DE102016216594B3

DE102016216594B3 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102016216594B3
Application number: DE102016216594.1A
Authority: DE
Inventors: Peter Zierer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2016-09-02
Filing date: 2016-09-02
Publication date: 2017-11-02
Anticipated expiration: 2036-09-03

Abstract

Ein elektrischer Nockenwellenversteller umfasst ein Stellgetriebe (2), welches als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, mit drei Anschlusselementen (3, 4, 5), nämlich einem Antriebselement (3), einem Abtriebselement (4) und einer Verstellwelle (5), ausgebildet ist. Eine Verdrehsicherung (13) ist zur Sicherung der Anschlusselemente (3, 4, 5) gegen gegenseitiges Verdrehen ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellenversteller, welcher mit einem Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, als Stellgetriebe arbeitet.
Wellgetriebe, welche als Stellgetriebe in elektrischen Nockenwellenverstellern verwendbar sind, sind zum Beispiel aus den Dokumenten DE 10 2004 009 128 A1 , DE 10 2013 220 220 A1 und DE 10 2014 202 060 A1 bekannt.
Aus der DE 10 2009 019 397 A1 ist ein Phasenversteller für Verbrennungsmotoren, das heißt ein Nockenwellenversteller, mit einem Verriegelungselement bekannt. Beim Betrieb dieses Nockenwellenverstellers verbleibt das Verriegelungselement in einer Parkposition. Eine Verschiebung des Verriegelungselementes aus seiner Verriegelungsposition in die Parkposition ist durch Drucköl oder -luft möglich.
Aus den Dokumenten DE 10 2008 022 931 A1 und DE 10 2008 022 932 A1 sind Montageanordnungen von Phasenverstellern bekannt. Die Montageanordnungen umfassen Verbindungsmittel zur lösbar drehfesten Verbindung von An- und Abtriebsteilen. Bei den Phasenverstellern handelt es sich um elektrische Nockenwellenversteller, die Taumelscheibengetriebe als Stellgetriebe aufweisen.
Aus der DE 10 2013 209 053 A1 ist ein Nockenwellenversteller bekannt, welcher als Flügelzellenversteller ausgebildet ist und eine Verliersicherung für eine Federaufnahme aufweist. Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller geht aus DE 10 2008 022 931 A1 hervor. Er zeigt ein Taumelscheibengetriebe, das mittels eines Passstifts arretiert ist, wobei der Passstift nach der Montage entfernt werden kann. Weitere Nockenwellenversteller sind in DE 10 2013 020 983 A1 , DE 10 2009 019 397 A1 und DE 10 2004 035 077 A1 gezeigt.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten elektrischen Nockenwellversteller anzugeben, welcher sich durch eine besondere Montagefreundlichkeit auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektrischen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Montageverfahren gemäß Anspruch 5. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Verfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt den Nockenwellenversteller, und umgekehrt.
Der elektrische Nockenwellenversteller arbeitet in an sich bekannter Grundkonzeption mit einem Stellgetriebe, welches als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, ausgebildet ist. Ein Antriebselement, ein Abtriebselement, sowie eine Verstellwelle des Stellgetriebes werden zusammenfassend als Anschlusselemente bezeichnet. Erfindungsgemäß ist eine Verdrehsicherung vorgesehen, welche im Zuge der Montage des Nockenwellenverstellers nutzbar ist und die Anschlusselemente gegen gegenseitiges Verdrehen sichert. Die Verdrehsicherung kann ein- oder mehrteilig ausgebildet sein und ist vorzugsweise manuell einsetzbar sowie entnehmbar. Grundsätzlich kann die Verdrehsicherung formschlüssig, kraftschlüssig oder stoffschlüssig wirken.
Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass hydraulische Nockenwellenversteller, so wie sie bei Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen gängig sind, im noch nicht am Verbrennungsmotor angebauten Zustand üblicherweise in definierter Position verriegelt werden. In diesem verriegelten Zustand kann ein hydraulischer Nockenwellenversteller an die Nockenwelle montiert werden.
Im Unterschied zu hydraulischen Nockenwellenverstellern weisen elektrische Nockenwellenversteller in der Regel keinen internen Verriegelungsmechanismus auf. Die Verdrehsicherung des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ermöglicht dennoch die Einhaltung einer definierten Montageposition.
Im Gegensatz zu den aus den genannten Dokumenten DE 10 2008 022 931 A1 und DE 10 2008 022 932 A1 bekannten Phasenverstellern, welche auf einem anderem Getriebeprinzip basieren, ist beim anmeldungsgemäßen, mit einem Wellgetriebe arbeitenden Nockenwellenversteller ein einfaches manuelles Positionieren und Entnehmen der Verdrehsicherung möglich. Die Verdrehsicherung erfüllt ihren Zweck, wenn zwei der drei Anschlusselemente relativ zueinander fixiert sind. Da es sich bei dem Stellgetriebe um ein hochuntersetztes Getriebe handelt, ist es von besonderem Vorteil, die Winkellage der Verstellwelle gegenüber einem der beiden anderen Anschlusselemente, das heißt gegenüber dem Antriebselement oder gegenüber dem Abtriebselement, mit Hilfe der Verdrehsicherung festzulegen.
Die Montage des Nockenwellenverstellers ist in folgenden Schritten realisierbar:

– Ein Stellgetriebe, nämlich Wellgetriebe, mit drei Anschlusselementen, nämlich einem Antriebselement, einem Abtriebselement und einer Verstellwelle, wird bereitgestellt,
– die Anschlusselemente werden mit Hilfe einer ein- oder mehrteiligen Verdrehsicherung gegen gegenseitiges Verdrehen gesichert,
– das Stellgetriebe wird mit einer zu verstellenden Nockenwelle verbunden,
– die Verstellwelle wird mit einem Aktor, nämlich einem Elektromotor, optional unter Zwischenschaltung einer Ausgleichskupplung, gekoppelt,
– die Verdrehsicherung wird entfernt.

Die Reihenfolge der einzelnen Verfahrensschritte ist hierbei nicht starr vorgegeben. Dies betrifft beispielsweise die Befestigung des Stellgetriebes an der Nockenwelle und die Kopplung des Aktors mit dem Stellgetriebe.
Das Festlegen der Winkelposition mit Hilfe der Verdrehsicherung geschieht vorzugsweise in einer Extremposition des Stellgetriebes. Generell existieren zwei Extrempositionen des Stellgetriebes: Das Abtriebselement schlägt entweder in der extremen Position „früh” oder in der extremen Position „spät” an dem Antriebselement oder einem mit dem Antriebselement fest verbundenen Element an. Das Abtriebselement kann zu diesem Zweck drehfest mit einer Anschlagscheibe verbunden sein. Ebenso ist es möglich, Abtriebselement und Anschlagscheibe als einziges Bauteil auszuführen, welches beschränkt gegenüber dem Antriebselement verschwenkbar ist.
Die Blockierung des Stellgetriebes in extremer Früh- oder Spät-Einstellung mit Hilfe der Verdrehsicherung vor der Montage des Nockenwellenverstellers an einer Nockenwelle hat den Vorteil, dass praktisch jeglicher Winkelfehler bei der Montage eliminierbar ist. In der Serienfertigung sind Steuerzeitenfehler von deutlich unter 0,4 Grad, bezogen auf die Winkelrelation zwischen dem Abtriebselement des Nockenwellenverstellers und der Nockenwelle, erreichbar. Im Rahmen üblicher Messgenauigkeiten sind Steuerzeitenfehler von Null Grad realisierbar.
In vorteilhafter Ausgestaltung umfasst die Verdrehsicherung eine Drehfeder, durch welche das Stellgetriebe selbsttätig eine der beiden möglichen Extrempositionen einnimmt. Alternativ oder unterstützend kann das Stellgetriebe durch einen externen Antrieb in eine der Extrempositionen gebracht und dort mittels der Verdrehsicherung arretiert werden, wobei bei der Verstellung des Stellgetriebes in die Extremposition, das heißt Anschlagposition, mit Hilfe eines externen, nicht dem Nockenwellenversteller zuzurechnenden Antriebs Getriebeelemente des Stellgetriebes gezielt elastisch gegeneinander vorspannbar sind.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbespiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
1 einen elektrischen Nockenwellenversteller mit eingesetzter Verdrehsicherung in einer stirnseitigen Ansicht,
2 eine Schnittdarstellung der Anordnung nach 1,
3 eine alternative Ausgestaltung eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit Verdrehsicherung in einer Ansicht analog 1,
4 in perspektivischer Darstellung ein weiteres Ausführungsbeispiel eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit Verdrehsicherung.
Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektrischer Nockenwellenversteller dient der Verstellung einer nicht dargestellten Nockenwelle, insbesondere Einlassnockenwelle, in einem Verbrennungsmotor, nämlich Hubkolbenmotor, in Relation zu dessen Kurbelwelle. Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Der Nockenwellenversteller 1 arbeitet mit einem Stellgetriebe 2, bei welchen es sich um ein Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, handelt. Drei um eine gemeinsame Achse, nämlich die Rotationsachse der Nockenwelle, rotierbare, jeweils unmittelbar mit externen, das heißt nicht dem Nockenwellenversteller 1 zuzurechnenden Komponenten zusammenwirkende Elemente werden allgemein als Anschlusselemente 3, 4, 5 bezeichnet. Hierbei handelt es sich um ein Antriebselement 3, ein Abtriebselement 4, sowie eine Verstellwelle 5.
Das Antriebselement 3 ist als Kettenblatt ausgebildet und wird beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 von der Kurbelwelle angetrieben, wobei es mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Das Abtriebselement 4 ist zur drehfesten Verbindung mit der Nockenwelle vorgesehen. Als Verstellwelle 5 fungiert im vorliegenden Fall ein Innenring eines Wellgenerators 6. Der Wellgenerator 6 wird über eine Ausgleichskupplung 7, nämlich Oldham-Kupplung, von einem nicht dargestellten Elektromotor, beispielsweise einem bürstenlosen Synchronmotor, angetrieben.
Solange die Verstellwelle 5 mit der Drehzahl des Antriebselementes 3 rotiert, dreht sich auch die Nockenwelle samt Abtriebselement 4 mit dieser Drehzahl. Eine Phasenverstellung der Nockenwelle findet in diesem Betriebszustand des Nockenwellenverstellers 1 somit nicht statt.
Die Außenkontur der als Wälzlagerring ausgebildeten Verstellwelle 5 weicht von einer Kreisform ab. Vielmehr ist durch die Verstellwelle 5 eine nicht kreisrunde, elliptische Laufbahn für Wälzkörper 8, nämlich Kugeln, gebildet. Ein zugehöriger Außenring 9, in welchem die Kugeln 8 abrollen, ist im Gegensatz zur Verstellwelle 5 nachgiebig gestaltet, so dass er sich permanent der Form der Verstellwelle 5 anpasst. Der Außenring 9 wiederum ist umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 10, welches außenverzahnt ist und auch Flexring bezeichnet wird.
Die Außenverzahnung des Flexrings 10 greift an zwei diametral gegenüberliegenden Stellen in Innenverzahnungen zweier parallel nebeneinander angeordneter Hohlräder 11, 12 ein. Hierbei ist das Hohlrad 12 fest mit dem Antriebselement 3 verbunden. Die Zähnezahl der Innenverzahnung des Hohlrades 12 stimmt mit Zähnezahl der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 10 überein. Somit bleibt beim Betrieb des elektrischen Nockenwellenverstellers 1 das flexible Getriebeelement 10 in Relation zum Hohlrad 12 stets in unveränderter Winkelposition. Die Zusammenwirkung des flexiblen Getriebeelementes 10 mit dem Hohlrad 12 wird dementsprechend als Kupplungsstufe des Stellgetriebes 2 bezeichnet.
Im Unterschied hierzu weicht die Zähnezahl der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 10 gegenüber der Zähnezahl der Innenverzahnung des Hohlrades 11 geringfügig, nämlich um die Zahl zwei, ab, so dass sich bei einer vollen Umdrehung der Verstellwelle 5 das Hohlrad 11 geringfügig gegenüber dem Hohlrad 12 verdreht. Das Hohlrad 11 ist fest mit dem Abtriebselement 4 verbunden. Das Hohlrad 11 wirkt mit dem flexiblen Getriebeelement 10 im Sinne einer Übersetzungsstufe zusammen.
Bevor der elektrische Nockenwellenversteller 1 an der Nockenwelle montiert wird, wird das Stellgetriebe 2 in definierter Position blockiert. Zu diesem Zweck ist in allen Fällen eine Verdrehsicherung 13 vorgesehen.
Im Ausführungsbeispiel nach den 1 und 2 ist die Verdrehsicherung 13 durch zwei gleichartige Keile 14 gebildet. In der stirnseitigen Ansicht gemäß 1 weist jeder Keil 14 eine Sichelform auf. Die Keile 14 laufen jeweils von der Stirnseite des Stellgetriebes 2 aus in Richtung zum Inneren des Stellgetriebes 2 spitz zu. Mit Hilfe der beiden Keile 14 wird die Verstellwelle 5 gegenüber dem gehäusefesten Hohlrad 12 blockiert. Damit ist auch die Winkellage des zweiten Hohlrades 11 sowie des mit diesem verbundenen Abtriebselementes 4 gegenüber dem Antriebselement 3 blockiert. Die Keile 14 werden vor der Montage des Nockenwellenverstellers 1 in das Stellgetriebe 2 eingeschoben und nach Beendigung der Montage wieder entnommen. Während der Montage des Nockenwellenverstellers 1 an der Nockenwelle befindet sich das Stellgetriebe 2 in definierter Extremposition, nämlich entweder in maximaler Früh-Einstellung oder in maximaler Spät-Einstellung.
Im Ausführungsbeispiel nach 3 ist eine Feder 15 in Form einer Drehfeder sichtbar, welche der Verdrehsicherung 13 zuzurechnen ist. Die Drehfeder 15 wirkt zwischen einem Drehmomentübertragungselement 16 und dem Antriebselement 3 des Stellgetriebes 2, wobei das Drehmomentübertragungselement 16 bei fertig montiertem Nockenwellenversteller 1 elektromotorisch antreibbar ist und direkt mit der Ausgleichskupplung 7 zusammenwirkt. Durch die Drehfeder 15 wird das Stellgetriebe 2 in einer seiner möglichen Extrempositionen gehalten. Zusätzlich kann eine Sicherung in Form von Keilen 14, wie in 1 skizziert, vorgesehen sein.
Im Ausführungsbeispiel nach 4 ist an Stelle einer Drehfeder eine Schraubenfeder als das Stellgetriebe 2 vorspannende Feder 15 vorhanden, welche in Umfangsrichtung der Anschlusselemente 3, 4, 5 ausgerichtet ist und derart zwischen dem Antriebselement 3 und dem Abtriebselement 4 wirkt, das das Abtriebselement 4 am Antriebselement 3 anschlägt, das heißt. eine Extremposition annimmt. Mit 17 ist der Anschlag zwischen dem Antriebselement 3 und dem Abtriebselement 4 bezeichnet. Auch in diesem Fall sind, ebenso wie im Fall von 3, zusätzliche Verdrehsicherungselemente, insbesondere in Form von Keilen 14, zur Blockierung des Stellgetriebes 2 bei der Montage verwendbar.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Stellgetriebe, Wellgetriebe
3: Anschlusselement, Antriebselement
4: Anschlusselement, Abtriebselement
5: Anschlusselement, Verstellwelle
6: Wellgenerator
7: Ausgleichkupplung
8: Wälzkörper
9: Außenring
10: Flexibles Getriebeelement, Flexring
11: Hohlrad
12: Hohlrad
13: Verdrehsicherung
14: Keil
15: Feder
16: Drehmomentübertragungselement
17: Anschlag

Claims

Elektrischer Nockenwellenversteller (1) mit einem Stellgetriebe (2), welches als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, mit drei Anschlusselementen (3, 4, 5), nämlich einem Antriebselement (3), einem Abtriebselement (4) und einer Verstellwelle (5), ausgebildet ist, sowie mit einer Verdrehsicherung (13), welche zur Sicherung der Anschlusselemente (3, 4, 5) gegen gegenseitiges Verdrehen ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Verdrehsicherung (13) eine das Stellgetriebe (2) vorspannende Feder (15) umfasst.
Elektrischer Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (2) mittels der Verdrehsicherung (13) in einer Extremposition arretiert ist.
Elektrischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (2) zwei innenverzahnte Hohlräder (12, 11) aufweist, welche in einem Fall als Komponente einer Kupplungsstufe und im anderen Fall als Komponente einer Übersetzungsstufe ausgebildet sind.
Elektrischer Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, gekennzeichnet durch eine mit der Verstellwelle (5) gekoppelte Ausgleichskupplung (7).
Verfahren zur Montage eines elektrischen Nockenwellenverstellers (1), mit folgenden Schritten: – Ein Stellgetriebe (2), nämlich Wellgetriebe, mit drei Anschlusselementen (3, 4, 5), nämlich einem Antriebselement (3), einem Abtriebselement (4) und einer Verstellwelle (5), wird bereitgestellt, – die Anschlusselemente (3, 4, 5) werden mit Hilfe einer Verdrehsicherung (13) gegen gegenseitiges Verdrehen gesichert, – das Stellgetriebe (2) wird mit einer zu verstellenden Nockenwelle verbunden, – die Verstellwelle (5) wird mit einem Aktor gekoppelt, – die Verdrehsicherung (13) wird entfernt, wobei das Abtriebselement (4) vor dem Einsetzen der Verdrehsicherung (13) mittels einer Feder (15) in eine Anschlagsposition am Antriebselement (3) gebracht wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (4) vor dem Einsetzen der Verdrehsicherung (13) durch einen externen motorischen Antrieb in eine Anschlagsposition am Antriebselement (3) gebracht wird.