DE102015008196A1

DE102015008196A1 - Nockenwellenversteller mit zweistufigem Exzentergetriebe

Info

Publication number: DE102015008196A1
Application number: DE102015008196.9A
Authority: DE
Inventors: Michael Frank; Alexander Salzseiler; Andreas Ott
Original assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Current assignee: Iwis Motorsystem GmbH and Co KG
Priority date: 2015-06-26
Filing date: 2015-06-26
Publication date: 2016-07-14

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Einstellen der Ventilsteuerzeit eines Verbrennungsmotors. Der Nockenwellenversteller umfasst ein Innenteil zur Anbringung einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors mit einer Innenteildrehachse, eine Exzenterwelle, die drehbar relativ zum Innenteil angeordnet ist, einen Taumelkörperring, der drehbar auf der Exzenterwelle gelagert ist, ein Hohlrad, ein drehfest mit dem Hohlrad verbundenes Nockenwellenrad und einen Verstellantrieb, der mit der Exzenterwelle verbunden ist, um die Exzenterwelle relativ zum Innenteil zu verdrehen. Der Taumelkörperring weist eine erste Außenverzahnung und eine zweite Außenverzahnung auf, wobei die erste Außenverzahnung bereichsweise mit einer Innenverzahnung des Innenteils in Eingriff steht und die zweite Außenverzahnung bereichsweise mit einer zweiten Außenverzahnung des Hohlrads in Eingriff steht. Die erste Außenverzahnung und die zweite Außenverzahnung sind achsparallel zur Innenteildrehachse und in radialer Richtung übereinander angeordnet.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zum Einstellen der Ventilsteuerzeit eines Verbrennungsmotors, der Nockenwellenversteller umfasst ein Innenteil zur Anbringung einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors, das Innenteil weist eine Innenteildrehachse auf, eine Exzenterwelle, die drehbar relativ zum Innenteil angeordnet ist, einen Taumelkörperring, der drehbar auf der Exzenterwelle gelagert ist, der Taumelkörperring weist eine erste Außenverzahnung und eine zweite Außenverzahnung auf, wobei die erste Außenverzahnung bereichsweise mit einer ersten Innenverzahnung des Innenteils in Eingriff steht, ein Hohlrad mit einer zweiten Innenverzahnung das bereichsweise mit der zweiten Außenverzahnung des Taumelkörperrings in Eingriff steht, ein Nockenwellenrad, das drehfest mit dem Hohlrad verbunden ist, und einen Verstellantrieb, der mit der Exzenterwelle verbunden ist, um die Exzenterwelle relativ zum Innenteil zu verdrehen.
Der Einsatz von Nockenwellenverstellern in Verbrennungsmotoren ermöglicht während des Betriebs eine Anpassung der Ventilöffnungszeiten auf den Betriebszustand des Motors, wobei durch den Nockenwellenversteller eine von der jeweiligen Drehzahl und der Last des Verbrennungsmotors abhängige Drehwinkelverstellung zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle ermöglicht wird. Daraufhin verändern sich die Öffnungs- und Überschneidungszeiten der Auslassventile und der Einlassventile. Dies ermöglicht neben einer Kraftstoffeinsparung sowie einem Leistungs- und Drehmomentgewinn auch eine Emissionsreduzierung, die im Hinblick auf die ständig steigenden Anforderungen zur Erfüllung von Abgasnormen wichtig ist.
Der Antrieb der Nockenwelle in einem Verbrennungsmotor erfolgt über die Kurbelwelle, die einen Zahn-, Riemen-, oder Kettentrieb antreibt, der über ein Nockenwellenrad eine Drehbewegung auf die Nockenwelle aufprägt. Zwar können Nockenwellenversteller prinzipiell auch am Steuertrieb selbst eingreifen, jedoch werden Nockenwellenversteller üblicherweise in einer ganzen Reihe unterschiedlicher Konstruktionen und Konzepte als drehwinkelverstellbare Übertragungsvorrichtungen zwischen Nockenwellenrad und Nockenwelle eingesetzt. Am weitesten verbreitet sich heutzutage hydraulische Nockenwellenversteller, die auf einem herkömmlichen Schwenkmotor basieren, der zur Steigerung des übertragbaren Moments mit mehreren Flügeln ausgestaltet ist. Hydraulische Nockenwellenversteller werden im Verbrennungsmotor über den Motorölkreislauf angetrieben, weshalb die Funktion des Nockenwellenverstellers auch von dem Druck und der Temperatur des Motoröls abhängt und damit entsprechend von der Betriebstemperatur und der Drehzahl des Verbrennungsmotors.
Darüber hinaus sind elektrische Nockenwellenversteller bekannt, die unabhängig vom Öldruck funktionieren. Durch den elektrischen Antrieb derartiger Nockenwellenverstellers lassen sich diese auch bei einem außer Betrieb befindlichen Verbrennungsmotor verstellen und es können zusätzliche Hydraulikpumpen im Motorölkreislauf vermieden werden. Die DE 41 10 195 A1 beschreibt einen elektrischen Nockenwellenversteller, bei dem ein Elektromotor mittels eines Stellgetriebes eine relative Drehwinkelverstellung der Nockenwelle zum Nockenwellenrad bewirkt. Als Stellgetriebe wird dabei entweder ein Gewindeabschnitt mit einer Keilverzahnung oder mit einem Planetengetriebe mit selbsthemmenden Getriebeübersetzung verwendet. Auch der in der DE 102 48 355 A1 beschriebene Nockenwellenversteller wird mittels eines elektrischen Verstellmotors angetrieben, wobei die Motorwelle auf ein Doppelexzentergetriebe oder ein Doppelplanetengetriebe wirkt. Eine hohe Untersetzung und eine nur geringe Reibung der Getriebestufen ermöglichen hierbei eine Selbsthemmung des Nockenwellenverstellers sowie den Einsatz von Dauermagnetstrukturen für den Verstellmotor. Desweiteren beschreibt die DE 10 2007 000 114 A1 einen Nockenwellenversteller mit einem zweistufigen Exzentergetriebe, wobei die innenliegende Exzenterwelle von einem Elektromotor angetrieben wird, sodass die beiden unterschiedlichen Außenverzahnungen des Planetenrings bereichsweise mit einem Hohlrad und einem Nockenwellenflansch in Eingriff stehen. Dabei ist der Planetenring auf der Exzenterwelle gelagert und in axialer Richtung bewegbar.
Die im Stand der Technik bekannten Nockenwellenversteller weisen je nach Konstruktion und Ausführungsart verschiedene Probleme auf. Während bei hydraulischen Schwenkmotoren eine Abhängigkeit vom Druck und Temperatur des Motoröls besteht, weisen elektrische Nockenwellenversteller Nachteile bei der Verstellgeschwindigkeit, der erforderlichen Antriebsenergie und der Selbsthemmung auf. Bei Nockenwellenverstellern mit Exzentergetrieben treten durch die Unwucht der Exzenterwelle und den nur bereichsweisen Eingriff der Verzahnungen zusätzlich Probleme mit der Laufruhe des Nockenwellenverstellers bzw. der gekoppelten Nockenwelle auf.
Obwohl sich die in der Technik bekannten Konstruktionen und Konzepte zur Nockenwellenverstellung beim Einsatz in modernen Verbrennungsmotoren bewährt haben, bestehen gerade im Hinblick auf die in der Automobilindustrie üblichen großen Stückzahlen kontinuierliche Bestrebungen, optimierte Konstruktionen zu realisieren und bestehende Probleme zu beseitigen oder zu minimieren. Weiterhin besteht im Hinblick auf die fortschreitende Innovationstätigkeit zur Effizienzsteigerung von Verbrennungsmotoren generell die Notwendigkeit, neue Lösungswege zu beschreiten, um eingesetzte Konstruktionen durch optimierte oder kostengünstigere Konzepte zu ersetzen.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller bereitzustellen, um die im Stand der Technik bekannten Probleme beim Einsatz von Nockenwellenverstellern mit elektrischen Antrieb zu verbessern sowie eine hohe Betriebssicherheit bei möglichst geringem Bauvolumen und Energieeinsatz zu ermöglichen.
Diese Aufgabe wird für einen gattungsgemäßen Nockenwellenversteller erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die erste Außenverzahnung und die zweite Außenverzahnung des Taumelkörperrings achsparallel zur Innenteildrehachse und in radialer Richtung zur Innenteildrehachse übereinander angeordnet sind. Durch die achsparallele und radial übereinander liegende Anordnung der ersten und zweiten Außenverzahnung des exzentrisch umlaufenden Taumelkörperrings kann die axial versetzte Krafteinleitung und Kraftübertragung über die nur bereichsweise im Eingriff stehenden Außenverzahnungen des Taumelkörperrings vergleichmäßigt und dadurch die Laufruhe des Nockenwellenverstellers verbessert werden. Neben der Vermeidung von Kraftumlenkungen und Unwuchten des Innenteils ermöglicht eine solche einspurige Getriebeanordnung eine Verkürzung der axialen Baulänge des Nockenwellenverstellers.
