DE10323705A1

DE10323705A1 - Vorrichtung zum geregelten Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE10323705A1
Application number: DE2003123705
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Meintschel; Thomas Dipl.-Ing. Stolk; Götz von Dr. Esebeck; Alexander von Dipl.-Ing. Gaisberg Helfenberg
Original assignee: DaimlerChrysler AG
Current assignee: Mercedes Benz Group AG
Priority date: 2003-05-22
Filing date: 2003-05-22
Publication date: 2004-12-09
Anticipated expiration: 2023-05-23
Also published as: DE10323705B4; JP3997326B2; JP2004346938A

Abstract

Die Erfindung geht von einer Vorrichtung zum geregelten Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Hubkolbenmaschine mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad aus, das über einen Verstellmechanismus mit einem elektrischen, ansteuerbaren Stellmotor triebmäßig mit der Nockenwelle verbunden ist, wobei ein erstes Hohlrad triebmäßig mit der Nockenwelle verbunden ist und mit einem Planetenrad kämmt, das auf einem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar gelagert ist, und wobei ein zweites Planetenrad, das ebenfalls auf dem Exzenter drehbar gelagert ist, mit einem zweiten Hohlrad kämmt, das drehfest mit der Nockenwelle verbunden und relativ zum ersten Hohlrad zumindest begrenzt drehbar gelagert ist. Es wird vorgeschlagen, dass das erste und zweite Planetenrad zu einem einstückigen Planetenrad zusammengefasst sind und eine gemeinsame, sich über die gesamte Breite erstreckende Verzahnung aufweisen und dass die beiden Hohlräder durch unterschiedliche Profilverschiebungen unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, die eine entsprechende Getriebeübersetzung ergeben.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum geregelten Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Aus der DE 41 10 195 A1 ist eine Verstellvorrichtung für zwei in drehender Antriebsverbindung stehende Baugruppen, insbesondere zur Relativverstellung einer Nockenwelle zu dem sie antreibenden Antriebsrad, bekannt. Zwischen der Nockenwelle und dem Antriebsrad ist ein Stellgetriebe vorgesehen, das durch einen Elektromotor eine Relativverstellung zwischen seinem Eingang und seinem Ausgang bewirkt. Das Stellgetriebe ist ein Planetengetriebe nach Art eines Wolfrom-Getriebes. Sein erstes Hohlrad ist drehfest mit einem Antriebsrad verbunden, einem Kettenrad, das über eine Kette von einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Das erste Hohlrad kämmt mit einem ersten Planetenrad, das mit einem zweiten Planetenrad drehfest verbunden und gemeinsam auf einem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar gelagert ist. Das zweite Planetenrad kämmt mit einem zweiten Hohlrad. Dieses ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden und kann gegenüber dem ersten Hohlrad begrenzt verdreht werden.
Die Zähnezahlen der beiden Planetenräder sind auf die Zähnezahlen der Hohlräder so abgestimmt, das die Verstellvorrichtung selbsthemmend arbeitet; d.h. ohne ein aktives Drehmoment am Exzenter, der als Planetenradträger dient, lässt sich das Getriebe nicht verstellen, unabhängig davon, wie hoch die Drehmomente am Hohlrad sind. In Betriebszuständen ohne eine aktive Verstellung am Exzenter dreht daher das Getriebe als Block um, ohne dass der Elektromotor ein Drehmoment erzeugt. Zum Verstellen der Winkellage der Nockenwelle zur Winkellage des Antriebsrads und damit zur Kurbelwelle der Brennkraftmaschine kann die Exzenterwelle und damit der Exzenter durch den Rotor des Elektromotors kurzzeitig vorwärts oder rückwärts angetrieben werden. Auf Grund der hohen Getriebeübersetzung erfolgt eine langsame und stetig zunehmende Relativdrehung der beiden Hohlräder zueinander. Zum Verstellen zwischen zwei extremen Endlagen sind mehrere Umdrehungen des Rotors notwendig, so dass die relative Winkellage besonders feinfühlig und exakt eingestellt werden kann. Ist die gewünschte Winkellage erreicht, wird der Elektromotor wieder abgeschaltet.
Die beiden Planetenräder weisen vorzugsweise eine unterschiedliche Anzahl von Zähnen auf. Entsprechend sind die zugeordneten Hohlräder mit ebenfalls unterschiedlichen Zähnezahlen ausgestattet. Es ist aber auch denkbar, dass die Verzahnungen der Planetenräder gleiche Zähnezahlen aufweisen, und dass über Profilverschiebungen der dann unterschiedlichen Hohlräder eine geeignete Getriebeübersetzung erzielt wird.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art dahingehend zu verbessern, dass sie mit geringen Kosten, wenigen Bauteilen und einem hohen Wirkungsgrad sowie einer langen Lebensdauer hergestellt werden kann. Sie wird gemäß der Erfindung durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Nach der Erfindung sind das erste und zweite Planetenrad zu einem einstückigen Planetenrad zusammengefasst und weisen eine gemeinsame, sich über die gesamte Breite erstreckende Verzahnung auf. Die gewünschten unterschiedlichen Getriebeüber setzungen mit der entsprechenden Gesamtgetriebeübersetzung ergeben sich durch unterschiedliche Zähnezahlen der Hohlräder, die trotz des gleichen Innendurchmessers auf Grund unterschiedlicher Profilverschiebungen unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen. In vorteilhafter Weise umfasst das Getriebe der erfindungsgemäßen Vorrichtung nur drei Zahnräder, nämlich zwei Hohlräder und ein Planetenrad, die ohne großen Aufwand hergestellt werden können und einfach zu montieren sind. Insgesamt besitzt die Vorrichtung auf Grund der Stirnradzahnung einen guten Wirkungsgrad und eine hervorragende Verschleißfestigkeit.
Die Übersetzung des Verstellmechanismus zwischen dem Antriebsrad und der Nockenwelle ergibt sich ausschließlich aus der Zähnezahl der beiden Hohlräder. Die Zähnezahl des Planetenrads geht nicht in die Übersetzung ein. Sie bestimmt lediglich die Exzentrizität des Exzenters der Exzenterwelle. Die Übersetzung kann so ausgelegt werden, dass das Getriebe eine Selbsthemmung besitzt, so dass bei konstanter Phasenlage der Nockenwelle der Stellmotor steht und bei Veränderung der Phasenlage der Stellmotor vorwärts oder rückwärts dreht. Ohne Selbsthemmung kann die Übersetzung mit einem noch günstigeren Wirkungsgrad so ausgelegt werden, dass bei konstanter Phasenlage der Stellmotor mit der Drehzahl der Nockenwelle umläuft und dass zur Veränderung der Phasenlage der Stellmotor abgebremst bzw. beschleunigt wird. Da nur ein Planetenrad verwendet wird, das auf einem Exzenter umläuft, kann es bei einer hochdynamischen Verstellung zweckmäßig sein, an der Exzenterwelle Ausgleichsgewichte anzubringen, um einen ruhigen Lauf zu erreichen.
Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
Dabei zeigen:
1 ein Getriebeschema einer erfindungsgemäßen Vorrichtung und
2 einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Vorrichtung.
In einem Gehäuse 10 ist eine Nockenwelle 11 gelagert, die über ein Antriebsrad 12 in Form eines Kettenrades von einer nicht dargestellten Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben wird. Zwischen dem Antriebsrad 12 und der Nockenwelle 11 ist ein Verstellmechanismus vorgesehen, der ein erstes, mit dem Antriebsrad 12 drehfest verbundenes Hohlrad 13, ein zweites, mit der Nockenwelle 11 über ein Flanschgehäuse 17 drehfest verbundenes Hohlrad 18 und ein Planetenrad 15 umfasst, das auf einem Exzenter 20 einer Exzenterwelle 21 durch ein Lager 23, z.B. einem Nabellager, gelagert ist. Eine Exzenterachse 25, um die das Planetenrad 15 drehen kann, besitzt zur Drehachse 22 der Exzenterwelle 21 eine Exzentrizität 26. Die Exzenterwelle 21 kann von einem elektrischen, ansteuerbaren Stellmotor 24 angetrieben werden.
Das Planetenrad 15 besitzt eine Verzahnung 16, die sich über die gesamte Breite erstreckt und mit den Verzahnungen 14 bzw. 19 des ersten Hohlrads 13 bzw. des zweiten Hohlrads 18 kämmt. Der Verstellmechanismus umfasst daher nur drei kostengünstig herzustellende Zahnräder 13, 15 und 18. Da die Hohlräder 13 und 18 mit dem gemeinsamen Planetenrad 15 kämmen, besitzen sie einen gleichen Innendurchmesser. Um eine Untersetzung zwischen der ersten Zahnradstufe mit dem Hohlrad 13 und der zweiten Zahnradstufe mit dem Hohlrad 18 zu erzielen, werden unterschiedliche Zähnezahlen zwischen dem Hohlrad 13 und dem Hohlrad 18 durch unterschiedliche Profilverschiebungen verwirklicht.
Es sind zwei generelle Arten der Übersetzungsauslegung möglich, und zwar zum einen so, dass bei konstanter Phasenlage der Nockenwelle 11 der Stellmotor 24 steht, während er beim Verändern der Phasenlage vorwärts oder rückwärts dreht, und zum anderen dass der Stellmotor 24 bei konstanter Phasenlage mit der Drehzahl der Nockenwelle 11 umläuft und zum Verändern der Phasenlage abgebremst bzw. beschleunigt wird. Im ersten Fall ergibt sich vom Antriebsrad 12 zur Nockenwelle 11 eine Untersetzung, die größer oder gleich eins ist, während im zweiten Fall die Untersetzung gleich eins ist. Damit auch im ersten Fall die Übersetzung gleich eins ist, wird sie zweckmäßigerweise so ausgelegt, dass Selbsthemmung auftritt und bei abgeschaltetem Stellmotor 24 die Hohlräder 13, 18 mit dem Planetenrad 15 im Block umlaufen.
Um bei einer hochdynamischen Verstellung einen ruhigen Lauf zu erzielen, ist an der Exzenterwelle 21 diametral zum Exzenter 20 ein Ausgleichsgewicht 27 angebracht. Der einfache Aufbau der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird ferner dadurch begünstigt, dass das Antriebsrad 12 die Hohlräder 13 und 18 umfasst und zusammen mit dem Flanschgehäuse 17 als Gehäuse für das Planetengetriebe 13, 15, 18 dient. Dabei ist das Flanschgehäuse 17 durch ein Lager 23 zumindest begrenzt drehbar im Antriebsrad 12 gelagert und axial durch einen Sicherungsring 28 gesichert.

