DE102017105511A1

DE102017105511A1 - Verstellvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Info

Publication number: DE102017105511A1
Application number: DE102017105511.8A
Authority: DE
Inventors: Thomas Nehmeyer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-03-15
Filing date: 2017-03-15
Publication date: 2018-09-20

Abstract

Eine Verstellvorrichtung umfasst ein als Wellgetriebe ausgebildetes Stellgetriebe (3) und einen Elektromotor (2), wobei ein Rotor (21) des Elektromotors (2) als Außenläufer ausgebildet und zur Betätigung eines Wellgenerators (29) des Wellgetriebes (3) vorgesehen ist, und wobei ein durch den Wellgenerator (29) verformbares Abtriebselement (4) des Wellgetriebes (3) eine Topfform aufweist und den Rotor (21) zumindest in radialer Richtung überragt. Der Elektromotor (2) weist einen hohlen, ringförmigen Stator (20) auf. Der Rotor (21) des Elektromotors (2) ist drehfest mit einem gesonderten Innenring (31) des Wellgenerators (29) gekoppelt.

Description

Die Erfindung betrifft eine zur Verstellung einer Welle, insbesondere für die Verwendung in einem Verbrennungsmotor, geeignete Verstellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Eine gattungsgemäße Verstellvorrichtung ist aus der DE 10 2015 204 420 A1 bekannt. Die bekannte Verstellvorrichtung ermöglicht das Verstellen des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und umfasst einen als BLDC-Motor ausgebildeten Elektromotor sowie ein Wellgetriebe, wobei der Rotor des Elektromotors zugleich als Komponente eines Wellgenerators fungiert, indem er eine elliptische Laufbahn für Wälzkörper eines Wälzlagers bereitstellt. Mit Hilfe dieses unrunden Wälzlagers wird beim Betrieb der Verstellvorrichtung ein flexibles, topfförmiges Laufelement verformt, welches mit einer Abtriebswelle verbunden ist.
Weitere Bauformen von Verstellvorrichtungen für Verbrennungsmotoren sind zum Beispiel aus den Dokumenten DE 10 2011 083 798 A1 , DE 10 2006 007 584 A1 , sowie DE 41 10 195 C2 bekannt. In diesen Fällen handelt es sich um Verstellvorrichtungen elektrischer Nockenwellenversteller.
Ein für Verbrennungsmotoren geeignetes elektromechanisches Verstellsystem, dessen Elektromotor als bürstenloser Scheibenläufermotor ausgebildet ist, ist zum Beispiel in der DE 2007 054 546 A1 offenbart.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für einen Verbrennungsmotor eines Kraftfahrzeugs geeignete, gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Verstellvorrichtung anzugeben, welche sich durch einen besonders montagefreundlichen und zugleich kompakten Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Verstellvorrichtung umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein als Wellgetriebe aufgebautes Stellgetriebe sowie einen zur Betätigung des Wellgetriebes vorgesehenen Elektromotor, dessen Rotor als Außenläufer ausgebildet ist. Das Wellgetriebe umfasst einen Wellgenerator, durch welchen ein Abtriebselement des Wellgetriebes verformbar ist. Dieses Abtriebselement ist topfförmig gestaltet und überragt den Rotor des Elektromotors zumindest in radialer Richtung, insbesondere sowohl in axialer als auch in radialer Richtung. Erfindungsgemäß weist der Elektromotor einen hohlen, ringförmigen Stator auf, während der Rotor des Elektromotors drehfest mit einem gesonderten Innenring des Wellgenerators gekoppelt ist. Dieser Innenring stellt eine nicht kreisrunde Wälzkörperlaufbahn des Wellgenerators bereit. Der Hohlraum des Stator ist vorzugsweise als den gesamten Stator durchziehende, zur Mittelachse des Elektromotors konzentrische Bohrung mit nicht notwendigerweise einheitlichem Durchmesser ausgebildet.
Mit diesem Aufbau ist zum einen eine kompakte, verschachtelte Bauweise der Motor-Getriebe-Baugruppe der Verstellvorrichtung gegeben, wobei durch die Separierung des Innenrings des Wellgenerators vom Rotor des Elektromotors zugleich ein fertigungsfreundlicher Aufbau gegeben ist. Bei dem Elektromotor der Verstellvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um einen bürstenlosen Gleichstrommotor (BLDC-Motor). Durch die hohle Gestaltung des Stators ist die Möglichkeit gegeben, durch die entsprechende Bohrung des Stators hindurch ein Werkzeug an einem zu befestigenden Element hindurchzuführen. Je nach Bauform der Verstellvorrichtung ist die Durchgangsbohrung im Stator auch zur Durchführung elektrischer Leitungen nutzbar.
In bevorzugter Ausgestaltung umfasst der Stator einen Statorträger, welcher sich in Axialrichtung des Elektromotors über einen elektromagnetisch mit dem Stator zusammenwirkenden, insbesondere Magnete tragenden, Bereich des Rotors hinaus erstreckt. Der Statorträger ist rationell als Kunststoffteil erstellbar und stellt vorzugsweise zugleich eine Kunststoffumspritzung stromführender Spulen sowie Bleche des Stators dar. In besonders raumsparender Bauform ist der Statorträger in seinem über den Rotor hinausragenden Abschnitt verjüngt und trägt mit diesem Abschnitt eine Wälzlagerung, mit welcher ein innerer, mit dem Stator nicht elektromagnetisch zusammenwirkender, zylindrischer Bereich des Rotors gelagert ist. Bei der Wälzlagerung handelt es sich beispielsweise um eine mehrreihige Lageranordnung, insbesondere in Form zweier Nadellager.
Der Innenring des Wellgenerators umgibt die Wälzlagerung konzentrisch, wobei er in bevorzugter Ausgestaltung von dieser beabstandet, das heißt durch einen Ringspalt getrennt, ist und der Wellgenerator in Radialrichtung durch einen zylindrischen Abschnitt des Abtriebselementes geführt ist. Dies bedeutet, dass der Innenring des Wellgenerators gegenüber der Wälzlagerung, welche zur Lagerung des Rotors des Elektromotors vorgesehen ist, Spiel hat.
In bevorzugter Bauform ist der Innenring des Wellgenerators unter Ermöglichung eines Radialversatzes mit dem Rotor des Elektromotors gekoppelt, wobei sich der Wellgenerator einschließlich des Innenrings auf der offenen Seite des topfförmigen Abtriebselementes des Wellgetriebes befindet. Zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem Innenring des Wellgenerators ist optional eine Ausgleichskupplung, insbesondere in Form einer Oldham-Kupplung, angeordnet, welche in gewünschter Weise einen beschränkten Achsversatz zwischen dem Rotor und dem Innenring zulässt und zugleich in Umfangsrichtung steif ist. Als zwischen dem Rotor des Elektromotors und dem Innenring des Wellgenerators wirksame Ausgleichskupplung ist auch eine Einfingerkupplung geeignet.
Das insgesamt topfförmige Abtriebselement weist einen Bodenabschnitt auf, durch welchen eine zur Befestigung an einer zu verstellenden Welle vorgesehene Zentralschraube hindurchführbar ist, deren Kopf im als Durchgangsbohrung gestalteten Hohlraum des Stators angeordnet ist. Dank des durchgehenden Hohlraums des Stators ist die gesamte Verstellvorrichtung, das heißt die Baueinheit aus Elektromotor und Stellgetriebe einschließlich Wellgenerator, als Ganzes mittels der Zentralschraube an der zu verstellenden Welle montierbar.
Der Stator ist innerhalb der Verstellvorrichtung beispielsweise durch eine Montageplatte oder ein Gehäuseelement gehalten, wobei auf einer ersten Stirnseite der Montageplatte beziehungsweise des Gehäuseelementes ein aus Kunststoff gefertigtes Steckergehäuse befestigt ist und auf der gegenüberliegenden Stirnseite optional eine Drehwinkelsensorik axial zwischen der Montageplatte und dem Rotor des Elektromotors angeordnet ist.
Die Verstellvorrichtung ist unter anderem zur Verwendung in einer Vorrichtung zu Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine geeignet. Ebenso ist die Verstellvorrichtung als elektrischer Nockenwellenversteller eines Verbrennungsmotors verwendbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:

1 eine Verstellvorrichtung in einer vereinfachten Schnittdarstellung.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Verstellvorrichtung umfasst ein Stellgetriebe 3, nämlich ein Wellgetriebe, sowie einen Elektromotor 2, nämlich BLDC-Motor, wobei der Elektromotor 2 in das Stellgetriebe 3 integriert ist.
Das Stellgetriebe 3 weist ein topfförmiges flexibles Getriebebauteil 4 auf, welches kurz auch als Flextopf bezeichnet wird. Ein im unverformten Zustand zylindrischer Abschnitt des Getriebebauteils ist mit 5, ein daran anschließender Bodenabschnitt mit 6 bezeichnet.
Auf der den Bodenabschnitt 6 abgewandten Stirnseite des flexiblen Getriebeelementes 4 ist am Außenumfang des zylindrischen Abschnitts 5 eine Außenverzahnung 7 ausgebildet. Die Außenverzahnung 7 greift partiell in eine Innenverzahnung 8 eines in sich starren Gehäusebauteils 9 ein, welches fest mit einer Umgebungskonstruktion verbunden ist. Ein zylindrischer Abschnitt 10 des Gehäusebauteils 9, welcher unmittelbar die Außenverzahnung 7 umgibt, schließt einstückig an einen Flansch 11 des Gehäusebauteils 9 an. Mit dem Gehäusebauteil 9 ist ein weiteres Gehäuseelement 12 verbunden, welches wiederum mit einem Steckergehäuse 13 verbunden ist.
Das flexible Getriebebauteil 4 des Wellgetriebes 3 fungiert als Abtriebselement des Wellgetriebes 3 und ist fest verbunden mit einer Welle 14, nämlich einer Exzenterwelle einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors. Das Abtriebselement 4 ist mit einer Zentralschraube 15 an der Welle 14 befestigt, wobei sich ein Kopf 16 der Zentralschraube 15 im Innenraum des Wellgetriebes 3 befindet.
Auf der der Zentralschraube 15 gegenüberliegenden Stirnseite des Wellgetriebes 13 ist dieses durch eine Abdeckscheibe 17 abgedeckt, welche eine zentrale Öffnung 18 aufweist. Durch diese zentrale Öffnung 18 hindurch ist, solange das Steckergehäuse 13 nicht auf das Wellgetriebe 3 aufgesetzt ist, ein Werkzeug am Kopf 16 der Zentralschraube 15 ansetzbar, wobei die Zentralschraube 15 durch eine Öffnung 19 im Bodenabschnitt 6 des Abtriebselementes 4 durchgesteckt ist.
Der Elektromotor 2, welcher in dem durch das Wellgetriebe 3 einschließlich des Abtriebselementes 4 beanspruchten Bauraum integriert ist, weist einen Stator 20 auf, welcher starr mit dem Gehäusebauteil 9, der Abdeckscheibe 17, sowie dem Gehäuseelement 12 verbunden ist. Der Stator 20 wirkt zusammen mit einem Rotor 21, welcher mehrere Magnete 22, nämlich Permanentmagnete, trägt. Der gesamte Stator 20 ist als ringförmiges, hohles Bauteil gestaltet, wobei sich dessen Hohlraum als Durchgangsbohrung von der Öffnung 18 bis zur Öffnung 19 erstreckt und sich in dieser Richtung stufenartig mehrfach aufweitet. Sowohl der Innenumfang als auch der Außenumfang des Stators 20 ist durch eine Kunststoffumspritzung gebildet, welche bestrombare, mit dem Magneten 22 des Rotors 21 zusammenwirkende Spulen umgibt.
Prinzipiell vergleichbar mit dem Stator 20 weist auch der Rotor 21 eine ringförmige, gestufte Form auf, wobei eine Aufweitung von derjenigen Stirnseite, an welcher sich das Steckergehäuse 13 befindet, zu derjenigen Stirnseite, an welcher die Welle 14 angeschlossen ist, gegeben ist. Ein äußerer zylindrischer Bereich des Rotors 21, an dessen Innenseite die Magneten 22 gehalten sind, ist mit 23 bezeichnet. Der äußere zylindrische Bereich 23 ist über ein Zwischenstück 25 fest verbunden mit einem inneren zylindrischen Bereich 24, in welchem keine elektromagnetische Funktion des Rotors 21 gegeben ist.
Der innere zylindrische Bereich 24 ist mittels einer zweireihigen Nadellagerung 26, allgemein als Wälzlagerung bezeichnet, rotierbar auf dem Stator 20 gelagert. Hierbei rollen Nadeln 28 der Nadellagerung 26 auf einer Blechhülse 27 ab, welche den Stator 20 unmittelbar umgibt.
Der innere zylindrische Bereich 24 ist unter Bildung eines Ringspaltes radial umgeben von einem Wellgenerator 29. Der Wellgenerator 29 umfasst ein Kugellager 30 mit einem Innenring 31, welcher drehfest mit dem Rotor 21 gekoppelt ist. Zu diesem Zweck weist der Innenring 31 eine dem Zwischenstück 25 zugewandte Innenringerweiterung 32 auf, welche in eine Aufnahme 33 des Zwischenstücks 25 eingreift, die damit eine Kopplungsvorrichtung zwischen dem Rotor 21 und dem Innenring 31 bildet. Bei der Kopplungsvorrichtung 33 handelt es sich um eine Ausgleichskupplung, durch die eine drehfeste Verbindung zwischen dem Rotor 21 und dem Innenring 31 unter gleichzeitiger Ermöglichung eines Achsversatzes zwischen den genannten Teilen 21,31 hergestellt ist.
Die mit 34 bezeichneten Kugeln des Kugellagers 30 kontaktieren einen Außenring 35, welcher im Gegensatz zum Innenring 31 elastisch nachgiebig ist. Hierdurch passt sich der Außenring 35 permanent der elliptischen, nicht kreisrunden Form des Innenrings 31 des Wellgenerators 29 an. Auf diese Weise wird die Außenverzahnung 7 des Abtriebselementes 4 lediglich in zwei einander diametral gegenüberliegenden Abschnitten in Eingriff mit der Innenverzahnung 8 des als Hohlrad ausgebildeten Gehäuseelementes 12 gebracht. Im Übrigen ist die Außenverzahnung 7 von der Innenverzahnung 8 abgehoben. Eine geringfügig unterschiedlich Zahl an Zähnen der Innenverzahnung 8 einerseits und der Außenverzahnung 7 andererseits sorgt in prinzipiell bekannter Weise dafür, dass bei einer vollen Umdrehung des Rotors 21 das Abtriebselement 4 geringfügig gegenüber der gehäusefesten Anordnung, welche das Hohlrad 12, das Gehäuseelement 12, sowie das Steckergehäuse 13 umfasst, verdreht wird. Das Wellgetriebe 3 fungiert damit als hochuntersetztes Stellgetriebe.
Die Winkelposition des Rotors 21 ist mit Hilfe einer Drehwinkelsensorik 36 detektierbar, welche axial zwischen dem Steckergehäuse 13 und dem Wellgenerator 29 angeordnet ist. Die Drehwinkelsensorik 36 ist als platinenbasierte Durchstecklösung realisiert und befindet sich auf der dem Rotor 21 zugewandten Stirnseite des Gehäuseelementes 12.
Bezugszeichenliste

1: Verstellvorrichtung
2: Elektromotor
3: Stellgetriebe, Wellgetriebe
4: flexibles Getriebebauteil, Abtriebselement
5: zylindrischer Abschnitt
6: Bodenabschnitt
7: Außenverzahnung
8: Innenverzahnung
9: Gehäusebauteil
10: zylindrischer Abschnitt
11: Flansch
12: Gehäuseelement, Hohlrad
13: Steckergehäuse
14: Welle, Exzenterwelle
15: Zentralschraube
16: Kopf
17: Abdeckscheibe
18: Öffnung in der Abdeckscheibe
19: Öffnung in dem Bodenabschnitt
20: Stator
21: Rotor
22: Magnet
23: äußerer zylindrischer Bereich
24: innerer zylindrischer Bereich
25: Zwischenstück
26: Wälzlagerung, Nadellager
27: Blechhülse
28: Nadel
29: Wellgenerator
30: Kugellager
31: Innenring
32: Innenringerweiterung
33: Aufnahme, Kopplungsvorrichtung
34: Kugel
35: Außenring
36: Drehwinkelsensorik

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102015204420 A1 [0002]
DE 102011083798 A1 [0003]
DE 102006007584 A1 [0003]
DE 4110195 C2 [0003]
DE 2007054546 A1 [0004]

Claims

Verstellvorrichtung, mit einem Stellgetriebe (3), nämlich Wellgetriebe, und einem Elektromotor (2), wobei ein Rotor (21) des Elektromotors (2) als Außenläufer ausgebildet und zur Betätigung eines Wellgenerators (29) des Wellgetriebes (3) vorgesehen ist, und wobei ein durch den Wellgenerator (29) verformbares Abtriebselement (4) des Wellgetriebes (3) eine Topfform aufweist und den Rotor (21) zumindest in radialer Richtung überragt, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) einen hohlen, ringförmigen Stator (20) aufweist und der Rotor (21) des Elektromotors (2) drehfest mit einem gesonderten Innenring (31) des Wellgenerators (29) gekoppelt ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (29) als bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich der Stator (20) in Axialrichtung des Elektromotors (2) über einen elektromagnetisch mit dem Stator (20) zusammenwirkenden, insbesondere Magnete (22) tragenden, Bereich (23) des Rotors (21) hinaus erstreckt.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) in seinem über den Rotor (21) hinausragenden Abschnitt verjüngt ist und eine Wälzlagerung (26) trägt, mittels der ein innerer, mit dem Stator (20) nicht elektromagnetisch zusammenwirkender, zylindrischer Bereich (24) des Rotors (21) gelagert ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlagerung (26) mehrreihig ausgebildet ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (31) des Wellgenerators (29) die Wälzlagerung (26) konzentrisch umgibt, wobei er von dieser beabstandet ist und der Wellgenerator (29) radial durch einen zylindrischen Abschnitt (5) des Abtriebselementes (4) geführt ist.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenring (31) des Wellgenerators (29) unter Ermöglichung eines Radialversatzes mit dem Rotor (21) des Elektromotors (2) gekoppelt ist.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass durch einen Bodenabschnitt (6) des topfförmigen Abtriebselementes (4) eine zur Befestigung an einer zu verstellenden Welle (14) vorgesehene Zentralschraube (15) gesteckt ist, deren Kopf (16) im Hohlraum des Stators (20) angeordnet ist.
Verstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (20) durch ein Gehäuseelement (12) gehalten ist, wobei auf einer Stirnseite des Gehäuseelementes (12) ein Steckergehäuse (13) mit diesem verbunden ist und auf der gegenüberliegenden Stirnseite eine Drehwinkelsensorik (36) axial zwischen dem Gehäuseelement (12) und dem Rotor (21) des Elektromotors (2) angeordnet ist.
Verwendung einer Verstellvorrichtung nach Anspruch 1 in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenmaschine.