DE102022132998B3

DE102022132998B3 - Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellenversteller und Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102022132998B3
Application number: DE102022132998.4A
Authority: DE
Inventors: Branimir Karic
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2022-12-12
Filing date: 2022-12-12
Publication date: 2023-12-28
Anticipated expiration: 2042-12-13

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle (16), einer als Hohlwelle ausgebildeten Nockenwelle (3) und einem Nockenwellenversteller für die Nockenwelle (3), der aufweist: ein Antriebsrad (4), das über einen Ketten-, Zahnrad- oder Riementrieb (5) mit der Kurbelwelle (6) verbindbar ist und das an einer ersten Axialposition (14) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, einen mit der Nockenwelle (3) drehmomentübertragend verbindbarem Motor (7), durch den ein Moment erzeugbar ist, welches die Relativwinkellage der Nockenwelle (3) und der Kurbelwelle (16) verändert, und der an einer zweiten Axialposition (17) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, ein Getriebe, durch welches das Moment des Motors (7) übersetzt ist und das an einer dritten Axialposition (18) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, welche von der zweiten Axialposition (17) beabstandet ist, eine in der Nockenwelle (3) angeordneten Welle (15), welche den Motor (7) und das Getriebe miteinander drehmomentverbindet, wobei die erste Axialposition (14) und die zweite Axialposition (17) an jeweils gegenüberliegenden Enden der Nockenwelle (3) angeordnet sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle, einer Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller für die Nockenwelle, der ein Antriebsrad, einen mit der Nockenwelle drehmomentübertragend verbindbarem Motor und ein Getriebe aufweist. Sie betrifft ferner eine Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller.
Neben hydraulischen Vorrichtungen zur Relativverdrehung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine sind auch eine Vielzahl von Vorrichtungen bekannt, bei denen die Relativverdrehung der Nockenwelle mit Hilfe von Elektromotoren erfolgt. Die elektrische Winkelverstellung der Nockenwelle hat sich dabei gegenüber der hydraulischen Winkelverstellung insofern als vorteilhaft erwiesen, dass die benötigte elektrische Energie bereits vor dem Anlassen der Brennkraftmaschine zur Verfügung steht und auch von der Bereitstellung her nicht den Limitierungen eines Hydrauliksystems unterliegt.
Eine für die elektrische Winkelverstellung gattungsbildende Vorrichtung zur Relativverdrehung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine ist beispielsweise durch die DE 198 07 315 A1 bekannt. Diese Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem über einen Kettentrieb mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Antriebsrad und aus einem mit der Nockenwelle der Brennkraftmaschine in Drehmoment-Übertragungsverbindung stehenden elektrischen Stellmotor, wobei zwischen dem Stellmotor und der Nockenwelle ein Untersetzungs-Zahnradgetriebe angeordnet ist. Dieses Zahnradgetriebe besteht wiederum aus einem an der Nockenwelle befestigten Außenrotor mit Innenverzahnung und aus einem am Antriebsrad befestigten Innenrotor mit Außenverzahnung, wobei der Stellmotor, das Antriebsrad und der Innenrotor des Zahnradgetriebes eine Baueinheit bildet, die über den Außenrotor des Zahnradgetriebes mit der Nockenwelle in Antriebsverbindung steht. Die Relativverdrehung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle erfolgt dann durch eine dem Innenrotor des Zahnradgetriebes über den Stellmotor überlagerte Drehwinkelbewegung, die über den Außenrotor des Zahnradgetriebes auf die Nockenwelle untersetzt wird. Diese Lösung hat, den Nachteil, dass die verwendeten Untersetzungsgetriebe zur Vermeidung von aus den Wechselmomenten der Nockenwelle resultierenden nachteiligen Geräuschen entweder sehr präzise ausgeführt oder mit zusätzlichen Spielausgleichselementen versehen werden müssen.
Zur Lösung schlägt DE 101 16 707 A1 vor, den Elektromotor direkt oder über einen Zwischentrieb an einem Ende der Nockenwelle anzuflanschen und als Primärantrieb der Nockenwelle sowie als Stellantrieb zum Einstellen und Halten eines geregelten Nockenwellenverstellwinkels auszubilden ist und das Antriebsrad mit einem definierten Verdrehspiel am anderen Ende der Nockenwelle beweglich zu befestigen. Eine Ringscheibe fixiert das Antriebsrad axial nockenwellenfest und weist einen radialen Mitnehmersteg aufweist, der in eine kreisringsegmentförmige Kammer in der Felge des Antriebsrades hineinragt.
