstellgetriebe ein höheres wirksames Untersetzungsverhältnis hat. Dieses wird nach einem bestimmten Verstellwinkel inaktiv, sodass sich die Untersetzung dann verringert. Dadurch ist kein separater Aktuator erforderlich und die Vorpositionierung kann innerhalb des hoch übersetzten Bereiches stattfinden. Bei dieser Variante muss sichergestellt sein dass der Versteller nicht außerhalb dieses Bereiches abgestellt wird. Dies kann durch die Verwendung bekannter Stoppstrategien erfolgen.
Das Vorübersetzungsgetriebe kann weiterhin drehrichtungs- bzw. verstellrichtungsabhängig aktiv sein. Beispielsweise kann das Vorübersetzungsgetriebe aufgrund eines vorgeschalteten Freilaufs nur in Richtung Spät aktiv sein, wodurch auf einen separaten Aktuator verzichtet werden kann.
Weiterhin kann die Aktivierung des Vorübersetzungsgetriebes zeitabhängig erfolgen oder in Abhängigkeit der Drehzahl der Kurbelwelle, der Nockenwelle, der Verstellwelle und/oder einer Differenzdrehzahl kann das Zuschalten der Vorübersetzungsgetriebe erfolgen.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist das Vorübersetzungsgetriebe ein einfaches Planetengetriebe. Das Vorübersetzungsgetriebe kann auch als Einzelzahngetriebe, Wellgetriebe, Innen-/Aussenexzentergetriebe, Wolfromgetriebe, Planoflexgetriebe oder Taumelscheibengetriebe, Koppelgetriebe, Vorgelegegetriebe, einfaches Stirnradgetriebe, Kegelrad-, Schnecken-/Schrauben-, Zugmittelgetriebe, Reibradgetriebe oder dergleichen ausgeführt sein.
Das Planetengetriebe unterliegt folgenden physikalischen Zusammenhängen: Gleichung: nA – i0_ACnC – (1 – i0_AC)nB = 0,wobei n_A, n_B und n_C die Drehzahlen der drei Wellen des Planetengetriebes sind. Im vorliegenden Fall ist also n_A die Drehzahl eines Zentralrades bzw. einer Sonne, n_B die Drehzahl eines Planetenträgers bzw. der Stellwelle und n_C die Drehzahl eines Hohlrades;
i_{0_AC} ist die Standübersetzung zwischen Welle A und C bei stillstehender Welle B.
Das Planetengetriebe arbeitet in bekannter Weise mit einer Untersetzung zwischen Welle A und Welle B, Welle B und C sowie zwischen Welle A und C unter der Vorraussetzung, dass ihre Drehzahlen zueinander unterschiedlich sind und dass die Drehzahl der Welle C gleich null ist oder zu den beiden Drehzahlen der Welle A und Welle B unterschiedlich ist, dies bedeutet das Hohlrad steht still. Sobald sich zwei Weilen mit gleicher Drehzahl drehen läuft das Getriebe als Kupplung um.
In einer Auslegungsvariante des Planetengetriebes wird je nach Wahl der Antriebswelle eine Untersetzung von i2_AC = 1:–4 oder i2_AB = 1:5 erreicht.
Durch die Verwendung dieser Variante eines separaten Vorübersetzungsgetriebes zu einem Verstellgetriebe mit einer Übersetzung von i1 = 1:50, ergibt sich eine Gesamtübersetzung von i_Ges = i1·i2 = 1:200...250 bzw. 1:–200...–250 zwischen der Stellmotorwelle und der Abtriebswelle (NW).
Mit einem angenommenen maximalen Drehmoment eines Steller-Motors von 1 Nm kann beispielsweise zur Verstellung der Kurbelwelle gegen ein maximales Schleppmoment von Kurbelwelle, Steuertrieb und/oder Nockenwelle von weniger als 100...125 Nm verstellt werden, bei einem angenommenen Wirkungsgrad des Getriebes von 50% und bei einer Betrachtung nur eines aktiven Stellers.
In einer weiteren Ausführungsform sollen bei Verbrennungsmotoren mit 2 oder mehren Nockenwellenverstellern diese gleichzeitig zur Verstellung der KW angesteuert werden sodass diese gemeinschaftlich das Losbrech- bzw. Schleppmoment des Kurbeltriebes überwinden. Im Falle eines Viertakt-V-Motors mit zwei obenliegenden Nockenwellen je Zylinderreihe (DOHC) und je einem Verstellersystem pro NW kann entsprechend das vierfache Schleppmoment überwunden werden bzw. das vierfache Stellermoment bereitgestellt werden.

