DE102010006392B3

DE102010006392B3 - Spannungswellengetriebe und Nockenwellenversteller mit Spannungswellengetriebe

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Publication number: DE102010006392B3
Application number: DE201010006392
Authority: DE
Original assignee: Ovalo GmbH
Current assignee: Ovalo GmbH
Priority date: 2010-02-01
Filing date: 2010-02-01
Publication date: 2011-05-12
Anticipated expiration: 2030-02-02

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Spannungswellengetriebe (1.1; 1.2; 1.3) mit wenigstens zwei Eingängen (2, 3) und einem Ausgang (4), dessen Bewegung aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge (2, 3) resultiert, wobei einer der Eingänge (2) zum Ausführen einer Hauptbewegung ausgebildet ist und der andere Eingang (3) zum Ausführen einer Verstellbewegung dient, welche die Phasenlage des Ausgangs (4) relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs (2) verstellt. Es ist vorgesehen, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) gegen die Kraft wenigstens eines Rückstellelementes (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) bewegbar ist. Die Erfindung betrifft ferner einen Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Spannungswellengetriebe (1.1; 1.2; 1.3)

Description

Die Erfindung betrifft ein Spannungswellengetriebe mit wenigstens zwei Eingängen und einem Ausgang, dessen Bewegung aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge resultiert, wobei einer der Eingänge zum Ausführen einer Hauptbewegung ausgebildet ist und der andere Eingang zum Ausführen einer Verstellbewegung dient, welche die Phasenlage des Ausgangs relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs verstellt. Die Erfindung betrifft ferner einen Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor mit einem solchen Spannungswellengetriebe.
Stand der Technik
Spannungswellengetriebe lassen sich als sogenanntes Zwei-Wellen-Getriebe oder als Überlagerungsgetriebe vielfältig nutzen. Bei einem Einsatz eines Spannungswellengetriebes als Überlagerungsgetriebe werden zwei Eingänge und ein Ausgang des Spannungswellengetriebes genutzt, wobei die Bewegung des Ausganges aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge resultiert.
Ein derartiges Spannungswellengetriebe kommt verstärkt in Verbrennungsmotoren zur Nockenwellenverstellung zum Einsatz und ist im Stand der Technik aus der EP 1 832 718 A1 bekannt. Bei einem solchen Nockenwellenversteller wird die Drehlage der Nockenwelle des Verbrennungsmotors relativ zur Drehlage der die Nockenwelle antreibenden Kurbelwelle verstellt, indem zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle das Spannungswellengetriebe zwischengeschaltet ist, über welches eine zusätzliche Bewegung eingekoppelt werden kann. Die zusätzliche Bewegung bewirkt ein Verstellen der Drehlage des mit der Nockenwelle verbundenen Ausganges des Spannungswellengetriebes relativ zu der Drehlage der mit dem Eingang des Spannungswellengetriebes verbundenen Kurbelwelle. Diese Verstellbewegung wird mittels eines Elektromotors erzeugt.
Mittels eines solchen Nockenwellenverstellers können die Ventilöffnungszeiten eines Verbrennungsmotors verändert werden, so dass die Ventilöffnungszeit beispielsweise an die jeweilige Last des Verbrennungsmotors angepasst werden kann und damit eine Effizienzsteigerung realisiert ist. Die Anpassung der Ventilöffnungszeiten an die jeweilige Last d es Verbrennungsmotors führt zu einem Leistungs- und Drehmomentgewinn des Verbrennungsmotors und trägt zu einer Kraftstoffeinsparung bei.
Es hat sich gezeigt, dass das Fail Safe-Verhalten der bekannten Nockenwellenversteller nur bedingt zufriedenstellend ist. Bei einem Ausfall der Steuerungselektronik für den die Zusatzbewegung ausführenden Elektromotor oder bei einem Ausfall des Elektromotors selbst kann eine Situation entstehen, in welcher es zu einer ungewollten Verstellung der Drehlage der Nockenwelle relativ gegenüber der Drehlage der Kurbelwelle kommt und diese Verstellung dauerhaft anhält. Dies kann beispielsweise dazu führen, dass in diesem Ausfallzustand ein Starten des Verbrennungsmotors aufgrund der vorliegenden geänderten Ventilsteuerzeit nicht mehr möglich ist.
Aufgabenstellung
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, ein Spannungswellengetriebe mit den eingangs genannten Merkmalen vorzuschlagen, durch welches das Fail Safe-Verhalten einer Anwendung mit einem solchen Spannungswellengetriebe, wie beispielsweise einem Nockenwellenversteller, verbessert werden kann. Insbesondere soll bei einem Ausfall einzelner Komponenten einer solchen Anwendung, wie beispielsweise dem Verstellmotor eines Nockenwellenverstellers oder seiner Steuerungselektronik, besser als bisher ein Notbetrieb aufrecht erhalten werden können. Ferner soll ein entsprechender Nockenwellenversteller vorgeschlagen werden.
Erfindung und vorteilhafte Wirkung
Zur Lösung der Aufgabe wird ein Spannungswellengetriebe vorgeschlagen, welches die in Anspruch 1 genannten Merkmale aufweist. Ferner wird ein Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor mit den Merkmalen des Anspruches 16 vorgeschlagen. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie der nachfolgenden Beschreibung und den Figuren.
Das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe dient als Überlagerungsgetriebe und weist wenigstens zwei Eingänge und einen Ausgang auf, dessen Bewegung aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge resultiert. Die Eingänge und der Ausgang können jeweils drehbewegliche Bauteile oder translatorisch bewegliche Bauteile sein. Auch ist es denkbar, dass die Eingänge und der Ausgang durch drehbewegliche Bauteile und translatorisch bewegliche Bauteile gebildet sind.
