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Die
Erfindung betrifft eine Stellvorrichtung zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses
einer Verbrennungskraftmaschine nach dem Oberbegriff von Patentanspruch
1. Die Erfindung betrifft zudem eine Verbrennungskraftmaschine nach
dem Oberbegriff von Patentanspruch 10.
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Möglichkeiten
zur Darstellung einer solchen Stellvorrichtung zur Verstellung eines
Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
sind bereits bekannt. In der
EP 1 178 194 B1 wird beispielsweise zu dem
Zweck der Verstellung des Verdichtungsverhältnisses der
Verbrennungskraftmaschine ein Antrieb einer Exzenterwelle mittels
eines Schneckentriebes offenbart. Des Weiteren wird der Antrieb
der Exzenterwelle über eine Schubstange auf ein Kulissenstein
vorgeschlagen. Aus der
DE
198 41 381 A1 ist ein solcher Antrieb mittels Stirnrädern
bekannt. Die
DE
10 2005 020 270 A offenbart für diesen Zweck ein
Planetenradgetriebe.
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Beim
Volllastbetrieb einer Verbrennungskraftmaschine, die ein verstellbares
Verdichtungsverhältnis aufweist, treten an einer Verstellwelle
zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses, die insbesondere
als eine Exzenterwelle ausgeführt ist, große Wechselmomente
auf. Diese resultieren einerseits aus Massenkräften der
Komponenten der Verbrennungskraftmaschine, insbesondere aus denen
der Kolben, andererseits aus den Gaskräften. Die Nulldurchgänge
des Verlaufs der Wechselmomente führen in einer Stellvorrichtung,
die zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine
neben der Verstellwelle auch eine Mehrzahl an Getriebeelementen,
insbesondere Zahnräder, aufweist, zu Anlagewechseln von
Zahnflanken der Zahnräder. Dadurch werden die Zähne
der Zahnräder stark auf Zahnfußbruch beansprucht
und es entsteht ein für das menschliche Empfinden unangenehmes
Geräusch.
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Die
zuvor genannten Stellvorrichtungen sind in der Regel spielbehaftet
und zeigen daher die genannten Nachteile auf.
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Es
ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Stellvorrichtung
der eingangs genannten Art zu entwickeln, die einen verschleiß-
und geräuscharmen Betrieb realisiert und nur einen geringen
Bauraum beansprucht.
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Diese
Aufgabe wird durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs
1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen mit zweckmäßigen und
nicht-trivialen Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen
Ansprüchen angegeben.
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Eine
solche erfindungsgemäße Stellvorrichtung zur Verstellung
eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
weist ein Zahnrad auf, dass drehfest mit einer Verstellwelle, insbesondere
eine Exzenterwelle, verbunden ist, mittels welchen das Verdichtungsverhältnis
der Verbrennungskraftmaschine verstellbar ist, wobei zwischen einer Verzahnung
des Zahnrads und der Exzenterwelle eine in Drehrichtung elastische
Verbindung vorgesehen ist. Durch die elastische Verbindung werden
die Wechselmomente, die bei einem Volllastbetrieb der Verbrennungskraftmaschine
an der Exzenterwelle auftreten vermindert, da die Exzenterwelle
nicht starr festgehalten wird, sondern mittels des Zahnrades drehweich über
ein Gehäuse der Stellvorrichtung an ein Zylinderkurbelgehäuse
der Verbrennungskraftmaschine angekoppelt wird. Dadurch werden Anlagewechsel
von Zahnflanken von Zahnrädern der Stellvorrichtung reduziert,
die den Grund für einen geräuschbehafteten Betrieb
der Stellvorrichtung darstellen und ebenso den Verschleiß erhöhen.
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Die
Verstellwelle kann auch anderweitig ausgeführt sein als
eine Exzenterwelle. Auch kann sie beispielsweise mit mehr als einem
Zahnrad in Verbindung stehen.
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In
einer bevorzugten Ausführungsform der Stellvorrichtung
ist die Verbindung zwischen dem Zahnrad und der Exzenterwelle durch
einen Teilbereich des Zahnrades gebildet. Dies reduziert die Teilezahl
im Gegensatz zu einer mehrteiligen elastischen Verbindung und spart
somit Kosten und Zeit, besonders bei der Montage.
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Ein
weiterer Vorteil ergibt sich daraus, dass die so erreichte weitgehende
Eliminierung der Wechselmomente eine schwächere Auslegung
der Stellvorrichtung ermöglicht. Sie kann daher kleiner,
leichter und kostengünstiger gestaltet werden.