Das zentrale Element dieses erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist der exzentrisch umlaufende Taumelkörperring, der mit zwei unterschiedlichen Außenverzahnungen bereichsweise mit der Innenverzahnung des Innenteils und der Innenverzahnung des Hohlrads in Eingriff steht. Der Taumelkörperring ist auf der Exzenterwelle gelagert, die um die Innenteildrehachse des Innenteils dreht, bzw. um die koaxiale Nockenwellenachse der damit verbundenen Nockenwelle. Durch die äußere Exzentrizität der Exzenterwelle kommt es beim Antrieb der Exzenterwelle zu einer Taumelbewegung des Taumelkörperrings um die Innenteildrehachse, d. h. zu einer Drehbewegung des Taumelkörperrings mit einer Änderung der Achsenlage des Taumelkörperrings, die sich mit der Exzentrizität ε um die Innenteildrehachse herum dreht. Die radiale Bewegung des mit der Exzentrizität ε taumelnden Taumelkörperrings bewirkt am Innenteil und am Hohlrad eine tangential wirkende Kraft, die das Innenteil und das Hohlrad relativ zueinander bewegt. Der bereichsweise Eingriff der ersten und zweiten Außenverzahnung des Taumelkörperrings in die jeweiligen Innenverzahnungen des Innenteils und des Hohlrads ermöglicht sehr große Untersetzungsverhältnisse. Hohe Untersetzungsverhältnisse erlauben zum Antrieb des Nockenwellenverstellers eine nur geringe Aktivierungsenergie und so einen entsprechend kleindimensionierten Verstellantrieb. Die hohe Untersetzung des Nockenwellenverstellers verhindert durch die Selbsthemmung großer Übersetzungsverhältnisse weiter eine Rückwirkung vom angetriebenen Nockenwellenrad auf den Verstellantrieb.
Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Abstand der Zahneingriffsmitten der ersten Außenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung des Taumelkörperrings in Richtung der Innenteildrehachse kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, insbesondere kleiner als 5% der Zahnbreite der ersten oder zweiten Außenverzahnung ist, wobei bei unterschiedlichen Zahnbreiten die Breite der breiteren Außenverzahnung gilt. Der geringe Abstand der Zahneingriffsmitten der ersten und zweiten Außenverzahnung reduziert die Neigungsbelastung des Taumelkörperrings, die insbesondere eine Unwucht durch den nur bereichsweisen Eingriff der Verzahnungen und damit einhergehend den erhöhten Verschleiß des Taumelkörperrings vermeiden kann.
Für eine vollständige Vermeidung einer Neigungsbelastung des Taumelkörperrings können die Zahneingriffsmitten der ersten Außenverzahnung und der zweiten Außenverzahnung des Taumelkörperrings auf einer identischen, senkrecht zur Innenteildrehachse auf gespannten Ebene angeordnet sein. Unabhängig von der radialen Lage des bereichsweisen Eingriffs der Außenverzahnung des Taumelkörperrings gleichen sich so die auf den Taumelkörperring einwirkenden Eingriffskräfte und Lagerkräfte aus.
Bevorzugt kann das Innenteil als einseitig offene Doppelhülse ausgebildet sein, wobei an der im Wesentlichen geschlossen ausgebildeten Stirnseite ein Aufnahmeflansch zur Anbringung der Nockenwelle vorgesehen ist. Das Vorsehen einer einseitig offenen Doppelhülse ist eine konstruktiv einfache Lösung zur Ausbildung des Innenteils, wobei die Innenhülse als Lageraufnahme für die Exzenterwelle fungiert und an der Außenhülse die erste Innenverzahnung des Innenteils ausgebildet ist. Innerhalb der Innenhülse kann eine stirnseitige Öffnung zur Befestigung der Nockenwelle mittels einer Zentralschraube vorgesehen sein, wobei die Größe der Zentralschraube den minimalen Durchmesser der Innenhülse und somit den kleinsten Teilkreisdurchmesser der ersten Verzahnungen bestimmt.
Eine zweckmäßige Ausgestaltung sieht vor, dass die Exzenterwelle als Exzenterhülse ausgebildet ist, wobei die Exzenterhülse drehbar auf dem Innenteil gelagert ist. Die Ausbildung als Exzenterhülse ermöglicht eine sichere Lagerung der Exzenterwelle auf dem Mittelteil, beispielsweise mittels eines Nadellagers oder eines Gleitlagers, und damit einen sicheren Betrieb der Exzenterwelle trotz der Unwucht der Exzenterwelle. Der Innenradius der Exzenterhülse ist dabei zentrisch zur Innenteildrehachse, bzw. der Nockenwellenachse, während der Außenradius der Exzenterhülse um die Exzentrizität ε versetzt zur Innenteildrehachse ausgebildet ist.
Eine weitere Ausbildungsform sieht vor, dass der Taumelkörperring als einseitig offene Doppelhülse ausgebildet ist, wobei die erste Außenverzahnung auf einer Innenhülse und die zweite Außenverzahnung auf einer Außenhülse des Taumelkörperrings angeordnet ist. Die einseitig offene Doppelhülse ermöglicht eine einfache kostengünstige Lösung für den Taumelkörperring mit in radialer Richtung übereinander angeordneten Außenverzahnungen, wobei der Taumelkörperring konzentrisch geformt ist, jedoch exzentrisch zur Innenteildrehachse auf der Exzenterwelle gelagert ist, beispielsweise mittels eines Nadellagers oder Gleitlagers.