Bei dem erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebe ist einer der Eingänge zum Ausführen einer Hauptbewegung ausgebildet und der andere Eingang dient zum Ausführen einer Verstellbewegung, welche die Phasenlage des Ausgangs relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs verstellt. Unter Phasenlage wird im Zuge der Erfindung die jeweils momentane Lage des Einganges und des Ausganges des Spannungswellengetriebes verstanden, welche sich entsprechend der inneren Untersetzung oder Übersetzung des Spannungswellengetriebes in einem festen Verhältnis zueinander bewegen. Durch die Verstellbewegung wird dieses feste Verhältnis der momentanen Positionen von Eingang und Ausgang zueinander verändert. Bei einem Spannungswellengetriebe mit einem rotierenden Eingang und einem rotierenden Ausgang ist somit die Phasenlage die Drehlage. Die Verstellbewegung führt in diesem Fall zu einer Verstellung der Drehlage des Ausganges relativ gegenüber der Drehlage des die Hauptbewegung ausführenden Einganges. Die Verstellbewegung kann je nach Bedarf in das Spannungswellengetriebe eingekoppelt werden.
Gemäß der Erfindung ist es vorgesehen, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang gegen die Kraft wenigstens eines Rückstellelementes des Spannungswellengetriebes bewegbar ist.
Durch diese Maßnahme ist erreicht, dass bei einem Ausfall des die Verstellbewegung hervorrufenden Antriebes der die Verstellbewegung ausführende Eingang durch die Kraft bzw. Rückstellkraft des Rückstellelementes wieder in seine Ausgangsposition zurückbewegt werden kann. Es kann damit vermieden werden, dass bei einem Ausfall des die Verstellbewegung erzeugenden Antriebes der Ausgang um die durch die Verstellbewegung verstellte Phasenlage relativ zu der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Einganges dauerhaft verstellt bleibt. Durch die erfindungsgemäße Maßnahme ist die Ausfallsicherheit von Anwendungen verbessert, welche das erfindungsgemäße Spannungswellengetriebe aufweisen, da bei einem Ausfall bzw. ungewollten Abschalten der die Verstellbewegung erzeugenden Bauteile, wie beispielsweise einem Verstellmotor oder seiner Steuerungselektronik, eine bereits verstellte Phasenlage des Ausganges gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung erzeugenden Einganges wieder rückgängig gemacht werden kann.
Um die Verstellung der Phasenlage des Ausgangs relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs bei einem Ausfall des die Verstellbewegung erzeugenden Antriebes oder dessen Steuerungselektronik wieder rückgängig machen zu können, sollte das wenigstens eine Rückstellelement in der Weise ausgebildet bzw. dimensioniert sein, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang mittels der Kraft des Rückstellelementes von der vorliegenden Verstellposition in seine Ausgangsposition zurückbewegt wird. In der Ausgangsposition des die Verstellbewegung ausführenden Eingangs ist dann die Verstellung der Phasenlage des Ausgangs relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs aufgehoben.
Es hat sich gezeigt, dass die an den Ausgang angekoppelten Komponenten aufgrund ihrer Massenträgheit oder etwaiger Reibungseffekte eine erhebliche Widerstandkraft erzeugen können, welche auf das Spannungswellengetriebe, insbesondere auf den die Verstellbewegung ausführenden Eingang, wirkt und zu überwinden ist.
Vor diesem Hintergrund ist es nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen, dass bei einer Verstellbewegung in entgegen gesetzter Richtung zur Hauptbewegung der die Verstellbewegung ausführende Eingang gegen die Kraft wenigstens eines Rückstellelementes des Spannungswellengetriebes bewegbar ist. Dadurch wirkt die Widerstandskraft dem die Verstellbewegung ausführenden Eingang beim Rückbewegen in Richtung seiner Ausgangsposition entgegen. Bei einem Ausfall des die Verstellbewegung erzeugenden Antriebes oder dessen Steuerungselektronik ist somit das Rückstellelement derart zu dimensionieren, dass dessen Rückstellkraft diese Widerstandkraft überwindet. Im ordnungsgemäßen Betrieb der Anwendung, wie beispielsweise eines Nockenwellenverstellers, wird dadurch der Verstellantrieb beim Zurückstellen des Eingangs in Richtung seiner Ausgangsposition durch die Rückstellkraft des Rückstellelementes unterstützt. Der Antrieb selbst kann dadurch kleiner als bei den bisher bekannten Spannungswellengetrieben ohne Rückstellelement dimensioniert werden.
Nach einer anderen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass bei einer Verstellbewegung in Richtung der Hauptbewegung der die Verstellbewegung ausführende Eingang gegen die Kraft wenigstens eines Rückstellelementes des Spannungswellengetriebes bewegbar ist. Dadurch wirkt die Widerstandskraft dem die Verstellbewegung ausführenden Eingang beim Ausführen der Verstellbewegung entgegen und ist zu überwinden. In diesem Fall unterstützt die Widerstandskraft das Rückstellen des die Verstellbewegung ausführenden Eingangs in Richtung seiner Ausgangsposition, so dass das Rückstellelement kleiner dimensioniert werden kann.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang in seiner Ausgangsposition durch eine Haltekraft des Rückstellelementes gehalten ist. Dadurch kann vermieden werden, dass bei einem Ausfall des die Verstellbewegung erzeugenden Antriebes es zu einer selbsttätigen ungewollten Verstellung der Phasenlage des Ausganges relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Einganges kommt, insbesondere wenn sich der die Verstellbewegung ausführende Eingang ungewollt selbsttätig bewegt.
Bevorzugt ist natürlich die Haltekraft des Rückstellelementes kleiner als die beim Bewegen des die Verstellbewegung ausführenden Einganges erzeugte Rückstellkraft.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der die Hauptbewegung ausführende Eingang durch den Circular Spline, der die Verstellbewegung ausführende Eingang durch den Wellengenerator und der Ausgang durch den Dynamic Spline des Spannungswellengetriebes gebildet ist. Dadurch ist ein platzsparender und kompakter Aufbau des Spannungswellengetriebes realisierbar. Bevorzugt sollten dazu Circular Spline, Dynamic Spline und Wellengenerator koaxial bezüglich der Drehachse des Spannungswellengetriebes angeordnet sein. Der Flexspline des Spannungswellengetriebes kann dabei im Wesentlichen lose zwischen dem Wellengenerator und dem Circular Spline bzw. dem Dynamic Spline angeordnet sein.
Selbstverständlich kann nach einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung vorgesehen sein, dass der die Hauptbewegung ausführende Eingang durch den Dynamic Spline, der die Verstellbewegung ausführende Eingang durch den Wellengenerator und der Ausgang durch den Circular Spline des Spannungswellengetriebes gebildet ist.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in radialer Richtung bezüglich der Drehachse des Spannungswellengetriebes gesehen, das Rückstellelement innerhalb des Wellengenerators des Spannungswellengetriebes angeordnet ist. Es ist dadurch eine besonders kompakte Bauweise des Spannungswellengetriebes realisierbar, da für das zusätzliche Rückstellelement kein zusätzlicher Bauraum benötigt wird.
Bevorzugt sollte das Rückstellelement innerhalb eines Hohlwellenabschnittes angeordnet sein, welcher mit dem die Wellenbewegung erzeugenden Grundkörper des Wellengenerators verbunden ist. Es wird dadurch der zu Verfügung stehende Bauraum im Bereich der Welle genutzt, welche dazu als Hohlwelle ausgebildet werden kann und darin das Rückstellelement integriert wird.
Bei einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass in Richtung der Drehachse des Spannungswellengetriebes gesehen, das Rückstellelement zumindest teilweise zwischen Wellengenerator und Dynamic Spline des Spannungswellengetriebes angeordnet ist. Es ist dadurch der Einsatz eines sich besonders in radialer Richtung erstreckenden Rückstellelementes möglich, da zwischen Wellengenerator und Dynamic Spline in radialer Richtung ein größerer Bauraum genutzt werden kann, als bei einem innerhalb eines Hohlwellenabschnittes des Wellengenerators angeordneten Rückstellelementes.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung können zwei Rückstellelemente vorgesehen sein, von denen das eine Rückstellelement im Wesentlichen innerhalb des Wellengenerators und das andere Rückstellelement im Wesentlichen außerhalb des Wellengenerators angeordnet sind. Es ist hierdurch eine Kombination zweier Rückstellelemente möglich, von denen das eine Rückstellelement sich im Wesentlichen in radialer Richtung und das andere Rückstellelement im Wesentlichen in axialer Richtung des Spannungswellengetriebes erstreckt.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Rückstellelement federelastisch ist. Es kann dadurch auf besonders einfache und kostengünstige Weise ein auf den die Verstellbewegung ausführenden Eingang des Spannungswellengetriebes wirkendes Rückstellelement realisiert werden.
Bevorzugt ist das Rückstellelement ein Drehmoment aufnehmendes Federelement, beispielsweise in Art einer Torsionsfeder, Spiralfeder, Schenkelfeder oder dergleichen. Ein solches Rückstellelement ist mit Vorteil dann einsetzbar, wenn der die Verstellbewegung ausführende Eingang eine Drehbewegung ausführt. Die Torsionsfeder bzw. Drehstabfeder ist ein besonders kostengünstiges Federelement, welches radial in kompakter Bauform realisierbar ist, so dass ein Einbau auch bei kleinstem zu Verfügung stehendem Bauraum bei hoher erzeugter Rückstellkraft realisiert werden kann. Der Einsatz einer Spiralfeder bietet sich an, wenn wenig Bauraum in axialer Richtung zur Verfügung steht.
Nach einer Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das wenigstens eine Rückstellelement zum Aufnehmen einer Druck- und/oder Zugkraft ausgebildet ist. Dadurch kann mittels des Rückstellelementes eine Vorspannung in axialer Richtung des Spannungswellengetriebes erzeugt werden, welche auf die an den Eingang für die Verstellbewegung wenigstens eine angekoppelte Komponente wirkt. Die dazu üblicherweise realisierten Maßnahmen zur Erzeugung einer Vorspannung der an dem Eingang gehaltenen Komponente sind dadurch nicht mehr notwendig. Sofern das Rückstellelement ein Drehmoment aufnehmendes Federelement ist, kann zusätzlich Druck- bzw. Zugkraft aufgenommen werden, beispielsweise indem das Rückstellelement 1 torsionsstarr ausgebildet ist.
Nach einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass das federelastische Rückstellelement mit seinem einen Ende gegen den Ausgang des Spannungswellengetriebes und mit seinem anderen Ende gegen den die Verstellbewegung ausführenden Eingang kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist. Bevorzugt sollte das federelastische Rückstellelement an seinen Enden fest eingespannt vorliegen, um eine optimale Funktionsweise als Rückstellelement zu gewährleisten.
Es bietet sich dabei an, dass sich das federelastische Rückstellelement mit seinem einen Ende gegen den Dynamic Spline und/oder ein damit drehfest verbundenes Bauteil und mit seinem anderen Ende gegen eine die Verstellbewegung ausführende Eingangswelle und/oder ein mit der Eingangswelle drehfest verbundenes Bauteil abstützt.
Nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass das Spannungswellengetriebe wenigstens einen Anschlag aufweist, durch welchen die Bewegung des die Verstellbewegung ausführenden Einganges relativ gegenüber der Bewegung des Ausganges begrenzt ist.
Mit Vorteil sollten dabei zwei Anschläge vorgesehen sein, durch welchen die Bewegung des die Verstellbewegung ausführenden Einganges relativ gegenüber der Bewegung des Ausganges in zwei Bewegungsrichtungen begrenzt ist.
Durch den wenigstens einen Anschlag, insbesondere die beiden Anschläge, ist eine beliebige Bewegung des die Verstellbewegung ausführenden Eingangs relativ gegenüber dem die Hauptbewegung ausführenden Eingangs verhindert.
Bevorzugt bildet ein Anschlag die Ausgangsposition des die Verstellbewegung ausführenden Einganges und der andere Anschlag die Endposition, sodass in der Ausgangsposition der Eingang, welcher die Verstellbewegung ausführt, durch die Haltekraft des Rückstellelements gehalten ist und in der Endposition dieser Eingang durch Rückstellkraft des Rückstellelements gehalten ist. Bevorzugt dienen die beiden Anschläge zum Begrenzen der Bewegung des einen Vorsprunges in zwei Bewegungsrichtungen, wobei die Anschläge in Bewegungsrichtung hintereinanderliegend angeordnet sind und der in Richtung der Verstellbewegung zuletzt kommende Anschlag die Ausgangsposition für den die Verstellbewegung ausführenden Eingang und der zuerst kommende Anschlag die Endposition bildet.
Selbstverständlich ist es auch möglich, dass der zuerst kommende Anschlag die Ausgangsposition und der zuletzt kommende Anschlag die Endposition bildet.
Es bietet sich dabei an, dass die Anschläge an dem Ausgang, insbesondere dem Dynamic Spline, gebildet sind, gegen welche wenigstens ein an dem die Hauptbewegung ausführenden Eingang, insbesondere dem Circular Spline ausgebildeter Vorsprung bei Bewegung in eine Bewegungsrichtung gegen einen der Anschläge zur Anlage kommt.
Es bietet sich ferner an, dass der die Hauptbewegung ausführende Eingang zwei Vorsprünge aufweist, von denen jeweils einer in eine durch zwei Anschläge gebildete Ausnehmungen des Ausgangs eingreift.
Die Erfindung umfasst ferner einen Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor. Der Nockenwellenversteller weist wenigstens ein Spannungswellengetriebe der vorstehend beschriebenen Art auf.
Ein derartiger Nockenwellenversteller stellt ausreichende Notlaufeigenschaften zur Verfügung, wenn es zu einem Ausfall des Antriebes oder der Elektronik für die Nockenwellenverstellung kommen sollte. Sofern die Drehlage der Nockenwelle relativ gegenüber der Drehlage zur Kurbelwelle verstellt sein sollte, ist mittels des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ein Rückstellen der Drehlage der Nockenwelle in ihre Ausgangsstellung selbsttätig mittels des Rückstellelementes möglich.
Bei dem Nockenwellenversteller sind bevorzugt der eine Hauptbewegung ausführende Eingang des Spannungswellengetriebes mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Ausgang des Spannungswellengetriebes mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors wirkverbindbar. Ferner ist der die Verstellbewegung ausführende Verstellmotor des Nockenwellenverstellers mit dem Eingang des Spannungswellengetriebes wirkverbunden, durch welchen eine Zusatzbewegung bzw. Verstellbewegung ausführbar ist.
Die Erfindung umfasst ferner ein Kraftfahrzeug mit einem Verbrennungsmotor, welcher einen Nockenwellenversteller der vorstehend beschriebenen Art mit einem erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebe aufweist.
Ausführungsbeispiele
Weitere Ziele, Vorteile, Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung zweier Ausführungsbeispiele anhand der Zeichnung. Dabei bilden alle beschriebenen und/oder bildlich dargestellten Merkmale für sich oder in beliebiger sinnvoller Kombination den Gegenstand der vorliegenden Erfindung, auch unabhängig von ihrer Zusammenfassung in den Ansprüchen oder deren Rückbeziehung.
Es zeigen:
1a eine mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes ohne verstellte Drehlage seines Ausgangs in Schnittdarstellung,
1b das Spannungswellengetriebe gemäß 1a ohne verstellte Drehlage seines Ausgangs in Vorderansicht,
2a das Spannungswellengetriebe gemäß der 1a mit verstellter Drehlage seines Ausgangs in Schnittdarstellung,
2b das Spannungswellengetriebe gemäß 2a mit verstellter Drehlage seines Ausgangs in Vorderansicht,
3 das Spannungswellengetriebe gemäß der 1a und 2a in Explosionsdarstellung,
4a eine weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes ohne verstellte Drehlage seines Ausgangs in Schnittdarstellung,
4b das Spannungswellengetriebe gemäß der 4a ohne verstellte Drehlage seines Ausgangs in Vorderansicht,
4c das Spannungswellengetriebe gemäß der 4a als Schnittdarstellung entlang der Schnittlinie B-B gemäß der 4a,
5a das Spannungswellengetriebe gemäß der 4a mit verstellter Drehlage seines Ausgangs in Schnittdarstellung,
5b das Spannungswellengetriebe gemäß der 5a mit verstellter Drehlage seines Ausgangs in Vorderansicht,
5c das Spannungswellengetriebe gemäß der 5a in Schnittdarstellung gemäß der Schnittlinie B-B der 5a und
6 das Spannungswellengetriebe gemäß der 4a und 5a in Explosionsdarstellung,
7a eine nochmals weitere mögliche Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Spannungswellengetriebes mit zwei Rückstellelementen in Schnittdarstellung und
7b das Spannungswellengetriebe gemäß der 7a in einer Ansicht vom Ausgang des Spannungswellengetriebes her.
