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Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors. Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Montage einer derartigen Vorrichtung.
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Eine besondere Herausforderung im Automotive-Bereich ist die Kompressionsverstellung von Verbrennungsmotoren. Dies wird auch als variable Kompressionsverstellung (variable compression ratio) bezeichnet. Verbrennungsmotoren in Fahrzeugen arbeiten mit unterschiedlichen Motordrehzahlen und sowohl im Teil- als auch im Volllastbereich. Dies erfordert vorzugsweise unterschiedliche Kompressionseinstellungen. Ein optimales Verdichtungsverhältnis für jeden Kennfeldbereich führt dabei auch zu einem geringeren Verbrauch. Es gilt insbesondere auch ein Klopfen, welches bei einem nicht optimierten Verdichtungsverhältnis auftreten kann, zu vermeiden.
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Zur Beeinflussung des Kompressionsverhältnisses sind aus dem Stand der Technik verschiedene Lösungen bekannt, die teilweise vorsehen, den oberen Totpunkt des Kolbens im Zylinder zu verändern bzw. zu variieren. Die bekannten Systeme basieren auf unterschiedlichen Lösungsansätzen. So ist es beispielsweise bekannt, den Zylinderblock beweglich zu gestalten oder einen Nebenkolben für ein variables Brennraumvolumen vorzusehen. Bekannt ist auch die Verwendung von Kolben mit einer variablen Geometrie. Ferner ist es bekannt, ein exzentrisches Pleuelstangenlager oder eine variable Pleuelstangenlänge vorzusehen. Auch das Kurbelwellenlager könnte exzentrisch ausgebildet sein.
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Ein aussichtsreicher Lösungsansatz sieht vor, dass die Pleuelstange bzw. ein mit der Pleuelstange verbundenes weiteres Element, beispielsweise ein Winkelhebel, einen zweiten verstellbaren Lagerpunkt aufweist, das heißt, dass die Pleuelstange nicht nur von der Kurbelwelle gelagert wird, sondern ein weiterer bzw. zweiter Lagerpunkt ausgebildet wird. Dabei kann vorgesehen sein, dass die Pleuelstange bzw. der Winkelhebel über einen Verstellhebel mit einer Exzenterwelle verbunden ist. Wenn die Exzenterwelle rotiert, wird mittels des Verstellhebels die Position des Winkelhebels bzw. der Pleuelstange verändert, wodurch sich der Hub des mit der Pleuelstange verbundenen Kolbens in dem zugeordneten Zylinder verändern lässt und insbesondere eine Beeinflussung des oberen Totpunkts des Kolbens möglich ist. Zum diesbezüglichen Stand der Technik im Hinblick auf die Kompressionsverstellung wird auf das Dokument
"A Study of a Compression Ratio Control Mechanism for a Multiple-Link Variable Compression Ratio Engine" verwiesen, welches anlässlich der 14th Asia Pacific Automotive Engineering Conference, Hollywood, Kalifornien, USA, August 5–8, 2007 von der SAE International, 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA15096-0001, USA veröffentlicht wurde.
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Die Durchführung einer Kompressionsverstellung mit Hilfe einer Exzenterwelle, die im Wesentlichen parallel zu der Kurbelwelle verläuft, hat sich grundsätzlich als geeignet herausgestellt, allerdings hat sich die Betätigung der Exzenterwelle, die das Eingangsglied der Einrichtung darstellt, als problematisch herausgestellt. Probleme bestehen dabei im Hinblick auf den Bauraum, der im Bereich des Verbrennungsmotors typischerweise sehr begrenzt ist. Ferner sollte der mechanische Aufwand gering sein und es muss darauf geachtet werden, dass eine mögliche Rückwirkung keine Probleme verursacht bzw. auch Vibrationen und dergleichen, insbesondere auch radiale Belastungen, kompensiert werden. Es ist insbesondere auch mit hochfrequenten Drehmomentspitzen zu rechnen.
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Die Vorrichtung zur Betätigung der Exzenterwelle muss ferner geeignet sein, einen Toleranzausgleich über Temperatur und Fertigung des Kurbelwellengehäuses vorzunehmen. Ferner muss die Vorrichtung zur Betätigung der Exzenterwelle hohe Temperaturschwankungen, die in Abhängigkeit des Einsatzes des Fahrzeugs auftreten, kompensieren können. Beschränkungen bestehen zudem im Hinblick auf die Stromaufnahme.
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Von Nachteil bei der Exzenterwelle zur Kompressionsverstellung ist es insbesondere, dass die Kräfte vom Verbrennungsmotor auch auf die Exzenterwelle zurückwirken und somit auch die Vorrichtung zur Betätigung der Exzenterwelle beeinflussen. Die Betriebskräfte des Verbrennungsmotors üben wechselnde impulsartige Drehmomente auf die Exzenterwelle aus. Ferner wird die Exzenterwelle durch den Verbrennungstakt des Verbrennungsmotors verbogen. Auch diese Kräfte wirken über die Exzenterwelle auf die Vorrichtung, um diese zu betätigen, zurück. Dies macht es erforderlich sicherzustellen, dass die Betätigungsvorrichtung die entsprechenden Kräfte dauerhaft aufnehmen kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die einen geringen Bauraum aufweist, eine zuverlässige und störungsunanfällige Betätigung der Exzenterwelle ermöglicht und die zudem geeignet ist, Toleranzen und radiale Belastungen auszugleichen.
