DE102014201979A1

DE102014201979A1 - Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE102014201979A1
Application number: DE102014201979.6A
Authority: DE
Inventors: Auf Nichtnennung Antrag
Original assignee: Ovalo GmbH
Current assignee: Ovalo GmbH
Priority date: 2014-02-04
Filing date: 2014-02-04
Publication date: 2015-08-06
Anticipated expiration: 2034-02-05
Also published as: DE102014201979B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung einen Antriebsmotor und ein dem Antriebsmotor nachgeschaltetes Getriebe aufweist. Im Hinblick auf eine langlebige, präzise einstellbar ist vorgesehen, dass getriebeabtriebsseitig eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an das Getriebe angeschlossen ist, oder dass das Getriebe dazu angeordnet und ausgebildet ist, über eine einerseits radialflexible und/oder axial biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an eine Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors angeschlossen zu werden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung einen Antriebsmotor und ein dem Antriebsmotor nachgeschaltetes Getriebe aufweist.
Aus DE 10 2011 116 952 A1 ist ein Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine, mit einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Kurbelwelle gelagerten Koppelgliedern und einer Mehrzahl von drehbar auf Hubzapfen einer Verstellwelle gelagerten Anlenkpleueln, wobei jedes der Koppelglieder schwenkbar mit einem Kolbenpleuel eines Kolbens der Brennkraftmaschine und einem der Anlenkpleuel verbunden und die Drehwinkelstellung der Verstellwelle mittels einer Stellvorrichtung innerhalb eines bestimmten Drehwinkelbereichs einstellbar ist, bekannt. Dabei ist vorgesehen, dass die Verstellwelle mittels einer Sperrvorrichtung in wenigstens einer Drehwinkelsperrstellung festsetzbar ist. Konkret wird vorgeschlagen, dass die Stellvorrichtung ein Getriebe mit einem auf der Verstellwelle drehfest angeordneten Antriebsrad aufweist. Insbesondere ist das Getriebe ein Schneckengetriebe, wobei das Abtriebsrad als Schneckenrad ausgebildet ist. Diese Vorrichtung ist nachteiliger Weise nicht sehr langlebig und auf Dauer nicht sehr präzise.
Aus EP 2 022 959 A2 ist eine Vorrichtung zum variablen Einstellen der Kompression bekannt, die einen Mehrgelenkskurbeltrieb aufweist und bei der eine Stellvorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Verstellwelle eine Hebelanordnung umfasst. Über die Hebelanordnung kann die Verstellwelle gedreht und damit eine gewünschte Drehwinkelstellung eingestellt werden. Auch diese Vorrichtung ist nachteiliger Weise nicht sehr langlebig und erlaubt auf Dauer keine präzise Einstellung.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Anordnung anzugeben, die langlebig ein präzises und zuverlässiges Einstellen einer gewünschten Drehstellung einer Verstellwelle, insbesondere einer Exzenterwelle, zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors erlaubt.
Die Aufgabe wird durch eine Anordnung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass

a. getriebeabtriebsseitig eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an das Getriebe angeschlossen ist, oder dass
b. das Getriebe dazu angeordnet und ausgebildet ist, über eine einerseits radialflexible und/oder axial biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an eine Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors angeschlossen zu werden.

In erfindungsgemäßer Weise wurde zunächst erkannt, dass eine Anordnung zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle, wie sie aus dem Stand der Technik bekannt ist, nicht allein das Drehmoment zum Verstellen der Verstellwelle aufbringen muss, sondern darüber hinaus Kräfte und Drehmomente von der Verstellwelle auf die Anordnung einwirken, die die Anordnung belasten. Diese Kräfte resultieren aus der Tatsache, dass der Verbrennungsmotor über den Koppelmechanismus, über den er mit der Verstellwelle verkoppelt ist, ständig und sich wiederholend Kräfte und Drehmomente auf die Verstellwelle überträgt. Durch diese Kräfte wird insbesondere eine Biegung der Verstellwelle bewirkt. In dem Bereich, in dem die Anordnung zum Verstellen der Verstellwelle angekoppelt ist, treten insbesondere erzwungene, radiale Schwingungen der Verstellwelle auf, die den Antriebsmotor und oder das Getriebe nachhaltig belasten.
