DE10248355A1

DE10248355A1 - Nockenwellenversteller mit elektrischem Antrieb

Info

Publication number: DE10248355A1
Application number: DE10248355A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Martin Dipl.-Ing. Steigerwald; Jon Dipl.-Ing. Heywood
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2002-10-17
Filing date: 2002-10-17
Publication date: 2004-04-29
Also published as: WO2004035997A1; JP2006503213A; AU2003273990A1; US20050199201A1; US6981478B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der relativen Drehwinkellage zweier Wellen, insbesondere einer Nockenwelle (15) gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle (32) eines elektrischen Verstellmotors (3) drehfest verbundene Verstellwelle (13) aufweist, wobei der Verstellmotor (3) als bürstenloser Gleichstrommotor mit einem gehäusefesten Stator (35) und einem Dauermagnetrotor (34) ausgebildet ist. DOLLAR A Eine hohe Verstellgenauigkeit und Verstellgeschwindigkeit bei geringem Platz- und Energiebedarf wird dadurch erreicht, dass als Verstellgetriebe Doppelexzentergetriebe (2) und ein Doppeplanetengetriebe vorgesehen sind, die eine Untersetzung von vorzugsweise bis 1 : 250 und eine geringe Reibung aufweisen und dass für den Verstellmotor (3) ein hochinduktiver Dauermagnetrotor (34) vorgesehen ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der Drehwinkellage der Nockenwelle zur Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung

Bei hydraulischen Nockenwellenverstellsystemen, bei denen die Verstellung durch den Druck von Motoröl erfolgt, hängt die Funktion des Nockenwellenverstellers stark von der Temperatur des Motoröls ab. Bei niedrigen Temperaturen und somit dickflüssigem Öl ist keine Regelung bzw. Verstellung möglich, da das Öl nicht oder nur sehr langsam durch die Ölleitungen zum Versteller bzw. vom Versteller weg fließt. Es besteht zwar ein hoher Öldruck aber kein oder nur ein geringer Volumenstrom. Bei hohen Temperaturen tritt das Gegenteil ein. Das Öl ist sehr dünnflüssig, wodurch viel Leckage verursacht wird. Dadurch baut sich kein hoher Druck auf und es kann eine nur langsame Verstellung erfolgen bzw. die Regelstellung nur schlecht gehalten werden. Außerdem hängt der Öldruck und damit die Funktion des Nockenwellenverstellers von der Drehzahl des Verbrennungsmotors ab. Demgegenüber funktionieren elektrische Nockenwellenverstellsysteme unabhängig vom Öldruck. Dadurch treten die zuvor angesprochenen Probleme nicht auf, so dass der Funktionsbereich und die Funktionssicherheit des Verstellers erhöht werden.

In der DE 41 10 195 A1 ist eine Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der relativen Drehwinkellage zweier Wellen, insbesondere einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe offenbart, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbundene Verstellwelle aufweist, wobei der Verstellmotor als bürstenloser Gleichstrommotor mit einem gehäusefesten Stator und einem Dauermagnetrotor ausgebildet ist. Das Verstellgetriebe ist als Umlaufrädergetriebe ausgebildet, dessen Selbsthemmung mehrtach erwähnt und als Vorteil herausgestellt wird.

Aus einer solchen Selbsthemmung ergeben sich jedoch Nachteile bezüglich der Verstellgeschwindigkeit und der erforderlichen Verstellenergie. Außerdem führt der nicht ausgeglichene Exzenterantrieb zu Laufunruhe bei Betrieb des Verstellmotors.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die eine hohe Verstellgenauigkeit und Verstellgeschwindigkeit bei geringem Platz- und Energiebedarf aufweist.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruchs 1 gelöst.

Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, dass das Verstellgetriebe vorzugsweise als Doppelexzentergetriebe und das andere Verstellgetriebe vorzugsweise als Doppelplanetengetriebe ausgebildet ist. Beide Verstellgetriebe sind durch hohe Untersetzung von vorzugsweise ≦ 250 und geringe Reibung gekennzeichnet. Die hohe Untersetzung ermöglicht eine präzise Winkeleinstellung und gestattet die Verwendung kleiner schnelllaufender Verstellmotoren. Diese sparen Bauraum und Baukosten. Die niedrige Reibung wirkt sich im Verstellbetrieb positiv auf den Stromverbrauch und die Statoraufheizung aus. Neben dem Doppelexzenter- und Doppelplanetengetriebe kommen unter anderem auch noch andere hoch untersetzende Verstellgetriebe, beispielsweise Einfachexzenter- und Einfachplanetengetriebe, Wellgetriebe, wie zum Beispiel das Harmonic-Drive-Getriebe, Twinspingetriebe sowie Taumel- und Reduto-Servogetriebe in Betracht.

Der Verstellmotor kann mit oder ohne Bürsten ausgeführt werden. Die bürstenlose Version bietet den Vorteil geringer Reibung und fehlenden Verschleißes, der den Zusatzaufwand für eine elektronische Kommutierung überkompensiert.

Der gehäusefeste Stator ermöglicht eine einfache, zuverlässige und verschleißfreie Stromzuführung zu den Statorwicklungen. Der hoch induktive, selten Erdmetalle enthaltende Dauermagnetrotor besitzt ein hohes Dreh- und Selbsthaltemoment, der in Verbindung mit der hohen Untersetzung des Verstellgetriebes trotz dessen geringer Reibung und fehlender Selbsthemmung die Nockenwelle rasch in Regellage bringt und fixiert. Der Motor kann auch als Scheibenläufer ausgebildet sein.

Neben der üblichen fluchtenden Anordnung von Verstellmotor und Verstellgetriebe besteht auch die Möglichkeit einer radialen Zuordnung derselben mit beispielsweise einer Verbindung durch ein Kegelrad- oder Schneckengetriebe. Außerdem ist es denkbar, den Verstellmotor bei fehlendem axialen Bauraum parallel zum Verstellgetriebe anzuordnen. Eine Verbindung zwischen beiden kann durch einen Zahnriemen- oder Kettentrieb oder über Zahnräder oder eine Kardanwelle bewerkstelligt werden. Auf diese Weise ergibt sich eine große Flexibilität bezüglich Form und Volumen der Verstellvorrichtung.

Zur Minimierung der Reibung der Verstellgetriebe und Verstellmotoren trägt bei, dass deren Lager vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet sind. Es können aber auch Gleitlager eingesetzt werden, wenn Kosten- und Bauraumgründe dominierend sind. Dies gilt zum Beispiel für die Lagerung des Antriebsrades.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass zur drehfesten Verbindung von Nockenwelle und Verstellgetriebe zentrale Spannschrauben oder eine Kreiskeilverbindung vorgesehen sind, die zylindrische Schraubenköpfe bzw. eine zylindrische Kreiskeilnabe aufweisen, die als Lagerfläche für Wälzlager dienen. Dadurch entfällt ein gesonderter Platz für die Lager, was Baulänge spart. Die Kreiskeilverbindung bietet darüber hinaus den Vorteil, dass keine zusätzlichen Bauteile wie Passfedern oder Schrauben erforderlich sind. Auch dadurch wird Bauraum eingespart, der für andere Zwecke genutzt werden kann.

