DE19542024A1

DE19542024A1 - Getriebliche Vorrichtung zur zeitlichen Beeinflussung der Ventilbetätigung eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE19542024A1
Application number: DE19542024A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Braren
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1995-09-22
Filing date: 1995-11-10
Publication date: 1997-03-27

Description

Eine Optimierung der Arbeitsweise von Verbrennungsmotoren hinsichtlich Kraft stoffverbrauch, Schadstoffarmut des Abgases, weicher Lauf und insbesondere Leerlaufeigenschaften ist unter anderem von der richtigen Zylinderfüllung mit dem Brennkraftstoffgemisch und der Entlüftung der Zylinderräume abhängig. Eine Bemühung in dieser Richtung führt daher zu der Vorstellung, die Betätigung der Ventile im Verhältnis zum Motorbetrieb hinsichtlich des Zeitpunktes zu ver ändern, was zu einer Verstellung der die Ventile betätigenden Nockenwelle führt. Bei konstanten Verhältnissen dreht sich die Nockenwelle mit konstantem Übersetzungsverhältnis zur Abtriebswelle des Motors. Daher ist bei bekannten Maschinen die Nockenwelle mit der Motorantriebswelle durch einen Zahnriemen übersetzungsstarr gekoppelt.

Der Motorbetrieb läßt sich dadurch optimieren, daß man den Zeitpunkt der Be- und Entlüftung der Zylinder innerhalb eines bestimmten Winkelbereiches ver stellt. Dies führt zu einer Verstellung der Nockenwelle derart, daß diese um einen gewissen Winkel dem vorgeschilderten Konstantwert abweichend verstellt wird.

Die Erfassung der einzelnen Parameter, die zur Optimierung des Motors be rücksichtigt werden müssen, läßt sich elektronisch und in entsprechender Aufbe reitung zu einem Endsignal darstellen. Auch kennt man die den optimalen Betrieb kennzeichnende Sollwertgröße. Die jeweils abgetasteten Istwerte werden also im Sinne einer Regelung an den Sollwert anzunähern gesucht. Damit wird es erfor derlich, den Verstellwinkel der Nockenwelle in Abhängigkeit von den jeweilig herrschenden, in einer Istgröße mündenden Parametern in Richtung des Soll wertes zu ändern und laufend in Abhängigkeit dieser Parameter zu korrigieren. Der jeweilige Korrekturwert läßt sich in einer Drehbewegung eines Stellmotors wiedergeben.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, ein Getriebe für die Winkel verstellung der Nockenwelle zur Verfügung zu stellen, das in Abhängigkeit von einem Stellsignal der Regelung aus Sollwert - Istwert - Vergleich eine der Rege lung entsprechende Einstellung des Verstellwinkels für die Nockenwelle vor nimmt.

Zu diesem Zwecke wird erfindungsgemäß ein Überlagerungs-Planetengetriebe vorzugsweise ein Zykloidengetriebe mit einem Doppelplanet oder mit mehreren Doppelplaneten gemäß DE 44 19 432 A1, vorgeschlagen, an dessen Abtrieb die Nockenwellendrehzahl und an dessen Antrieb die Drehzahl des Verbrennungs motors und an dessen weiteren Antrieb die Drehzahl eines Stellmotors angelegt ist, dessen in das Getriebe eingeleitete Stelldrehzahl im Zuge der Regelung die Winkelverstellung zwischen dem Antrieb (Motordrehzahl) und dem Abtrieb (Nockenwellendrehzahl) bewirkt.

Bei Anstehen einer Regelgröße wird demnach die Drehzahl des Stellmotors kurz fristig geändert, was zu einer Änderung der Nockenwellendrehzahl führt, wo durch eine Winkelverstellung gegenüber der bisher eingenommenen Winkelstel lung erreicht wird. Diese Veränderung der Winkelstellung führt zu einer Änderung des Istzustandes des Verbrennungsmotors derart, daß dieser sich auf den jeweiligen Sollzustand einstellt.

Es wird also jeweils ein Voreilen oder Nacheilen der Nockenwelle gegenüber ihrem bisherigen Zustand erreicht, und zwar um einen gewissen Winkelschritt. Bei laufender Änderung der Regelgröße findet natürlich eine ebenso stufenlose Änderung des Verstellwinkels statt.

Darüberhinaus besteht die Lehre der Erfindung darin, daß alle drei voneinander abhängigen Drehzahlen des Überlagerungsgetriebes bestimmbar gemacht werden können. Dabei können alle möglichen Bauformen von Planetengetrieben einge setzt werden.

Davon ausgehend ergibt sich die Konstruktion des Überlagerungsgetriebes bei bevorzugter Ausbildung als Zykloidengetriebe nach folgender Bestimmung:

(z-z′)n₁ + z′ (z + 1)n₃ - z (z′ + 1)n_3′ = O;

wobei
n₁ die Antriebs-Drehzahl des Stellmotors,
n₃ die Antriebs-Drehzahl des Verbrennungsmotors,
n_3′ die Abtriebs-Drehzahl zur Nockenwelle zur Erreichung der Winkelverstellung
z die Zykloidenzähnezahl des großen Planeten,
z die Zykloidenzähnezahl des Meinen Planeten
ist.

Die konstruktiven und vor allem kostengünstigen Vorteile der Erfindung gegen über den bekannten und aufwendigen Planetengetrieben mit-Evolventenver zahnungen eignen sich besonders zur Massenfertigung.

Die Überlagerungsgetriebe, vorzugsweise in Form eines Zykloidengetriebes mit einem Stufenplanet, wird an Hand beiliegender Zeichnungen näher erläutert.

In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild einer Vorrichtungsausführung;

Fig. 2 einen Axialschnitt durch ein Zykliden-Überlagerungs getriebe mit Stufenplanet 2;

Fig. 3 einen Schnitt längs der Linie II-II in Fig. 1 mit Ansicht auf den großen Planetrad 2.1

Fig. 4 einen Schnitt längs der Linie III-III in Fig. 1 mit An sicht auf das kleinen Planetrad 2.2

Das in Fig. 1 wiedergegebene Blockschaltbild zeigt schematisch einen Ver brennungsmotor 11, an dessen Kurbelwelle 12 ein Antriebsrad 13 angeschlossen ist, daß über einen praktisch schlupffreien Getriebezug - Zahnriemen oder Kette - das Moment der Kurbelwelle über ein Antriebsrad 21 auf eine erste Antriebs welle 18 eines Überlagerungsgetriebes 17 überträgt. Die Abtriebswelle 20 des Überlagerungsgetriebes ist über eine starre Kupplung 16 mit der bzw. einer der Nockenwellen 15 des Verbrennungsmotors 11 getrieblich verbunden. Eine zweite Antriebswelle 19 des Überlagerungsgetriebes 17 ist über eine starre Kupplung 24 mit der Abtriebswelle 23 eines Stellmotors 22 verbunden, dessen Stator - wie bei 25 angedeutet - ortsfest gehalten ist und dessen Betrieb nach Maßgabe der für die beabsichtigte Nockenwellen-Winkelverstellung maßgebenden Betriebsparameter gesteuert erfolgt.

Das in Fig. 2 bis 4 dargestellte Zykloidengetriebe mit Stufenplanet 2 besteht aus einer mit Zentral-Lagern 9.1 und 9.2 gelagerten Anschlußwelle des Stegs 1, auf dem der Exzenter 1.1 mit Ausgleichsgewicht 1.2 integriert sind und welcher über das Exzenterlager 8 den Stufenplanet 2 antreibt.

Der Stufenplanet 2 besitzt ein großes Planetenrad 2.1 mit Zykloidenverzahnung z, welche in einen Wälzkörperring 6.1 des großen Hohlrades 3.1 eingreift. Außerdem besitzt der Stufenplanet 2 ein kleines Planetenrad 2.2 mit Zykloiden verzahnung z′, welche in einen Wälzkörperring 6.2 des kleinen Hohlrades 3.2 eingreift.

Die axiale Fixierung des Doppelplaneten 2 und der Wälzkörper 6.1 und 6.2 übernimmt die Trennscheibe 5.

Das Kreuzrollenlager 7 übernimmt über die Hohlräder 3.1 und 3.2 die Radial- und Axiallagerung des gesamten Getriebes, wobei das große Hohlrad 3.1 mit dem Deckel 4 durch Verschraubung komplementiert wird.

Der Antrieb vom Verbrennungsmotor auf ein Verbindungselement - hier nicht gezeichnet - erfolgt auf das große Hohlrad 3.1 mittels der Verschraubung 10. Der Antrieb durch Kupplung von dem Stellmotor, vorzugsweise Elektromotor - hier nicht gezeichnet -, erfolgt auf die Anschlußwelle des Steges 1.

Der Abtrieb auf die Nockenwelle - hier ebenfalls nicht gezeichnet - erfolgt durch drehfeste Aufsteckung des kleinen Hohlrades 3.2 auf die Nockenwelle, wodurch ein umlaufendes Aufsteckgetriebe, also ein Überlagerungsgetriebe mit Laufgrad F =2, entsteht.

Erläuterung der verwendeten Begriffe gemäß Richtlinie VDI 2157

Das Einfach-Planetengetriebe mit einem zentralen Steg und mit wenigstens einem zykliodenverzahnten Stufenplaneten und mit zwei zentralen Hohlrädern wird nach folgend betrachtet.

Der Zykloidenzug ist mit dem Wälzkörperring im formschlüssigen Eingriff, wobei die EPI-(HYPO-)Zykloiden den Planetenrädern(Hohlrädern) und die Walzkörperringe den Hohlrädern(Planetenrädern) zugeordnet sind. Die Anzahl der Walzkörper ist um eins größer(kleiner) als die Anzahl der Zykloidenzähne.

Merkmale Erläuterung

1.1 Steg: auch Exzenter bzw. Planetenträger genannt, trägt wälzgelagert die Planeten
2. Stufenplanet: ist ein Planet mit zwei Planetenrädern, welche Zykloidenver zahnungen besitzen;
2.1 großes Planetenrad: besitzt eine größere Anzahl von Zykloiden-Zähnen als das kleine Stufenrad;
2.1 kleines Planetenrad: dito;
6. Wälzkörper: stehen in ringförmiger Anordnung bei der Paarung im Eingriff mit den Zykloiden;
3.1 großes Hohlrad: besitzt den Wälzkörperring mit größere Anzahl von Wälzkörpern als das kleine Hohlrad;
3.2 kleines Hohlrad: dito;
1.2 Ausgleichselement: gleicht im Getriebe mit einem Planet die statische und dyna mische Unwucht der exzentrischen Planeten aus;
Laufgrad F: kennzeichnet wieviele voneinander unabhängige Drehzahlen an den Anschlußwellen des Getriebes gleichzeitig vorgegeben werden müssen, damit sein Bewegungszustand (= Betriebszustand) eindeutig bestimmt ist;
Übersetzung: i = n_an/n_ab Verhältnis der Drehzahlen von Antriebswelle zu Abtriebswelle bei Laufgrad F = 1;
Standübersetzung: i₀ = <+1 = i(3,3′)1; bei gestellfestem Steg und Laufgrad F = 1;
freies Drehzahlverhältnis: z. B. k_1,31′ = i(1,3′)3; bei Laufgrad F = 2;
Überlagerungsgetriebe: einfaches Planetengetriebe im Bewegungszustand mit Lauf grad F = 2; zur Überlagerung von Drehzahlen bzw. Leistungen;
Drehmoment-Wandlung: Verhältnis der äußeren Drehmomente von Abtrieb zum Antrieb;
Summe der Drehmomente = 0;

Claims

1. Getriebliche Vorrichtung zur zeitlichen Beeinflussung der Ventilbetätigung eines Verbrennungsmotors (11) mit einem wenigstens einen - vorzugsweise zykloidenverzahnten - Stufenplaneten (2) umfassenden Planetengetriebe in Betriebszustand eines Überlagerungsgetriebes (17) mit Laufgrad F = 2 für die variable Ventilsteuerung durch wenigstens eine der Nockenwellen (15) des Ver brennungsmotors (11), welches Getriebe über einer Kette, Zahnriemen oder der gleichen durch eine abtreibende Welle (12) des Verbrennungsmotors (11) an getrieben abtriebsseitig mit der Nockenwelle (15) verbunden und über eine dritte Welle (1) mit einer Steuergröße beaufschlagt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsgetriebe (17) folgende Merkmale aufweist;

- zwei gleichsinnig umlaufende, unterschiedliche Zähnezahlen aufweisende Hohlräder (3.1, 3.2);
- die Drehzahlwandlung erfolgt nach der Bestimmung (z-z′)n₁ + z′ (z + 1)n₃ - z (z′ + 1)n_3′ = 0;wobei
n₁ = Drehzahl der Anschlußwelle des Steges (1) Exzenters (1.1) - des Getriebes;
n₃= Drehzahl der Anschlußwelle des größeren (größere Zähnezahl) Hohlrades (3.1);
n_3′ = Drehzahl der Anschlußwelle des "kleinen" (kleinere Zähnezahl) Hohlrades (3.2);
z = Zähnezahl (2.1) des "großen" Planetenrades (3.1);
z = Zähnezahl des "kleinen" Planetenrades (3.2);
- die Drehmomentwandlung erfolgt unter hohen Drehmomenten an den An schlußwellen der beiden Hohlräder (3.1, 3.2) und kleinem Drehmoment an der Anschlußwelle (1); des Steges (1.1);
- zwischen der Anschlußwelle (1) des Steges (1.1) und der Anschlußwelle des kleinen Hohlrades (3.2) und damit der Nockenwelle (15) besteht ein großes Übersetzungsverhältnis;
- an die dritte Welle (1) als Anschlußwelle des Steges (1.1) ist ein intermittierend nach Maßgabe der Kennwerte des Verbrennungsmotors betriebener Stellmotor (22) angeschlossen;
- der Stator des Stellmotors (22) ist raumfest (25) angeordnet.

2. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Überlagerungsgetriebe mit seinem Abtrieb vom kleinen Hohlrad (3.2) mit der Nockenwelle drehfest als Aufsteckkupplung verbunden ist.

3. Planetengetriebe nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das als Zykloidengetriebe ausgebildete Überlagerungsgetriebe mehrere Stufen planeten (2) besitzt. (DE 44 19 432 A1).

4. Planetengetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Planetengetriebe eine Übersetzung vom Steg (1) zum kleinen Hohlrad (3.2) und somit zur Nockenwelle von ca. i = 100 besitzt und daß das große Planetenrad (2.1) mit 19 Zykloidenzähnen und das kleine Planetenrad (2.2) mit 16 Zykloidenzähnen ausgerüstet ist.

5. Planetengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zykloidenverzahnte Stufenplanet aus zwei verdrehfest miteinander ver bundenen Zykloidenkurvenscheiben gebildet ist.

6. Planetengetriebe nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der zykloidenverzahnte Stufenplanet einstückig ausgebildet ist.