DE102011004069A1

DE102011004069A1 - 3-Wellen-Verstellgetriebe mit elastischem Koppelglied

Info

Publication number: DE102011004069A1
Application number: DE102011004069A
Authority: DE
Inventors: Jens Schäfer; Mike Kohrs; Jeffrey S. Balko
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-02-14
Filing date: 2011-02-14
Publication date: 2012-08-16
Also published as: US8950371B2; US20140007830A1; WO2012110149A1; EP2676013A1; EP2676013B1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein 3-Wellen-Verstellgetriebe, umfassend ein mit einer Antriebswelle drehfest verbindbares Antriebsteil (01), ein mit einer Abtriebswelle verbindbares Abtriebsteil und ein mit einer Verstellwelle verbindbares Stellglied. Zwischen zwei der drei Wellen ist ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen. Erfindungsgemäß weist der Anschlag ein elastisches Koppelglied zur Dämpfung eines Aufpralls im Anschlagfall auf.

Description

Die Erfindung betrifft ein 3-Wellen-Verstellgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit einem mit einer Antriebswelle drehfest verbindbaren Antriebsteil, einem mit einer Abtriebswelle drehfest verbindbaren Abtriebsteil und einem mit einer Verstellwelle drehfest verbindbaren Stellglied.
3-Wellen-Verstellgetriebe kommen beispielsweise in Verbrennungsmotoren zum Verstellen von Phasenwinkeln, vorrangig zur Verstellung der Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile zum Einsatz (Nockenwellenversteller, Phasenversteller für Aktuatorwellen bei variablen Ventiltrieben). Der Phasenversteller ist dabei als Stellglied in einem 3-Wellen-System angeordnet. Primär wird dem 3-Wellen-System über die Antriebswelle (z. B. Kettenrad) die Antriebsleistung zugeführt, welche über die Abtriebswelle (z. B. Nockenwelle) wieder abgegeben wird. Das Stellglied ist dabei als Bindeglied zwischen der Antriebswelle und der zu treibenden Welle im Leistungsfluss angeordnet. Es erlaubt über eine dritte Welle (Verstellwelle) überlagert zur Antriebsleistung zusätzlich mechanische Leistung in das Wellensystem einzukoppeln oder aus diesem abzuführen. Dadurch kann die von der Antriebswelle vorgegebene Bewegungsfunktion (Phasenwinkel) zur Abtriebswelle verändert werden.
Beispiele für derartige 3-Wellen-Verstellgetriebe sind Taumelscheibengetriebe und Innenexzentergetriebe, welche beispielsweise in der WO 2006/018080 beschrieben sind. Hierzu gehören auch die aus der WO 2005/080757 bekannten Wellgetriebe und die in der US 2007/0051332 A1 und US 2003/0226534 A1 enthaltenen Getriebe.
Verschiedene Phasenversteller sind aus dem Stand der Technik bekannt. Beispielsweise sind in DE 10 2004 009 128 A1 , DE 10 2005 059 884 A1 und DE 10 2004 038 681 A1 elektromechanische Nockenwellenversteller beschrieben.
Aus der DE 102 48 351 A1 ist ein elektromechanischer Nockenwellenversteller bekannt, bei dem der Verstellmotor mittels einer lösbaren Kupplung mit dem Verstellgetriebe verbunden ist. Durch eine entsprechende Auslegung der Kupplung ist das auf die Verstellwelle übertragbare Drehmoment begrenzbar. Diese wirkt dann als Sicherheitskupplung.
Ein Sonderfall eines 3-Wellen-Verstellgetriebes ist eine 2-Wellen-Anordnung in Verstellantrieben, bei denen die Antriebswelle gehäusefest ist, d. h. es wird nur Leistung zwischen Verstellwelle und Abtriebswelle übertragen. Eine solche Vorrichtung dient dazu, eine mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Last eingespeiste Antriebsleistung eines Stellers in eine Abtriebsleistung mit geringer Geschwindigkeit und hoher Last zu wandeln und findet Verwendung beispielsweise in Untersetzungsvorrichtungen für Stellantriebe im Automotivbereich sowie in Industrieanwendungen, z. B. der Robotik.