Eine besondere Variante sieht vor, dass ein Hohlradlager vorgesehen ist, wobei das Hohlrad mittels des Hohlradlagers drehbar auf dem Innenteil gelagert ist. Das Hohlradlager ermöglicht eine sichere Lagerung und Führung des Hohlrads sowie des drehfest mit dem Hohlrad verbundenen Nockenwellenrads. Die Ausbildung des Hohlradlagers als Kugellager oder Doppelkugellager ermöglicht eine gute Lastübertragung der vom Steuertrieb einwirkenden Kräfte bei einem geringen Verschleiß. Bevorzugt kann dabei das Hohlradlager und das Nockenwellenrad in radialer Richtung zur Innenteildrehachse übereinander angeordnet sein. Dies ermöglicht eine direkte Einleitung der vom Steuertrieb ausgeprägten Kraft auf das Innenteil und vermeidet so das Auftreten von Neigungskräften und Unwucht.
Für einen einfachen Antrieb des Nockenwellenverstellers kann der Verstellantrieb einen Elektromotor umfassen. Gegenüber herkömmlichen hydraulischen Antrieben oder mechanischen Antrieben bietet ein Elektromotor eine kostengünstige Lösung zur Betätigung des Nockenwellenverstellers und ermöglicht zusätzlich eine schnelle Reaktion auf sich ändernde Betriebsbedingungen im Verbrennungsmotor. Neben der geringen Baugröße von Elektromotoren lassen sich Elektromotoren einfach an unterschiedliche Bedingungen anpassen. Dabei kann der Stator des Elektromotors sowohl fest mit dem Motorblock verbunden sein als auch als Mitläufer konstruiert sein.
Von Vorteil ist es weiter, wenn die Anzahl der Zähne der ersten Außenverzahnung des Taumelkörperrings kleiner ist als die Anzahl der Zähne der ersten Innenverzahnung des Innenteils und die Anzahl der Zähne der zweiten Außenverzahnung des Taumelkörperrings kleiner ist als die Anzahl der Zähne der zweiten Innenverzahnung des Hohlrads. Eine derartige zweistufige multiplikative Zusammenschaltung führt bereits mit einer geringen Zähneanzahl bzw. geringen Teilkreisdurchmessern der Verzahnungen zu hohen Untersetzungsverhältnissen und somit zu einem sicheren Betrieb und einer guten Selbsthemmung des Nockenwellenverstellers. Dabei ist die Anzahl der Zähne der ersten bzw. zweiten Außenverzahnung bevorzugt zwei Zähne, insbesondere einen Zahn kleiner als die Anzahl der Zähne der ersten bzw. zweiten Außenverzahnung, wodurch eine besonders hohe Untersetzung erreicht werden kann.
Im Folgenden wird eine Auführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
1 Eine Querschnittsansicht eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers,
2 eine perspektivische Schnittansicht durch den Nockenwellenversteller aus 1 und
3 eine Draufsicht auf einen Längsschnitt durch den erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller aus 1.
Die Schnittansicht in 1 zeigt eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1, der zur Nutzung in einem Verbrennungsmotor an einer Nockenwelle 2 befestigt ist. Der Nockenwellenversteller 1 ist mit einem Antrieb 3 versehen, der die Winkellage zwischen dem Nockenwellenrad 4 und der Nockenwelle 2 verändert, um die Öffnungszeiten der von der Nockenwelle 2 betätigten Ventile des Verbrennungsmotors einzustellen.
Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Innenteil 5 auf, das sich zusammen mit der Nockenwelle 2 konzentrisch um eine Innenteildrehachse IA dreht. Die Innenteildrehachse IA ist konzentrisch zur Drehachse der Nockenwelle 2. Das Innenteil 5 umfasst einen Aufnahmeflansch 6, in dem die Nockenwelle 2 sitzt und radial gesichert ist. Auf der dem Aufnahmeflansch 6 abgewandten Seite des Innenteils 5 ist eine Innenhülse 7 des Innenteils 5 vorgesehen. Die Innenhülse 7 nimmt eine Zentralschraube 8 auf, die sich durch den Aufnahmeflansch 6 des Innenteils 5 erstreckt und die Nockenwelle 2 axial fest mit dem Innenteil 5 verbindet. Auf der dem Aufnahmeflansch 6 abgewandten Seite des Innenteils 5 ist weiter eine Außenhülse 9 vorgesehen, die im Abstand zur Innenhülse 7 angeordnet ist und koaxial um die Innenteildrehachse IA verläuft. Der Innendurchmesser und damit auch der Außendurchmesser der Innenhülse 7 werden durch die Größe der Zentralschraube 8 begrenzt.
