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Die Erfindung betrifft einen elektrischen Nockenwellensteller für einen Verbrennungsmotor.
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In der Praxis werden vorwiegend hydraulisch aktuierte Nockenwellensteller eingesetzt, um einen Phasenversatz zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors zu erzeugen. Durch den Phasenversatz kann das Öffnungs- und Schließverhalten der Ventile beeinflusst werden, durch die eine Brennkammer mit Ansaugluft gefüllt und nach der Verbrennung von Abgas entleert wird, bspw. um die Schadstoffemission zu verringern. Hydraulisch betätigte Nockenwellensteller weisen in verschiedenen Betriebszuständen des Verbrennungsmotors eine eingeschränkte Dynamik auf, so dass ein erwünschter Phasenversatz nur zögerlich erreicht wird. Solche Betriebszustände liegen insbesondere nach einem Kaltstart vor, wenn das Hydrauliköl eine hohe Zähigkeit aufweist, sowie bei niedrigen Drehzahlen, wenn die Ölpumpe einen geringen Ausspeisedruck hat, oder bei einer Zylinder-Deaktivierung.
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Elektrische Nockenwellensteller haben den Vorteil, dass sie bei nahezu jedem Betriebszustand des Verbrennungsmotors mit der gewünschten Dynamik betrieben werden können.
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Die bisher bekannten elektrischen Nockenwellensteller sind nicht optimal ausgebildet.
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DE 103 52 255 A1 offenbart eine Verstellvorrichtung zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe. Das Verstellgetriebe weist ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle eines Verstellmotors verbundene Verstellwelle auf. Der Verstellmotor ist als Elektromotor ausgebildet und räumlich getrennt von der Verstellwelle platziert, und das von ihm erzeugte Moment wird auf die Verstellwelle in einer Ausführungsform mechanisch durch eine flexible Welle übertragen. Dieser Nockenwellensteller benötigt einen erheblichen Bauraum, welcher sich durch die Anordnung des E-Motors ergibt.
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DE 10 2010 045 258 A1 offenbart eine Vorrichtung zur Phasenverstellung mit einem ersten Hohlrad, das drehfest mit dem Antriebsrad verbunden ist, einem zweiten Hohlrad, das als Abtriebsrad dient und ein erstes Sonnenrad, das relativ zu einem zweiten Sonnenrad über einen Aktuator zur Phasenverschiebung verdrehbar ist.
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DE 33 42 905 A1 offenbart ein Wellenkopplungssystem mit einer Antriebswelle und einer gegenüber der Antriebswelle verdrehbarn Abtriebswelle.
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Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen verbesserten elektrischen Nockenwellensteller aufzuzeigen. Die Erfindung löst diese Aufgabe durch die Merkmale des Hauptanspruchs.
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Der Nockenwellensteller gemäß der vorliegenden Offenbarung umfasst einen mechanisch antreibbaren Rotor, einen elektrischen Drehantrieb und ein Überlagerungsgetriebe, das den Rotor und den elektrischen Drehantrieb mit einer Nockenwellenaufnahme verbindet. An der Nockenwellenaufnahme ist eine Nockenwelle des Verbrennungsmotors festlegbar. Das Überlagerungsgetriebe weist gemäß der vorliegenden Offenbarung zwei oder mehr Getriebestufen in der Form von Planetengetrieben auf. Hierdurch kann bei sehr geringem Bauraum in Axialrichtung der Nockenwelle einerseits die Drehmomentüberlagerung und andererseits ein hohes Übersetzungsverhältnis zwischen dem elektrischen Drehantrieb und der Nockenwelle erreicht werden. Dies hat verschiedene Vorteile.
