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Die Erfindung betrifft eine zur Winkelverstellung zwischen zwei antriebsverbundenen Elementen geeignete Stellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Stellvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2004 043 548 B4 bekannt. Diese Vorrichtung zur Winkelverstellung zwischen zwei rotierenden, antriebsverbundenen Elementen, die über eine Verstelleinrichtung verbunden sind, umfasst einen freilaufartigen Mechanismus, mittels welchem ein Welchselmoment des einen Elementes im Fehlerfall zum Anlaufen einer Notlaufposition nutzbar ist, bei der die relative Winkelstellung zwischen den beiden Elementen im Wesentlichen konstant haltbar ist. Der freilaufartige Mechanismus ist als rastender Mechanismus ausgeführt und umfasst eine Raste, welche einerseits durch eine Feder und andererseits durch Öldruck belastbar ist. Die bekannte Vorrichtung zur Winkelverstellung soll sowohl in einem hydraulischen Nockenwellenversteller als auch in einem elektrischen Nockenwellenversteller verwendbar sein.
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Eine weitere Stellvorrichtung der eingangs genannten Art ist in der
EP 2 520 772 B1 offenbart. Auch in diesem Fall ist die Verwendung in einem Nockenwellenversteller vorgesehen. Eine Freilaufeinrichtung umfasst in diesem Fall eine federnd vorgespannte Klinkensperre sowie einen zusätzlichen, federbelasteten Schwinghebel. Weitere Freiläufe sind aus
DE 10 2016 210 522 A1 und
DE 10 2015 219 930 A1 bekannt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine insbesondere für einen Nockenwellenversteller geeignete Stellvorrichtung mit einer zum Anlaufen einer Notlaufposition geeigneten schaltbaren Freilaufeinrichtung anzugeben, welche sich durch einen besonders kompakten, montagefreundlichen Aufbau bei zugleich hoher Betriebssicherheit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Stellvorrichtung ist zur Winkelverstellung zwischen zwei antriebsverbundenen Elementen vorgesehen, wobei in an sich bekannter Grundkonzeption ein Wechselmoment des einen Elementes mittels eines schaltbaren Freilaufs zum Anlaufen einer Notlaufposition, in welcher die Winkelposition zwischen den beiden Elementen konstant gehalten wird, nutzbar ist. Erfindungsgemäß ist der schaltbare Freilauf der Stellvorrichtung als reibschlüssiger Freilauf ausgebildet.
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Ein reibschlüssig arbeitender schaltbarer Freilauf ist prinzipiell zum Beispiel aus der
DE 10 2013 205 254 A1 bekannt. Ein reibschlüssig arbeitender Freilauf weist beispielsweise Klemmrollen oder Klemmkörper mit nicht kreisrundem Querschnitt auf. Hinsichtlich eines Klemmkörperfreilaufs wird beispielhaft auf die
WO 2007/135005 A1 verwiesen.
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Im Unterschied zu einem formschlüssigen, rastenden Freilauf weist ein reibschlüssiger Freilauf prinzipbedingt keine exakt definierten Rastpositionen auf. Dennoch hat sich gezeigt, dass ein reibschlüssiger Freilauf besonders geeignet ist, zwei relativ zueinander rotierbare oder zumindest verschwenkbare Elemente in einem Notlaufmodus in relativ zueinander drehfester Position zu halten. Ein Vorteil eines reibschlüssigen Freilaufs im Vergleich zu einem rastenden Freilauf liegt darin, dass Einkuppelvor-gänge relativ weich sind, das heißt keine extremen Drehmomentspitzen auftreten, was bei der Auslegung von Kraft und Drehmoment übertragenden Komponenten von Vorteil ist.
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Die Stellvorrichtung mit reibschlüssigem Freilauf ist besonders für die Verwendung in einem Nockenwellenversteller geeignet. Hierbei kann es sich um einen hydraulischen ebenso wie einen elektrischen Nockenwellenversteller handeln. Im letztgenannten Fall weist der Nockenwellenversteller ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Stellgetriebe auf, wobei der Freilauf vorzugsweise in das Stellgetriebe integriert ist und direkt zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement des Getriebes wirkt.
