DE102015204420A1

DE102015204420A1 - Baugruppe für ein Wellgetriebe, Wellgetriebe und Antriebseinheit

Info

Publication number: DE102015204420A1
Application number: DE102015204420.3A
Authority: DE
Inventors: Sebastian Zwahr
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-03-12
Filing date: 2015-03-12
Publication date: 2016-09-15

Abstract

Eine Baugruppe (10) für ein Wellgetriebe (3), insbesondere für eine Verstelleinrichtung (29) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses oder einer Phasenlage einer Nockenwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine, umfasst wenigstens ein drehbar um eine Achse (11) angeordnetes, formsteifes Getriebeelement (12), an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse (11) angeordnete Laufbahn (13) angeordnet ist, wenigstens einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring (14), der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn (15) aufweist, und mehrere zwischen dem Getriebeelement (12) und dem Führungsring (14) angeordnete, an beiden Laufbahnen (13, 15) geführte Wälzkörper (16), wobei der Führungsring (14) durch die Anordnung der Wälzkörper (16) zwischen dem Getriebeelement (12) und dem Führungsring (14) derart flexibel verformt ist, dass seine Laufbahn (15), beabstandet durch die Wälzkörper (16), den Verlauf der Laufbahn (13) des Getriebeelements (12) annimmt. Um die Funktion eines solchen Wellgetriebes (3) bzw. einer damit ausgestatteten Antriebseinheit (1) zu verbessern, wird mit der Erfindung vorgeschlagen, dass eine radiale Wandstärke des Führungsrings (14) in einem Bereich von 1% bis 6% eines Außendurchmessers der Wälzkörper (16) liegt.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Baugruppe für ein Wellgetriebe, insbesondere für eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens ein drehbar um eine Achse angeordnetes, formsteifes Getriebeelement, an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse angeordnete Laufbahn angeordnet ist, wenigstens einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn aufweist, und mehrere zwischen dem Getriebeelement und dem Führungsring angeordnete, an beiden Laufbahnen geführte Wälzkörper, wobei der Führungsring durch die Anordnung der Wälzkörper zwischen dem Getriebeelement und dem Führungsring derart flexibel verformt ist, dass seine Laufbahn, beabstandet durch die Wälzkörper, den Verlauf der Laufbahn des Getriebeelementes annimmt.
Des Weiteren betrifft die Erfindung ein Wellgetriebe, insbesondere für eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens ein feststehendes, formsteifes Getriebebauteil mit einer Innenverzahnung oder einer Außenverzahnung, und wenigstens ein relativ zu dem feststehenden Getriebebauteil drehbar angeordnetes, zumindest abschnittweise radial flexibel ausgebildetes Laufelement, an dem eine mit der Innenverzahnung bzw. Außenverzahnung zusammenwirkende Außenverzahnung bzw. Innenverzahnung angeordnet ist.
Ferner betrifft die Erfindung eine Antriebseinheit zum Antreiben einer Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens einen Elektromotor und wenigstens ein über diesen antreibbares Wellgetriebe, wobei eine Abtriebswelle des Wellgetriebes drehmomentübertragend mit einer Verstellwelle der Verstelleinrichtung verbindbar ist.
Stand der Technik
Mit dem Verdichtungsverhältnis ε einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist das Verhältnis des Volumens des gesamten Zylinderraumes zum Volumen des Kompressionsraumes bezeichnet. Durch eine Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses können der Wirkungsgrad der Hubkolbenbrennkraftmaschine gesteigert und somit insgesamt der Kraftstoffverbrauch reduziert werden.
Bei fremdgezündeten Hubkolbenbrennkraftmaschinen nimmt allerdings mit der Erhöhung des Verdichtungsverhältnisses im Volllastbetrieb deren Klopfneigung zu. Bei dem Klopfen handelt es sich um eine unkontrollierte Selbstzündung des Kraftstoff-Luftgemisches. Demgegenüber könnte das Verdichtungsverhältnis im Teillastbetrieb, in welchem die Füllung geringer ist, zur Verbesserung des entsprechenden Teillastwirkungsgrades erhöht werden, ohne dass dadurch das zuvor erwähnte Klopfen auftreten würde. Daraus resultiert, dass es zweckmäßig ist, eine Hubkolbenbrennkraftmaschine im Teillastbetrieb mit einem relativ hohen Verdichtungsverhältnis und im Volllastbetrieb mit einem gegenüber diesem reduzierten Verdichtungsverhältnis zu betreiben.
Eine Änderung des Verdichtungsverhältnisses ist außerdem besonders vorteilhaft für aufgeladene Hubkolbenbrennkraftmaschinen mit Fremdzündung, da bei diesen im Hinblick auf die Aufladung insgesamt ein niedriges Verdichtungsverhältnis vorgegeben wird. Darüber hinaus besteht die Möglichkeit, das Verdichtungsverhältnis in Abhängigkeit von weiteren Betriebsparametern der Hubkolbenbrennkraftmaschine zu verändern, wie z.B. von Fahrzuständen des Kraftfahrzeugs, Betriebspunkten der Brennkraftmaschine, Signalen eines Klopfsensors, Abgaswerten usw.