Den Vorteil verringerten Bauraums bietet auch eine direkte Schraubverbindung. Bei ihr wird das Verstellgetriebe unmittelbar auf die Nockenwelle geschraubt. Hierzu sind an dem antriebsseitigen Ende der Nockenwelle ein Nokkenwellenzapfen mit einem Außengewinde und an einem nockenwellenfesten Bauteil des Verstellgetriebes ein Innengewinde erforderlich. Auf diese Weise kann das Verstellgetriebe direkt auf die Nockenwelle aufgeschraubt und mittels eines Werkzeugs wie bei der Kreiskeilverbindung angezogen werden. Sowohl bei der Kreiskeil- als auch bei der direkten Schraubverbindung ist eine exakte Positionierung des Verstellgetriebes nicht möglich und im Regelfall auch nicht erforderlich.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist darin zu sehen, dass zur drehfesten Verbindung der Verstellwellen und der Verstellmotorwellen eine einteilige Ausbildung der beiden Wellen in Gestalt einer einzigen Hohlwelle (integrierter Verstellmotor) und zwischen beiden Wellen eine drehspielfreie, lösbare Kupplung zur Verbindung der getrennten Wellen (separater Verstellmotor) vorgesehen ist. Die Lösung mit integriertem Verstellmotor ist einfacher in der Fertigung, da sie mit nur zwei statt drei Lagern für beide Wellen auskommt. Außerdem kann die sonst erforderliche Kupplung entfallen. Der integrierte Verstellmotor kann jedoch nicht vorkomplettiert werden. Er muss mit Hilfe eines Montagewerkzeugs am Verstellgetriebe selbst komplettiert werden.

Demgegenüber werden bei der Lösung mit separatem Verstellmotor mindestens zwei, vorzugsweise jedoch drei Lager für die beiden getrennten Wellen benötigt. Außerdem ist eine drehspielfreie, lösbare Kupplung zwischen beiden Wellen erforderlich, die jedoch eine Vorkomplettierung des Verstellmotors und eine einfache Montage desselben am Verstellgetriebe erlaubt.

Die Montage des integrierten Verstellmotors und die Zentrierung von dessen Stator auf dessen Dauermagnetrotor wird dadurch erleichtert, dass ein Montagewerkzeug vorgesehen ist, dessen vorzugsweise drei gleiche und in gleichem Abstand angeordnete Fahnen durch drei entsprechende Montageschlitze im äußeren Verstellmotorgehäuse hindurch in den Luftspalt zwischen dem Dauermagnetrotor und dem Stator mit geringem Radialspiel einführbar und die Montageschlitze durch einen passenden Verschlussdeckel verschließbar sind.

Als drehspielfreie, lösbare Kupplungen kommen bevorzugt Zweikant-, Passfeder- oder Keilwellenkupplungen in Frage. Profilwellenkupplungen wie Polygon-, Zahn- und Vier- oder Sechskant-Wellenkupplungen sind auch denkbar.

Die Montage des Verstellmotors erfolgt durch bloßes Einstecken des am freien Ende der Verstellmotorwelle befindlichen Kupplungsteils in das komplementäre Kupplungsteil der Verstellwelle. Da beide Kupplungsteile praktisch spielfrei zusammenpassen und selbstzentrierend sind, bedarf es keinerlei Zusatzmaßnahmen bei der Montage und Demontage. Die axiale Beweglichkeit der Wellenverbindungen ermöglicht eine ungehinderte Wärmedehnung von Nocken-, Verstell- und Verstellmotorwellen.

Für die Lagerung der Hohlwelle ist es von Vorteil, dass diese ein außenliegendes Rillenkugellager vor dem Dauermagnetrotor und die andere Hohlwelle ein weiteres inneres Rotorlager auf einem weiteren zylindrischen Schraubenkopf einer verlängerten zentralen Spannschraube im Bereich des Dauermagnetrotors aufweist.

Wenn die Hohlwellen zumindest eine Abströmbohrung und einen verstellmotorseitigen Verschlussstopfen aufweisen, ist für eine Entölung und damit für eine Minimierung des rotatorischen Massenträgheitsmoments der Hohlwellen gesorgt. Zugleich wird eine Ölzufuhr von den Hohlwellen zum Inneren des Verstellmotors verhindert.

Entsprechend ihrer unterschiedlichen Funktion ist es von Vorteil, dass die Verstellgetriebe ölgeschmierte Wälzlager und die Verstellmotoren öl- und fettgeschmierte Wälzlager aufweisen. Die Wälzlager des Verstellmotors müssen zum Teil auch Dichtfunktionen für dessen Innenraum übernehmen.

Eine einfache und wirkungsvolle Schmierung der Verstellgetriebe und der ölgeschmierten Lager der Verstellmotoren wird dadurch erreicht, dass das Schmieröl von der Ölversorgung des getriebenahen Endlagers der Nockenwelle durch Schmierölbohrungen hindurch in den achsnahen Bereich des Verstellgetriebes und von dort durch Fliehkraft zu den Lagern und in den Umfangsbereich sowie weiter in den Raum des Zylinderkopfs gelangt, wo es als Spritzöl oder Ölnebel zur Schmierung der ölgeschmierten Wälzlager der Verstellmotoren dient.

Es ist von Vorteil, dass die fettgeschmierten Wälzlager der Verstellmotoren auf beiden Lagerseiten und die ölgeschmierten Wälzlager der Verstellmotoren auf der Verstellmotorseite eine Dichtung aufweisen. Bei fettgeschmierten Wälzlagern dienen die beidseitigen Dichtungen dem Schutz vor Verlust des Schmiermittels. Die Dichtung auf der Verstellmotorseite gestattet bei ölgeschmierten Wälzlagern den Zutritt des Schmieröls zum Lager und verhindert zugleich die Verölung des Verstellmotorinneren.

Eine alternative Lösung der Schmierung der Wälzlager der Verstellmotoren besteht darin, dass deren Wälzlager ohne Dichtungen ausgebildet sind, jedoch zumindest auf der Verstellgetriebeseite ein Sieb oder Filter zum Schutz vor Metallteilchen angeordnet ist und dass in diesem Fall der Stator nebst PC-Board oder Hallsensorik eine Umspritzung oder eine Abdeckfolie aus hitze- und ölbeständigem Kunststoff aufweist. Auf diese Weise wird eine motorölbedingte Zerstörung des Isolierlacks der Statorwicklung der Verstellmotoren und deren PC-Board oder Hallsensorik vermieden. In diesem Fall ist Motoröl im Inneren des Verstellmotors zulässig, zumal das Sieb oder Filter das Eindringen von im Motoröl vorhandenen Eisenspänen verhindert, die sich auf dem Dauermagnetrotor festsetzen würden. Ein Vorteil dieser Art Dichtung gegenüber Radialwellendichtungen ist ihr fehlender Reibwiderstand und ihre geringe Baulänge.

Die Baulänge des Verstellmotors wird auch dadurch verringert, dass die fettgeschmierten Wälzlager eines Verstellmotors auf einer vorzugsweise massiv ausgebildeten Verstellmotorwelle unmittelbar neben dem Dauermagnetrotor und zumindest teilweise innerhalb der Wickelköpfe des Stators angeordnet sind. Die massiv ausgebildete Verstellmotorwelle besitzt einen relativ geringen Durchmesser, der genügend Platz zur Unterbringung der Wälzlager innerhalb der Wickelköpfe bietet.

Die auf der getriebeseitigen Außenseite des fettgeschmierten Wälzlagers angebrachte Schleuderscheibe wirkt in Art einer Labyrinthdichtung als zusätzliche Abdichtung gegen Motoröl. Dadurch wird in Verbindung mit dem beidseitig abgedichteten, fettgeschmierten Wälzlager ein schmierölfreier Innenraum des Verstellmotors erzielt, wodurch sich ein besonderer Schmierölschutz des Stators erübrigt.

Dadurch, dass der Dauermagnetrotor gegenüber dem Stator eine um deren maximale Dehnlängendifferenz vergrößerte Länge aufweist, bleibt die aktive Länge des Stators auch bei unterschiedlichem Bauteiltemperaturen konstant. Den gleichen Effekt erzielt man mit einem entsprechend verlängerten Stator, allerdings unter Inkaufnahme vergrößerter Baulänge.

Der gehäusefeste Stator ist auch in vorteilhafter Weise durch Luft oder Kühlflüssigkeit kühlbar. Dadurch kann seine Belastung erhöht und damit sein Bauvolumen verkleinert werden, ohne die Lebensdauer zu verringern.

