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Die Erfindung betrifft einen zur Betätigung einer konzentrischen Nockenwelleneinrichtung geeigneten Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Ein derartiger Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
WO 2013/ 128 295 A2 bekannt. Der Nockenwellenversteller weist ein Antriebsrad auf, welches fest mit einer äußeren Nockenwelle verbunden ist. Eine innere Nockenwelle ist dagegen mit einem Abtriebselement des Nockenwellenverstellers verbunden. Als Stellgetriebe ist ein Wellgetriebe in den Nockenwellenversteller integriert.
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Weitere Nockenwelleneinrichtungen, welche konzentrisch zueinander angeordnete, relativ zueinander verstellbare Nockenwellen umfassen, sind zum Beispiel in den Dokumenten
WO 2009/ 067 789 A1 ,
US 6 302 073 B1 und
DE 10 2013 210 003 A1 offenbart. Eine gattungsgemäße Nockenwelleneinrichtung geht aus
WO 95/ 00 748 A1 hervor.
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Eine konzentrische Anordnung zweier Nockenwellen eines Verbrennungsmotors wird auch als Cam-In-Cam-Nockenwelle bezeichnet. Eine solche Anordnung, mit welcher verschiedene Nocken gegeneinander verdreht werden können, ermöglicht in vielfältiger Weise die Variation von Steuerzeiten des Verbrennungsmotors. Die Nocken der Cam-In-Cam-Nockenwelle können hierbei mit Einlassventilen oder Auslassventilen des Verbrennungsmotors zusammenwirken.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten Nockenwellenversteller für eine konzentrische Nockenwellenanordnung anzugeben, welcher sich durch ein besonders günstiges Verhältnis zwischen beanspruchtem Bauraum, Montagefreundlichkeit und erreichbarer Verstellgeschwindigkeit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie alternativ durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 4. Der zur Betätigung einer konzentrischen Nockenwelleneinrichtung ausgebildete Nockenwellenversteller umfasst ein als Wellgetriebe ausgebildetes Stellgetriebe, einen zur Betätigung des Stellgetriebes vorgesehenen Elektromotor, ein zur Verbindung mit einer Außenwelle, das heißt äußeren Nockenwelle, vorgesehenes Gehäuseelement, welches starr, insbesondere einstückig, mit einem Antriebsrad des Nockenwellenverstellers verbunden ist, sowie ein zur Verbindung mit einer Innenwelle, das heißt inneren Nockenwelle, vorgesehenes, als Hohlrad ausgebildetes Abtriebselement.
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Erfindungsgemäß ist der Elektromotor über ein Motoranbindungselement drehfest mit dem Gehäuseelement verbunden. Dies bedeutet, dass sich das Gehäuse des Elektromotors mit dem Antriebsrad, welches insbesondere als Ketten- oder Riemenrad ausgebildet sein kann, mitdreht. Gegenüber herkömmlichen Anordnungen hat dies wesentliche Vorteile hinsichtlich der Abdichtung des Nockenwellenverstellers. Zwischen dem Gehäuse des Elektromotors, dem Motoranbindungselement und dem drehbaren Gehäuseelement des Nockenwellenverstellers sind lediglich statische Dichtungen erforderlich, sofern der durch das Motoranbindungselement begrenzte Raum, in welchem sich das Stellgetriebe befindet, abgedichtet werden soll. Das Motoranbindungselement kann fest mit dem Gehäuse des Elektromotors verbunden oder einteilig mit diesem Gehäuse ausgeführt sein. In jedem Fall ist der gesamte Elektromotor einschließlich des Motoranbindungselementes raumsparend in den Nockenwellenversteller integrierbar.
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Ein weiterer Vorteil des mit dem Antriebsrad mitdrehenden Elektromotorgehäuses liegt darin, dass keine Drehmomentabstützung des Elektromotors, etwa an einer Motorwand des Verbrennungsmotors, erforderlich ist. Ebenso ist keine Notwendigkeit gegeben, das Motorgehäuse des Elektromotors relativ zur Motorwand des Verbrennungsmotors zu zentrieren. Vielmehr wird über das Motoranbindungselement ein Drehmoment zwischen dem Gehäuse des Elektromotors und dem von der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors in Rotation versetzten Antriebselement des Nockenwellenverstellers übertragen.
