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Stand der Technik
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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Nockenwellenphasensteller. Außerdem betrifft die Erfindung eine Nockenwelle, die einen solchen Nockenwellenphasensteller aufweist. Schließlich betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor, wobei der Verbrennungsmotor einen Nockenwellenphasensteller aufweist.
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Aus dem Stand der Technik sind elektromechanische Nockenwellenphasensteller bekannt. Solche elektromechanischen Nockenwellenphasensteller sind beispielsweise in der
DE 41 10 195 A1 oder in der
EP 2 0 254 058 B1 gezeigt.
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Nockenwellenphasensteller dienen zum Verstellen der Nockenwelle. Eine Nockenwelle ist üblicherweise fest mit einer Kurbelwelle verbunden, um synchron mit der Kurbelwelle zu rotieren. Die Rotationsgeschwindigkeit der Nockenwelle muss aber nicht zwangsläufig mit der Rotationsgeschwindigkeit der Kurbelwelle übereinstimmen. Wird die Nockenwelle verstellt, so bedeutet dies, dass die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle verdreht wird.
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Der elektromechanische Nockenwellenphasensteller umfasst einen elektrischen Stellmotor und ein hochübersetztes Getriebe. Typische Bauarten dieses Getriebes sind Exzentergetriebe, Taumelscheibengetriebe und Harmonic-Drive-Getriebe. Diese sogenannten mitlaufenden Systeme müssen, um die Position zu halten, mit der Nockenwellendrehzahl mitdrehen. Soll die Nockenwelle verstellt werden, so muss eine andere Drehzahl als die Nockenwellendrehzahl aufgeprägt werden.
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Aus der
DE 10 2013 215 816 B3 ist ein Getriebe bekannt, welches ein Dreiwellengetriebe als Exzentergetriebe mit einem positiven Übersetzungsverhältnis ist. Sollte in dem Nockenwellenphasensteller ein Fehler auftreten, wie insbesondere ein Lagerproblem oder ein ungewolltes Bremsen bei der Ansteuerung durch den Stellmotor, so kann die Position des Phasenstellers und damit der Nockenwelle unerwünscht verändert werden. Somit werden Ventilsteuerzeiten unerwünscht variiert, was bei dem genannten Getriebe mit positivem Übersetzungsverhältnis stets zu einer Verstellung der Nockenwelle nach spät führt. Allerdings wird ein zu weites Verstellen durch einen entsprechenden Anschlag verhindert, sodass die Verstellung nach spät begrenzt ist.
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Offenbarung der Erfindung
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Durch den erfindungsgemäßen Nockenwellenphasensteller ist auch bei großen Verstellbereichen sichergestellt, dass im Fehlerfall der Verbrennungsmotor weiterhin betrieben werden kann. So ist insbesondere bei vergrößerten Verstellbereichen der aus dem Stand der Technik bekannte Spätanschlag nicht mehr praktikabel. Durch den Nockenwellenphasensteller ist sichergestellt, dass ein Fehlerfall, in dem der Stellmotor langsamer dreht als vorgesehen, die Nockenwelle stets in Richtung früh verstellt und somit durch einen Frühanschlag begrenzt ist. Dies ist insbesondere daher vorteilhaft, da eine langsamere Rotation als die Nockenwelle durch den Stellmotor ein kritischer Fehlerfall ist. Der gegenteilige Effekt, dass der elektrische Antrieb schneller als gewünscht dreht, ist ein unkritischer Fehlerfall, der leicht zu erkennen und zu beheben ist. Durch den erfindungsgemäßen Phasensteller wird somit eine unzulässige Spätverstellung sicher verhindert. Insbesondere kann bei zu hohen Spätverstellungen, die hauptsächlich für einen Dekompressions-Direktstart des Verbrennungsmotors vorgesehen sind, zu Fehlfunktionen und Ausfällen des Verbrennungsmotors kommen.
