DE102009037403A1

DE102009037403A1 - Elektrischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102009037403A1
Application number: DE102009037403A
Authority: DE
Inventors: Falko Arnold; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2009-08-13
Filing date: 2009-08-13
Publication date: 2011-02-17
Anticipated expiration: 2029-08-14
Also published as: DE102009037403B4

Abstract

Elektrischer Nockenwellenversteller (1) mit einem durch einen Elektromotor (7) über eine zwischengeschaltete Kupplung (9) mit einem axialen Kupplungsspiel antreibbaren Verstellgetriebe (3), welches als ein Wellgetriebe in Topfbauart ausgeführt ist, wobei durch eine Steuerscheibe (11) ein Abtriebselement (5) elastisch deformierbar ist, wobei die Steuerscheibe (11) mittels axialer Führungen (21, 23) in einer axial definierten Position so gehalten wird, dass eine axiale Beweglichkeit der Steuerscheibe (11) geringer ist als das Kupplungsspiel.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektrisch angetriebenen Nockenwellenversteller gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Zur relativen Verstellung der Winkelstellung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors sind im Stand der Technik verschiedene Möglichkeiten bekannt. Grundsätzlich sind elektrische und hydraulische Verstellsysteme bekannt. Bei den elektrisch angetriebenen Nockenwellenverstellsystemen gilt es, das relativ niedrige Drehmoment der elektrischen Verstelleinheit, beispielsweise eines Antriebsmotors oder einer Bremsvorrichtung, das bei hoher Drehzahl zur Verfügung steht, in eine Drehbewegung mit hohem Drehmoment zu wandeln; ein solches hohes Drehmoment ist für die Verstellung der Nockenwelle nötig. Hierfür ist es bekannt, Summiergetriebe als Verstellgetriebe einzusetzen. Ein solches Getriebe weist ein kurbelwellenfestes Antriebsrad auf. Der Abtrieb erfolgt über einen nockenwellenfesten Getriebeabgang. Die Differenzleistung des Getriebes, die zur Verstellung in die eine oder andere Drehrichtung eingekoppelt werden muss, wird über eine dritte Welle, die Verstellwelle, des Getriebes eingeleitet. Ein elektrischer Nockenwellenversteller dieser Art ist aus der DE 102 48 355 A1 bekannt. Offenbart ist eine Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der relativen Drehwinkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle, wobei ein Dreiwellengetriebe als Verstellgetriebe zum Einsatz kommt, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwolle eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbundenen Verstellwelle aufweist. Der Verstellmotor ist hier als bürstenloser Gleichstrommotor mit einem gehäusefesten Stator und einem Dauermagnetrotor ausgebildet. Als Verstellgetriebe kommt ein Doppelexzentergetriebe bzw. ein Doppelplanetengetriebe zum Einsatz, wobei hier eine Untersetzung bis zu 1:250 vorgesehen ist.
Die Relativverstellung der Nockenwelle zur Kurbelwelle wird auch in anderen Druckschriften beschrieben, wobei gleichermaßen Verstellgetriebe zum Einsatz kommen, die von einem Elektromotor betätigt werden können. Die EP 1 039 101 A2 setzt als Verstellgetriebe ein Harmonic-Drive-Getriebe ein. Dieses Getriebe arbeitet mit einer dünnen, elastisch verformbaren, verzahnten Hülse, wobei die Verzahnung der Hülse mit einem Hohlrad kämmt. Damit ist eine kompakte Bauart des Verstellgetriebes bei einem großen Untersetzungsverhältnis möglich. Die EP 1 039 100 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit einem Antriebsrad zum Antrieb einer Nockenwelle das koaxial zur Nockenwelle angeordnet ist, sowie mit einem Elektromotor zur Verdrehung der Nockenwelle in Bezug auf das Antriebsrad wobei der Elektromotor zwei konzentrisch zueinander angeordnete Rotoren aufweist, von denen einer mit der Nockenwelle und der andere mit dem Antriebsrad in Verbindung steht. Eine einfache und sichere Verstellung wird dadurch erreicht, dass mit einem der Rotoren eine erste Spulenanordnung verdrehfest verbunden ist, die mit einer feststehenden Spulenanordnung in elektromagnetischer Wechselwirkung steht, um die für den Betrieb des Elektromotors erforderliche Energie zu induzieren oder zu übertragen.
DE 10 2005 018 956 A1 Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur elektrischen Verstellung der relativen Drehwinkellage zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem Verstellgetriebe, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstelleinheitswelle einer elektrischen Verstelleinheit drehfest verbundene Verstellwelle aufweist. Um eine einfachere Bauart zu erreichen, die sich zudem durch einen ruhigen Lauf auszeichnet, ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Verstellwelle radial schwimmend angeordnet ist.
