DE102016108876A1

DE102016108876A1 - Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds

Info

Publication number: DE102016108876A1
Application number: DE102016108876.5A
Authority: DE
Inventors: Arthur Rupp; Andreas Kruttschnitt; Jürgen Hörsch
Original assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Current assignee: Robert Bosch Automotive Steering GmbH
Priority date: 2016-05-13
Filing date: 2016-05-13
Publication date: 2017-11-16

Abstract

De Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds (1) einer Einrichtung (2). Vorgesehen ist ein Elektromotor (3) und ein Wellgetriebe (4). Ein exzentrischer Antriebskern (5) des Wellgetriebes (4) ist mit einer Ausgangswelle (6) des Elektromotors (3) verbunden. Eine radialflexible Abrollbuchse (10) des Wellgetriebes (4) ist mit dem Eingangsglied (1) der Einrichtung (2) verbunden.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds einer Einrichtung.
Aus dem Stand der Technik sind vielfältige Einrichtungen mit einem Eingangsglied bekannt, bei dessen Betätigung oftmals spezifische Anforderungen erfüllt werden müssen oder Besonderheiten zu berücksichtigen sind. Insbesondere im Automotive-Bereich besteht häufig das Problem, dass zur Betätigung eines Eingangsglieds einer Einrichtung nur ein geringer Bauraum zur Verfügung steht und ferner Rückwirkungskräfte und Vibrationen berücksichtigt werden müssen. Letztlich sind auch Maßnahmen zu treffen, um eine dauerhafte Funktionsfähigkeit, insbesondere von kritischen Komponenten sicherzustellen.
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.
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.
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.
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. Insbesondere ist mit hochfrequenten Drehmomentspitzen zu rechnen.
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.
Von Nachteil bei der Exzenterwelle zur Kompensationsverstellung 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.
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds einer Einrichtung zu schaffen, die einen geringen Bauraum aufweist, eine zuverlässige und störungsunanfällige Betätigung des Eingangsglieds ermöglicht und die zudem geeignet ist, Toleranzen und radiale Belastungen auszugleichen.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch Anspruch 1 gelöst.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds einer Einrichtung weist einen Elektromotor und ein Wellgetriebe auf, wobei ein exzentrischer Antriebskern des Wellgetriebes mit einer Ausgangswelle des Elektromotors und eine radialflexible Abrollbuchse des Wellgetriebes mit dem Eingangsglied der Einrichtung verbunden ist.
Die Erfinder haben erkannt, dass eine Vorrichtung mit einem Elektromotor und einem Wellgetriebe besonders geeignet ist, ein Eingangsglied einer Einrichtung zu betätigen. Ein Wellgetriebe weist hierfür besondere Vorteile auf. 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 radial flexible Abrollbuchse kompensiert werden können.
Eine Einheit aus einem Elektromotor und einem Wellgetriebe ermöglicht es in besonders effizienter Weise, ein Eingangsglied der Einrichtung zu betätigen.
Bei dem Eingangsglied kann es sich vorzugsweise um eine Eingangswelle, insbesondere eine Exzenterwelle handeln. Dabei kann der Elektromotor die rotatorische Position der Eingangswelle bzw. der Exzenterwelle in einfacher Weise verstellen.
Von Vorteil ist es dabei, wenn die Mittelachse der Eingangswelle bzw. der Exzenterwelle und die Mittelachsen der Ausgangswelle bzw. des Rotors des Elektromotors, des exzentrischen Antriebskerns des Wellgetriebes und der radialflexiblen Abrollbuchse auf derselben Achse liegen. Dadurch lassen sich eine hohe Robustheit und insbesondere auch ein hoher Wirkungsgrad erreichen.
Die Eingangswelle bzw. die Exzenterwelle lässt sich somit schnell und effektiv in der gewünschten Weise verstellen.
Insofern die erfindungsgemäße Einrichtung als Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist, lässt sich die Kompression des Verbrennungsmotors besonders vorteilhaft durch eine Rotation der Exzenterwelle beeinflussen.
Dabei 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.
Durch eine Rotation der Exzenterwelle lässt sich somit der obere Totpunkt des Kolbens beeinflussen.
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.
