DE19549331A1 - Koppelgetriebe - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Koppelgetriebe gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Solche Koppelgetriebe werden für unterschiedlichste Anwendungszwecke eingesetzt und sind beispielsweise in der Patentanmeldung P 42 44 550.7-13 beschrieben. Ein Anwen­ dungsgebiet für solche Koppelgetriebe sind Vorrichtungen zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbesondere zur drosselfreien Laststeuerung von Otto­ motoren über die Einlaßhubfunktion eines oder mehrerer Einlaßventile pro Zylinder, wobei die Einlaßhubfunktion von zwei Nockenwellen bestimmt wird, deren Phasenlage veränderbar ist. Die Stelleinrichtung zur Veränderung der Phasenlage der Nockenwellen greift dabei an einer Verlängerung einer der Koppeln an, die gleichachsig mit einem der nockenwellenfesten Koppelräder gelagert ist und ein weiteres Koppelrad lagert. Dies führt zu einem vergrößerten Bauraumbedarf des Koppelgetriebes und verlangt verhältnismäßig große Betätigungswege für die Stelleinrichtung, wobei zusätzlich in dem Koppelgetriebe wirksame Momentenschwankungen unmittelbar in die Stelleinrichtung gelangen. Insgesamt bestehen Probleme, mit dem herkömmlichen Koppelgetriebe eine wesentliche Anforderung bei seinem Einsatz zur variablen Laststeuerung von Brennkraftmaschinen zu erfüllen, nämlich die Phasenlage der Nockenwellen innerhalb sehr kurzer Zeit um einen großen Betrag zu verändern.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein gattungsgemäßen Koppelgetriebe dahinge­ hend weiter zu entwickeln, daß große Phasenänderungen innerhalb kurzer Zeitdauer bewerkstelligt werden können.

Diese Aufgabe wird mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Die erfindungsgemäß vorgesehene und an einem Exzenter des gleichachsig mit einer der Nockenwellen gelagerten Bauteils gelagerte Verbindungskoppel, die sich diagonal über das Koppelgetriebe erstreckt, ermöglicht je nach dem Ausmaß der Exzentrizität des Exzentertriebes eine Anpassung der Übersetzung an die jeweiligen Erfordernisse. Auf diese Weise bestehen weitgehende Freiheiten bezüglich der einsetzbaren Antriebe für das mit dem Exzenter ausgebildete Bauteil, wie Hydraulikzylinder, elektromotorische Antriebe mit Zwischenschaltung eines Schneckentriebs usw . . Je nach Lage der Extremstellung des Exzentertriebes, bezogen auf die Phasenlage der Nockenwellen, kann die sich mit der Verstellung verändernde wirksame Übersetzung so gewählt werden, daß im leerlaufnahen Bereich oder im Vollastbereich eine hohe Verstellsensibilität erreicht wird. Ein weiterer, mit der Erfindung erzielter Vorteil liegt darin, daß durch die Eingriffe der Verbindungskoppel mit dem zugeordneten Koppelrad und dem Exzentertrieb Rückwirkungen aus Drehmomentschwankungen im Koppelgetriebe, wie sie beispielsweise bei der Anwendung für Phasenverstellungen zwischen Nockenwellen auftreten, weitgehend unterdrückt werden. Zusätzlich kann das Koppelgetriebe mit zugehöriger Stelleinrichtung außerordentlich kompakt gebaut werden. Insgesamt können mit dem erfindungsgemäßen Koppelgetriebe große Phasenänderungen rasch ausgeführt werden.

Der Anspruch 2 kennzeichnet eine vorteilhafte Ausführungsform des Exzentertriebs.

Diese Ausführungsform kann gemäß dem Anspruch 3 gestaltet werden, die es beispielsweise ermöglicht, das Koppelgetriebe gemäß dem Anspruch 4 auszubilden. Dabei muß die Selbsthemmung nicht notwendigerweise über den gesamten Verstellbereich des Koppelgetriebes vorhanden sein, sondern nur in den Bereichen, in denen der wirksame Radius des Exzentertriebs klein ist.

Mit den Merkmalen des Anspruchs 5 läßt sich das Koppelgetriebe so ausbilden, daß zumindest ein Extrem der Phasenlagen der Nockenwellen in einfacher weise voreinstellbar ist.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels mit weiteren Einzelheiten erläutert.

In der schematischen Zeichnung stellen dar:

Fig. 1 eine Stirnansicht eines Koppelgetriebes und

Fig. 2 eine Aufsicht auf das Koppelgetriebe der Fig. 1.

Fig. 3 eine Aufsicht auf eine abgeänderte Ausführungsform eines Koppelgetriebes.