1a, 1b, 2a, 2b sowie 3 zeigen – in schematischer Darstellung – eine mögliche Ausführungsform eines Spannungswellengetriebes 1.1, welches für eine Nutzung als Überlagerungsgetriebe vorgesehen ist. Das Spannungswellengetriebe 1.1 weist dazu zwei Eingänge 2 und 3 und einen Ausgang 4 auf, dessen Bewegung aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge 2 und 3 resultiert.
Das Spannungswellengetriebe 1.1 ist aufgrund der möglichen Überlagerung der Bewegung der zwei Eingänge 2, 3 besonders für den Einsatz in einem Nockenwellenversteller oder einem Hilfslenksystem geeignet, bei denen eine Zusatzbewegung bzw. Hilfsbewegung eingekoppelt wird. Bei einem Nockenwellenversteller kann dadurch die Drehlage der Nockenwelle relativ gegenüber der Drehlage der Kurbelwelle verstellt werden, sodass auf diese Weise die Ventilsteuerzeiten flexibel, beispielsweise nach dem jeweiligen Lastzustand des Verbrennungsmotors, gesteuert werden können. Bei einem Hilfslenksystem ist die Drehlage der Lenkwelle relativ gegenüber dem Lenkrad veränderbar, sodass bei einem vorgegebenen Lenkeinschlag durch das Lenkrad beispielsweise je nach Geschwindigkeit des Fahrzeuges flexibel in der Weise geändert werden kann, dass der auf das lenkgetriebene Getriebe übertragene Lenkeinschlag größer oder kleiner als der von dem Lenkrad hervorgerufene Lenkeinschlag ist.
Das Spannungswellengetriebe 1.1 weist systemtypische und an sich bekannte Bauteile auf, nämlich einen Circular Spline 6, einen Dynamic Spline 7, einen Wellengenerator 8 sowie einen Flexspline 17.
Der Flexspline ist ein verformbarer Ring bzw. Ringabschnitt, welcher mit seiner einen Umfangsfläche gegen den Wellengenerator kämmt oder abrollt und mit der anderen Umfangsfläche mit wenigstens einem weiteren Bauteil des Spannungswellengetriebes kämmt oder abrollt. Dieses andere Bauteil kann der Circular Spline oder der Dynamic Spline sein. Auch können sowohl Dynamic Spline als auch der Circular Spline vorgesehen sein. Dynamic Spline und Circular Spline können als Hohlringe ausgebildet sein. Üblicherweise weist die Verzahnung des Dynamic Spline die gleiche Anzahl von Zähnen auf, wie die Verzahnung des Flexsplines, wohingegen die Zähnezahl des Circular Spline um wenigstens einen Zahn größer ist als die Verzahnung des Dynamic Spline.
Bei der Ausführungsform gemäß den 1a, 1b, 2a, 2b und 3 sind der Circular Spline 6 und der Dynamic Spline 7 als Hohlringe mit Innenverzahnung ausgebildet. Der Dynamic Spline 7 ist dabei mit einer Nabe 18 drehfest verbunden, vorzugsweise ist die Nabe 18 an dem Dynamic Spline 7 angeformt. Der Dynamic Spline 7 bildet über die Nabe 18 den Ausgang 4 des Spannungswellengetriebes 1.1, an welchem, beispielsweise bei Verwendung des Spannungswellengetriebes 1.1 in einem Nockenwellenversteller, wenigstens eine Nockenwelle eines Verbrennungsmotors wirkverbunden werden kann. Die Nabe 18 kann dazu beispielsweise auf die Nockenwelle aufgeschrumpft sein.
Der Circular Spline 6 ist mit einem Steuertrieb 19 drehfest verbunden, vorzugsweise ist der Circular Spline 6 an dem Steuertrieb 19 angeformt. Der Steuertrieb 19 kann in Art eines Zahnrades, insbesondere Hohlrades ausgebildet sein, welches eine Außenverzahnung 20 aufweist, um mit einem Übertragungselement 21 zu kämmen. Der Circular Spline 6 bildet über den Steuertrieb 19 einen der beiden Eingänge 2, 3 des Spannungswellengetriebes 1.1. Bevorzugt ist der Steuertrieb 19 über das Übertragungselement 21, mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors wirkverbunden, sofern das Spannungswellengetriebe 1.1 bei einem Nockenwellenversteller zum Einsatz kommt. Der Eingang 2 führt dann über den Circular Spline 6 die Hauptbewegung aus, wobei die Hauptbewegung des Eingangs 2 über den Flexspline 17 und den Dynamic Spline 7 auf den Ausgang 4 des Spannungswellengetriebes 1.1 übertragen wird und damit eine an den Ausgang 4 angeschlossene Nockenwelle angetrieben werden kann.
Der Flexspline 17 ist dabei lose zwischen Circular Spline 6, Dynamic Spline 7 und dem Wellengenerator 8 angeordnet, insbesondere in Richtung der Drehachse 9 des Spannungswellengetriebes 1.1 lose angeordnet.
Bevorzugt ist der Wellengenerator 8 durch einen eine Wellbewegung erzeugenden Grundkörper 23 gebildet, welcher über ein Lager, insbesondere Wälzlager, mit dem Flexspline 17 in radialer Richtung in Wirkverbindung steht. Der Grundkörper 23 kann mit einer Welle oder einem Wellenabschnitt drehfest verbunden sein oder daran angeformt sein. Der Wellengenerator 8 kann selbstverständlich auch durch ein Planetenradgetriebe gebildet sein.