Es sind aus dem Stand der Technik unter anderem Vorrichtungen bekannt, bei denen zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses die Lage der Kurbelwelle in Bezug auf das Kurbelgehäuse variiert wird. Zu diesem Zweck können die einzelnen Kurbelwellenlager von Exzenterkörper aufgenommen sein, die wiederum drehbar im Kurbelgehäuse geführt sind und über eine Exzenter aufweisende Verstellwelle verdreht werden. Eine entsprechende Lageänderung der Kurbelwelle ist aber für Anwendungen in Kraftfahrzeugen nicht geeignet, da die Kurbelwelle abtriebsseitig stets eine fixe Lage zu einem über eine Kupplung oder einen Drehmomentwandler angetriebenen Getriebe einnehmen muss.
Daher wird bei weiterhin bekannten Vorrichtungen eine Verstellung an einem der Bauteile, die zwischen dem jeweiligen Kurbelzapfen der Kurbelwelle und dem Kolbenbolzen liegen, vorgenommen. Es handelt sich dabei um unterschiedliche Vorrichtungen, nämlich um solche, mit denen die Lage des Kolbens gegenüber dem Pleuel veränderbar ist, oder um solche, die eine Lageänderung des Pleuels gegenüber der Kurbelwelle vornehmen. Im Fall der letztgenannten Zuordnung einer Verstelleinrichtung zum Kurbelzapfen kann ebenfalls eine mit Exzentern versehene Verstellwelle vorgesehen sein.
Eine Antriebseinheit zum Antreiben einer Verstelleinrichtung zur Verstellung eines Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 beschriebenen Gattung ist aus DE 10 2013 216 182 A1 bekannt. Dabei sind im Rahmen eines sogenannten Wellenverstellers einem Elektromotor ein Wellgetriebe und ein Planetengetriebe nachgeschaltet. Ein Abtrieb des Planetengetriebes soll mit einer Einrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Verbrennungsmotors verbunden sein.
Ein Wellgetriebe eignet sich für diese Anwendungen besonders gut, da mit diesem eine vom Elektromotor mit hoher Geschwindigkeit und niedriger Last eingespeiste Antriebsleistung in eine Abtriebsleistung mit geringer Drehzahl und hoher Last gewandelt werden kann, um das für eine Verdrehung einer Verstellwelle erforderliche hohe Drehmoment erzeugen zu können. Weiterhin baut ein Wellgetriebe sehr kompakt, was besonders vorteilhaft für die kleinen Einbauräume für Zusatzaggregate bei Hubkolbenbrennkraftmaschinen in Kraftfahrzeugen ist. Ein Führungselement, das als elastisches, riemenartig mit Außenverzahnung versehenes Element bezeichnet wird, greift zu weniger als 20% seiner Außenverzahnung in eine Innenverzahnung eines Hohlrades ein. Zwischen dem Außenmantel eines als Wellengenerator bezeichneten elliptisch gestalteten Antriebsrad und einer Laufbahn des Führungselements sind kugelförmige Wälzkörper angeordnet.
Offenbarung der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es, die Funktion eines Wellgetriebes bzw. einer damit ausgestatteten Antriebseinheit zu verbessern.
Diese Aufgabe wird durch die unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Patentansprüchen wiedergegeben, die jeweils für sich genommen oder in verschiedenen Kombinationen miteinander einen Aspekt der Erfindung darstellen können.
Die erfindungsgemäße Baugruppe für ein Wellgetriebe, insbesondere für eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, umfasst wenigstens ein drehbar um eine Achse angeordnetes, formsteifes Getriebeelement, an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse angeordnete Laufbahn angeordnet ist. Weiterhin umfasst die Baugruppe wenigstens einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn aufweist, und mehrere zwischen dem Getriebeelement und dem Führungsring angeordnete, an beiden Laufbahnen geführte Wälzkörper. Dabei ist der Führungsring durch die Anordnung der Wälzkörper zwischen dem Getriebeelement und dem Führungsring derart flexibel verformt, dass seine Laufbahn, beabstandet durch die Wälzkörper, den Verlauf der Laufbahn des Getriebeelementes annimmt. Eine radiale Wandstärke des Führungsrings soll erfindungsgemäß in einem Bereich von 1% bis 6% eines Außendurchmessers der Wälzkörper liegen.
Bei einer herkömmlichen Baugruppe ist die maximale Anzahl der zwischen den Laufbahnen anordbaren Wälzkörper durch den Montageprozess der Baugruppe definiert. Bei einer speziellen Baugruppenart kann hierbei das formsteife Getriebeelement exzentrisch in dem Führungsring platziert werden. Anschließend werden so viele Wälzkörper entlang des Führungsrings positioniert, bis sich das formsteife Getriebeelement ohne großen Kraftaufwand ins Zentrum des Führungsrings verschieben lässt. Hierdurch kann üblicherweise ein zwischen dem formsteifen Getriebeelement und dem Führungsring vorhandener Wälzkörperspalt eine Wälzkörperfüllung in einem Bereich von 50% bis 60% aufweisen. Die Wälzkörper können gleichmäßig verteilt und mit einem Wälzkörperkäfig in Position gehalten werden.
Der erfindungsgemäße Führungsring ist derart dünnwandig ausgeführt, dass er unter geringem Kraftaufwand elastisch verformbar ist. Dadurch ist es möglich, bei der Montage der erfindungsgemäßen Baugruppe nach dem oben beschriebenem Prinzip nach dem Zentrieren des formsteifen Getriebeelements noch weitere Wälzkörper in den verbliebenen Wälzkörperspalt einzufügen, ohne dass die Laufbahn des formsteifen Getriebeelements oder des Führungsrings beschädigt wird. Bei einem Einpressen der Wälzkörper verformt sich der Führungsring kurzfristig elastisch, bis der jeweilige Wälzkörper über Laufbahnschultern der Laufbahnen einschnappt. Dadurch ist eine deutlich höhere Wälzkörperfüllung des Wälzkörperspalts als herkömmlich erreichbar. Durch diesen hohen Füllungsgrad wird der Abstand der Wälzkörper zueinander derart reduziert, dass sich nahezu eine vollkugelige oder vollrollige Wälzkörperanordnung ergibt.