Um die Peripherie bei Steuerungsfehlern der Aktuatorik vor unerwünschten Kollisionen von Bauteilen zu schützen, wird der Verstellbereich bzw. Antriebsbereich durch Begrenzung des Drehwinkels einer der drei Wellen relativ zu einer zweiten Welle bzw. relativ zum Gehäuse eingeschränkt. Dazu wird ein mechanischer Anschlag als integraler Bestandteil der Vorrichtung verwendet. Im bekannten Stand der Technik der Nockenwellenversteller ist der Anschlag zwischen der Abtriebswelle und der Antriebswelle vorgesehen, da die Verstellwelle in der Regel einen Winkel von mehr als 360° zurücklegt.
In einer solchen Ausführung wird dann die nicht unmittelbar im Verstellwinkel bzw. Antriebswinkel begrenzte Verstellwelle im Falle des Anschlages über die Getriebekinematik und die Steifigkeit der Getriebeglieder abgebremst, sobald die Abtriebsseite die Grenze des Drehwinkels erreicht. Dabei können sich in Folge der extrem hohen Lasten Getriebeteile so stark verformen, dass sie untereinander kollidieren und das Stellglied zum Verklemmen bringen. Weiterhin können Getriebeteile frühzeitig ermüden bzw. müssen für den Normalbetrieb überdimensioniert werden, um auch die hohen Lasten im Falle des ungebremsten Anschlags zu ertragen.
Die Aufgabe der Einfindung besteht darin, ein 3-Wellen-Verstellgetriebe derart auszubilden, dass die beim Erreichen eines Anschlages im Stellglied auftretenden Impulslasten in ihrer Wirkung gedämpft sind.
Die Lösung der Aufgabenstellung gelingt durch ein 3-Wellen-Verstellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein 3-Wellen-Verstellgetriebe umfasst ein mit einer Antriebswelle drehfest verbindbares Antriebsteil, ein mit einer Abtriebswelle verbindbares Abtriebsteil und ein mit einer Verstellwelle eines Stellers verbindbares Stellglied, wobei zwischen zwei der drei Wellen ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen ist. Erfindungsgemäß weist der Anschlag ein elastisches Koppelglied zur Dämpfung eines Aufpralls im Anschlagfall auf.
Die Erfindung wird nachfolgend an einem Nockenwellenversteller beschrieben, ist aber auf andere 3-Wellen-Verstellgetriebe und 2-Wellen-Anordnungen (gehäusefestes Antriebsteil) übertragbar.
Das elastische Koppelglied wird in einer bevorzugten Ausführungsform in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller verwendet, bei dem der Anschlag zwischen dem Antriebsteil und dem Abtriebsteil vorgesehen ist. Der Anschlag ist durch einen Anschlagring mit einer Anschlagnase auf der Antriebsseite und eine Anschlagscheibe mit einer Kulisse auf der Abtriebsseite gebildet. Die Kulisse und die in der Kulisse geführte Anschlagnase weisen jeweils mindestens eine (im Normalfall zwei) Anschlagflächen auf, die sich im Anschlagfall gegenseitig berühren. Vorzugsweise ist das Koppelglied zwischen den Anschlagflächen vorgesehen.
Die Vorteile der Erfindung sind insbesondere darin zu sehen, dass mit einfachen konstruktiven Mitteln eine effektive interne Teilentkopplung der äußeren Last erreicht werden kann. Das elastische Koppelglied sorgt ab einem bestimmten Lastmoment für eine größere Nachgiebigkeit (d. h. geringere Steife) im Kraftfluss zwischen den korrespondierenden Anschlagflächen beim Erreichen des Anschlages. Ein Großteil der enthaltenden kinetischen Energie der drehenden Wellen (Abtriebswelle und Verstellwelle) wird somit beim Auftreffen auf den Anschlag in Verformungsenergie umgewandelt. Durch den größeren Weg wird Arbeit verrichtet und damit quasi Bewegungsenergie ”vernichtet”. Durch die unvermeidliche innere und äußere Reibung wird ebenfalls Energie als Wärme abgeführt.