Bei dem Spannungswellengetriebe 1.1 dient der andere Eingang 3 zum Ausführen einer Verstellbewegung. Diese Verstellbewegung wird von einem Verstellmotor 16, insbesondere einem Elektromotor, erzeugt, dessen Abtriebswelle 22 beispielsweise über eine Klauenkupplung 24 auf den Eingang 3 wirkt und darüber die Verstellbewegung in das Spannungswellengetriebe 1.1 eingekoppelt wird. Die Einkopplung der Drehbewegung des Verstellmotors 16 erfolgt dabei über den Wellengenerator 8 des Spannungswellengetriebes 1.1.
Bei dem Spannungswellengetriebe 1.1 kann die Drehlage des Ausganges 4 bzw. der Nabe 18 relativ gegenüber der Drehlage des Einganges 2 bzw. des Steuertriebes 19 verändert werden, indem über den Eingang 3 bzw. den Wellengenerator 8 eine von dem Verstellmotor 16 erzeugte Verstellbewegung in das Spannungswellengetriebe 1.1 eingekoppelt wird. Der Verstellmotor 16 ist bevorzugt ortsfest bzgl. eines Gehäuses einer Anwendung angeordnet, in welcher das Spannungswellengetriebe 1.1 eingebaut ist. Im Betrieb des Spannungswellengetriebes 1.1 ist daher die Abtriebswelle 22 des Verstellmotors 16 auf eine solche Drehzahl zu bringen, dass die Hauptbewegung des Eingangs 2 auf den Ausgang 4 zumindest ohne Verstellung der Drehlagen übertragen werden kann. Zusätzlich zu dieser von dem Verstellmotor 16 erzeugten Zusatzbewegung ist natürlich zum Verstellen der Drehlagen von Ausgang 4 relativ gegenüber dem Eingang 2 die Zusatzbewegung um den Bewegungsanteil zum Verstellen der Drehlagen zu erhöhen bzw. herabzusetzen. Bei einer anderen Ausgestaltung kann es vorgesehen sein, dass das Gehäuse des Verstellmotors mit dem Spannungswellengetriebe mitdreht, sodass der Verstellmotor nur dann eine Bewegung in das Spannungswellengetriebe einkoppelt, wenn eine Verstellung der Drehlage des Ausgangs relativ zu der Drehlage des Eingangs für die Hauptbewegung erzeugt werden soll.
Um die Verstellung der Drehlage des Steuertriebes 19 relativ gegenüber der Nabe 18 bzw. dem Dynamic Spline 7 zu begrenzen, weist das Spannungswellengetriebe 1.1 zwei Anschläge 14, 15 auf, welche eine Verstellung der Drehlage von Circular Spline 6 relativ gegenüber der Drehlage des Dynamic Spline 7 in beide Drehrichtungen begrenzt. Bevorzugt sind die Anschläge 14, 15 durch eine innenumfangsseitig im Steuertrieb 19 und/oder Circular Spline 6 vorgesehene Ausnehmung gebildet, in welche der Dynamic Spline mit einem Vorsprung 25 eingreift. Bevorzugt können über den Umfang verteilt mehrere Vorsprünge 25, vorzugsweise zwei Vorsprünge 25, vorgesehen sein, welche in die zugehörigen Anschläge 14,15 eingreifen.
Bei dem Spannungswellengetriebe 1.1 ist erfindungsgemäß ein Rückstellelement 5.1 vorgesehen, das so angeordnet ist, dass der Eingang 3 beim Ausführen seiner Verstellbewegung gegen die Rückstellkraft des Rückstellelementes 5.1 bewegt wird. Vorzugsweise ist das Rückstellelement 5.1 als Torsionsfeder ausgebildet. Kommt es zu einer Verstellung der Drehlage der Nabe 18 relativ zu der Drehlage des Steuertriebs 19 aufgrund der von dem Verstellmotor 16 erzeugten Verstellbewegung, wird aufgrund der Drehbewegung der Abtriebswelle 22 des Verstellmotors 16 das Rückstellelement 5.1 gespannt.
Wie insbesondere aus den 1a und 2a ersichtlich ist, ist das Rückstellelement 5.1 in radialer Richtung gesehen, innerhalb des Wellengenerators 8 angeordnet und liegt innerhalb des als Hohlwelle ausgebildeten Grundkörpers 23 des Wellengenerators 8. Das als Torsionsfeder ausgebildete Rückstellelement 5.1 ist dabei mit seinem einen Ende 10 gegen den Ausgang 4 und mit seinem anderen Ende 11 gegen den Eingang 3, dort vorzugsweise an der Klauenkupplung 24 fixiert.
Die Funktionsweise des Spannungswellengetriebes 1.1 im Hinblick auf das Rückstellelement 5.1 ist wie folgt:
Im Ausgangszustand, wie er in den 1a und 1b dargestellt ist, befindet sich der Dynamic Spline 7 mit seinem Vorsprung 25 in Anlage gegen den Anschlag 14 des Circular Splines 6. In dieser Ausgangsposition von Circular Spline 6 und Dynamic Spline 7 relativ zueinander entsprechen sich die Drehlagen von Circular Spline 6 und Dynamic Spline 7. Eine Verstellung der Drehlage des Ausgangs 4 relativ gegenüber der Drehlage des Eingangs 2 liegt in diesem Ausgangszustand nicht vor. Das Rückstellelement 5.1 ist in dieser Ausgangsposition vorgespannt und drückt mit einer Haltekraft den Vorsprung 25 gegen den Anschlag 14. Zusätzlich zu der durch die Vorspannung des Rückstellelementes 5.1 erzeugten Haltekraft kann eine weitere Haltekraft durch den Verstellmotor 16 erzeugt sein.