Die EP 1 832 718 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Verstellen der Drehlage wenigstens einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zur Drehlage einer die Nockenwelle antreibenden Welle mit wenigstens einem Verstellmotor zum Erzeugen einer Verstellbewegung zum Verstellen der Drehlage der Nockenwelle relativ zur Drehlage der Welle und mit wenigstens einem Getriebe in Art eines Überlagerungsgetriebes, welches wenigstens zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist, wobei die Abtriebswelle des Verstellmotors auf den einen Eingang und die Antriebswelle auf den anderen Eingang wirkt und die daraus resultierende Drehbewegung über den Ausgang auf die Nockenwelle wirkt, und der Verstellmotor ortsfest bezüglich des Verbrennungsmotors gehalten ist. Erfindungsgemäß ist das Getriebe ein Spannungswellengetriebe und es sind Mittel zum Ausgleichen der Differenz zwischen der Drehzahl an zumindest dem mit der Antriebswelle wirkverbundenen Eingang des Spannungswellengetriebes und seinem Drehzahlanteil am Ausgang des Spannungswellengetriebes vorgesehen.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen besonders betriebssicheren elektrischen Nockenwellenversteller anzugeben.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Angabe eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit einem durch einen Elektromotor über eine zwischengeschaltete Kupplung mit einem axialen Kupplungsspiel antreibbaren Verstellgetriebe, welches als ein Wellgetriebe in Topfbauart ausgeführt ist, wobei durch eine Steuerscheibe ein Abtriebselement elastisch deformierbar ist und wobei die Steuerscheibe mittels axialer Führungen in einer axial definierten Position so gehalten wird, dass eine axiale Beweglichkeit der Steuerscheibe geringer ist als das Kupplungsspiel.
Die Erfindung geht dabei von der Erkenntnis aus, dass bei einem Wellgetriebe in Topfbauweise anders als bei einer Ausführung in Flachbauweise oder bei einer anderen Getriebeart eine Axialkraft auftritt, die zu eine Verschiebung der Steuerscheibe führt. Kombiniert man nun ein solches Wellgetriebe in Topfbauweise mit einer Kupplung, die ein nennenswertes Axialspiel aufweist, kann es zu einer unzulässig hohen Verschiebung im Wellgetriebe kommen. Hierdurch können Eingriffskräfte unzulässig geändert oder aber Reibung und Verschleiß an unerwünschten, nicht definierten Positionen auftreten, was die langfristige Betriebssicherheit beeinträchtigt. Ausgehend von dieser Beobachtung sieht die Erfindung nun eine axiale Begrenzung der Steuerscheibenbeweglichkeit in Form von Anschlägen vor. Trotz der strengen Tendenz bei Nockenwellenverstellern, wie auch sonst im Motorbau, hin zu maximaler Gewichtsersparnis und geringer, insbesondere axialer, Baugröße geht die Erfindung den Weg, zusätzliche Bauelemente zur Erhöhung der Betriebssicherheit vorzusehen.
Vorzugsweise sind die axialen Führungen so eingestellt, dass für die Steuerscheibe ein axiales Spiel verbleibt. Dadurch wird einerseits die axiale Beweglichkeit ausreichend begrenzt, andererseits aber vermieden, dass es zu einer zu hohen Reibung zwischen Steuerscheibe und Anschlägen kommt.
Bevorzugtermaßen wirkt die axiale Führung zumindest auf einer Seite nur im Außenbereich der Steuerscheibe. Bevorzugt wirkt die axiale Führung zumindest auf einer Seite nur im Innenbereich der Steuerscheibe. Vorzugsweise wirkt die axiale Führung zumindest auf einer Seite nur im Bereich eines Lagers der Steuerscheibe.
Je nach Auslegung und konkreter Ausführung des Wellgetriebes kann statt einer großflächigen Anlage der axialen Führung eine z. B. auf einen schmalen Ringbereich begrenzte Anlage sinnvoll sein. Insbesondere die Art der Lager der Steuerscheibe ist hierbei zu berücksichtigen. Speziell bei einer Rollenlagerung statt einer Kugellagerung kann eine Anlage der axialen Führung im Bereich des Lagers sinnvoll sein.
Bevorzugtermaßen ist die Kupplung als eine Oldham-Kupplung ausgeführt. Eine solche an sich bekannte Oldham-Kupplung hat z. B. hinsichtlich Baugröße, Gewicht und Montage Vorteile. Ihre Bauart bedingte Beweglichkeit lässt aber eine ausreichende Begrenzung des Axialspiels für das Wellgetriebe aber gerade nicht zu, so dass hier den axialen Führungen eine besondere Bedeutung zukommt.