Die Exzenterwelle 10 des Nockenwellenverstellers 1 umfasst eine Exzenterhülse 11, die mittels eines Exzenterwellenlager 12, beispielsweise ein Gleitlager oder ein Nadellager, auf der Innenhülse 7 des Innenteils 5 gelagert ist. Die Exzenterhülse 11 weist eine sich über den Umfang variierende Dicke auf, sodass trotz der konzentrisch zur Innenteildrehachse IA umlaufende Hülseninnenfläche die Mantenlfläche 13 der Exzenterhülse 11 mit der Exzentrizität ε um die Innenteildrehachse IA umläuft. Die Exzenterhülse 11 ist über eine Verstellerabdeckung 14 und eine Antriebswelle 15 mit dem Elektromotor 16 des Antriebs 3 verbunden. Die Verstellerabdeckung 14 kann die Verzahnungen und Komponenten des Nockenwellenverstellers 1 über dessen gesamten Durchmesser abdecken, wie in 1 gezeigt, oder lediglich eine Anbindung an die Antriebswelle 15 zum Elektromotor 16 herstellen. Die Drehachse der Antriebswelle 15 ist dabei koaxial zur Innenteildrehachse IA und damit auch zur Drehachse der Nockenwelle 2. Der Stator des Elektromotors 16 kann fest mit dem Motorblock des zugehörigen Verbrennungsmotors verbunden sein. Alternativ kann der Elektromotor 16 mit einem mitlaufenden Stator sowie entsprechenden Schleifkontakten oder berührungslosen Kontakten ausgestaltet sein.
Auf der Mantelfläche 13 der Exzenterhülse 11 ist mittels eines Taumelkörperringlagers 17 der Taumelkörperring 18 angeordnet. Zur Begrenzung und Minimierung des notwendigen radialen Durchmessers des Nockenwellenverstellers 1 ist das Taumelkörperringlager 18 bevorzugt wieder als Gleit- oder Nadellager ausgebildet. Die Taumelkörperachse TA des kreisförmig ausgebildete Taumelkörperrings 18 ist entsprechend der Mantelfläche 13 der Exzenterhülse 11 um die Exzentrizität ε zur Innenteildrehachse IA positioniert, sodass bei einer über die Antriebswelle 15 aufgeprägten Drehbewegung der Exzenterwelle 10 der Taumelkörperring 18 mit der Exzentrizität ε um die Innenteildrehachse IA taumelt. Bei jeder Drehbewegung der Exzenterwelle 10 ändert sich die Lage der Taumelkörperachse TA relativ zur Innenteildrehachse IA. Der Taumelkörperring 18 ist als einseitig offene Doppelhülse mit einer Innenhülse 19 und einer Außenhülse 20 ausgebildet, wobei die Innenhülse 19 und die Außenhülse 20 des Taumelkörperrings 18 über einen geschlossen umlaufenden Doppelhülsensteg 21 verbunden sind. Die Innenhülse 19 des Taumelkörperrings 18, die auf der Mantelfläche 13 der Exzenterhülse 11 gelagert ist, weist auf der der Außenhülse 20 zugewandten Umfangsfläche eine erste Außenverzahnung 22 auf, die bereichsweise mit einer Innenverzahnung 23 auf der Innenumfangsfläche der Außenhülse 9 des Innenteils 5 in Eingriff steht. Auf der Außenumfangsfläche der Außenhülse 20 des Taumelkörperrings 18 ist eine zweite Außenverzahnung 24 vorgesehen, die über den Doppelhülsensteg 21 direkt mit der ersten Außenverzahnung 23 der Innenhülse 19 gekoppelt ist.
Der Nockenwellenversteller 1 nach 1 umfasst weiter ein Hohlrad 25, das über ein Hohlradlager 26 auf dem Innenteil 5 gelagert ist und fest mit dem Nockenwellenrad 4 verbunden ist. Dabei ist das Nockenwellenrad 4 in radialer Richtung über dem Hohlradlager 26 und dem Aufnahmeflansch 6 der Nockenwelle 2 angeordnet, um eine möglichst direkte senkrechte Krafteinleitung eines über das Nockenwellenrad 4 angreifenden Steuertriebs zu ermöglichen. Auf der Innenfläche des Hohlrads 25 ist eine zweite Innenverzahnung 27 vorgesehen, die bereichsweise mit der zweiten Außenverzahnung 24 des exzentrisch umlaufenden Taumelkörperrings 18 in Eingriff steht. Dabei ist der Bereich des Hohlrads 25, an dem das Nockenwellenrad 4 angeordnet ist, gegenüber dem Bereich des Hohlrads 25, in dem die Innenverzahnung 27 ausgebildet ist zurückversetzt, wodurch trotz des größeren radialen Durchmessers des Nockenwellenverstellers 1 Nockenwellenräder 4 mit gleichen oder kleinerem Durchmesser angebracht werden können.