Mit Bezug auf die erwähnten Größen und Zusammenhänge, und unter Vorgabe bestimmter Getriebemerkmale wie beispielsweise:

Zähnezahlen:	Zentralrad Z₁(Sonne) = 20
	Planetenrad Z₂ = 30
	Hohlrad Z₃(KW) = –80
Übersetzung:	i_{0_AC} = –4
	I_{0_AB} = 5
Anz. Planeten:	p = 4
Drehzahlen:	Antriebsdrehzahl = 8000
	Drehzahl Steg = 1600
	Drehzahl Planet = –4267
Modul:	Vorgabe bzw. Annahme = 0,5
Teilkreis-Ø:	Sonnenrad d_1 = 10 mm
	Planetenrad d_2 = 15 mm
	Hohlrad d_3 = 40 mm

sind An- und Abtriebsvarianten für elektromotorfeste bzw. zylinderkopffeste Vorübersetzungsvarianten ableitbar.

Der Fachmann kann aber in einfacher Weise die nachfolgend beschriebene Ausführung des Vorübersetzungsgetriebes einfach auf nockenwellenfeste Systeme übertragen.
Besonders bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind in den Figuren dargestellt und werden nachfolgend näher erläutert.
Es zeigen:
1: ein Getriebeschema eines Planetengetriebes aus dem Stand der Technik;
2: eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers in Verbindung mit einem Vorübersetzungsgetriebe;
3: zwei schematische Darstellungen einer zweiten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers in Verbindung mit einem Vorübersetzungsgetriebe;
4: eine schematische Darstellung einer dritten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers in Verbindung mit einem Vorübersetzungsgetriebe;
5: eine schematische Darstellung einer vierten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers mit nicht schaltbarer Vorübersetzung;
6: eine schematische Darstellung einer fünften Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers mit nicht schaltbarer Vorübersetzung;
7: eine schematische Darstellung einer sechsten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers mit nicht schaltbarer Vorübersetzung;
8: eine schematische Darstellung einer siebten Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers mit nicht schaltbarer Vorübersetzung.
1 zeigt ein Schema eines Planetengetriebes, so wie es jeder Fachmann aus dem Stand der Technik kennt. Das einfache Planetengetriebe umfasst ein Zentralrad, auch als Sonne 1 bekannt, einen Planetensatz mit mehreren Planetenrädern 2 und ein Hohlrad 3. Die Sonne 1 wird mit einer Welle A angetrieben und der Planetensatz ist mit einer Abtriebswelle B verbunden, das Hohlrad 3 (Welle C) ist ein Getriebegehäuse mit Innenverzahnung. Das Getriebe läuft als Kupplung sobald zwei Wellen sich mit gleicher Drehzahl drehen.
2 zeigt in schematischer Darstellung eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers 13 mit einem Vorübersetzungsgetriebe 15, welches ein Planetengetriebe ist. Der Nockenwellenversteller 13 umfasst in bekannter Weise ein Verstellgetriebe 17 mit zwei Eingangselementen, hier mit einem Antriebsrad 19 (Nockenwellenkettenrad) und einer Stellwelle 21, und einer Abtriebswelle (Nockenwelle 23). Das Antriebsrad 19 steht in Antriebsverbindung mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Antriebsrad 19 als Kettenrad ausgebildet sein kann.
Das Vorübersetzungsgetriebe 15 ist auf der Nockenwelle 23 abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17 angeordnet, und ist zwischen der Stellwelle 21 und einem Elektromotor 24, der gewöhnlich direkt dem Antrieb der Stellwelle 21 dient, angeordnet. Die Abtriebswelle B des Vorübersetzungsgetriebes 15 ist mit der Stellwelle 21 des Verstellgetriebes 17 verbunden. Die Antriebswelle A des Vorübersetzungsgetriebes 15 ist mit einer Motorwelle 25 des Elektromotors 24 verbunden. Das Vorübersetzungsgetriebe 15 ist vorzugsweise als Planetengetriebe ausgeführt, es umfasst die Sonne 1, die Planetenräder 2 und das Hohlrad 3, wobei die Sonne 1 mit der Motorwelle 25, der Planetensatz mit der Stellwelle 21 und das Hohlrad 3 mit einer Welle 26 (Welle C) in Verbindung steht. Dabei ist das Hohlrad 3 über die Welle 26 mit der Welle 25 über einem mittels Aktuator 27 schaltbares Kupplungselement bzw. einer Sperre verbunden.
