EP2194242A1 - Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle - Google Patents

Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle Download PDF

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EP2194242A1
EP2194242A1 EP09176025A EP09176025A EP2194242A1 EP 2194242 A1 EP2194242 A1 EP 2194242A1 EP 09176025 A EP09176025 A EP 09176025A EP 09176025 A EP09176025 A EP 09176025A EP 2194242 A1 EP2194242 A1 EP 2194242A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
gear
drive wheel
rotation
output shaft
phase shifting
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Withdrawn
Application number
EP09176025A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Andres Tönnesmann
Costantino Brunetti
Andreas Köster
Peter Haushälter
Michael Breuer
Heinrich Dismon
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Pierburg GmbH
Original Assignee
Pierburg GmbH
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Pierburg GmbH filed Critical Pierburg GmbH
Publication of EP2194242A1 publication Critical patent/EP2194242A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/352—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using bevel or epicyclic gear

Definitions

  • the invention relates to a device for phase shifting of the rotational angle of a drive wheel to an output shaft with a gear, a drive wheel, a driven gear, which is at least rotationally fixedly coupled to the output shaft and at least one transmission gear, which with a fixedly coupled to the drive gear drive gear and / or a fixedly connected to the driven gear driven gear is engaged and a linearly acting actuator which causes by means of an intermediate member for phase shifting a movement of the at least one transmission gear.
  • phase shift devices are known, in particular, for the phase shift between a crankshaft and a camshaft of an internal combustion engine, but can also be used in the area of internal combustion engines, for example for the cycle-accurate control of an exhaust gas recirculation system.
  • the phase shift is used for variable valve timing to improve the combustion process in the engine.
  • vane-type cam phaser, camshaft chain adjuster or axially displaceable toothing elements are known for phase shifting the camshaft.
  • Particularly advantageous is the use of electrical Phasenverstellern has been found that work with a planetary gear. These offer the possibility of a stepless adjustment, so that a high variability is achieved.
  • the EP 0 903 470 B1 which forms the closest prior art, describes a device for relative adjustment of the rotational angle between the crankshaft and the camshaft, in which a transmission is used, in which the gears must be helical teeth.
  • This device has a driven by the crankshaft drive wheel with an internal toothing, which meshes with an external toothing of a transmission gear.
  • This is attached to an intermediate member which is linearly displaceable via an actuator.
  • An internal output gear is fixedly connected to the camshaft and is engaged with an internal toothing of the transfer gear.
  • To adjust the transmission gear is linearly displaced, so that the counter-rotating helical gears of the transmission wheel cause a relative rotation of the drive gear to the output gear.
  • the required to drive the intermediate member electric motor is fixedly connected to the camshaft in this embodiment and rotates with this. In order to be able to supply it with power sliding contacts are arranged on its exterior.
  • a disadvantage of such an embodiment is the non-reliable power supply of the electric motor, in particular during axial movement of the device but also when pollution occurs. Furthermore, the constant rotational movement of the electric motor significantly increases the load on the mechanical and electrical components and connections of the actuator.
  • the device should be robust while requiring only a small amount of space.
  • the actuator by means of the intermediate member, the at least one transmission gear relative to the drive wheel and / or the output gear set in rotation and the actuator is rotationally decoupled from the intermediate member. Due to the rotational decoupling of the linear actuator from the intermediate member, the actuator remains in operation of the internal combustion engine relative to the transmission and the drive wheel and the output shaft. Accordingly, an electrical or pneumatic or hydraulic contacting of the actuator via fixed lines is easy to implement. As a result, the mechanical load is significantly reduced. In addition, only in the case of a desired adjustment, a torque or an adjusting force to apply. As a result, energy can be saved when using an electric actuator.
  • the actuator is rotatably decoupled from the intermediate member via a bearing, which is arranged in the direction of force flow between the actuator and intermediate member.
  • a bearing which is arranged in the direction of force flow between the actuator and intermediate member.
  • the axis of rotation of the at least one transmission gear is perpendicular to the axes of rotation of the drive wheel and the driven wheel.
  • the transmission gears can be set in rotation via linearly displaceable toothed racks.
  • the transmission gears extend in their height beyond the engagement of the output gear, so that in this area in a simple manner Rack can engage in the teeth of the transmission gears.
  • lever pins are mounted on the transmission gears, which are mounted parallel to the axes of rotation of the respective transmission gear on the transmission gears, wherein the intermediate member is in engagement with the lever pin. This can be done for example via an eyelet or the like. Such an embodiment is particularly inexpensive to produce with respect to the items to be used.
  • the drive wheel is at least rotatably coupled to the drive gear
  • the output gear at least rotatably coupled to the output gear
  • the at least one transmission gear is in engagement with the drive gear and the output gear.
  • the at least one transmission gear is mounted on a bolt which is mounted on a Drehachsenexcellent.
  • the storage of the transmission gears can be realized in a simple manner.
  • the drive wheel is at least rotationally fixedly coupled to a drive gear and the at least one transfer gear engages the drive gear and is rotatably supported on the output gear or the output gear is at least rotationally fixedly coupled to an output gear and the at least one transfer gear is engaged with the driven gear and is rotatably supported on the drive wheel.
  • the drive wheel and the driven gear can be arranged on the same side of the transmission gears, which may also be designed as segment gears can be. The structure is simplified again compared to the other versions.
  • a plurality of intermediate gears are fixedly arranged to each other and are in engagement with the drive gear and / or the output gear, wherein the axes of rotation of the transmission gears perpendicular to the axis of rotation of the output shaft and the transmission gears are rotatable together via the actuator.
  • three transmission gears can be distributed distributed at a distance of 120 ° to the output axis, whereby occurring lateral forces on the drive wheel or the output shaft can be minimized.
  • FIG. 1 shows a side view of a section of a first embodiment of a device according to the invention for phase shifting the angle of rotation of a drive wheel to an output shaft in a sectional view.
  • FIG. 2 shows a side view of a second embodiment of a device according to the invention for phase shifting the rotational angle of a drive wheel to an output shaft in a sectional view, wherein the output shaft and the drive of the actuator are not shown.
  • FIG. 3 shows a schematic representation of an alternative embodiment of the device according to the invention for phase shifting the angle of rotation of a drive wheel to an output shaft.
  • the devices according to the invention consist of a drive wheel 2, which has an outer toothing 4, in which, for example, a toothed belt engages, via which the drive wheel 2 is connected to a crankshaft for transmitting movement.
  • the drive wheel 2 is rotatably connected to a drive gear 6 or made in one piece with this, the toothing 8 is formed on a front side on the circumference of the drive gear 6.
  • the drive wheel 2 and the drive gear 6 are arranged rotatably about a common axis of rotation 10.
  • the drive gear 6 meshes with a total of three transmission gears 12, the teeth 13 is formed on its outer circumference extending radially.
  • the teeth 13 of the transmission gears 12 engage in a turn axially extending toothing 15 of a driven gear 14, which in turn is made in one piece with a driven gear 15.
  • This driven gear 14 is rotatably mounted on a support member 16 which is secured via a secured against rotation screw 18 to an output shaft 20, which in FIG. 2 not shown in detail.
  • the support member 16 has a substantially cylindrically shaped portion 19, at its first axial end a wall 22 extends in the radial direction, to which the driven gear 14 is fixed and its opposite second end abuts against the output shaft 20.
  • the screw 18 is screwed from the first axial end of the support member 16 through a central bore 24 in a threaded hole 26 of the output shaft 20.
  • the cylindrical portion 19 of the support member 16 is in the embodiment according to the FIG. 1 surrounded by a sleeve 28 which has a collar 30, which in turn abuts against an outer region of the output shaft 20.
  • a sleeve 28 which has a collar 30, which in turn abuts against an outer region of the output shaft 20.
  • a Drehachsenarme 32 is arranged, from which three bolts 33 extend in the radial direction at a distance of 120 ° distributed over the circumference, which serve as bearings for the transmission gears 12. These bolts are thus at right angles to the axis of rotation 10.
  • the rotary axis support 32 is rotatably mounted on the sleeve 28 and in FIG. 2 arranged on the carrier element
  • the transmission gears 12 are rotatable in both embodiments via an intermediate member 34 which is linearly movable via an actuator 36.
  • the intermediate member 34 has a shoulder 38 against which an outer ring 40 of a ball bearing 42 axially abuts, which can be performed in a different form than sliding or rolling bearings.
  • the outer ring 40 is fixed in its position relative to the intermediate member 34 via a securing ring 44, which is clamped in an inner circumferential groove 46 of the intermediate member 34.
  • An inner ring 48 of the ball bearing 42 is disposed on an axially extending portion of an adjusting element 50 which has a shoulder 52 against which the inner ring 48 abuts axially and which is fixed on the opposite side via a second locking ring 53 on the adjusting element 50, in FIG. 2 is apparent.
  • the adjusting element 50 has an internal thread 54 which cooperates with an external thread 56 of a worm 58, which is fastened on a drive shaft 60 of a drive unit, not shown, for example an electric motor.
  • the adjusting element 50 is secured by a bolt 51 against rotation, so that by rotating the output shaft 60 and thus the worm 58 follows a linear movement of the adjusting element 50. This linear movement of the adjusting element 50 is transmitted via the ball bearing 42 to the intermediate member 34.
  • the intermediate member 34 has three axial end portions 62 which each fully embrace a lever pin 64 which is fixed to a lever arm, not shown, which is fixedly connected to the respective transmission gear 12, so that the linear movement of the intermediate member 34 in a rotational movement of the respective transmission gear 12 converted becomes.
  • the axial end portions 62 of the intermediate member 34 extend through corresponding openings of the carrier element 16.
  • the movement of the drive wheel 4 via the transmission gears 12 and the output gear 14 is transmitted to the support member 16 and thus to the output shaft 20.
  • the axial end portions 62 prevent the self-rotation of the transmission gears 12 by enclosing the lever pin 64, so that no relative movement between the drive gear 6 and the output gear 14 can occur.
  • the entire gear 70 rotates with the intermediate member 34 and the output shaft 20 as a package with the speed of the drive wheel 4.
  • the rotational movement of the transmission 70 and the output shaft 20 of the actuator 36 remains unchanged due to the ball bearing 42 in its position, although the Outer ring 40 of the ball bearing 42 is rotated, the inner ring 48, however, stops.
  • An internal thread 72 of a fixed part 74 of the actuator 36 acts here with the external thread 56 of the screw 58 together, the rotationally fixed and axially displaceable on the drive shaft 60 of the not is shown attached drive unit.
  • the screw 58 and thus the adjusting element 50 shifts in the axial direction on the drive shaft 60.