Vorzugsweise sind die vordere axiale Führung und das Abtriebselement so positioniert und dimensioniert, dass es in keinem Betriebszustand zu einem Kontakt dieser Bauteile kommt. Das sich topfartig erstreckende Abtriebselement könnte grundsätzlich mit der vorderen axialen Führung in Berührung kommen, was zu einem erhöhten Verschleiß und zu einem reduzierten Wirkungsgrad des Getriebes führen würde. Daher werden die Dimensionierungen so eingestellt, dass das Abtriebselement zwar vollständig mit der Steuerscheibe im Eingriff ist, aber gerade nicht mehr an der vorderen Führung schleifen kann.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1: Eine schematische Darstellung eines elektrisch angetriebenen Nockenwellenverstellers mit einem als Wellgetriebe ausgeführten Verstellgetriebe.
2: Eine Darstellung eines elektrisch angetriebenen Nockenwellenverstellers mit einem als Wellgetriebe ausgeführten Verstellgetriebe im Längsschnitt.
3–6: Weitere Ausführungsformen eines elektrisch angetriebenen Nockenwellenverstellers mit einem als Wellgetriebe ausgeführten Verstellgetriebe mit unterschiedlichen Formen eines axialen Anschlages.
1 zeigt eine Prinzipskizze, die den grundsätzlichen Aufbau eines Nockenwellenverstellers 1 zeigt, der durch einen Elektromotor 7 angetrieben ist. Der Nockenwellenversteller 1 dient dazu, die Nockenwelle 2 eines Verbrennungsmotors relativ zu seiner nicht dargestellten Kurbelwelle zu verstellen, um die Ventilsteuerzeiten zu beeinflussen. Hierzu ist ein Verstellgetriebe 3 vorgesehen, das eine kurbelwellenfeste Antriebsscheibe 4 und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil 5 aufweist. Die Welle 6 des Elektromotors 7 ist über eine Kupplung 9 mit der Welle 8 einer Steuerscheibe 11 des Verstellgetriebes 3 verbunden. das Verstellgetriebe 3 ist als ein Wellgetriebe, auch Harmonic Drive oder Spannungswellengetriebe bezeichnet, ausgeführt. Die Steuerscheibe 11 weist eine elliptische Kontur mit einem Kugellager 13 auf. Sie ist in das topfförmige Abtriebsteil 5 eingefügt, welches fest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Das Abtriebselement 5 weist auf der von der Nockenwelle abgewandten Seite einen dünnen, elastisch verformbaren Endbereich auf, auf dessen Oberfläche eine Außenverzahnung 17 aufgebracht ist. Die Außenverzahnung 17 kämmt mit einer Innenverzahnung 19 der kreisringförmigen Antriebsscheibe 4. Die Innenverzahnung 19 weist eine geringfügig höhere Anzahl an Zähnen als die Außenverzahnung 17 auf. In der an sich bekannten Weise führt das Anpressen der elliptischen Steuerscheibe 11 in das elastisch verformbare Abtriebsteil 5 damit zu einer hohen Untersetzung der schnellen Drehzahl des Elektromotors 7 auf die wesentlich niedrigere Drehzahl der Nockenwelle 2.
Die Kupplung 9 weist im vorliegenden Fall eine axiale Beweglichkeit auf, etwa weil sie auf einen Kupplungsflügel der Welle 6 des Elektromotors 9 aufgesteckt ist. Die Kupplung 9 ist in nicht näher dargestellter und an sich bekannter Weise z. B. als Elastomerkupplung oder Oldham-Kupplungen ausgeführt.
Die Verwendung eines in Topfbauweise ausgeführten Wellgetriebes 3 führt nun – anders als ein in Flachbauweise ausgeführtes Wellgetriebe oder die Verwendung anderer Gertriebearten, wie z. B. eines Planetengetriebes – zu einer Axialkraft. Diese resultiert daraus, dass die elliptische Verformung des Abtriebsteils 5 im Bereich seiner Verzahnung 17 zur Nockenwelle 2 hin abgebaut wird, bis im Bereich der Nockenwelle 2 eine kreissymmetrische Form vorliegt. Dieser Verformungsabbau führt zu Spannungen die wiederum die angesprochene Axialkraft hervorrufen. Da jetzt insbesondere die Kupplung eine axiale Beweglichkeit aufweist, kann es zu einer nennenswerten Relativbewegung und Verschiebung zwischen dem Abtriebsteil 5 und der Steuerscheibe 11 kommen. Damit können sich die durch die Steuerscheibe 11 hervorgerufenen Deformationskräfte auf das Abtriebsteil 5 und damit auch die Kräfte zwischen den Verzahnungen 17 und 19 in nicht definierter Weise ändern. Zudem können durch die Verschiebung der Steuerscheibe 11 Kontakte und Reibungen an nicht definierten Stellen auftreten. Dies wird durch eine Begrenzung der axialen Bewegung der Steuerscheibe 11 unterbunden, wie anhand der folgenden Figuren näher beschrieben.