Die Sperre kann eine drehfeste Verbindung zwischen Welle 25 und 26 herstellen bzw. wieder lösen. Sind beide Wellen drehfest verbunden, haben Sonnenrad und Hohlrad der Vorübersetzung die gleiche Drehzahl, die E-Motordrehzahl. Das Vorübersetzungsgetriebe läuft als Kupplung um (i2 = 1; entspricht Normalbetrieb).
Erst wenn Welle 26 von Welle 25 gelöst (und festgehalten) wird, ist die Vorübersetzung aktiv. Da dass Hohlrad 3 im Normalbetrieb des Nockenwellenverstellers umläuft, entsteht somit ein höheres Trägheitsmoment gegenüber einer Drehzahländerung des Elektromotors 24.
Die Untersetzung des Vorübersetzungsgetriebes 15 beträgt hier i_AB = 5. Mit einem Untersetzungsverhältnis des Verstellgetriebes 17 von –60 beträgt die Gesamtuntersetzung für die Vorpositionierung der Nockenwelle mit den oben angegebenen beispielhaft angeführten Getriebemerkmalen dementsprechend 5·–60 = –300.
3 beschreibt eine zweite Ausführungsform des Nockenwellenverstellers 13 im Zusammenhang mit dem Vorübersetzungsgetriebe 15. Der Nockenwellenversteller 13 umfasst, wie bereits in 2 beschrieben das Verstellgetriebe 17 mit zwei Eingangselementen (Antriebsrad 19, Stellwelle 21) und einer Abtriebswelle (Nockenwelle 23). Das Antriebsrad 19 steht in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Antriebsrad 19 auch hier als Kettenrad ausgebildet sein kann.
Das Vorübersetzungsgetriebe 15 befindet sich auch in dieser Ausführungsform auf der der Nockenwelle 23 abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17, dessen Planetensatz 2 (Welle B) ist mit der Stellwelle 21 des Verstellgetriebes 17 verbunden. Die Sonne 1 steht mit der Motorwelle 25, der Planetensatz mit den Planetenrädern 2 mit der Stellwelle 21 in Verbindung. Das Hohlrad 3 ist fest mit dem Gehäuse verbunden. Die Motorwelle 25 ist über ein Schieberad 29 mit der Sonne 1 verbunden. Vom Schieberad 29 geht ein Schalthebel 30 ab, welcher auf einem Gelenk gelagert ist. Durch die Einwirkung einer entsprechenden Kraft F auf den Schalthebel 30 wird das Schieberad 29 in axialer Richtung in Bewegung gesetzt. Das Schieberad 29 verschiebt die Sonne 1 in Richtung eines Kupplungsrades 31, welches in axialer Linie mit der Stellwelle 21 liegt und mit ihr verbunden ist (Abb. b). Die Stellwelle 21 wird dann im Normalbetrieb direkt von der Motorwelle 25 angetrieben.
Diese Funktionsweise kann in einer anderen Ausführungsform beispielsweise durch eine komplette Verschiebung der Elektromotorwelle 25 realisiert werden.
Die Gesamtuntersetzung für die Vorpositionierung der Nockenwelle 23 beträgt auch in diesem Beispiel mit den oben angegebenen Getriebemerkmalen 5·–60 = –300, bei einem einfachen Planetensatz mit i_AB = 5.
4 zeigt in schematischer Darstellung eine dritte Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers 13 mit dem Vorübersetzungsgetriebe 15, welches als Planetengetriebe ausgeführt ist. Der Nockenwellenversteller 13 umfasst in zu vor beschriebener Weise das Verstellgetriebe 17 mit zwei Eingangselementen, hier mit einem Antriebsrad 19 und einer Stellwelle 21, und einer Abtriebswelle die hier eine Nockenwelle 23 ist. Das Antriebsrad 19 steht in Antriebsverbindung mit der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Antriebsrad 19 wie oben gezeigt auch als Kettenrad ausgebildet sein kann.
Das Vorübersetzungsgetriebe 15 befindet sich auf der der Nockenwelle 23 abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17. Das Hohlrad 3 ist mit der Stellwelle 21 des Verstellgetriebes 17 verbunden, die Sonne 1 ist mit der Motorwelle 25, der Planetenradsatz 2 mit der Welle B und dem Aktuator 27 verbunden.