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Der vorliegenden Erfindung liegt auch die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors zu schaffen, welches Toleranzen und radiale Belastungen möglichst minimiert.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich der Vorrichtung durch Anspruch 1 gelöst.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß hinsichtlich des Verfahrens durch Anspruch 14 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors weist einen Elektromotor und ein Getriebe auf, wobei eine Eingangswelle des Getriebes mit einer Ausgangswelle des Elektromotors und ein Ausgangsglied des Getriebes mit der Exzenterwelle der Einrichtung verbunden ist.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Getriebe und der Elektromotor zu einer Aktuatoreinheit zusammengesetzt sind und die Aktuatoreinheit durch die Exzenterwelle der Einrichtung ausgerichtet und an der Exzenterwelle festgelegt ist. Erfindungsgemäß ist ferner vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit nach der Ausrichtung durch die Exzenterwelle zusätzlich an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors oder an einem drehfest mit dem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbundenen Bauteil festgelegt ist.
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Durch die direkte Montage an der Exzenterwelle und die erst anschließende Festlegung bzw. Befestigung der Aktuatoreinheit an einem Gehäuse kann das Ausgangsglied des Getriebes die Bewegungen der Exzenterwelle im Betrieb besser kompensieren, da nicht noch zusätzlich Montageabweichungen, insbesondere in radialer Richtung, ausgeglichen werden müssen.
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Ein Problem bei der Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors ist die Rückwirkung des Verbrennungsmotors auf die Einrichtung zur Betätigung der Kompressionsverstellung. Dabei ist auch mit radialen Bewegungen der Exzenterwelle zu rechnen. Die Größe der radialen Bewegungen, mit denen zu rechnen ist und die kompensiert werden müssen, werden erfindungsgemäß dadurch reduziert, dass nicht auch noch zusätzlich Montageabweichungen kompensiert werden müssen. Dadurch, dass die Aktuatoreinheit von der Exzenterwelle ausgerichtet wird, sind die Montageabweichungen minimiert im Unterschied zu einer Montage der Aktuatoreinheit derart, dass diese zunächst am Gehäuse und erst dann an der Exzenterwelle festgelegt wird.
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Selbst wenn die Exzenterwelle bei einer Montage am Gehäuse und einer anschließenden Montage an der Exzenterwelle hierbei mit Spiel gelagert ist und einen Toleranzausgleich herstellen kann, hat sich eine derartige Anordnung als nachteilig gegenüber der Ausrichtung der Aktuatoreinheit durch die Exzenterwelle herausgestellt.
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Eine Einheit aus einem Elektromotor und einem Getriebe ermöglicht es in besonders effizienter Weise die Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors zu betätigen. Dabei kann der Elektromotor die rotatorische Position der Exzenterwelle in einfacher Weise verstellen.
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Der Elektromotor kann vorzugsweise als Trockenläufer, aber auch als Nassläufer ausgebildet sein.
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Von Vorteil ist es, wenn die Mittelachse der Exzenterwelle und die Mittelachsen der Ausgangswelle bzw. des Rotors des Elektromotors, der Eingangswelle des Getriebes und des Ausgangsglieds auf derselben Achse liegen. Dadurch lassen sich eine hohe Robustheit und insbesondere auch ein hoher Wirkungsgrad erreichen.
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Die Exzenterwelle lässt sich somit schnell und effektiv in der gewünschten Weise verstellen. Durch die Rotation der Exzenterwelle lässt sich die Kompression des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft beeinflussen.
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Es kann vorgesehen sein, dass die Exzenterwelle mit wenigstens einer Pleuelstange eines Kolbens, der sich in einem Zylinder des Verbrennungsmotors bewegt, derart verbunden ist, dass sich der Hub des Kolbens im Zylinder durch eine rotatorische Bewegung der Exzenterwelle verstellen lässt.
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Durch eine Rotation der Exzenterwelle lässt sich somit der obere Totpunkt des Kolbens beeinflussen.
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Unter einer Verbindung der Exzenterwelle mit der Pleuelstange ist sowohl eine direkte als auch eine indirekte Verbindung über weitere zwischengeschaltete Teile zu verstehen, wie nachfolgend beispielhaft dargestellt ist. Es kann vorgesehen sein, dass die Exzenterwelle nicht unmittelbar mit der Pleuelstange verbunden ist, sondern mit einem oder mehreren weiteren Teilen, zum Beispiel einem Winkelhebel und/oder einem Verstellhebel, die mit der Pleuelstange verbunden sind. Die Pleuelstange kann auch einen Winkelhebel bzw. ein Winkelblech aufweisen, umfassen oder mit diesem verbunden sein, welches einerseits mit der Kurbelwelle und andererseits mit der Exzenterwelle verbunden ist. An dem Winkelblech kann dabei dann die Pleuelstange gelagert sein und sich in den Zylinder hinein erstrecken.
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Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist für die Verwendung in Verbindung mit einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung besonders geeignet, da die Vorrichtung die genannten Rückwirkungskräfte, die vom Verbrennungsmotor stammen, durch die erfindungsgemäße Anordnung bzw. die Montage deutlich verbessert aufnehmen kann.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Getriebe Ölkanäle, Ölbohrungen oder Ölführungen aufweist, die mit einem Ölkreislauf eines Gehäuses, insbesondere eines Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors, verbunden sind. Damit wird in besonders effizienter Weise eine Schmierung sichergestellt.
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Von Vorteil ist es, wenn das Ausgangsglied lösbar mit der Exzenterwelle verbunden ist. Dies ist sowohl zur Montage als auch für Kundendienstzwecke von Vorteil.
