DE102021114162A1

DE102021114162A1 - Elektromechanischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102021114162A1
Application number: DE102021114162.1A
Authority: DE
Inventors: Rainer Ottersbach; Resat Aras; Juergen Weber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2021-06-01
Filing date: 2021-06-01
Publication date: 2022-12-01
Anticipated expiration: 2041-06-02
Also published as: DE102021114162B4

Abstract

Ein elektromechanischer Nockenwellenversteller umfasst ein elektrisch betätigtes Stellgetriebe (5), welches zur Verstellung einer ersten Nockenwelle (3) vorgesehen ist, und einen ein Planetengetriebe (6) umfassenden Stellmechanismus zur Verstellung einer zur erste Nockenwelle (3) konzentrischen zweiten Nockenwelle (4), wobei das Stellgetriebe (5) ein durch die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebenes Antriebselement (2) und ein im Antriebselement (2) gelagertes Abtriebselement (22) umfasst, und wobei das Abtriebselement (22) als Hohlrad des Planetengetriebes (6) ausgebildet ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Nockenwellenversteller, welcher zur Verwendung in einem Verbrennungsmotor mit konzentrisch zueinander angeordneten Nockenwellen vorgesehen ist.
Eine Verstellvorrichtung für konzentrisch zueinander angeordnete Nockenwellen ist zum Beispiel aus der US 10,823,017 B2 bekannt. Diese Vorrichtung sieht eine hydraulische Betätigung vor und umfasst einen als Schaltelement bezeichneten Mechanismus, mit dem eine definierte Zusammenwirkung zwischen einer Auslassnockenwelle und einer konzentrisch in der Auslassnockenwelle angeordneten Einlassnockenwelle bewirkt wird. Der genannte Mechanismus umfasst drei stabförmige Koppelelemente, welche von einem gemeinsamen Drehgelenk ausgehen, wobei die jeweils zweite Seite eines Koppelelementes im ersten Fall gelenkig mit der Auslassnockenwelle, im zweiten Fall mit der Einlassnockenwelle und im dritten Fall mit einem gehäusefesten Element des Nockenwellenverstellers gekoppelt ist.
Eine weitere Verstellvorrichtung für eine Nockenwellenanordnung, die eine Innenwelle und eine Außenwelle umfasst, ist zum Beispiel in der EP 2 693 003 B1 offenbart. Auch in diesem Fall ist eine hydraulische Betätigung vorgesehen.
Weitere hydraulisch betätigte Verstellvorrichtungen für ineinander angeordnete Nockenwellen von Verbrennungsmotoren sind zum Beispiel in den Dokumenten US 2020/0165943 A1 und US 2020/0149439 A1 beschrieben.
Konzentrisch ineinander angeordnete Nockenwellen werden auch als Cam-in-Cam-Nockenwellenanordnungen bezeichnet. Kombinationen elektromechanischer und hydraulischer Vorrichtungen für Cam-in-Cam-Nockenwellenanordnungen sind zum Beispiel in den Dokumenten DE 10 2015 207 104 A1 und DE 10 2018 104 904 A1 beschrieben.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten, elektromagnetisch betätigbaren Verstellmechanismus für eine Cam-in-Cam-Nockenwellenanordnung anzugeben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen elektromechanischen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Nockenwellenversteller umfasst ein elektrisch betätigbares Stellgetriebe, welches zur Verstellung einer ersten Nockenwelle vorgesehen ist, und einen ein Planetengetriebe umfassenden Stellmechanismus zur Verstellung einer zur ersten Nockenwelle konzentrischen zweiten Nockenwelle. Der Stellmechanismus ist somit als zusätzliche Getriebestufe ausgebildet. Das Stellgetriebe, das heißt die erste Getriebestufe, umfasst ein durch die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebenes Antriebsrad und ein im Antriebsrad gelagertes, mit einer der beiden Nockenwellen zu verbindendes Abtriebselement. Zugleich ist das genannte Abtriebselement als Hohlrad des Planetengetriebes ausgebildet.
Mittels des Planetengetriebes, welches platzsparend in den Nockenwellenversteller integriert ist, ist in jedem Betriebszustand eine definierte Phasenrelation zwischen den beiden Nockenwellen gegeben. Die durch das Planetengetriebe realisierte Synchronisierung zwischen den Nockenwellen wird auch als Wegverfolgungsmechanismus bezeichnet.
Das Antriebsrad der ersten Getriebestufe kann als Planetenträger des Planetengetriebes ausgebildet sein. Das Sonnenrad des Planetengetriebes kann drehfest mit der Innennockenwelle der Cam-in-Cam-Nockenwellenanordnung verbunden sein.
Bei dem Stellgetriebe, mit welchem eine der beiden Nockenwellen verstellt wird, was auch eine Verstellung der zweiten Nockenwelle, jedoch in abweichender Weise, bedeutet, kann es sich um ein Wellgetriebe handeln. Hinsichtlich möglicher Bauformen von Wellgetrieben wird beispielhaft auf die Dokumente Dokumenten DE 10 2017 116 729 A1 , DE 10 2017 111 223 B3 , DE 10 2017 114 053 B3 und DE 10 2017 116 729 A1 hingewiesen.
Im vorliegenden Fall kann das als Hohlrad ausgebildete Abtriebselement des Nockenwellenverstellers eine Innenverzahnung aufweisen, die mit einem flexiblen Getriebeelement, insbesondere Flexring, des Wellgetriebes kämmt. Zugleich kann die mit dem flexiblen Getriebeelement kämmende Innenverzahnung des Abtriebselementes mit den Planeten des Planetengetriebes kämmen. Das Hohlrad kann hierbei zwei in unterschiedlicher Weise innenverzahnte Bereiche aufweisen, welche einerseits dem Wellgetriebe und andererseits dem Planetengetriebe zuzurechnen sind. Alternativ erstreckt sich ein und dieselbe Innenverzahnung des Hohlrades vom Wellgetriebe bis zum Planetengetriebe.
Zwischen dem Wellgetriebe und dem Planetengetriebe kann ein dünnes scheibenförmiges Axialsicherungselement angeordnet sein. Dieses ringscheibenförmige Sicherungselement stützt sich beispielsweise radial nach außen ab, wobei eine Abstützung des scheibenförmigen Axialsicherungselementes an einer Innenumfangsfläche des Abtriebselementes gegeben sein kann.
In vorteilhafter Ausgestaltung greift das flexible Getriebeelement in ein fest mit dem Antriebsrad verbundenes innenverzahntes Element eingreift, welches eine Durchmesserstufung aufweist, mit der das flexible Getriebeelement in Axialrichtung gesichert ist.
Das als Abtriebselement vorgesehene Hohlrad kann einen Boden aufweisen, in welchem sich mehrere gekrümmte, schlitzförmige Ausnehmungen befinden, die jeweils von einem Bolzen des Planetenträgers durchdrungen sind. Alternativ kann der Boden des Hohlrades beispielsweise eine Speichenform beschreiben. In beiden Fällen können die Bolzen, welche Ausnehmungen im Boden des Hohlrades durchdringen, einstückig an einen scheibenförmigen Abschnitt des Antriebsrades angeformt sein. In alternativer Ausgestaltung können die Bolzen beispielsweise in den Boden des Antriebsrades eingeschraubt sein.
In verschiedensten Gestaltungen des Antriebsrades sowie des Abtriebselementes des Wellgetriebes können Mittel zur Erfassung der Winkelstellung und/oder von Winkeländerungen von Komponenten des Nockenwellenverstellers vorgesehen sein. Solche Mittel können sich insbesondere an einem Stellmotor des Nockenwellenverstellers und/oder an den zu verstellenden Nockenwellen befinden.
In jedem Fall ist der Nockenwellenversteller dazu ausgebildet, bei Verstellung einer der beiden zueinander konzentrischen Nockenwellen, was insbesondere mittels eines Wellgetriebes geschieht, auch die zweite Nockenwelle in definierter Weise in Relation zur ersten Nockenwelle zu verstellen. Der Verstellbereich des Nockenwellenverstellers kann durch eine Verdrehwinkelbegrenzung limitiert sein, welche insbesondere zwischen Konturen des innenverzahnten, sowohl eine Komponente des Stellgetriebes als auch eine Komponente des Planetengetriebes darstellenden Abtriebsrades und Konturen des durch die Kurbelwelle des Verbrennungsmotors angetriebenen Antriebsrades gebildet ist. Mit einer solchen Verdrehwinkelbegrenzung wird nicht nur der Verstellbereich der mittels des Stellgetriebes verstellbaren Nockenwelle, sondern auch der Winkel, um welchen die beiden ineinander angeordneten Nockenwellen gegeneinander verdrehbar sind, begrenzt.
Im Vergleich zu einem elektromechanischen Nockenwellenversteller, welcher lediglich zur Verstellung einer einzigen Nockenwelle vorgesehen ist, ist der Bauraumbedarf des anmeldungsgemäßen Nockenwellenverstellers in radialer Richtung nicht und in axialer Richtung nur moderat erhöht. Im Vergleich zu Lösungen mit zwei Nockenwellenverstellern wirkt sich insbesondere der Entfall von Winkeleinstell- und Kalibriervorgängen positiv auf den Montageaufwand aus. Um Verzahnungsspiel an den Planetenrädern zu eliminieren, kommen verschiedene Vorspannmechanismen in Betracht. Beispielsweise können Planetenwellen nachgiebig gelagert sein oder sich ein elastisches, federbelastetes Vorspannrad an der Innenwelle befinden.
Das innenverzahnte Abtriebshohlrad des Nockenwellenverstellers ist in typischen Ausgestaltungen mit der Auslassnockenwelle eines Verbrennungsmotors verbunden. Der Wegverfolgungsmechanismus, welcher durch das in den Nockenwellenversteller integrierte Planetengetriebe realisiert ist, sorgt für eine definierte Verstellung der Ventilüberschneidung in Abhängigkeit von der elektromechanisch, nämlich mittels des Stellgetriebes, erfolgenden Verstellung des Abtriebshohlrades. Das Antriebsrad des Nockenwellenverstellers kann grundsätzlich als Riemen- oder Kettenrad gestaltet sein. Ohne prinzipielle Veränderung des Aufbaus und der Funktion des Nockenwellenverstellers ist auch dessen Antrieb per Zahnradgetriebe möglich.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

1 ausschnittsweise einen elektromechanischen Nockenwellenversteller in einer Schnittdarstellung,
2 ein Detail der Anordnung nach 1,
3 Komponenten des elektromechanischen Nockenwellenverstellers in stirnseitiger Ansicht.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter elektromechanischer Nockenwellenversteller ist zur Verwendung bei einem Verbrennungsmotor mit Cam-in-Cam-Nockenwellenanordnung vorgesehen. Als Antriebselement 2 des Nockenwellenverstellers 1 kommt im vorliegenden Fall ein Riemenrad zum Einsatz, dessen direkt mit einem Zahnriemen zusammenwirkende Verzahnung mit 39 bezeichnet ist. Der Nockenwellenversteller 1 dient der simultanen Verstellung einer ersten, äußeren Nockenwelle 3 und einer zweiten, inneren Nockenwelle 4. Als Stellgetriebe 5 des Nockenwellenverstellers 1 ist ein Wellgetriebe vorgesehen.
Zusätzlich umfasst der Nockenwellenversteller 1 ein Planetengetriebe 6, allgemein auch als Stellmechanismus oder zusätzliche Getriebestufe bezeichnet. Das Stellgetriebe 5 befindet sich zusammen mit dem Planetengetriebe 6 in einem Innenraum, welcher durch das Antriebselement 2 zusammen mit einem innenverzahnten Element 7, welches mit Schrauben 8 am Riemenrad 2 befestigt ist, gebildet ist. Das innenverzahnte Element 7 weist einen stirnseitig am Antriebselement 2 anliegenden ringscheibenförmigen Abschnitt 9 auf, von welchem ein zylindrischer Abschnitt 10 ausgeht, der dem Antriebselement 2 abgewandt ist. Der zylindrische Abschnitt 10 ist als Dichtfläche nutzbar. Radial nach innen schließt sich an den ringscheibenförmigen Abschnitt 9 ein innerer ringförmiger Abschnitt 11 an, wobei zwischen den Abschnitten 9, 11 eine Durchmesserstufung 12 gebildet ist, die dazu geeignet ist, einen insgesamt mit 13 bezeichneten Wellgenerator in Axialrichtung zu sichern.