Der Normalbetrieb des Nockenwellenverstellers wird durch das Sperren der Welle B gegenüber der Motorwelle 25 (Welle A) realisiert, in dem man die Drehzahl nA = nB setzt, d. h. Die Planetenräder 2 drehen sich dann nicht um ihre eigenen Achsen, sondern nur um die Drehachse der Motorwelle 25, wobei der Kupplungszustand bei nA = nC entsteht, wenn die Übersetzung nA/nC = 1 ist.
Die Gesamtuntersetzung für die Vorpositionierung der Nockenwelle 23 beträgt hiermit in dieser Ausführungsform –4·–60 = +240, wobei dies bei einer Untersetzung des Vorübersetzungsgetriebes von i_AC = –4 realisiert wird.
Eine Alternative zum Sperren des Planetenradsatzes gegenüber der Sonne 1 ist das Verschieben des Planetenträgers, durch Einspuren kommt es zu einer Vorübersetzung und durch das flusspuren entfällt im Normalbetrieb das Massenträgheitsmoment des Planetenträgers.
In den 5 bis 8 sind bevorzugte Ausführungsformen eines Nockenwellenverstellers 13 mit nicht schaltbaren Vorübersetzungen dargestellt. Solche feste Vorübersetzungen lassen sich mittels einfacher Zahnradstufen über eine dauerhafte Kupplung zwischen einem Elektromotor 24 und dem Verstellgetriebe 17 realisieren. Solche Zahnradstufen können beispielsweise Hohlrad/Stirnradstufe, Stirnrad-/Stirnradstufe oder Schneckenradstufe sein. Vorteile solcher Vorübersetzungen sind der einfache Aufbau und die geringen Kosten, außerdem ist hier kein zusätzlicher Aktuator zum Schalten der Kupplung erforderlich. Es liegt aber trotzdem im Rahmen der Erfindung, diese einfachen Getriebestufen des Vorübersetzungsgetriebes über eine schaltbare Kupplung mit dem Verstellgetriebe zu verbinden.
In 5 ist eine schematische Darstellung eines vierten Ausführungsbeispiels eines Nockenwellenversteller 13 dargestellt. Der Nockenwellenversteller 13 umfasst den Elektromotor 24 und das Verstellgetriebe 17, welches zwei Eingangselemente – (Antriebsrad 19, Stellwelle 21) und eine Abtriebswelle (Nockenwelle 23) aufweist. Der Elektromotor 24 befindet sich auf der der Nockenwelle abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17 und stützt sich beispielsweise an einer Wandung 32 eines nicht dargestellten Zylinderkopfs ab. Hierbei ist die Motorwelle 25 des Elektromotors 24 parallel zu der Längsachse der Nockenwelle 23 angeordnet. Um diese Anordnung zu ermöglichen, ist in dem Verstellgetriebe 17 eine Getriebestufe mit einem Achsversatz zwischen Antriebs- und Abtriebswelle einzusetzen.
6 zeigt eine fünfte bevorzugte Ausführungsform mit einer nicht schaltbaren Vorübersetzung, wobei der Elektromotor 24 auf der der Nockenwelle 23 abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17 angeordnet ist, wobei die Motorwelle 25 von der Nockenwelle 23 weg weist und parallel zur Längsachse der Nockenwelle 23 angeordnet ist. Die Verbindung zwischen Motorwelle 25 und Stellwelle 21 wird über eine Getriebestufe 33 realisiert, die auf der der Nockenwelle 23 abgewandten Seite der Wandung 32 angeordnet ist. Dabei ist der Elektromotor 24 in einer Ausnehmung des Gehäuses des Verstellgetriebes 17 befestigt und die Stellwelle 21 wird durch die Wandung 32 auf der der Nockenwellen abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17 durchgeführt.
In 7 ist eine sechste Ausführungsform dargestellt, welche die wesentlichsten Elemente der vorhergehenden Ausführungsformen besitzt. Die Besonderheit hier ist die Position der Getriebestufe die in diesem Fall außerhalb eines Zylinderkopfs angeordnet ist. Im Zylinderkopf ist eine Ausnehmung vorgesehen, die ein Gehäuse 34 des Elektromotors 24 teilweise aufnimmt. Die Motorwelle 25 des Elektromotors 24 ist parallel zu der Längsachse der Nockenwelle 23 ausgerichtet. Das Gehäuse 34 des Elektromotors 24 ist in dem dargestelltem Längsschnitt U-förmig ausgebildet, wobei durch die Seitenschenkel des U-förmigen Gebildes eine Abstützung der Motorwelle 25 des Elektromotors 24 erfolgt auf welcher ein Stirnrad 37 angeordnet ist. Auf der Nockenwellen zugewandten Seite ist ein weiteres Stirnrad 38 drehfest an der Nockenwelle 23 angebracht, welches mit dem Stirnrad 37 auf der Motorwelle 25 in Wirkverbindung steht.