Bei der Dimensionierung des elastischen Koppelgliedes muss die maximal auftretende Energie im Anschlagfall zugrunde gelegt werden. Das elastische Koppelglied kann als mechanisches, pneumatisches oder hydraulisches Koppelglied oder einer Kombination daraus ausgeführt sein. Als mechanisches Koppelglied eignet sich beispielsweise eine elastische Auflage auf einer oder beiden Anschlagflächen oder ein Federmechanismus, der entweder zwischen den Anschlagflächen oder in einer drehelastischen Lagerung ausgeführt sein kann. Wenn das elastische Koppelglied stattdessen als pneumatisches oder hydraulisches Koppelglied ausgeführt ist, so kommt hierfür ein mit Druck beaufschlagter Kolben in Frage, der beispielsweise zwischen den Anschlagflächen vorgesehen ist und der in tangentialer oder vermittels einer Rampe oder eines Hebelgelenks in radialer Richtung verschoben wird.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Figuren näher erläutert. Es zeigen:
1: eine Prinzipskizze eines mechanischen Anschlages eines Nockenwellenverstellers mit einem Koppelglied;
2: eine Prinzipskizze eines mechanischen Anschlages eines Nockenwellenverstellers mit zwei Koppelgliedern;
3: drei Prinzipskizzen verschiedener Koppelglieder in einem Nockenwellenversteller;
4: eine sekundär bevorzugte Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers in drei verschiedenen Ansichten;
5: eine Prinzipskizze eines radial verschiebbaren Kolbens als Koppelglied;
6: eine bevorzugte Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers mit einem Federring;
7: eine Detaildarstellung des Nockenwellenverstellers aus 6;
8: eine Detaildarstellung des Nockenwellenverstellers mit veränderten Formelementen.
In 1 ist eine Prinzipskizze eines Anschlages eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers dargestellt. Ein Kettenrad 01 ist der Antriebsteil des Nockenwellenverstellers. Es ist mittels einer Kette mit einer Kurbelwelle antriebswirksam verbunden (nicht dargestellt). Das Kettenrad 01 trägt einen Anschlagring 02 mit einer Anschlagnase 03. Innerhalb des Anschlagringes 02 ist eine mit dem Nockenwellenrad (Abtriebsteil) fest verbundene Anschlagscheibe 04 mit einer Kulisse 05 angeordnet, in der die Anschlagnase 03 geführt und relativ zur Anschlagscheibe beweglich ist. Die Kulisse 05 der Anschlagscheibe ist durch Anschlagflächen 06 begrenzt.
Am Anschlagring 02 sind Anschlagflächen als Früh-Anschlag 07 und Spät-Anschlag 08 (antriebsseitig) vorgesehen, welche durch Zusammenwirken mit den Anschlagflächen 06 der Anschlagscheibe 04 den Verstellwinkel zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle begrenzen.
In der dargestellten Ausführungsform ist am Spät-Anschlag 08 ein elastisches Koppelglied, hier als Feder 09 ausgeführt, vorgesehen. Hierdurch erfolgt bei Erreichen des Spät-Anschlages 08 ein weicher Anschlag mit hoher Elastizität. Der Früh-Anschlag 07 ist als steifer Anschlag ausgeführt.
Die in 2 gezeigte Ausführungsform unterscheidet sich von der in 1 gezeigten nur dadurch, dass sowohl am Früh-Anschlag 07 als auch am Spät-Anschlag 08 jeweils Federn 09 als elastische Koppelglieder vorgesehen sind.
In 3 sind als Detailansichten drei verschiedene Ausführungsformen für Koppelglieder am Beispiel des Spät-Anschlages 08 schematisch dargestellt. Diese können durch die bereits genannte Feder 09, einen hydraulischen oder pneumatischen Kolben 11, oder eine Kombination aus Feder 09 und Kolben 11 gebildet sein. Die praktische Ausgestaltung der Ausführungsformen wird dem Fachmann keine Schwierigkeiten bereiten.
In den dargestellten Varianten sind die Koppelglieder jeweils in den Anschlagflächen 06 der Anschlagscheibe 04 angeordnet und weisen als Anschlagfläche einen Puffer 12 auf, welcher im Anschlagfall auf den Spät-Anschlag 08 auftrifft. Diese symbolische Darstellung des Koppelgliedes kann der Fachmann leicht in verschiedene technische Ausführungsformen umsetzen. Selbstverständlich sind diese Ausführungsformen auch für den Früh-Anschlag 07 (1, 2) anwendbar.
4 zeigt eine bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen 3-Wellen-Verstellgetriebes. Dabei zeigt die linke Abbildung eine Längsschnittdarstellung eines Nockenwellenverstellers, die mittlere Abbildung eine Querschnittsdarstellung des Nockenwellenverstellers und die rechte Abbildung eine Draufsicht auf den Nockenwellenversteller, von der Seite der Nockenwelle aus gesehen.
Die nockenwellenfeste Anschlagscheibe umfasst eine Primäranschlagscheibe 13 und eine Sekundäranschlagscheibe 14. Die Sekundäranschlagscheibe 14 liegt nockenwellenfest im Klemmverband einer Zentralschraube (nicht dargestellt). Die Primäranschlagscheibe 13 ist drehbar auf der Sekundäranschlagscheibe 14 gelagert. Torsionsfedern 16 spannen den Primäranschlag 17 um einen Betrag eines Dämpfungswinkels α gegenüber dem Sekundäranschlag 18 elastisch vor. Im Anschlagsfall trifft die Anschlagfläche 07 oder 08 des Anschlagringes zunächst auf den Primäranschlag 17. Je nach Energiegehalt drückt sie diesen gegen die Torsionsfeder 16 weiter und verliert dabei Energie. Die Dämpfungseigenschaften sind solange gewährleistet, bis der Primäranschlag 13 auf den Sekundäranschlag 14 trifft. Dieser charakterisiert die mechanisch maximal zulässige Endlage. Selbstverständlich kann die Dämpfungsfunktion alternativ auch abtriebsseitig gebildet sein, ohne den Erfindungsgedanken zu verlassen.
5 zeigt eine alternative Ausführungsform eines Koppelgliedes in einer Prinzipskizze. An der Anschlagnase 03 ist ein radial ausgerichtetes Koppelglied 19 angeordnet. Das Koppelglied 19 umfasst einen radial verschiebbaren Kolben 21, der an seinem einwärts gerichteten Ende eine Kontur 22 oder Rampe aufweist. Der Kolben 21 ist mittels eines Feder-Dämpfer-Elementes 23 in seiner radialen Beweglichkeit beschränkt bzw. führt die radiale Bewegung gedämpft aus.
Beim Auflaufen der Anschlagfläche 06 auf die Anschlagfläche 08 trifft erstere zunächst auf die Kontur 22 des Kolbens 21, welcher entgegen des Feder-Dämpfer-Elementes 23 in radialer Richtung gedämpft verschoben wird. Dadurch wird der Aufprall der Anschlagfläche 06 auf die Anschlagfläche 08 in der gewünschten Weise abgebremst. Über die Form der Kontur 22 kann die Verzögerungsfunktion dimensioniert werden. Selbstverständlich kann anstelle des Feder-Dämpfer-Elementes auch ein hydraulisches oder pneumatisches Koppelglied verwendet werden.
6 zeigt eine besonders bevorzugte Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers mit einem Federring 24 als elastisches Koppelglied. Der Federring 24 ist wie ein Sprengring geöffnet und weist zwei radial nach innen gerichtete Federenden mit Primäranschlagflächen 28, 29 auf. Der Öffnungswinkel β und die Federkonstante des Federringes 24 sind dabei so auszulegen, dass eine Dämpfung des Anschlages der Anschlagnase über einen Arbeitsweg w (7) erreicht wird. Die Anschlagnase 03 mit den Anschlagflächen 07, 08 ist gestrichelt dargestellt.
Der Federring 24 ist in einem Federgehäuse 26 im Kettenrad 01 gelagert und mittels Formelementen 27.1, 27.2, 27.3, welche am Kettenrad 01 vorgesehen sind, zentriert und geführt. Die Anschlagfläche 06 der Anschlagscheibe 04 trifft zunächst eine Primäranschlagfläche 28 des Federringes 24. Aus der Aufschlagenergie und der Federsteife ergibt sich ein Federmoment, welches den Federring über den je nach Auslegung 1°–6° langen Arbeitsweg zusammendrückt. Dabei bleibt die Federlänge konstant, der Öffnungswinkel β wird kleiner. Die Abstützung des Federmomentes erfolgt dabei über das andere Federende 29 in dem zugehörigem Formelement 27.3. Am Ende des Arbeitsweges trifft die Anschlagfläche 06 auf die Anschlagfläche 08 der Anschlagnase 03 im Kettenrad 01 und erreicht damit das eigentliche Ende des Verstellweges.
In 7 ist der soeben beschriebene Zustand in einer Detaildarstellung gezeigt.
Selbstverständlich sind alternative Ausführungsformen und Anordnungen des Federringes möglich. solange das beschriebene Wirkprinzip eingehalten wird. Beispielsweise zeigt 8 eine veränderte Anordnung der Formelemente und der Führung des Federringes 24 durch kettenradfeste Pins 29 (als Formelemente), die in entsprechenden Öffnungen 31 des Federringes geführt sind.
Bezugszeichenliste