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Dieser
Aspekt wird weiter verstärkt, wenn die Verbindung zwischen
Zahnrad und Exzenterwelle durch eine Speichenanordnung gebildet
wird, die eine Mehrzahl von elastischen Speichen aufweist. Dadurch
ist auf der einen Seite die einteilige Ausführung ermöglicht,
auf der anderen Seite kann weiter Gewicht gespart werden, da es
sich nicht um eine massive Verbindung handelt. An dieser Stelle
sei erwähnt, dass mehrteilige und/oder massive Verbindungen
zwischen dem Zahnrad und der Exzenterwelle allerdings dennoch denkbar
sind.
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Die
Elastizität der Speichen ist dabei einstellbar durch eine
entsprechende Gestaltung der Speichenform, insbesondere im Hinblick
auf die Wandstärke der Speichen in Umfangsrichtung des
Zahnrades. Eine weitere Gestaltungsmöglichkeit bietet der Werkstoff
des Zahnrades beziehungsweise bei einteiliger Ausführung
der Speichen. Durch ihn kann ebenfalls die Elastizität
und damit das Verhalten des Zahnrades gegenüber der Exzenterwelle
eingestellt werden. Bei diesem Aspekt ist es denkbar, dass bei mehrteiliger
Ausführung der Verbindung die Speichen durchaus aus einem
anderen Material sein können, als das Zahnrad selbst. Des
Weiteren ist vorstellbar, dass, insbesondere bei einer dreiteiligen Ausführung,
folgende Teile vorgesehen sind, die gegebenenfalls aus unterschiedlichen
Materialien bestehen können: Zahnkranz, Speichenanordnung, Verbindungselement.
Wie gesagt ist es allerdings möglich, dass mehr oder weniger
Teile vorgesehen sind.
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Eine
weitere Reduzierung der Wechselmomente und damit eine weitere Reduzierung
der Baugröße wird dadurch erreicht, dass die Stellvorrichtung
in der bevorzugten Ausführungsform ein Schwungrad aufweist,
das mit der Exzenterwelle beziehungsweise der Verstellwelle verbunden
ist. Dieses Schwungrad verhindert, das die Exzenterwelle Anregungen
der Verbrennungskraftmaschine unmittelbar folgen kann, obwohl sie
elastisch mit dem Zahnrad verbunden ist.
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Weiterhin
ist es äußerst vorteilbehaftet, wenn das Schwungrad
seinerseits selbst eine in Drehrichtung elastische Verbindung mit
der Exzenterwelle eingeht. So kann es bei einer Annäherung
an eine maximale Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine zunehmend
gegenphasig zur Anregung durch die Verbrennungskraftmaschine schwingen.
Es stellt dann quasi einen Schwingungstilger dar, der Anregungen
der Exzenterwelle weitgehend von den Zähnen der Zahnräder
der Stellvorrichtung fern hält.
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Die
so realisierten leichten Drehschwingungen der Exzenterwelle führen
zu einem Aufbau eines hydrodynamischen Schmierfilms in Lagern der
Exzenterwelle, die dadurch tragfähiger werden. Zudem werden
unangenehme Geräusche der Stellvorrichtung durch einen
Anlagewechsel der Zahnräder vermieden.
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Die
vorteilige Gestaltung zwischen dem Schwungrad und der Exzenterwelle
durch eine Speichenanordnung, die eine Mehrzahl von elastischen Speichen
aufweist, kann auch hier mit allen in diesem Zusammenhang beschriebenen
Vorteilen angewendet werden.
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Eine
weitere Reduzierung des nötigen Bauraums der Stellvorrichtung
kann dadurch erreicht werden, dass das Zahnrad das Schwungrad zumindest
teilweise umfasst. Das Schwungrad wird also quasi in das Zahnrad
integriert. Dieser zusätzliche Bauraumgewinn macht eine
Unterbringung der Stellvorrichtung an der Verbrennungskraftmaschine
und in einem Motorraum eines Kraftwagens bedeutend einfacher.
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Weitere
Vorteile, Merkmale und Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus
der nachfolgenden Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels
sowie anhand der Zeichnungen. Die vorstehend in der Beschreibung
genannten Merkmale und Merkmalskombinationen sowie die nachfolgend
in der Figurenbeschreibung genannten und/oder in den Figuren alleine
gezeigten Merkmale und Merkmalskombinationen sind nicht nur in der
jeweils angegeben Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen
oder in Alleinstellung verwendbar, ohne den Rahmen der Erfindung
zu verlassen. Die Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
perspektivische Ansicht einer Stellvorrichtung zur Verstellung eines
Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
mit einer Verstellwelle, Getriebeelementen und einem Antrieb,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines Zahnrades einer Stellvorrichtung zur
Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
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3 eine
perspektivische Ansicht eines Schwungrades einer Stellvorrichtung
zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine,
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4 eine
perspektivische Ansicht eines in ein Zahnrad integriertes Schwungrades
einer Stellvorrichtung zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses
einer Verbrennungskraftmaschine,
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5 eine
perspektivische Explosionsansicht eines Schwungrades, eines Zahnrades
und abschnittsweise einer Exzenterwelle einer Stellvorrichtung zur
Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
mit Verbindungselementen und
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6 einen
Verlauf des Drehmomentes einer Verstellwelle einer Stellvorrichtung
zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
dargestellt über der Zeit.
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Während 1 eine
Zusammenbaudarstellung einer Stellvorrichtung zur Verstellung eines
Verdichtungsverhältnisses einer Verbrennungskraftmaschine
zeigt, ist in 2 ein Zahnrad für eine
derartige Stellvorrichtung dargestellt, das ein in 3 gezeigtes
Schwungrad aufnehmen kann, wodurch das in 3 gezeigte
Schwungrad quasi in das in 2 gezeigte
Zahnrad integrierbar ist. Zudem zeigt 4 eben diese
integrierte Zusammenbauweise, während 5 die
Befestigung des Schwungrades im Zahnrad und diese wiederum auf einer
Exzenterwelle durch Verbindungselemente verdeutlicht. 6 legt einen
Verlauf eines Drehmoments einer Verstellwelle, insbesondere einer
Exzenterwelle, über der Zeit dar, an welchem die Notwendigkeit
einer Reduzierung eines Wechselmoments deutlich wird.
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Eine
in 1 gezeigte Stellvorrichtung 10 weist
ein Zahnrad 12 auf, das als Stirnrad ausgeführt ist.
Das Zahnrad 12 ist mit einer Exzenterwelle 14 verbunden.
Die Verbindung geschieht über eine Speichenanordnung, die
mehrere elastische Speichen 18 aufweist.
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Durch
eine schmale Gestaltung der Speichen 18 ist eine drehweiche
Verbindung zwischen dem Zahnrad 12 und der Exzenterwelle 14 realisiert. Des
Weiteren ist in 1 zu sehen, dass ein Schwungrad 22 ebenfalls
mit der Exzenterwelle 14 verbunden ist. Auch hier geschieht
diese Verbindung über eine Speichenanordnung, die mehrere
elastische Speichen 22 aufweist. Dadurch ist ebenfalls eine
drehweiche Verbindung des Schwungrades 16 gegenüber
der Exenterwelle 14 ermöglicht.
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Das
Zahnrad 12 und das Schwungrad 16 sind in diesem
Fall einteilig ausgeführt, es ist aber auch möglich,
beide oder nur eines der genannten Räder zwei- oder mehrteilig
auszuführen. In axialer Richtung sind das Zahnrad 12 und
das Schwungrad 16 einerseits durch einen nicht dargestellten
Bund und andererseits durch eine Lagerscheibe 24 und eine
Verschraubung 20 festgelegt.
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Die
Exzenterwelle 14 wird über das Zahnrad 12 und
weitere Zahnräder 26 durch einen elektrischen
Motor 28 angetrieben, das heißt verdreht. Dadurch
kann ein Verdichtungsverhältnis einer nicht dargestellten
Verbrennungskraftmaschine verstellt werden.
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Eine
andere Anzahl an Zahnrädern und/oder eine andere Form des
Antriebs sind selbstverständlich möglich.
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2 bietet
eine noch deutlichere Ansicht der Speichenanordnung, über
die das Zahnrad 12 mit der Exzenterwelle 14 aus 1 in
Verbindung steht, die in diesem Fall sechs elastische Speichen 18 aufweist.
Eine andere Zahl oder Gestaltungsform dieser Speichen ist denkbar. Über
eine Nabe 30 des Zahnrades 12 ist das Zahnrad 12 mit
der Exzenterwelle 14 verbindbar. Diese Verbindung geschieht
in der Regel über Aufschrumpfen des Zahnrades 12 auf
einen entsprechenden Bereich der Exzenterwelle 14. Andere Verbindungsmöglichkeiten,
etwa eine Verbindung mittels Schraubelementen, sind aber auch möglich.
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3 hebt
eine mögliche Gestaltungsform des Schwungrades 16 hervor.
Auch das Schwungrad 16 ist mit der Exzenterwelle 14 über
eine Speichenanordnung, die in dieser Ausführungsform ebenfalls sechs
elastische Speichen 22 aufweist, verbunden. Auch hier ist
eine von der in 3 dargestellten Ausführungsform
abweichenden Gestaltung und/oder Anzahl der Speichen möglich.