Die erfindungsgemäße Lösung ist für die Verwendung in Verbindung mit einer Einrichtung zur Kompressionsverstellung besonders geeignet, da die Vorrichtung die genannten Rückwirkungskräfte, die vom Verbrennungsmotor stammen, kompensieren kann.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wellgetriebe Ölkanäle, Ölbohrungen oder Ölführungen aufweist, die mit einem Ölkreislauf eines Kurbelgehäuses des Verbrennungsmotors verbunden sind. Damit wird in besonders effizienter Weise eine Schmierung sichergestellt.
Zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse und dem exzentrischen Antriebskern kann in bekannter Weise ein flexibles Stützlager oder ein anderes Lager angeordnet sein.
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.
Der Stützring kann auch einstückig mit dem Gehäuseteil ausgebildet sein.
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.
Wellgetriebe sind 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.
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. 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.
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.
Ein derartiges Wellgetriebe kann bei der Erfindung Verwendung finden.
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.
Die Erfinder haben nun erkannt, dass sich ein Wellgetriebe, ohne dass es hierbei darauf ankommt, ob eine Zähnezahldifferenz besteht, zur Betätigung eines Eingangsglieds, insbesondere einer Exzenterwelle, verwendet werden kann, wobei der Vorteil insbesondere darin besteht, dass die radialflexible Abrollbuchse Toleranzen ausgleicht und radiale Bewegungen kompensieren kann.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Eingangsglied mit einem Boden der radialflexiblen Abrollbuchse verbunden ist.
Von Vorteil ist es, wenn das Eingangsglied, insbesondere in einer Ausgestaltung als Eingangswelle oder Exzenterwelle mittig bzw. zentrisch auf einem Boden der radialflexiblen Abrollbuchse befestigt ist, vorzugsweise derart, dass eine Mittel- bzw. Rotationsachse der Eingangswelle und der Exzenterwelle und der radialflexiblen Abrollbuchse auf einer gemeinsamen Achse liegen.
Von Vorteil ist es, wenn die radialflexible Abrollbuchse lösbar mit dem Eingangsglied verbunden ist. Dies ist sowohl zur Montage als auch für Kundendienstzwecke von Vorteil.
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 des Eingangsglieds bzw. der Eingangswelle bzw. der Exzenterwelle vorgesehen sein.
Erfindungsgemäß kann auch vorgesehen sein, dass die radialflexible Abrollbuchse und das Eingangsglied miteinander verschraubt sind, wobei die Schraube vorzugsweise koaxial zur Rotationsachse der beiden Teile eingeschraubt ist bzw. verläuft.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass der Formschluss rotatorisch erfolgt und gegebenenfalls radial zentrierend.
Von Vorteil ist es, wenn die radialflexible Abrollbuchse rotatorisch formschlüssig mit dem Eingangsglied verbunden ist.
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.
Eine lösbare Verbindung der radialflexiblen Abrollbuchse mit dem Eingangsglied hat verschiedene Vorteile, insbesondere im Hinblick auf die Montage. Vorzugsweise kann zur Montage vorgesehen sein, dass der Elektromotor und das Wellgetriebe eine Baueinheit bilden, die nachfolgend als Aktuatoreinheit bezeichnet wird. Zur Montage der Vorrichtung kann dabei vorgesehen sein, dass zunächst das Eingangsglied bzw. die Eingangswelle, insbesondere die Exzenterwelle, an einem Gehäuse, beispielsweise an einem Kurbelgehäuse, festgelegt bzw. montiert wird. Erst anschließend wird die Aktuatoreinheit über die radialflexible Abrollbuchse 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 wird dann die Aktuatoreinheit ebenfalls am Gehäuse, beispielsweise am Kurbelgehäuse bzw. am Zylinderblock oder an einem anderen Gehäusebauteil, festgelegt. Dieses Montagekonzept hat den Vorteil, dass Verspannungen zwischen der Aktuatoreinheit und der Exzenterwelle (oder allgemein dem Eingangsglied) weitgehend vermieden werden.
Im Rahmen der Erfindung ist es von Vorteil, wenn das Wellgetriebe und der Elektromotor zu einer Aktuatoreinheit zusammensetzbar sind. Ferner ist es von Vorteil, wenn die Aktuatoreinheit durch das bereits montierte Eingangsglied der Einrichtung ausgerichtet und an diesem festgelegt ist. Durch die direkte Montage an dem Eingangsglied kann die radialflexible Abrollbuchse die Bewegungen im Betrieb besser kompensieren, ohne noch zusätzlich Montageabweichungen ausgleichen zu müssen.
Alternativ kann auch vorgesehen sein, dass die Aktuatoreinheit die Exzenterwelle ausrichtet. Hierzu kann die Exzenterwelle vorzugsweise im Kurbelgehäuse mit radialem Spiel gelagert sein. Die Aktuatoreinheit wird bei der Montage dann am Kurbelgehäuse bzw. am Zylinderblock zentriert und festgelegt und erst anschließend mit der Exzenterwelle verbunden, um diese dann auszurichten. Hierzu kann beispielsweise auch ein Rollenlager Verwendung finden.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass die Ausgangswelle des Elektromotors als Hohlwelle ausgebildet ist und der exzentrische Antriebskern eine mit dem Freiraum der Hohlwelle fluchtende Bohrung aufweist.
Diese Lösung hat den Vorteil, dass eine Verbindung, insbesondere eine Schraubverbindung, zur Festlegung der radial flexiblen Abrollbuchse an dem Eingangsglied durch den Freiraum der Hohlwelle und die Bohrung in dem exzentrischen Antriebskern bedient werden kann. Somit ist eine besonders einfache Montage der Aktuatoreinheit an dem Eingangsglied, insbesondere der Exzenterwelle, möglich.
Von Vorteil ist es, wenn ein Dichtelement zum Verschließen des Freiraums der Hohlwelle bzw. der Ausgangswelle vorgesehen ist, wobei das Dichtelement in die Hohlwelle einführbar ist.
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.
Von Vorteil ist es, wenn die Ausgangswelle des Elektromotors und der exzentrische Antriebskern einstückig ausgebildet sind.
Ein derartiger Aufbau hat sich als besonders geeignet herausgestellt, insbesondere um eine kompakte Aktuatoreinheit zu schaffen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung kann vorgesehen sein, dass die radial flexible Abrollbuchse im Verbindungsbereich mit dem Eingangsglied durch ein Stützlager gelagert ist. Dabei ist es zu bevorzugen, wenn die Schnittstelle der radialflexiblen Abrollbuchse, die zur Anbindung des Eingangsglieds vorgesehen ist, von dem Stützlager gelagert bzw. umgeben wird. Das Stützlager kann dabei 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.
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.
Erfindungsgemäß kann vorgesehen sein, dass das Wellgetriebe Ölführungen, zum Beispiel Ölkanäle, aufweist, die mit einem Ölkreislauf eines Kurbelgehäuses eines Verbrennungsmotors verbunden sind. Dadurch wird in einfacher Weise eine zuverlässige Schmierung des Wellgetriebes sichergestellt.
Der Elektromotor kann vorzugsweise als Trockenläufer, aber auch als Nassläufer ausgebildet sein.
Der Elektromotor bietet in Verbindung mit dem Wellgetriebe vorliegend auch den Vorteil, dass ein hochübersetztes Getriebe eingesetzt werden kann, welches hohe Momente aufnimmt.
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.
Der Ausgleich von Radialbewegungen zwischen der Exzenterwelle und der radialflexiblen Abrollbuchse kann zudem dadurch weiter verbessert werden, dass eine radialelastische Kupplung zwischen der Exzenterwelle und der radialflexiblen Abrollbuchse angeordnet ist. Bei der Kupplung kann es sich beispielsweise um eine Balkkupplung, eine elastische Klauenkupplung oder eine Kreuzschlitzkupplung handeln.
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.
Es zeigt:
1 einen Querschnitt durch die erfindungsgemäße Vorrichtung in einer ersten Ausführungsform;
2 eine Darstellung nach 1, wobei zusätzlich eine Anbindung an ein Kurbelgehäuse und eine Ölzuführung gezeigt ist;
3 einen Schnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung in einer zweiten Ausführungsform; und
4 eine prinzipmäßige Darstellung eines Ausschnitts einer Einrichtung, welche durch die erfindungsgemäße Vorrichtung betätigt werden kann, wobei die Einrichtung als Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
Die 1 bis 3 zeigen eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds 1 einer in 4 prinzipmäßig dargestellten Einrichtung 2. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zur Betätigung des Eingangsglieds 1 einen Elektromotor 3 und ein Wellgetriebe 4 auf.
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.
Der Elektromotor 3 und das Wellgetriebe 4 sind im Ausführungsbeispiel als Aktuatoreinheit 9 zusammengesetzt bzw. zusammenmontiert. Vorzugsweise stellt der Elektromotor 3 und das Wellgetriebe 4 somit eine Baueinheit dar, die gemeinsam mit dem Eingangsglied 1 verbindbar ist.
Erfindungsgemäß ist ein exzentrischer Antriebskern 5 des Wellgetriebes 4 mit einer 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.
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.
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 das Eingangsglied 1 zu montieren.
Vorzugsweise wird die Aktuatoreinheit 9 an dem Eingangsglied 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.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass eine radialflexible Abrollbuchse 10 (”flex spline”) des Wellgetriebes 4 mit dem Eingangsglied 1 der Einrichtung 2 verbunden ist.
Vorzugsweise ist dabei, wie in den 1 und 2 dargestellt, das Eingangsglied 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. Das Eingangsglied 1 kann hierzu eine entsprechend geeignete Bohrung bzw. eine Gewindebohrung aufweisen.
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 dem Eingangsglied 1 aufweisen. Die Schnittstelle 12 und entsprechend die zugewandte Stirnseite des Eingangsglieds 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 dem Eingangsglied 1.
Der Boden 11 ist vorzugsweise derart gestaltet, dass sich eine stabile Verbindung der radialflexiblen Abrollbuchse 10 mit dem Eingangsglied 1 herstellen lässt.
Die radialflexible Abrollbuchse 10 ist mit dem Eingangsglied 1 im Ausführungsbeispiel lösbar verbunden, wozu vorzugsweise das Verbindungsglied 8 bzw. die Schraube gegebenenfalls unterstützt durch eine formschlüssige Verbindung, Verwendung findet.
Wie sich aus den 1 bis 3 ergibt, kann die Verbindung zwischen der radialflexiblen Abrollbuchse 10 und dem Eingangsglied 1 selbstzentrierend erfolgen. Dies ist in den 2 und 3 dargestellt. Hierzu kann eine geeignete formschlüssige Verbindung bzw. eine Zentrierung zwischen dem Eingangsglied 1 und dem Boden 11, insbesondere der Schnittstelle 12, vorgesehen sein. Ferner kann eine selbstzentrierende Verbindung auch durch die Schraube 8 unterstützt werden.
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.
Bei den Ausführungsformen gemäß der 2 und 3, bei denen kein Stützlager 13 gezeigt ist, ist eine zentrische Montage von Vorteil.
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.
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.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann zur Bedienung eines Eingangsglieds 1 einer beliebigen Einrichtung 2 Verwendung finden. Das Ausführungsbeispiel ist dabei auch derart zu verstehen, dass die dort offenbarten Merkmale bei einem beliebigen Eingangsglied 1 und einer beliebigen Einrichtung 2 Verwendung finden können.
Es kann sich bei dem Eingangsglied insbesondere um eine beliebige Eingangswelle 1 einer beliebigen Einrichtung 2 handeln. Dabei kann der Elektromotor 3 über das Wellgetriebe 4 die rotatorische Position der Eingangswelle 1 stellen.
Im Ausführungsbeispiel ist das Eingangsglied 1, wie insbesondere aus 4 ersichtlich ist, als Exzenterwelle ausgebildet. Vorzugsweise ist dabei, wie ebenfalls in 4 dargestellt, die Einrichtung 2 als Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors ausgebildet.
Von dem Verbrennungsmotor, 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 eines Verbrennungsmotors unter Zuhilfenahme einer Exzenterwelle verwiesen.
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.
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°.
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.
Verschiedene Möglichkeiten, dies zu erreichen, sind aus dem Stand der Technik, insbesondere dem bereits zitierten Dokument ”A Study of a Compression Ratio Control Mechanism for a Multiple-Link Variable Compression Ratio Engine” bekannt.
Für die vorliegende Erfindung wesentlich ist die Verstellung der Exzenterwelle 1 mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung bzw. der Aktuatoreinheit 9.
Die Kurbelwelle 20 ist mit weiteren Komponenten im Regelfall in einem 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.
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.
Die Ölzuführung 23 kann dabei beliebig gestaltet sein.
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.
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.
Vorgesehen sein kann ferner eine nicht näher dargestellte Ölablaufbohrung, um den Kreislauf zu schließen bzw. das Öl in das Kurbelgehäuse 22 zurückzuführen.
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.
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.
Die durch die Ringkanäle geschaffene Labyrinth-Dichtung reduziert, verglichen mit der Motorabdichtung, die Reibung, wodurch der Verlust an Motorleistung erheblich geringer ist.
Bezugszeichenliste

1: Eingangsglied, Exzenterwelle
2: Einrichtung
3: Elektromotor
4: Wellgetriebe
5: exzentrischer Antriebskern
5a: Bohrung des exzentrischen Antriebskerns
6: Ausgangswelle des Elektromotors
6a: Freiraum der Ausgangswelle
7: Dichtelement, Dichtstopfen
8: Verbindungsglied, Schraube
9: Aktuatoreinheit
10: 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

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 102007000941 A1 [0026]
WO 2005/054035 A1 [0026]
EP 1479959 A2 [0026]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

”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 [0005]
A Study of a Compression Ratio Control Mechanism for a Multiple-Link Variable Compression Ratio Engine [0088]

Claims

Vorrichtung zur Betätigung eines Eingangsglieds (1) einer Einrichtung (2), mit einem Elektromotor (3) und einem Wellgetriebe (4), wobei ein exzentrischer Antriebskern (5) des Wellgetriebes (4) mit einer Ausgangswelle (6) des Elektromotors (3) und eine radialflexible Abrollbuchse (10) des Wellgetriebes (4) mit dem Eingangsglied (1) der Einrichtung (2) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied (1) mit einem Boden (11) der radialflexiblen Abrollbuchse (10) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stützring (14) des Wellgetriebes (4) an einem Gehäuse (15) oder einem Gehäuseteil drehfest gegenüber der radialflexiblen Abrollbuchse (10) festgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die radialflexible Abrollbuchse (10) lösbar mit dem Eingangsglied (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die radialflexible Abrollbuchse (10) rotatorisch formschlüssig mit dem Eingangsglied (1) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (6) des Elektromotors (3) als Hohlwelle ausgebildet ist und der exzentrische Antriebskern (5) eine mit einem Freiraum (6a) der Ausgangswelle (6) fluchtende Bohrung (5a) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Dichtelement (7) zum Verschließen des Freiraums (6a) der Ausgangswelle (6) vorgesehen ist, wobei das Dichtelement (7) in die Ausgangswelle (6) einführbar ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgangswelle (6) des Elektromotors (3) und der exzentrische Antriebskern (5) einstückig ausgebildet sind.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (4) und der Elektromotor (3) zu einer Aktuatoreinheit (9) zusammensetzbar sind und die Aktuatoreinheit (9) durch das bereits montierte Eingangsglied (1) der Einrichtung (2) ausgerichtet und an dem Eingangsglied (1) festgelegt ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die radialflexible Abrollbuchse (10) im Verbindungsbereich mit dem Eingangsglied (1) durch ein Stützlager (13) gelagert ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Eingangsglied als Eingangswelle (1) ausgebildet ist und der Elektromotor (3) die rotatorische Position der Eingangswelle (1) stellt.
Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Eingangswelle als Exzenterwelle (1) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Einrichtung (2) als Einrichtung zur Kompressionsverstellung eines Verbrennungsmotors ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (4) Ölführungen aufweist, die mit einem Ölkreislauf eines Kurbelgehäuses (22) des Verbrennungsmotors verbunden sind.
Vorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Exzenterwelle (1) mit wenigstens einer Pleuelstange (18) eines Kolbens (16), der sich in einem Zylinder (17) des Verbrennungsmotors bewegt, derart verbunden ist, dass sich der Hub des Kolbens (16) im Zylinder (17) durch eine rotatorische Bewegung der Exzenterwelle (1) verstellen lässt.