Es hat sich als vorteilhaft gezeigt, dass die Verstellwelle der Doppelexzentergetriebe als Doppelexzenterwelle mit um 180° versetzten, gleichen Exzentern ausgebildet ist, die gleiche Stirnräder antreiben, die mit einer gleichen Innenverzahnung eines kurbelwellenfesten Hohlrads kämmen, dessen Antriebsmoment über Mitnahmestifte auf eine nockenwellenfeste Abschlusswand übertragbar ist. Die um 180° versetzten, gleichen Exzenter bewirken zusammen mit den gleichen Stirnrädern einen vollkommenen Massenausgleich und dadurch einen erschütterungsfreien Lauf des Doppelexzentergetriebes im Verstellbetrieb. Das kurbelwellenfeste Hohlrad kann auch geteilt ausgeführt werden, wobei durch gegenseitiges Verspannen der beiden Teile das Zahnspiel beseitigbar ist.

Von Vorteil ist auch, dass die Mitnahmestifte in achsparallele Stiftbohrungen der Abschlusswand eingepresst sind und in achsparallele Stirnradbohrungen der Stirnräder formschlüssig eingreifen.

Für die Montage des Doppelexzentergetriebes ist es von Vorteil, dass der Durchmesser der Stirnradbohrungen zumindest dem Durchmesser der Mitnahmestifte vermehrt um die doppelte Exzentrizität der Exzenter entspricht und dass die Stirnradbohrungen und die Stiftbohrungen gleichen Teilkreisdurchmesser und gleiche Teilung aufweisen.

Eine vorteilhafte Weiterentwicklung der Erfindung besteht darin, dass die Verstellwelle des Doppelplanetengetriebes als Sonnenrad ausgebildet ist, welches auf einer zentralen Spannschraube in einem Sonnenradlager gelagert ist und mit einem nicht dargestellten Verstellmotor über eine Keilwellenkupplung in drehfester Verbindung steht. Außerdem kämmt das Sonnenrad mit ersten Planetenrädern, die je nach Auslegung mit koaxialen zweiten Planetenrädern kleineren oder größeren Durchmessers drehfest verbunden sind. Aus der geringfügig unterschiedlichen Zähnezahl der Planetenräder und der Hohlräder folgt die angestrebte große Untersetzung dieses Verstellgetriebes.

Vorteilhafte konstruktive Ausbildungen des Doppelplanetengetriebes bestehen darin, dass die ersten Planetenräder mit einer Innenverzahnung eines kurbelwellenfesten Hohlrads und die zweiten Planetenräder mit einer Innenverzahnung kleineren oder größeren Durchmessers eines nockenwellenfesten Hohlrads kämmen und dass die Planetenräder einteilig ausgebildet und über Planetenlager auf achsparallelen Verbindungsstiften gelagert sind, die mit einem Planetenträger in Verbindung stehen, der über ein Planetenträgerlager auf einem weiteren zylindrischen Schraubenkopf wälzgelagert ist.

Eine alternative Gestaltung der Planetenräder ist dadurch gekennzeichnet, dass getrennt hergestellte Planetenräder durch eine Keilwelle und getrennt hergestellte andere Planetenräder durch eine Passfederverbindung drehfest verbunden und direkt in dem Planetenträger und dessen Abschlussplatte wälzgelagert sind.

Von Vorteil ist, dass die An- und Abtriebswellen der Verstellgetriebe durch eine vorgespannte Feder, vorzugsweise eine Spiralfeder verbindbar sind, die die Nockenwelle bei Ausfall des Stromes oder des Verstellmotors gegen das Reibmoment der Nockenwelle in eine Start- oder Notlaufposition verstellt. Die Spiralfeder besitzt eine Failsafe-Funktion, da sie bei auslaufendem Verbrennungsmotor auch im Falle eines Stromausfalls die Nockenwelle in eine Position verstellt, aus der ein Wiederstart und damit zumindest ein Notbetrieb möglich ist. Die Spiralfeder überwindet dabei auch das Reibmoment des Ventiltriebs und eine eventuelle Hemmung im Verstellgetriebe. Anstelle der Spiralfeder können auch andere Federn verwendet werden.