Claims

Vorrichtung zum geregelten Verstellen der relativen Drehlage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Hubkolbenmaschine mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad, das über einen Verstellmachnismus mit einem elektrischen, ansteuerbaren Stellmotor triebmäßig mit der Nockenwelle verbunden ist, wobei ein erstes Hohlrad triebmäßig mit der Nockenwelle verbunden ist und mit einem Planetenrad kämmt, das auf einem Exzenter einer Exzenterwelle drehbar gelagert ist, und wobei ein zweites Planetenrad, das ebenfalls auf dem Exzenter drehbar gelagert ist, mit einem zweiten Hohlrad kämmt, das drehfest mit der Nockenwelle verbunden und relativ zum ersten Hohlrad zumindest begrenzt drehbar gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass das erste und zweite Planetenrad zu einem einstöckigen Planetenrad (15) zusammengefasst sind und eine gemeinsame, sich über die gesamte Breite erstreckende Verzahnung (16) aufweisen und dass die beiden Hohlräder (13, 18) durch unterschiedliche Profilverschiebungen unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen, die eine entsprechende Getriebeübersetzung ergeben.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Verstellmachnismus (13, 15, 18) so ausgelegt ist, dass bei konstanter Phasenlage der Nockenwelle (11) der Stellmotor (24) steht und beim Verän dern der Phasenlage der Stellmotor (24) vorwärts oder rückwärts dreht.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Übersetzung des Verstellmachnismus (13, 15, 18) so ausgelegt ist, dass bei konstanter Phasenlage der Stellmotor (24) mit der Drehzahl der Nockenwelle (11) umläuft und dass zum Verändern der Phasenlage der Stellmotor (24) abgebremst bzw. beschleunigt wird.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an der Exzenterwelle (21) mindestens ein Ausgleichsgewicht (27) angebracht ist.