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In der ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Elektromotor des Nockenwellenverstellers eine Motorwelle auf, welche über eine Kupplung mit einem Innenring eines Wellgenerators des Stellgetriebes gekoppelt ist, wobei die Kupplung als Ausgleichskupplung ausgebildet ist. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die Dokumente
DE 10 2012 105 284 B4 ,
DE 10 2015 007 956 A1 ,
DE 10 2015 203 895 A1 und
DE 10 2015 205 272 A1 hingewiesen.
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Gemäß einer möglichen Ausgestaltung ist die Kupplung, welche zur Drehmomentübertragung zwischen dem Elektromotor und dem Wellgetriebe vorgesehen ist, als topfförmiges Blechteil gestaltet. Mit geeigneter Dimensionierung und Materialwahl kann eine Ausgleichsfunktion, was einen axialen oder radialen Versatz zwischen der Motorwelle des Elektromotors und dem anzutreibenden Element, insbesondere Innenring, des Wellgenerators sowie Verkippungen zwischen den genannten Elementen betrifft, unmittelbar durch die topfförmige Kupplung bereitgestellt werden.
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In besonders montagefreundlicher Gestaltung weist die Kupplung Öffnungen auf, welche in einer Montageposition des Nockenwellenverstellers sowohl mit inneren Bohrungen, die sich in einem Boden des Abtriebselementes befinden, als auch mit inneren Bohrungen im Motoranbindungselement fluchten. Durch diese Bohrungen hindurch können Schrauben festgezogen werden, mit welchen das Abtriebselement mit der inneren Welle der Nockenwellenanordnung verbunden wird.
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Das als Wellgetriebe ausgebildete Stellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem nachgiebigen Getriebeelement. In einer zweiten Ausführungsform der Erfindung Ist dieses Getriebeelement als Kragenhülse ausgebildet, so ist dessen Kragen vorzugsweise zusammen mit dem Motoranbindungselement am rotierbaren Gehäuseelement befestigt. Analog zur topfförmigen Kupplung weist die Kragenhülse vorzugsweise Bohrungen in ihrem Kragen auf, welche mit weiteren Bohrungen, die sich einerseits im Abtriebselement und andererseits im Motoranbindungselement befinden, fluchten. Durch diese Bohrungen hindurch können Schrauben festgezogen werden, welche das Gehäuseelement des Nockenwellenverstellers mit der äußeren Welle der Nockenwellenanordnung verbinden. Der gesamte, den Elektromotor sowie das Stellgetriebe umfassende Nockenwellenversteller ist damit als komplette Einheit auf einfache Weise mit der Nockenwellenanordnung verbindbar.
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Aufgrund des drehenden Gehäuses des Elektromotors ist eine Energieübertragung zwischen rotierenden Teilen und feststehenden Teilen einer Umgebungskonstruktion erforderlich. Dies ist in an sich bekannter Weise beispielsweise mit Hilfe von Schleifkontakten möglich. In diesem Zusammenhang wird auf die
US 8 997 705 B2 hingewiesen, welche einen variablen Ventiltrieb offenbart, der einen Elektromotor mit einem rotierenden, mit einem Antriebsrad verbundenen Gehäuse umfasst, wobei Schleifkontakte zwischen rotierenden und nicht rotierenden Komponenten vorhanden sind.
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Eine Energieversorgung rotierender Teile des Nockenwellenverstellers ist jedoch auch kontaktlos, beispielsweise induktiv, möglich. Ebenso ist es möglich, in den Elektromotor eine Batterie zu integrieren, welche bei Stillstand des Verbrennungsmotors über einen Kontaktierungsmechanismus, der automatisch geschlossen wird, aufladbar ist.
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Statt das Gehäuse des Elektromotors mit der äußeren Welle der Nockenwellenanordnung zu verbinden, ist es in äquivalenter Weise auch möglich, eine Verbindung des Elektromotors mit der inneren Welle vorzusehen. In diesem Fall ist das Abtriebshohlrad des Stellgetriebes drehfest mit der äußeren Welle der Nockenwellenanordnung verbunden.
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
- 1 einen Nockenwellenversteller in einer Schnittdarstellung.
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Ein Nockenwellenversteller 1 ist zur Betätigung einer Nockenwelleneinrichtung 2 vorgesehen, welche eine äußere Nockenwelle 3, das heißt Außenwelle, und eine innere Nockenwelle 4, das heißt Innenwelle, umfasst. Hierbei ist ein Gehäuseelement 5 des Nockenwellenverstellers 1, welches einstückig mit einem Antriebsrad 6, nämlich Kettenrad, ausgebildet ist, mit Hilfe von Schrauben 7 fest mit der äußeren Nockenwelle 3 verbunden. An Stelle des Kettenrades 6 könnte auch ein Riemenrad oder ein Zahnrad als Antriebselement des Nockenwellenverstellers 1 vorgesehen sein.
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Auf der der Nockenwelleneinrichtung 2 abgewandten Seite sind in das Gehäuseelement 5 Schrauben 8 eingeschraubt. Mit den Schrauben 8 ist unter anderem ein Motoranbindungselement 9 am Gehäuseelement 5 befestigt. Beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1, welcher Teil eines Verbrennungsmotors, nämlich Hubkolbenmotors, ist, rotiert somit das Motoranbindungselement 9 zusammen mit dem Antriebsrad 6 mit halber Kurbelwellendrehzahl des Verbrennungsmotors. Das Motoranbindungselement 9 ist fest verbunden mit einem Gehäuse eines Elektromotors 12, welcher in den Nockenwellenversteller 1 integriert ist. Eine statische Abdichtung zwischen dem Motoranbindungselement 9 und dem Gehäuse des Elektromotos 12 ist in 1 nicht dargestellt. Gleiches gilt für eine statische Abdichtung zwischen dem Motoranbindungselement 9 und dem Gehäuseelement 5. Das Motoranbindungselement 9 begrenzt einen Innenraum IR, in welchem sich ein insgesamt mit 40 bezeichnetes Stellgetriebe des Nockenwellenverstellers 1 befindet. Äußere Bohrungen 10 und innere Bohrungen 11 im Motoranbindungselement 9 können mit nicht dargestellten Stopfen verschlossen werden, um den Innenraum IR zu verschließen.
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Der als Ganzes rotierende Elektromotor 12 weist Schleifkontakte 13 auf, über welche er mit elektrischer Energie versorgbar ist. Die Motorwelle des Elektromotors 12 ist mit 14 bezeichnet. Die mit R bezeichnete Rotationsachse der Motorwelle 14 ist mit der Mittelachse des Stellgetriebes 40 sowie des gesamten Nockenwellenverstellers 1 und mit der Rotationsachse der Nockenwelleneinrichtung 2 identisch.
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Das Stellgetriebe 40 ist als Wellgetriebe ausgeführt und weist ein nachgiebiges Getriebeelement 15 in Form einer Kragenhülse auf. Deren mit 16 bezeichneter Kragen geht an seinem inneren Rand in einen zylindrischen Abschnitt 17 über, wobei die zylindrische Form nur im ausgebauten, mechanisch nicht belasteten Zustand der Kragenhülse 15 gegeben ist. Der Kragen 16 ist zusammen mit dem Motoranbindungselement 9 mittels der Schrauben 8 am Gehäuseelement 5 befestigt. Im Kragen 16 befinden sich Bohrungen 18, die mit den äußeren Bohrungen 10 im Motoranbindungselement 9 fluchten. Weiter fluchten die Bohrungen 18 mit äußeren Bohrungen 24, die ein Abtriebshohlrad 21 des Stellgetriebes 40 durchziehen. Auf diese Weise ist die Möglichkeit gegeben, bei an die Nockenwelleneinrichtung 2 angesetztem Nockenwellenversteller 1 und geeigneter Stellung, das heißt Montageposition, des Stellgetriebes 40 die Schrauben 7 festzuzuziehen.
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Der zylindrische Abschnitt 17 des nachgiebigen Getriebeelementes 15 weist eine Au-ßenverzahnung 19 auf, die partiell, nämlich an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen, in eine Innenverzahnung 20 des Abtriebshohlrads 21 eingreift. Die Innenverzahnung 20 befindet sich in einem zylindrischen Bereich 22 des Abtriebshohlrades 21, welcher in einen nicht geschlossenen Boden 23 übergeht. Zusätzlich zu den äußeren Bohrungen 24 befinden sich im Boden 23 innere Bohrungen 25, durch welche Schrauben 26 durchgesteckt sind, die das Abtriebshohlrad 21 an der inneren Welle 4 fixieren.