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Der erfindungsgemäße Nockenwellenphasensteller umfasst ein Überlagerungsgetriebe mit einem ersten Eingang, einem zweiten Eingang und einem Ausgang. Das Überlagerungsgetriebe ist somit ein Dreiwellengetriebe. Dabei ist vorgesehen, dass der Ausgang eine Überlagerung des ersten Eingangs und des zweiten Eingangs ist. Der erste Eingang ist mit einer Kurbelwelle, der zweite Eingang mit einem Verstellmotor und der Ausgang mit einer Nockenwelle verbindbar. Somit dient der erste Eingang zum Antreiben der Nockenwelle synchron zu einer Kurbelwelle. Der zweite Eingang dient zum Verstellen der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle, wobei insbesondere vorgesehen ist, dass der Verstellmotor den zweiten Eingang mit derselben Drehzahl antreibt mit der auch die Kurbelwelle den ersten Eingang antreibt, um keine Verstellung der Nockenwelle zu erhalten. Durch schnelleres oder langsameres Antreiben des zweiten Eingangs lässt sich die Nockenwelle gegenüber ihrer Ausgangslage verstellen. Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Überlagerungsgetriebe derart ausgebildet ist, dass dieses ein negatives Übersetzungsverhältnis aufweist. Unter negativem Übersetzungsverhältnis ist zu verstehen, dass die Nockenwelle in Richtung spät verstellt wird, wenn der zweite Eingang eine höhere Drehzahl als der erste Eingang aufweist. Die Nockenwelle wird dann in eine Richtung verstellt, die der üblichen Rotationsrichtung der Nockenwelle entgegensteht. Das negative Übersetzungsverhältnis führt somit dazu, dass der kritische Fehlerfall, dass der zweite Eingang aufgrund von Störungen zu langsam dreht, nicht zu einer Verstellung der Nockenwelle in Richtung spät führen kann. Vielmehr wird durch den Fehlerfall die Nockenwelle in Richtung früh verstellt. Da eine zu starke Verstellung in Richtung spät zu Fehlfunktionen oder Ausfällen eines Verbrennungsmotors führen kann, ist somit sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor zumindest in einem Notbetrieb weiter betrieben werden kann.
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Bei einem negativen Übersetzungsverhältnis muss somit für eine Verstellung nach spät der zweite Eingang schneller als der erste Eingang angetrieben werden. Bei positivem Übersetzungsverhältnis müsste für eine Verstellung nach spät der zweite Eingang langsamer als der erste Eingang angetrieben werden. Eine Verstellung nach spät bedeutet, dass die Nockenwelle entgegen ihrer üblichen Drehrichtung verstellt wird. Dies führt dazu, dass Ventile des Verbrennungsmotors, die durch die Nockenwelle angetrieben werden, später einen Ventilhub ausführen.
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Die Unteransprüche haben bevorzugte Weiterbildungen der Erfindung zum Inhalt.
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Das Überlagerungsgetriebe ist vorteilhafterweise ein Exzentergetriebe. Durch ein Exzentergetriebe ist eine hohe Übersetzung möglich, wobei das Exzentergetriebe zwei Eingänge und einen Ausgang aufweist. Durch Wahl der Drehzahlverhältnisse zwischen den beiden Eingängen lässt sich somit eine Verstellung der Nockenwelle erreichen. Dabei ist das Überlagerungsgetriebe einfach und aufwandsarm zu fertigen und robust in dem Nockenwellenphasensteller zu betreiben.
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Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Überlagerungsgetriebe ein Exzenterrad umfasst. Das Exzenterrad ist von einem Exzenter antreibbar, wobei der Exzenter mit dem zweiten Eingang gekoppelt ist. Außerdem ist vorgesehen, dass das Exzenterrad in ein Hohlrad eingreift, wobei das Hohlrad mit dem ersten Eingang gekoppelt ist. Das Exzenterrad selbst ist mit dem Ausgang über ein Kopplungselement gekoppelt. Drehen der erste Eingang und der zweite Eingang jeweils gleich schnell, so erfolgt keinerlei Verstellung der Nockenwelle, da das Exzenterrad gegenüber dem Hohlrad keinerlei Relativbewegung aufweist. Erst wenn der erste Eingang und der zweite Eingang mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten drehen, erfolgt ein Verstellen der Nockenwelle, da das Exzenterrad gegenüber dem Hohlrad eine Relativgeschwindigkeit aufweist. Somit erfolgt eine Überlagerung der Bewegungen des ersten Eingangs und des zweiten Eingangs, was zu einem schnelleren oder langsameren Rotieren des Ausgangs führt. Rotiert der Ausgang schneller oder langsamer als der erste Eingang, so ist die Drehzahl der Nockenwelle nicht synchron mit der Drehzahl der Kurbelwelle. Es erfolgt somit eine Verstellung der Nockenwelle so lange, bis sich die Drehzahlen von erstem Eingang und zweitem Eingang wieder angleichen. Die Nockenwelle kann somit auf einfache Art und Weise verstellt werden, dass der Ausgang des Überlagerungsgetriebes mit dem Exzenterrad gekoppelt ist, wobei der Ausgang mit der Nockenwelle verbindbar ist, führt zu dem zuvor beschriebenen negativen Übersetzungsverhältnis. Insbesondere ist somit sichergestellt, dass ein Fehler beim Antrieb des zweiten Eingangs nicht zu einem Verstellen der Nockenwelle in Richtung spät führt.
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Das Kopplungselement umfasst bevorzugt eine Vielzahl von Arme. Die Arme weisen jeweils einen Kopplungspunkt auf, wobei sämtliche Kopplungspunkte auf einem imaginären Koppelpunktkreis angeordnet sind. Die Kopplungspunkte dienen dazu, das Kopplungselement mit dem Exzenterrad sowie dem Ausgang, insbesondere direkt mit der Nockenwelle, zu koppeln. Die Arme erstrecken sich bevorzugt tangential entlang eines imaginären Armkreises. Die Arme sind insbesondere biegeschlaff ausgeführt, sodass eine Bewegung der Kopplungspunkte in radialer Richtung ermöglicht ist. Die radiale Richtung erstreckt sich insbesondere ausgehend von einer Rotationsachse, wobei die Rotationsachse eine Rotationsachse sowohl für die Rotation des Kopplungselements als auch für die Rotation der Nockenwelle ist. Auch rotiert der zuvor beschriebene Exzenter vorteilhafterweise um besagte Rotationswelle. Die biegeschlaffe Ausführung wird insbesondere dadurch erreicht, dass eine Dicke der Arme, die entlang der Radialrichtung messbar ist, deutlich kleiner, insbesondere um den Faktor 2 kleiner, bevorzugt um den Faktor 5 kleiner, ist als die Länge der Arme, die in Tangentialrichtung messbar ist. Da über die Kopplungspunkte das Kopplungselement an dem Exzenterrad befestigt ist, erlaubt das Biegen der Arme einen Ausgleich der Bewegung des Exzenters. Durch die tangentiale Anordnung der Arme ist gleichzeitig sichergestellt, dass sich Drehmomente sicher und zuverlässig übertragen lassen, da zur Drehmomentübertragung eine Zugbelastung und/oder Druckbelastung der Arme erfolgt. Gegenüber Zugbelastung und/oder Druckbelastung sind die Arme bevorzugt steif ausgebildet.
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Besonders vorteilhaft sind jeweils zwei Arme gegenläufig ausgerichtet. Dies bedeutet, dass sich die Arme jeweils in unterschiedliche Rotationsrichtungen erstrecken. Auf diese Weise ist sichergestellt, dass stets ein Arm zur Verfügung steht, der auf Zug belastet ist, unabhängig davon, wie ein Drehmoment auf das Kopplungselement wirkt. Eine Druckbelastung von biegeschlaffen Armen, die eine geringe Dicke aufweisen, führt oftmals zu einem Ausknicken der Arme bei Druckbelastung. Durch das Vorsehen von zumindest einem Arm, der stets auf Zug belastet ist, ist ein solches Knicken der Arme verhindert. Insbesondere ist vorgesehen, dass eine Kopplung des Kopplungselements an den Ausgang, insbesondere die Nockenwelle, sowie an das Exzenterrad somit jeweils mit mindestens zwei Armen erfolgt. Jede Kopplung, das heißt sowohl die Kopplung mit dem Exzenterrad als auch die Kopplung mit dem Ausgang, insbesondere der Nockenwelle, weist eine gerade Anzahl von Armen auf, sodass für jede Kopplung zumindest ein Paar von gegenläufig ausgerichteten Armen vorhanden ist.
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In einer bevorzugten Ausführungsform ist vorgesehen, dass das Kopplungselement das Exzenterrad und die Nockenwelle direkt koppelt. Somit erfolgt ein direktes Übertragen einer Rotation von dem Exzenterrad auf die Nockenwelle. Dies erlaubt ein einfaches und aufwandsarmes Fertigen des Nockenwellenphasenstellers sowie einer Nockenwelle mit einem derartigen Nockenwellenphasensteller. Außerdem lässt sich auf diese Weise ein negatives Übersetzungsverhältnis auf einfache Art erreichen.
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Der erste Eingang ist bevorzugt ein Kettenrad. Alternativ kann der erste Eingang auch ein Riemenrad sein. Über das Kettenrad und/oder das Riemenrad ist kann eine Verbindung des Überlagerungsgetriebes mit der Kurbelwelle hergestellt werden. Der zweite Eingang ist bevorzugt eine Verbindungswelle für den Verstellmotor. Die Verbindungswelle kann vorteilhafterweise einstückig mit einer Welle des Verstellmotors ausgebildet sein. Somit dient der erste Eingang zum Koppeln der Nockenwelle an die Kurbelwelle, während der zweite Eingang ein Verstellen der Nockenwelle ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform weist der erste Eingang zumindest einen Anschlag auf, an den ein Gegenanschlagselement des zweiten Eingangs anlegbar ist. Durch den Anschlag und das Gegenanschlagelement ist eine Winkelverstellbarkeit zwischen erstem Eingang und zweitem Eingang auf einen Grenzwert begrenzt. Somit ist verhindert, dass zu große Verstellungen erfolgen, die zu einer Fehlfunktion des Verbrennungsmotors führen würden. Der Grenzwert beträgt vorteilhafterweise zumindest 60 ° Kurbelwellenwinkel, insbesondere zumindest 80 ° Kurbelwellenwinkel, besonders bevorzugt zumindest 100 ° Kurbelwellenwinkel. Unter der Bezeichnung Kurbelwellenwinkel ist zu verstehen, dass die Nockenwelle eine solche Rotation ausführt, die dem angegebenen Winkelwert der Kurbelwelle entspricht. Wie zuvor bereits beschrieben, ist die Nockenwelle über den ersten Eingang mit der Kurbelwelle verbunden. Je nach einer vorherrschenden Übersetzung kann somit eine Kurbelwellendrehung genau eine Nockenwellendrehung oder mehr als eine Nockenwellendrehung oder weniger als eine Nockenwellendrehung bewirken. Die maximale Verstellbarkeit der Nockenwelle ist somit relativ zu der Rotation der Kurbelwelle zu messen. Besonders vorteilhaft ist vorgesehen, dass der zuvor beschriebene Grenzwert maximal 180 ° Kurbelwellenwinkel beträgt. Durch eine derartige Begrenzung der Winkelverstellbarkeit zwischen erstem Eingang und zweitem Eingang ist insbesondere ein Verstellen des Verbrennungsmotors in Richtung Miller-Zyklus oder Atkinson-Zyklus ermöglicht. Auch kann ein komfortabler Dekompressionsstart bei Start-Stopp-Anwendungen durchgeführt werden, insbesondere, indem eine Verstellung stark in Richtung spät erfolgt. Eine solche große Verstellung ist mit herkömmlichen Nockenwellenphasenstellern nicht möglich. Der Nockenwellenphasensteller weist vorteilhafterweise den Verstellmotor, der insbesondere ein Elektromotor ist. Somit kann der Nockenwellenphasensteller jederzeit betätigt werden. Im Gegensatz zu einem hydraulischen Nockenwellenphasensteller ist nicht notwendig, zunächst einen gewissen Öldruck aufzubauen.
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Die Erfindung betrifft außerdem eine Nockenwelle, wobei die Nockenwelle einen Nockenwellenphasensteller wie zuvor beschrieben umfasst. Dabei ist vorgesehen, dass die Nockenwelle mit dem Ausgang des Überlagerungsgetriebes gekoppelt ist. An dem zweiten Eingang ist vorteilhafterweise ein elektrischer Verstellmotor angeordnet. Die Nockenwelle lässt sich außerdem durch den ersten Eingang mit einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors verbinden, um somit eine Rotation der Nockenwelle zu ermöglichen. Durch den zweiten Eingang und den Verstellmotor ist eine Verstellung der Nockenwelle ermöglicht. Insbesondere durch die zuvor beschriebene Anbindung der Nockenwelle an dem Exzenterrad ist ein negatives Übersetzungsverhältnis gegeben.
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Schließlich betrifft die Erfindung einen Verbrennungsmotor. Der Verbrennungsmotor umfasst eine Nockenwelle wie zuvor beschrieben. Somit ist die Nockenwelle einstellbar, sodass ein Brennverfahren des Verbrennungsmotors optimal anpassbar ist. Durch das zuvor beschriebene negative Übersetzungsverhältnis ist außerdem sichergestellt, dass der Verbrennungsmotor bei einem Defekt der Verstellung der Nockenwelle nicht ausfällt. Vielmehr ist der Verbrennungsmotor stets, zumindest in einem Notbetrieb, betreibbar, was insbesondere bei der Anwendung in Kraftfahrzeugen vorteilhaft ist. So kann der Verbrennungsmotor stets für einen Antrieb des Fahrzeugs sorgen, wobei vermieden ist, dass das Fahrzeug aufgrund des fehlerhaften Verbrennungsmotors nicht mehr bewegt werden kann.
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Figurenliste
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Nachfolgend werden Ausführungsbeispiele der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung im Detail beschrieben. In der Zeichnung ist:
- 1 eine schematische Ansicht eines Verbrennungsmotors mit einer Nockenwelle umfassend einen Nockenwellenphasensteller gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 2 eine schematische Ansicht der Nockenwelle mit dem Nockenwellenphasensteller gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 3 eine schematische Ansicht des Überlagerungsgetriebes des Nockenwellenphasenstellers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung,
- 4 eine schematische Ansicht eines Kopplungselements des Nockenwellenphasenstellers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung, und
- 5 eine schematische Ansicht eines Anschlags und Gegenanschlags des Nockenwellenphasenstellers gemäß dem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
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Ausführungsformen der Erfindung
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1 zeigt schematisch einen Verbrennungsmotor 25. Der Verbrennungsmotor 25 umfasst einen Motorblock 21 mit zwei Zylindern 23, in denen jeweils ein Kolben 22 bewegbar ist. Die Kolben 22 sind mit einer Kurbelwelle 20 gekoppelt und können somit die Kurbelwelle 20 rotieren.
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Die Kurbelwelle 20 ist über einen Kettentrieb 3, alternativ auch über einen Riementrieb, mit einer Nockenwelle 2 gekoppelt. Die Nockenwelle 2 umfasst mehrere Nocken 24 und dient zum Ansteuern von Ventilen der Zylinder 23 des Verbrennungsmotors 25.
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2 zeigt eine schematische Detailansicht des Aufbaus des Nockenwellenphasenstellers 1. Der Nockenwellenphasensteller 1 umfasst ein Überlagerungsgetriebe 4, wobei das Überlagerungsgetriebe 4 einen ersten Eingang 100, einen zweiten Eingang 200 und einen Ausgang 300 aufweist. Das Überlagerungsgetriebe 4 ist somit ein Dreiwellengetriebe und ist insbesondere als Exzentergetriebe ausgebildet. Der Ausgang 300 ist somit eine Überlagerung der Bewegungen des ersten Eingangs 100 und des zweiten Eingangs 200. Auf diese Weise lässt sich eine Nockenwellenverstellung realisieren.
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Der erste Eingang 100 entspricht der Verbindung mit der Kurbelwelle 20. Somit ist der erste Eingang 100 mit dem Kettentrieb 3 gekoppelt. Der zweite Eingang 200 ist vorteilhafterweise mit einem Verstellmotor 5, der insbesondere ein Elektromotor ist, gekoppelt. Drehen der Kettentrieb 3 und der Verstellmotor 5 mit derselben Drehzahl, so erfolgt keinerlei Verstellung der Nockenwelle 2. Vielmehr dreht in diesem Fall die Nockenwelle 2 synchron zu der Kurbelwelle 20. Durch den Kettentrieb 3 lässt sich insbesondere ein Übersetzungsverhältnis zwischen Kurbelwelle 20 und Nockenwelle 2 einstellen, sodass die Nockenwelle 2 vorteilhafterweise mit halber Kurbelwellendrehzahl läuft. Ist die Geschwindigkeit, mit der der Verstellmotor 5 den zweiten Eingang 200 antreibt unterschiedlich von der Geschwindigkeit, mit der der Kettentrieb 3 den ersten Eingang 100 antreibt, so erfolgt ein Verstellen der Nockenwelle 2. Durch das Verstellen kann somit ein Zeitpunkt des Ventilhubs des von der Nockenwelle 2 angetriebenen Ventils verändert werden.
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3 zeigt schematisch das Überlagerungsgetriebe 4 des Nockenwellenphasenstellers 1. Das Überlagerungsgetriebe 4 weist einen Exzenter 10 auf, wobei der Exzenter 10 von einer Verbindungswelle 8, die mit dem Verstellmotor 5 gekoppelt ist, angetrieben wird. Durch den Exzenter 10 ist ein Exzenterrad 9 angetrieben, wobei das Exzenterrad 9 in einem Hohlrad 11 angeordnet ist und somit in das Hohlrad 11 eingreift. Durch den exzentrischen Antrieb des Exzenterrads 9 aufgrund des Exzenters 10 ist dabei eine hohe Übersetzung zwischen Exzenterrad 9 und Hohlrad 11 realisiert. Das Exzenterrad 9 vollführt somit nicht nur eine Rotation um eine Rotationsachse des Exzenters, sondern bewegt sich auch in radialer Richtung bezüglich der Rotationsachse des Exzenters.
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Das Hohlrad 11 ist mit einem Kettenrad 7 gekoppelt. Besonders vorteilhaft sind Hohlrad 11 und Kettenrad 7 einstückig ausgebildet. Dies bedeutet insbesondere, dass das Kettenrad 7 zusammen mit dem Hohlrad 11 den ersten Eingang 100 darstellt, während die Verbindungswelle 8 den zweiten Eingang 200 darstellt. Durch Anlegen von unterschiedlichen Rotationsgeschwindigkeiten an das Kettenrad 7 und die Verbindungswelle 8 lassen sich somit Verstellungen der Nockenwelle 2 realisieren. Dies erfolgt derart, dass das Exzenterrad 9 gegenüber dem Hohlrad 11 und damit gegenüber dem Kettenrad 7 verdreht wird. Ein solches Verdrehen findet allerdings nur dann statt, wenn die Eingangsgeschwindigkeit am Kettenrad 7 unterschiedlich von der Eingangsgeschwindigkeit an der Verbindungswelle 8 ist.
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Um die Verstellung auf die Nockenwelle 2 zu übertragen, ist die Nockenwelle 2 über ein Kopplungselement 6 mit dem Exzenterrad 9 verbunden. Da das Exzenterrad 9 sowohl von dem Kettenrad 7 als auch von dem Exzenter 10 angetrieben wird, ist die Bewegung der Nockenwelle 2 somit eine Überlagerung von der Bewegung des Kettenrads 7 und der Verbindungswelle 8. Wie zuvor beschrieben, kann durch unterschiedliche Geschwindigkeiten an Kettenrad 7 und Verbindungswelle 8 somit ein Verstellen der Nockenwelle 2 erfolgen, indem das Exzenterrad 9 relativ zu dem Kettenrad 7 verdreht wird.
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Durch eine solche Kopplung der Nockenwelle 2 mit dem Exzenterrad 9 ist ein negatives Übersetzungsverhältnis des Überlagerungsgetriebes 4 realisiert. Dies führt dazu, dass bei den Fehlerfällen des ungewollten Bremsens des Verstellmotors 5, beispielsweise aufgrund von Lagerschaden oder aufgrund eines Steuerungsfehlers, der Nockenwellenphasensteller 1 die Nockenwelle 2 in Richtung Frühverstellung verstellt. Dies bedeutet, dass die Nockenwelle 2 aufgrund einer langsameren Rotation der Verbindungswelle 8 im Vergleich zu dem Kettenrad 7 in Richtung ihrer üblichen Rotationsrichtung verstellt wird. Dies bedeutet, dass die Nockenwelle 2 der Kurbelwelle 20 vorauseilt, wodurch die von der Nockenwelle 2 gesteuerten Ventilhübe der Ventile des Verbrennungsmotors 25 früher erfolgen, als wenn die Nockenwelle 2 nicht verstellt ist. Dies hat den Vorteil, dass eine Spätverstellung maximiert werden kann, da der Verbrennungsmotor 25 nicht Gefahr läuft, unbeabsichtigt in diese große Spätverstellung zu gelangen. Durch die zu große Spätverstellung kann es insbesondere zu Fehlfunktionen und damit zum Aussetzen des Verbrennungsmotors 25 kommen. Dies ist durch das negative Übersetzungsverhältnis verhindert, da die kritischen Fehlerfälle, bei denen die Verbindungswelle 8 langsamer rotiert als das Kettenrad 7, stets eine Verstellung der Nockenwelle 2 in Richtung früh erfolgt. Da eine zu starke Verstellung in Richtung früh keinerlei Vorteile beim Betrieb des Verbrennungsmotors 25 hat, ist ein entsprechender Anschlag (wird nachfolgend mit Bezug auf 5 erklärt) vorhanden, der die Verstellung nach früh begrenzt. Auf diese Weise bleibt der Verbrennungsmotor 25 stets in einem betriebsbereiten Zustand, auch wenn der Verbrennvorgang nicht mehr optimal ist.
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Ein weiteres Fehlerbild kann dadurch entstehen, dass die Verbindungswelle 8 schneller rotiert als das Kettenrad 7. Dieser Fall ist jedoch nicht kritisch, da dieser Fehlerfall leicht von einer Steuerung erkannt werden kann und somit einfach und aufwandsarm zu korrigieren ist. Somit ist, wie zuvor beschrieben, ein ungewolltes Verstellen der Nockenwelle 2 spät verhindert.
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4 zeigt schematisch das Kopplungselement 6, das zum Koppeln von Nockenwelle 2 und Exzenterrad 9 ausgebildet ist. Das Kopplungselement 6 hat zwei Aufgaben zu erfüllen. Zum einen müssen die Bewegungen des Exzenterrad 9 ausgeglichen werden, zum anderen muss eine Rotation des Exzenters 9 sicher und zuverlässig auf die Nockenwelle 2 übertragen werden. Aus diesem Grund weist das Kopplungselement 6 einen ersten Arm 14, einen zweiten Arm 15, einen dritten Arm 16 und einen vierten Arm 17 auf. An dem ersten Arm 14 und an dem zweiten Arm 15 ist jeweils ein erster Kopplungspunkt 26 angebracht, während an dem dritten Arm 16 und an dem vierten Arm 17 jeweils ein zweiter Kopplungspunkt 27 angebracht ist. Sämtliche Kopplungspunkte 26, 27 aller Arme 14, 15, 16, 17 liegen auf einem imaginären Koppelpunktkreis 400. Sämtliche Arme 14, 15, 16, 17 sind außerdem tangential an einen imaginären Armkreis 500 angeordnet. Ein solches Design hat mehrere Vorteile: Zum einen ist eine axiale Steifigkeit gegeben, sodass eine Rotation von dem Kopplungselement 6 übertragen werden kann. Gleichzeitig sind der erste Arm 14, der zweite Arm 15, der dritte Arm 16 und der vierte Arm 17 bevorzugt biegeschlaff ausgebildet, um somit eine radiale Verstellbarkeit der Kopplungspunkte 26, 27 zu ermöglichen. Damit können die radialen Bewegungen des Exzenterrads 9 ausgeglichen werden, während gleichzeitig eine Rotation von dem Exzenterrad 9 sicher und zuverlässig auf die Kurbelwelle 2 übertragen werden kann.
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Durch die Tatsache, dass der erste Arm 14, der zweite Arm 15, der dritte Arm 16 und der vierte Arm 17 biegeschlaff ausgebildet sind, sind diese Arme 14, 15, 16, 17 sehr dünn auszubilden. Dies bedeutet, dass eine bezüglich dem Armkreis 500 in radialer Richtung gemessene Abmessung der Arme 14, 15, 16, 17 deutlich kleiner ist als eine bezüglich dem Armkreis 500 in tangentialer Richtung gemessene Abmessung, insbesondere um den Faktor 2 oder 5. Eine dünne Ausbildung ist allerdings nur dann vorteilhaft, wenn die Arme 14, 15, 16, 17 ansonsten nur auf Zug belastet werden. Allerdings wirken bei Nockenwellenphasenstellern ständig Wechselmomente der Nockenwelle 2. Diese werden durch Ventilschließfedern und die Nocken 24 erzeugt. Bei auflaufenden Nocken 24 mit sich öffnenden Gaswechselventilen wird ein bremsendes Moment erzeugt. Bei ablaufenden Nocken 24 und schließendem Ventil wird ein beschleunigendes Moment erzeugt. So ändert sich bei einem Verbrennungsmotor mit vier Zylindern 23 pro Nockenwellenumdrehung achtmal die Richtung des Drehmoments. Zusätzlich ist die Nockenwelle ein schwingfähiges System, welches bei Betrieb gemäß seiner Eigenmoden tordiert und zusätzliche Torsionsoberschwingungen auf das Kopplungsglied 6 wirken können. So entstehen zwangsläufig Druckspannungen und Zugspannungen auf die Arme 14, 15, 16, 17. Weil bei alleinigen Druckspannungen die Arme 14, 15, 16, 17 zum Ausknicken tendieren, ist vorgesehen, dass stets eine gerade Anzahl von Armen 14, 15, 16, 17 vorhanden ist. Jeweils zwei Arme 14, 15, 16, 17 sind gegenläufig ausgerichtet. Dabei ist vorgesehen, dass stets zwei solche Arme 14, 15, 16, 17 ausgerichtet sind, die denselben Kopplungspunkt 26, 27 aufweisen.