Kurze Beschreibug der Zeichnugen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
1 einen Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung mit einem Exzentergetriebe und einem Verstellmotor, dessen Verstellmotorwelle durch eine Zweikantwellenkupplung mit einer Doppelexzenterwelle eines Doppelexzentergetriebes lösbar verbunden ist, die auf dem zylindrischen Kopf einer zentralen Spannschraube mittels einer Nadelhülse gelagert ist;
2 einen Querschnitt X-X durch die vergrößerte Zweikantwellenkupplung gemäß 3;
3 einen vergrößerten Längsschnitt durch die Zweikantwellenkupplung gemäß 2;
4 das Doppelexzentergetriebe gemäß 1, jedoch mit einer Standardspannschraube und einer Lagerhülse sowie einer Passfederwellenkupplung zwischen Doppelexzenter- und Verstellmotorwelle;
5 das Doppelexzentergetriebe gemäß 1, jedoch mit einer Kreiskeilverbindung zwischen dem Doppelexzentergetriebe und der Nockenwelle;
6a einen Querschnitt durch eine mit Spiel ineinandergesteckte Kreiskeilverbindung;
6b die Kreiskeilverbindung gemäß 6a in leicht verdrehtem, spielfreien Zustand;
6c die Kreiskeilverbindung gemäß 6b in form- und kraftschlüssiger Verbindung durch weiteres Verdrehen;
7 ein Längsschnitt durch die erfindungsgemäße Verstellvorrichtung gemäß 1, jedoch mit als Hohlwelle einteilig ausgebildeter Doppelexzenter- und Verstellmotorwelle, die neben dem Exzenterwellenlager ein äußeres Rillenkugellager aufweist;
8 einen Querschnitt durch ein Montagewerkzeug zur Montage des Stators gemäß 7;
9 eine Draufsicht auf das Montagewerkzeug gemäß 8;
10 einen Längsschnitt durch den Verstellmotor gemäß 7 im Montagezustand, mit einem Pfeil in Montagerichtung des Stators;
11 eine Teilansicht des Elektromotorgehäuses gemäß 10 mit Montageschlitzen für das Montagewerkzeug;
12 einen Längsschnitt durch einen Verschlussdeckel für die Montageschlitze gemäß 11;
13 einen Längsschnitt durch eine Variante der Verstellvorrichtung gemäß 7, bei der die einteilige Hohlwelle mit dem Exzenterwellenlager und mit einem inneren Rotorlager auf einer verlängerten Spannschraube gelagert ist;
14 einen Längsschnitt durch ein als Doppelplanetengetriebe ausgebildetes Verstellgetriebe, mit einteiligen, auf Planetenlagern gelagerten Planetenrädern;
15 einen Längsschnitt durch die Planetenräder für das Doppelplanetengetriebe nach 14, jedoch getrennt ausgebildet und mit einer außen gelagerten Keilwelle drehfest verbunden;
15a einen Querschnitt durch ein Planetenrad gemäß 15;
16 einen Längsschnitt durch getrennt ausgebildete Planetenräder, deren eines einen Wellenstumpf aufweist, auf dem das andere mit Passfederverbindung befestigt ist;
17 einen Längsschnitt durch einen Verstellmotor ähnlich dem nach 1, dessen Stator jedoch eine Umspritzung aus Kunststoff aufweist;
18 einen Längsschnitt durch den Verstellmotor ähnlich dem nach 1, jedoch mit einem durch eine Abdeckfolie abgedeckten Stator;
19 einen Längsschnitt durch einen Verstellmotor wie in 1, jedoch mit einer massiven Verstellmotorwelle, die in zwei neben einem Dauermagnetrotor angeordneten, fettgeschmierten und beidseitig abgedichteten Rillenkugellagern gelagert ist;
20 ein Querschnitt X-X durch eine Spiralfeder gemäß 21, die ein als Antriebswelle ausgebildetes Kettenrad mit einem als Abtriebswelle ausgebildeten Abschlussdeckel eines Doppelexzentergetriebes verbindet;
21 ein Teillängsschitt Y-Y durch das Doppelexzentergetriebe gemäß 20 mit dessen Spiralfeder.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäß ausgebildeten Verstellvorrichtung 1, mit einem hochuntersetzenden Verstellgetriebe (Untersetzung bis 1 : 250), das als Doppelexzentergetriebe 2 ausgebildet ist, und mit einem Verstellmotor 3, der ein bürstenloser Gleichstrommotor ist. Bei dem Doppelexzentergetriebe 2 und dem Verstellmotor 3 handelt es sich um getrennte Einheiten.
Das Verstellgetriebe ist als Dreiwellengetriebe ausgebildet, mit einer Antriebswelle, einer Abtriebswelle und einer Verstellwelle. Die Antriebswelle ist als Hohlrad 4 ausgebildet, auf dessen Umfang ein Kettenrad 5 angeordnet ist. Auf seinem Innenumfang befindet sich eine Innenverzahnung 6. Das Kettenrad 5 ist über eine Kette mit der Kurbelwelle drehfest verbunden, die beide nicht dargestellt sind. Die Innenverzahnung 6 kämmt mit zwei Stirnrädern 7, 8, die über Stirnradlager 9, 10 von um 180° versetzten Exzentern 11, 12 einer Verstellwelle angetrieben werden, die als Doppelexzenterwelle 13 ausgebildet ist. Das Hohlrad 4 ist auf einem als Gleitlager ausgebildeten Kettenradlager 51 einer Abschlusswand 14 gelagert, wobei die Abschlusswand 14 auf einer Nockenwelle 15 oder auf einer Führung 16 einer zentralen Spannschraube 17 zentriert ist. Die Führung 16 ist in der Nockenwelle 15 zentriert.
Mit der zentralen Spannschraube 17 wird die Abschlusswand 14 drehfest gegen die Nockenwelle 15 gespannt und hat damit die Funktion einer Abtriebswelle. Mit der Abschlusswand 14 sind Mitnahmestifte 21 fest verbunden. Sie dienen der Übertragung des Drehmoments der Stirnräder 7, 8 über die Abschlusswand 14 auf die Nockenwelle 15. Die Mitnahmestifte 21 durchragen Bohrungen 22, 23 der Stirnräder 7, 8, wobei der Durchmesser der Bohrungen 22, 23 dem der Mitnahmestifte 21 plus der doppelten Exzentrizität der Exzenter 11, 12 entspricht. Die Zahl der Mitnahmestifte 21 hängt von der Höhe des zu übertragenden Drehmoments ab. Im vorliegenden Fall sind acht vorgesehen.
Am freien Ende der Mitnahmestifte 21 ist ein Abschlussdeckel 29 vorgesehen, der den Abschluss des Verstellgetriebes bildet und die axiale Festlegung der Verstellwelle 13 sowie die Schmierölführung innerhalb des Verstellgetriebes bewirkt. Der Abschlussdeckel 29 wird durch einen Sprengring 24 an seinem Umfang oder durch Sprengringe 25 an dem freien Ende eines jeden Mitnahmestifts 21 (siehe 4) axial fixiert.
Die als hohle Doppelexzenterwelle 13 ausgebildete Verstellwelle ist im Bereich der Exzenter 11, 12 über ein Doppelexzenterwellenlager 30, das als Nadelhülse ausgebildet ist, auf einem zylindrischen Schraubenkopf 31 der zentralen Spannschraube 17 gelagert. Das Doppelexzenterwellenlager 30 kann alternativ auch mit zwei nebeneinander liegenden Nadelhülsen oder mit Rollenlagern ausgebildet sein. Die Doppelexzenterwelle 13 ist mit einer Verstellmotorwelle 32 des Verstellmotors 3 über eine Zweikantwellenkupplung 33 (siehe auch 2 und 3) drehspielfrei aber längsbeweglich verbunden. Auf der Verstellmotorwelle 32 ist ein Dauermagnetrotor 34 befestigt. Dieser ist von einem Stator 35 und Wicklungen mit Wicklungsköpfen 36 umgeben und durch einen Luftspalt 37 von diesem getrennt.
Der Verstellmotor 3 besitzt ein Gehäuse, das aus einem äußeren Verstellmotorgehäuse 38 und einem inneren Verstellmotorgehäuse 39 besteht. Beide Gehäuse 38, 39 sind vor Einbau des Verstellmotors 3 durch eine nicht dargestellte Transportsicherung miteinander verbunden. Die Gehäuse 38, 39 sind gegeneinander und gegen einen Zylinderkopf 40 durch O-Ringe 41, 42 abgedichtet. Die Abdichtung zwischen Befestigungsschrauben 43 und dem Zylinderkopf 40 erfolgt mittels einer auf die Schraubgewinde aufgetragenen Dichtmasse. Es ist auch denkbar, anstelle der Durchgangsgewindebohrungen Sacklochgewindebohrungen im Zylinderkopf 40 vorzusehen, wodurch sich ein Abdichten der Befestigungsschrauben 43 erübrigen würde. Um Fluchtungsfehler zwischen den Achsen von Verstellmotor 3 und Nockenwelle 15 bei der Montage ausgleichen zu können, weisen die Durchgangsbohrungen für die Befestigungsschrauben 43 einen vergrößerten Durchmesser auf.
Die Verstellmotorwelle 32 ist in zwei Rillenkugellagern 44, 45 gelagert. Das Rillenkugellager 44 befindet sich im Inneren der Verstellmotorwelle 32 auf einem Zapfen 46 des äußeren Verstellmotorgehäuses 38. Es ist fettgeschmiert und beidseitig abgedichtet. Das Rillenkugellager 45 ist am Außenumfang der Verstellmotorwelle 32 und im inneren Verstellmotorgehäuse 39 angeordnet. Es weist auf der Verstellmotorseite eine Dichtung 47 auf. Dadurch bleibt das Innere des Verstellmotors ölfrei, während das Rillenkugellager 45 durch Spritzöl geschmiert wird. Da die hohle Verstellmotorwelle 32 an ihrem Kupplungsende geschlossen ist, bleibt auch deren Innenraum ölfrei.