Wie auch das Zahnrad 12 wird das Schwungrad 16 über
eine Nabe 32, etwa durch Aufschrumpfen, mit der Exzenterwelle 14 verbunden.
Eine entsprechend schmale Gestaltung der Speichen 22 und
eine entsprechende Wahl des Werkstoffs der Speichen 22 bietet
Beeinflussungsmöglichkeiten hinsichtlich der Elastizität
der Speichen 22 und somit der Reduzierung von Wechselmomenten
und damit des Geräuschs und des Verschleiß der
Zahnräder 12, 26 der Stellvorrichtung 10.
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4 zeigt
das Zahnrad 12 und das Schwungrad 16 in zusammengebauter
Form. Dabei umfasst das Zahnrad 12 das Schwungrad 16 an
drei von vier Seiten. Das Schwungrad 16 ist somit in das Zahnrad
integriert. Dabei ist eine stärkere oder weniger starke
Umfassung des Schwungrads 16 durch das Zahnrad 12 durchaus
vorstellbar. Weiterhin zu sehen ist, dass das Zahnrad 12 und
das Schwungrad 16 in einer axialen Richtung über
die Lagerschale 24 durch die Verschraubung 20 festgelegt
ist. In der anderen axialen Richtung ist eine Festlegung über
einen in dieser Ansicht nicht erkennbaren Bund realisiert.
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Die
Explosionsdarstellung in 5 verdeutlicht die Verbindung
der beschriebenen Elemente und ihre Verbindung zur Exzenterwelle 14.
Das Zahnrad 12 und das Schwungrad 16 werden mit
ihren jeweiligen Naben 30, 32 auf einen im Außendurchmesser
zu den Innendurchmessern der Naben 30, 32 korrespondierenden
Wellenstumpf 36 aufgeschoben. Die Festlegung des Zahnrades 12 und
des Schwungrades 16 kann beispielsweise durch Aufschrumpfen erfolgen.
Es ist aber auch eine andere Festlegung, etwa durch eine Verzahnung
oder eine Passfeder oder Ähnliches möglich.
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In
axialer Richtung wird das Zahnrad 12 durch einen Bund 34 der
Exzenterwelle 14 festgelegt, indem eine entsprechende Fläche
des Zahnrades 12 an dem Bund 34 anliegt. Weiterhin
wird das Schwungrad 16 in dieselbe axiale Richtung dadurch festgelegt,
dass eine entsprechend dafür vorgesehene Fläche
an einer korrespondierenden Fläche des Zahnrades 12 ebenfalls
anliegt.
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Dabei
ist aber auch denkbar, dass ein Abstandshalter verbaut wird. In
die der ersten axialen Richtung entgegen gesetzten axialen Richtung
werden das Zahnrad 12 und das Schwungrad 16 über die
Lagerscheibe 24 und die Verschraubung 20 festgelegt,
wobei die Verschraubung 20 in ein in die Exzenterwelle 14 eingebrachtes
Innengewinde eingeschraubt und über einen Außensechskant
festgezogen wird. Andere Befestigungselemente als eine Verschraubung,
andere Schraubelemente und/oder andere Werkzeugan- beziehungsweise
Werkzeugeingriffe als ein Außensechskant, wie hier dargestellt
ist, sind selbstverständlich ebenso möglich. Auch
können das Zahnrad 12 und das Schwungrad 16 separat und
nicht über eine gemeinsame Verbindungsvorrichtung festgelegt
werden, was sowohl die axiale auch die radiale Richtung angeht.
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6 stellt
ein Momentenverlauf der Exzenterwelle über der Zeit dar.
Man kann daraus die Probleme für eine Stellvorrichtung
gut erkennen. Speziell die Nulldurchgänge und die hochfrequente
Anregung mit der zweiten Motorordnung wirken sich stark negativ
auf den Verschleiß und das Geräusch der Stellvorrichtung
zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses der Verbrennungskraftmaschine
aus, was die Notwendigkeit der Reduzierung dieses Wechselmomentes
klar verdeutlicht.
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- 10
- Stellvorrichtung
- 12
- Zahnrad
- 14
- Exzenterwelle
- 16
- Schwungrad
- 18
- Speichen
- 20
- Verschraubung
- 22
- Speichen
- 24
- Lagerscheibe
- 26
- Zahnräder
- 28
- elektrischer
Motor
- 30
- Nabe
- 32
- Nabe
- 34
- Bund
- 36
- Wellenstumpf
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- - EP 1178194
B1 [0002]
- - DE 19841381 A1 [0002]
- - DE 102005020270 A [0002]