2 zeigt den Nockenwellenversteller 1 ohne Nockenwelle 2 und Antrieb 3 in einer perspektivischen Schnittdarstellung, wobei die Exzenterhülse 11 in einem Längsschnitt vom Antrieb 3 getrennt wurde. In dieser Darstellung ist der Doppelhülsenaufbau des Innenteils 5 und der Doppelhülsenaufbau des Taumelkörperrings 18 zu erkennen, die mit ihren offenen Seiten ineinander greifen. Während auf der Innenhülse 7 des Innenteils 5 die Exzenterhülse 11 und darauf der exzentrisch umlaufende Taumelkörperring 18 gelagert sind, greift die Außenhülse 9 des Innenteils 5 zwischen die Innenhülse 19 und Außenhülse 20 des Taumelkörperrings 18. Neben der radialen Anordnung der ersten Außen- und Innenverzahnung 22, 23 und der zweiten Außen- und Innenverzahnung 24, 27, die hier im Wesentlichen deckungsgleich, achsparallel und übereinander zur Innenteildrehachse IA angeordnet sind, ist in 2 auch die radiale Anordnung des Nockenwellenrads 4 mit der Verzahnung 28 des Nockenwellenrads 4 über dem Hohlradlager 26 und dem Aufnahmeflansch 6 zu erkennen, sodass sich der Steuertrieb direkt auf der Nockenwelle 2 abstützen kann.
3 zeigt eine Draufsicht auf einen Längsschnitt durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 1. Die besondere Konstruktion dieses Nockenwellenverstellers 1 mit einem als einseitig offene Doppelhülse ausgebildeten Innenteil 5 und einem ebenfalls als einseitig offene Doppelhülse ausgebildeten Taumelkörperring 18, wobei die offenen Seiten ineinander greifen, sowie die Anordnung der Exzenterhülse 11 zwischen der Innenhülse 7 des Innenteils 5 und der Innenhülse 19 des Taumelkörperrings 18 bewirkt, dass die erste Außenverzahnung 22 und die zweite Außenverzahnung 24 des Taumelkörperrings 18 immer auf der um die Exzentrizität ε zur Innenteildrehachse IA versetzten Seite des Taumelkörperrings 18 mit der ersten Innenverzahnung 23 des Innenteils 5 und der zweiten Innenverzahnung 27 des Hohlrads 25 in Eingriff stehen, während auf der gegenüberliegenden Seite der Abstand zwischen den Verzahnungen am größten ist. Darüber hinaus ist in der 3 zu erkennen, dass sich die erste und zweite Außenverzahnung 23, 24 des Taumelkörperrings 18 zur ersten Innenverzahnung 23 des Innenteils 5 und der zweiten Innenverzahnung 27 des Hohlrads 25 jeweils um einen Zahn unterscheiden, wodurch der hier dargestellte Nockenwellenversteller 1 ein sehr großes untersetztes Verhältnis aufweist.
Im Folgenden werden die Positions- und Wirkungsweisen eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1 näher erläutert.
Im Betrieb in einem Verbrennungsmotor erfolgt der Hauptantrieb der Nockenwelle 2 über die an dem Nockenwellenrad 4 eingreifende Steuerkette mittels der die Bewegung der Kurbelwelle (nicht gezeigt) des Verbrennungsmotors auf die Nockenwelle 2 übertragen wird. Die Drehbewegung des Nockenwellenrads 4 wird über das Hohlrad 25 und dessen zweite Innenverzahnung 27 auf die zweite Außenverzahnung 27 des Taumelkörperrings 18 und von der ersten Außenverzahnung 22 des Taumelkörperrings 18 auf die erste Innenverzahnung 23 des Innenteils 5 und von dort auf die Nockenwelle 2 übertragen. Wie in 1 gut zu erkennen, ermöglicht der gleichzeitige bereichsweise Eingriff der zweiten Innenverzahnung 27 in die zweite Außenverzahnung 27 und der ersten Außenverzahnung 22 in die erste Innenverzahnung 23 des Innenteils 5, wobei der Eingriff zwischen der ersten Außen- und Innenverzahnung 22, 23 und der zweiten Außen- und Innenverzahnung 24, 27 auf der mit der Exzentrizität ε vorstehenden Seite des Taumelkörperrings 18 erfolgt (in 1 unten), die direkte Übertragung der Drehbewegung des Nockenwellenrads 4 über den Taumelkörperring 18 und das Innenteil 5 auf die Nockenwelle 2 und verhindert so negative Rückwirkungen über die Exzenterwelle 10 auf den als Antrieb 3 eingesetzten Elektromotor 16.
Für eine Verstellung des Drehwinkels zwischen dem Hohlrad 25 mit dem Nockenwellenrad 4 und dem Innenteil 5 mit der darin befestigten Nockenwelle 2 wird neben der ständigen über das Nockenwellenrad 4 aufgeprägten Drehbewegung eine zusätzliche Drehbewegung auf den Taumelkörperring 18 übertragen. Dazu wird über die Antriebswelle 15 und dem Elektromotor 16 die Exzenterhülse 11 der Exzenterwelle 10 gedreht, um so den Taumelkörperring 18 zu einer taumelnden Bewegung um die Innenteildrehachse IA anzuregen. Zwischen der Exzenterhülse 11 und dem Taumelkörperring 18 ist ein Taumelkörperringlager 17 angeordnet, um eine Relativbewegung zwischen dem Taumelkörperring 18 und der Exzenterhülse 11 mit einer möglichst geringen Reibung zu erlauben. Darüber hinaus ist auch zwischen der Innenhülse 7 des Innenteils 5 und der Exzenterhülse 11 ein Exzenterwellenlager 12 vorgesehen, um auch die relative Bewegung zwischen der Exzenterwelle 10 und dem Innenteil 5 bzw. der Nockenwelle 2 mit einer möglichst geringen Reibung zu ermöglichen. Der exzentrisch vorstehende Bereich der Exzenterhülse 11 drückt die erste Außenverzahnung 22 des Taumelkörperrings 18 in Eingriff mit der ersten Innenverzahnung 22 des Innenteils 5 und gleichzeitig die zweite Außenverzahnung 24 des Taumelkörperrings 18 in Eingriff mit der zweiten Innenverzahnung 27 des Hohlrads 25, sodass beim Umlauf der Exzenterhülse 11 um die Innenteildrehachse IA sich der Taumelkörperring 18 über den gesamten Umfang einmal an der ersten Innenverzahnung 23 des Innenteils 5 und der zweiten Innenverzahnung 27 des Hohlrads 25 absetzt. Dabei bewegen sich der Taumelkörperring 18 und das Hohlrad 25 bzw. das Innenteil 5 um den Unterschied zwischen der Zähnezahl zwischen der ersten Innenverzahnung 27 des Hohlrads 25 und der zweiten Außenverzahnung 24 des Taumelkörperrings 18 bzw. der ersten Innenverzahnung 23 des Innenteils 5 und der ersten Außenverzahnung 22 des Taumelkörperrings 18. Da sich das Innenteil 5 und das Hohlrad 25 in die gleiche Richtung drehen, ergibt sich das Untersetzungsverhältnis nicht aus der Summe der Unterschiede der ersten Außen- und Inneverzahnung 22, 23 und zweiten Außen- und Innenverzahnung 24, 27, sondern nur aus der Differenz dieser Untersetzungsverhältnisse.
Während auf der einen Seite der um die Exzentrizität ε gegenüber der Innenteildrehachse IA versetzte Taumelkörperring 18 die erste Außen- und Innenverzahnung 22, 23 und die zweite Außen- und Innenverzahnung 24, 27 in Eingriff miteinander drückt, ergibt sich auf der gegenüberliegenden Seite des Nockenwellenverstellers 1 ein Spalt zwischen der ersten Außenverzahnung 22 und ersten Innenverzahnung 23 sowie der zweiten Außenverzahnung 24 und der zweiten Innenverzahnung 27, der in etwa das Doppelte der Exzentrizität ε beträgt, sodass ein Überschneiden der vorstehenden Zähne der ersten Außen- und Innenverzahnung 22, 23 und zweiten Außen- und Innenverzahnung 24, 27 problemlos möglich ist. Dazu muss die jeweilige Zahnhöhe etwas geringer als die Exzentrizität ε der Exzenterwelle 10 sein.