Sofern die Drehlage des Dynamic Spline 7 relativ gegenüber der Drehlage des Circular Spline 6 durch die von dem Verstellmotor 16 erzeugte Verstellbewegung verstellt wird, wird der Dynamic Spline 7 relativ gegenüber dem Circular Spline 6 verdreht. Dadurch wird wiederum der Vorsprung 25 in Richtung zu dem Anschlag 15 gegen die Rückstellkraft des Rückstellelementes 5.1 verdreht, bis der Vorsprung 25 gegen den Anschlag 15 zur Anlage gelangt.
Wenn der Vorsprung 25 gegenüber dem Anschlag 15 in Anlage gelangt ist, ist die Endposition erreicht, in welcher die maximale Verstellung der Drehlage des Dynamic Spline 7 bzw. des Ausgangs 4 relativ gegenüber der Drehlage des Circular Spline 6 bzw. des Eingangs 2 vorliegt.
Wird durch eine vorgenommene Verstellung der Drehlage des Ausganges 4 relativ zu der Drehlage des Einganges 2 eine Zwischenposition oder die Ausgangsposition erreicht, wird diese Position durch die Haltekraft des Verstellmotors 16 aufrecht erhalten. Sofern der Verstellmotor 16 ausfällt oder es zu einem Ausfall seiner Steuerungselektronik kommt und die Haltekraft des Verstellmotors 16 nicht mehr anliegt, wird aufgrund der Rückstellkraft des Rückstellelementes 5.1 der Ausgang 4 relativ gegenüber dem Eingang 2 wieder in die Ausgangsposition zurückbewegt.
Bei einem Einsatz des Spannungswellengetriebes 1.1 in einen Nockenwellenversteller ist dadurch gewährleistet, dass auch bei einem Ausfall des Verstellmotors der Nockenwellenversteller wieder auf eine vorgegebene Ventilsteuerzeit zurückgeht.
4a, 4b und 4c zeigen eine weitere mögliche Ausführungsform eines Spannungswellengetriebes 1.2. Die Bauteile des Spannungswellengetriebes 1.2 sind zusätzlich in der Explosionszeichnung gemäß 6 ersichtlich. Bauteile des Spannungswellengetriebes 1.2 gemäß der 4a, 4b, 4c und 6, welche mit den Bauteilen des Spannungswellengetriebes 1.1 gemäß der 1a, 1b, 2a, 2b und 3 identisch oder funktionsgleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen, insofern wird auf die Beschreibung zu dem Spannungswellengetriebe 1.1 gemäß der 1a, 1b, 2a, 2b und 3 verwiesen.
Das Spannungswellengetriebe 1.2 unterscheidet sich von dem Spannungswellengetriebe 1.1 unter anderem dadurch, dass ein Rückstellelement 5.2 vorgesehen ist, welches in Richtung der Drehachse 9 gesehen, zumindest teilweise zwischen dem Wellengenerator 8 und dem Dynamic Spline 7 angeordnet ist. Das Rückstellelement 5.2 ist bevorzugt als Spiralfeder ausgebildet und ist mit seinem Ende 11, vorzugsweise dem außenliegenden Ende, mit dem Grundkörper 23 des Wellengenerators 8 fixiert und mit seinem Ende 10, vorzugsweise dem innenliegenden Ende, an dem Dynamic Spline 7, vorzugweise der sich daran anschließenden Nabe 18, fixiert.
Die 4a, 4b und 4c zeigen das Spannungswellengetriebe 1.2 in seiner Ausgangsposition, in welcher eine Verstellung der Drehlage des Ausganges 4 relativ gegenüber der Drehlage des Eingangs 2 nicht vorliegt und der Vorsprung 25 an dem Anschlag 14 anliegt.
5a, 5b und 5c zeigen das Spannungswellengetriebe 1.2 in einem Zustand, in welchem der Ausgang 4 in seiner Drehlage relativ gegenüber der Drehlage des Ausganges 2 maximal verdreht ist, sodass der Vorsprung 25 gegenüber dem Anschlag 15 in Anlage vorliegt.
7a und 7b zeigen – in schematischer Darstellung – eine weitere mögliche Ausführungsform eines Spannungswellengetriebes 1.3. Bauteile des Spannungswellengetriebes 1.3 gemäß der 7a und 7b, welche mit den Bauteilen des Spannungswellengetriebes 1.1 sowie des Spannungswellengetriebes 1.2 identisch oder funktionsgleich sind, sind mit gleichen Bezugszeichen versehen; insofern wird auf die Beschreibung zu dem Spannungswellengetriebe 1.1 sowie dem Spannungswellengetriebe 1.2 verwiesen.
Das Spannungswellengetriebe 1.3 unterscheidet sich von dem Spannungswellengetriebe 1.1 gemäß der 1a unter anderem dadurch, dass zusätzlich zu dem Rückstellelement 5.1 ein zweites Rückstellelement 5.3 vorgesehen ist. Das Rückstellelement 5.3 ist als Spiralfeder ausgebildet und mit seinem innenliegenden Ende 10 an dem Ausgang 4, vorzugsweise dem Dynamic Spline 7, und mit seinem außenliegenden Ende 11 an dem Eingang 2, vorzugsweise dem Circular Spline, fixiert, wie aus 7b ersichtlich ist.