  • the transmission of the movement remains according to the embodiment of FIG. 2 essentially identical to the one to FIG. 1 Described, wherein rotation of the transmission gears 12 relative to the drive gear 8 or the output gear 14 is prevented by an engagement of the intermediate member 34 to the transmission gears 12.
  • the intermediate member 34 has for this purpose at its opposite to the ball bearing 42 axial end racks 78 which engage in the toothing 13 of the transmission gears 12.
  • the transmission gears 12 are designed to be higher in this embodiment, so that they protrude radially beyond the outer circumference of the output gearwheel 14. In this outer region, the racks 78 can thus engage in the upper part of the transmission gears 12.
  • the intermediate member 34 it is advantageous for the intermediate member 34 to choose a substantially hollow cylindrical shape, which is interrupted only by three axially extending slots, on whose one outer wall, the toothing of the racks 78 is formed. Accordingly, a rotation of the transmission gears 12 relative to the drive gear 8 or the output gear 14 is prevented by the self-locking of the worm gear, which prevents a linear displacement of the intermediate member 34, which would be required for a rotational rotation of the transmission gears 12.
  • the intermediate member 34 is axially displaced by the axial movement of the screw 58 and the adjusting element 50, whereby the transmission gears 12 are rotated, so that the output gear 14 is rotated in the same way to the drive gear 8, as already in the Execution according to FIG. 1 has been described.
  • FIG. 3 schematically illustrated embodiment differs from the embodiments according to the FIGS. 1 and 2 in that, instead of the axis of rotation carrier, the drive wheel 2 extends annularly in the axial direction on the outer circumference, wherein at the axial, pointing in the direction of the actuator 36 end radially inwardly facing bolts 33 are fixed or formed integrally with the drive wheel 2, on which the transmission gears 12th are stored.
  • the transmission gears are in the manner already described with the integrally formed with the driven gear 15 driven gear 14 into engagement.
  • the output gear 15 is arranged at least rotationally fixed on the output shaft 20.
  • the transmission gears 12 in turn eccentrically arranged lever pin 64, which according to the invention via the actuator 36 and the linear displacement of the intermediate member 34 in the same manner as FIG. 1 has already been described, are set in rotation. Accordingly, in the FIG. 3 only the intermediate member 34 is shown.
  • this embodiment is also to be changed insofar as that the transmission gears are mounted on the output gear and mesh with a drive gear.
  • the described embodiments have a long service life, since the mechanical load of the actuator is minimized. In comparison to other known devices for phase adjustment, the energy requirement is significantly reduced, since a torque must be applied only during the adjustment.

Landscapes

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Abstract

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle, insbesondere zur Verstellung der Phase zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle bekannt, welche über einen zumeist elektrisch betriebenen Aktuator, der mit einem zwischengeschalteten Getriebe zusammenwirkt, erfolgt, bekannt. Hierbei muss zumeist der Aktuator (36) entweder Drehmomente außerhalb der Verstellzeiten aufnehmen oder mit dem Getriebe (70) mitdrehen. Es wird daher eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der der Aktuator (36) ein linear wirkender Aktuator (36) ist, der rotatorisch von einem Zwischenglied (34) zur Übertragung einer Relativbewegung zwischen den Zahnrädern (6; 12; 14) entkoppelt ist. Bei einer derartigen Ausführung wird der Energiebedarf erheblich gesenkt.

Description

  • Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle mit einem Getriebe, einem Antriebsrad, einem Abtriebsrad, welches zumindest drehfest mit der Abtriebswelle gekoppelt ist und zumindest einem Übertragungszahnrad, welches mit einem fest mit dem Antriebsrad gekoppelten Antriebszahnrad und/oder einem fest mit dem Abtriebsrad gekoppelten Abtriebszahnrad in Eingriff steht sowie einem linear wirkenden Aktuator, der mittels eines Zwischengliedes zur Phasenverschiebung eine Bewegung des zumindest einen Übertragungszahnrades bewirkt.
  • Derartige Vorrichtungen sind insbesondere zur Phasenverschiebung zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors bekannt, können jedoch im Bereich der Verbrennungsmotoren beispielsweise auch zur zyklusgenauen Steuerung eines Abgasrückführsystems verwendet werden. Die Phasenverschiebung dient zur variablen Ventilzeitsteuerung zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses im Motor. Zur Phasenverschiebung der Nockenwelle sind beispielsweise Flügelzellen-Nockenversteller, Nockenwellenkettenversteller oder axial verschiebbare Verzahnungselemente bekannt. Als besonders vorteilhaft hat sich die Verwendung von elektrischen Phasenverstellern herausgestellt, welche mit einem Planetengetriebe arbeiten. Diese bieten die Möglichkeit einer stufenlosen Verstellung, so dass eine hohe Variabilität erreicht wird.
  • So wird in der US 5,680,836 eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle mit einem Planetengetriebe offenbart. Hierbei ist ein Planetenträger auf einer Nockenwelle fest angeordnet, wobei die Planetenräder mit dem Sonnenrad und einer Innenverzahnung eines Antriebsrades in Eingriff stehen. Das Antriebsrad wird beispielsweise über einen Kettentrieb in einem festen Übersetzungsverhältnis über die Kurbelwelle angetrieben. Eine Drehwinkelverstellung erfolgt bei dieser Ausführung durch Verdrehen des Sonnenrades mittels eines Stellantriebs. Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist, dass zum Festhalten des Sonnenrades ein elektrischer Stellantrieb mit Spannung versorgt werden muss, da keine Selbsthemmung des Antriebs vorliegt. Entsprechend liegt ein hoher permanenter Energiebedarf vor. Zusätzlich besteht ein relativ großer Bauraumbedarf insbesondere in axialer Richtung, da das Sonnenrad lediglich an der axial zur Nockenwelle entfernten Seite des Planetengetriebes angetrieben werden kann.
