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Die Erfindung betrifft eine Exzenteranordnung mit einer um eine Drehachse drehbar gelagerten Hohlwelle, in der eine drehbare Verstellwelle angeordnet ist, wobei auf wenigstens einem Exzenterlagerabschnitt der Hohlwelle zumindest eine Exzenterscheibe gelagert ist. Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine.
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Die Exzenteranordnung ist beispielsweise Bestandteil der Brennkraftmaschine und ist dabei einer Welle der Brennkraftmaschine, insbesondere der Kurbelwelle, zugeordnet. Die Welle der Brennkraftmaschine liegt in diesem Fall insoweit als die Hohlwelle der Exzenteranordnung vor. Die Hohlwelle ist um die Drehachse drehbar gelagert. Unter dem Begriff „Hohlwelle” kann eine Welle verstanden werden, welche in Längsrichtung der lediglich teilweise hohl oder ausgebildet ist. Alternativ kann die Hohlwelle selbstverständlich über ihre gesamte Längsrichtung einen Hohlraum aufweisen. In der Hohlwelle beziehungsweise dem Hohlraum der Hohlwelle ist die Verstellwelle drehbar angeordnet oder gelagert. In ersterem Fall ist die Verstellwelle beispielsweise separat von der Hohlwelle gelagert, insbesondere in einem Gehäuse der Exzenteranordnung.
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Die Hohlwelle weist zudem den Exzenterlagerabschnitt auf, welcher beispielsweise in Form eines exzentrisch zu der Drehachse an der Hohlwelle angeordneten Kreiszylinders vorliegt. Auf dem Exzenterlagerabschnitt ist die Exzenterscheibe gelagert, wozu diese eine Lagerausnehmung aufweist, welche den Exzenterlagerabschnitt, beispielsweise also den vorstehend beschriebenen Kreiszylinder, in axialer Richtung gesehen wenigstens bereichsweise aufnimmt. Insoweit ist die Lagerausnehmung der Exzenterscheibe im Querschnitt bezüglich der Drehachse gesehen rund. Auf einer Außenumfangsfläche der Exzenterscheibe, welche bevorzugt ebenfalls im Querschnitt gesehen rund ist, kann ein Pleuel gelagert sein, wobei ein Pleuelauge dieses Pleuels die Außenumfangsfläche der Exzenterscheibe aufnimmt beziehungsweise umgreift.
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Aus dem Stand der Technik ist beispielsweise die Druckschrift
DE 10 2011 009 832 A1 bekannt, welche eine Antriebsanordnung für ein stufenlos verstellbares Getriebe eines Kraftfahrzeuges zeigt.
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Es ist nun Aufgabe der Erfindung, eine Exzenteranordnung vorzuschlagen, welche gegenüber bekannten Ausführungsformen robuster ausgestaltet ist und insbesondere für die Kurbelwelle der Brennkraftmaschine eingesetzt werden kann.
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Dies wird erfindungsgemäß mit der Exzenteranordnung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 erreicht. Dabei ist vorgesehen, dass in axialer Richtung neben der Exzenterscheibe ein mit der Exzenterscheibe drehfest verbundenes Verbindungselement angeordnet ist, welches durch eine Aussparung der Hohlwelle in Wirkverbindung mit der Verstellwelle steht. Über das Verbindungselement ist eine Wirkverbindung zwischen der Verstellwelle und der Exzenterscheibe hergestellt, sodass durch ein Drehen der Verstellwelle bezüglich der Hohlwelle eine Verlagerung der Exzenterscheibe auf der Hohlwelle vorgenommen werden kann. Das Verbindungselement ist bezüglich der Drehachse in axialer Richtung neben der Exzenterscheibe angeordnet. Auf diese Art und Weise ist eine besonders stabile und dauerfeste Lagerung der Exzenterscheibe auf dem Exzenterlagerabschnitt möglich. Der Exzenterlagerabschnitt ist zur Realisierung einer Exzenterfunktion exzentrisch zu einer Drehachse der Hohlwelle angeordnet. Insbesondere ist der Exzenterlagerabschnitt an einem Exzenterabschnitt der Hohlwelle vorgesehen. Insoweit ist die Exzenterscheibe auf dem Exzenterabschnitt gelagert.
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Die Exzenterscheibe ist über ein Lager, welches nachfolgend als Exzenterlager bezeichnet wird, an dem Exzenterlagerabschnitt gelagert. Das Exzenterlager kann beispielsweise als Gleitlager oder – besonders bevorzugt – als Wälzlager ausgeführt sein. Als Wälzlager kommt beispielsweise ein Kugellager, ein Tonnenlager, ein Zylinderrollenlager oder ein Nadellager zum Einsatz. Durch eine derartige Lagerung der Exzenterscheibe auf dem Exzenterlagerabschnitt der Hohlwelle wird ein besonders leichtgängiges Verstellen und mithin ein geringer Energiebedarf für das Verstellen erzielt. Zudem ist sowohl durch das Gleitlager als auch durch das Wälzlager die Flächenpressung zwischen der Exzenterscheibe und dem Exzenterlagerabschnitt deutlich verringert, insbesondere ist ein Verlauf der Flächenpressung über den Umfang des Exzenterlagerabschnitts der Hohlwelle stetig oder zumindest nahezu stetig.
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Die Hohlwelle weist die Aussparung auf, durch welche die Wirkverbindung zwischen der Verstellwelle und dem Verbindungselement vorliegt. Die Wirkverbindung kann beispielsweise rein kraftschlüssig, insbesondere durch Flächenpressung, realisiert sein. Dabei steht also das Verbindungselement in vorzugsweise permanentem Berührkontakt mit der Verstellwelle. Vorzugsweise ist jedoch eine formschlüssige Wirkverbindung vorgesehen. Das Verbindungselement ist besonders bevorzugt unmittelbar neben der Exzenterscheibe angeordnet, grenzt also direkt an dieses an. Alternativ kann selbstverständlich auch ein Abstand in axialer Richtung zwischen dem Verbindungselement und der Exzenterscheibe vorliegen. Von Bedeutung ist lediglich, dass das Verbindungselement drehfest mit der Exzenterscheibe verbunden ist, sodass eine Drehbewegung des Verbindungselements unmittelbar in eine Drehbewegung der Exzenterscheibe umgesetzt wird. Die Aussparung der Hohlwelle, durch welche die Wirkverbindung vorliegt, erstreckt sich vorzugsweise in Umfangsrichtung gesehen lediglich über einen Teil der Hohlwelle.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Wirkverbindung mittels einer Außenverzahnung der Verstellwelle und einem mit dieser kämmenden Innenverzahnung des Verbindungselements hergestellt ist. Wie bereits vorstehend ausgeführt, ist die Wirkverbindung vorzugsweise formschlüssig. Dies wird mithilfe der Außenverzahnung und der Innenverzahnung erzielt, welche drehmomentübertragend kämmen. Die Außenverzahnung ist dabei der Verstellwelle und die Innenverzahnung dem Verbindungselement zugeordnet. Insbesondere ist die Außenverzahnung integral mit der Verstellwelle und/oder die Innenverzahnung integral mit dem Verbindungselement ausgebildet.
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Eine Weiterbildung der Erfindung sieht vor, dass das Verbindungselement die Ausnehmung in radialer Richtung durchgreift. Zur Herstellung der Wirkverbindung muss das Verbindungselement, welches neben der Exzenterscheibe die Verstellwelle zumindest bereichsweise umgreifend angeordnet ist, durch die Ausnehmung in Verbindung mit der Verstellwelle treten. Zu diesem Zweck ragt es bezüglich der Drehachse in radialer Richtung nach innen durch die Ausnehmung in den Hohlraum der Hohlwelle hinein, in welchem die Verstellwelle angeordnet ist.
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Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass die Hohlwelle und die Verstellwelle über ein Stellgetriebe miteinander gekoppelt sind. Besonders bevorzugt ist es vorgesehen, dass nur durch aktives Betreiben eines Stellantriebs eine Drehbewegung der Exzenterscheibe bezüglich der Hohlwelle bewirkt wird. Insbesondere sollen die Hohlwelle und die Verstellwelle mit derselben Drehzahl umlaufen, solange der Stellantrieb nicht betrieben wird. Lediglich bei einem aktiven Betreiben des Stellantriebs wird die Verstellwelle bezüglich der Hohlwelle beschleunigt oder verlangsamt, sodass durch die nunmehr vorliegende Relativbewegung zwischen diesen beiden Wellen eine Drehung der Exzenterscheibe bezüglich der Hohlwelle bewirkt wird.
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Der Stellantrieb ist beispielsweise einer Stelleinrichtung zugeordnet, welche neben dem Stellantrieb über das Stellgetriebe verfügen kann. Beispielsweise ist der Stellantrieb über ein Getriebe, insbesondere ein Schneckengetriebe, besonders bevorzugt über selbsthemmendes Schneckengetriebe, mit der Verstellwelle beziehungsweise dem Stellgetriebe wirkverbunden. Das Stellgetriebe ist nach allem vorzugsweise also derart ausgeführt, dass die Hohlwelle und die Verstellwelle während eines Normalbetriebs mit derselben Drehzahl umlaufen, wobei die Verstellwelle von der Hohlwelle angetrieben wird. Zudem ist bevorzugt über das Stellgetriebe der Stellantrieb mit der Verstellwelle gekoppelt, sodass bei einem Betreiben des Stellantriebs in einem Stellbetrieb die Verstellwelle gegenüber der Hohlwelle beschleunigt oder verzögert werden kann.
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Schließlich kann vorgesehen sein, dass das Verbindungselement mittels eines Befestigungselements an der Exzenterscheibe befestigt oder einstückig mit dieser ausgebildet ist. In ersterem Fall liegt das Verbindungselement bis zur Montage der Exzenteranordnung als von der Exzenterscheibe separates Element vor. Erst bei der Montage wird das Verbindungselement mithilfe des Befestigungselements an der Exzenterscheibe angebracht. Alternativ ist es selbstverständlich möglich, dass das Verbindungselement einstückig mit der Exzenterscheibe ausgebildet ist. In diesem Fall kann zudem eine materialeinheitliche Ausführung von Verbindungselement und Exzenterscheibe vorgesehen sein. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die Hohlwelle passend ausgeformt ist, um eine Montage der Einheit aus Verbindungselement und Exzenterscheibe zu ermöglichen.
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Die Erfindung betrifft weiterhin eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle. Diese zeichnet sich dadurch aus, dass die Kurbelwelle eine Exzenteranordnung gemäß den vorstehenden Ausführungen aufweist. Auf die Vorteile einer derartigen Exzenteranordnung wurde bereits eingegangen. Die Brennkraftmaschine als auch die Exzenteranordnung können gemäß den vorstehenden Ausführungen weitergebildet sein, sodass insoweit auf diese verwiesen wird.
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Die Erfindung wird nachfolgend anhand der in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiele näher erläutert, ohne dass eine Beschränkung der Erfindung erfolgt. Dabei zeigt
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1 eine schematische Darstellung einer Exzenteranordnung, welche als Bestandteil einer Brennkraftmaschine vorgesehen ist,
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2 eine Detailansicht eines Bereichs der Exzenteranordnung,
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3 eine zweite Detaildarstellung der Exzenteranordnung, und
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4 eine dritte Detaildarstellung der Exzenteranordnung.
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Die 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Bereichs einer Brennkraftmaschine 1, wobei eine Kurbelwelle 2 vorliegt, mit welcher jeweils über einen Pleuel 3 ein Kolben 4 der Brennkraftmaschine 1 in Wirkverbindung steht. Der beziehungsweise die Kolben 4 bewegen sich während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 zyklisch auf und ab. Um diese translatorische Bewegung in eine Drehbewegung der Kurbelwelle 2 umzusetzen, ist der Pleuel 3 sowohl drehbar an dem jeweiligen Kolben 4 als auch drehbar auf einem Exzenter 5 der Kurbelwelle 2 gelagert.
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Um während des Betriebs der Brennkraftmaschine eine Verstellung der Hubs des Kolbens 4 beziehungsweise der Kolben 4 einstellen zu können, verfügt die Kurbelwelle 2 über eine Exzenteranordnung 6. Im Rahmen der Exzenteranordnung 6 ist die Kurbelwelle 2 als Hohlwelle ausgebildet. In der Kurbelwelle 2 beziehungsweise einem Hohlraum der Kurbelwelle 2 ist eine Verstellwelle 7 drehbar gelagert. Die Kurbelwelle 2 verfügt zudem über mehrere Exzenterlagerabschnitte 8, wobei bevorzugt jedem Kolben 4 beziehungsweise jedem Pleuel 3 ein derartiger Exzenterlagerabschnitt 8 zugeordnet ist.
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Auf jedem Exzenterlagerabschnitt 8 ist eine Exzenterscheibe 9 gelagert. Beispielsweise weist der Exzenterlagerabschnitt 8 dazu eine Außenumfangsfläche 10 auf, welche in einer Lagerausnehmung 11 der Exzenterscheibe 9 aufgenommen ist. Zwischen dem Exzenterlagerabschnitt 8 und der Exzenterscheibe 9 ist ein Exzenterlager vorgesehen, welches beispielsweise als Gleitlager ausgeführt ist, wobei insbesondere die Außenumfangsfläche 10 mit einer Innenfläche der Lagerausnehmung 11 unmittelbar in Berührkontakt beziehungsweise Gleitkontakt steht. Alternativ kann das Exzenterlager selbstverständlich als Wälzlager oder dergleichen ausgestaltet sein.
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Sowohl die Kurbelwelle 2 als auch die Verstellwelle 7 sind um eine Drehachse 12 drehbar gelagert. Bezüglich dieser Drehachse 12 in axialer Richtung neben der Exzenterscheibe 9 ist ein Verbindungselement 13 angeordnet, das mit der Exzenterscheibe 9 drehfest verbunden ist. Dieses Verbindungselement 13 steht durch eine Aussparung 14 der Kurbelwelle 2 in Wirkverbindung mit der Verstellwelle 7. Besonders bevorzugt weist die Verstellwelle 7 dazu eine Außenverzahnung 15 und das Verbindungselement 13 eine Innenverzahnung 16 auf, wobei diese mit der Außenverzahnung 15 zur Herstellung der Wirkverbindung kämmt. Im Bereich der Aussparung 14 durchgreift das Verbindungselement 13 in radialer Richtung die Ausnehmung 14 in Richtung der Verstellwelle 7, um mit dieser in Wirkverbindung zu geraten.
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Zusätzlich verfügt die Exzenteranordnung 6 über eine Stelleinrichtung 17, die insbesondere aus einem Stellgetriebe 18 und einem Stellantrieb 19, vorzugsweise einem Elektromotor, besteht. Das Stellgetriebe 18 verfügt über zwei miteinander gekoppelte Planetengetriebe 20 und 21. Ein Sonnenrad 22 des Planetengetriebes 20 ist drehfest mit der Verstellwelle 7 verbunden. Das Sonnenrad 22 kämmt mit einem Planetenrad 23, welches auf einem Planetenträger 24 drehbar gelagert ist. Zudem kämmt das Planetenrad 23 mit einem Hohlrad 25, welches bevorzugt von dem Stellantrieb 19 antreibbar ist. Zu diesem Zweck kann zwischen dem Hohlrad 25 und dem Stellantrieb 19 ein Schneckengetriebe 26 vorliegen, welches beispielsweise selbsthemmend ausgestaltet ist. Eine Schnecke 27 des Schneckengetriebes 26 ist drehfest mit dem Stellantrieb 19, insbesondere einer Motorwelle des Elektromotors, wirkverbunden. Die Schnecke 27 kämmt mit einer Außenverzahnung 28 des Hohlrads 25, welche ebenfalls dem Schneckengetriebe 26 zugeordnet ist.
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Ein Sonnenrad 29 des Planetengetriebes 21 ist drehfest mit der Kurbelwelle 2 wirkverbunden und kämmt zudem mit einem Planetenrad 30. Dieses ist auf einem Planetenträger 31 drehbar gelagert, wobei vorzugsweise die Planetenträger 24 und 31 der Planetengetriebe 20 und 21 miteinander drehfest verbunden sind. Das Planetenrad 30 kämmt schließlich mit einem Hohlrad 32 des Planetengetriebes 21. Bevorzugt ist das Hohlrad 32 ortsfest angeordnet. Über das Stellgetriebe 18 sind die Kurbelwelle 2 und die Verstellwelle 7 miteinander gekoppelt. Bei der dargestellten Ausgestaltung treibt die Kurbelwelle 2 die Verstellwelle 7 derart an, dass die beiden Wellen 2 und 7 dieselbe Drehzahl aufweisen, solange der Stellantrieb 19 nicht betrieben wird. Wird dagegen der Stellantrieb 19 betätigt, liegt also eine Drehbewegung des Hohlrads 25 vor, so wird diese Drehbewegung in eine Relativdrehbewegung der Verstellwelle 7 bezüglich der Kurbelwelle 2 umgesetzt. Dies bewirkt durch die Wirkverbindung zwischen der Verstellwelle 7 und dem Verbindungselement 13 eine Drehbewegung der Exzenterscheibe 9 bezüglich der Kurbelwelle 2 und mithin eine Veränderung des Hubs des Kolbens 4. Der Hub kann insoweit zwischen einem Maximalhub und einem Minimalhub mithilfe der Stelleinrichtung 17 verstellt werden.
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Es soll darauf hingewiesen werden, dass die vorgestellte Exzenteranordnung 6 nicht nur im Rahmen der Brennkraftmaschine 1 eingesetzt werden kann, sondern auch für andere Anwendungen heranziehbar ist, beispielsweise für einen Ventiltrieb, eine Pumpe oder dergleichen. Anstelle des beschriebenen Stellantriebs 19 kann selbstverständlich eine Verstellmechanik vorgesehen sein, welche eine manuelle Betätigung, beispielsweise durch einen Benutzer, ermöglicht.
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Die 2 zeigt eine erste Detaildarstellung der Exzenteranordnung 6, wobei eine Längsschnittdarstellung entlang der Drehachse 12 vorliegt. Es ist deutlich zu erkennen, dass das Verbindungselement 13 mittels eines Befestigungselements 33 an der Exzenterscheibe 9 befestigt ist. Das Befestigungselement 33 ist beispielsweise eine Schraube.
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Die 3 zeigt eine zweite Detailansicht, wobei deutlich zu erkennen ist, wie die Außenverzahnung 15 mit der Innenverzahnung 16 durch die Aussparung 14 in Eingriff steht. Zudem ist dargestellt, dass die Kurbelwelle 2 teilweise ausgespart ist.
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Die 4 zeigt eine dritte Detailansicht der Exzenteranordnung 6, wobei das Verbindungselement 13 nicht dargestellt ist und insoweit eine Seite der Exzenterscheibe vollständig zu erkennen ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Pleuel
- 4
- Kolben
- 5
- Exzenter
- 6
- Exzenteranordnung
- 7
- Verstellwelle
- 8
- Exzenterlagerabschnitt
- 9
- Exzenterscheibe
- 10
- Außenumfangsfläche
- 11
- Lagerausnehmung
- 12
- Drehachse
- 13
- Verbindungselement
- 14
- Aussparung
- 15
- Außenverzahnung
- 16
- Innenverzahnung
- 17
- Stelleinrichtung
- 18
- Stellgetriebe
- 19
- Stellantrieb
- 20
- Planetengetriebe
- 21
- Planetengetriebe
- 22
- Sonnenrad
- 23
- Planetenrad
- 24
- Planetenträger
- 25
- Hohlrad
- 26
- Schneckengetriebe
- 27
- Schnecke
- 28
- Außenverzahnung
- 29
- Sonnenrad
- 30
- Planetenrad
- 31
- Planetenträger
- 32
- Hohlrad
- 33
- Befestigungselement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102011009832 A1 [0004]