Das Rückstellelement 5.3 ist an der zum Ausgang 4 nach außen gewandten Seite des Spannungswellengetriebes 1.3 angeordnet und damit von außen zugänglich. Das Rückstellelement 5.3 ist dabei in eine Nut 26 eingelassen, welche an der nach außen liegenden Seite eines Zwischenabschnittes 27 angeordnet ist, wobei der Zwischenabschnitt 27 den Dynamic Spline 7 mit der Nabe 18 verbindet.
Bezugszeichenliste

1.1: Spannungswellengetriebe
1.2: Spannungswellengetriebe
1.3: Spannungswellengetriebe
2: Eingang für Hauptbewegung
3: Eingang für Zusatzbewegung
4: Ausgang
5.1: Rückstellelement
5.2: Rückstellelement
5.3: Rückstellelement
6: Circular Spline
7: Dynamic Spline
8: Wellengenerator
9: Drehachse
10: Ende
11: Ende
14: Anschlag
15: Anschlag
16: Verstellmotor
17: Flexspline
18: Nabe
19: Steuertrieb
20: Verzahnung
21: Übertragungselement
22: Abtriebswelle
23: Grundkörper, Bauteil
24: Klauenkupplung
25: Vorsprung
26: Nut
27: Zwischenabschnitt

Claims

Spannungswellengetriebe (1.1; 1.2; 1.3) mit wenigstens zwei Eingängen (2, 3) und einem Ausgang (4), dessen Bewegung aus der Überlagerung der Bewegungen der Eingänge (2, 3) resultiert, wobei einer der Eingänge (2) zum Ausführen einer Hauptbewegung ausgebildet ist und der andere Eingang (3) zum Ausführen einer Verstellbewegung dient, welche die Phasenlage des Ausgangs (4) relativ gegenüber der Phasenlage des die Hauptbewegung ausführenden Eingangs (2) verstellt, dadurch gekennzeichnet, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) gegen die Kraft wenigstens eines Rückstellelementes (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) bewegbar ist.
Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) mittels der Kraft des Rückstellelementes (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) von einer Verstellposition in seine Ausgangsposition zurückbewegbar ist.
Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verstellbewegung in entgegengesetzter Richtung zur Hauptbewegung der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) gegen die Kraft des Rückstellelementes (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) bewegbar ist.
Spannungswellengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass bei einer Verstellbewegung in Richtung der Hauptbewegung der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) gegen die Kraft des Rückstellelementes (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) bewegbar ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Verstellbewegung ausführende Eingang (3) in seiner Ausgangsposition durch eine Haltekraft des Rückstellelements (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) gehalten ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der die Hauptbewegung ausführende Eingang (2) durch den Circular Spline (6), der die Zusatzbewegung ausführende Eingang (3) durch den Wellengenerator (8) und der Ausgang (4) durch den Dynamic Spline (7) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) gebildet sind.
Spannungswellengetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der die Hauptbewegung ausführende Eingang durch den Dynamic Spline, der die Verstellbewegung ausführende Eingang durch den Wellengenerator und der Ausgang durch den Circular Spline des Spannungswellengetriebes gebildet ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in radialer Richtung bezüglich der Drehachse (9) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.3) gesehen, das Rückstellelement (5.1) innerhalb des Wellengenerators (8) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.3) angeordnet ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in Richtung der Drehachse (9) des Spannungswellengetriebes (1.2) gesehen, das Rückstellelement (5.2) zumindest teilweise zwischen Wellengenerator (8) und Dynamic Spline (7) des Spannungswellengetriebes (1.2) angeordnet ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Rückstellelemente (5.1, 5.3) vorgesehen sind, von denen das eine Rückstellelement (5.1) im Wesentlichen innerhalb des Wellengenerators (8) und andere Rückstellelement (5.3) im Wesentlichen außerhalb des Wellengenerators (8) angeordnet sind.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rückstellelement (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) federelastisch ist, insbesondere ein Drehmoment aufnehmendes Federelement ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das wenigstens eine Rückstellelement (5.1) zum Aufnehmen einer Druck- und/oder Zugkraft ausgebildet ist.
Spannungswellengetriebe nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, dass das federelastische Rückstellelement (5.1; 5.2; 5.1, 5.3) mit seinem einen Ende (10) gegen den Ausgang (4) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3), insbesondere gegen den Dynamic Spline (7) und/oder ein damit drehfest verbundenes Bauteil, und mit seinem anderen Ende (11) gegen den die Verstellbewegung ausführenden Eingang (3), insbesondere gegen eine Eingangswelle und/oder ein mit der Eingangswelle drehfest verbundenes Bauteil (23), kraftschlüssig, formschlüssig und/oder stoffschlüssig verbunden ist.
Spannungswellengetriebe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Spannungswellengetriebe (1.1; 1.2; 1.3) wenigstens einen Anschlag (14; 15) aufweist, durch welchen die Bewegung des die Verstellbewegung ausführenden Eingangs (3) relativ gegenüber dem Ausgang (4) begrenzt ist.
Spannungswellengetriebe nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Anschläge (14, 15) vorgesehen sind, durch welche die Bewegung des die Verstellbewegung ausführenden Eingangs (3) relativ gegenüber dem Ausgang (4) in zwei Bewegungsrichtungen begrenzt ist.
Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor mit einem Spannungswellengetriebe (1.1; 1.2, 1.3) nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der eine Hauptbewegung ausführende Eingang (2) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors und der Ausgang (4) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors wirkverbindbar sind und ein Verstellmotor (16) des Nockenwellenverstellers auf den Eingang (3) des Spannungswellengetriebes (1.1; 1.2; 1.3) wirkt, durch welchen eine Verstellbewegung ausführbar ist.