  • Auch die EP 0 903 470 B1 , welche den nächstliegenden Stand der Technik bildet, beschreibt eine Vorrichtung zur relativen Verstellung des Drehwinkels zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle, bei der ein Getriebe verwendet wird, bei dem die Zahnräder schrägverzahnt ausgeführt sein müssen. Diese Vorrichtung weist ein durch die Kurbelwelle angetriebenes Antriebsrad mit einer Innenverzahnung auf, welches mit einer Außenverzahnung eines Übertragungszahnrades kämmt. Dieses ist an einem Zwischenglied befestigt, welches über einen Stellantrieb linear verschiebbar ist. Ein innenliegendes Abtriebszahnrad ist fest mit der Nockenwelle verbunden und steht in Eingriff mit einer Innenverzahnung des Übertragungszahnrades. Zur Verstellung wird das Übertragungszahnrad linear verschoben, so dass die gegenläufig ausgebildeten Schrägverzahnungen des Übertragungsrades eine relative Drehung des Antriebszahnrades zum Abtriebszahnrad bewirken. Der zum Antrieb des Zwischengliedes erforderliche Elektromotor ist bei dieser Ausführung fest mit der Nockenwelle verbunden und dreht sich mit dieser. Um ihn dennoch mit Strom versorgen zu können sind an seinem Außenbereich Schleifkontakte angeordnet.
  • Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist die nicht zuverlässige Stromversorgung des Elektromotors insbesondere bei axialer Bewegung der Vorrichtung aber auch bei auftretender Verschmutzung. Des Weiteren erhöht die ständige Drehbewegung des Elektromotors deutlich die Belastung der mechanischen und elektrischen Bauteile und Anschlüsse des Aktuators.
  • Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle zu schaffen, bei der die mechanische Belastung des Aktuators und gleichzeitig der Energiebedarf des Aktuators minimiert werden. Die Vorrichtung soll dabei robust ausgeführt sein und gleichzeitig nur einen geringen Bauraum benötigen.
  • Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, dass der Aktuator mittels des Zwischengliedes das zumindest eine Übertragungszahnrad relativ zum Antriebsrad und/oder zum Abtriebsrad in Drehung versetzt und der Aktuator rotatorisch vom Zwischenglied entkoppelt ist. Durch die rotatorische Entkopplung des linearen Aktuators vom Zwischenglied bleibt der Aktuator im Betrieb des Verbrennungsmotors relativ zum Getriebe sowie zum Antriebsrad und zur Abtriebswelle stehen. Entsprechend ist eine elektrische oder auch pneumatische oder hydraulische Kontaktierung des Aktuators über feststehende Leitungen einfach realisierbar. Hierdurch wird die mechanische Belastung deutlich reduziert. Zusätzlich ist nur im Fall einer gewünschten Verstellung ein Drehmoment beziehungsweise eine Verstellkraft aufzubringen. Hierdurch kann bei Verwendung eines elektrischen Aktuators Energie eingespart werden.
  • Vorzugsweise ist der Aktuator über ein Lager, welches in Kraftflussrichtung zwischen Aktuator und Zwischenglied angeordnet ist, rotatorisch vom Zwischenglied entkoppelt. Durch Verwendung dieses Lagers zur Übertragung der linearen Bewegung und Entkopplung des Aktuators vom Zwischenglied bezüglich der rotatorischen Bewegung werden im Vergleich zu anderen denkbaren Ausführungsformen besonders wenige und kostengünstige Bauteile verwendet und gleichzeitig ein geringer Bauraum benötigt.
  • In einer besonders günstigen Ausführungsform steht die Drehachse des zumindest einen Übertragungszahnrades senkrecht zu den Drehachsen des Antriebsrades und des Abtriebsrades. Hierdurch entsteht ein Aufbau, der dem eines Differenzialgetriebes ähneln kann. Hierdurch ist eine besonders einfache Ankopplung des Zwischengliedes an den Aktuator und die Übertragungszahnräder möglich.
    In einer besonders vorteilhaften Ausführung sind die Übertragungszahnräder über linear verschiebliche Zahnstangen in Drehung versetzbar. Hierzu erstrecken sich beispielsweise die Übertragungszahnräder in ihrer Höhe über den Eingriff des Abtriebszahnrades hinaus, so dass in diesem Bereich auf einfache Weise eine Zahnstange in die Zähne der Übertragungszahnräder eingreifen kann. Eine derartige Vorrichtung arbeitet besonders zuverlässig und reibungsarm, so dass die notwendigen Stellkräfte minimiert werden.
  • In einer alternativen Ausführungsform sind an den Übertragungszahnrädern Hebelzapfen angeordnet, die parallel zu den Drehachsen des jeweiligen Übertragungszahnrades an den Übertragungszahnrädern befestigt sind, wobei das Zwischenglied mit den Hebelzapfen in Eingriff steht. Dies kann beispielsweise über eine Öse oder ähnliches erfolgen. Eine derartige Ausführung ist bezüglich der zu verwendenden Einzelteile besonders kostengünstig herstellbar.
  • In einer bevorzugten Ausführung ist das Antriebsrad zumindest drehfest mit dem Antriebszahnrad gekoppelt, das Abtriebsrad zumindest drehfest mit dem Abtriebszahnrad gekoppelt und das zumindest eine Übertragungszahnrad steht mit dem Antriebszahnrad und dem Abtriebszahnrad in Eingriff. Man erhält hierdurch im wesentlichen den Aufbau eines Differentialgetriebes, so dass außerhalb der Verstellzeiten das gesamte Getriebe mit dem Zwischenglied als starre Kopplungsvorrichtung zwischen Antriebsrad und Abtriebswelle wirkt. Eine Relativbewegung zwischen den Bauteilen des Getriebes ist somit nicht vorhanden, wodurch wiederum der Verschleiß deutlich eingeschränkt wird.
  • In einer weiterführenden Ausführung ist das zumindest eine Übertragungszahnrad auf einem Bolzen gelagert, der auf einem Drehachsenträger befestigt ist. So kann auf einfache Weise die Lagerung der Übertragungszahnräder verwirklicht werden.
  • In einer zu der Ausführung mit Differentialgetriebe alternativen Ausführung ist das Antriebsrad zumindest drehfest mit einem Antriebszahnrad gekoppelt und das zumindest eine Übertragungszahnrad steht mit dem Antriebszahnrad in Eingriff und ist am Abtriebsrad drehbar gelagert oder das Abtriebsrad ist zumindest drehfest mit einem Abtriebszahnrad gekoppelt und das zumindest eine Übertragungszahnrad steht mit dem Abtriebszahnrad in Eingriff und ist am Antriebsrad drehbar gelagert. Bei diesen Ausführungen können das Antriebsrad und das Abtriebsrad auf der gleichen Seite der Übertragungszahnräder angeordnet werde, die gegebenenfalls auch als Segmentzahnräder ausgeführt werden können. Der Aufbau vereinfacht sich noch einmal im Vergleich zu den anderen Ausführungen.
  • In einer weiterführenden Ausführungsform sind mehrere Zwischenzahnräder fest zueinander angeordnet und stehen mit dem Antriebszahnrad und/oder dem Abtriebszahnrad in Eingriff, wobei die Drehachsen der Übertragungszahnräder senkrecht zur Drehachse der Abtriebswelle verlaufen und die Übertragungszahnräder gemeinsam über den Aktuator verdrehbar sind. Insbesondere können drei Übertragungszahnräder verteilt im Abstand von je 120° um die Abtriebsachse verteilt angeordnet werden, wodurch auftretende Querkräfte am Antriebsrad oder der Abtriebswelle minimiert werden.
  • Es wird somit eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle geschaffen, die aufgrund minimierten Verschleißes eine hohe Lebensdauer aufweist. Außerhalb der Verstellzeiten besteht kein Energiebedarf, da durch die Entkopplung von der Drehbewegung der Antriebswelle bei Selbsthemmung keine Drehmomente vom Aktuator aufgenommen werden müssen.
  • Drei Ausführungsbeispiele einer erfindungsgemäßen Vorrichtung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachfolgend beschrieben.
  • Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines Ausschnitts einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle in geschnittener Darstellung.
  • Figur 2 zeigt eine Seitenansicht einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle in geschnittener Darstellung, wobei die Abtriebswelle und der Antrieb des Aktuators nicht dargestellt sind.
  • Figur 3 zeigt eine schematische Darstellung einer alternativen Ausführungsform der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle.
  • Im Folgenden werden zunächst die baugleichen Teile gemäß der Figuren 1 und 2 beschrieben. Die erfindungsgemäßen Vorrichtungen bestehen aus einem Antriebsrad 2, welches eine Außenverzahnung 4 aufweist, in die beispielsweise ein Zahnriemen eingreift, über den das Antriebsrad 2 mit einer Kurbelwelle zur Bewegungsübertragung verbunden ist.
  • Das Antriebsrad 2 ist drehfest mit einem Antriebszahnrad 6 verbunden oder einstückig mit diesem hergestellt, dessen Verzahnung 8 an einer Frontseite am Umfang des Antriebszahnrades 6 ausgebildet ist. Das Antriebsrad 2 sowie das Antriebszahnrad 6 sind um eine gemeinsame Drehachse 10 drehbar angeordnet.
  • Das Antriebszahnrad 6 kämmt mit insgesamt drei Übertragungszahnrädern 12, deren Verzahnungen 13 an ihrem Außenumfang sich radial erstreckend ausgebildet ist. An der zum Antriebszahnrad 6 gegenüberliegenden Seite greifen die Verzahnungen 13 der Übertragungszahnräder 12 in eine sich wiederum axial erstreckende Verzahnung 15 eines Abtriebszahnrades 14, welches wiederum einstückig mit einem Abtriebsrad 15 hergestellt ist.
  • Dieses Abtriebszahnrad 14 ist drehfest an einem Trägerelement 16 angeordnet, welches über eine gegen Verdrehen gesicherte Schraube 18 an einer Abtriebswelle 20 befestigt ist, welche in Figur 2 nicht näher dargestellt ist. Das Trägerelement 16 weist einen im wesentlichen zylindrisch geformten Abschnitt 19 auf, an dessen ersten axialen Ende sich eine Wand 22 in radialer Richtung erstreckt, an der das Abtriebszahnrad 14 befestigt ist und dessen entgegengesetztes zweites Ende gegen die Abtriebswelle 20 anliegt. Die Schraube 18 wird vom ersten axialen Ende des Trägerelementes 16 durch eine zentrale Bohrung 24 in ein Gewindeloch 26 der Abtriebswelle 20 geschraubt.
  • Der zylindrische Abschnitt 19 des Trägerelementes 16 ist bei der Ausführung gemäß der Figur 1 von einer Buchse 28 umgeben, welche einen Kragen 30 aufweist, der wiederum gegen einen äußeren Bereich der Abtriebswelle 20 anliegt. Auf der Buchse 28, diese umgebend und sich in axialer Richtung an den Kragen 30 anschließend, ist zunächst der Innenumfang des Antriebszahnrades 6 gleitend angeordnet, der bei der Ausführung gemäß der Figur 2 direkt gleitend auf dem Trägerelement 16 angeordnet ist. Hieran sich in axialer Richtung anschließend ist in beiden Ausführungsformen ein Drehachsenträger 32 angeordnet, von dem aus sich drei Bolzen 33 in radialer Richtung im Abstand von 120° über den Umfang verteilt erstrecken, welche als Lagerstellen für die Übertragungszahnräder 12 dienen. Diese Bolzen stehen somit im rechten Winkel zur Drehachse 10. Auch der Drehachsenträger 32 ist drehbar auf der Buchse 28 bzw. in Figur 2 auf dem Trägerelement 16 angeordnet.
  • Die Übertragungszahnräder 12 sind in beiden Ausführungsbeispielen über ein Zwischenglied 34 drehbar, welches über einen Aktuator 36 linear bewegbar ist. Hierzu weist das Zwischenglied 34 einen Absatz 38 auf, gegen den ein Außenring 40 eines Kugellagers 42 axial anliegt, welches auch in anderer Form als Gleit- oder Wälzlager ausgeführt werden kann. An der axial gegenüberliegenden Seite ist der Außenring 40 über einen Sicherungsring 44, der in einer Innenumfangsnut 46 des Zwischengliedes 34 festgeklemmt ist, in seiner Position relativ zum Zwischenglied 34 fixiert. Ein Innenring 48 des Kugellagers 42 ist auf einem sich axial erstreckenden Teil eines Verstellelementes 50 angeordnet, welches einen Absatz 52 aufweist, gegen den der Innenring 48 axial anliegt und der an der gegenüberliegenden Seite über einen zweiten Sicherungsring 53 am Verstellelement 50 fixiert ist, der in Figur 2 ersichtlich ist.
  • Bei der Ausführung gemäß Figur 1 weist das Verstellelement 50 ein Innengewinde 54 auf, welches mit einem Außengewinde 56 einer Schnecke 58 zusammenwirkt, die auf einer Antriebswelle 60 einer nicht dargestellten Antriebseinheit, beispielsweise eines Elektromotors, befestigt ist. Das Verstellelement 50 ist über einen Bolzen 51 gegen Verdrehen gesichert, so dass durch Drehen der Abtriebswelle 60 und somit der Schnecke 58 eine lineare Bewegung des Verstellelementes 50 folgt. Diese lineare Bewegung des Verstellelementes 50 wird über das Kugellager 42 auf das Zwischenglied 34 übertragen.
  • Das Zwischenglied 34 weist drei axiale Endabschnitte 62 auf, die jeweils einen Hebelzapfen 64 vollständig umgreifen, der an einem nicht dargestellten Hebelarm befestigt ist, der fest mit dem jeweiligen Übertragungszahnrad 12 verbunden ist, so dass die lineare Bewegung des Zwischengliedes 34 in eine rotatorische Bewegung des jeweiligen Übertragungszahnrades 12 umgewandelt wird. Bei dieser Ausführung erstrecken sich die axialen Endabschnitte 62 des Zwischengliedes 34 durch entsprechend ausgeführte Öffnungen des Trägerelementes 16.
  • Bei Stillstand des Aktuators 36 wird die Bewegung des Antriebsrades 4 über die Übertragungszahnräder 12 und das Abtriebszahnrad 14 auf das Trägerelement 16 und somit auf die Abtriebswelle 20 übertragen. Die axialen Endabschnitte 62 verhindern durch das Umschließen des Hebelzapfens 64 eine Eigendrehung der Übertragungszahnräder 12, so dass keine Relativbewegung zwischen dem Antriebszahnrad 6 und dem Abtriebszahnrad 14 auftreten kann. Somit dreht sich das gesamte Getriebe 70 mit dem Zwischenglied 34 und der Abtriebswelle 20 als Paket mit der Geschwindigkeit des Antriebsrades 4. Während der Drehbewegung des Getriebes 70 sowie der Abtriebswelle 20 bleibt der Aktuator 36 aufgrund des Kugellagers 42 in seiner Lage unverändert, da zwar der Außenring 40 des Kugellagers 42 in Drehung versetzt wird, der Innenring 48 jedoch stehen bleibt. Somit existiert eine rotatorische Entkopplung des Aktuators 36 vom Getriebe 70. Da jede rotatorische Bewegung der Übertragungszahnräder 12 auch eine lineare in Achsrichtung wirkende Komponente aufweist, wird eine Drehung der Übertragungszahnräder 12 durch eine Selbsthemmung des Aktuators 36 in Axialrichtung verhindert, so dass eine Bestromung des Aktuators 36 außerhalb der Verstellzeiten entfällt.
  • Wird der Aktuator 36 betätigt, dreht sich die Schnecke 58 und das Verstellelement 50 wird axial entlang der Drehachse 10 verschoben. Hierdurch wird auch das Kugellager 42 und somit das gekoppelte Zwischenglied 34 verschoben, dessen Endabschnitte 62 durch diese Bewegung die Hebelzapfen 64 und somit die Übertragungszahnräder 12 in Drehung versetzen. Diese rollen hierdurch auf den Verzahnungen 8, 15 des Antriebszahnrades 6 und des Abtriebszahnrades 14 ab und verdrehen das Abtriebszahnrad 14 relativ zum Antriebszahnrad 6.
  • Bei der Ausführung gemäß Figur 2 dient die Schnecke 58 gleichzeitig als Verstellelement 50. Ein Innengewinde 72 eines feststehenden Teils 74 des Aktuators 36 wirkt hier mit dem Außengewinde 56 der Schnecke 58 zusammen, die drehfest und axial verschieblich auf der Antriebswelle 60 der nicht dargestellten Antriebseinheit befestigt ist. Durch Drehung der Abtriebswelle 60 verschiebt sich die Schnecke 58 und somit das Verstellelement 50 in axialer Richtung auf der Antriebswelle 60. Dies kann auch dadurch erreicht werden, dass die Schnecke 58 drehgesichert wird und das äußere Teil 74 axial gesichert angetrieben wird. Diese lineare Bewegung des Verstellelementes 50 wird über das Kugellager 42 auf das Zwischenglied 34 übertragen.
  • Bei Stillstand des Aktuators 36 bleibt die Übertragung der Bewegung gemäß des Ausführungsbeispiels der Figur 2 im Wesentlichen identisch zu der zu Figur 1 Beschriebenen, wobei ein Drehen der Übertragungszahnräder 12 relativ zum Antriebzahnrad 8 oder zum Abtriebszahnrad 14 durch einen Eingriff des Zwischengliedes 34 an den Übertragungszahnrädern 12 verhindert wird. Das Zwischenglied 34 weist hierzu an seinem zum Kugellager 42 entgegengesetzten axialen Ende Zahnstangen 78 auf, die in die Verzahnung 13 der Übertragungszahnräder 12 eingreifen. Die Übertragungszahnräder 12 sind hierzu bei dieser Ausführungsform höher ausgebildet, so dass sie radial über den Außenumfang des Abtriebszahnrades 14 hinweg ragen. In diesem Außenbereich können somit die Zahnstangen 78 in den oberen Teil der Übertragungszahnräder 12 eingreifen. Um den Eingriff der Zahnstangen 78 in die Übertragungszahnräder 12 sicherzustellen, ist es erforderlich, dass das Zwischenglied 34 am Drehachsenträger 32 gegen Verdrehen relativ zum Drehachsenträger 32 gesichert ist. Dies geschieht durch eine axial verlaufende Nut 80 am Zwischenglied 34, in die ein Gleitschuh 76 des Drehachsenträgers 32 ragt.
  • Vorteilhaft ist es, für das Zwischenglied 34 eine im wesentlichen hohlzylindrische Form zu wählen, welche lediglich durch drei axial verlaufende Schlitze unterbrochen wird, an deren einer Außenwand die Verzahnung der Zahnstangen 78 ausgebildet wird. Entsprechend wird auch hier ein Verdrehen der Übertragungszahnräder 12 relativ zum Antriebszahnrad 8 oder zum Abtriebszahnrad 14 durch die Selbsthemmung des Schneckentriebes verhindert, welcher eine lineare Verschiebung des Zwischengliedes 34, die für eine rotatorische Drehung der Übertragungszahnräder 12 erforderlich wäre, verhindert.
  • Wird der Aktuator 36 bei der Ausführungsform gemäß der Figur 2 betätigt, wird wiederum das Zwischenglied 34 durch die axiale Bewegung der Schnecke 58 bzw. des Verstellelementes 50 axial verschoben, wodurch die Übertragungszahnräder 12 in Drehung versetzt werden, so dass das Abtriebszahnrad 14 in gleicher Weise zum Antriebszahnrad 8 verdreht wird, wie es bereits in der Ausführung gemäß Figur 1 beschrieben wurde.
  • Die in Figur 3 schematisch dargestellte Ausführung unterscheidet sich von den Ausführungen gemäß der Figuren 1 und 2 dadurch, dass statt des Drehachsenträgers das Antriebsrad 2 sich ringförmig in Axialrichtung am Außenumfang erstreckt, wobei am axialen, in Richtung zum Aktuator 36 weisenden Ende nach radial innen weisende Bolzen 33 befestigt sind oder einstückig mit dem Antriebsrad 2 ausgebildet sind, auf dem die Übertragungszahnräder 12 gelagert sind. Die Übertragungszahnräder stehen in der bereits beschriebenen Weise mit dem einstückig mit dem Abtriebsrad 15 ausgebildeten Abtriebszahnrad 14 in Eingriff. Das Abtriebsrad 15 ist zumindest drehfest auf der Abtriebswelle 20 angeordnet. In der dargestellten Ausführung weisen die Übertragungszahnräder 12 wiederum exzentrisch angeordnete Hebelzapfen 64, welche erfindungsgemäß über den Aktuator 36 und die lineare Verschiebung des Zwischengliedes 34 in gleicher Weise wie zu Figur 1 bereits beschrieben wurde, in Drehung versetzbar sind. Entsprechend ist in der Figur 3 lediglich das Zwischenglied 34 dargestellt.
  • Werden nun die Hebelzapfen 64 über den Aktuator 36 in ihrer Position gehalten, wird die Drehbewegung des Antriebsrades 2 auf die Übertragungszahnräder 12 übertragen, die bei Stillstand des Aktuators 36 das Abtriebszahnrad 14 und somit die Abtriebswelle 20 mitnehmen, wobei das Zwischenglied 34 mit gleicher Geschwindigkeit umläuft, jedoch auch hier über ein nicht näher dargestelltes Lager vom Aktuator 36 rotatorisch entkoppelt ist. Zur Phasenverschiebung wird der Aktuator 36 in bekannter Weise betätigt, wodurch das Abtriebszahnrad 14 durch die nun erfolgende Abrollbewegung zum Antriebsrad 2 verdreht wird.
  • Selbstverständlich ist diese Ausführung auch insofern zu verändern, als dass die Übertragungszahnräder am Abtriebsrad gelagert werden und mit einem Antriebszahnrad kämmen.
  • Die beschriebenen Ausführungsformen weisen eine hohe Lebensdauer auf, da die mechanische Belastung des Aktuators minimiert wird. Im Vergleich zu anderen bekannten Vorrichtungen zur Phasenverstellung wird der Energiebedarf deutlich gesenkt, da ein Drehmoment nur während der Verstellzeiten aufgebracht werden muss.
  • Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Modifikationen im Vergleich zu den beschriebenen Ausführungsformen möglich sind, ohne den Schutzbereich des Hauptanspruchs zu verlassen. So können beispielsweise statt der drei Übertragungszahnräder fünf verwendet werden, oder bei ausreichender Festigkeit auch nur ein einzelnes. Desweiteren können die hier vorgesehenen Geradverzahnungen ersetzt werden durch Kegelräder und die Kugellager durch andere Wälz- oder Gleitlager. Auch ist die Antriebseinheit des linear wirkenden Aktuators weitestgehend frei wählbar. Lediglich eine Selbsthemmung in axialer Richtung sollte gegeben sein. So können neben einem elektrischen Steller auch pneumatische oder hydraulische Steller verwendet werden. Dies ist insbesondere durch die ortsfeste Position des Aktuatorgehäuses möglich.

Claims (10)

  1. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle mit
    einem Getriebe,
    einem Antriebsrad,
    einem Abtriebsrad, welches zumindest drehfest mit der Abtriebswelle gekoppelt ist und
    zumindest einem Übertragungszahnrad, welches mit einem fest mit dem Antriebsrad gekoppelten Antriebszahnrad und/oder einem fest mit dem Abtriebsrad gekoppelten Abtriebszahnrad in Eingriff steht,
    sowie einem linear wirkenden Aktuator, der mittels eines Zwischengliedes zur Phasenverschiebung eine Bewegung des zumindest einen Übertragungszahnrades bewirkt,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Aktuator (36) mittels des Zwischengliedes (34) das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) relativ zum Antriebsrad (2) und/oder zum Abtriebsrad (15) in Drehung versetzt und der Aktuator (36) rotatorisch vom Zwischenglied (34) entkoppelt ist.
  2. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 1,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    der Aktuator (36) über ein Lager (42), welches in Kraftflussrichtung zwischen Aktuator (36) und Zwischenglied (34) angeordnet ist, rotatorisch vom Zwischenglied (34) entkoppelt ist.
  3. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Drehachse des zumindest einen Übertragungszahnrades (12) senkrecht zu einer Drehachse (10) des Antriebsrades (2) und des Abtriebsrades (15) steht.
  4. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) über linear verschiebliche Zahnstangen (78) in Drehung versetzbar ist.
  5. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 3,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    an dem zumindest einen Übertragungszahnrad (12) ein Hebelzapfen (64) angeordnet ist, der parallel zu der Drehachse des zumindest einen Übertragungszahnrades (12) am zumindest einen Übertragungszahnrad (12) befestigt ist, wobei das Zwischenglied (34) mit dem Hebelzapfen (64) in Eingriff steht.
  6. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Antriebsrad (2) zumindest drehfest mit dem Antriebszahnrad (6) gekoppelt ist,
    das Abtriebsrad (15) zumindest drehfest mit dem Abtriebszahnrad (14) gekoppelt ist und das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) mit dem Antriebszahnrad (6) und dem Abtriebszahnrad (14) in Eingriff steht.
  7. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 6,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) auf einem Bolzen (33) gelagert ist, der auf einem Drehachsenträger (32) befestigt ist.
  8. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Antriebsrad (2) zumindest drehfest mit einem Antriebszahnrad (6) gekoppelt ist und das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) mit dem Antriebszahnrad (6) in Eingriff steht und am Abtriebsrad (15) drehbar gelagert ist.
  9. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 bis 5,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    das Abtriebsrad (15) zumindest drehfest mit einem Abtriebszahnrad (14) gekoppelt ist und das zumindest eine Übertragungszahnrad (12) mit dem Abtriebszahnrad (14) in Eingriff steht und am Antriebsrad (2) drehbar gelagert ist.
  10. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
    dadurch gekennzeichnet, dass
    mehrere Übertragungszahnräder (12) fest zueinander angeordnet sind und mit dem Antriebszahnrad (6) und/oder dem Abtriebszahnrad (14) in Eingriff stehen, wobei die Drehachsen der Übertragungszahnräder senkrecht zur Drehachse (10) der Abtriebswelle (20) verlaufen und die Übertragungszahnräder(12) gemeinsam über den Aktuator (36) verdrehbar sind.
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