2 zeigt in einem Längsschnitt einen Nockenwellenversteller 1 entsprechend des schematischen Aufbaus der 1. zusätzlich zu 1 ist dargestellt, das der Nockenwellenversteller 1 mittels einer Zentralschraube 31 an der Nockenwelle 2 montiert ist. Über die Zentralschraube 31 ist auch eine hintere Führung 23 montiert, die nockenwellenseitig als ein axialer Anschlag für die Steuerscheibe 11 dient. Die hintere Führung ist topfartig ausgebildet, wobei zwei Sicken 25, 27 zu einer im Längsschnitt S-förmigen Form und zu einer Versteifung führen. Der kreisringförmige Außenbereich der hinteren Führung 23dient als Anschlagsfläche. Auf der gegenüberliegenden, dem Elektromotor 7 zugewandten Seite der Steuerscheibe 11 ist eine vordere Führung 21 vorgesehen, die über Gehäuseschrauben 32 des Nockenwellenversteller 1 montiert ist. Sie begrenzt die axiale Bewegung der Steuerscheibe 11 in Richtung weg von der Nockenwelle 2. Die Führungen 21, 23 sind nun so eingestellt, dass sie die axiale Bewegung der Steuerscheibe 11 stärker begrenzen, als eine axiale Bewegungsfreiheit, die durch die Kupplung 9 entsteht. Hierdurch wird die Steuerscheibe 11 stets in einer definierten axialen Position gehalten und es kommt nicht zu einer unzulässigen Änderung der Kräfte im Verstellgetriebe 3 oder zu einem Kontakt oder Reibung an einer nicht dafür ausgelegten Position.
In den 3–6 sind unterschiedliche Möglichkeiten zur Gestaltung der hinteren Führung 23 abgebildet. Vergleichbare Möglichkeiten können auch für die vordere Führung 21 in Betracht kommen. Gemäß den 3–5 wirkt die hintere Führung 23 nicht flächig gegen die Steuerscheibe 11 sondern durch eine umgebogene Außenkante 29 ringförmig. Dabei greift sie gemäß 3 im Außenbereich, gemäß 4 im Innenbereich und gemäß 5 im Bereich des Lagers 13 an. Das Lager 13 ist dabei als ein Rollenlager ausgeführt. In 6 ist die flächige Anlage der hinteren Führung 23 auf den Bereich des Lagers 13 beschränkt.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

- DE 10248355 A1 [0002]
- EP 1039101 A2 [0003]
- EP 1039100 A1 [0003]
- DE 102005018956 A1 [0004]
- EP 1832718 A1 [0005]

Claims

Elektrischer Nockenwellenversteller (1) mit einem durch einen Elektromotor (7) über eine zwischengeschaltete Kupplung (9) mit einem axialen Kupplungsspiel antreibbaren Verstellgetriebe (3), welches als ein Wellgetriebe in Topfbauart ausgeführt ist, wobei durch eine Steuerscheibe (11) ein Abtriebselement (5) elastisch deformierbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerscheibe (11) mittels axialer Führungen (21, 23) in einer axial definierten Position so gehalten wird, dass eine axiale Beweglichkeit der Steuerscheibe (11) geringer ist als das Kupplungsspiel.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die axialen Führungen (21, 23) so eingestellt sind, dass für die Steuerscheibe (11) ein axiales Spiel verbleibt.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die axiale Führung (21, 23) zumindest auf einer Seite nur im Außenbereich der Steuerscheibe (11) wirkt.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die axiale Führung (21, 23) zumindest auf einer Seite nur im Innenbereich der Steuerscheibe (11) wirkt.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die axiale Führung (21, 23) zumindest auf einer Seite nur im Bereich eines Lagers (13) der Steuerscheibe (11) wirkt.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die Kupplung (9) als eine Oldham-Kupplung ausgeführt ist.
Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, bei dem die vordere axiale Führung (21) und das Abtriebselement (5) so positioniert und dimensioniert sind, dass es in keinem Betriebszustand zu einem Kontakt dieser Bauteile kommt.