01: Kettenrad
02: Anschlagring
03: Anschlagnase
04: Anschlagscheibe
05: Kulisse
06: Anschlagfläche
07: Früh-Anschlagfläche
08: Spät-Anschlagfläche
09: Feder
10
11: pneumatischer Kolben
12: Puffer
13: Primäranschlagscheibe
14: Sekundäranschlagscheibe
15
16: Torsionsfeder
17: Primäranschlag
18: Sekundäranschlag
19: Koppelglied
20
21: Kolben
22: Kontur
23: Feder-Dämpfer-Element

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2006/018080 [0003]
WO 2005/080757 [0003]
US 2007/0051332 A1 [0003]
US 2003/0226534 A1 [0003]
DE 102004009128 A1 [0004]
DE 102005059884 A1 [0004]
DE 102004038681 A1 [0004]
DE 10248351 A1 [0005]

Claims

3-Wellen-Verstellgetriebe, umfassend ein mit einer Antriebswelle drehfest verbindbares Antriebsteil (01), ein mit einer Abtriebswelle verbindbares Abtriebsteil und ein mit einer Verstellwelle verbindbares Stellglied, wobei zwischen zwei der drei Wellen ein mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag ein elastisches Koppelglied zur Dämpfung eines Aufpralls im Anschlagfall aufweist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Anschlag durch einen Anschlagring (02) mit einer Anschlagnase (03) und eine Anschlagscheibe (04) mit einer Kulisse (05) gebildet ist, wobei der Anschlagring (02) drehfest mit dem Antriebsteil verbunden ist und die Anschlagscheibe (04) drehfest mit dem Abtriebsteil verbunden ist, und wobei die Anschlagnase (03) und die Kulisse (05) jeweils mindestens eine Anschlagfläche (06, 07, 08) aufweisen, die sich im Anschlagfall gegenseitig berühren.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Koppelglied zwischen den Anschlagflächen (07, 08) des Anschlagringes (02) und den Anschlagflächen (06) der Anschlagscheibe (04) vorgesehen ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Koppelglied ein mechanisches, pneumatisches oder hydraulisches Koppelglied oder eine Kombination daraus ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Koppelglied durch einen elastischen Belag auf mindestens einer der Anschlagflächen (06, 07, 08) gebildet ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Koppelglied durch eine drehelastische Lagerung des Anschlagringes (02) oder der Anschlagscheibe (04) gebildet ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Koppelglied eine Feder (09, 16) ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das pneumatische oder hydraulische Koppelglied durch einen mit Druck beaufschlagten Kolben (11, 21) gebildet ist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Koppelglied eine Dämpfungscharakteristik aufweist.
3-Wellen-Verstellgetriebe nach einem der Ansprüche 2 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anschlagscheibe ein Primäranschlagscheibe (13) und eine Sekundäranschlagscheibe (16) umfasst, zwischen denen eine Torsionsfeder (16) als Koppelglied angeordnet ist.