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Einerseits kann der elektrische Nockenwellensteller in ein Gehäuse des Verbrennungsmotors, insbesondere den Zylinderkopf integriert werden, so dass eine besonders platzsparende Anordnung und eine besonders exakte bzw. toleranzarme Lagerung erreicht werden. Andererseits können Elektromotoren mit hoher Drehzahl und geringem Drehmoment eingesetzt werden, die ebenfalls einen geringen Platzbedarf haben. Die bei Integration in das Motorgehäuse ermöglichte toleranzarme Lagerung begünstigt einen verschleißarmen Betrieb und damit die Ausfallsicherheit.
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In Folge der hohen Übersetzung wirken sich Wechselmomente an der Nockenwelle, die beispielsweise aus dem Hebe- und Senkverhalten der Ventile resultieren, in entsprechend geringerem Ausmaß auf den elektrischen Drehantrieb aus, was Vorteile für dessen Steuerung bzw. Regelung bringt. Die Planetengetriebe weisen im Vergleich zu anderen Getriebeformen ein höheres Trägheitsmoment auf, durch das die Übertragung von Wechselmomenten von der Nockenwelle zum elektrischen Drehantrieb gedämpft wird. Auf ein zusätzliches Schwungrad oder andere Dämpfungsmechanismen zum Ausgleich von Wechselmomenten an der Nockenwelle kann somit verzichtet werden.
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Gemäß einer besonders bevorzugten Variante kann eine in der Axialrichtung zur Nockenwelle hin angeordnete Getriebestufe, die als Planetengetriebe ausgeführt ist, ein Lager für die Nockenwellenaufnahme und/oder die Nockenwelle bilden. Sie kann insbesondere als Radiallager wirken. Somit kann auf eine separate Lagerung der Nockenwelle am Gehäuse des Verbrennungsmotors im Bereich des Nockenwellenstellers verzichtet werden. Es ist gegebenenfalls ausreichend, die Nockenwelle an der vom Nockenwellensteller abgewandten Seite gegenüber dem Motorgehäuse zu lagern. Auch hierdurch wird ein Bauraumvorteil erreicht.
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In den Unteransprüchen, der nachfolgenden Beschreibung sowie den Zeichnungen sind weitere vorteilhafte Ausbildungen der Erfindung angegeben.
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Die Erfindung ist in den Zeichnungen beispielhaft und schematisch dargestellt. Es zeigen:
- 1: Eine schematische Darstellung eines Verbrennungsmotors mit einem elektrischen Nockenwellensteller gemäß der vorliegenden Offenbarung;
- 2: ein Ausführungsbeispiel des Überlagerungsgetriebes mit drei Getriebestufen in Form von Planetengetrieben.
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Die Funktionsweise des elektrischen Nockenwellenstellers (20) gemäß der vorliegenden Offenbarung wird nachfolgend unter Bezugnahme auf 1 erläutert.
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Der Nockenwellensteller (20) ist an einem Verbrennungsmotor (10) anordenbar, der über eine Kurbelwelle (15) und eine Nockenwelle (16) verfügt. Der Verbrennungsmotor (10) umfasst bevorzugt mehrere Brennkammern (11), die durch Zylinder (12) und Kolben (13) begrenzt sind. Eine Bewegung der Kolben (13) wird über einen Kurbeltrieb auf eine Kurbelwelle (15) übertragen. Die Kurbelwelle (15) ist über ein Triebmittel (26) mit dem Nockenwellensteller (20) verbunden. Das Triebmittel (26) kann von beliebiger Art sein, insbesondere ein Kettentrieb, ein Riementrieb oder ein Zahnradtrieb. Durch eine Drehung der Nockenwelle (16) werden darauf angeordnete Nocken (17) bewegt, die das Öffnungs- und Schließverhalten von Ventilen (14) an den Brennkammern (11) vorgeben.