Bei der beschriebenen Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Baugruppe kann an einer Außenmantelfläche des Führungsrings ein zumindest teilweise flexibel ausgebildeter Verzahnungstopf befestigt sein, der in einem Verbindungsbereich, in dem er drehfest mit dem Führungsring verbunden ist, die jeweilige Form des Führungsrings annimmt. Typischerweise trägt der Verzahnungstopf im Bereich des Führungsrings eine Außenverzahnung. Dies bedeutet, dass bei einer Verformung des Verzahnungstopfes der Zahngrund der Außenverzahnung als Kerbe wirkt und somit eine Spannungskonzentration zur Folge hat.
Eine damit einhergehende elastische Verformung des Verzahnungstopfes und des Führungsrings sollte zur Erhöhung der Dauerhaftigkeit des Wellgetriebes so gering wie möglich gehalten werden. Für eine hohe Lebensdauer muss der Führungsring möglichst biegeweich ausgebildet sein, um die auftretenden Montagegrundspannungen aufgrund der elastischen Verformung des Führungsrings gering zu halten. Gleichzeitig muss der Führungsring jedoch so biegesteif wie möglich sein, damit sich ein zwischen zwei Wälzkörperunterstützungen liegende Abschnitt des Führungsrings nicht so stark durchbiegt, dass im Zahngrund der Außenverzahnung eine lokale Spannungsüberhöhung auftritt.
Durch die mit der Erfindung erreichbare hohe Wälzkörperfüllung des zwischen den Laufbahnen vorhandenen Wälzkörperspalts kann eine entsprechende elastische Verformung des Außenringes und somit des Verzahnungstopfes radial nach innen zwischen zwei Wälzkörperunterstützungen effektiv reduziert werden, indem durch die hohe Wälzkörperfüllung und dem damit einhergehenden geringeren Abstand zwischen den Wälzkörpern die jeweilige Biegelänge des Führungsringes reduziert wird. Würde hingegen versucht, eine elastische Verformung des Führungsrings durch eine Erhöhung der Wandstärke des Führungsrings zu reduzieren, käme es zu höheren Biegespannungen in dem Führungsring, wodurch die Lebensdauer des Führungsrings reduziert werden würde.
Demgegenüber müssen bei der erfindungsgemäßen Reduzierung der freien Biegelänge keine solchen Nachteile hinsichtlich der Lebensdauer des Führungsrings aufgrund der maximal zulässigen Biegewechselfestigkeit in Kauf genommen werden. Zusammen mit einer geschickten Wahl des Wälzkörperdurchmessers kann die freie Biegelänge des Führungsrings so weit reduziert werden, dass die elastische Verformung des Führungsrings nur noch einen relativ geringen Einfluss auf die Zahnfußspannung des außen anliegenden Verzahnungstopfes hat. Hierdurch wird die Dauerhaftigkeit der Baugruppe bzw. eines entsprechend ausgestatteten Wellgetriebes deutlich erhöht.
Die Wälzkörper können als Kugeln, Tonnen, Nadeln oder Rollen ausgebildet sein. Vorteilhafterweise liegt eine radiale Wandstärke des Führungsrings in einem Bereich von 1% bis 3% eines Außendurchmessers der Wälzkörper. Insbesondere kann die radiale Wandstärke des Führungsrings im Bereich einer tiefsten Stelle der Laufbahn des Führungsrings in dem Bereich von 1% bis 3% eines Außendurchmessers der Wälzkörper liegen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung weist ein zwischen dem Getriebeelement und dem Führungsring vorhandener Wälzkörperspalt eine Wälzkörperfüllung von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 95%, auf. Insbesondere ist eine Wälzkörperfüllung von maximal 96% erreichbar, so dass die Baugruppe nahezu vollrollig ausgebildet werden kann. Hierbei kann der Abstand zwischen den Wälzkörpern bei gleichmäßiger Verteilung nur geringfügig größer sein als der Wälzkörperaußendurchmesser. Der Abstand kann beispielsweise in einem Bereich von 1% bis 10%, vorzugsweise von 1% bis 5%, der Wälzkörperaußendurchmesser liegen. Um diese hohe Wälzkörperfüllung bei der Montage zu erreichen, ist ein besonders biegeweicher Führungsring zu verwenden.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umschließt der Führungsring das Getriebeelement in einem Abstand radial außen. Diese Ausgestaltung ist oben im Zusammenhang mit der Wirkung der Erfindung beschrieben. Die Laufbahn des Führungsrings ist hierbei als Innenlaufbahn ausgebildet, wohingegen die Laufbahn des Getriebeelements als Außenlaufbahn ausgebildet ist. Alternativ kann das Getriebeelement den Führungsring radial außen umschließen. Die Laufbahn des Führungsrings ist hierbei als Außenlaufbahn ausgebildet, wohingegen die Laufbahn des Getriebeelements als Innenlaufbahn ausgebildet ist.
Das erfindungsgemäße Wellgetriebe für eine Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle umfasst wenigstens ein feststehendes, formsteifes Getriebebauteil mit einer Innenverzahnung oder einer Außenverzahnung, wenigstens ein relativ zu dem feststehenden Getriebebauteil drehbar angeordnetes, zumindest abschnittweise radial flexibel ausgebildetes Laufelement, an dem eine mit der Innenverzahnung bzw. Außenverzahnung zusammenwirkende Außenverzahnung bzw. Innenverzahnung angeordnet ist, und wenigstens eine Baugruppe gemäß einer der vorgenannten Ausgestaltungen oder einer beliebigen Kombination derselben, deren Führungsring drehfest mit dem Laufelement verbunden ist. Mit dem Wellgetriebe sind die oben mit Bezug auf die Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Die erfindungsgemäße Antriebseinheit zum Antreiben einer Verstelleinrichtung zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle umfasst wenigstens einen Elektromotor und wenigstens ein mit diesem antreibbares Wellgetriebe, wobei eine Abtriebswelle des Wellgetriebes drehmomentübertragend mit einer Verstellwelle der Verstelleinrichtung verbindbar ist, und wobei das Wellgetriebe gemäß dem vorgenannten Wellgetriebe ausgebildet ist. Mit der Antriebseinheit sind die oben mit Bezug auf die Baugruppe genannten Vorteile entsprechend verbunden.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das feststehende Getriebebauteil als Gehäuse mit einer Innenverzahnung und das drehbar angeordnete Laufelement als Topf oder als Kragenhülse ausgebildet, dessen von der Abtriebswelle abgewandtes Ende eine mit der Innenverzahnung zusammenwirkende Außenverzahnung aufweist und dessen anderes Ende einen drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle verbunden Boden aufweist, wobei das Getriebeelement durch einen Rotor des Elektromotors gebildet wird, der als Topf oder als Kragenhülse mit einem elliptische oder als Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildeten oder exzentrisch zu der Achse angeordneten Mantel ausgebildet ist, wobei an einem axialen Ende des Rotors radial außen die Laufbahn zur Führung der Wälzkörper vorgesehen ist und das andere axiale Ende des Rotors einen Boden aufweist, der über eine Welle drehbar an einem radial innen zu dem Mantel des Rotors angeordneten, zylinderförmigen Stator des Elektromotors gelagert ist, und wobei eine Anzahl der Zähne der Innenverzahnung um wenigstens Zwei größer ist als eine Anzahl der Zähne der Außenverzahnung. Hierdurch erfolgt eine Funktionsintegration bezüglich des Rotors des Elektromotors. Dadurch ist zwischen dem Elektromotor und der Wellgetriebe eine sehr raumsparend ausgebildete Verbindung gegeben, was eine kompaktere Ausbildung der Antriebseinheit möglich macht.
Durch den erfindungsgemäßen Wegfall der herkömmlichen Schnittstelle zwischen Elektromotor und Getriebeeingangswelle kann eine üblicherweise eingesetzte berührende Radialdichtung auf der Abtriebswelle des Elektromotors entfallen. Dies erhöht den Wirkungsgrad der erfindungsgemäßen Antriebseinheit deutlich, da nur noch eine einzige berührende Radialdichtung zwischen der Abtriebswelle des Wellgetriebes und dem Gehäuse nötig ist. Typischerweise dreht sich diese Abtriebswelle sehr langsam. Daher ist auch die auftretende Reibverlustleistung relativ gering und hat nur einen geringen Einfluss auf den Gesamtwirkungsgrad der Antriebseinheit.
Der Elektromotor kann beispielsweise als Stellmotor oder BLDC-Motor ausgebildet sein.
Der Rotor kann über wenigstens ein Radiallager drehbar an der Welle angeordnet sein. Alternativ kann der Rotor drehfest mit der Welle verbunden und die Welle über wenigstens ein Radiallager drehbar an dem Stator angeordnet sein. Auch können sowohl der Rotor drehbar an der Welle als auch die Welle drehbar an dem Stator angeordnet sein.
Im Bereich seiner einenends vorgesehenen Außenverzahnung wird das flexible Laufelement von innen her von dem elliptisch oder als Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildeten oder exzentrisch zum Gehäuse angeordneten Mantel des Rotors derart verformt, dass die Außenverzahnung partiell in die Innenverzahnung des Gehäuses eingreift. Aufgrund der hohen Anzahl an Zähnen von Außen- und Innenverzahnung, die sich in dieser Hinsicht nur geringfügig voneinander unterscheiden, lässt sich eine große Übersetzung realisieren, so dass die Verstellwelle sehr präzise aktuiert werden kann. Das Gehäuse ist die Drehmomentabstützung des Wellgetriebes.
Die Topf- oder Kragenhülsenform des flexiblen Laufelements führt dazu, dass bei insgesamt kompakter Bauweise des Wellgetriebes gleichzeitig eine elastische Kopplung der Verstellwelle an das Wellgetriebe geschaffen werden kann. Dadurch wird ermöglicht, einen eventuell auftretenden Achsversatz oder einen Fluchtungsfehler zwischen dem Verstellaktuator und der Verstellwelle auszugleichen. Im Falle einer Ausbildung des flexiblen Laufelements als Topf besteht dieser aus einem rohrförmigen Abschnitt, der an seinem einen axialen Ende an seiner Außenmantelfläche mit der Außenverzahnung versehen ist. Am anderen Ende geht der rohrförmige Abschnitt beispielsweise mit einem nach innen weisenden Radius in einen Boden über. Ist das flexible Laufelement als Kragenhülse ausgeführt, so läuft der rohrförmige Abschnitt mit einem nach außen weisenden Radius in den Boden aus, so dass ein über die radiale Erstreckung des rohrförmigen Abschnittes vorstehender Kragen gebildet wird.