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Die Verbindung kann dabei vorzugsweise auch formschlüssig erfolgen. Zur Verbindung kann beispielsweise auch eine Hirth-Verzahnung zwischen den einander zugewandten Stirnseiten des Ausgangsglieds der Exzenterwelle vorgesehen sein.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Formschluss rotatorisch erfolgt und gegebenenfalls radial zentrierend.
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Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass das Ausgangsglied und die Exzenterwelle miteinander verschraubt sind, wobei die Schraube vorzugsweise koaxial zur Rotationsachse der beiden Teile eingeschraubt ist bzw. verläuft.
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Eine lösbare Verbindung des Ausgangsglieds mit der Exzenterwelle hat verschiedene Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Montage. Zur Montage der Aktuatoreinheit kann vorgesehen sein, dass zunächst die Exzenterwelle montiert wird, vorzugsweise dadurch, dass die Exzenterwelle an einem Gehäuse, beispielsweise an einem Kurbelgehäuse, festgelegt bzw. montiert wird. Erst anschließend wird die Aktuatoreinheit über das Ausgangsglied an die Exzenterwelle montiert. Die Exzenterwelle richtet somit die Aktuatoreinheit aus. Die Aktuatoreinheit kann bei dieser Montage gegebenenfalls zunächst radial schwimmend montiert und in der Folge erst durch die Exzenterwelle ausgerichtet werden. In der ausgerichteten Position kann dann die Aktuatoreinheit ebenfalls am Gehäuse, beispielsweise am Kurbelgehäuse bzw. am Zylinderblock oder an einem anderen Gehäusebauteil, festgelegt werden. Dieses Montagekonzept hat den Vorteil, dass montagebedingte Verspannungen zwischen der Aktuatoreinheit und der Exzenterwelle weitgehend vermieden werden.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle des Elektromotors als Hohlwelle ausgebildet ist und die Eingangswelle des Getriebes eine mit dem Freiraum der Hohlwelle fluchtende Bohrung aufweist.
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Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, zur Festlegung des Ausgangsglieds an der Exzenterwelle durch den Freiraum der Hohlwelle und die Bohrung in der Eingangswelle bedient werden kann. Somit ist eine besonders einfache Montage der Aktuatoreinheit an der Exzenterwelle möglich.
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Von Vorteil ist es, wenn ein Dichtelement zum Verschließen des Freiraums der Hohlwelle bzw. der Ausgangswelle des Elektromotors vorgesehen ist, wobei das Dichtelement vorzugsweise in die Hohlwelle einführbar ist.
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Zusätzlich zu dem Dichtelement, welches vorzugsweise als Dichtstopfen ausgebildet sein kann, kann auch noch eine Abdeckung außenseitig aufgebracht werden, um den Freiraum der Hohlwelle abzudecken.
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Von Vorteil ist es, wenn die Ausgangswelle des Elektromotors und die Eingangswelle des Getriebes einstückig ausgebildet sind.
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Ein derartiger Aufbau hat sich als besonders geeignet herausgestellt, insbesondere um eine kompakte Aktuatoreinheit zu schaffen.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass das Ausgangsglied im Verbindungsbereich mit der Exzenterwelle durch ein Stützlager gelagert ist. Dabei ist es zu bevorzugen, wenn die Schnittstelle des Ausgangsglieds, die zur Anbindung der Exzenterwelle vorgesehen ist, von dem Stützlager gelagert bzw. umgeben wird.
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Der Einsatz eines Stützlagers kann die Montage vereinfachen, erhöht jedoch die Kosten und erfordert einen zusätzlichen Bauraum. Das Stützlager kann vorzugsweise als Rollenlager oder Nadellager ausgebildet sein.
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Der Ausgleich von Radialbewegungen zwischen der Exzenterwelle und dem Ausgangsglied kann dadurch verbessert werden, dass eine radialelastische Kupplung zwischen der Exzenterwelle und dem Ausgangsglied angeordnet ist. Bei der Kupplung kann es sich beispielsweise um eine Balkkupplung, eine elastische Klauenkupplung oder eine Kreuzschlitzkupplung handeln.
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Die Erfinder haben erkannt, dass sich die Ausbildung des Getriebes als Wellgetriebe besonders eignet, die Exzenterwelle zu betätigen. Dabei kann dann die Eingangswelle des Getriebes als exzentrischer Antriebskern und das Ausgangsglied als radialflexible Abrollbuchse ausgebildet sein. Ein Wellgetriebe in Kombination mit einem Elektromotor benötigt nur einen sehr geringen Bauraum. Ferner ist der mechanische Aufbau eines Wellgetriebes in Verbindung mit einem Elektromotor, wie erfindungsgemäß beansprucht, einfach, insbesondere kann auf mechanische Bauteile, wie Stirnradstufen und Spindelantriebe, verzichtet werden. Ein besonderer Vorteil des Wellgetriebes ist im Rahmen der Erfindung zudem, dass radiale Belastungen und auch Toleranzen, die sich temperaturabhängig oder durch Toleranzen der beteiligten Bauteile ergeben, insbesondere durch die radialflexible Abrollbuchse kompensiert werden können.
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Zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse und dem exzentrischen Antriebskern kann in bekannter Weise ein flexibles Stützlager oder ein anderes Lager angeordnet sein.
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Von Vorteil ist es, wenn ein Stützring des Wellgetriebes an einem Gehäuse oder Gehäuseteil drehfest gegenüber der radialflexiblen Abrollbuchse festgelegt ist. Eine derartige Festlegung eignet sich in besonderer Weise für die erfindungsgemäße Lösung. Bei dem Gehäuse kann es sich um das Gehäuse des Wellgetriebes handeln.