8 zeigt eine siebte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenstellers 13, die der in 7 beschriebenen sehr nahe kommt. Der Unterschied liegt in der Bauform des Gehäuses 34 des Elektromotors 24. Der Elektromotor 24 ist in der Wandung 32 des Zylinderkopfes fest angebracht, wobei seine Motorwelle 25 in die Richtung der der Nockenwelle abgewandten Seite des Verstellgetriebes 17 weist. Auch hier wird eine Vorübersetzung mittels einfacher Getriebestufe (Stirnräder 37, 38) realisiert.

1: Sonne
2: Planetensatz
3: Hohlrad
13: Nockenwellenversteller
15: Vorübersetzungsgetriebe
17: Verstellgetriebe
19: Antriebsrad
21: Stellwelle
23: Nockenwelle
24: Elektromotor
25: Motorwelle
26: Welle
27: Aktuator
29: Schieberad
30: Schalthebel
31: Kupplungsrad
32: Wandung
33: Getriebestufe
37: Stirnrad
38: Stirnrad

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- WO 2006/018080 [0002]
- WO 2005/080757 [0002]
- US 2007/0051332 A1 [0002]
- US 2003/0226534 A1 [0002]
- DE 10352255 A1 [0005]
- DE 102006007584 A1 [0006]

Claims

Nockenwellenversteller (13) zur Verstellung der Phasenlage einer Nockenwelle (23) und/oder einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe (17), welches ein Antriebsteil, ein Abtriebsteil und eine Verstellwelle (21) zur Verstellung des Antriebsteils aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass es ein Gesamtuntersetzungsverhältnis von mehr als 1:120 oder 1:–120 aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass er ein Vorübersetzungsgetriebe (15) umfasst.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) zwischen der Verstellwelle (21) und einer Motorwelle (25) eines dem Antrieb der Stellwelle (21) dienenden Elektromotors (24) angeordnet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) zwischen dem Antriebsteil und der Stellwelle (21) angeordnet ist und ein Untersetzungsverhältnis von mehr als 1:2 oder 1:–2 aufweist.
Nockenwellenversteller, nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) durch eine schaltbare Kupplung vom Verstellgetriebe (17) trennbar ist, wobei in ausgekuppeltem Zustand die Stellwelle (21) vom Elektromotor (9) angetrieben wird.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung in Abhängigkeit einer Drehzahl der Nockenwelle (23), der Kurbelwelle, der Stellwelle (21) oder einer Differenzdrehzahl schaltbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung momentabhängig, verstellbereichsabhängig, zeitabhängig oder verstellrichtungsabhängig schaltbar ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass des Antriebsteil drehfest mit der Kurbelwelle und das Abtriebsteil drehfest mit der Nockenwelle (23) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) auf der der Nockenwelle (23) abgewandten Seite angeordnet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) ein Planetengetriebe mit einer Sonne (1), einem koaxial angeordneten Hohlrad (3) und mehreren zwischen Sonne (1) und Hohlrad (3) angeordneten Planetenrädern (2) ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass bei aktivem Vorübersetzungsgetriebe (15) die Motorwelle (25) mit der Sonne (1) und die Stellwelle (21) mit den Planetenrädern (2) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Sonne (1) axialverschiebbar ist und die Stellwelle (21) mit den Planetenrädern (2) und mit einem Kupplungsrad (31) verbunden ist, wobei die Sonne (1) entweder mit den Planeten (2) oder mit dem Kupplungsrad (31) in Wirkverbindung steht.
Nockenellenversteller nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Motorwelle (25) schaltbar mit der Sonne (1) oder den Planetenrädern (2) in Wirkverbindung steht, während die Stellwelle (21) mit dem Hohlrad (3) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (2) axial verschiebbar sind.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorübersetzungsgetriebe (15) als Einzelzahngetriebe, Wellgetriebe, Innen-/Aussenexzentergetriebe, Wolfromgetriebe, Planoflexgetriebe oder Taumelscheibengetriebe, Koppelgetriebe, Vorgelegegetriebe, einfaches Stirnradgetriebe, Kegelrad-, Schnecken-/Schrauben-, Zugmittelgetriebe oder Reibradgetriebe ausgeführt ist