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Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass Nockenwellenversteller, insbesondere mit elektrischer Betätigung, so ausgelegt werden können, das sie selbständig in Richtung „spät“ verstellen. Mit Hilfe eines schaltbaren Freilaufs ist auch ein Notlaufmechanismus realisierbar, welcher im Fehlerfall eine selbständige Verstellung in Richtung „früh“ bewirkt. Prinzipiell ist zur Aktivierung des Notlaufmechanismus ein Verstellbereich außerhalb des normalen Betriebsbereichs nutzbar. Dies setzt jedoch voraus, dass der Verbrennungsmotor auch in diesem Bereich, das heißt außerhalb des normalen Betriebsbereichs, lauffähig ist. Ebenso muss bei einem solchen Notlaufmechanismus der Verbrennungsmotor auch in der Zeit zwischen dem Auftreten des Fehlers und dem Erreichen der definierten Notlaufposition der Nockenwelle trotz der undefinierten Verstellung der Nockenwelle lauffähig bleiben. Um dies zu erreichen, sind innerhalb eines Nockenwellenverstellers mechanische Anschläge nutzbar, welche den Verstellbereich der Nockenwelle soweit einschränken, dass es nicht zu einem Kontakt zwischen einem Kolben und einem Ventil des Verbrennungsmotors kommen kann. Wird ein Teil des zwischen den Anschlägen liegenden Verstellbereichs für die Aktivierung des Notlaufmechanismus reserviert, so steht dieser Bereich nicht mehr für den bestimmungsgemäßen Betrieb des Nockenwellenverstellers zur Verfügung. Um diese Einschränkung des Verstellbereichs im ungestörten Betrieb des Verbrennungsmotors zu vermeiden, sind prinzipiell externe Aktoren zur Aktivierung des Notlaufmechanismus geeignet.
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Ausgehend von diesen Überlegungen ist zur Betätigung des schaltbaren reibschlüssigen Freilaufs der Stellvorrichtung ein platzsparendes Schaltelement vorgesehen, welches als Schaltring ausgebildet ist. Mit dem Schaltelement, insbesondere Schaltring, sind mehrere Klemmelemente des Freilaufs jeweils eingeschränkt beweglich gekoppelt, wobei die Klemmelemente als Klemmkeile ausgeführt sind.
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Die Klemmkeile des schaltbaren Freilaufs der Stellvorrichtung kontaktieren Klemmrampen, welche sich an einem der zwei antriebsverbundenen Elemente, nämlich entweder an einem Innenring oder an einem Außenring, befinden. Der andere der beiden Ringe weist dagegen einen kreisrunden Querschnitt auf. Vorzugsweise wirken die Klemmkeile mit Klemmrampen eines Innenrings sowie mit einer zylindrischen Klemmfläche eines Außenrings zusammen.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung bilden jeweils zwei in Umfangsrichtung der antriebsverbundenen Elemente hintereinander angeordnete Klemmkeile ein Paar an Klemmkeilen, welches entweder mit einem Paar an Klemmrampen am Innenring oder mit einem Paar an Klemmrampen am Außenring direkt zusammenwirkt.
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Handelt es sich bei der Stellvorrichtung um eine Komponente eines Nockenwellenverstellers, so weist dieser eine Anschlagscheibe auf, welche den Verstellbereich zwischen den beiden Elementen, die unter anderem über den schaltbaren Freilauf miteinander gekoppelt sind, begrenzt. Zu diesem Zweck sind an die Anschlagscheibe mehrere, beispielsweise zwei, radial nach außen ragende Anschlagsegmente angeformt. Die Anschlagscheibe, welche eines der beiden antriebsverbundenen Elemente darstellt oder mit einem dieser Elemente drehfest verbunden ist, ist relativ zu dem anderen Element, bei welchem es sich beispielsweise um ein Gehäuse oder ein gehäusefestes Element der Stellvorrichtung handelt, innerhalb eines Winkelbereichs verstellbar, welcher durch die Erstreckung der Anschlagsegmente sowie korrespondierender Gegenkonturen auf Seiten des zweiten Elementes, jeweils in Umfangsrichtung betrachtet, gegeben ist. Eine besonders gute Raumausnutzung ist erzielbar, indem der mit Klemmrampen versehene Innenring des schaltbaren Freilaufs fest mit der Anschlagscheibe verbunden oder als integraler Bestandteil der Anschlagscheibe ausgebildet ist. Die Klemmrampen ragen hierbei in Umfangsrichtung nicht über die Anschlagsegmente hinaus. Insbesondere ist jedes Paar an Klemmrampen in Umfangsrichtung der Anschlagscheibe innerhalb eines Anschlagsegmentes angeordnet. Was die Ausdehnung der Klemmrampen sowie der Anschlagsegmente in Axialrichtung der Anschlagscheibe betrifft, sind die Anschlagsegmente vorzugsweise breiter als die Klemmrampen. Entsprechend der in Axialrichtung schmalen Gestaltung der Klemmrampen weisen auch die Klemmkeile vorzugsweise eine entsprechend schmale, plättchenförmige Gestalt auf.
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Die Klemmkeile werden auch als segmentförmige Klemmelemente, der gesamte Freilauf dementsprechend als Segmentfreilauf bezeichnet. Der Segmentfreilauf ist nicht nur in einem Nockenwellenversteller sondern beispielsweise auch in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors verwendbar.
- 1 eine Stellvorrichtung mit reibschlüssigem Freilauf in perspektivischer Ansicht,
- 2 ein Detail der Stellvorrichtung nach 1,
- 3 eine Klemmrampen aufweisende Anschlagscheibe der Stellvorrichtung,
- 4 einen Klemmkeil der Stellvorrichtung,
- 5 einen Schaltring der Stellvorrichtung.
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Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Stellvorrichtung ist Teil eines nicht weiter dargestellten elektrischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors. Ein Antriebselement 2 der Stellvorrichtung 1 ist als Kettenrad ausgebildet und rotiert mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Ein Ab-triebselement 3 des Stellgetriebes 1 ist zur festen Verbindung mit einer Nockenwelle vorgesehen und hat eine Mehrfachfunktion, auf die noch näher eingegangen werden wird. Zwischen dem Abtriebselement 3 und dem Antriebselement 2 ist ein schaltbarer Freilauf 4 wirksam, welcher dafür sorgt, dass im Fehlerfall das Antriebselement 2 und das Abtriebselement 3 nur in einer einzigen definierten Richtung gegeneinander verdrehbar sind und mittels beim Betrieb des Nockenwellenverstellers auftretender Wechselmomente eine vorbestimmte Notlaufposition einnehmen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des schaltbaren Freilaufs 4 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Der schaltbare Freilauf 4 arbeitet mit insgesamt vier Klemmkeilen 5 und wird auch als Segmentfreilauf bezeichnet. Jeweils zwei in Umfangsrichtung hintereinander angeordnete Klemmkeile 5 bilden ein Paar an Klemmelementen des reibschlüssig arbeitenden Freilaufs 4. Jeder Klemmkeil 5 kontaktiert eine Klemmrampe 6, welche durch das Abtriebselement 3 gebildet ist. Durch das Abtriebselement 3 ist damit ein Innenring 7 des schaltbaren reibschlüssigen Freilaufs 4 bereitgestellt. Im Ausführungsbeispiel ist der Innenring 7 einschließlich der Klemmrampen 6 integraler Bestandteil des Abtriebselementes 3. Abweichend hiervon könnten der Innenring 7 und das Abtriebs-element 3 auch als separate, drehfest miteinander gekoppelte Teile ausgebildet sein.
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Zwei Paare in Umfangsrichtung jeweils aneinander grenzender Klemmrampen 6 sind in Axialrichtung der Stellvorrichtung 1 jeweils einem Anschlagsegment 8 vorgelagert, mit welchem sie einstückig verbunden sind. Die beiden Anschlagsegmente 8 sind integrale Bestandteile des Abtriebselementes 3, welches somit eine Anschlagscheibe 9 bildet. Ein Paar an Klemmrampen 6 erstreckt sich, wie insbesondere aus 3 hervorgeht, in Umfangsrichtung über einen schmaleren Winkel als das zugehörige Anschlagsegment 8. Ebenso überragt das Anschlagsegment 8 die Klemmrampen 6 in Radialrichtung der Stellvorrichtung 1. Mit Blickrichtung in Axialrichtung der Stellvorrichtung 1 liegt der gesamte Innenring 7 einschließlich der Klemmrampen 6 innerhalb der Kontur der Anschlagscheibe 9. Wie ebenfalls aus 3 hervorgeht, ist die Anschlagscheibe 9 samt beider Anschlagsegmente 8 in Axialrichtung wesentlich ausgedehnter als die Klemmrampen 6. Entsprechend der schmalen, langgestreckten Form der Klemmrampen 6 sind die Klemmkeile 5 als dünne Plättchen ausgebildet.