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Der Stützring kann auch einstückig mit dem Gehäuseteil ausgebildet sein.
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Der grundsätzliche Aufbau von Wellgetrieben ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Im Hinblick auf den typischen Aufbau eines Wellgetriebes wird auf die
DE 10 2007 000 941 A1 , die
WO 2005/054035 A1 und die
EP 1 479 959 A2 verwiesen.
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Wellgetriebe sind ferner aus dem allgemeinen Stand der Technik im Hinblick auf deren Aufbau, Konstruktion und Funktionsweise grundsätzlich bekannt, weshalb hierauf nachfolgend nur kurz eingegangen wird. Wellgetriebe verfügen über ein im Regelfall starres, ringförmiges, im Querschnitt typischerweise kreisrundes, innenverzahntes Zahnrad, welches üblicherweise als Stützring oder als ”circular spline” bezeichnet wird. Der Stützring kann erfindungsgemäß, wie beschrieben, an einem Gehäuse oder Gehäuseteil drehfest festgelegt sein.
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Ferner weist ein Wellgetriebe ein flexibles außenverzahntes Zahnrad auf, welches typischerweise als radialflexible Abrollbuchse bzw. als ”flex spline” bezeichnet wird. Die radialflexible Abrollbuchse ist dabei im Inneren des Stützrings angeordnet. Die radialflexible Abrollbuchse kann vorzugsweise topfförmig ausgebildet sein. In die radialflexible Abrollbuchse greift ein elliptischer Wellengenerator, der typischerweise als exzentrischer Antriebskern bezeichnet wird, ein. Zwischen dem exzentrischen Antriebskern und der radialflexiblen Abrollbuchse ist ein flexibles Wälzlager angeordnet.
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Der exzentrische Antriebskern verformt das flexible Wälzlager elliptisch und das so verformte Wälzlager verformt entsprechend die radialflexible Abrollbuchse. Durch die elliptische Verformung werden die Zähne, das heißt die Außenverzahnung der radialflexiblen Abrollbuchse und die Innenverzahnung des Stützrings, miteinander in Eingriff gebracht. Der Eingriff erfolgt dabei im Regelfall nur im Bereich der Hochachse der Ellipse, während im Bereich der Niederachse der Ellipse kein Eingriff zwischen den Zähnen erfolgt.
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Ein derartiges Wellgetriebe kann bei der Erfindung Verwendung finden.
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Wellgetriebe werden im Stand der Technik, insbesondere bei Lenksystemen im Automotive-Bereich, eingesetzt, um eine Überlagerungslenkung zu schaffen. Aufgrund einer Zähnezahldifferenz zwischen dem Stützring und der radialflexiblen Abrollbuchse wird die radialflexible Abrollbuchse relativ zu dem Stützring verdreht und mit ihr beispielsweise eine drehfest verbundene Abtriebswelle des Lenksystems. Für eine derartige Verwendung sind Wellgetriebe vorgesehen und bekannt.
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Die Erfinder haben nun erkannt, dass sich ein Wellgetriebe, ohne dass es hierbei darauf ankommt, ob eine Zähnezahldifferenz besteht, zur Betätigung einer Exzenterwelle, verwendet werden kann, wobei der Vorteil insbesondere darin besteht, dass die radialflexible Abrollbuchse Toleranzen ausgleicht und radiale Bewegungen kompensieren kann.
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Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Exzenterwelle mit einem Boden der radialflexiblen Abrollbuchse verbunden ist.
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Von Vorteil ist es, wenn die Exzenterwelle mittig bzw. zentrisch auf einem Boden der radialflexiblen Abrollbuchse befestigt ist, vorzugsweise derart, dass eine Mittel- bzw. Rotationsachse der Exzenterwelle und der radialflexiblen Abrollbuchse auf einer gemeinsamen Achse liegen.
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Der Boden der radialflexiblen Abrollbuchse kann gegebenenfalls gegenüber bekannten Bauweisen verstärkt ausgebildet sein, insbesondere kann die radialflexible Abrollbuchse am Boden eine zusätzliche, einstückig mit der radialflexiblen Abrollbuchse ausgebildete Schnittstelle aufweisen. Die Schnittstelle kann allerdings auch als separates Bauteil ausgebildet und mit der radialflexiblen Abrollbuchse, insbesondere im Bereich des Bodens, mit bekannten Maßnahmen verbunden sein.
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Der Elektromotor bietet in Verbindung mit dem Getriebe vorliegend auch den Vorteil, dass ein hochübersetztes Getriebe eingesetzt werden kann, welches hohe Momente aufnimmt.
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Die Erfinder haben erkannt, dass die radialflexible Abrollbuchse ausreichend geeignet ist, Radialbewegungen der Exzenterwelle auszugleichen. Falls notwendig, können darüber hinaus jedoch auch noch geometrische Anpassungen an der radialflexiblen Abrollbuchse vorgenommen werden, so dass sich deren radiale Flexibilität weiter erhöht, beispielsweise kann hierzu ein Faltenbalg eingesetzt werden.
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Die vorstehend und auch nachfolgend bezüglich eines beliebigen Getriebes dargestellten Ausgestaltungen und Merkmale lassen sich alle entsprechend auch auf die spezifische Ausgestaltung des Getriebes als Wellgetriebe übertragen, wobei in diesem Fall das Merkmal ”Ausgangsglied” durch die radialflexible Abrollbuchse und das Merkmal ”Eingangswelle” durch den exzentrischen Antriebskern des Wellgetriebes zu ersetzen ist.
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Das Stützlager, welches optional im Verbindungsbereich zwischen der Exzenterwelle und der radialflexiblen Abrollbuchse vorgesehen sein kann, kann vorzugsweise einen Durchmesser aufweisen, der geringer ist als der Durchmesser des Bodens der radialflexiblen Abrollbuchse, so dass das Stützlager nicht radial über den Boden übersteht.
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Das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage einer Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors sieht vor, dass die Vorrichtung einen Elektromotor und ein Getriebe aufweist. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Getriebe und der Elektromotor zu einer Aktuatoreinheit zusammengesetzt werden. Ferner ist erfindungsgemäß für das Verfahren zur Montage vorgesehen, dass eine Eingangswelle des Getriebes mit einer Ausgangswelle des Elektromotors verbunden wird. Ferner wird ein Ausgangsglied des Getriebes an der Exzenterwelle derart festgelegt, dass die Aktuatoreinheit durch die bereits montierte Exzenterwelle der Einrichtung ausgerichtet wird. Ferner ist erfindungsgemäß vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit nach der Ausrichtung durch die Exzenterwelle an einem Gehäuse des Verbrennungsmotors oder an einem drehfest mit dem Gehäuse des Verbrennungsmotors verbundenen Bauteil festgelegt wird.
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Bei dem Gehäuse des Verbrennungsmotors kann es sich beispielsweise um das Kurbelgehäuse handeln.
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Alle bezüglich der erfindungsgemäßen Vorrichtung vorstehend und nachfolgend dargestellten Merkmale lassen sich analog auch auf das erfindungsgemäße Verfahren zur Montage übertragen. Erfindungsgemäß kann im Rahmen des Verfahrens insbesondere auch vorgesehen sein, dass das Getriebe als Wellgetriebe ausgebildet wird, wobei dann die Eingangswelle als exzentrischer Antriebskern und das Ausgangsglied als radialflexible Abrollbuchse ausgebildet wird.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens ist es, wie auch bei der Vorrichtung, von besonderem Vorteil, wenn die radialflexible Abrollbuchse lösbar mit der Exzenterwelle verbunden ist. Die Verbindung kann dabei vorzugsweise auch formschlüssig erfolgen. Zur Verbindung kann beispielsweise auch eine Hirth-Verzahnung zwischen dem Boden der radialflexiblen Abrollbuchse und einer Stirnseite der Exzenterwelle vorgesehen sein.
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Im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und auch der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann insbesondere ergänzend oder alternativ auch vorgesehen sein, dass die radialflexible Abrollbuchse und die Exzenterwelle miteinander verschraubt sind, wobei die Schraube vorzugsweise koaxial zur Rotationsachse der beiden Teile eingeschraubt ist bzw. verläuft.
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Die Figuren zeigen jeweils bevorzugte Ausführungsbeispiele, in denen einzelne Merkmale der vorliegenden Erfindung in Kombination miteinander dargestellt sind. Die Merkmale eines Ausführungsbeispiels sind auch losgelöst von den anderen Merkmalen des gleichen Ausführungsbeispiels umsetzbar und können dementsprechend von einem Fachmann zu weiteren sinnvollen Kombinationen mit Merkmalen anderer Ausführungsbeispiele verbunden werden.
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Es zeigt:
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1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
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2 eine Darstellung nach 1, wobei zusätzlich eine Anbindung an ein Kurbelgehäuse und eine Ölzuführung gezeigt ist;
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3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
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4 eine prinzipmäßige Darstellung eines Ausschnitts einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors, welche durch die erfindungsgemäße Vorrichtung betätigt werden kann.
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Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung einer Exzenterwelle 1 einer in 4 prinzipmäßig dargestellten Einrichtung 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zur Betätigung der Exzenterwelle 1 einen Elektromotor 3 und ein Getriebe 4 auf.
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Eine Eingangswelle 5 des Getriebes 4 ist mit einer Ausgangswelle 6 des Elektromotors 3 und ein Ausgangsglied 10 des Getriebes 4 mit der Exzenterwelle 1 der Einrichtung 2 zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors 34 verbunden.
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Im Ausführungsbeispiel ist das Getriebe 4 als Wellgetriebe ausgebildet, wobei die Eingangswelle 5 als exzentrischer Antriebskern und das Ausgangsglied 10 als radialflexible Abrollbuchse ausgebildet sind.
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Grundsätzlich kann im Rahmen des Ausführungsbeispiels ein beliebiges Getriebe eingesetzt werden. Das Ausführungsbeispiel ist so zu verstehen, dass es sich statt um ein Wellgetriebe auch um ein herkömmliches Getriebe handeln kann, wobei dann in diesem Fall die radialflexible Abrollbuchse als Ausgangsglied und der exzentrische Antriebskern als Eingangswelle des Getriebes zu verstehen ist.
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Die Ausbildung des Getriebes 4 als Wellgetriebe eignet sich für die erfindungsgemäße Vorrichtung und das erfindungsgemäße Verfahren jedoch in besonderer Weise.
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Der Aufbau von Elektromotoren 3 ist aus dem Stand der Technik hinlänglich bekannt. Ferner ist auch der grundsätzliche Aufbau und die Funktionsweise eines Wellgetriebes 4 aus dem allgemeinen Stand der Technik hinlänglich bekannt, weshalb nachfolgend auf den Elektromotor 3 und das Wellgetriebe 4 nur insoweit beschreibend eingegangen wird, wie dies für die vorliegende Erfindung spezifisch von Interesse ist.
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Der Elektromotor 3 und das Wellgetriebe 4 sind als Aktuatoreinheit 9 zusammengesetzt bzw. zusammenmontiert. Der Elektromotor 3 und das Wellgetriebe 4 stellen somit eine Baueinheit dar, die gemeinsam mit der Exzenterwelle 1 verbindbar ist.
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Der exzentrischer Antriebskern 5 des Wellgetriebes 4 ist, wie dargestellt, mit der Ausgangswelle 6 des Elektromotors 3 verbunden. Die Verbindung kann in beliebiger Art und Weise erfolgen. Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass der exzentrische Antriebskern 5 und die Ausgangswelle 6 einstückig miteinander ausgebildet sind, insbesondere kann der exzentrische Antriebskern 5 als Abschnitt der Ausgangswelle 6 des Elektromotors 3 ausgebildet sein. Die Ausgangswelle 6 entspricht im Ausführungsbeispiel dem Rotor des Elektromotors 3.
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Die Ausgangswelle 6 ist im Ausführungsbeispiel als Hohlwelle ausgebildet, wodurch innerhalb der Ausgangswelle 6 ein Freiraum 6a bzw. ein Hohlraum geschaffen ist. Der exzentrische Antriebskern 5 weist eine mit dem Freiraum 6a, der sich durch die Ausbildung der Ausgangswelle 6 als Hohlwelle ergibt, fluchtende Bohrung 5a auf. Der Freiraum 6a der Ausgangswelle 6 bzw. der Hohlwelle kann durch ein Dichtelement 7 verschlossen werden. Das Dichtelement 7 ist dabei vorzugsweise derart gestaltet, dass dieses in die Ausgangswelle 6 einführbar ist. Das Dichtelement 7 kann vorzugsweise als Dichtstopfen ausgebildet sein.
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Der Freiraum 6a und die Bohrung 5a können vorzugsweise dazu verwendet werden, ein Verbindungsglied 8, im Ausführungsbeispiel eine Schraube, einzuführen bzw. zu bedienen, um die Aktuatoreinheit 9 an die Exzenterwelle 1 zu montieren.
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Vorzugsweise wird die Aktuatoreinheit 9 an der Exzenterwelle 1 mit Hilfe einer Schraube 8 festgelegt, wobei die Längsachse der Schraube 8 mit der Rotationsachse des Elektromotors 3 vorzugsweise zusammenfällt bzw. auf einer Linie liegt.
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Die radialflexible Abrollbuchse 10 (”flex spline”) des Wellgetriebes 4 ist, wie dargestellt, mit der Exzenterwelle 1 der Einrichtung 2 verbunden.
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Vorzugsweise ist dabei, wie in den 1 und 2 dargestellt, die Exzenterwelle 1 der Einrichtung 2 mit einem Boden 11 der radialflexiblen Abrollbuchse 10 verbunden. Hierzu wird vorzugsweise das Verbindungsglied 8, insbesondere in der Ausführungsform als Schraube verwendet. Die Exzenterwelle 1 kann hierzu eine entsprechend geeignete Bohrung bzw. eine Gewindebohrung aufweisen.
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Wie in den 1 bis 3 dargestellt, kann der Boden 11 der radialflexiblen Abrollbuchse 10 verstärkt ausgebildet sein, insbesondere eine Schnittstelle 12 zur Verbindung mit der Exzenterwelle 1 aufweisen. Die Schnittstelle 12 und entsprechend die zugewandte Stirnseite der Exzenterwelle 1 kann formschlüssige Verbindungselemente aufweisen bzw. über diese verfügen. Dies ist im Ausführungsbeispiel nicht näher dargestellt. Vorgesehen sein kann insbesondere, dass die Verbindung rotatorisch formschlüssig erfolgt. Vorgesehen sein kann eine Stirnverzahnung, beispielsweise auch eine Hirth-Verzahnung zwischen dem Boden 11 der radialflexiblen Abrollbuchse 10 bzw. der optional vorgesehenen Schnittstelle 12 und der Exzenterwelle 1.
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Der Boden 11 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass sich eine stabile Verbindung der radialflexiblen Abrollbuchse 10 mit der Exzenterwelle 1 herstellen lässt.
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Die radialflexible Abrollbuchse 10 ist mit der Exzenterwelle 1 im Ausführungsbeispiel lösbar verbunden, wozu vorzugsweise das Verbindungsglied 8 bzw. die Schraube gegebenenfalls unterstützt durch eine formschlüssige Verbindung, Verwendung findet.
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Wie sich aus den 1 bis 3 ergibt, kann die Verbindung zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse 10 und der Exzenterwelle 1 selbstzentrierend erfolgen. Dies ist in den 2 und 3 dargestellt. Hierzu kann eine geeignete formschlüssige Verbindung bzw. eine Zentrierung zwischen der Exzenterwelle 1 und dem Boden 11, insbesondere der Schnittstelle 12, vorgesehen sein. Ferner kann eine selbstzentrierende Verbindung auch durch die Schraube 8 unterstützt werden.
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Ergänzend oder alternativ dazu kann, wie in 1 dargestellt, auch ein zusätzliches Stützlager 13 vorgesehen sein, welches die radialflexible Abrollbuchse 10, insbesondere den Boden 11 der radialflexiblen Abrollbuchse 10 bzw. vorzugsweise die Schnittstelle 12 lagert. Das Stützlager 13 kann vorzugsweise als Rollenlager, wie dargestellt, ausgebildet sein.
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Bei den Ausführungsformen gemäß der 2 und 3, bei denen kein Stützlager 13 gezeigt ist, ist eine zentrische Montage von Vorteil.
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Zwischen dem exzentrischen Antriebskern 5 und der radialflexiblen Abrollbuchse 10 befindet sich in bekannter Weise ein Lager 33. Das Lager ist vorzugsweise als flexibles Lager 33, insbesondere als flexibles Wälzlager ausgebildet. Der exzentrische Antriebskern 5 verformt dabei in bekannter Weise das flexible Wälzlager 33 elliptisch, wobei das so verformte Wälzlager 33 entsprechend die radialflexible Abrollbuchse 10 verformt.
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Wie aus den 1 bis 3 ferner ersichtlich ist, ist ein Stützring 14 (”circular spline”) des Wellgetriebes 4 an einem Gehäuse 15, im Ausführungsbeispiel des Wellgetriebes 4, drehfest festgelegt. Der Stützring 14 kann alternativ auch an einem anderen beliebigen Gehäuse oder Gehäuseteil festgelegt sein. Im Ausführungsbeispiel ist der Stützring 14 einstückig mit dem Gehäuse 15 ausgebildet bzw. das Gehäuse 15 weist hierzu eine geeignete Innenverzahnung auf, um den Stützring 14 auszubilden.
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Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass die Aktuatoreinheit 9 durch die bereits montierte Exzenterwelle 1 der Einrichtung 2 ausgerichtet und an der Exzenterwelle 1 festgelegt ist. Das heißt, zunächst wird die Exzenterwelle 1 festgelegt und erst anschließend wird die Aktuatoreinheit 9 montiert, und zwar derart, dass die Aktuatoreinheit 9 zunächst an der Exzenterwelle 1 festgelegt wird. Nach der Ausrichtung durch die Exzenterwelle 1 wird die Aktuatoreinheit 9 an einem Gehäuse 22 des Verbrennungsmotors 34 oder an einem drehfest mit dem Gehäuse 22 des Verbrennungsmotors 34 verbundenen Bauteil bei dem es sich auch um ein Karosseriebauteil handeln kann, festgelegt. Bei dem Gehäuse 22 kann es sich beispielsweise um ein Kurbelgehäuse, d. h. ein Gehäuse, das die Kurbelwelle aufnimmt, handeln.
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Von dem Verbrennungsmotor 34, der grundsätzlich in bekannter Weise ausgebildet sein kann, ist im Ausführungsbeispiel prinzipmäßig ein Kolben 16 dargestellt, der sich in einem strichliniert dargestellten Zylinder 17 in bekannter Weise auf und ab bewegt. Dargestellt ist in 4 ferner eine Pleuelstange 18, die in bekannter Weise mit dem Kolben 16 verbunden ist. Die Pleuelstange 18 ist an einem Winkelhebel 19 bzw. einem Winkelblech bzw. einem beliebigen Verbindungselement gelagert. Der Winkelhebel 19 ist lediglich exemplarisch dargestellt, hier sind auch andere Gestaltungen möglich und denkbar. Hierfür wird insbesondere auf den bereits beschriebenen Stand der Technik hinsichtlich der Kompressionsverstellung des Verbrennungsmotors 34 unter Zuhilfenahme einer Exzenterwelle 1 verwiesen.
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Der Winkelhebel 19 ist im Ausführungsbeispiel mit einer ebenfalls lediglich prinzipmäßig dargestellten Kurbelwelle 20 verbunden, wodurch in bekannter Weise eine Hubbewegung auf den Winkelhebel 19 und somit auf die Pleuelstange 18 und den Kolben 16 übertragen wird, um eine Bewegung des Kolbens 16 in dem Zylinder 17 zu ermöglichen. Der Winkelhebel 19 ist zusätzlich über einen Verstellhebel 21 mit der Exzenterwelle 1 verbunden. Hierzu kann der Winkelhebel 19 eine in 4 prinzipmäßig dargestellte (nicht bezeichnete) Lagerstelle mit dem Verstellhebel 21 aufweisen.
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Der Verstellhebel 21 wird durch eine Verbindung mit der Exzenterwelle 1 durch diese, aufgrund deren exzentrischen Aufbaus bzw. der exzentrischen Befestigung des Verstellhebels 21 an der Exzenterwelle 1, bewegt. Somit lässt sich der Hub des Kolbens 16 im Zylinder 17 durch eine rotatorische Bewegung der Exzenterwelle 1 verstellen. Hierzu genügt vorzugsweise eine rotatorische Bewegung der Exzenterwelle 1 um +/–90°. Die rotatorische Bewegung beträgt vorzugsweise maximal 180°.
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Im Ausführungsbeispiel erfolgt die Verbindung der Exzenterwelle 1 mit der Pleuelstange 18 über den Verstellhebel 21 und den Winkelhebel 19. Eine Verbindung kann auch gegebenenfalls unmittelbar erfolgen bzw. gegebenenfalls auch nur unter Zuhilfenahme des Verstellhebels 21 oder des Winkelhebels 19, die dann vorzugsweise direkt auf die Pleuelstange 18 einwirken. Hier sind technisch verschiedene Lösungen denkbar, um eine geeignete überlagerte Bewegung, bedingt durch die rotatorische Bewegung der Exzenterwelle, auf den Kolben 16 bzw. die Pleuelstange 18 aufzubringen.
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Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die Verstellung der Exzenterwelle 1 mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Aktuatoreinheit 9.
