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Die Erfindung betrifft eine für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignete Verstellvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine derartige Verstellvorrichtung ist beispielsweise der
DE 10 2016 220 631 A1 bekannt. Die bekannte Verstellvorrichtung umfasst einen Elektromotor und ein Stellgetriebe, wobei zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe ein Federelement geschaltet ist, das insbesondere zum Ausgleich eines Winkelfehlers vorgesehen ist. Zusätzlich ist eine Ausgleichskupplung, beispielsweise in Form einer Einfingerkupplung, zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe geschaltet.
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Die
WO 2019/015720 A1 beschreibt einen Elektromotor eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers. Der Elektromotor ist aus einem Basismotor-Modul und einem mit diesem elektrisch und mechanisch verbundenen Stecker-Modul zusammengesetzt. Innerhalb des Basismotor-Moduls ist ein Rotor des Elektromotors mit Hilfe eines zweireihigen Wälzlagers gelagert.
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Eine weitere mögliche Bauform eines Elektromotors eines Nockenwellenverstellers ist in der
WO 2006/039968 A1 offenbart. In diesem Fall ist ein Rotor des Elektromotors mit Hilfe von zwei Rillenkugellagern gelagert.
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Die
DE 10 2016 222 773 B3 beschreibt eine Ausgleichskupplung für einen elektrischen Nockenwellenversteller. Die Ausgleichskupplung ist dazu vorgesehen, einen Achsversatz zwischen einer antreibenden Welle, nämlich der Motorwelle eines Elektromotors, und einem angetriebenen rotierenden Element, nämlich einem Innenring eines Wälzlagers, auszugleichen. Eine weitere Bauform einer Ausgleichskupplung, welche den gleichen Zweck erfüllt, ist in der
DE 10 2007 049 072 A1 beschrieben.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem genannten Stand der Technik weiterentwickelte Verstellvorrichtung für Nockenwellenversteller anzugeben, welche sich durch eine besondere Montagefreundlichkeit bei zugleich hoher Betriebssicherheit auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Die Verstellvorrichtung umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein Stellgetriebe und einen zu dessen Betätigung vorgesehenen, eine Motorwelle aufweisenden Elektromotor, wobei zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe ein Federelement und eine Ausgleichkupplung geschaltet sind.
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Erfindungsgemäß weist die Ausgleichskupplung ein verdrehgesichert auf der Motorwelle verschiebbares Kupplungselement auf, welches durch das Federelement in Axialrichtung angefedert ist, wobei das Federelement als sich am Elektromotor abstützende Druckfeder ausgebildet ist.
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Im Unterschied zu der aus der
DE 10 2016 220 631 A1 bekannten Vorrichtung, welche eine Motorwelle eines Elektromotors und eine zusätzliche Welle umfasst, wobei zwischen die beiden Wellen ein Federelement geschaltet ist, ist bei der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung eine einzige Welle, nämlich Motorwelle des Elektromotors, vorhanden, wobei diese Welle auch der verschiebbaren Lagerung des Kupplungselementes dient. Die Welle kann einteilig oder mehrteilig aufgebaut sein, wobei im letztgenannten Fall die Einzelteile der Welle starr miteinander verbunden sind.
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Vorzugsweise ist derjenige Abschnitt der Welle, auf dem das Kupplungselement verschiebbar gelagert ist, als Zweiflach ausgebildet. In jedem Fall schließt die Verschiebbarkeit des Kupplungselementes eine Axialverschiebung, das heißt eine Verschiebung in Längsrichtung der Motorwelle, ein. Vorzugsweise ist das Kupplungselement auch in Radialrichtung der Motorwelle beschränkt verschiebbar, womit es als Ausgleichselement, was einen Achsversatz betrifft, fungiert.
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Die Anfederung des Kupplungselementes ist derart gestaltet, dass sich innerhalb des komplett montierten Stellgetriebes ein Maximalabstand zwischen dem Kupplungselement und dem Elektromotor einstellt. Das auf der Motorwelle verdrehgesichert gelagerte Kupplungselement übt durch die Beaufschlagung mit Federkraft eine Axialkraft auf ein Element des Stellgetriebes aus. In bevorzugter Ausgestaltung wird das Kupplungselement gegen einen Innenring eines Wellgenerators des Stellgetriebes angedrückt, womit sich das Kupplungselement beim Betrieb der Verstellvorrichtung in definierter axialer Position befindet. Der Wellgenerator kann grundsätzlich entweder mit einer Gleitlagerung oder mit einer Wälzlagerung arbeiten. In jedem Fall bewirkt das Federelement eine axiale Vorspannung der Lagerung des Wellgenerators. Die Vorspannung trägt dazu bei, Standschäden zu vermeiden sowie das Kupplungselement während des Betriebs zu stabilisieren, womit Geräuschen durch Anlagewechsel wirksam entgegengewirkt wird.
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Unabhängig von der Art der Lagerung innerhalb des Wellgenerators stützt sich das Federelement beispielsweise an einem Absatz der Motorwelle des Elektromotors ab. Das Federelement kann hierbei als die Welle umschlingende Druckfeder in Form einer Schraubenfeder ausgebildet sein. Alternativ kommt eine sonstige zur Erzeugung einer Axialkraft geeignete Feder oder Federanordnung, beispielsweise in Form einer Tellerfeder oder eines Tellerfederpakets, in Betracht.
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In alternativer Ausgestaltung ist das Federelement unmittelbar durch das auf der Motorwelle gelagerte Kupplungselement gebildet. Bei diesem Kupplungselement handelt es sich typischerweise um ein Metallteil, insbesondere ein Blechteil. Das Kupplungselement beschreibt vorzugsweise eine Ringform mit einer diametral durchlaufenden Speiche, wobei die Speiche beschränkt in Radialrichtung auf der Motorwelle verschiebbar ist, und wobei zwei parallel zueinander angeordnete Federleisten durch die Speiche gebildet sind und die Motorwelle zwischen sich einschließen. Die beiden Federleisten stützen sich entweder am Absatz der Motorwelle oder an einem mit der Motorwelle verbundenen Anschlagelement ab.
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Gemäß einer weiteren möglichen Ausführungsform stützt sich das Federelement, insbesondere in Form einer Schraubenfeder, einerseits an dem auf der Motorwelle verdrehgesichert gelagerten Kupplungselement und andererseits an einem Lagerring eines die Motorwelle lagernden Wälzlagers des Elektromotors ab. Hierbei ist das Wälzlager innerhalb eines Gehäuses des Elektromotors in bevorzugter Ausgestaltung einer Dichtung, insbesondere berührenden Dichtung, welche die Motorwelle des Elektromotors gegen das Gehäuse abdichtet, vorgesetzt, das heißt dem nicht abgedichteten Außenraum zuzurechnen.
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Bei dem Stellgetriebe der Verstellvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um ein Wellgetriebe. Ein Wellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem elastisch verformbaren Getriebeelement. Beispielsweise ist dieses als außenverzahnter Flexring ausgeführt. Der Flexring kämmt mit zwei innenverzahnten, in sich starren Getriebeelementen, nämlich einem antriebsseitigen und einem abtriebsseitigen Getriebeelement. Im Fall der Verwendung der Verstellvorrichtung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller ist das antriebsseitige Getriebeelement typischerweise mit einem als Ganzes drehbaren Gehäuse, welches als Ketten- oder Riemenrad gestaltet sein kann, verbunden. Ist die Verstellvorrichtung Teil einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, so ist das sogenannte antriebsseitige, direkt mit dem flexiblen Getriebeelement zusammenwirkende Getriebeelement starr in eine Umgebungskonstruktion eingebaut.
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Neben einer Anwendung der Verstellvorrichtung einem Kraftfahrzeug kommen auch industrielle Anwendungen, beispielsweise als Stellantrieb eines Industrieroboters oder einer Werkzeugmaschine, in Betracht.
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Der Vorteil der Erfindung liegt in allen Fällen darin, dass ein Elektromotor samt Druckfeder auf einfache Weise derart an ein Stellgetriebe angebaut werden kann, dass Elemente innerhalb des Stellgetriebes zwangsläufig die korrekte, für den Betrieb der Verstellvorrichtung vorgesehenen Position einnehmen. Bei zusammengebauter Verstellvorrichtung ist der korrekte Einbau des Federelementes in vorteilhafter Ausgestaltung auf einfache Weise überprüfbar.
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Nachfolgend werden drei Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
- 1 in einer Schnittdarstellung ein erstes Ausführungsbeispiel einer Verstellvorrichtung während des Zusammenbaus,
- 2 ein Detail der Anordnung nach 1 in komplett montiertem Zustand,
- 3 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Verstellvorrichtung in einer Ansicht analog 2,
- 4 bis 6 ein Kupplungselement der Anordnung nach 3,
- 7 ein drittes Ausführungsbeispiel einer Verstellvorrichtung in Ansicht analog 2.
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Die folgenden Erläuterungen beziehen sich, soweit nicht anders angegeben, auf sämtliche Ausführungsbeispiele. Einander entsprechende oder prinzipiell gleichwirkende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet.
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Bei einer insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Verstellvorrichtung handelt es sich um einen elektromechanischen Nockenwellenversteller eines Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion der Verstellvorrichtung 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Die Verstellvorrichtung 1 umfasst ein Stellgetriebe 2, nämlich Wellgetriebe, sowie einen Elektromotor 3. Der Elektromotor 3 ist als Innenläufermotor ausgebildet. Hierbei ist ein Stator 4 fest in ein Gehäuse 5 des Elektromotors 3 eingebaut. Ein Rotor 6 ist fest mit einer Motorwelle 7 des Elektromotors 3 verbunden. Zur Lagerung des Rotors 6 ist ein Wälzlager 8 vorgesehen, bei welchem es sich in allen Ausführungsbeispielen um ein einreihiges Kugellager handelt. Ferner ist eine Dichtung 9 vorhanden, die die Motorwelle 7 gegen das Gehäuse 5 abdichtet und als berührende Dichtung ausgebildet ist.
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Das Stellgetriebe 2 umfasst ein Gehäuse 10, welches in den Ausführungsbeispielen einstückig mit einem Kettenrad 11 ausgebildet ist. Das Kettenrad 11 wird durch die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetrieben, wobei es in an sich bekannter Weise mit halber Kurbelwellendrehzahl rotiert. Zusätzlich zum Kettenrad 11 stellt auch ein innenverzahntes Antriebsrad 12 einen integralen Bestandteil des Gehäuses 10 dar. Alternativ können in nicht dargestellter Weise das Kettenrad 11 und das Antriebsrad 12 als gesonderte Bauteile ausgeführt sein, welche mit dem Gehäuse 10 verbunden sind. Die Innenverzahnung des Antriebsrades 12 ist mit 13 bezeichnet. Mit der Innenverzahnung 13 kämmt partiell eine Außenverzahnung 14 eines flexiblen Getriebeelementes 15, welches als Flexring ausgebildet ist. Als Flexring wird allgemein ein flexibles ringförmiges Getriebeelement verstanden, welches keinerlei radial nach außen oder nach innen gerichtete Fortsätze, etwa in der Art einer Hutform oder einer Kragenform, aufweist.
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Die Außenverzahnung 14 des Flexrings 15 kämmt weiter mit einer Innenverzahnung 16 eines Abtriebselementes 17. Das Abtriebselement 17 weist eine flache Topfform auf. In dem mit 18 bezeichneten Boden des Abtriebselementes 17 befindet sich eine zentrale Bohrung 19, durch welche eine nicht dargestellte Zentralschraube zum Anschluss des Abtriebselementes 17 an die zu verstellende Nockenwelle des Verbrennungsmotors gesteckt werden kann.
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Das Stellgetriebe 2 stellt ein Dreiwellengetriebe dar, wobei das Gehäuse 10 die Funktion einer ersten Welle und das Abtriebselement 17 die Funktion einer zweiten Welle hat. Eine dritte Welle liegt in Form eines Innenrings 20 eines Wellgenerators 21 vor. Der Innenring 20 ist Teil eines Wälzlagers 22, nämlich Kugellagers, welches weiterhin Kugeln 23 als Wälzkörper, einen die Kugeln 23 führenden Käfig 24, sowie einen Außenring 25 umfasst. Der Innenring 20 hat in an sich bekannter Weise eine nicht kreisrunde, elliptische Außenkontur. Hierdurch wird der Außenring 25, welcher im Gegensatz zum Innenring 20 nachgiebig ist, permanent in eine unrunde Form gezwungen.
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Der Flexring 15, welcher den Außenring 25 unmittelbar umgibt, ohne mit diesem fest verbunden zu sein, wird hierdurch in zwei einander diametral gegenüberliegenden Bereichen in Eingriff mit den Innenverzahnungen 13, 16 gebracht. Eine geringfügig unterschiedliche Zähnezahl der verschiedenen Verzahnungen 13, 14, 16 sorgt in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 20 in Relation zum Gehäuse 10 in eine lediglich geringfügige Verschwenkung zwischen dem Gehäuse 10 und dem Abtriebselement 17 umgesetzt wird.
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Der Elektromotor 3 überträgt ein Drehmoment über eine Ausgleichskupplung 26, nämlich Oldham-Kupplung, an den Innenring 20. Die Ausgleichskupplung 26 umfasst ein Kupplungselement 28, welches als Blechteil ausgebildet ist. Das Kupplungselement 28 ist sowohl in Axialrichtung als in Radialrichtung verschiebbar auf einem als Zweiflach gestalteten Anschlussabschnitt 29 der Motorwelle 7 geführt. Zwischen dem Anschlussabschnitt 29 und einem weiteren, einen kreisrunden Querschnitt auweisenden Abschnitt der Welle ist ein Absatz 30 gebildet.
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Die Verstellvorrichtung 1 umfasst weiter ein Federelement 31, welches das Kupplungselement 28 vom Stellmotor, das heißt Elektromotor 3, weg in Richtung zum Stellgetriebe 2 drückt. Im komplett montierten Zustand der Verstellvorrichtung 1 sorgt das Federelement 31 dafür, dass das Kupplungselement 28 am Innenring 20 anschlägt, wie in den 2, 3 und 7 dargestellt. Das Kupplungselement 28 ist am Innenring 20 mit Hilfe von Zapfen 32 geführt, die fest mit dem Innenring 20 verbunden sind. Äußere Langlöcher 33 im Kupplungselement 28, durch welche die Zapfen 32 gesteckt sind, sorgen für eine beschränkte Radialverschieblichkeit zwischen dem Kupplungselement 28 und dem Innenring 20. Ein inneres Langloch 34 des Kupplungselementes 28 ist auf den Anschlussabschnitt 29 aufgesetzt, sodass auch an dieser Stelle eine begrenzte Radialbeweglichkeit, in diesem Fall zwischen dem Kupplungselement 28 und der Motorwelle 7, gegeben ist. Die beiden äußeren Langlöcher 33 einerseits und das innere Langloch 34 andererseits sind orthogonal zueinander ausgerichtet.
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In den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 7 handelt es sich bei dem Federelement 31 um eine als Schraubenfeder ausgebildete Druckfeder. Auf der Seite des Elektromotors 3 stützt sich die Schraubenfeder 31 im Fall von 1 am Absatz 30 ab. Im Fall von 7 stützt sich die Schraubenfeder 31 stattdessen an dem mit 35 bezeichneten Innenring des Wälzlagers 8 des Elektromotors 3 ab. Um diese Abstützung des Federelementes 31 am Wälzlager 8 zu ermöglichen, ist im Ausführungsbeispiel nach 7 die Anordnung des Wälzlagers 8 und der Dichtung 9 im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 vertauscht.
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Sowohl im Ausführungsbeispiel nach 1 als auch im Ausführungsbeispiel nach 7 stützt sich das Federelement 31 auf der Seite des Stellgetriebes 2 an einem Steg 36 ab, welcher einen integralen Bestandteil des Kupplungselementes 28 darstellt. Der Steg 36 ist gekröpft und durchzieht diametral das gesamte Kupplungselement 28, wobei er an einen Ringabschnitt 27 des Kupplungselementes 28 angeformt ist. Die äußeren Langlöcher 33 befinden sich im Ringabschnitt 27; das innere Langloch 34 im Steg 36. Das innere Langloch 34 ist durch einen Kragen 37 begrenzt, welcher unmittelbar durch den Steg 36 gebildet ist.
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Das Ausführungsbeispiel nach den 3 bis 6 unterscheidet sich von den Bauformen nach den 1 und 7 dadurch, dass das Federelement 31 unmittelbar durch das Kupplungselement 28 gebildet ist. Hierbei sind zwei Federleisten 38, 39 durch den Steg 36 gebildet, welcher auch als Speiche bezeichnet wird. Zwischen den Federleisten 38, 39 und dem Kragen 37 sind Spalte 40, 41 erkennbar, welche maßgeblich zur federnden Nachgiebigkeit der Federleisten 38, 39, welche am Absatz 30 anliegen, beitragen. Die Spalte 40, 41 entfallen in den Ausführungsbeispielen nach den 1 und 7. Was die Anordnung der Dichtung 9 sowie des Wälzlager 8 betrifft, entspricht das Ausführungsbeispiel nach den 3 bis 6 dem Ausführungsbeispiel nach 1.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Verstellvorrichtung
- 2
- Stellgetriebe
- 3
- Elektromotor
- 4
- Stator
- 5
- Gehäuse
- 6
- Rotor
- 7
- Motorwelle
- 8
- Wälzlager, Kugellager
- 9
- Dichtung
- 10
- Gehäuse
- 11
- Kettenrad
- 12
- Antriebsrad
- 13
- Innenverzahnung
- 14
- Außenverzahnung
- 15
- flexibles Getriebeelement, Flexring
- 16
- Innenverzahnung
- 17
- Abtriebselement
- 18
- Boden
- 19
- Bohrung
- 20
- Innenring
- 21
- Wellgenerator
- 22
- Wälzlager
- 23
- Kugel
- 24
- Käfig
- 25
- Außenring
- 26
- Ausgleichskupplung
- 27
- Ringabschnitt
- 28
- Kupplungselement
- 29
- Anschlussabschnitt
- 30
- Absatz
- 31
- Federelement, Schraubenfeder
- 32
- Zapfen
- 33
- äußeres Langloch
- 34
- inneres Langloch
- 35
- Innenring, Lagerring
- 36
- Steg, Speiche
- 37
- Kragen
- 38
- Federleiste
- 39
- Federleiste
- 40
- Spalt
- 41
- Spalt
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102016220631 A1 [0002, 0009]
- WO 2019/015720 A1 [0003]
- WO 2006/039968 A1 [0004]
- DE 102016222773 B3 [0005]
- DE 102007049072 A1 [0005]