Bei einer Verstellung des Drehwinkels zwischen dem Innenteil 5 und dem Hohlrad 25 des Nockenwellenverstellers 1, entsprechend einer Drehwinkelverstellung zwischen einer an dem Nockenwellenversteller 1 befestigten Nockenwelle 2 und dem Nockenwellenrad 4, wird der an der Antriebswelle 15, im Falle der Verwendung eines Elektromotors 16 als Antrieb 3, angeordnete ständig mitdrehende Rotor des Elektromotors 16 beschleunigt oder abgebremst, sodass sich die Lage der Exzenterwelle 10 und damit auch des Taumelkörperrings 18 relativ zum Hohlrad 25 und dem Innenteil 5 verändert. Bei einer reinen Übertragung der Drehbewegung des Steuertriebs über das Nockenwellenrad 4 auf die Nockenwelle 2 verändern das Innenteil 5 und das Hohlrad 25 ihre relative Lage zueinander nicht und der Rotor des Elektromotors 16 dreht mit der gleichen Geschwindigkeit der Nockenwelle 2 bzw. des Nockenwellenrads 4. Das Stator des Elektromotors 16 kann feststehend mit dem Motorblock des Verbrennungsmotors verbunden sein, um eine leichte Anbindung an das Bordnetz zu ermöglichen, oder als mitdrehender Stator ausgebildet sein, sodass der Elektromotor 16 die relative Drehbewegung durch das Nockenwellenrad 4 lediglich beschleunigt oder abbremst, um eine gewünschte Drehwinkelverstellung zu erreichen.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Nockenwelle
3: Antrieb
4: Nockenwellenrad
5: Innenteil
6: Aufnahmeflansch
7: Innenhülse
8: Zentralschraube
9: Außenhülse
10: Exzenterwelle
11: Exzenterhülle
12: Exzenterwellenlager
13: Mantelfläche
14: Verstellerabdeckung
15: Antriebswelle
16: Elektomotor
17: Taumelkörperringlager
18: Taumelkörperring
19: Innenhülse
20: Außenhülse
21: Doppelhülsensteg
22: Erste Außenverzahnung
23: Erste Innenverzahnung
24: Zweite Außenverzahnung
25: Hohlrad
26: Hohlradlager
27: Zweite Innenverzahnung
28: Nockenwellenverzahnung
IA: Innenteildrehachse
TA: Taumelkörperdrehachse
ε: Exzentrizität

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

DE 4110195 A1 [0004]
DE 10248355 A1 [0004]
DE 102007000114 A1 [0004]

Claims

Ein Nockenwellenversteller (1) zum Einstellen der Ventilsteuerzeit eines Verbrennungsmotors, der Nockenwellenversteller umfasst: ein Innenteil (5) zur Anbringung einer Nockenwelle (2) des Verbrennungsmotors, das Innenteil (5) weist eine Innenteildrehachse (IA) auf, eine Exzenterwelle (10), die drehbar relativ zum Innenteil (5) angeordnet ist, einen Taumelkörperring (18), der drehbar auf der Exzenterwelle (10) gelagert ist, der Taumelkörperring (18) weist eine erste Außenverzahnung (22) und eine zweite Außenverzahnung (24) auf, wobei die erste Außenverzahnung (22) bereichsweise mit einer ersten Innenverzahnung (23) des Innenteils (5) in Eingriff steht, ein Hohlrad (25) mit einer zweiten Innenverzahnung (27) das bereichsweise mit der zweiten Außenverzahnung (24) des Taumelkörperrings (18) in Eingriff steht, ein Nockenwellenrad (4), das drehfest mit dem Hohlrad (25) verbunden ist, einen Verstellantrieb (3), der mit der Exzenterwelle (10) verbunden ist, um die Exzenterwelle (10) relativ zum Innenteil (5) zu verdrehen, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Außenverzahnung (22) und die zweite Außenverzahnung (24) achsparallel zur Innenteildrehachse (IA) und in radialer Richtung übereinander angeordnet sind.
Der Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand der Zahneingriffsmitten der ersten Außenverzahnung (22) und der zweiten Außenverzahnung (24) des Taumelkörperrings (18) in Richtung der Innenteildrehachse (IA) kleiner als 20%, bevorzugt kleiner als 10%, der Zahnbreite der ersten Außenverzahnung (22) oder der zweiten Außenverzahnung (24) ist.
Der Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahneingriffsmitten der ersten Außenverzahnung (22) und der zweiten Außenverzahnung (24) des Taumelkörperrings (18) auf einer senkrecht zur Innenteildrehachse (IA) aufgespannten Ebene angeordnet sind.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Innenteil (5) als einseitig offene Doppelhülse (7, 9) ausgebildet ist, wobei an der im Wesentlichen geschlossen ausgebildeten Stirnseite ein Aufnahmeflansch (6) zur Anbringung der Nockenwelle (2) vorgesehen ist.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (10) als Exzenterhülse (11) ausgebildet ist, wobei die Exzenterhülse (11) drehbar auf dem Innenteil (5) gelagert ist.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Taumelkörperring (18) als einseitig offene Doppelhülse (19, 20) ausgebildet ist, wobei die erste Außenverzahnung (22) auf einer inneren Hülse (19) und die zweite Außenverzahnung (24) auf einer äußeren Hülse (20) des Taumelkörperrings (18) angeordnet sind.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hohlradlager (26) vorgesehen ist, wobei das Hohlrad (25) mittels des Hohlradlagers (26) drehbar auf dem Innenteil (5) gelagert ist.
Der Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlradlager (26) und das Nockenwellenrad (4) in radialer Richtung zur Innenteildrehachse (IA) übereinander angeordnet sind.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstellantrieb (3) einen Elektromotor (16) umfasst.
Der Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Zähne der ersten Außenverzahnung (22) des Taumelkörperrings (18) kleiner ist als die Anzahl der Zähne der ersten Innenverzahnung (23) des Innenteils (5) und die Anzahl der Zähne der zweiten Außenverzahnung (24) des Taumelkörperrings (18) kleiner ist als die Anzahl der Zähne der zweiten Innenverzahnung (27) des Hohlrads (25).