Das Doppelexzentergetriebe 2 wird durch Motoröl geschmiert. Dieses gelangt durch Schmierölbohrungen 48, 49 im getriebenahen Endlager 50 der Nockenwelle 15 und in der Abschlusswand 14 zum Doppelexzenterwellenlager 30. Von dort aus fließt es unter Fliehkrafteinwirkung zu den Stirnradlagern 9, 10, den Mitnahmestiften 21, den Stirnrädern 7, 8 und zu der Innenverzahnung 6 des Hohlrades 4, bis es durch das Kettenradlager 51 und durch Abflussöffnungen 52 im Abschlussdeckel 29 in den Raum des Zylinderkopfes 40 abfließt. Dort dient es als Spritzöl oder Ölnebel zur Schmierung der ölgeschmierten Wälzlager 45, 30a, 44', 45' der Verstellmotoren 3, 3"', 3'''.
2 zeigt einen Querschnitt X-X durch einen in 3 dargestellten, vergrößerten Längsschnitt der Zweikantwellenkupplung 33 von 1. Sie dient der Übertragung des Drehmoments der Verstellmotorwelle 32 auf die Doppelexzenterwelle 13. Wegen der nach Richtung und Größe wechselnden Antriebsmomente ist sichergestellt, dass die Zweikantwellenkupplung 33 praktisch kein Verdrehspiel aufweist. In axialer Richtung ist eine Relativbewegung der Zweikantwellenkupplung 33 möglich und wegen der Wärmedehnung von Nokken- und Verstellwelle 15, 13 erforderlich.
4 zeigt ein Doppelexzentergetriebe 2', das sich von dem der 1 durch eine zentrale Standardspannschraube 18 mit Standard-Schraubenkopf 31' und einer zusätzlichen Lagerhülse 53 für das Doppelexzenterlager 30 sowie durch eine Passfederwellenkupplung 54 zwischen einer Doppelexzenterwelle 13' und der nicht dargestellten Verstellmotorwelle unterscheidet. Der Vorteil dieser Variante liegt darin, dass zwei einfach herzustellende Standardteile anstelle der relativ aufwendigen zentralen Spannschraube 17 zur Verspannung mit der Nockenwelle 15 verwendet werden. Nachteilig ist der erforderliche größere axiale Bauraum.
In der Doppelexzenterwelle 13' sind in Höhe des Standardschraubenkopfs 31' Radialbohrungen 55 vorgesehen. Durch diese wird verhindert, dass sich in der hohlen Doppelexzenterwelle 13' Motoröl sammelt und zu einer Erhöhung des Massenträgheitsmoments derselben führt. Ein Abschlussdeckel 29' wird anders als in 1 durch Sprengringe 25 auf den freien Enden der Mitnahmestifte 21' axial festgelegt.
5 zeigt ein Doppelexzentergetriebe 2", das anders als das in 1 über eine Kreiskeilverbindung 56 mit einer Nockenwelle 15' verbunden ist. Das Prinzip der Kreiskeilverbindung 56 wird anhand der 6a, 6b, 6c erläutert. Es handelt sich um eine form- und kraftschlüssige Welle-Nabe-Verbindung. Diese Verbindung besteht aus einem runden Innenteil 57, dessen Umfang mindestens zwei Kreiskeile 58 aufweist, und einem Außenteil 59 mit einer Bohrung, deren Innenfläche die gleiche Anzahl komplementärer Kreiskeile wie das Innenteil 57 besitzt. Nachdem die Teile 57, 59 mit Spiel gefügt sind (siehe 6a), werden diese solange gegeneinander verdreht, bis kein Spiel mehr zwischen ihnen besteht (siehe 6b). Durch weiteres Verdrehen werden die Kreiskeilflächen aufeinander gepresst, so dass eine form- und kraftschlüssige Verbindung entsteht (siehe 6c). Dabei ist die Verbindung in Schließrichtung kraft- und formschlüssig, in Öffnungsrichtung nur kraftschlüssig. Dadurch ist eine spielfreie Momenten- und Kraftübertragung in Dreh- und Axialrichtung erreicht, ohne zusätzliche Bauteile und deren Bauraum zu benötigen. Aus diesem Grund eignet sich die Kreiskeilverbindung 56 besonders für eine elektrische Verstellvorrichtung mit fluchtenden Achsen von Verstellgetriebe und Verstellmotor, da deren axialer Bauraum aufgrund des fehlenden Schraubenkopfes stark reduziert werden kann. Bei elektrischen Nockenwellenverstellvorrichtungen mit seitlich angeordnetem Verstellmotor bringt die Kreiskeilverbindung geringere Bauraumvorteile. Selbstverständlich können statt der Kreiskeilverbindung auch solche mit zum Beispiel Polygon- oder Hyperbelverbindungen verwendet werden.
In 5 trägt ein Nockenwellenende 60 die Außenkontur der Kreiskeilverbindung 56 und eine mit der Abschlusswand 14 fest verbundene Kreiskeilnabe 61 die Innenkontur derselben. Die Kreiskeilnabe 61 dient auch als Lagerfläche für das Doppelexzenterwellenlager 30. Das Doppelexzentergetriebe 2" wird auf das Nockenwellenende 60 geschoben und um einen bestimmten Winkel verdreht. Aus diesem Grunde sind an dem freien Ende der Mitnahmestifte 21" Profile 62 vorgesehen, an denen ein Werkzeug zum Verdrehen ansetzbar ist. Alternativ sind zum Beispiel auch Bohrungen, in die ein Werkzeug mit Zapfen eingreift oder Hakenschlüssel, die an dem Kettenrad angreifen, denkbar. Eine Doppelexzenterwelle 13" mit Doppelexzenterwellenlager 30, Passfederwellenkupplung 54 und Radialbohrungen 55 zeigt den Baulängengewinn gegenüber der Doppelexzenterwelle 13' von 4.
Um die Kreiskeilverbindung 56 zusätzlich axial vorzuspannen, kann das Doppelexzentergetriebe 2" während der Montage und vor dem Anziehen in axialer Richtung, zum Beispiels mittels einer Presse, belastet und in diesem Zustand verdreht werden. Die Kreiskeilverbindung 56 mit drei Kreiskeilen 58 bietet den Vorteil der Selbstzentrierung. Es sind aber auch je nach Anwendungsfall und zu übertragendem Drehmoment zwei, vier und mehr Kreiskeile 58 denkbar. Um das übertragbare Moment zu erhöhen, kann die Nabe 61 auch verlängert und/oder im Durchmesser vergrößert werden.
7 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verstellvorrichtung 1' mit dem Doppelexzentergetriebe 2 und einem Verstellmotor 3', die eine Variation der Verstellvorrichtung 1 gemäß 1 darstellt. Sie weist eine aus der Doppelexzenterwelle 13 und der Verstellmotorwelle 32' gebildete, einteilige Hohlwelle 64 auf. Dadurch entfällt die sonst erforderliche Kupplung zwischen den Wellen 13, 32'.
Die Hohlwelle 64 ist an ihrem nockenwellenseitigen Ende durch das Doppelexzenterwellenlager 30 auf dem zylindrischen Schraubenkopf 31 der zentralen Spannschraube 17 gelagert. Desweiteren ist die Hohlwelle 64 über das einseitig gedichtete Rillenkugellager 45 im Zylinderkopf 40 gelagert. Auch hier ist die Dichtung 47 auf der Verstellmotorseite angebracht, um die Schmierung des Rillenkugellagers 45 mittels Motoröls sicherzustellen und den Verstellmotor 3' gegen das Eindringen von Öl zu schützen. Die Hohlwelle 64 wird zusammen mit einem Dauermagnetrotor 34', dem Rillenkugellager 45 und dem Doppelexzentergetriebe 2 an die Nockenwelle 15 angeschraubt. Die Hohlwelle 64 ermöglicht es, die zentrale Spannschraube 17 mit einem Schraubwerkzeug zu erreichen.
Um zu verhindern, das Motoröl durch die Hohlwelle 64 hindurch in den Verstellmotor 3' gelangt, wird deren nockenwellenfernes Ende mit einem Verschlussstopfen 65 verschlossen. In 7 ist ein geschraubter Verschluss
stopfen 65 mit einem O-Ring gewählt. Alternativ kommen auch Kunststoffstopfen in Frage, die nur eingedrückt werden müssen. Das sich in der Hohlwelle 64 sammelnde Motoröl wird durch eine Abströmöffnung 26 abgeführt.
Da der Verstellmotor 3' in der Variante der 7 nicht als Einheit montierbar ist, muss das äußere Verstellmotorgehäuse 38 zusammen mit dem Stator 35 separat montiert werden. Dazu ist ein Montagewerkzeug 66 gemäß 8 und 9 hilfreich. Dieses dient zur Zentrierung des Stators 35 auf dem Dauermagnetrotor 34'. Es besteht aus einer Bodenplatte 70, auf der drei Fahnen 67 in gleichem Abstand auf dem Durchmesser des Luftspaltes 37 (siehe 7) sowie mit dessen Dicke fest angeordnet sind.
10 zeigt das Montagewerkzeug 66 während der Montage des Verstellmotors 3'. Die Montagerichtung ist durch den Pfeil 28 angedeutet. Die Fahnen 67 sind durch Montageschlitze 69 des äußeren Verstellmotorgehäuses 38 hindurch und entlang dem Stator 35 geführt worden. Die Fahnen 67 tauchen in den Luftspalt 37 ein, so dass das äußere Verstellmotorgehäuse 38 mit dem Stator 35 auf dem Dauermagnetrotor 34' ausgerichtet ist und in seine Endstellung im Zylinderkopf 40 gleitet, um dort verschraubt zu werden. Grundsätzlich kann das Positionieren und Ausrichten des Stators 35 auch anders als über den Luftspalt 37 erfolgen. Die Montageschlitze 69 im äußeren Verstellmotorgehäuse 38 (siehe auch 11) werden nach dessen Montage und nach entfernen des Montagewerkzeugs 66 mit einem Verschlussdeckel 68 (siehe 12) verschlossen, um das Eindringen von Schmutz und Wasser in das äußere Verstellmotorgehäuse 38 zu verhindern. Der Verschlussdeckel 68 besitzt ähnlich dem Montagewerkzeug 66 eine Deckelplatte 71 mit doppelwandigen Dekkelfahnen 72. Diese rasten in den Montageschlitz 69 federnd ein und fixieren so den Verschlussdeckel 68. Dieser Zustand ist in den 7 und 13 dargestellt. Das äußere Verstellmotorgehäuse 38 ist gegenüber dem Zylinderkopf 40 durch einen O-Ring abgedichtet, dessen Nut sich im äußeren Verstellmotorgehäuse 38 oder im Zylinderkopf 40 befinden kann. Die Gewinde der Befestigungsschrauben 43' werden wie in 1 mit Dichtmasse oder durch eine Sacklochgewindebohrung abgedichtet.