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Die Motorwelle 14 des Elektromotors 12 ist fest verbunden mit einem Kupplungselement 28, das als topfförmiges Blechteil gestaltet ist. Das Kupplungselement 28 weist eine elastische Nachgiebigkeit aus, die jedoch geringer als die Nachgiebigkeit des Getriebeelementes 15 ausgeprägt ist. Im mit 29 bezeichneten Boden des Kupplungselementes 28 befinden sich Bohrungen 27, die in Montagestellung des Nockenwellenverstellers 1 sowohl mit den inneren Bohrungen 11 im Motoranbindungselement 9 als auch mit den inneren Bohrungen 25 im Abtriebshohlrad 21 fluchten.
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Der Boden 29 des Kupplungselementes 28 geht an seinem äußeren Rand in einen zylindrischen Bereich 30 über. Der zylindrische Bereich 30 des Kupplungselementes 28 befindet sich konzentrisch innerhalb des zylindrischen Abschnitts 17 des Getriebeelementes 15 und ist an seiner offenen Stirnseite mit einem Innenring 31 verbunden. Der Innenring 31 ist Teil eines Wälzlagers 32, welches einem Wellgenerator 33 zuzurechnen ist. Der Wellgenerator 33 umfasst weiterhin auf dem Innenring 31 abrollende Wälzkörper 34, nämlich Kugeln, die in einem Käfig 35 geführt sind, sowie einen Außenring 36. Der Außenring 36 ist im Gegensatz zum Innenring 31 elastisch nachgiebig und passt sich permanent dessen nicht kreisrunder Form an. Im Bereich der Großachse des elliptisch geformten Innenrings 31 wird die Außenverzahnung 19, welche den Außenring 36 ringförmig umgibt, in Eingriff mit der Innenverzahnung 20 des Abtriebshohlrads 21 gebracht. Eine geringfügig voneinander abweichende Zähnezahl der Innenverzahnung 20 einerseits und Außenverzahnung 19 andererseits sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 31 in eine vergleichsweise geringe Verschwenkung zwischen den Nockenwellen 3, 4 umgesetzt wird.
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In einer Axialrichtung ist das Abtriebshohlrad 21 direkt am Gehäuseelement 5 in Form einer Gleitlagerung abgestützt. In der entgegengesetzten Axialrichtung wird eine Verlagerung des Abtriebshohlrades 21 durch einen Anschlagring 37 verhindert, welcher im Gehäuseelement 5 gehalten ist. Eine Radiallagerung ist unmittelbar zwischen dem Abtriebshohlrad 21 und dem Gehäuseelement 5 gegeben. Zugleich ist der Bereich, in welchem die Nockenwellen 3, 4 relativ zueinander verschwenkt werden können, durch Anschlagkonturen 38, 39 begrenzt, welche in das Abtriebshohlrad 21 beziehungsweise in das Gehäuseelement 5 integriert sind.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Nockenwelleneinrichtung
- 3
- äußere Nockenwelle
- 4
- innere Nockenwelle
- 5
- Gehäuseelement
- 6
- Antriebsrad, Kettenrad
- 7
- Schraube
- 8
- Schraube
- 9
- Motoranbindungselement
- 10
- äußere Bohrung
- 11
- innere Bohrung
- 12
- Elektromotor
- 13
- Schleifkontakt
- 14
- Motorwelle
- 15
- Nachgiebiges Getriebeelement, Kragenhülse
- 16
- Kragen
- 17
- zylindrischer Abschnitt
- 18
- Bohrung
- 19
- Außenverzahnung
- 20
- Innenverzahnung
- 21
- Abtriebshohlrad, Abtriebselement
- 22
- zylindrischer Bereich
- 23
- Boden
- 24
- äußere Bohrung
- 25
- innere Bohrung
- 26
- Schraube
- 27
- Bohrung
- 28
- Kupplungselement
- 29
- Boden
- 30
- zylindrischer Bereich
- 31
- Innenring
- 32
- Wälzlager
- 33
- Wellgenerator
- 34
- Wälzkörper
- 35
- Käfig
- 36
- Außenring
- 37
- Anschlagring
- 38
- Anschlagkontur
- 39
- Anschlagkontur
- 40
- Stellgetriebe
- IR
- Innenraum
- R
- Rotationsachse