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So ist in 4 gezeigt, dass der erste Arm 14 gegenläufig zu dem zweiten Arm 15 ausgebildet ist. Ebenso sind der dritte Arm 16 und der vierte Arm 17 gegenläufig zueinander ausgebildet. Der erste Arm 14 und der zweite Arm 15 weisen den ersten Kopplungspunkt 26 auf, wobei der erste Kopplungspunkt 26 mit der Nockenwelle 2 gekoppelt ist. Der dritte Arm 16 und der vierte Arm 17 weisen den zweiten Kopplungspunkt 27 auf, der jeweils mit dem Exzenterrad 9 gekoppelt ist. Somit ist unabhängig von der Richtung, in der das Drehmoment auf das Kopplungselement 6 wirkt, stets zumindest ein Arm 14, 15, 16, 17 pro Kopplungspunkt 26 vorhanden, der auf Zug belastet ist. Dies bedeutet, dass ein Ausknicken der Arme 14, 15, 16, 17 verhindert ist, da keine Situation auftreten kann, in der sämtliche Arme 14, 15, 16, 17 eines Kopplungspunkts 26, 27 ausschließlich auf Druck belastet sind.
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Das Kopplungselement 6 kann vorteilhafterweise auch zwischen Exzenterrad 9 und einem Nockenwellenflansch vorgesehen werden. Vorteilig ist dann, dass keine Durchdringung des Nockenwellenflansches erforderlich ist. Nachteilig ist allerdings eine verdeckte Montage.
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Wie zuvor bereits beschrieben, verhindert der Nockenwellenphasensteller 1 eine ungewollte Verstellung der Nockenwelle 2 in Richtung spät. Somit ist ermöglicht, den Verstellbereich des Nockenwellenphasenstellers in Richtung spät zu vergrößern, da weitere Vorteile in der Ansteuerung des Verbrennungsmotors 25 erreicht werden können. So ist insbesondere eine große Verstellung in Richtung spät vorteilhaft, wenn die Art des Brennverfahrens innerhalb des Verbrennungsmotors 25 in Richtung Miller- oder Atkinson-Prozess erweitert werden soll. Hierzu ist insbesondere vorgesehen, dass eine Verstellung in Richtung spät bis über 100 ° Kurbelwellenwinkel erfolgen kann, wobei vorteilhafterweise maximal 180 ° Kurbelwellenwinkel vorgesehen sind. Dies ist nicht nur vorteilhaft für die oben genannten Arten der unterschiedlichen Brennverfahren, sondern kann auch zu einem komfortablen Dekompressionsstart bei Start-Stopp-Anwendungen führen. Ebenso kann eine Erweiterung des Anwendungsbereichs von Direkt-Start-Anwendungen bei Start-Stopp-Segel-Anwendungen erfolgen. Durch den Verstellmotor 5, der insbesondere ein Elektromotor ist, ist ein Verstellen des Nockenwellenphasenstellers 1 auch im Stillstand ermöglicht, was bei herkömmlichen hydraulischen Systemen nur bei einem entsprechenden Öldruck und damit bei laufendem Motor möglich ist.
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5 zeigt schematisch eine Rückseite des Überlagerungsgetriebes 4. Es ist erkennbar, dass an der Rückseite Anschläge 13 vorhanden sind, die mit dem Kettenrad 7 gekoppelt sind. Ebenso sind Gegenanschlagselemente 28 vorhanden, die mit der Nockenwelle 2 gekoppelt sind. Auf diese Weise wird erreicht, dass eine Verstellbarkeit der Nockenwelle 2 relativ zu dem Kettenrad 7 begrenzt ist. In 5 ist ein Anwendungsfall gezeigt, in dem ein maximal möglicher Verstellwinkel 12 auf 90°Nockenwellenwinkel begrenzt ist. Somit sind vorteilhafterweise vier Anschläge 13 vorhanden, wobei sich jeweils zwei Anschläge 13 über einen Anschlagswinkel 19 von 70° erstrecken. Die Gegenanschlagselemente 28 erstrecken sich über einen Erstreckungswinkel 18 von 20°.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist dabei vorgesehen, dass die Nockenwelle 2 derart ausgestaltet ist, dass diese mit halber Kurbelwellendrehzahl der Kurbelwelle 20 läuft. Somit entspricht die maximale Verstellbarkeit der Nockenwelle 2 gegenüber dem Kettenrad 7 von 90 ° Nockenwellenwinkel einer Verstellung von 180 ° Kurbelwellenwinkel. Durch diesen großen Verstellbereich, der insbesondere in Richtung Spätverstellung ausgebildet ist, lassen sich die zuvor beschriebenen Vorteile erreichen. Gleichzeitig ist sichergestellt, dass aufgrund des negativen Übersetzungsverhältnisses des Überlagerungsgetriebes keinerlei unerwünschte Verstellung in Richtung spät erfolgen kann.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4110195 A1 [0002]
- EP 20254058 B1 [0002]
- DE 102013215816 B3 [0005]