Die Lösungsvariante nach 7 kann auch mit einem äußeren und inneren Verstellmotorgehäuse 38, 39 gemäß 1 ausgebildet werden. Dann befindet sich das Rillenkugellager 45 nicht im Zylinderkopf 40 sondern in dem inneren Verstellmotorgehäuse 39. Dabei muss sichergestellt sein, dass der Außendurchmesser des Rillenkugellagers 45 größer als der Außendurchmesser des Dauermagnetrotors 34' ist, damit das innere Verstellmotorgehäuse 39 bei der Montage über den Dauermagnetrotor 34' geschoben werden kann.
13 zeigt einen Längsschnitt durch eine Verstellvorrichtung 1", mit dem Doppelexzentergetriebe 2 und einem Verstellmotor 3", die eine Variante der Verstellvorrichtung 1' von 7 darstellt. Auch hierbei bilden die Doppelexzenterwelle 13 und eine Verstellmotorwelle 32" zusammen eine einteilige Hohlwelle 64'. Diese weist jedoch neben dem Doppelexzenterwellenlager 30 ein inneres Rotorlager 30a auf, das ebenfalls als Nadelhülse ausgebildet und auf einem weiteren zylindrischen Schraubenkopf 31" einer verlängerten zentralen Spannschraube 19 gelagert ist. Der Verstellmotor 3" ist gegenüber dem Doppelexzentergetriebe 2 durch einen Radialwellendichtring 73 und einen die Hohlwelle 64' abschließenden Verschlussstopfen 65' abgedichtet. Zur Reduzierung des Reibmoments können anstelle des Radialwellendichtrings 73 auch anpresskraftreduzierte Dichtmittel, wie PTFE-Dichtungsringe eingesetzt werden. Die Hohlwelle 64' wird durch eine radiale Abströmöffnung 27 in den Raum des Zylinderkopfs 40 entölt.
Aufgrund der Wärmedehnung der Nockenwelle 15 (siehe 7 und 13) zusammen mit den damit fest verbundenen Hohlwellen 64, 64' verändert sich die axiale Lage des Dauermagnetrotors 34', 34" gegenüber dem Stator 35. Um die nutzbare Rotorlänge immer gleich der Länge des Statorblechpakets zu halten, muss die Länge des Dauermagnetrotors 34', 34" die des Stators 35 um das Maß der axialen Wärmedehnung übertreffen. Alternativ kann das Blechpaket des Stators 35 um mindestens die axiale Verschiebung länger als der Dauermagnetrotor 34', 34" sein. Dadurch wird jedoch die Gesamtlänge des Verstellmotors 3', 3" um das Maß der maximalen Wärmedehnung erhöht.
14 zeigt ein anderes hoch untersetzendes Verstellgetriebe in Gestalt eines Doppelplanetengetriebes 74. Als Verstellwelle dient ein Sonnenrad 75, das von einer nicht dargestellten Verstellmotorwelle antreibbar ist. Das Sonnenrad 75 ist in einem Rillenkugellager 77, ein Planetenträger 76 in einem Planetenträgerlager 78 direkt auf einer zentralen Spannschraube 20 gelagert. Auch in diesem Falle ist es möglich, das Rillenkugellager 77 und das Planetenträgerlager 78 durch Gleitlager und die Spannschraube 20 durch eine Standardschraube mit passender Lagerhülse zu ersetzen. Das Sonnenrad 75 kämmt mit Planetenrädern 79, 79', die einen unterschiedlichen Durchmesser aufweisen sowie einteilig ausgebildet und über Planetenlager 78a, 78a' auf Verbindungsstiften 80 gelagert sind. Die Verbindungsstifte 80 sind fest mit dem Planetenträger 76 und gleitend mit einer Abschlussplatte 81 verbunden. Die Abschlussplatte 81 ist mit dem Planetenträger 76 durch Schrauben 82 lösbar verbunden. Sie dient zur Montage der Planetenräder 79, 79'. Das Planetenrad 79 kämmt mit der Innenverzahnung 98 eines kurbelwellenfesten Hohlrades 83, das Planetenrad 79' mit der Innenverzahnung 99 eines nockenwellenfesten Hohlrades 84, welches durch die zentrale Spannschraube 20 mit der Nockenwelle 15 verspannt ist. Durch die geringfügig unterschiedliche Zähnezahl der Planetenräder 79, 79' und der Hohlräder 83, 84 wird die gewünschte große Untersetzung erreicht. Das kurbelwellenfeste Hohlrad 83 ist auf dem nockenwellenfesten Hohlrad 84 in einem Gleitlager 63 gelagert. Es kann aber auch auf Wälzlagern gelagert sein.
In den 15, 15a und 16 sind getrennt ausgebildete Planetenräder 79a, 79a' und 79b, 79b' dargestellt, die durch eine Keilwelle 85 bzw. eine Passfederverbindung 86 drehfest verbunden sind. Die Keilwelle 85 mit den Planetenrädern 79a und 79a' sowie die Planetenräder 79b und 79b' sind in dem Planetenträger 76 und in der Abschlussplatte 81 wälzgelagert.
In den 17 und 18 sind bürstenlose Verstellmotoren 3"', 3"" mit einem Stator 35 und einem Dauermagnetrotor 34"' im Längsschnitt dargestellt, die dem Verstellmotor 3 von 1 ähnlich sind. Sie besitzen jedoch unabgedichtete, ölgeschmierte und besonders reibungsarme Rillenkugellager 44', 45'.
Aufgrund der fehlenden Dichtung dringt Motoröl in das Innere der Verstellmotoren 3"', 3'''' ein. Dadurch besteht die Gefahr, dass der Isolierlack auf dem Windungsdraht des Stators 35 angegriffen und ein Windungskurzschluss ausgelöst wird. Außerdem können das für die elektronische Kommutierung erforderliche PC-Board oder die Hallsensoren zerstört werden. Deshalb sind alle motorölgefährdeten Bauteile in 17 durch eine Umspritzung 87 aus hitze- und ölbeständigem Kunststoff und in 18 durch Abdecken mit einer Abdeckfolie 88 aus vergleichbarem Kunststoff gegen Motoröl geschützt, wobei die Abdeckfolie 88 auch anders als dargestellt ausgeführt sein kann.
Um zu verhindern, dass sich am Dauermagnetrotor 34"', der an sich nicht gegen eindringendes Ö1 geschützt werden muss, Metallspäne aus dem Motoröl absetzen, kann ein Filter oder Sieb vor den Rillenkugellagern 44' und 45' angeordnet werden. Da es sich hierbei um keine berührenden Dichtungen handelt, entsteht auch kein dichtungsbedingtes Reibungsmoment.
In 19 ist ein vergrößerter Längsschnitt eines bürstenlosen Verstellmotors 3"'' dargestellt, der als getrennte Einheit ausgebildet ist. Dieser weist eine massive Verstellmotorwelle 89 auf, die mit einem Dauermagnetrotor 34"" fest verbunden und auf Rillenkugellagern 44", 45" gelagert ist. Der verhältnismäßig geringe Durchmesser der massiven Verstellmotorwelle 89 ermöglicht die Unterbringung der Rillenkugellager 44", 45" innerhalb der Wicklungsköpfe 36 des Stators 35. Dadurch wird eine geringe Baulänge erzielt. Das Rillenkugellager 45" ist in einem Verstellmotorgehäuse 90, das Rillenkugellager 44" in dessen Gehäusedeckel 91 angeordnet. Beide Rillenkugellager 44", 45" sind fettgeschmiert und mit Dichtungen 47 beidseitig abgedichtet.
Auf der Getriebeseite der Verstellmotorwelle 89 ist vor dem Rillenkugellager 45" eine vom Verstellmotorgehäuse 90 abgedeckte Schleuderscheibe 92 angeordnet, die als Zusatz-Labyrinthdichtung wirkt. Natürlich sind auch andere Labyrinthdichtungen möglich. Am getriebeseitigen Ende der Verstellmotorwelle 89 befindet sich ein Kupplungskopf 93 mit einem Keilwellenprofil 96, das in den entsprechenden Teil der Verstellwelle eines Verstellgetriebes einsteckbar ist.
20 zeigt eine Ansicht eines Doppelexzentergetriebes 2 ähnlich dem in 1, mit einer in einem Querschnitt X-X dargestellten Spiralfeder 94. Diese verbindet ein durch Haltestifte 95 modifiziertes Kettenrad 5' (gleich Antriebswelle) über einen modifizierten Abschlussdeckel 29" (gleich Abtriebswelle), die Zylinderstifte 21 und die Abschlusswand 14 unter Mitwirkung einer zentralen Spannschraube 17 mit der Nockenwelle 15.
Die 21 zeigt einen Teillängsschnitt durch das Doppelexzentergetriebe 2 und die Spiralfeder 94 mit einem der Haltestifte 95 für die Spiralfeder 94 und mit einem Teil des Abschlussdeckels 29", an dem die Spiralfeder 94 ebenfalls verankert ist. Die vorgespannte Spiralfeder 94 führt die Nockenwelle 15 bei Versagen der elektrischen Drehwinkelverstellung in eine Start- oder Notlaufposition zurück, um einen sicheren Wiederstart des Verbrennungsmotors zu gewährleisten. Sie erfüllt somit eine Failsafe-Funktion.
Bei der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung wird der Verstellmotor so betrieben, dass beim Verstellen in Richtung früh die Nockenwelle die Kurbelwelle und beim Verstellen in Richtung spät die Kurbelwelle die Nockenwelle überholt, während in Regelstellung alle drei Wellen des Verstellgetriebes mit Nockenwellendrehzahl umlaufen. Die Drehrichtung des Verstellmotors beim Verstellen hängt davon ab, ob das Verstellgetriebe ein Plus- oder Minusgetriebe ist.
Alle zuvor beschriebenen Varianten sind hinsichtlich Getriebe, Verstellmotor, Lagerung, Abdichtung und Schmierung miteinander kombinierbar.
e;

1, 1', 1": Verstellvorrichtung;
2, 2', 2": Doppelexzentergetriebe;
3, 3', 3", 3"', 3"", 3""': Verstellmotor;
4: Hohlrad;
5, 5': Kettenrad;
6: Innenverzahnung;
7: Stirnrad;
8: Stirnrad;
9: Stirnradlager;
10: Stirnradlager;
11: Exzenter;
12: Exzenter;
13, 13', 13": Doppelexzenterwelle;
14: Abschlusswand;
15, 15': Nockenwelle;
16: Führung;
17: zentrale Spannschraube;
18: zentrale Standardspannschraube;
19: verlängerte zentrale Spannschraub
20: zentrale Spannschraube;
21, 21', 21": Mitnahmestift;
22: Stirnradbohrung;
23: Stirnradbohrung;
24: Sprengring;
25: Sprengring;
26: Abströmöffnung;
27: Abströmöffnung;
28: Pfeil;
29, 29', 29": Abschlussdeckel;
30: Doppelexzenterwellenlager;
30a: inneres Rotorlager;

31, 31 ", 31 "': zylindrischer Schraubenkopf;
31': Standardschraubenkopf;
32, 32', 32": Verstellmotorwelle;
33: Zweikantwellenkupplung;
34, 34', 34", 34"', 34"": Dauermagnetrotor;
35: Stator;
36: Wicklungskopf;
37: Luftspalt;
38: äußeres Verstellmotorgehäuse;
39: inneres Verstellmotorgehäuse;
40: Zylinderkopf;
41: O-Ring;
42: O-Ring;
43, 43': Befestigungsschraube;
44, 44', 44": Rillenkugellager;
45, 45', 45": Rillenkugellager;
46: Zapfen;
47: Dichtung;
48: Schmierölbohrung;
49: Schmierölbohrung;
50: Endlager;
51: Kettenradlager;
52: Abflussöffnung;
53: Lagerhülse;
54: Passfederwellenkupplung;
55: Radialbohrung;
56: Kreiskeilverbindung;
57: Innenteil;
58: Kreiskeil;
59: Außenteil;
60: Nockenwellenende;
61: Kreiskeilnabe;
62: Profil;
63: Gleitlager;
64, 64': Hohlwelle;
65, 65': Verschlussstopfen;
66: Montagewerkzeug;
67: Fahne;
68: Verschlussdeckel;
69: Montageschlitz;
70: Bodenplatte;
71: Deckelplatte;
72: Deckelfahne;
73: Radialwellendichtring;
74: Doppelexzentergetriebe;
75: Sonnenrad;
76: Planetenträger;
77: Sonnenradlager;
78: Planetenträgerlager;
78a, 78a': Planetenlager;
79, 79': Planetenrad;
79a, 79a': Planetenrad;
79b, 79b': Planetenrad;
80: Verbindungsstift;
81: Abschlussplatte;
82: Schraube;
83: kurbelwellenfestes Hohlrad;
84: nockenwellenfestes Hohlrad;
85: Keilwelle;
86: Passfederverbindung;
87: Umspritzung;
88: Abdeckfolie;
89: massive Verstellmotorwelle;
9D: Verstellmotorgehäuse;
91: Gehäusedeckel;
92: Schleuderscheibe;
93: Kupplungskopf;
94: Spiralfeder;
95: Haltestift;
96: Keilwellenkupplung;
97: Stiftbohrung;
98: Innenverzahnung;
99: Innenverzahnung:

Claims

Verstellvorrichtung zum elektrischen Verstellen der relativen Drehwinkellage zweier Wellen, insbesondere einer Nockenwelle (15, 15') gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem als Dreiwellengetriebe ausgebildeten Verstellgetriebe, das ein kurbelwellenfestes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und eine mit einer Verstellmotorwelle (32, 32', 32") eines elektrischen Verstellmotors (3 bis 3"'') drehfest verbundene Verstellwelle (13, 13', 13") aufweist, wobei der Verstellmotor (3 bis 3"'') als bürstenloser Gleichstrommotor mit einem gehäusefesten Stator (35) und einem Dauermagnetrotor (34 bis 34"'') ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass als Verstellgetriebe Doppelexzentergetriebe (2, 2', 2") und ein Doppelplanetengetriebe (74) vorgesehen sind, die eine Untersetzung von vorzugsweise bis 1:250 und eine geringe Reibung aufweisen und dass für die Verstellmotoren (3 bis 3""') hochinduktive Dauermagnetrotoren (34 bis 34"") vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lager der Verstellgetriebe und der Verstellmotoren vorzugsweise als Wälzlager ausgebildet sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass zum drehfesten Verbinden der Verstellgetriebe mit den Nockenwellen (15, 15') zentrale Spannschrauben (17, 18, 19, 20) und eine Kreiskeilverbindung (56) vorgesehen sind, die zylindrische Schraubenköpfe (31, 31") bzw. eine zylindrische Kreiskeilnabe (61) aufweisen, die als Lagertlächen für Wälzlager dienen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zur drehfesten Verbindung der Verstellwellen und der Verstellmotorwellen eine einteilige Ausbildung der beiden Wellen in Gestalt einer einzigen Hohlwelle (64, 64') (integrierter Verstellmotor (3', 3")) und eine drehspielfreie, lösbare Kupplung (33, 54, 96) zur Verbindung der getrennten Wellen (separater Verstellmotor (3, 3"', 3''', 3'''')) vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass zur Montage des integrierten Verstellmotors (3', 3") und zur Zentrierung von dessen Stator (35) auf dessen Dauermagnetrotor (34', 34") ein Montagewerkzeug (66) vorgesehen ist, dessen vorzugsweise drei gleiche und in gleichem Abstand angeordnete Fahnen (67) durch drei entsprechende Montageschlitze (69) in einem äußeren Verstellmotorgehäuse (38) hindurch in den Luftspalt (37) zwischen dem Dauermagnetrotor (34', 34") und dem Stator (35) mit geringem Radialspiel einführbar und die Montageschlitze (69) durch einen passenden Verschlussdeckel (68) verschließbar sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass als drehspielfreie, lösbare Kupplungen vorzugsweise Zweikant-, Passfeder- und Keilwellenkupplungen (33, 54, 96) vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwelle (64) zusätzlich zu einem Verstellwellenlager (30, 77) ein außenliegendes Rillenkugellager (45) vor dem Dauermagnetrotor (34') und die Hohlwelle (64') ein weiteres inneres Rotorlager (30a) auf einem weiteren zylindrischen Schraubenkopf (31") einer verlängerten, zentralen Spannschraube (19) im Bereich des Dauermagnetrotors (34") aufweist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlwellen (64, 64') zumindest eine Abströmbohrung (26, 27) für Schmieröl und einen verstellmotorseitigen Verschlussstopfen (65, 65') aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellgetriebe ölgeschmierte Wälzlager und die Verstellmotoren öl- und fettgeschmierte Wälzlager aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Schmieröl für die Verstellgetriebe von der Ölversorgung des getriebenahen Endlagers (50) der Nockenwellen (15, 15') durch Schmierölbohrungen (48, 49) hindurch in den achsnahen Bereich der Verstellgetriebe und von dort durch Fliehkraft zu den Lagern und in den Umfangsbereich sowie weiter in den Raum des Zylinderkopfs (40) gelangt, wo es als Spritzöl oder Ölnebel zur Schmierung der ölgeschmierten Wälzlager (45, 30a, 44', 45') der Verstellmotoren (3, 3"', 3'''') dient.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die fettgeschmierten Wälzlager (44, 44", 45") der Verstellmotoren (3, 3" '') auf beiden Lagerseiten und die ölgeschmierten Wälzlager (45) der Verstellmotoren (3, 3') auf der Verstellmotorseite eine Dichtung (47) aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzlager (44', 45') der Verstellmotoren (3"', 3" '') ohne Dichtungen (47) ausgebildet sind, jedoch zumindest auf der Verstellgetriebeseite ein Sieb oder einen Filter zum Schutz vor Metallteilchen aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass für den Stator (35) nebst PC-Board und Hallsensor eine Abdeckfolie (88) aus ö1- und hitzebeständigem Kunststoff sowie eine Umspritzung mit dem selben Kunststoff als Schutzmittel gegen Schmieröl vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die fettgeschmierten Wälzlager (44", 45") des Verstellmotors (3" '') auf einer vorzugsweise massiv ausgebildeten Verstellmotorwelle (89) unmittelbar neben dem Dauermagnetrotor (34" '') und zumindest teilweise innerhalb der Wickelköpfe (36) des Stators (35) angeordnet sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass auf der Außenseite des getriebeseitigen, fettgeschmierten Wälzlagers (45") des Verstellmotors (3" '') eine Schleuderscheibe (92) vorgesehen ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Dauermagnetrotoren (34', 34") im Vergleich zum Stator (35) eine um die maximale Dehnlängendifferenz vergrößerte Länge aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (35) kühlbar ist und als Kühlmittel Luft und eine Kühlflüssigkeit vorgesehen sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellwelle der Doppelexzentergetriebe (2, 2', 2") als Doppelexzenterwelle (13, 13', 13") mit zwei um 180° versetzten, gleichen Exzentern (11, 12) ausgebildet ist, die gleiche Stirnräder (7, 8) antreiben, die mit einer gleichen Innenverzahnung (6) eines kurbelwellenfesten Hohlrads (4) kämmen, dessen Antriebsmoment über Mitnahmestifte (21, 21', 21") auf eine nokkenwellenfeste Abschlusswand (14) übertragbar ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnahmestifte (21, 21', 21") in achsparallele Stiftbohrungen (97) der Abschlusswand (14) eingepresst sind und in achsparallele Stirnradbohrungen (22, 23) der Stirnräder (7, 8) formschlüssig eingreifen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser der Stirnradbohrungen (22, 23) zumindest dem Durchmesser der Mitnahmestifte (21, 21', 21") vermehrt um die doppelte Exzentrizität der Exzenter (11, 12) entspricht und dass die Stirnradbohrungen (22, 23) und die Stiftbohrungen (97) gleiche Teilkreisdurchmesser und gleiche Teilung aufweisen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellwelle des Doppelplanetengetriebes (74) als Sonnenrad (75) ausge bildet ist, welches auf einer zentralen Spannschraube (20) in einem Sonnenradlager (77) gelagert ist und mit einem nicht dargestellten Verstellmotor über eine Keilwellenkupplung (96) in drehfester Verbindung steht.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, dass das Sonnenrad (75) mit ersten Planetenrädern (79, 79a, 79b) kämmt, die mit koaxialen, zweiten Planetenrädern (79', 79a', 79b') anderen Durchmessers drehfest verbunden sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Planetenräder (79, 79a, 79b) mit einer Innenverzahnung (98) eines kurbelwellenfesten Hohlrades (83) und die zweiten Planetenräder (79', 79a', 79b') mit einer Innenverzahnung (99) anderen Durchmessers eines nokkenwellenfesten Hohlrades (84) kämmen.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 23, dadurch gekennzeichnet, dass die Planetenräder (79, 79') einteilig ausgebildet und über Planetenlager (78a, 78a') auf achsparallelen Verbindungsstiften (80) gelagert sind, die mit einem Planetenträger (76) in fester Verbindung stehen, der über ein Planetenträgerlager (78) auf einem weiteren, zylindrischen Schraubenkopf (31"') wälzgelagert ist.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 24, dadurch gekennzeichnet, dass getrennt hergestellte Planetenräder (79a, 79a') durch eine Keilwelle (85) und getrennt hergestellte andere Planetenräder (79b, 79b') durch eine Passfederverbindung (86) drehfest verbunden und direkt in dem Planetenträger (76) und dessen Abschlussplatte (81) wälzgelagert sind.
Verstellvorrichtung nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, dass die An- und Abtriebswellen der Verstellgetriebe durch eine vorgespannte Feder, vorzugsweise eine Spiralfeder (94) verbindbar sind, die die Nockenwellen (15, 15') bei Ausfall der Stromversorgung oder der Verstellmotoren gegen das Reibmoment der Nockenwellen (15, 15') in eine Start- oder Notlaufposition verstellen.