Es wurde erkannt, dass sich diese auf die erwähnten Kräfte und Drehmomentes zurückzuführenden Belastungen besonders nachteilig auswirken, je größer das Spiel des Getriebes ist, über das der Antriebsmotor mit der Verstellwelle verkoppelt ist. Insbesondere sind die Auswirkungen besonders nachteilig für die Lebensdauer der Anordnung zum Verstellen der Verstellwelle. Ein vorhandenes Spiel wird nämlich durch die beschriebene, permanente und hochfrequente Belastung nach relativ kurzer Zeit so vergrößert, dass ein präzises Einstellen einer gewünschten Drehstellung nicht mehr zuverlässig möglich ist.
Zur Vermeidung der Belastungen, die von der Verstellwelle übertragen werden, ist erfindungsgemäß getriebeabtriebsseitig eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung vorgesehen. Durch diese Maßnahme wird das Getriebe wirkungsvoll von den radialen Bewegungen, die die Verstellwelle ausführt, entkoppelt, ohne dass die Übertragbarkeit eines Drehmomentes von dem Getriebe auf die Verstellwelle nachteilig beeinflusst wird.
Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass das Getriebe dazu angeordnet und ausgebildet ist, über eine solche, beispielsweise bereits an einem Verbrennungsmotor montierte, Kupplung angeschlossen zu werden. Dies kann vorteilhaft insbesondere in Steckbauweise, bei der eine Abtriebswelle des Getriebes in eine entsprechende Aufnahme der Kupplung eingesteckt wird, realisiert sein. Es ist alternativ auch möglich, dass die Kupplung Bestandteil der Anordnung zum Verstellen ist und die gesamte Anordnung, beispielsweise in Steckbauweise, an den Verbrennungsmotor angekoppelt und fixiert wird.
Die Kupplung kann vorteilhaft beispielsweise als Klauenkupplung oder als Lamellenkupplung oder als flexible Wellenkupplung oder als Oldham-Kupplung oder als Balgkupplung ausgebildet sein. Besonders vorteilhaft ist die Verwendung einer Lamellenkupplung, weil diese konstruktionsbedingt mit wenigen Bauteilen auskommt. Insbesondere müssen bei einer Lamellenkupplung, anders als beispielsweise bei einer Oldham-Kupplung, keine beweglichen Bauteile relativ zueinander gleitgelagert werden.
Alternativ oder zusätzlich zu einer Kupplung können die Probleme, die durch die über die Verstellwelle übertragenen Kräfte und/oder Drehmomente hervorgerufen werden, auch dadurch wesentlich reduziert oder gar vollständig beseitigt werden, dass das Getriebe als spielfreies Getriebe ausgebildet wird. Es hat sich gezeigt, dass ein spielfreies Getriebe wesentlich weniger empfindlich auf die von der Verstellwelle, insbesondere einer Exzenterwelle, übertragenen Kräfte und Drehmomentes ist. Bei Anordnungen mit Spiel kumulieren sich die Kräfte und Drehmomente auf dem Weg zur jeweiligen Endlage des Spiels, so dass diese beim Anschlagen an die Endlagen das Getriebe besonders belasten und im Laufe der Zeit beschädigen. In erfindungsgemäße Weise wurde weiter erkannt, dass dieses Phänomen bei spielfreien Getrieben nicht auftreten kann.
Es hat sich gezeigt, dass ein besonders zuverlässiges und langlebiges Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors bei einer Anordnung ermöglicht ist, bei der das Getriebe als Spannungswellengetriebe ausgebildet ist.
Ein solches Spannungswellengetriebe kann beispielsweise als Topfgetriebe ausgebildet sein. Bei einem solchen Getriebe ist der elastische Flexspline in Topform (Flextopf) ausgebildet.
Bei einer besonderen, anderen Ausführung ist das Spannungswellengetriebe als Ringgetriebe ausgebildet. Bei einer solchen Ausführung ist der elastische Flexspline nicht in Topfform, sondern in Ringform (Flexring) ausgeführt. Eine solche Bauweise ist vorteilhafter Weise insbesondere axial besonders kompakt, was die Anbindung an einen Verbrennungsmotor wesentlich erleichtert. Darüber hinaus ist eine solche Ausführung des Spannungswellengetriebes besonders unempfindlich gegen radiale Schwingungen einer angekoppelten Verstellwelle. Dies im Gegensatz zu einer Bauweise in Topform deshalb, weil ein Flextopf, der aufgrund seiner Flexibilität empfindlich gegen radikale Belastungen ist, nicht vorhanden ist. Jedoch können auch bei einer solchen Bauweise, genauso wie bei Verwendung eines Spannungswellengetriebes im Topfbauweise oder bei Verwendung eines anderen Typs eines spielfreien Getriebes, weitere Maßnahmen, wie sie im folgenden beschrieben sind, zur Kompensation und/oder Vermeidung von Belastungen, die von der Verstellwelle übertragen werden, vorgesehen sein.
Als anderer Typ eines verwendbaren, spielfreien Getriebes, kann beispielsweise ein spielfreies Planetengetriebe verwendet werden. Allerdings sind derartige Planetengetriebe sehr aufwändig aufgebaut und daher sehr teuer und in der Praxis anfälliger als Spannungswellengetriebe.
Alternativ oder zusätzlich zu einer radialen Entkopplung ist bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung das Getriebe als Spannungswellengetriebe, insbesondere in Form eines Ringgetriebes, ausgebildet, wobei ein mit dem Getriebeabtrieb verbundener Dynamic-Spline oder ein mit dem Getriebeabtrieb verbundener Circular-Spline, insbesondere ausschließlich, gleitgelagert ist.
Eine solche Ausführung ist besonders robust und solide. Insbesondere kann eine solche Ausführung derart ausgebildet sein, dass über den Getriebeabtrieb eingekoppelte, radiale Bewegungen der Verstellwelle über die Gleitlagerung und weiterer Bauteile der Anordnung, beispielsweise ein Aktuatorgehäuse, auf ein Gehäuse, insbesondere ein Kurbelwellengehäuse, des Verbrennungsmotors und/oder in eine Fahrzeugkarosserie abgeleitet werden. Eine Gleitlagerung hat außerdem den ganz besonderen Vorteil, dass sie sehr robust ausgebildet werden kann und darüber hinaus kostengünstig herstellbar ist. Eine solche Ausführung hat außerdem den Vorteil, dass sie besonders langlebig ist und die eingangs geschilderten Auswirkungen sich kumulierender Kräfte und/oder Drehmomente, die letztlich zu einem frühzeitigen Verschleißen führen, wirkungsvoll vermieden werden können. Insbesondere kann eine solche Ausführung auch ohne zusätzliche Maßnahmen zur Kompensation und/oder zur Vermeidung von Belastungen, die von der Verstellwelle übertragen werden, auskommen.
Wie bereits erwähnt kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass Antriebsmotor und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind. Das Gehäuse kann außerdem zusätzliche Bauteile, wie beispielsweise eine Kupplung zur Ankopplung an einen Verbrennungsmotor, aufweisen. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass die Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle als Aktuatormodul ausgebildet ist, das als vorgefertigtes Systemteil an einen Verbrennungsmotor angekoppelt werden kann.
Besonders vorteilhaft ist ein Verbrennungsmotor mit einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses, an den eine erfindungsgemäße Anordnung zum Verstellen der Verstellwelle angeschlossen ist. Ein solcher Verbrennungsmotor zeichnet sich insbesondere dadurch aus, dass der Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses auch über längere Nutzungszeiträume exakt und zuverlässig eingestellt werden kann.
Zur Kompensation und/oder zur Vermeidung von Belastungen, die von der Verstellwelle übertragen werden, ist – nach einem unabhängigen Erfindungsgedanken – bei einer besonderen Ausführung vorgesehen, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung mittels einer Haltevorrichtung derart beweglich gehaltert ist, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung einer Radialbewegung und/oder einer Biegebewegung der Verstellwelle folgen kann.
Eine solche Ausführung hat den ganz besonderen Vorteil, dass die über die Verstellwelle auf die Anordnung übertragenen Kräfte und/oder Drehmomente im Wesentlichen nicht die Bauteile in der Anordnung selbst belasten, sondern im Wesentlichen lediglich die Anordnung insgesamt bewegen. Auf diese Weise ist es möglich, auf zusätzliche Maßnahmen zur Entkopplung und/oder zur Kompensation von den über die Verstellwelle übertragenen Kräfte und/oder Drehmomente zu verzichten. Allerdings ist es auch möglich, die Anordnung in der genannten Weise beweglich zu haltern und darüber hinaus zusätzliche Maßnahmen, wie sie weiter oben beschrieben sind, vorzusehen.
In vorteilhafter Weise kann bei einer beweglichen Halterung der gesamten Anordnung oder wenigstens eines Teils der Anordnung eine Drehmomentabstützung vorhanden sein, mittels der ein beim Ausüben eines Drehmomentes auf die Verstellwelle auf die Anordnung wirkendes Gegendrehmoment in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors und/oder – direkt oder indirekt – in eine Fahrzeugkarosserie ableitbar ist, wobei die Drehmomentabstützung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung einer Radialbewegung und/oder einer Biegebewegung der Verstellwelle folgen kann. Es ist alternativ oder zusätzlich auch möglich, dass die Haltevorrichtung als Drehmomentabstützung fungiert, mittels der ein beim Ausüben eines Drehmomentes auf die Verstellwelle auf die Anordnung wirkendes Gegendrehmoment in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors und/oder – direkt oder indirekt – in eine Fahrzeugkarosserie ableitbar ist.
Eine besonders vorteilhafte Ausführung beinhaltet eine Sperreinrichtung zum Blockieren einer Rotationsbewegung eines Rotationsbauteils des Antriebsmotors oder des Getriebes. Eine solche Ausführung hat den besonderen Vorteil, dass die Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses – und damit indirekt auch die Verstellwelle selbst – beispielsweise im Fehlerfall in einer vordefinierten Stellung, insbesondere einer Notlaufstellung, gehalten werden kann. Auf diese Weise ist vorteilhaft verhindert, dass das System im Fehlerfall unkontrolliert sich selbst überlassen ist und Einstellungen erreicht werden, die für einen Notfallbetrieb ungünstig sind oder gar zu einer Beschädigung der Anordnung zum Antreiben und/oder des Verbrennungsmotors führen.
Auch kann mittels einer Sperreinrichtung vorteilhaft vermieden werden, dass bei abgeschaltetem System – beispielsweise bei einem ausgeschaltetem Fahrzeug – die Kurbelwelle ungewollt relativ zur Verstellwelle verdreht wird, was dazu führen würde, dass nach dem Wiedereinschalten der Ist-Drehwinkel der Verstellwelle nicht mit dem ursprünglichen Drehwinkel übereinstimmt, den eine Steuerung als letztes abgespeichert hat.
Insbesondere kann die Sperreinrichtung einen beweglichen Sperrriegel aufweisen, der zum Blockieren einer Rotationsbewegung des Rotationsbauteils aus einer Freigabestellung in eine Blockierstellung bewegbar ist, in der der Sperrriegel in eine Verriegelungsaufnahme des Rotationsbauteils eingreift.
Beispielsweise kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass ein beweglicher Sperrriegel mittels einer Federvorrichtung in die Blockierstellung gedrückt wird und dass eine Verstellvorrichtung, beispielsweise ein Elektromagnet vorhanden ist, um den Sperrriegel gegen die Kraft der Federvorrichtung in die Freigabestellung zu ziehen. Allerdings hat diese Ausführung den Nachteil, dass der Sperrriegel bei einer Störung, beispielsweise bei einem Stromausfall, automatisch in die Blockierstellung überführt wird und die Blockierung nur aufwändig wieder gelöst werden kann.