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Die Kurbelwelle 20 ist mit weiteren Komponenten im Regelfall in dem bereits erwähnten Kurbelgehäuse 22 untergebracht, welches in 4 lediglich strichliniert und schematisch dargestellt ist. Eine mögliche Anbindung der Aktuatoreinheit 9 an das Kurbelgehäuse 22 ist in 2 dargestellt.
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Im Ausführungsbeispiel ist vorgesehen, dass das Wellgetriebe 4 in den Ölkreislauf des Kurbelgehäuses 22 integriert bzw. mit diesem verbunden ist. In 2 ist die Verbindung mit dem nicht dargestellten Ölkreislauf des Kurbelgehäuses 22 durch eine Ölzuführung 23 dargestellt.
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Die Ölzuführung 23 kann dabei beliebig gestaltet sein.
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Die Ölführungen in dem Wellgetriebe 4 können in geeigneter Weise gestaltet sein. Im Ausführungsbeispiel ist eine besonders vorteilhafte Ölverteilung und Ölleitung insbesondere anhand der 2 dargestellt. Dies kann auch in den 1 und 3 entsprechend analog und gegebenenfalls modifiziert realisiert werden.
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2 zeigt, dass das Öl von der Ölzuführung 23 in einen ersten Ringkanal 24 gelangt. Radial innerhalb des ersten Ringkanals 24 befindet sich dabei ein ringförmig umlaufendes Filterelement 25, bei dem es sich vorzugsweise um einen Sintermetallfilter oder ein Metallgestrick handelt. Durch das ringförmige Filterelement 25 gelangt das Öl zu einem zweiten Ringkanal 26 und von dort in eine Drosselbohrung 27, um den Ölstrom zu drosseln. Von der Drosselbohrung 27 gelangt das Öl in das Innere des Wellgetriebes 4, um dieses dort zu schmieren. Die Ringkanäle 24, 26 und das Filterelement 25 vermeiden in vorteilhafter Weise Verunreinigungen. Durch die Ringanordnung wird eine größere Oberfläche für das Filterelement 25 geschaffen, womit erreicht wird, dass das Filterelement 25 das Öl vorzugsweise möglichst wenig drosselt.
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Vorgesehen sein kann ferner eine nicht näher dargestellte Ölablaufbohrung, um den Kreislauf zu schließen bzw. das Öl in das Kurbelgehäuse 22 zurückzuführen.
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In 2 ist ferner ein Wellendichtring bzw. eine Motorabdichtung 28 dargestellt, um den Elektromotor 3 trocken zu halten und eine vorteilhafte Ausbildung des Elektromotors 3 als Trockenläufer zu ermöglichen.
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In der 3 ist prinzipmäßig eine Alternative zu dem Wellendichtring 28 durch eine Labyrinth-Dichtung bzw. eine berührungslose Dichtung dargestellt. Die Labyrinth-Dichtung kann vorzugsweise wie folgt aufgebaut sein. Vorgesehen ist vorzugsweise ein erster innerer Ringkanal 29 und ein zweiter innerer Ringkanal 30. Die inneren Ringkanäle 29, 30 können dabei Ablaufrillen 31 aufweisen. Gezeigt sind in der 3 ferner Ablaufbohrungen 32 für die beiden Ringkanäle 29, 30. Die in 3 gezeigte Alternative kann bei 2 die Motorabdichtung 28 ersetzen.
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Die durch die Ringkanäle geschaffene Labyrinth-Dichtung reduziert, verglichen mit der Motorabdichtung, die Reibung, wodurch der Verlust an Motorleistung erheblich geringer ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Exzenterwelle,
- 2
- Einrichtung
- 3
- Elektromotor
- 4
- Getriebe, Wellgetriebe
- 5
- Eingangswelle des Getriebes, exzentrischer Antriebskern
- 5a
- Bohrung der Eingangswelle bzw. des exzentrischen Antriebskerns
- 6
- Ausgangswelle des Elektromotors
- 6a
- Freiraum der Ausgangswelle
- 7
- Dichtelement, Dichtstopfen
- 8
- Verbindungsglied, Schraube
- 9
- Aktuatoreinheit
- 10
- Ausgangsglied des Getriebes, radialflexible Abrollbuchse
- 11
- Boden der radialflexiblen Abrollbuchse
- 12
- Schnittstelle
- 13
- Stützlager
- 14
- Stützring
- 15
- Gehäuse
- 16
- Kolben
- 17
- Zylinder
- 18
- Pleuelstange
- 19
- Winkelhebel
- 20
- Kurbelwelle
- 21
- Verstellhebel
- 22
- Kurbelgehäuse
- 23
- Ölzuführung
- 24
- erster Ringkanal
- 25
- ringförmig umlaufendes Filterelement
- 26
- zweiter Ringkanal
- 27
- Drosselbohrung
- 28
- Welldichtring
- 29
- erster innerer Ringkanal
- 30
- zweiter innerer Ringkanal
- 31
- Ablaufrille
- 32
- Ablaufbohrung
- 33
- flexibles Lager, Wälzlager
- 34
- Verbrennungsmotor
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102007000941 A1 [0044]
- WO 2005/054035 A1 [0044]
- EP 1479959 A2 [0044]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- ”A Study of a Compression Ratio Control Mechanism for a Multiple-Link Variable Compression Ratio Engine” verwiesen, welches anlässlich der 14th Asia Pacific Automotive Engineering Conference, Hollywood, Kalifornien, USA, August 5–8, 2007 von der SAE International, 400 Commonwealth Drive, Warrendale, PA15096-0001, USA [0004]
- ”A Study of a Compression Ratio Control Mechanism for a Multiple-Link Variable Compression Ratio Engine” [0095]