Ein erstes Zahnrad 2 ist drehfest mit einer nicht dargestellten ersten Nockenwelle verbun­ den, die ortsfest bzw. an einem Motorblock mit der Achse P1 gelagert ist. Ein zweites Zahnrad 4 ist mit einer weiteren, nicht dargestellten Nockenwelle eines Motors drehfest verbunden und mit der Achse P2 gelagert. Die beiden Zahnräder 2 und 4 sind, wie aus Fig. 2 ersichtlich, axial zueinander versetzt, so daß ihre Umfänge überlappen.

Mit dem ersten Zahnrad 2 kämmt ein drittes Zahnrad 6, das wiederum mit einem vierten Zahnrad 8 kämmt, welches zugleich mit dem zweiten Zahnrad 4 kämmt. Die Zahnräder 6 und 8 sind an Koppeln gelagert, wobei eine erste Koppel 10 in P1 gelagert ist und in P3 das dritte Zahnrad 6 sowie eine zweite Koppel 12 lagert, die wiederum in P4 gelenkig mit einer dritten Koppel 14 verbunden ist, welche in P2 gelagert ist und in P4 das vierte Zahnrad 8 lagert. Die Zähnezahlen der Zahnräder 6 und 8 sind vorteilhafterweise unter­ schiedlich. Dennoch drehen das erste Zahnrad 2 und das zweite Zahnrad 4, wenn beide gleiche Zähnezahlen bzw. Durchmesser aufweisen, mit gleicher Drehzahl und entgegen­ gesetzter Drehrichtung, wobei die Phasenlage zwischen den Drehungen der Zahnräder 2 und 4 in bekannter Weise durch Veränderung der Winkellage der Koppeln 10, 12, 14 veränderbar ist.

Zur Veränderung der Winkellage der Koppeln ist eine als Stellglied dienende Verbindungskoppel 16 vorgesehen, welche in P3 gelagert ist und in einer Lagerhülse 18 endet, die an einem Zapfen 20 gelagert ist, welcher exzentrisch an einem z. B. als Stellzahnrad 22 ausgebildeten Bauteil angeordnet ist. Das Stellzahnrad 22 ist in P2 gelagert. Die exzentrisch zu P2 angeordnete Achse des Lagers 18, 20 ist mit P5 bezeichnet. Eine Verdrehung des Bauteils bzw. Stellzahnrades 22, für die jedwelcher geeignete Antrieb vorgesehen sein kann, führt somit zu einer Veränderung der Winkellage der Koppeln und somit einer Veränderung der Phasenlage der Nockenwellen.

Eine Außenverzahnung des segmentförmig ausgebildeten Stellzahnrades 22 kämmt mit einem Ritzel 24, welches einteilig mit einem Übertragungszahnrad 26 ausgebildet ist, das um eine ortsfeste Achse P6 drehbar und axial verschiebbar gelagert ist. Eine Außenver­ zahnung des Übertragungszahnrades 26 kämmt mit einem Antriebsritzel 28 eines Elek­ tromotors 30. Die Verzahnung zwischen dem Antriebsritzel 28 und dem Übertragungs­ zahnrad 26 ist als Schrägverzahnung ausgebildet, so daß bei Drehmomentübertragung vom Antriebsritzel 28 auf das Übertragungszahnrad 26 je nach Antriebsrichtung eine axiale Verschiebung des Übertragungszahnrades 26 in der einen oder der anderen Richtung erfolgt.

Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das Übertragungszahnrad 26 zwischen den Zahnrädern 2 und 4 angeordnet. Das Übertragungszahnrad 26 ist an seinen Stirnflächen mit Reibflächen 32 versehen, die mit je einer entsprechenden, am Zahnrad 2 und 4 ausgebildeten Reibflä­ che 34 bzw. 36 überlappen. Die Reibflächen bzw. Reibringflächen können beispielsweise dadurch ausgebildet sein, daß jede der genannten Stirnflächen der Zahnräder mit einem ringartigen Vorsprung ausgebildet ist, so daß die Reibflächen durch die Stirnflächen der Vorsprünge gebildet sind.

Für die folgende Funktionsbeschreibung sei angenommen, daß das erste Zahnrad 2 gemäß Fig. 1 in Uhrzeigerrichtung drehangetrieben ist, so daß das zweite Zahnrad 4 über das dritte Zahnrad 6 und das vierte Zahnrad 8 mit gleicher Drehgeschwindigkeit, aber entge­ gengesetzter Richtung drehangetrieben ist. Durch entsprechend große Ausbildung des Durchmessers des Zapfens 20 im Verhältnis zu dessen Exzentrizität wird erreicht, daß der Eingriff zwischen Verbindungskoppel 16 bzw. der Lagerhülse 18 mit dem Zapfen 20 für das Koppelgetriebe eine Selbsthemmung bildet, so daß sich das Koppelgetriebe infolge der Drehmomentübertragung vom ersten Zahnrad 2 auf das zweite Zahnrad 4 (oder umgekehrt) nicht selbsttätig verstellt.

Sei nun angenommen, daß das Antriebsritzel 28 zur Verstellung des Koppelgetriebes in Uhrzeigerrichtung angetrieben wird, so daß sich das Übertragungszahnrad 26 in Gegen­ uhrzeigerrichtung dreht und dabei das Stellzahnrad 22 wiederum in Uhrzeigerrichtung dreht, so daß sich der Zapfen 20 zusammen mit der Verbindungskoppel 16 nach links be­ wegt und das Koppelgetriebe bzw. die Phase zwischen der Drehung der beiden Zahnräder 2 und 4 entsprechend verstellt wird. Bei der Drehmomentübertragung vom Antriebsritzel 28 auf das Übertragungszahnrad 26 wird dieses infolge der Schrägverzahnung in Richtung auf das erste Zahnrad 2 gedrückt,wodurch der Eingriff zwischen den Reibflächen 32 und 34 für einen zusätzlichen Drehantrieb des Übertragungszahnrades 26 in Gegenuhrzeigerrichtung sorgt, das heißt die Verstellung unterstützt. Sobald das Drehmoment vom Antriebsritzel 28 her aufhört, erfolgt keine weiter gegenseitige Anpressung der Reibflächen 32 und 34, da wegen der Selbsthemmung des Koppelgetriebes kein Drehmoment vom Übertragungszahnrad 26 her auf das Antriebsritzel 28 übertragen wird. Wird das Übertragungsritzel 28 in Gegenrichtung angetrieben, so wird das Übertragungszahnrad 26 mit seiner entsprechenden Reibfläche gegen die Reibfläche 36 des zweiten Zahnrades 4 gedrückt, so daß die Verstellung des Koppelgetriebes wiederum unterstützt wird.

Es versteht sich, daß die Übersetzung zwischen dem Antriebsritzel 28 und dem Stellzahn­ rad 22 vorteilhafterweise derart ausgelegt ist, daß eine große Winkeländerung am Antriebsritzel 28 eine kleine Winkeländerung am Stellzahnrad 22 hervorruft. Der Elek­ tromotor 30 ist vorteilhafterweise so ausgelegt, daß er mit verhältnismäßig großem Drehmoment anfährt, das heißt bei einer Ansteuerung rasch losläuft. Das weitere Drehmoment braucht wegen der Servounterstützung nicht groß zu sein.

Die Zuordnung zwischen Stellung des Exzentertriebs 18, 20 und Phasenlage der Zahnrä­ der 2 und 4 bzw. bei Anwendung in einem Nockentrieb ist vorteilhafterweise so, daß wenigstens eine der Extremstellungen einer erwünschten minimalen bzw. maximalen Phasenlage entspricht. Wenn der mit dem Koppelgetriebe ausgerüstete Nockentrieb beispielsweise zur drosselklappenfreien Laststeuerung einer Brennkraftmaschine dient, läßt sich auf diese Weise die maximale Füllung und damit auch die maximale Leistung sicher begrenzen.

Es versteht sich, daß zahlreiche Ergänzungen und/oder Abänderungen der beschriebenen Vorrichtung möglich sind. Beispielsweise kann das Übertragungszahnrad 26 mit seinem Ritzel 24 federnd in eine Mittellage vorgespannt sein, so daß gewährleistet ist, daß ohne Antriebsmoment vom Antriebsritzel 28 her kein Eingriff zwischen irgendwelchen Reibflä­ chen vorhanden ist. Des weiteren kann die Schrägverzahnung zwischen Antriebsritzel 28 und Außenverzahnung des Übertragungszahnrades 26 auch als Geradverzahnung ausgeführt sein, wenn beispielsweise das Übertragungszahnrad 26 von einem doppelt wirkenden Hydraulikzylinder oder einem später beschriebenen Elektromagneten bei Antrieb des Elektromotors 30 in die eine oder andere Richtung axial bewegt wird. Die Reibflächen könnten auch als Radialflächen ausgebildet sein, wobei das Übertragungszahnrad 26 dann radial gegen diese Reibflächen bewegt werden würde.

Die Verbindungskoppel 16 könnte zur Verstellung des Koppelgetriebes auch unmittelbar linear angetrieben sein und mit einem Reibglied verbunden sein, welches bei einer Ver­ stellung der Verbindungskoppel in Anlage an einen zweckentsprechenden Bereich der Stirnfläche beispielsweise des zweiten Zahnrades 4 gedrängt würde.

Es versteht sich, daß die beschriebene Ausführungsform des Koppelgetriebes auch dahingehend abgeändert werden kann, daß mit den Koppelrädern weitere Räder kämmen, von denen aus der Reibeingriff erfolgt. In Abänderung ist es auch möglich, die Selbsthemmung im Koppelgetriebe so auszulegen, daß das Koppelgetriebe wegen der Drehmomentübertragung vom ersten Zahnrad 2 auf das von ihm angetriebene zweite Zahnrad 4 die Tendenz hat, sich in einer Richtung selbst zu verstellen, so daß diese Verstellrichtung lediglich von einer Stelleinrichtung freigegeben werden muß, und eine Servowirkung durch Reibeingriff nur in der anderen Verstellrichtung notwendig ist.

In der beschriebenen Ausführungsform ist die aus Exzentertrieb 18, 20, Stellzahnrad 22, Übertragungszahnrad 26 und Elektromotor 30 bestehende Stelleinrichtung für die Ver­ bindungskoppel 16 an ortsfesten Lagerstellen, beispielsweise unmittelbar an einer Brenn­ kraftmaschine, gelagert. Wenn dies aus Bauraumgründen nicht möglich ist, kann die Stelleinrichtung alternativ auch an einer der Koppeln, beispielsweise der Koppel 12 angebracht werden, wobei das Übertragungszahnrad dann in P3 oder P4 gelagert werden kann.

Die Ausführungsform des Koppelgetriebes gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der der Fig. 2 dahingehend, daß zur axialen Verschiebung des Übertragungszahnrades 26 für dessen Reibeingriff mit dem Zahnrad 2 oder 4 mit der Welle 38 des Übertragungszahnra­ des ein Anker 40 zusammenwirkt, der von zwei Elektromagneten 42 bzw. 44 in die eine oder die andere Richtung bewegt wird und dabei das Übertragungszahnrad axial mitnimmt. Die Verstellung des Koppelgetriebes erfolgt bei dieser Ausführungsform ausschließlich durch den Reibeingriff des Übertragungszahnrades 26, das mit dem Stellzahnrad 22 kämmt.

Die beschriebene Ausführungsform läßt sich in einfacher Weise mit einer Sicherheits­ funktion ergänzen, indem der Magnetantrieb mit einer nicht dargestellten am Anker 40 angreifenden Feder ergänzt wird, die durch einen weiteren Magneten im normalen Be­ triebszustand unwirksam gemacht wird und bei Aufheben eines Fehlers, beispielsweise Ausfall der Stromversorgung, den Anker 40 in eine Richtung zieht, in der das Über­ tragungszahnrad 26 derart in Eingriff mit einem der Zahnräder 2 oder 4 kommt, daß das Koppelgetriebe beispielsweise in Richtung einer Leistungsabnahme einer Brennkraftma­ schine verstellt wird.

Claims (5)

1. Koppelgetriebe zur Übertragung der Drehung einer Welle auf eine andere Welle, insbesondere für Nockenwellen einer Brennkraftmaschine, mit einem mit der einen Welle drehfest verbundenen ersten Koppelrad (2), einem mit der anderen Welle drehfest verbundenen zweiten Koppelrad (4), einem vom ersten Koppelrad angetriebenen dritten Koppelrad (6) und einem von dem dritten Koppelrad angetriebenen und das zweite Koppelrad antreibenden vierten Koppelrad (8), wobei die Drehachsen der Koppelräder eins und drei, drei und vier sowie vier und zwei über Koppeln (10, 12, 14) miteinander verbunden sind und die Phase der Drehung der einen Welle relativ zur anderen Welle mittels einer Stelleinrichtung (22, 26, 28, 30) veränderbar ist, welche ein Stellglied (16) zum Verstellen der Winkel zwischen den Koppeln betätigt, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellglied eine an der Achse des vierten oder dritten Koppelrades (6 oder 8) angreifende Verbindungskoppel (16) ist, die an einem Exzenter (20) gelagert ist, welcher an einem gleichachsig mit dem ersten oder zweiten Koppelrad (2 oder 4) gelagerten Bauteil (22) ausgebildet ist, das zur Veränderung der Phasenlage zwischen dem ersten und dem zweiten Koppelrad verdrehbar ist.

2. Koppelgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzentertrieb durch einen an dem Bauteil (22) exzentrisch angebrachten Zapfen (20) gebildet ist, an dem die Verbindungskoppel (16) gelagert ist.

3. Koppelgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der für die Lagerung der Verbindungskoppel (16) wirksame Durchmesser des Zapfens (20) größer ist als der Abstand zwischen der Achse (P₅) des Zapfens und der Drehachse (P₂) des Bauteils (22).

4. Koppelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe bezüglich seiner Eigenverstellung bei nicht betätigter Stelleinrichtung selbsthemmend ist.

5. Koppelgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extremstellung des Exzentertriebes (18, 20) einem Extrem der Phasenlage der Nockenwellen entspricht.