Da in der Großserienfertigung von Hubkolbenbrennkraftmaschinen nach Möglichkeit kostengünstige Fertigungstechnologien verwendet werden, treten gewisse Fertigungstoleranzen auf. Der dadurch eventuell gegebene Fluchtungs- bzw. Radialfehler zwischen dem Wellgetriebe und der Verstellwelle kann mehrere zehntel Millimeter Toleranz aufweisen.
Aufgrund des kompakten Aufbaus der Antriebseinheit und des guten Wärmetransports an deren Gehäuse kann die Antriebseinheit so an ein Kurbelgehäuse der Hubkolbenbrennkraftmaschine angebunden werden, dass die im Betrieb der Antriebseinheit entstehende Wärme schnell über das Gehäuse abtransportiert werden kann. Dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, dass das Gehäuse nur an einem einzigen umlaufenden Bereich mit einer statischen Radialdichtung an das Kurbelgehäuse angeschraubt wird und ein Großteil der Gehäuseoberfläche für den Wärmeabtransport genutzt wird.
Nach einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung umfasst die Antriebseinheit wenigstens einen das Getriebebauteil einseitig verschließenden Deckel, an dem der Stator befestigt ist. Der Stator kann monolithisch mit dem Deckel hergestellt sein. Der Deckel kann einen Teil der im Betrieb der Antriebseinheit entstehenden Verlustwärme an die Umgebung der Antriebseinheit abgeben kann. Der Deckel und das gehäuseartige Getriebebauteil bilden eine geschlossene Kammer, in welcher der Elektromotor und die Getriebeelemente angeordnet sind. Auf der Abtriebsseite kann das Getriebebauteil über ein einziges Radialdichtelement gegenüber der Abtriebswelle des Wellgetriebes abgedichtet sein.
Ferner ist es von Vorteil, wenn das Getriebebauteil zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Schmiermittel gefüllt ist. Das Schmiermittel ist vorzugsweise so beschaffen, dass es zu keiner chemischen Reaktion zwischen den Elektromotorbauteilen und Getriebebauteilen kommt. Bevorzugt ist das Schmiermittel ein Öl oder ein Fett. Die Aufgaben des Schmiermittels sind neben der Schmierung des Wellgetriebes der Wärmetransport aus der Getriebeverzahnung und dem Stator an das Getriebebauteil. Hierdurch kann der Elektromotor elektrisch sehr hoch belastet werden, ohne Schäden aufgrund der damit verbundenen thermischen Belastung zu nehmen.
Die Erfindung ist nicht auf die angegebene Kombination der Merkmale der unabhängigen Patentansprüche mit den von diesen abhängigen Patentansprüchen beschränkt. Es ergeben sich darüber hinaus weitere Möglichkeiten, einzelne Merkmale, insbesondere dann, wenn sie sich aus den Patentansprüchen, der nachfolgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele oder unmittelbar aus den Figuren ergeben, miteinander zu kombinieren. Außerdem soll die Bezugnahme der Patentansprüche auf die Figuren durch die Verwendung von Bezugszeichen den Schutzumfang der Patentansprüche auf keinen Fall auf die dargestellten Ausgestaltungsbeispiele beschränken.
Kurze Beschreibung der Zeichnung
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen unterschiedliche Ausführungsbeispiele vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit im Längsschnitt;
2 einen Querschnitt durch eine Teilansicht einer mit einer Verstellwelle in Verbindung stehenden Verstelleinrichtung;
3 eine schematische Schnittdarstellung eines Details einer herkömmlichen Baugruppe für ein Wellgetriebe;
4 eine schematische Schnittdarstellung eines Details eines herkömmlichen Wellgetriebes; und
5 eine schematische Schnittdarstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Baugruppe für ein Wellgetriebe.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
1 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Antriebseinheit 1 zum Antreiben einer nicht gezeigten Verstelleinrichtung zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle. Die Antriebseinheit 1 umfasst einen Elektromotor 2 und ein mit diesem antreibbares Wellgetriebe 3, wobei eine Abtriebswelle 4 des Wellgetriebes 3 drehmomentübertragend mit einer nicht gezeigten Verstellwelle der Verstelleinrichtung verbindbar ist. Ein Rotor 5 des Elektromotors 2 ist als integraler Bestandteil des Wellgetriebes 3 ausbildet, was aus dem Folgenden deutlicher wird.
Das Wellgetriebe 3 umfasst ein als Gehäuse ausgebildetes, feststehendes, formsteifes Getriebebauteil 6 mit einer Innenverzahnung 7 und ein relativ zu dem feststehenden Getriebebauteil 6 drehbar angeordnetes, radial flexibel ausgebildetes Laufelement 8, an dem eine mit der Innenverzahnung 7 zusammenwirkende Außenverzahnung 9 angeordnet ist. Eine Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 7 ist um wenigstens zwei größer ist als eine Anzahl der Zähne der Außenverzahnung 9.
Das Wellgetriebe 3 umfasst des Weiteren eine Baugruppe 10 mit einem drehbar um eine Achse 11 angeordneten, formsteifen Getriebeelement 12, an dem umlaufend eine elliptisch ausgebildete äußere Laufbahn 13 angeordnet ist, mit einem radial flexibel ausgebildeten Führungsring 14, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete innere Laufbahn 15 aufweist, und mehrere zwischen dem Getriebeelement 12 und dem Führungsring 14 angeordnete, an beiden Laufbahnen 13 und 15 geführte, als Kugeln ausgebildete Wälzkörper 16.
Der Führungsring 14 ist durch die Anordnung der Wälzkörper 16 zwischen dem Getriebeelement 12 derart flexibel verformt, dass seine innere Laufbahn 15, beabstandet durch die Wälzkörper 16, den Verlauf der äußeren Laufbahn 13 des Getriebeelementes 12 annimmt. Der Führungsring 14 umschließt somit das Getriebeelement 12 in einem Abstand radial außen. Eine radiale Wandstärke des Führungsrings 14 liegt in einem Bereich von 1% bis 6% eines Außendurchmessers der Wälzkörper 16. Ein zwischen dem Getriebeelement 12 und dem Führungsring 14 vorhandener Wälzkörperspalt 17 weist eine Wälzkörperfüllung von mindestens 90%, insbesondere 96%, auf. Der Führungsring 14 ist drehfest mit dem Laufelement 8 verbunden.
Das Laufelement 8 ist als Topf ausgebildet, dessen von der Abtriebswelle 4 abgewandtes Ende die mit der Innenverzahnung 7 zusammenwirkende Außenverzahnung 9 aufweist und dessen anderes Ende einen drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle 4 verbunden Boden 18 aufweist. Das drehbar angeordnete Getriebeelement 12 wird durch den Rotor 5 des Elektromotors 2 gebildet. Der Rotor 5 ist als Topf mit einem elliptisch ausgebildeten Mantel 19 ausgebildet. An einem axialen Ende des Rotors 5 ist radial außen die äußere Laufbahn 13 zur Führung der Wälzkörper 16 vorgesehen. Das andere axiale Ende des Rotors 5 weist einen Boden 20 auf, der über eine Welle 21 drehbar an einem radial innen zu dem Mantel 19 des Rotors 5 angeordneten, zylinderförmigen Stator 22 des Elektromotors 2 gelagert ist.
Die Antriebseinheit 1 umfasst des Weiteren einen das als Gehäuse ausgebildete Getriebeelement 6 einseitig verschließenden Deckel 23, an dem der Stator 22 befestigt ist. Dabei ist der Stator 22 monolithisch mit dem Deckel 23 hergestellt. Die Welle 21 ist ortsfest an dem Deckel 23 und dem Stator 22 angeordnet. Der Rotor 5 ist über ein Radiallager 24 drehbar an der Welle 21 gelagert. Das als Gehäuse ausgebildete Getriebeelement 6 ist über ein Radialdichtelement 25 gegenüber der Abtriebswelle 4 abgedichtet. Die Abtriebswelle 4 ist über ein Radiallager 26 drehbar in einer abtriebsseitigen Öffnung 27 des Getriebeelements 6 gelagert. Die Abtriebswelle 4 umfasst einen radial größer dimensionierten Abschnitt 28, der sich axial an der Radialdichtung 25 abstützt. Das Getriebeelement 6 ist zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen, nicht gezeigten Schmiermittel in Form eines Öls oder eines Fetts gefüllt.
2 zeigt einen Querschnitt durch eine Teilansicht einer mit einer Verstellwelle 41 in Verbindung stehenden Verstelleinrichtung 29, die zur Veränderung eines Verdichtungsverhältnisses einer Zylindereinheit einer Hubkolbenbrennkraftmaschine dient. Diese Hubkolbenbrennkraftmaschine weist eine Kurbelwelle 30 auf, von der in der Darstellung ein Kurbelzapfen 31 sichtbar ist. Dieser Kurbelzapfen 31 nimmt einen Koppelhebel 32 auf, der über ein erstes Gelenk 33 ein Pleuel 34 und über ein zweites Gelenk 35 eine Schubstange 36 aufnimmt. Das Pleuel 34 weist an seinem anderen Ende ein Pleuelauge 37 mit einem darin angeordneten Kolbenbolzenlager 38 auf. In dem Kolbenbolzenlager 38 ist ein Kolbenbolzen 39 gelagert, welcher das Pleuel 34 mit einem nicht näher dargestellten Hubkolben der Zylindereinheit verbindet. Die Schubstange 36 ist radial auf einem Exzenter 40 der Verstellwelle 41 geführt, so dass durch eine Verdrehung der Verstellwelle 41 eine Schub- oder Zugbewegung auf den Koppelhebel 32 an dessen zweitem Gelenk 35 übertragen wird, die zu dessen Verschwenkung auf dem Kurbelzapfen 31 führt. Dadurch wird eine Stellbewegung auf das Pleuel 34 ausgeübt, die zu einer Veränderung des Verdichtungsverhältnisses dieser Zylindereinheit führt.
3 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details einer herkömmlichen Baugruppe 42 für ein nicht näher dargestelltes Wellgetriebe, wobei zur Verdeutlichung der Funktion die Bauelement dieser Baugruppe 42 eben verlaufend dargestellt sind. Die Baugruppe 42 umfasst ein formsteifes Getriebeelement 43, an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse angeordnete äußere Laufbahn 44 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Baugruppe 42 einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring 45, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn 46 aufweist. Ferner umfasst die Baugruppe 42 mehrere zwischen dem Getriebeelement 43 und dem Führungsring 45 angeordnete, an beiden Laufbahnen 44 und 46 geführte Wälzkörper 47. Der Führungsring 45 ist durch die Anordnung der Wälzkörper 47 zwischen dem Getriebeelement 43 und dem Führungsring 45 derart flexibel verformt, dass seine Laufbahn 46, beabstandet durch die Wälzkörper 47, den Verlauf der Laufbahn 44 des Getriebeelements 43 annimmt.
Ein nicht gezeigtes, radial flexibel ausgebildetes Laufelement des Wellgetriebes kann drehfest mit dem Führungsring 45 verbunden werden. Im Betrieb des Wellgetriebes entstehen Kräfte, die entsprechend den Pfeilen auf den Führungsring 45 einwirken. Da die Wälzkörper 47 relativ weit voneinander beabstandet angeordnet sind, kommt es hierbei zu einer radialen Durchbiegung von zwischen den Wälzkörpern 47 liegenden Abschnitten des Führungsrings 45, wie es in 3 für einen Abschnitt 48 des Führungsrings 45 durch die gestrichelte Linien angedeutet ist.
4 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details eines herkömmlichen Wellgetriebes 49. Das Wellgetriebe 49 umfasst ein nicht gezeigtes, feststehendes, formsteifes Getriebebauteil mit einer Innenverzahnung und ein relativ zu dem feststehenden Getriebebauteil drehbar angeordnetes, zumindest abschnittweise radial flexibel ausgebildetes Laufelement 50, an dem eine mit der Innenverzahnung zusammenwirkende Außenverzahnung 51 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst das Wellgetriebe 49 eine Baugruppe 42 mit einem drehbar um eine nicht gezeigte Achse angeordneten, formsteifen Getriebeelement 43, an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse angeordnete äußere Laufbahn 44 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Baugruppe 42 einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring 45, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn 46 aufweist. Ferner umfasst die Baugruppe 42 mehrere zwischen dem Getriebeelement 43 und dem Führungsring 45 angeordnete, an beiden Laufbahnen 44 und 46 geführte Wälzkörper 47. Der Führungsring 45 ist durch die Anordnung der Wälzkörper 47 zwischen dem Getriebeelement 43 und dem Führungsring 45 derart flexibel verformt, dass seine Laufbahn 46, beabstandet durch die Wälzkörper 47, den Verlauf der Laufbahn 44 des Getriebeelements 43 annimmt. Das radial flexibel ausgebildete Laufelement 50 ist drehfest mit dem Führungsring 45 verbunden.
Im Betrieb des Wellgetriebes 49 entstehen Kräfte, die entsprechend den Pfeilen aus 3 auf den Führungsring 45 und das Laufelement 50 einwirken. Da die Wälzkörper 47 relativ weit voneinander beabstandet angeordnet sind, kommt es hierbei zu einer radialen Durchbiegung von zwischen den Wälzkörpern 47 liegenden Abschnitten des Führungsrings 45 und des Laufelements 50, wie es in 4 für einen Abschnitt 48 des Führungsrings 45 bzw. einen Abschnitt 52 des Laufelements 50 gezeigt ist.
5 zeigt eine schematische Schnittdarstellung eines Details eines Ausführungsbeispiels für eine erfindungsgemäße Baugruppe 10 für ein nicht weitergehender dargestelltes Wellgetriebe. Die Baugruppe 10 umfasst ein drehbar um eine nicht gezeigte Achse angeordnetes, formsteifes Getriebeelement 12, an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse angeordnete Laufbahn 13 angeordnet ist. Des Weiteren umfasst die Baugruppe 10 einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring 14, der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn 15 aufweist. Ferner umfasst die Baugruppe 10 mehrere zwischen dem Getriebeelement 12 und dem Führungsring 14 angeordnete, an beiden Laufbahnen 13 und 15 geführte Wälzkörper 16, wobei der Führungsring 14 durch die Anordnung der Wälzkörper 16 zwischen dem Getriebeelement 12 und dem Führungsring 14 derart flexibel verformt ist, dass seine Laufbahn 15, beabstandet durch die Wälzkörper 16, den Verlauf der Laufbahn 13 des Getriebeelements 12 annimmt.
Eine radiale Wandstärke des Führungsrings 14 liegt in einem Bereich von 1% bis 6% eines Außendurchmessers der Wälzkörper 16. Ein zwischen dem Getriebeelement 12 und dem Führungsring 14 vorhandener Wälzkörperspalt 17 weist eine Wälzkörperfüllung von mindestens 90%, insbesondere 96%, auf. Hierdurch sind die Wälzkörper 16 in größerer Zahl als bei den in den 3 und 4 gezeigten herkömmlichen Baugruppen vorhanden und sind in einem geringeren Abstand zueinander angeordnet. Dadurch ist der Führungsring 14 an näher zueinander angeordnete Wälzkörperstützstellen radial abgestützt, so dass sich kein Abschnitt des Führungsrings entsprechend den 3 und 4 radial durchbiegen kann.