Der Wellgenerator 13 umfasst ein Wälzlager 14, im vorliegenden Fall in Form eines Kugellagers, mit einem nicht kreisrunden, elliptischen Innenring 15, welcher über Stifte 16 elektrisch angetrieben ist, wobei eine Ausgleichskupplung zwischen einen Stellmotor und den Innenring 15 geschaltet sein kann. Die mit 17 bezeichneten Wälzkörper, das heißt Kugeln, des Wälzlagers 14 sind in einem Käfig 36 geführt und kontaktieren einen Außenring 18, der im Gegensatz zum Innenring 15 nachgiebig ist und sich permanent der unrunden Form des Innenrings 15 anpasst. Ein Flexring 19, das heißt nachgiebiges Getriebeelement, umgibt den Außenring 18, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Die Verzahnung des Flexrings 19 ist mit 20 bezeichnet und kämmt sowohl mit der mit 21 bezeichneten Innenverzahnung des insgesamt ringförmigen Elementes 7 als auch mit einer Innenverzahnung 23 eines als Hohlrad ausgebildeten Abtriebselementes 22 des Wellgetriebes 5. Die Innenverzahnung 23 befindet sich in einem mit 24 bezeichneten zylindrischen Abschnitt des Hohlrades 22.
Geringfügig sich voneinander unterscheidende Zähnezahlen der Verzahnungen 20, 21, 23 sorgen in an sich bekannter Weise dafür, dass eine volle Umdrehung des Innenrings 15 gegenüber dem Antriebselement 2 in eine lediglich geringe Verschwenkung zwischen dem Antriebselement 2 und dem Abtriebselement 22 umgesetzt wird, womit das Stellgetriebe 5 als hoch untersetztes Getriebe ausgelegt ist. Die damit bewirkte Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle 3 ist durch eine Verdrehwinkelbegrenzung 26, welche durch Konturen des Antriebselementes 2 sowie des Abtriebselementes 22 gebildet ist, begrenzt. Die Nockenwelle 3 ist in einem inneren zylindrischen Abschnitt 37 des Antriebselementes 2 drehbar angeordnet.
Das Abtriebselement 22 ist mit Hilfe eines hülsenförmigen Elementes 27, welches einen Flansch 35 aufweist, fest mit der äußeren Nockenwelle 3 verschraubt. Zugleich stellt das Abtriebselement 22 eine Komponente des Planetengetriebes 6 dar. Hierbei kämmen mit 28 bezeichnete Planetenräder, welche auf Bolzen 29 gelagert sind, mit der Innenverzahnung 23 des Hohlrades 22 sowie mit einem Sonnenrad 32 als weiterer Komponente des Planetengetriebes 6. Die Bolzen 29 sind einstückig an den Boden 30 des Antriebselementes 2 angeformt. Um ein Relativverdrehung zwischen dem Antriebselement 2 und dem mit 25 bezeichneten Boden des Hohlrades 22 zuzulassen, befinden sich im Boden 25 mehrere, im Ausführungsbeispiel drei, gekrümmte schlitzförmige Durchbrechungen 31, welche jeweils von einem Bolzen 29 durchdrungen sind. Die Bolzen 29 bilden zusammen mit dem Boden 30 den Planetenträger des Planetengetriebes 6.
Das Sonnenrad 32 ist mittels einer Zentralschraube 33, deren Kopf mit 38 bezeichnet ist, fest mit der inneren Nockenwelle 4 verbunden. Radial außerhalb des Sonnenrades 32 befindet sich eine dünnwandige Scheibe 34, die sich nach außen bis zu einer Nut in der Innenumfangsfläche des zylindrischen Abschnitts 24 des Hohlrades 22 erstreckt und in Axialrichtung eine Barriere zwischen dem Wellgetriebe 5 und dem Planetengetriebe 6 darstellt.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenversteller
2: Antriebselement, Riemenrad
3: erste, äußere Nockenwelle
4: zweite, innere Nockenwelle
5: Stellgetriebe, Wellgetriebe
6: Stellmechanismus, Planetengetriebe
7: innenverzahntes Element
8: Schraube
9: ringscheibenförmiger Abschnitt
10: zylindrischer Abschnitt
11: innerer ringförmiger Abschnitt
12: Durchmesserstufung
13: Wellgenerator
14: Wälzlager
15: Innenring
16: Stift
17: Wälzkörper, Kugel
18: Außenring
19: flexibles Getriebeelement, Flexring
20: Verzahnung des Flexrings
21: Innenverzahnung des Elementes 7
22: Abtriebselement, Hohlrad
23: Innenverzahnung des Hohlrades
24: zylindrischer Abschnitt des Hohlrades
25: Boden des Hohlrades
26: Verdrehwinkelbegrenzung
27: hülsenförmiges Element
28: Planetenrad
29: Bolzen
30: Boden des Antriebselementes
31: schlitzförmige Durchbrechung im Boden des Hohlrades
32: Sonnenrad
33: Zentralschraube
34: Scheibe, Axialsicherungselement
35: Flansch
36: Käfig
37: innerer zylindrischer Abschnitt
38: Schraubenkopf
39: Verzahnung des Antriebselementes

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 10823017 B2 [0002]
EP 2693003 B1 [0003]
US 2020/0165943 A1 [0004]
US 2020/0149439 A1 [0004]
DE 102015207104 A1 [0005]
DE 102018104904 A1 [0005]
DE 102017116729 A1 [0010]
DE 102017111223 B3 [0010]
DE 102017114053 B3 [0010]

Claims

Elektromechanischer Nockenwellenversteller, mit einem elektrisch betätigten Stellgetriebe (5), welches zur Verstellung einer ersten Nockenwelle (3) vorgesehen ist, und einem ein Planetengetriebe (6) umfassenden Stellmechanismus zur Verstellung einer zur erste Nockenwelle (3) konzentrischen zweiten Nockenwelle (4), wobei das Stellgetriebe (5) ein durch die Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors angetriebenes Antriebselement (2) und ein im Antriebselement (2) gelagertes Abtriebselement (22) umfasst, und wobei das Abtriebselement (22) als Hohlrad des Planetengetriebes (6) ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (2) als Planetenträger des Planetengetriebes (6) ausgebildet ist und das Planetengetriebe (6) ein Sonnenrad (32) aufweist, welches drehfest mit einer Innennockenwelle als zweiter Nockenwelle (4) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das als Hohlrad ausgebildete Abtriebselement (22) eine Innenverzahnung (23) aufweist, welche mit einem flexiblen Getriebeelement (19) eines Wellgetriebes (5), das als Stellgetriebe vorgesehen ist, kämmt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die mit dem flexiblen Getriebeelement (19) kämmende Innenverzahnung (23) zugleich mit den Planetenrädern (28) des Planetengetriebes (6) kämmt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (22) zwei in unterschiedlicher Weise innenverzahnte Bereiche aufweist, welche zum einen dem Wellgetriebe (5) und zum anderen dem Planetengetriebe (6) zuzurechnen sind.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 3 bis 5, gekennzeichnet durch ein zwischen dem Wellgetriebe (5) und dem Planetengetriebe (6) angeordnetes scheibenförmiges Axialsicherungselement (34).
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das flexible Getriebeelement (19) zugleich in ein fest mit dem Antriebselement (2) verbundenes innenverzahntes Element (7) eingreift, welches eine Durchmesserstufung (12) aufweist, mit der das flexible Getriebeelement (19) in Axialrichtung gesichert ist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine durch Konturen des Antriebselementes (2) sowie des Abtriebselementes (22) des Wellgetriebes (5) gebildete Verdrehwinkelbegrenzung (26).
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Hohlrad (22) einen Boden (25) mit mehreren gekrümmten, schlitzförmigen Ausnehmungen (31) aufweist, die jeweils von einem Bolzen (29) des Planetenträgers durchdrungen sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Bolzen (29) einstückig an einen scheibenförmigen Abschnitt (30) des Antriebselementes (2) angeformt sind.