Bei einer ganz besonders vorteilhaften Ausführung ist vorgesehen, dass der Sperrriegel mit einem Verstellmittel aus der Freigabestellung gegen die Kraft eines Rückstellelements in die Blockierstellung bewegbar ist und dass der Sperrriegel mittels des Rotationsbauteils, beispielsweise durch Reibschluss und/oder durch Formschluss, in der Blockierstellung fixierbar ist. Ein solches System löst den Zielkonflikt, dass einerseits bei Vorliegen eines Fehlers, wie insbesondere bei einem Stromausfall, eine, insbesondere automatische, Blockierung erfolgen kann und dass trotz des Fehlers die Blockierung wieder gelöst werden kann.
Dadurch, dass der Sperrriegel mittels des Rotationsbauteils gegen die Kraft des Rückstellelements in der Blockierstellung gehalten werden kann, ist de facto – auch in der Fehlersituation – ein bistabiles System geschaffen. Einerseits kann die Blockierstellung mittels des Rotationsbauteils selbst aufrecht erhalten werden; andererseits kann das Rotationsbauteil den Sperrriegel freigeben, so dass das Rückstellelement, das beispielsweise als in der Blockierstellung gespannte Feder ausgebildet sein kann, diesen in die Freigabestellung bewegen kann.
Der Antriebsmotor kann vorteilhaft beispielsweise als bürstenloser Motor und/oder als Gleichstrommotor ausgebildet sein. Bei einer besonderen Ausführung, die insbesondere sehr kompakt ausgebildet sein kann, ist der Antriebsmotor als Hohlwellenmotor ausgeführt. Insbesondere kann der Antriebsmotor vorteilhaft als elektronisch kommutierter Dreiphasenmotor ausgebildet sein.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung weist die Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses einen Rotationslagesensor auf, um die Drehwinkelstellung wenigstens eines Rotationsbauteils des Antriebsmotor und/oder des Getriebes und/oder der Verstellwelle direkt oder indirekt messen zu können.
In besonders vorteilhafter Weise kann die Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses ein Steuerungs- und Sensormodul beinhalten. Insbesondere kann vorteilhaft vorgesehen sein, dass zur Anwendung bei unterschiedlichen Verbrennungsmotoren unterschiedliche Steuerungs- und Sensormodule zur Verfügung stehen, so dass eine erfindungsgemäße Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle durch Austausch des Steuerungs- und Sensormoduls auf einfache Weise an geänderte Anforderungen angepasst werden kann. In vorteilhafter Weise kann insbesondere vorgesehen sein, dass die Steuerungselektronik eines solchen Steuerungs- und Sensormoduls sowohl die Funktionselektronik, die grundsätzlich – beispielsweise zur Steuerung und/oder Regelung der Kommutierung – überhaupt nötig ist, um einen Antriebsmotor eines Aktuators betreiben zu können, als auch die eigentliche Befehlselektronik, die die gewünschten Parameter, wie Drehrichtung und/oder Drehgeschwindigkeit und/oder Drehmoment und/oder Drehstellung usw., steuert bzw. regelt, beinhaltet. In vorteilhafter Weise kann insbesondere auch vorgesehen sein, dass der oben bereits erwähnte Rotationslagesensor Bestandteil des Steuerungs- und Sensormoduls ist.
Bei einer besonders vorteilhaften Ausführung des Verbrennungsmotors ist eine Verstellung des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses ausschließlich bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Phasenlage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors möglich. Insbesondere kann vorgesehen sein, dass die Anordnung, insbesondere der Antriebsmotor der Anordnung, ausschließlich bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Phasenlage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aktivierbar ist. Auf diese Weise kann erreicht werden, dass eine Verstellung ausschließlich in hierfür günstigen Zeiträumen des Arbeitstaktes des Verbrennungsmotors vorgenommen wird.
Alternativ oder zusätzlich kann auch vorgesehen sein, dass das Getriebe, insbesondere in Form eines Spannungswellengetriebes, als nicht rücktreibbares Getriebe ausgebildet ist. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass eine vorgenommene Einstellung auch dann erhalten bleibt, wenn der Antriebsmotor vorübergehend, beispielsweise zum Energiesparen, abgeschaltet wird.
Die Ankopplung der Verstellwelle an eine Kurbelwelle des Verbrennungsmotors kann beispielsweise über einen Mehrgelenkskurbeltrieb realisiert sein.
In der Zeichnung ist der Erfindungsgegenstand schematisch dargestellt und wird anhand der Figuren nachfolgend beschrieben, wobei gleiche oder gleich wirkende Elemente zumeist mit denselben Bezugszeichen versehen sind. Dabei zeigen:
1 und 2 jeweils eine Übersichtsdarstellung zum Illustrieren des Phänomens der Übertragung von Kräften und Drehmomenten über eine Verstellwelle auf eine Anordnung zum Einstellen der Drehstellung der Verstellwelle,
3 ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle,
4 ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle, und
5 einen Teil eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors mit einer erfindungsgemäßen Anordnung zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle.
1 zeigt schematisch im Querschnitt einen Verbrennungsmotor 1 mit einem Mehrgelenkskurbeltrieb, mit dem der Expansionshub und das Verdichtungsverhältnis verstellbar ist. Zum Verstellen wird eine Verstellwelle 2, die als Exzenterwelle ausgebildet sein kann, gedreht und die Einstellbewegung über ein Verstellpleuel 3 und ein gelenkig mit dem Verstellpleuel 3 verbundenen Verstellhebel 4 übertragen. Der in dieser Figur dargestellte Kolben 5 des Verbrennungsmotors 1 ist über ein Pleuel 6 gelenkig an den Verstellhebel angekoppelt. Der Verstellhebel 4 ist seinerseits über einen Hubarm 7 an eine Kurbelwelle 8 angekoppelt.
Auf das Pleuel 4 wirken oszillierend und mit wechselndem Vorzeichen Massen- und Gaskräfte F des Kolbens 5, die über den Verstellhebel 4 und das Verstellpleuel 3 auf die Verstellwelle 2 übertragen werden.
Die 2a und 2b zeigen schematisch diese Situation in einer Längsquerschnittsdarstellung. Die Verstellwelle 2 ist, beispielsweise im Kurbelgehäuse, mehrfach gelagert und wird an unterschiedlichen Stellen durch die beschriebenen Kräfte F ständig und sich wiederholend belastet. Durch die beschriebenen Kräfte biegt sich die Verstellwelle und verkippt in den Lagern, was in 2b illustriert ist. In dem in 2b dargestellten Endbereich 9, in dem eine Anordnung zum Verstellen der Verstellwelle 2 anzukoppeln ist, treten insbesondere erzwungene, radiale Schwingungen der Verstellwelle 2 auf, die den Antriebsmotor und oder das Getriebe einer Anordnung zum Verstellen nachhaltig belasten können.
3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle 2, insbesondere einer Exzenterwelle. Die Anordnung 10 weist einen Antriebsmotor 11 und ein dem Antriebsmotor 11 nachgeschaltetes spielfreies Getriebe 12 auf, das als Spannungswellengetriebe 13 in Form eines Ringgetriebes ausgebildet ist.
Das Spannungswellengetriebe 13 weist einen von dem Antriebsmotor 11 angetriebenen, im Querschnitt elliptischen Wellengenerator 14 auf. Der Wellengenerator 14 ist mittels eines Wälzlagers 15 drehbar in einem ringförmigen Flexspline 16 gelagert und verformt diesen. Der Flexspline 16 greift mit seiner Außenverzahnung sowohl in die Innenverzahnung eines fest mit einem Getriebegehäuse 22 verbundenen Dynamicsplline 17, als auch in die Innenverzahnung eines Circularspline 18 ein.