Bezugszeichenliste

1: Antriebseinheit
2: Elektromotor
3: Wellgetriebe
4: Abtriebswelle
5: Rotor
6: Getriebebauteil
7: Innenverzahnung
8: Laufelement
9: Außenverzahnung
10: Baugruppe
11: Achse
12: Getriebeelement
13: innere Laufbahn
14: Führungsring
15: äußere Laufbahn
16: Wälzkörper
17: Wälzkörperspalt
18: Boden von 8
19: Mantel von 5
20: Boden von 5
21: Welle
22: Stator
23: Deckel
24: Radiallager
25: Radialdichtelement
26: Radiallager
27: Öffnung von 6
28: Abschnitt von 4
29: Verstelleinrichtung
30: Kurbelwelle
31: Kurbelzapfen
32: Koppelhebel
33: Gelenk
34: Pleuel
35: Gelenk
36: Schubstange
37: Pleuelauge
38: Kolbenbolzenlager
39: Kolbenbolzen
40: Exzenter
41: Verstellwelle
42: Baugruppe
43: Getriebeelement
44: Laufbahn von 43
45: Führungsring
46: Laufbahn von 45
47: Wälzkörper
48: Abschnitt von 45
49: Wellgetriebe
50: Laufelement
51: Außenverzahnung
52: Abschnitt von 50

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102013216182 A1 [0009]

Claims

Baugruppe (10) für ein Wellgetriebe (3), insbesondere für eine Verstelleinrichtung (29) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens ein drehbar um eine Achse (11) angeordnetes, formsteifes Getriebeelement (12), an dem umlaufend eine elliptisch oder als gleichseitiges Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildete oder exzentrisch zu der Achse (11) angeordnete Laufbahn (13) angeordnet ist, wenigstens einen radial flexibel ausgebildeten Führungsring (14), der in einem nicht verformten Zustand eine kreisförmig ausgebildete Laufbahn (15) aufweist, und mehrere zwischen dem Getriebeelement (12) und dem Führungsring (14) angeordnete, an beiden Laufbahnen (13, 15) geführte Wälzkörper (16), wobei der Führungsring (14) durch die Anordnung der Wälzkörper (16) zwischen dem Getriebeelement (12) und dem Führungsring (14) derart flexibel verformt ist, dass seine Laufbahn (15), beabstandet durch die Wälzkörper (16), den Verlauf der Laufbahn (13) des Getriebeelements (12) annimmt, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Wandstärke des Führungsrings (14) in einem Bereich von 1% bis 6% eines Außendurchmessers der Wälzkörper (16) liegt.
Baugruppe (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine radiale Wandstärke des Führungsrings (14) in einem Bereich von 1% bis 3% eines Außendurchmessers der Wälzkörper (16) liegt.
Baugruppe (10) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein zwischen dem Getriebeelement (12) und dem Führungsring (14) vorhandener Wälzkörperspalt (17) eine Wälzkörperfüllung von mindestens 80%, vorzugsweise mindestens 90%, besonders bevorzugt mindestens 95%, aufweist.
Baugruppe (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Führungsring (14) das Getriebeelement (12) in einem Abstand radial außen umschließt.
Wellgetriebe (3) für eine Verstelleinrichtung (29) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens ein feststehendes, formsteifes Getriebebauteil (6) mit einer Innenverzahnung (7) oder einer Außenverzahnung, und wenigstens ein relativ zu dem feststehenden Getriebebauteil (6) drehbar angeordnetes, zumindest abschnittweise radial flexibel ausgebildetes Laufelement (8), an dem eine mit der Innenverzahnung (7) bzw. Außenverzahnung zusammenwirkende Außenverzahnung (9) bzw. Innenverzahnung angeordnet ist, gekennzeichnet durch wenigstens eine Baugruppe (10) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, deren Führungsring (14) drehfest mit dem Laufelement (8) verbunden ist.
Antriebseinheit (1) zum Antreiben einer Verstelleinrichtung (29) zum Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine oder einer Phasenlage einer Nockenwelle, aufweisend wenigstens einen Elektromotor (2) und wenigstens ein mit diesem antreibbares Wellgetriebe (3), wobei eine Abtriebswelle (4) des Wellgetriebes (3) drehmomentübertragend mit einer Verstellwelle (41) der Verstelleinrichtung (29) verbindbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (3) gemäß Anspruch 5 ausgebildet ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das feststehende Getriebebauteil (6) als Gehäuse mit einer Innenverzahnung (7) und das drehbar angeordnete Laufelement (8) als Topf oder als Kragenhülse ausgebildet ist, dessen von der Abtriebswelle (4) abgewandtes Ende eine mit der Innenverzahnung (7) zusammenwirkende Außenverzahnung (9) aufweist und dessen anderes Ende einen drehmomentübertragend mit der Abtriebswelle (4) verbunden Boden (18) aufweist, wobei das Getriebeelement (12) durch einen Rotor (5) des Elektromotors (2) gebildet wird, der als Topf oder als Kragenhülse mit einem elliptische oder als Vieleck mit abgerundeten Ecken ausgebildeten oder exzentrisch zu der Achse (11) angeordneten Mantel (19) ausgebildet ist, wobei an einem axialen Ende des Rotors (5) radial außen die Laufbahn (13) zur Führung der Wälzkörper (16) vorgesehen ist und das andere axiale Ende des Rotors (5) einen Boden (20) aufweist, der über eine Welle (21) drehbar an einem radial innen zu dem Mantel (19) des Rotors (5) angeordneten, zylinderförmigen Stator (22) des Elektromotors (2) gelagert ist, und wobei eine Anzahl der Zähne der Innenverzahnung (7) um wenigstens zwei größer ist als eine Anzahl der Zähne der Außenverzahnung (9).
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch wenigstens einen das Getriebeelement (6) einseitig verschließenden Deckel (23), an dem der Stator (22) befestigt ist.
Antriebseinheit (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Getriebeelement (6) zumindest teilweise mit einem wärmeleitfähigen Schmiermittel gefüllt ist.