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Das Triebmittel (26) wirkt auf den Rotor (21) des Nockenwellenstellers (20) ein. Der Rotor (21) ist über mindestens eine Getriebestufe (60) mit einer Nockenwellenaufnahme (24) verbunden, an der im Betrieb die Nockenwelle (16) zumindest drehfest fixiert ist. Gemäß der in den Figuren dargestellten bevorzugten Ausführung ist der Rotor mit derjenigen Getriebestufe (60) verbunden, die in der Axialrichtung (A) zur Nockenwelle (16) hin angeordnet ist. Diese wird im nachfolgend auch als letzte Getriebestufe (60) bezeichnet. Alternativ kann der Rotor (21) an einer früheren Getriebestufe (40, 50) angeordnet sein.
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Die letzte Getriebestufe (60) ist bevorzugt derart ausgebildet, dass das enthaltene Planetengetriebe eine Radiallagerung für die Nockenwellenaufnahme (24) bewirkt. Gegebenenfalls kann die letzte Getriebestufe (60) zusätzlich eine Axiallagerung bewirken bzw. ein Axiallager für die Nockenwellenaufnahme (24) und die daran festlegbare Nockenwelle (16) bilden.
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Der Nockenwellensteller (20) umfasst einen elektrischen Drehantrieb (22), insbesondere einen in der Drehzahl regelbaren und bevorzugt bürstenlosen Motor, dessen Drehbewegung in dem Nockenwellensteller (20) mit der von der Kurbelwelle (15) hervorgerufenen Drehbewegung überlagert wird. Die Überlagerung erfolgt bevorzugt in der letzten Getriebestufe (60). Alternativ kann sie in einer früheren Getriebestufe (40,50) erfolgen.
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Der Begriff „frühe“ Getriebestufe meint eine solche Getriebestufe, die näher an dem elektrischen Drehantrieb bzw. weiter von der Nockenwellenaufnahme (24) entfernt angeordnet ist. Hingegen meint eine „späte“ Getriebestufe eine solche, die näher an der Nockenwellenaufnahme (24) angeordnet ist.
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An dem Verbrennungsmotor (10) und/oder an dem Nockenwellensteller (20) ist eine Nockenwinkelerfassung (18) sowie eine Kurbelwinkelerfassung (19) vorgesehen. In den Zeichnungen sind beispielhaft ein Drehwinkelmesser an der Nockenwelle (16) sowie ein Drehwinkelmesser an der Kurbelwelle (19) vorgesehen, die jeweils die absolute Drehlage der Kurbelwelle (15) und der Nockenwelle (16) erfassen. Der elektrische Drehantrieb (22) des Nockenwellenstellers (20) wird bevorzugt derart geregelt, dass eine Ist-Abweichung zwischen der Phasenlage der Kurbelwelle (15) und der Phasenlage der Nockenwelle (16), bzw. ein Ist-Phasenversatz, einer Soll-Abweichung bzw. einem Soll-Phasenversatz nachgeführt wird. Alternativ kann eine andere Form der Steuerung oder Regelung des elektrischen Drehantriebs vorgesehen sein.
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In 2 ist eine beispielhafte Ausführung des Überlagerungsgetriebes (23) des Nockenwellenstellers (20) skizziert. Über den links oben gezeigten elektrischen Drehantrieb (22) wird ein Antriebsrad (D) mit dem ersten Drehmoment (T1) beaufschlagt. Dieses Drehmoment (T1) ist bevorzugt wesentlich geringer als das zweite Drehmoment (T2), das von dem mechanischen Antriebsmittel (T2) übertragen wird und weiterhin kleiner als das dritte Drehmoment (T3), das an der Nockenwellenaufnahme (24) vorliegt.
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In dem Beispiel von 2 sind in der Axialrichtung (A) drei Getriebestufen (40, 50, 60) hintereinander angeordnet, die jeweils als Planetengetriebe ausgebildet sind. Zur Kostenreduzierung kann es vorteilhaft sein, zumindest einige Geometrien der enthaltenen Zahnräder identisch auszuführen. Es können somit mehrere und insbesondere alle der als Planetengetriebe ausgebildeten Getriebestufen (40, 50, 60) identische Geometrien unter den Sonnen-Zahnrädern (S1, S2, S3) und/oder den Planeten-Zahnrädern (P1, P2, P3) aufweisen. Ferner weist erfindungsgemäß das am Drehantrieb (22) angeordnete Antriebsrad (D) eine Geometrie auf, die identisch zu der Geometrie eines Sonnen-Zahnrads (S1, S2, S3) und/oder eines Planeten-Zahnrads (P1, P2, P3) ist.
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In 2 sind rein exemplarisch das Sonnenrad (S1) der ersten bzw. frühesten Getriebestufe (40), das Planetenrad (P2) der zweiten bzw. mittleren Getriebestufe (50) sowie das Sonnenrad (S3) der dritten bzw. letzten Getriebestufe (60) mit einer identischen Geometrie ausgebildet.
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Zumindest eine der Getriebestufen (40, 50, 60) kann mindestens 3, bevorzugt vier oder mehr Planeten-Zahnräder (P1, P2, P3) aufweisen. Dies ist insbesondere bei der letzten Getriebestufe (60) vorteilhaft, weil durch eine hohe Anzahl von Planeten-Zahnrädern (P3) die radiale Abstützung für die Nockenwellenaufnahme (24) robuster ausgeführt werden kann, was für eine verschleißarme Lagerwirkung zuträglich ist.
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Gemäß der Darstellung in 2 wirkt das Antriebsrad (D) auf eine Außenverzahnung an einem drehbar gelagerten Hohlrad (H1) der ersten Getriebestufe (40). Dieses Hohlrad (H1) treibt über einen am Gehäuse (70) festgelegten Planetenträger (C1) und dessen Planetenräder (P1) ein Sonnenrad (S1) an, das mit dem Planetenträger (C2) der zweiten Getriebestufe (50) gekoppelt ist. Durch die Bewegung des Planetenträgers (C2) der zweiten Getriebestufe (50) und eine Abstützung der Planetenräder (P2) an einem am Gehäuse (70) festgelegten Hohlrad (H2) wird das Sonnenrad (S2) der zweiten Getriebestufe (50) bewegt. Dieses treibt wiederum ein Sonnenrad (S3) der dritten Getriebestufe (60) an.
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In der dritten Getriebestufe (60) überlagern sich das mit entsprechender Übersetzung zugeführte erste Drehmoment (T1) des elektrischen Drehantriebs (22), das vom Antriebsmittel zugeführte zweite Drehmoment (T2) und das dritte Drehmoment (T3) an der Nockenwellenaufnahme (24). Das zweite Drehmoment (T2) greift an einem drehbar gelagerten Hohlrad (H3) der dritten Getriebestufe (60) an. Die Planetenräder (P3) des drehbar gelagerten und mit der Nockenwellenaufnahme (24) verbundenen Planetenträgers (C3) kämmen sowohl mit dem Sonnenrad (S3) als auch mit dem Hohlrad (H3) der dritten Getriebestufe (60).
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Alternativ kann die Überlagerung der Drehmomente an einer früheren Getriebestufe (40, 50) erfolgen.
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In dem Beispiel von 2 treibt ein mit dem elektrischen Drehantrieb (22) gekoppeltes Antriebsrad (D) ein außen liegendes Hohlrad (H1) der ersten Getriebestufe (40). Das Antriebsrad (D) ist dabei außerhalb des Hohlrads (H1) angeordnet und direkt mit einer Triebwelle des elektrischen Drehantriebs (22) verbunden. Alternativ kann ein anderer Teil der ersten Getriebestufe (H1) mit direkt oder indirekt mit dem elektrischen Drehantrieb (22) gekoppelt sein. Beispielsweise könnte der elektrische Drehantrieb direkt oder über ein zwischengeschaltetes Antriebsrad mit dem Planetenträger (C1) der ersten Getriebestufe (40) verbunden sein, wobei dann bevorzugt das Hohlrad (H1) der ersten Getriebestufe (40) rotationsfest angeordnet wäre.
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Die Lagerung der verschiedenen Zahnräder kann in besonders einfacher und kostengünstiger Weise erfolgen, wenn in den Getriebestufen (40, 50, 60) mehrheitlich oder ausschließlich eine Geradverzahnung vorgesehen ist. Insbesondere bei der als Radiallager wirkenden Getriebestufe (60) ist eine Geradverzahnung vorteilhaft, damit keine Axialkräfte aus dem Zahneingriff über die Nockenwellenaufnahme (24) bzw. die Nockenwelle (16) abgestützt werden müssen.
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Besonders bevorzugt können eine oder mehrere der Getriebestufen (40, 50, 60) Wälzlager zur Abstützung der radialen Kräfte und Gleitlager bzw. Anlaufkonturen zur Abstützung von axialen Kräften aufweisen, wodurch ein besonders einfacher Aufbau und eine kostengünstige Montage ermöglicht werden. Es kann insbesondere ein Bewegungsspiel der Sonnenräder (S1, S2, S3) und/oder der Planetenräder (P1, P2, P3) entlang deren Drehachse vorgesehen sein.
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Anstelle der in 2 dargestellten ersten Getriebestufe (40) kann gegebenenfalls ein Stirnradgetriebe vorgesehen sein. Gemäß einer weiteren Abwandlung ist es möglich, die erste Getriebestufe (40) in 2 wegzulassen und den Planetenträger (C2) direkt mit dem elektrischen Drehantrieb (22) anzutreiben.
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Bezugszeichenliste
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| 10 |
Verbrennungsmotor |
Internal combustion
engine
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| 11 |
Brennkammer |
Combustion chamber
|
| 12 |
Zylinder |
Cylinder
|
| 13 |
Kolben |
Piston
|
| 14 |
Ventile |
Valves
|
| 15 |
Kurbelwelle |
Crank shaft
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| 16 |
Nockenwelle |
Cam shaft
|
| 17 |
Nocken |
Cams
|
| 18 |
Nockenwinkelerfassung |
Cam angle detection
|
| 19 |
Kurbelwinkelerfassung |
Crank angle detection
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| 20 |
(Elektrischer) Nockenwellensteller |
(Electric) cam shaft angle shifter
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| 21 |
Rotor (mechanisch antreibbar) |
Rotor (mechanically drivable)
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| 22 |
Elektrischer Drehantrieb / Motor |
Electric rotation drive / Motor
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| 23 |
Überlagerungsgetriebe |
Superposition gearbox /
transmission
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| 24 |
Nockenwellenaufnahme |
Cam shaft receptacle
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| 25 |
Radiallager |
Radial bearing
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| 26 |
Triebmittel |
Driving means
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| 40 |
Erste Getriebestufe / Planetengetriebe |
First gear stage / planetary transmission
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| 50 |
Zweite Getriebestufe / Planetengetriebe |
Second gear stage / planetary transmission
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| 60 |
Dritte Getriebestufe / Planetengetriebe |
Third gear stage / planetary transmission
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| 70 |
Lagerpunkt / Gehäuse des Verbrennungsmotors |
Bearing point / Housing
of engine
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| A |
Axialrichtung / Drehachse |
Axial direction /
rotation axis
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| C1, C2, C3 |
Planetenträger |
Planet carriers
|
| D |
Antriebsrad am Drehmotor |
Drive wheel at rotation
motor
|
| H1, H2, H3 |
Hohlräder |
Ring gear wheels
|
| P1, P2, P3 |
Planetenräder |
Planet gear wheels
|
| S1, S2, S3 |
Sonnenräder |
Sun gear wheels
|
| T1 |
Drehmoment von elektrischem Drehantrieb |
Torque from electric
rotation drive
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| T2 |
Drehmoment von mechanischem Antriebsmittel |
Torque from mechanic
driving means
|
| T3 |
Drehmoment an Nockenwellenaufnahme |
Torque at cam shaft receptacle
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