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Die vorliegende Erfindung betrifft ein Wolfromexzentergetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1, sowie eine Vorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 7.
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Für verschiedene Anwendungen werden Getriebe mit einer hohen Übersetzung und kompakten Abmessungen benötigt, die in Umgebungen mit sehr kleinem Bauraum eingebaut werden können. Eine derartige Anwendung ist beispielsweise die Veränderung des Verdichtungsverhältnisses eines als Hubkolbenbrennkraftmaschine ausgebildeten Verbrennungsmotors während des Betriebs, um diesen an verschiedene Betriebsbedingungen anzupassen. Dabei wird unter Verdichtungsverhältnis das Verhältnis des Zylinderraumes vor der Verdichtung zum verbliebenen Zylinderraum nach der Verdichtung verstanden.
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Das Verdichtungsverhältnis ist dazu beispielsweise durch eine auf die Pleuelstange wirksame Mechanik veränderbar. So ist aus der
DE 60 2004 000 849 T2 eine Vorrichtung bekannt, bei der eine Veränderung des Verdichtungsverhältnisses dadurch ermöglicht wird, dass anstatt einer herkömmlichen Pleuelstange zwei Pleuelgelenke verwendet werden, um die Kolbenkraft auf den Kurbelzapfen der Kurbelwelle zu übertragen. Eines der beiden Pleuelgelenke ist über ein drittes Gelenk derart mit einer Exzenternocke einer im Motorgehäuse gelagerten Exzenterwelle verbunden, dass ein Verdrehen der Exzenterwelle die wirksame Pleuellänge zwischen dem Kolbenbolzen und dem Kurbelzapfen verändert. Dadurch wird der Kolben in Zylinderrichtung verschoben und das Verdichtungsverhältnis der Hubkolbenbrennkraftmaschine verändert. Als wirksame Pleuellänge wird der Abstand zwischen der Kolbenbolzenmittelachse und der Kurbelzapfenmittelachse der Hubkolbenbrennkraftmaschine verstanden. Bei der
DE 60 2004 000 849 T2 wird die Verdrehung der Exzenterwelle über einen Schneckengetriebe von einem rotatorischen Stellantrieb gesteuert bzw. angetrieben. Eine derartige Anordnung benötigt einen verhältnismäßig großen Bauraum. Üblicherweise ist der Bauraum bei Verbrennungsmotoren in Kraftfahrzeugen jedoch sehr begrenzt.
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Aus der
DE 296 22 874 U1 ist eine Motor-Getriebeeinheit bekannt, die insbesondere in axialer Richtung wenig Bauraum beansprucht und hohe Übersetzungen ermöglicht. Bei einem darin vorgeschlagenen Umlaufrädergetriebe bildet der Rotor eines Elektromotors das Antriebsglied des Umlaufrädergetriebes. Dieses Antriebsglied weist einen Exzenterzapfen auf, auf dem ein Exzenterzahnrad gelagert ist, das mit einem mit der Abtriebswelle verbundenen Hohlrad und zusätzlich mit einem feststehenden, weiteren Hohlrad kämmt, wobei die beiden Hohlräder unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, sodass eine hohe Übersetzung erreicht wird.
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Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Getriebe mit hoher Übersetzung, geringem Bauraumbedarf und einer geringen Anzahl an Bauteilen bereitzustellen, das über möglichst lange Laufzeit wartungsfrei und spielarm betrieben werden kann.
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Es ist eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine zu schaffen, die einen geringen Bauraum erfordert und möglichst kostengünstig hergestellt und möglichst wartungsfrei und zuverlässig betrieben werden kann.
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Die genannten Aufgaben werden durch ein Wolfromexzentergetriebe gemäß Patentanspruch 1 und durch eine Vorrichtung gemäß Patentanspruch 7 gelöst. Die jeweiligen abhängigen Ansprüche beinhalten bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung.
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Das erfindungsgemäße Wolfromexzentergetriebe umfasst eine auf einer zentralen Mittelachse rotierbar angeordnete Antriebsnabe, ein gehäusefestes erstes Hohlrad mit einer ersten Innenverzahnung, ein konzentrisch zum ersten Hohlrad angeordnetes und rotierbar gegenüber einem Gehäuse gelagertes zweites Hohlrad mit einer zweiten Innenverzahnung. Das zweite Hohlrad bildet den Abtrieb des Wolfromexzentergetriebes. Des Weiteren umfasst das erfindungsgemäße Wolfromexzentergetriebe zumindest eine auf der Antriebsnabe exzentrisch zur zentralen Mittelachse angeordnete Exzen-terachse, auf der ein Exzenterzahnrad rotierbar angeordnet ist. Die Außenverzahnung dieses Exzenterzahnrades weist einen ersten und einen zweiten Außenverzahnungsbereich auf, die jeweils mit der ersten bzw. der zweiten Innenverzahnung der Hohlräder im Eingriff sind. Entweder die beiden Außenverzahnungsbereiche des Exzenterzahnrades oder die beiden Innenverzahnungen der Hohlräder weisen eine voneinander abweichende Zähnezahl auf. Die Zähnezahl unterscheidet sich dabei nur geringfügig, beispielsweise um ein oder zwei Zähne. Dadurch entsteht beim Betrieb des Wolfromexzentergetriebes die gewünschte hohe Übersetzung.
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Erfindungsgemäß sind die beiden Innenverzahnungen und die beiden Außenverzahnungsbereiche derart konisch ausgebildet, dass deren Öffnungswinkel jeweils zueinander zeigen. Diese konische Ausbildung der Verzahnungen ermöglicht durch axiale Verschiebung der einzelnen Elemente ein nahezu spielfreies Ineinandergreifen der Verzahnungen. Eine axiale Verschiebung ist beispielsweise durch ein Einstellen der Lage der beiden Hohlräder zueinander erreichbar.
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Im Vergleich zu Wolfromgetrieben mit einem zentral angeordneten Sonnenrad und Planetenrädern ist es besonders von Vorteil, dass bei der vorliegenden Art von Wolfromexzentergetriebe der zentrale Bauraum durch das exzentrisch angeordnete Exzenterzahnrad eingenommen werden und die Baugröße in radialer Richtung reduziert werden kann.
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Eine bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass der erste und der zweite konische Außenverzahnungsbereich des Exzenterzahnrades axial beweglich zueinander angeordnet sind, wodurch ebenfalls eine Einstellbarkeit und Reduzierung der Verzahnungsspiele zwischen den Außenverzahnungsbereichen und den Innenverzahnungen ermöglicht wird.
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Zur Eliminierung des Verzahnungsspiels in dem Wolfromexzentergetriebe ist gemäß einer besonders bevorzugten Ausführung vorgesehen, dass der erste konische Außenverzahnungbereich einteilig mit einem Grundkörper des Exzenterzahnrades ausgebildet ist und dass der zweite konische Außenverzahnungbereich unter axialer Federvorspannung axial beweglich auf dem Grundkörper des Planetenrades angeordnet ist. Dabei drückt die Federkraft die beiden konischen Außenverzahnungsbereiche derart auseinander, dass die Außenverzahnungen in die Innenverzahnungen der Hohlräder gedrückt werden. Dadurch verspannen sich die konischen Außenverzahnungen des Planetenrades derart in den konischen Innenverzahnungen der beiden Hohlräder, dass ein Spiel bei der Drehmomentübertragung ganz vermieden werden kann.
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Zur Herstellung der axialen Federvorspannung werden der erste und der zweite Außenverzahnungsbereich vorzugsweise mittels einer Ringscheibenfeder drehfest und axialbeweglich miteinander verbunden.
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Ein anderer Aspekt der Erfindung betrifft die möglichst geringen Abmessungen des Getriebes in axialer Richtung. Um dies zu erreichen ist die Antriebsnabe bevorzugt auf dem Außenumfang des ersten Hohlrades rotierbar gelagert und an ihrem Außenumfang ist zumindest ein Antriebselement vorgesehen. Das Antriebselement kann beispielsweise eine Kettenradverzahnung sein, mit deren Hilfe die die Antriebsnabe von einem axial versetzt angeordneten Antriebsmotor über einen Kettentrieb angetrieben wird. Es sind aber auch andere Antriebe, wie Keil- oder Zahnriementriebe verwendbar.
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Eine andere bevorzugte Ausführung der Erfindung sieht vor, dass die Antriebsnabe einteilig mit einem Rotor eines elektrischen Stellantriebes ausgebildet ist, wobei der elektrische Stellantrieb ein rotatorisch aufgebauter Elektromotor ist. Dadurch wird die Anzahl an Bauteilen des gesamten Stellantriebes weiter verringert und der gesamte Bauraumbedarf weiter verringert. Vorteilhaft lässt sich dazu ein Scheibenläufermotor einsetzen, der insbesondere wegen seiner geringen axialen Abmessungen verwendet wird.
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Die Erfindung umfasst des Weiteren eine Vorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine mit variablem Verdichtungsverhältnis, mit einer drehbar angeordneten Exzenterwelle, deren Verdrehen die wirksame Pleuellänge bei zumindest einem Kolben der Hubkolbenbrennkraftmaschine und damit das Verdichtungsverhältnis verändert, wobei die Exzenterwelle über ein oben beschriebenes Wolfromexzentergetriebe antreibbar ist. Eine entsprechende Vorrichtung zum Einstellen des Verdichtungsverhältnisses ist beispielsweise in der
DE 60 2004 000 849 T2 beschrieben. Durch die geringen Abmessungen des beschriebenen Wolfromexzentergetriebes in Verbindung mit der Spielfreiheit ist dieses Getriebe besonders geeignet als Stellantriebes zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors im beengten Motorraum eines Kraftfahrzeugs.
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Im Folgenden ist die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles in der Figur näher erläutert. Die Figur zeigt eine Schnittansicht des erfindungsgemäßen Wolfromexzentergetriebes in einer schematischen Darstellung.
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Ein erstes Hohlrad 6 des Wolfromexzentergetriebes ist starr mit einem Gehäuse 20 verbunden, beispielsweise mit Schrauben 18 am Gehäuse 20 eines Verbrennungsmotors befestigt. Das erste Hohlrad 6 weist eine erste Innenverzahnung 7 auf.
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Ein zweites Hohlrad 8 ist in dem Gehäuse 20 rotierbar um eine zentrale Mittelachse 10 in einem Wälzlager 15 gelagert. Das zweite Hohlrad 8 kann auch in dem gehäusefesten ersten Hohlrad 6 gelagert werden. Das Wälzlager 15 ist hier beispielsweise als Rillenkugellager ausgeführt. Das zweite Hohlrad 8 dient als Abtriebselement des Wolfromexzentergetriebes und ist dazu einstückig mit einer Abtriebsnabe 17 ausgeführt. Das zweite Hohlrad 8 weist eine zweite Innenverzahnung 9 auf, die in axialer Richtung abtriebsseitig anschließend an die erste Innenverzahnung 7 des ersten Hohlrades 6 angeordnet ist. Die beiden Innenverzahnungen 7 und 9 sind derart konisch ausgebildet, dass die Öffnungswinkel der beiden konischen Innenverzahnungen 7 und 9 zueinander zeigen.
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Die Innenverzahnungen 7 und 9 des ersten und des zweiten Hohlrades 6 und 8 weisen eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl auf, wodurch beim Betreiben des Wolfromexzentergetriebes die große Übersetzung zustande kommt. Die Zähnezahl der beiden Innenverzahnungen 7 und 9 kann beispielsweise nur um einen Zahn voneinander abweichen.
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Eine Antriebsnabe 1 ist topfförmig ausgebildet und mit ihrer inneren Umfangsfläche mittels eines Wälzlagers 13 auf dem Außenumfang des gehäusefesten ersten Hohlrades 6 gelagert, sodass sie ebenfalls um die zentrale Mittelachse 10 rotieren kann. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Wälzlager 13 als Nadellager ausgeführt. Auf ihrer äußeren Umfangsfläche weist die Antriebsnabe 1 im gezeigten Ausführungsbeispiel als Antriebselement 12 eine Kettenradverzahnung auf. Damit ist das Wolfromexzentergetriebe über einen nicht weiter gezeigten Kettentrieb antreibbar.
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Es sind jedoch auch andere Ausgestaltungen, Lagerungen und Antriebsarten der Antriebsnabe möglich. Beispielsweise kann die Antriebsnabe als Rotor eines Elektromotors fungieren und in der Grundform scheibenförmig als Rotor eines Scheibenläufermotors ausgebildet sein. Die Antriebsnabe könnte auch direkt am Gehäuse oder über das Abtriebselement, das starr mit dem zweiten Hohlrad verbunden ist, gelagert sein.
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Die Antriebsnabe 1 weist einen Exzenterbolzen 19 auf, dessen Mittelachse, die Exzenterachse 11 parallel versetzt zur zentralen Mittelachse 10 verläuft. Auf dem Exzenterbolzen 11 ist über ein weiteres Wälzlager 14 ein Exzenterzahnrad 2 rotierbar angeordnet, sodass das Exzenterzahnrad 2 um die Exzenterachse 11 rotierbar angeordnet ist. Der Exzenterbolzen 19 und die Antriebsnabe 1 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig ausgeführt.
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Das Exzenterzahnrad 2 weist zwei Außenverzahnungsbereiche 3 und 4 auf, wobei die Außenverzahnung des ersten Außenverzahnungsbereiches 3 in die Innenverzahnung 7 des ersten Hohlrades eingreift und die Außenverzahnung des zweiten Außenverzahnungsbereiches 4 in die Innenverzahnung 9 des zweiten Hohlrades eingreift.
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Die beiden Außenverzahnungsbereiche 3 und 4 sind derart konisch ausgebildet, dass die Öffnungswinkel der beiden konischen Außenverzahnungen zueinander zeigen und dass der Konuswinkel jeder Außenverzahnung zum Konuswinkel der dazugehörigen Innenverzahnung 7 bzw. 9 des jeweiligen Hohlrades 6 bzw. 8 passt. Im Betrieb heben sich die axialen Kräfte aus den Verzahnungen auf, durch die passend ausgewählte Geometrie der Zähne.
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Der erste Außenverzahnungsbereich 3 ist einstückig mit dem Grundkörper des Exzenterzahnrades 2 ausgeführt. Der zweite Außenverzahnungsbereich 4 wird von einem ringförmigen Element gebildet, das am äußeren Umfang die zweite Außenverzahnung aufweist. Der zweite Außenverzahnungsbereich 4 ist mittels einer Ringscheibenfeder 5 mit dem Grundkörper des Exzenterzahnrades 2 derart verbunden, dass er in Drehrichtung gegenüber dem Grundkörper nicht bewegbar, hingegen in axialer Richtung aber bewegbar ist. Die Ringscheibenfeder 5 ist mittels Schrauben 16 mit dem Grundkörper des Exzenterzahnrades 2 und mit dem zweiten Außenverzahnungsbereich 4 verbunden. Im entspannten Zustand der Ringscheibenfeder 5, d. h. wenn das Exzenterzahnrad 2 nicht in dem Wolfromexzentergetriebe eingebaut ist, besteht zwischen den beiden Außenverzahnungsbereichen 3 und 4 ein Abstand in axialer Richtung in Form eines Ringspaltes.
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Beim Zusammenbau des Wolfromexzentergetriebes wird die Ringscheibenfeder 5 axial verspannt, indem die konischen Außenverzahnungsbereiche 3 und 4 von den konischen Innenverzahnungen der Hohlräder 6 bzw. 8 gegen die Federkraft der Ringscheibenfeder 5 zusammengedrückt werden. Im fertig montierten Zustand hält so die Ringscheibenfeder 5 die konischen Außen- und Innenverzahnungen jeweils spielfrei ineinander. Der Ringspalt zwischen den beiden Außenverzahnungsbereichen 3 und 4 ist also schmaler als im entspannten Zustand der Ringscheibenfeder 5, wenn das Exzenterzahnrad 2 noch nicht in die Hohlräder 6 und 8 eingreift. Die Höhe der Vorspannung der Ringscheibenfeder 5 kann beispielsweise durch verschieden dicke Distanzscheiben zwischen dem Innenring des Wälzlagers 15 und Abtriebsnabe 17 eingestellt werden.
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Die Funktionsweise des Wolfromexzentergetriebes wird im Folgenden erläutert. Die über die Kettenradverzahnung 12 angetriebene Antriebsnabe 1 rotiert um die zentrale Mittelachse 10. Der Exzenterbolzen 19 läuft dabei mit dem rotierbar auf dem Exzenterbolzen 19 angeordneten Exzenterzahnrad 2 exzentrisch um die zentrale Mittelachse 10 um. Dabei stützt sich das Exzenterzahnrad 2 über seinen Außenverzahnungsbereich 3 und die Innenverzahnung 7 an dem ersten, gehäusefesten Hohlrad 6 ab und treibt über den Außenverzahnungsbereich 4 und die Innenverzahnung 9, verursacht durch die unterschiedliche Zähnezahl der Innenverzahnungen 7 und 9, das zweite Hohlrad 8 an. Mit dem Hohlrad 8 rotiert die starr damit verbundene Abtriebsnabe 17. Die konischen Verzahnungen zwischen dem Exzenterzahnrad 2 und den Hohlrädern 6 und 8 sind dabei durch die Federkraft der vorgespannten Ringscheibenfeder 5 ineinander gedrückt, sodass eine spielfreie Übertragung des Drehmomentes und der Drehbewegung erfolgt.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Antriebsnabe
- 2
- Exzenterzahnrad
- 3
- Erster Außenverzahnungsbereich
- 4
- Zweiter Außenverzahnungsbereich
- 5
- Ringscheibenfeder
- 6
- Erstes Hohlrad
- 7
- Erste Innenverzahnung
- 8
- Zweites Hohlrad
- 9
- Zweite Innenverzahnung
- 10
- Zentrale Mittelachse
- 11
- Exzenterachse
- 12
- Antriebselement
- 13
- Wälzlager
- 14
- Wälzlager
- 15
- Wälzlager
- 16
- Schrauben
- 17
- Abtriebsnabe
- 18
- Schraube
- 19
- Exzenterbolzen
- 20
- Gehäuse
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 602004000849 T2 [0003, 0003, 0016]
- DE 29622874 U1 [0004]