Nockenwellenversteller benötigen relativ viel axialen Bauraum. Um diesen zu verringern, ist in DE 103 52 255 A1 ein Nockenwellenversteller vorgestellt, dessen Motor räumlich getrennt von der Nockenwelle angeordnet und über eine flexible Welle oder ein Stirnradgetriebe angebunden ist. Die Anbindung über beide Mechanismen erfordert weiterhin axialen Bauraum.
Etwas Bauraum lässt sich sparen, wenn man wie im Falle der US 2019 / 0 170 165 A1 zwei Nockenwellenversteller konzentrisch anordnet. Sollte allerdings der axiale Bauraum schon für einen einzigen Nockenwellenversteller knapp sein, gelingt damit lokal keine hinreichende Reduzierung.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellenversteller zu schaffen, der auch bei am Antriebsrad beengtem Bauraum einsetzbar ist. Ebenfalls Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einheit aus einer Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller zu schaffen, die für eine derartige Brennkraftmaschine geeignet ist.
Die Aufgabe wird durch eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Die Aufgabe wird ferner durch eine Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller nach Anspruch 7 gelöst.
Der Nockenwellenversteller ist durch die Bauteile Getriebe und Motor gebildet. Zusätzlich kann er eine Kupplung aufweisen. Antriebsseitig ist der Nockenwellenversteller mit dem Antriebsrad verbunden. Abtriebsseitig ist er mit der Nockenwelle verbunden. Das Antriebsrad kann als ein Riemenrad, ein Kettenrad oder als ein Teil einer Stirnverzahnung ausgebildet sein und steht mit der Kurbelwelle in steuerzeitmäßig eindeutiger Verbindung.
Das Getriebe und der Motor sind vorliegend nicht direkt zueinander positioniert. Sie sind damit insbesondere auch nicht notwendigerweise fluchtend zueinander am Antriebsrad angeordnet, so dass dort auf einen Achsversatzausgleich verzichtet werden kann. Damit wird an dieser Stelle weiterer Bauraum eingespart. Das Antriebsrad wird als Teil des Getriebes direkt an der Nockenwelle angeschraubt. Der Motor wird axial versetzt und beabstandet zum Antriebsrad an anderer Stelle an der Nockenwelle positioniert. Der Motor ist dabei auf der Nockenwelle angeordnet, so dass er dort auch gelagert werden kann.
Der Motor ist vorzugsweise als ein Elektromotor ausgebildet. Dieser weist eine Motorwelle auf, die koaxial zur Nockenwelle angeordnet sein kann. Um einen Koaxialitätsversatz auszugleichen, kann die Motorwelle über eine Oldhamkupplung an die Nockenwelle angebunden sein. Vorzugsweise ist die Oldhamkupplung an der gleichen Axialposition wie der Elektromotor angeordnet.
Das Antriebsrad und das Getriebe können eine Einheit bilden und an der gleichen Axialposition der Nockenwelle angeordnet sein. In diesem Fall ist lediglich der Motor an einer anderen Axialposition der Nockenwelle angeordnet.
Die zweite Axialposition ist an einem Nockenwellenende angeordnet, und die erste Axialposition ist an dem anderen Nockenwellenende angeordnet. Damit lässt sich die Einheit leicht montieren.
Unter der Anordnung an einer Axialposition an der Nockenwelle ist zu verstehen, dass das jeweilige Bauteil auf der Nockenwelle angeordnet ist. Es kann insbesondere auf ihr gelagert sein.
Die Nockenwelle ist als eine Hohlwelle ausgebildet. In der Hohlwelle ist eine Welle angeordnet, welche das Drehmoment des Motors auf das Getriebe überträgt. Damit kann das Getriebe auf der einen Seite eines Zylinderkopfs angeordnet werden und der Motor auf der anderen Seite des Zylinderkopfs. Der Bauraum auf der Steuertriebkastenseite wird dadurch deutlich verkleinert.
Die Hohlwelle und die Welle können einen Kanal ausbilden, über welchen Schmiermittel strömen kann. Alternativ oder zusätzlich kann die Welle in der Hohlwelle gelagert sein.
In einer Weiterbildung ist die Welle durch zwei Kupplungen, beispielsweise Oldhamkupplungen, gelagert. Die eine Kupplung ist motornah angeordnet und gleicht einen Achsversatz zur Motorwelle aus, die andere getriebenah und gleicht einen Achsversatz zum Antriebsrad oder zur Nockenwelle aus.
Weitere Vorteile und vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der Figurenbeschreibung und den Abbildungen.
Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird im Folgenden unter Bezugnahme auf Zeichnungen näher beschrieben. Es zeigen:

1 eine perspektivische Ansicht eines Zylinderkopfs einer ersten Brennkraftmaschine mit zwei obenliegenden Nockenwellen und einem Nockenwellenversteller und
2 perspektivische Ansicht einer zweiten Nockenwelle mit einem Nockenwellenversteller und einen Längsschnitt eines Teils einer zweiten Düse in einer vereinfachten Darstellung.

Aus 1 geht der Zylinderkopf 1 einer Brennkraftmaschine mit zwei obenliegenden Nockenwellen 2, 3 hervor, von denen die als Auslassnockenwelle ausgebildete Nockenwelle 3 mit einem Nockenwellenversteller zur Relativverdrehung der Nockenwelle 3 gegenüber der nur durch ihre Drehachse dargestellten Kurbelwelle 16 der Brennkraftmaschine ausgebildet ist. Der Nockenwellenversteller weist ein Antriebsrad 4 auf, welches an einer ersten Axialposition 14 an der Nockenwelle 3 über einen Antrieb 5 mit dem Kurbelwellenrad 6 der Brennkraftmaschine verbunden ist und aus einem Motor 7 als Elektromotor, der mit der Nockenwelle 3 der Brennkraftmaschine in Drehmoment-Übertragungsverbindung steht. Der Motor 7 ist an einer zweiten Axialposition 17 der Nockenwelle 3 angeordnet, die von der ersten Axialposition 14 beabstandet ist. Weiterhin weist der Nockenwellenversteller ein Getriebe auf, das an einer dritten Axialposition 18 angeordnet ist, die zwischen der ersten Axialposition 14 und der zweiten Axialposition 17 liegt und zwar unmittelbar benachbart der ersten Axialposition 14, aber beabstandet von der zweiten Axialposition 17.
Des weiteren ist 1 entnehmbar, dass der Elektromotor 7 direkt an dem einen Ende der Nockenwelle 3 und das Antriebsrad 4 mit einem definierten Verdrehspiel am anderen Ende der Nockenwelle 3 angeordnet ist. Dabei ist der Elektromotor 7 zusätzlich mit einem Drehzahlregler 10 verbunden. Mittels einer Kontrolleinrichtung 23, welche Signale von einem Kurbelwellenwinkelsensor 24 und einem Nockenwellensensor 25 auswertet, gleicht der Drehzahlregler 10 die Ist-Drehzahl mit der Soll-Drehzahl ab.
2 zeigt eine Nockenwelle 3, die als eine Hohlwelle ausgebildet ist. Der Nockenwellenversteller weist in einer Split-Anordnung einen Motor 7 mit einer Motorwelle 13 auf, der am einen, ersten Ende 8 der Nockenwelle 3 angeordnet ist. An dem anderen, gegenüberliegenden Ende der Nockenwelle sind ein Getriebe und ein Antriebsrad 4 angeordnet. Das Getriebe ist mit einer Zentralschraube 12 mit der Nockenwelle 3 verschraubt. In der Nockenwelle 3 ist eine Welle 15 als Verbindungswelle zwischen dem Motor 7 und dem Getriebe herstellt. Zum jeweiligen Ausgleich des Achsversatzes mit der Motorwelle 13 und der Nockenwelle 3 bzw. dem Antriebsrad 4 sind auf beiden Stirnseiten der Welle 15 jeweils als Oldhamkupplungen ausgebildete Kupplungen 9, 19 angeordnet. Die Welle 15 weist drei Lagerstellen 11, an denen sie mit der Nockenwelle 3 oder der Zentralschraube 12 gelagert ist. Die Welle 15 kann einen Wellendichtring 20 zur Abdichtung aufweisen.
Bezugszeichenliste

1: Zylinderkopf
2: Nockenwelle
3: Nockenwelle
4: Antriebsrad
5: Antrieb
6: Kurbelwellenrad
7: Motor
8: erstes Ende der Nockenwelle
9: Kupplung
10: Drehzahlregler
11: Lagerstelle
12: Zentralschraube
13: Motorwelle
14: erste Axialposition
15: Welle
16: Kurbelwelle
17: zweite Axialposition
18: dritte Axialposition
19: zweite Kupplung
20: Wellendichtring
21: -
22: -
23: Kontrolleinrichtung
24: Kurbelwellensensor
25: Nockenwellensensor

Claims

Brennkraftmaschine mit einer Kurbelwelle (6), einer als Hohlwelle ausgebildeten Nockenwelle (3) und einem Nockenwellenversteller für die Nockenwelle (3), der aufweist: - ein Antriebsrad (4), das über einen Ketten-, Zahnrad- oder Riementrieb (5) mit der Kurbelwelle (6) verbindbar ist und das an einer ersten Axialposition (14) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, - einen mit der Nockenwelle (3) drehmomentübertragend verbindbarem Motor (7), durch den ein Moment erzeugbar ist, welches die Relativwinkellage der Nockenwelle (3) gegenüber der Kurbelwelle (6) verändert, und der an einer zweiten Axialposition (17) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, - ein Getriebe, durch welches das Moment des Motors (7) übersetzt ist und das an einer dritten Axialposition (18) an der Nockenwelle (3) angeordnet ist, welche von der zweiten Axialposition (17) beabstandet ist - eine in der Nockenwelle (3) angeordneten Welle (15), welche den Motor (7) und das Getriebe miteinander drehmomentverbindet, wobei die erste Axialposition (14) und die zweite Axialposition (17) an jeweils gegenüberliegenden Enden der Nockenwelle (3) angeordnet sind.
Brennkraftmaschine nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (4), das Getriebe oder der Motor (7) auf der Nockenwelle (3) gelagert ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (7) als ein Elektromotor ausgebildet ist.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Motor (7) eine Motorwelle (13) sowie eine Kupplung (9) aufweist, welche einen Achsversatz zwischen der Motorwelle (13) und der Nockenwelle (3) ausgleicht.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Welle (15) und die Nockenwelle (3) einen Kanal für Schmiermittel ausbilden.
Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Axialposition (14) und die dritte Axialposition (18) unmittelbar nebeneinander angeordnet sind.
Nockenwelle (3) mit einem Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine nach einem der vorhergehenden Ansprüche.