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Dennoch ist eine flächige Anlage der Klemmkeile 5 an den Klemmrampen 6 gegeben. Auf diese Weise ist der Freilauf 4 zur Übertragung wesentlich höherer Kräfte und Momente geeignet als ein Freilauf mit Linienkontakten, etwa ein Klemmrollenfreilauf, welcher einen vergleichbaren Bauraum einnimmt.
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Zur radial äußeren Seite des Freilaufs 4 hin kontaktieren die Klemmkeile 5 eine zylindrische Klemmfläche 11 eines Außenrings 10. Der Außenring 10 ist drehfest mit dem Antriebselement 2 verbunden oder unmittelbar durch dieses gebildet. Die Klemmrampen 6 sind in der Lage, die Klemmkeile 5 derart radial nach außen gegen die zylindrische Klemmfläche 11 zu drücken, dass die gewünschte Klemmfunktion eintritt.
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Im ungestörten Betrieb des Stellvorrichtung 1 ist die Funktion des schaltbaren Freilaufs 4 aufgehoben. Zu diesem Zweck sind die insgesamt vier Klemmkeile 5 an einem Schaltring 12 gelagert, welcher in 5 isoliert dargestellt ist. Der Schaltring 12 weist insgesamt vier radial nach außen gerichtete Arme 13 auf, welche paarweise am Umfang des Schaltrings 12 angeordnet sind. An jedem Arm 13 ist ein in Axialrichtung des Schaltrings 12 und damit der gesamten Stellvorrichtung 1 weisender Zapfen 14 befestigt, welcher jeweils in eine Bohrung 15 eines Klemmkeils 5 eingreift, womit dieser zumindest geringfügig beweglich am Schaltring 12 gelagert ist.
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Wird in der Anordnung nach den 1 und 2 der Schaltring 12 im Uhrzeigersinn verdreht, so ist diese Verdrehung durch Absätze 16 der Klemmkeile 5 begrenzt, welche jeweils an einem umfangsseitigen Ende einer Klemmrampe 6 anschlagen. In dieser Schaltstellung des Schaltrings 12 ist das Abtriebselement 3 innerhalb der durch die Anschlagsegmente 8 und korrespondierender Gegenkonturen auf Seiten des Antriebselementes 2 gesetzten Grenzen beliebig gegenüber dem Antriebselement 2 verschwenkbar.
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Wird dagegen der Schaltring 12, beispielsweise durch Federkraft, derart mit einem Drehmoment beaufschlagt, dass er - bezogen auf die Anordnung nach den 1 und 2 - gegen den Uhrzeigersinn verschwenkt wird, so wird damit die Klemmbereitschaft des Freilaufs 4 hergestellt. Eine einzelne Anfederung der Klemmkeile 5 ist hierfür nicht erforderlich. In diesem Zustand ist eine Verdrehung des Abtriebselementes 3 nur noch in einer Richtung, nämlich im Gegenuhrzeigersinn (1, 2) möglich. Beim Betrieb des Verbrennungsmotors auftretende Wechselmomente, welche zwischen dem Antriebselement 2 und dem Abtriebselement 3 wirken, sorgen dafür, dass im Fehlerfall das Abtriebselement 3 solange stufenweise gegenüber dem Antriebselement 2 verdreht wird, bis eine definierte Notlaufposition der Stellvorrichtung 1 erreicht ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Stellvorrichtung
- 2
- Antriebselement
- 3
- Abtriebselement
- 4
- Freilauf
- 5
- Klemmkeil
- 6
- Klemmrampe
- 7
- Innenring
- 8
- Anschlagsegment
- 9
- Anschlagscheibe
- 10
- Außenring
- 11
- Klemmfläche
- 12
- Schaltring
- 13
- Arm
- 14
- Zapfen
- 15
- Bohrung
- 16
- Absatz
