DE102016210865A1

DE102016210865A1 - Stellvorrichtung

Info

Publication number: DE102016210865A1
Application number: DE102016210865.4A
Authority: DE
Inventors: Bastian Hain; Tobias Preuss; Michael Keck
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-06-17
Filing date: 2016-06-17
Publication date: 2017-12-21

Abstract

Eine Stellvorrichtung (1), insbesondere zur Verstellung einer Exzenterwelle in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, umfasst ein Stellgetriebe (2) mit einer Ausgangswelle (3), sowie eine mit der Ausgangswelle (3) zusammenwirkende Exzenterwelle (4), wobei die Exzenterwelle (4) mit der Ausgangswelle (3) über eine lösbare formschlüssige Kupplung (6), insbesondere Klauenkupplung, verbunden ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine insbesondere für eine Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors geeignete Stellvorrichtung, welche ein Stellgetriebe mit einer Ausgangswelle und eine mit der Ausgangswelle zusammenwirkende Exzenterwelle umfasst.
Eine Einstellvorrichtung zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine ist zum Beispiel in der DE 10 2009 000 772 A1 offenbart. Mit Hilfe dieser Einstellvorrichtung kann die wirksame Pleuellänge in der Hubkolbenverbrennungsmaschine durch Verdrehen einer Exzenterwelle verändert werden. Zum Antreiben der Exzenterwelle der bekannten Einstellvorrichtung ist ein Linearmotor vorgesehen. Der Linearmotor wirkt über eine Zahnstange mit der Exzenterwelle zusammen.
Aus der DE 10 2011 116 952 A1 ist ein Mehrgelenkskurbeltrieb einer Brennkraftmaschine bekannt, welcher ebenfalls eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine ermöglicht. Zum Verstellen einer Exzenterwelle ist in diesem Fall ein Schneckengetriebe vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Stellvorrichtung, welche zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors nutzbar ist, gegenüber dem genannten Stand der Technik hinsichtlich eines besonders kompakten und montagefreundlichen Aufbaus weiterzuentwickeln, wobei zugleich eine hohe Drehmomentübertragungskapazität gegeben sein soll.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Diese Stellvorrichtung umfasst ein Stellgetriebe, insbesondere Untersetzungsgetriebe, wobei eine Ausgangswelle des Stellgetriebes mit einer Exzenterwelle zusammenwirkt. Eine formschlüssige Kupplung verbindet die Exzenterwelle lösbar mit der Ausgangswelle des Stellgetriebes.
Die formschlüssige Kupplung, über welche das Drehmoment der Ausgangswelle in die Exzenterwelle einleitbar ist, ermöglicht eine besonders einfache Ankopplung des Stellgetriebes an die zu verstellende Welle, das heißt Exzenterwelle, wobei Verbindungsformen wie Verschraubungen nicht erforderlich sind, um die Betriebsbereitschaft der Stellvorrichtung herzustellen. Besonders vorteilhaft ist die Tatsache, dass aufgrund der formschlüssigen Kupplung das Stellgetriebe als Komponente eines kompakten, einteiligen Aktors realisierbar ist, welcher keine zentrale Schraubendurchführung aufweist.
Hinsichtlich der geometrischen Gestaltung der formschlüssigen Kupplung existieren zahlreiche Gestaltungsmöglichkeiten. Beispielsweise kann die formschlüssige Kupplung als Keilwellenkupplung ausgebildet sein. Prinzipiell mögliche Gestaltungen von Keilwellenkupplungen sind zum Beispiel in der DE 30 22 958 A1 beschrieben. Zur Übertragung eines Drehmomentes geeignete Kopplungen zwischen verschiedenen verzahnten Bauteilen innerhalb einer Nockenwellenverstelleinheit sind zum Beispiel in der DE 10 2011 086 236 A1 offenbart.
Gemäß einer alternativen Ausgestaltung ist eines der Kupplungsteile der formschlüssigen Kupplung als Gleichdickprofil konturiert. Ein Gleichdick ist eine zweidimensionale geometrische Form, an die auf verschiedene Arten zwei zueinander parallele Geraden angelegt werden können, wobei unabhängig davon, wie diese Geraden das Gleichdick tangieren, stets ein gleichbleibender Abstand zwischen den Geraden gegeben ist. Ein einfach gestaltetes Gleichdick weist die Grundform eines Dreiecks mit abgerundeten Seiten auf. In Abwandlung der geometrisch idealen Form eines Gleichdicks können beim Kupplungsteil der formschlüssigen Kupplung die Ecken des Gleichdicks abgerundet sein.
Ebenso kann das Kupplungsteil der formschlüssigen Kupplung als sonstiges Unrundprofil gestaltet sein, welches eine Drehmomentübertragung ermöglicht. Insbesondere kann es sich hierbei um ein Unrundprofil mit rechteckiger, insbesondere quadratischer, Grundform handeln.
Unabhängig von den Querschnittsgeometrien der Kupplungsteile der formschlüssigen Kupplung ist diese vorzugsweise derart gestaltet, dass die beiden Kupplungsteile gegeneinander verschiebbar sind. Dies ermöglicht insbesondere einen Toleranzausgleich, welcher besonders in der Serienfertigung der Stellvorrichtung von Bedeutung ist. Ebenso werden durch die Verschiebbarkeit der beiden Kupplungsteile zueinander thermisch bedingte oder durch mechanische Belastungen bedingte geometrische Änderungen beim Betrieb der Stellvorrichtung ausgeglichen.
Beim Stellgetriebe handelt es sich vorzugsweise um ein hochuntersetztes Getriebe, welche beispielsweise als Wellgetriebe ausgeführt ist. Ein Wellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem deformierbaren Getriebeelement. Dieses ist beispielsweise direkt oder über ein Zwischenelement mit der Ausgangswelle des Stellgetriebes verbunden.
Hinsichtlich möglicher Bauformen von Wellgetrieben wird beispielhaft auf die Dokumente DE 10 2004 009 128 A1 , DE 10 2013 220 220 A1 und DE 10 2014 202 060 A1 hingewiesen. Diese bekannten Wellgetriebe sind als Komponenten von elektrischen Nockenwellenverstellern vorgesehen.
Die Betätigung des Stellgetriebes erfolgt vorzugsweise mit Hilfe eines Elektromotors, welcher mit dem Stellgetriebe zu einer baulichen Einheit zusammengefasst sein kann. Prinzipiell ist auch eine sonstige, beispielsweise hydraulische, Betätigung des Stellgetriebes möglich. In jedem Fall ist der Stellmotor, beispielsweise Elektromotor oder Hydraulikmotor, vorzugsweise koaxial zur Exzenterwelle angeordnet.
Die Vorteile der die formschlüssige Kupplung umfassenden Stellvorrichtung kommen insbesondere bei Anwendungen in der Kraftfahrzeugtechnik mit beengten Einbauverhältnissen zum Tragen. Mit der durch das Stellgetriebe verstellbaren Exzenterwelle ist beispielsweise ein Kurbeltrieb eines Hubkolbenmotors gekoppelt, welcher eine Verstellung des Verdichtungsverhältnisses ermöglicht.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 ein erstes Ausführungsbeispiel einer für eine Stellvorrichtung geeigneten formschlüssigen Kupplung,
2 eine Schnittdarstellung der formschlüssigen Kupplung nach 1,
3 ein weiteres Ausführungsbeispiel einer formschlüssigen Kupplung,
4 geometrische Details eines Kupplungsteils der formschlüssigen Kupplung nach 3
5 und 6 weitere Gestaltungsmöglichkeiten von formschlüssigen Kupplungen
7 eine Stellvorrichtung mit formschlüssiger Kupplung in schematisierter Darstellung.
In 7 ist der prinzipielle Aufbau einer Stellvorrichtung 1 skizziert, mit welcher das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine, nämlich eines Hubkolbenmotors, verstellt werden kann. Hinsichtlich der grundsätzlichen Funktion der Stellvorrichtung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. Die Stellvorrichtung 1 umfasst eine formschlüssige Kupplung 6, welche eine der in den 1 bis 6 gezeigten Gestaltungen aufweisen kann.
Ein Stellgetriebe 2 der Stellvorrichtung 1 nach 7 weist eine Ausgangswelle 3 auf, die drehfest mit einer Exzenterwelle 4 gekoppelt ist. An der Exzenterwelle 4 ist ein Nebenpleuel 5 schwenkbar angelenkt, welches mit weiteren Elementen eines Kurbeltriebs zusammenwirkt, die die Verstellung des Verdichtungsverhältnisses des Hubkolbenmotors ermöglichen. Zwischen die Ausgangswelle 3 und die Exzenterwelle 4 ist eine lösbare Kupplung, nämlich eine formschlüssige Kupplung 6, geschaltet.
Die formschlüssige Kupplung 6 wird bei der Montage der Stellvorrichtung 1 geschlossen und bleibt während des gesamten bestimmungsgemäßen Betriebs der Brennkraftmaschine im geschlossenen Zustand. Eine Verstellwelle 8, über die Drehmoment in das Stellgetriebe 2 eingeleitet wird, wird von einem Elektromotor 7 angetrieben. Hierbei kann die Motorwelle des Elektromotors 7 mit der Verstellwelle 8 des Stellgetriebes 2 identisch sein. Ebenso können die Motorwelle des Elektromotors 7 und die Verstellwelle 8 entweder starr oder über ein Ausgleichselement flexibel miteinander gekoppelt sein. In nicht dargestellter Weise können das Stellgetriebe 2 und der Elektromotor 7 in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet und damit als Getriebemotor ausgebildet sein.
Eine erste mögliche Bauform der formschlüssigen Kupplung 6 der Stellvorrichtung 1 nach 7 ist in den 1 und 2 veranschaulicht. Gut erkennbar ist der Formschluss zwischen einem ersten Kupplungsteil 9 und einem zweiten Kupplungsteil 10. Hierbei ist das erste Kupplungsteil 9 fest mit der Ausgangswelle 3 verbunden oder Bestandteil der Ausgangswelle 3, während das zweite Kupplungsteil 11 fest mit der Exzenterwelle 4 verbunden oder durch die Exzenterwelle 4 selbst gebildet ist. Eine Außenverzahnung des zweiten Kupplungsteils 10 ist mit 11, eine mit dieser korrespondierende Innenverzahnung des ersten Kupplungsteils 9 mit 12 bezeichnet. Wie sowohl aus 1 als auch aus 2 hervorgeht, ist die Außenverzahnung 11, in deren Längsrichtung betrachtet, ausgedehnter als die Innenverzahnung 12, womit das zweite Kupplungsteil 10 gegenüber dem ersten Kupplungsteil 9 innerhalb eines beschränkten Verschiebeweges unter Beibehaltung des Formschlusses der Kupplung 6 verschiebbar ist.
Eine Verschiebbarkeit zwischen den Kupplungsteilen 9 und 10 ist auch in der Bauform der formschlüssigen Kupplung 6 nach den 3 und 4 gegeben. In diesem Fall beschreibt das zweite Kupplungsteil 10 im Querschnitt ein Gleichdickprofil 13. Einzelheiten der Geometrie des Gleichdickprofils 13 gehen aus 4 hervor. Das Gleichdickprofil 13 hat die Grundform eines Dreiecks mit abgerundeten Seiten. Aufgrund abgerundeter Ecken weicht das Gleichdickprofil 13 von der Geometrie eines idealen Gleichdicks ab. Ein minimaler Krümmungsradius des Gleichdickprofils 13 an den Ecken des Dreiecks ist mit R₁, ein maximaler Krümmungsradius an den Seiten mit R₂ bezeichnet. Ein in das Gleichdickprofil 13 einbeschriebener Kreis hat den Durchmesser d₁ (Innendurchmesser), ein um das Gleichdickprofil 13 gelegter, die abgerundeten Ecken tangierender Kreis den Durchmesser d₂ (Außendurchmesser).
Das Ausführungsbeispiel nach 5 unterscheidet sich vom Ausführungsbeispiel nach den 3 und 4 durch die Querschnittsgeometrien der Kupplungsteile 9, 10. Im Fall von 5 ist das Kupplungsteil 10 als Unrundprofil mit rechteckiger, nämlich quadratischer, Grundform ausgebildet.
Die Bauform der formschlüssigen Kupplung 6 nach 6 ähnelt am ehesten der Bauform nach 1. Auch im Fall von 6 sind Längsverzahnungen an den Kupplungsteilen 9, 10 in Form einer Innenverzahnung 12 sowie einer Außenverzahnung 11 ausgebildet, wobei in diesem Fall ein spitzes Verzahnungsprofil gegeben ist. In nicht dargestellter Weise kann in allen Bauformen das erste Kupplungsteil 9 Einführphasen zur leichteren Montage der Stellvorrichtung 1 aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Stellvorrichtung
2: Stellgetriebe
3: Ausgangswelle
4: Exzenterwelle
5: Nebenpleuel
6: formschlüssige Kupplung
7: Elektromotor
8: Verstellwelle
9: erstes Kupplungsteil
10: zweites Kupplungsteil
11: Außenverzahnung
12: Innenverzahnung
13: Gleichdickprofil
14: Unrundprofil
d₁: Innendurchmesser
d₂: Außendurchmesser
R₁: minimaler Radius
R₂: maximaler Radius

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 102009000772 A1 [0002]
DE 102011116952 A1 [0003]
DE 3022958 A1 [0007]
DE 102011086236 A1 [0007]
DE 102004009128 A1 [0012]
DE 102013220220 A1 [0012]
DE 102014202060 A1 [0012]

Claims

Stellvorrichtung (1), umfassend ein Stellgetriebe (2) mit einer Ausgangswelle (3), sowie eine mit der Ausgangswelle (3) zusammenwirkende Exzenterwelle (4), gekennzeichnet durch eine die Exzenterwelle (4) mit der Ausgangswelle (3) lösbar verbindende formschlüssige Kupplung (6).
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die formschlüssige Kupplung (6) als Keilwellenkupplung ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungsteil (10) der formschlüssigen Kupplung (6) ein Gleichdickprofil (13) aufweist.
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Kupplungsteil (10) der formschlüssigen Kupplung (6) als Unrundprofil (14) mit rechteckiger Grundform ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Kupplungsteile (9, 10) bei eingekuppelter formschlüssiger Kupplung (6) gegeneinander verschiebbar sind.
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (2) als Wellgetriebe ausgebildet ist.
Stellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch einen zur Betätigung des Stellgetriebes (2) vorgesehenen Elektromotor (7).
Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (7) koaxial zur Exzenterwelle (4) angeordnet ist.
Verwendung einer Stellvorrichtung (1) nach Anspruch 1 in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors.