DE102017111223B3

DE102017111223B3 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102017111223B3
Application number: DE102017111223.5A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Weber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-05-23
Filing date: 2017-05-23
Publication date: 2018-09-13
Anticipated expiration: 2037-05-24
Also published as: WO2018215008A1

Abstract

Ein Nockenwellenversteller umfasst ein durch einen Elektromotor (4) betätigbares Stellgetriebe (3), welches ein mit einer zu verstellenden Nockenwelle (2) zu verbindendes Abtriebselement (27) aufweist, das gegenüber einem Antriebselement (5) begrenzt verschwenkbar ist. Die begrenzte Verschwenkbarkeit des Abtriebselementes (27) ist durch eine hermetisch dichte Verdrehwinkelbegrenzung (29) hergestellt.

Description

Die Erfindung betrifft einen eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement aufweisenden Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein derartiger Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der EP 2 638 257 B1 bekannt. Dieser bekannte Nockenwellenversteller weist ein Antriebshohlrad als Teil einer Antriebseinheit auf. Eine innere Mantelfläche des Antriebshohlrades bildet eine Gleitlagerfläche für eine äußere Mantelfläche einer Abtriebseinheit. Die Gleitlagerflächen sind durch Verdrehbegrenzungskonturen unterbrochen. Beispielsweise weist das Antriebshohlrad Taschen auf, in welche jeweils eine Nase eines Abtriebsrings, welcher Teil der Abtriebseinheit ist, eingreift. Die zwischen dem Antriebshohlrad und der Abtriebseinheit gegebene Gleitlagerung befindet sich hierbei radial weiter innen als Anschlagkonturen, welche durch die Taschen sowie durch die Nasen gegeben sind. Eine alternative, ebenfalls in der EP 2 638 257 B1 offenbarte Variante einer Verdrehwinkelbegrenzung eines Nockenwellenverstellers weist abtriebsseitige Taschen auf, in welche antriebsseitige Nasen eingreifen. In diesem Fall sind Gleitlagerflächen radial außerhalb von Anschlagkonturen, welche den Verdrehwinkel zwischen Antriebseinheit und Abtriebseinheit begrenzen, angeordnet.
Die DE 10 2011 004 070 A1 offenbart ein Drei-Wellen-Verstellgetriebe mit zwei mechanischen Anschlägen. Hierbei ist zwischen zwei der drei Wellen ein erster mechanischer Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen Antriebswelle und Abtriebswelle vorgesehen, während ein zweiter mechanischer Anschlag zwischen zwei anderen Wellen angeordnet ist.
Aus der WO 2012/110 131 A1 ist ein Drei-Wellen-Verstellgetriebe bekannt, welches zusätzlich zu einem mechanischen Anschlag zur Begrenzung eines Verstellwinkels eine in ein Stellglied integrierte Überlastkupplung aufweist.
Weitere für Nockenwellenversteller vorgesehene Vorrichtungen zur Begrenzung eines Verstellwinkels zwischen einem Antriebselement und einer mit einer Nockenwelle zu verbindenden Abtriebswelle sind zum Beispiel aus den Dokumenten WO 2010/020 508 A1 , US 8 061 310 B2 , DE 10 2004 062 072 A1 , US 7 644 691 B2 , DE 10 2008 022 931 A1 , DE 10 2004 062 037 A1 und DE 10 2011 004 069 A1 bekannt. DE 10 2016 105 651 A1 zeigt einen gattungsgemäßen Nockenwellenversteller.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten, eine Verdrehwinkelbegrenzung zwischen Antriebselement und Abtriebselement aufweisenden Nockenwellenversteller anzugeben, welcher besonders für die Verwendung in Verbrennungsmotoren geeignet ist, deren Nockenwellen mittels trockenlaufendem Riementrieb angetrieben sind.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser Nockenwellenversteller weist in an sich bekannter Grundkonzeption ein durch einen Elektromotor betätigbares Stellgetriebe auf, welches ein mit der zu verstellenden Nockenwelle zu verbindendes Abtriebselement umfasst, wobei das Abtriebselement gegenüber einem rotierbaren, insbesondere per Umschlingungsgetriebe antreibbaren Antriebselement begrenzt verschwenkbar ist. Die begrenzte Verschwenkbarkeit des Abtriebselementes gegenüber dem Antriebselement des Stellgetriebes ist durch eine hermetisch dichte Verdrehwinkelbegrenzung hergestellt. Unter einer hermetisch dichten Ausführung wird, analog zur üblichen Definition bei Pumpen und Kompressoren, eine Ausgestaltung verstanden, bei welcher eine Dichtheit zwischen zwei relativ zueinander bewegbaren Komponenten nicht durch Dichtelemente, etwa in Form einer schleifenden Dichtung, sondern durch Oberflächengeschlossenheit hergestellt ist.
Für die hermetisch dichte Ausgestaltung der Verdrehwinkelbegrenzung ist es ausreichend, wenn eines der beteiligten, Anschlagkonturen aufweisenden Teile, das heißt entweder ein antriebsseitiges Teil oder ein abtriebsseitiges Teil, im Bereich der Verdrehwinkelbegrenzung eine geschlossene Oberfläche aufweist. Vorzugsweise ist die Verdrehwinkelbegrenzung sowohl auf der Seite des Antriebselementes als auch auf der Seite des Abtriebselementes durch Konturen innerhalb einer geschlossenen Oberfläche gebildet.
Die Verdrehwinkelbegrenzung des Nockenwellenverstellers ist zwischen dem Abtriebselement und einem mit dem Antriebselement verbundenen Gehäuseelement hergestellt, wobei es sich bei dem Antriebselement vorzugsweise um ein Riemenrad handelt. In funktionell gleicher Weise kann das Gehäuseelement, welches Verdrehwinkelbegrenzungskonturen bereitstellt, und das Antriebselement als einstückiges Bauteil ausgebildet sein.
Das genannte Gehäuseelement, welches mit einem Antriebselement verbunden ist oder selbst als Antriebselement fungiert, ist vorzugsweise Teil eines Getriebegehäuses, welches mittels einer dynamischen Dichtung, insbesondere in Form einer berührenden Dichtung, gegenüber einem nicht rotierbaren Gehäuse des Elektromotors abgedichtet ist.
Verdrehwinkelbegrenzungskonturen, das heißt Anschlagkonturen, des Gehäuseelementes sind durch mindestens einen axialen Versatzbereich innerhalb einer geschlossenen Oberfläche des Gehäuseelementes gebildet. Die axialen Versatzbereiche können als segmentartige Vor- oder Rücksprünge gestaltet sein. Beispielsweise sind mehrere axiale Versatzbereiche gegenüber einem ansonsten ringscheibenförmigen Bereich der Oberfläche des Gehäuseelementes in Richtung zum Inneren des Stellgetriebes versetzt. Das im Inneren des Stellgetriebes angeordnete, mit den axialen Versatzbereichen des Gehäuseelementes im Sinne von in Umfangsrichtung wirksamen Anschlagelementen zusammenwirkende Abtriebselement ist beispielsweise als Hohlrad ausgebildet, welches einen Boden mit Vertiefungen aufweist, in die jeweils ein axialer Versatzbereich des Gehäuseelementes eingreift. Die Vertiefungen im Boden des Abtriebselementes sind vorzugsweise sacklochartig ausgebildet; die den Vertiefungen gegenüberliegende Oberfläche des Bodens des Abtriebselementes ist vorzugsweise plan.
Das als Abtriebselement des Stellgetriebes fungierende Hohlrad ist rationell aus Sinterstahl durch Pressen, Sintern und Kalibrieren herstellbar. Neben pulvermetallurgischen Verfahren sind auch spanabhebende Verfahren zur Herstellung des Hohlrades geeignet.
Das Gehäuseelement, welches mit dem Abtriebselement zusammenwirkende Anschlagkonturen im Sinne einer Verdrehwinkelbegrenzung aufweist, ist beispielsweise aus Stahlblech durch Umformen oder Ziehen herstellbar. Vorzugsweise weist dieses als Bleichteil gefertigte Gehäuseelement - prinzipiell vergleichbar mit dem als Hohlrad ausgebildeten Abtriebselement - eine Topfform auf.
Unabhängig von der Fertigungstechnologie, mit welcher das Gehäuseelement sowie das Abtriebselement hergestellt werden, können im Sinne eines Baukastenprinzips unterschiedliche, miteinander kompatible Typen von Gehäuseelementen und/oder Abtriebselementen produziert werden, welche sich hinsichtlich der Winkelbereiche, die durch die Verdrehwinkelbegrenzungskonturen freigegeben sind, voneinander unterscheiden.
Bei dem Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers handelt es sich vorzugsweise um ein Wellgetriebe. Ebenso sind andere als Dreiwellengetriebe konzipierte Getriebe, beispielsweise Planetengetriebe, Innenexzentergetriebe oder Taumelscheibengetriebe, als Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers verwendbar.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 einen Nockenwellenversteller in teilweise geschnittener Darstellung,
2 den Nockenwellenversteller in perspektivischer Ansicht,
3 und 4 ein Verdrehwinkelbegrenzungskonturen aufweisendes Gehäuseelement des Nockenwellenverstellers,
5 und 6 ein mit dem Gehäuseelement nach 3 und 4 zusammenwirkendes, Verdrehwinkelbegrenzungskonturen aufweisendes Abtriebselement, nämlich Hohlrad, des Nockenwellenverstellers.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektromechanischer Nockenwellenversteller, welcher zur Verstellung einer Nockenwelle 2 eines nicht weiter dargestellten Verbrennungsmotors vorgesehen ist, umfasst ein Stellgetriebe 3, nämlich Wellgetriebe, sowie einen Elektromotor 4. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Ein Antriebselement 5 des Stellgetriebes 3 ist als Riemenrad ausgebildet und rotiert in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Mit dem Antriebselement 5 ist mit Hilfe von Schrauben 6 ein mehrteiliges, aus Blech gefertigtes Getriebegehäuse 7 des Stellgetriebes 3 verbunden. Ein erstes, im Wesentlichen hutförmiges Gehäuseelement 8 des Getriebegehäuses 7 befindet sich auf der dem Elektromotor 4 zugewandten Seite des Stellgetriebes 3 und ist gegenüber einem Gehäuse 10 des Elektromotors 4 mit Hilfe einer berührenden Dichtung 11 abgedichtet. Das Gehäuseelement 8 begrenzt zusammen mit der Dichtung 11 und dem Gehäuse 10 des Elektromotors 4 einen Innenraum des Stellgetriebes 3, welcher zu seiner dem Elektromotor 4 gegenüberliegenden, das heißt der Nockenwelle 2 zugewandten Seite hin durch einen im Vergleich zum Gehäuseelement 8 komplexer geformtes Gehäuseelement 9, auf welches im Folgenden noch näher eingegangen wird, begrenzt ist.
Das Gehäuseelement 9 beschreibt in seinem äußersten, an dem Antriebselement 5 befestigten Bereich einen Flanschabschnitt 12, welcher gemeinsam mit dem Gehäuseelement 8 am Antriebselement 5 befestigt ist. An den radial inneren Rand des Flanschabschnitts 12 schließt sich ein äußerer zylindrischer Abschnitt 13 an, welcher sich in Axialrichtung über das Antriebselement 5 hinaus erstreckt. Der äußere zylindrische Abschnitt 13 wiederum geht über in einen zum Flanschabschnitt 12 im Wesentlichen parallelen Frontabschnitt 14, welcher das Getriebegehäuse 7 stirnseitig abschließt. Der Frontabschnitt 14 weist keine Durchbrechungen auf, ist also hermetisch dicht. An den inneren Rand des Frontabschnitts 14 schließt sich ein innerer zylindrischer Abschnitt 15 an, welcher zum äußeren zylindrischen Abschnitt 13 konzentrisch ist und unter Bildung eines Dichtspaltes 16, optional unter Verwendung einer nicht dargestellten Dichtung, gegenüber der Nockenwelle 2 abgedichtet ist. Im Vergleich zur Dichtung 11 treten beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 im Bereich des Dichtspaltes 16 lediglich in geringem Maße Relativverdrehungen zwischen den gegeneinander abzudichtenden Teilen auf. Im Übrigen ist der Innenraum des Stellgetriebes 3 durch Dichtringe 17, 18 statisch abgedichtet, welche in umlaufende Nuten in den Gehäuseelementen 8, 9 eingelegt sind.
Der Elektromotor 4 weist ein an das Gehäuse 10 anschließendes Steckergehäuse 19 auf und ist mit Hilfe einer Montageplatte 20, in welcher das Gehäuse 10 gehalten ist, in einer Umgebungskonstruktion befestigbar. Bei dem Elektromotor 4 handelt es sich in bevorzugter Ausgestaltung um einen bürstenlosen Gleichstrommotor. Die Rotation der mit 21 bezeichneten Motorwelle des Elektromotors 4 wird in an sich bekannter Weise, optional unter Zwischenschaltung einer Ausgleichskupplung, insbesondere in Form einer Oldham-Kupplung, auf einen Innenring 22 eines Wellgenerators 23 übertragen, welcher dem Stellgetriebe 3 zuzurechnen ist. Der Wellgenerator 23 weist ein Kugellager als Wälzlager 24 auf, dessen Außenring 25 im Gegensatz zum Innenring 22 elastisch nachgiebig ist. Durch eine nicht kreisrunde, elliptische Form des Innenrings 22 wird der Außenring 25 ebenfalls in eine unrunde Form gezwungen. Der Außenring 25 ist umgeben von einem als Kragenhülse ausgebildeten außenverzahnten flexiblen Getriebeelement 26. Die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 26 wird an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen in Eingriff mit einer Innenverzahnung gebracht, welche sich an einer zylindrischen Wandung eines Abtriebselementes 27 befindet. Das Abtriebselement 27 ist mit Hilfe einer Zentralschraube 28 an der Nockenwelle 2 befestigt. Eine geringfügig, nämlich um die Zahl zwei, unterschiedliche Zähneanzahl der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 26 einerseits und der Innenverzahnung des Abtriebselementes 27 andererseits sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung der Motorwelle 21 in Relation zum Getriebegehäuse 7 in eine lediglich geringe Verschwenkung der Nockenwelle 2 gegenüber dem Getriebegehäuse 7 und damit auch gegenüber dem Antriebselement 5 umgesetzt wird.
Die beschriebene Verschwenkung zwischen dem Abtriebselement 27, welches als Hohlrad ausgebildet ist, und dem Getriebegehäuse 7 ist limitiert durch eine Verdrehwinkelbegrenzung 29, welche durch den Frontabschnitt 14 des Gehäuseelementes 9 sowie durch einen mit 30 bezeichneten, im Wesentlichen ringscheibenförmigen Boden des Abtriebselementes 27 realisiert ist.
Ebenso wie der Frontabschnitt 14 ist auch der Boden 30 frei von Durchgangsöffnungen, das heißt hermetisch dicht.
Innerhalb des Frontabschnitts 14 sind drei gleichmäßig am Umfang verteilte axiale Versatzbereiche 31 erkennbar, welche Verdrehwinkelbegrenzungskonturen der Verdrehwinkelbegrenzung 29 darstellen. Bei den axialen Versatzbereichen 31 handelt es sich um Prägestrukturen, die auf der Außenseite des Getriebegehäuses 7 als Vertiefungen und im Innenraum des Stellgetriebes 3 als entsprechende Erhöhungen erscheinen. Die Axialen Versatzbereiche 31 wirken als Anschlagselemente der Verdrehwinkelbegrenzung 29 zusammen mit Vertiefungen 32, welche sich auf der Außenseite des Bodens 30 des Abtriebselementes 27 befinden. Ebenso wie der Frontabschnitt 14 bildet der Boden 30 eine geschlossene, im Wesentlichen ringscheibenförmige Oberfläche. Im Vergleich zu den axialen Versatzbereichen 31 erstrecken sich die Vertiefungen 32, wie beispielsweise aus einem Vergleich der 3 und 6 hervorgeht, über einen relativ großen Winkelbereich. Der Anschlag zwischen den axialen Versatzbereichen 31 und den Vertiefungen 32 in Umfangsrichtung des Stellgetriebes 3 kann in nicht dargestellter Weise gedämpft sein.
Im Gegensatz zur äußeren, mit dem Getriebegehäuse 7 im Sinne der Verdrehwinkelbegrenzung 29 zusammenwirkende Seite des Bodens 30 ist die Innenseite des Bodens 30, wie aus 5 hervorgeht, im Wesentlichen eben. Die plane Form der inneren Oberfläche des Bodens 30 wird lediglich unterbrochen durch drei sternförmig angeordnete Radialnuten 33, welche von einer zentralen Bohrung 34 ausgehen, durch die die Zentralschraube 28 gesteckt ist. Ferner ist in 5 die mit 35 bezeichnete Innenverzahnung des Abtriebselementes 27 erkennbar, welche in der beschriebenen Weise mit der Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 26 zusammenwirkt. Das gesamte als Hohlrad gestaltete Abtriebselement 27 einschließlich der Innenverzahnung 35 ist aus Sinterstahl gefertigt.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Nockenwelle
3: Stellgetriebe
4: Elektromotor
5: Antriebselement
6: Schrauben
7: Getriebegehäuse
8: Gehäuseelement
9: Gehäuseelement
10: Gehäuse
11: Dichtung
12: Flanschabschnitt
13: Äußerer zylindrischer Abschnitt
14: Frontabschnitt
15: Innerer zylindrischer Abschnitt
16: Dichtspalt
17: Dichtring
18: Dichtring
19: Steckergehäuse
20: Montageplatte
21: Motorwelle
22: Innenring
23: Wellgenerator
24: Wälzlager
25: Außenring
26: Flexibles Getriebeelement
27: Abtriebselement
28: Zentralschraube
29: Verdrehwinkelbegrenzung
30: Boden
31: Axialer Versatzbereich
32: Vertiefung
33: Radialnut
34: Zentrale Bohrung
35: Innenverzahnung

Claims

Nockenwellenversteller, mit einem durch einen Elektromotor (4) betätigbaren Stellgetriebe (3), welches ein mit einer zu verstellenden Nockenwelle (2) zu verbindendes Abtriebselement (27) aufweist, das gegenüber einem Antriebselement (5) begrenzt verschwenkbar ist, wobei die begrenzte Verschwenkbarkeit des Abtriebselementes (27) durch eine hermetisch dichte Verdrehwinkelbegrenzung (29) hergestellt ist, die zwischen dem Abtriebselement (27) und einem mit dem Antriebselement (5) verbundenen Gehäuseelement (9) hergestellt ist, dadurch gekennzeichnet, dass Verdrehwinkelbegrenzungskonturen des Gehäuseelementes (9) durch mindestens einen axialen Versatzbereich (31) innerhalb einer geschlossenen Oberfläche des Gehäuseelementes (9) gebildet sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (9) Teil eines Getriebegehäuses (7) ist, welches mittels einer dynamischen Dichtung (11) gegenüber einem Gehäuse (10) des Elektromotors (4) abgedichtet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass mehrere axiale Versatzbereiche (31) gegenüber einem ansonsten ringscheibenförmigen Bereich der Oberfläche des Gehäuseelementes (9) in Richtung zum Inneren des Stellgetriebes (3) versetzt sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (27) als Hohlrad ausgebildet ist, welches einen Boden (30) mit Vertiefungen (32) aufweist, in welche jeweils ein axialer Versatzbereich (31) des Gehäuseelementes (9) eingreift.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Boden (30) des Abtriebselementes (27) auf seiner den Vertiefungen (32) gegenüberliegenden Seite plan ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuseelement (9) als topfförmiges Blechelement ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (27) als Sinterteil ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass als Stellgetriebe (3) ein Wellgetriebe vorgesehen ist.