Der Circularspline 18 bildet den Getriebeabtrieb und ist drehfest über eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung 19, die beispielsweise als Stahllamellenkupplung 20 ausgebildet sein kann, an die Verstellwelle 2 angekoppelt.
Der Circularspline 18 ist über ein erstes Gleitlager 21 radial relativ zu dem Getriebegehäuse 22 drehbar gelagert. Außerdem ist eine drehfest mit dem Circularspline 18 verbundene Koppelplatte 23 zum Verbinden des Circularspline 18 mit der Kupplung 19 – und damit indirekt auch der Circularspline 18 selbst – axial mittels eines zweiten Gleitlagers 24 drehbar gelagert.
Das Getriebegehäuse 22 ist unmittelbar an dem Kurbelgehäuse 25 eines Verbrennungsmotors befestigt.
4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle 2. Bei dieser Ausführung ist der Antriebsmotor 11, anders als bei der in 3 dargestellten Ausführung, achsparallel zu dem Getriebe 12 und der Verstellwelle 2 angekoppelt. Bei dieser Ausführung erfolgt die Übertragung des Drehmoments von dem Antriebsmotor 11 auf den Wellengenerator 14 des Spannungswellengetriebes 13 über einen Zugmitteltrieb, nämlich einen Riementrieb 26. Als Zugmitteltrieb käme beispielsweise auch ein Kettentrieb in Frage. Der Riementrieb 26 weist einen an den Antriebsmotor 11 angekoppelte erste Riemenscheibe 27 und eine an den Wellengenerator 14 angekoppelte zweite Riemenscheibe 28, sowie einen Riemen 29 auf. Bei dieser Ausführung ist der Wellengenerator 14 mittels weiterer Wälzlager 30 relativ zu dem Getriebegehäuse 22 drehbar gelagert.
Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel bildet der Circularspline 18 den Getriebeabtrieb, der drehfest über eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung 19, die beispielsweise als Stahllamellenkupplung 20 ausgebildet sein kann, an die Verstellwelle 2 angekoppelt ist.
Auch bei dem zweiten Ausführungsbeispiel ist der Circularspline 18 über ein erstes Gleitlager 21 radial relativ zu dem Getriebegehäuse 22 drehbar gelagert. Außerdem ist eine drehfest mit dem Circularspline 18 verbundene Koppelplatte 23 zum Verbinden des Circularspline 18 mit der Kupplung 19 – und damit indirekt auch der Circularspline 18 selbst – axial mittels eines zweiten Gleitlagers 24 drehbar gelagert.
5 zeigt schematisch einen Teil eines Ausführungsbeispiels eines Teils eines erfindungsgemäßen Verbrennungsmotors 1 mit einer erfindungsgemäßen Anordnung 10 zum Einstellen der Drehstellung einer Verstellwelle 2.
Die Anordnung 10, die einen Antriebsmotor und ein Getriebe (beides in dieser Figur nicht dargestellt) beinhaltet, ist mittels einer Haltevorrichtung 31 derart beweglich gehaltert, dass die Anordnung 10 einer Radialbewegung und/oder einer Biegebewegung der Verstellwelle 2 folgen kann.
Auch das in 5 dargestellte Ausführungsbeispiel beinhaltet besonders vorteilhafter Weise eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, dass diese Lösung auch unabhängig von einer solchen Kupplung umsetzbar ist.
Bezugszeichenliste

1: Verbrennungsmotor
2: Verstellwelle
3: Verstellpleuel
4: Verstellhebel
5: Kolben
6: Pleuel
7: Hubarm
8: Kurbelwelle
9: Endbereich der Verstellwelle 2
10: Anordnung zum Einstellen der Drehstellung der Verstellwelle 2
11: Antriebsmotor
12: spielfreies Getriebe
13: Spannungswellengetriebe
14: Wellengenerator
15: Wälzlagers
16: Flexspline
17: Dynamicsplline
18: Circularspline
19: Kupplung
20: Stahllamellenkupplung
21: erstes Gleitlager
22: Getriebegehäuse
23: Koppelplatte
24: zweites Gleitlager
25: Kurbelgehäuse
26: Riementrieb
27: erste Riemenscheibe
28: zweite Riemenscheibe
29: Riemen
30: weitere Wälzlager
31: Haltevorrichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102011116952 A1 [0002]
EP 2022959 A2 [0003]

Claims

Anordnung zum Antreiben einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors, wobei die Anordnung einen Antriebsmotor und ein dem Antriebsmotor nachgeschaltetes Getriebe aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass a. getriebeabtriebsseitig eine einerseits radialflexible und/oder quer zur Axialrichtung biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an das Getriebe angeschlossen ist, oder dass b. das Getriebe dazu angeordnet und ausgebildet ist, über eine einerseits radialflexible und/oder axial biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an eine Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors angeschlossen zu werden.
Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kupplung als Klauenkupplung oder als Lamellenkupplung oder als flexible Wellenkupplung oder als Oldham-Kupplung oder als Balgkupplung ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als spielfreies Getriebe ausgebildet ist.
Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass a. das Getriebe als Spannungswellengetriebe ausgebildet ist oder dass b. das Getriebe als Spannungswellengetriebe, nämlich in Form eines Ringgetriebes ausgebildet ist, oder dass c. das Getriebe als Spannungswellengetriebe, nämlich in Form eines Topfgetriebes ausgebildet ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebe als Spannungswellengetriebe ausgebildet ist und dass ein mit dem Getriebeabtrieb verbundener Dynamic-Spline oder ein mit dem Getriebeabtrieb verbundener Circular-Spline, insbesondere ausschließlich, gleitgelagert ist.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor und das Getriebe in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Antriebsmotor und das Getriebe zueinander koaxial angeordnet sind oder dass der Antriebsmotor und das Getriebe zueinander achsparallel angeordnet sind.
Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Sperreinrichtung zum Blockieren einer Rotationsbewegung eines Rotationsbauteils des Antriebsmotors oder des Getriebes.
Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Sperreinrichtung einen beweglichen Sperrriegel aufweist, der zum Blockieren einer Rotationsbewegung des Rotationsbauteils aus einer Freigabestellung in eine Blockierstellung bewegbar ist, in der der Sperrriegel in eine Verriegelungsaufnahme des Rotationsbauteils eingreift.
Verbrennungsmotor mit einer Verstellwelle zum Verstellen des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses, dadurch gekennzeichnet, dass an die Verstellwelle eine Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9 angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellwelle über eine einerseits radialflexible und/oder axial biegbare und andererseits torsionssteife Kupplung an die Anordnung angeschlossen ist.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung mittels einer Haltevorrichtung derart beweglich gehaltert ist, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung einer Radialbewegung und/oder einer Biegebewegung der Verstellwelle folgen kann.
Verbrennungsmotor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass a. eine Drehmomentabstützung vorhanden ist, mittels der ein beim Ausüben eines Drehmomentes auf die Verstellwelle auf die Anordnung wirkendes Gegendrehmoment in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors und/oder in eine Fahrzeugkarosserie ableitbar ist, wobei die Drehmomentabstützung derart angeordnet und ausgebildet ist, dass die Anordnung oder wenigstens ein Teil der Anordnung einer Radialbewegung und/oder einer Biegebewegung der Verstellwelle folgen kann und/oder dass b. die Haltevorrichtung als Drehmomentabstützung fungiert, mittels der ein beim Ausüben eines Drehmomentes auf die Verstellwelle auf die Anordnung wirkendes Gegendrehmoment in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors und/oder in eine Fahrzeugkarosserie ableitbar ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass a. eine Verstellung des Expansionshubes und/oder des Verdichtungsverhältnisses ausschließlich bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Phasenlage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors möglich ist und/oder dass b. die Anordnung, insbesondere der Antriebsmotor, ausschließlich bei einer vorgegebenen oder vorgebbaren Phasenlage der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors aktivierbar ist.
Verbrennungsmotor nach einem der Ansprüche 10 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Verbrennungsmotor einen Mehrgelenkskurbeltrieb aufweist.