EP2859197A1 - Vorrichtung zur phasenverschiebung des drehwinkels eines antriebsrades zu einer abtriebswelle - Google Patents

Vorrichtung zur phasenverschiebung des drehwinkels eines antriebsrades zu einer abtriebswelle

Info

Publication number
EP2859197A1
EP2859197A1 EP13720953.2A EP13720953A EP2859197A1 EP 2859197 A1 EP2859197 A1 EP 2859197A1 EP 13720953 A EP13720953 A EP 13720953A EP 2859197 A1 EP2859197 A1 EP 2859197A1
Authority
EP
European Patent Office
Prior art keywords
rotation
output shaft
drive wheel
phase shifting
angle
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Withdrawn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
EP13720953.2A
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Michael Breuer
Costantino Brunetti
Andres Tönnesmann
Andreas Köster
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.)
Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Original Assignee
Kolbenschmidt Pierburg Innovations 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 Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH filed Critical Kolbenschmidt Pierburg Innovations GmbH
Publication of EP2859197A1 publication Critical patent/EP2859197A1/de
Withdrawn legal-status Critical Current

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Classifications

    • 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 the rotational angle of a drive wheel to an output shaft with a drive gear connected to the drive gear and at least one double gear whose first gear meshes with the drive gear and the second gear engages in a rack and which is rotatably mounted on a rotary axis carrier, whose axes of rotation extend radially and which is connected to the output shaft and an actuator, via which the rack is axially displaceable.
  • 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.
  • electrical phase adjusters has been found, which have a transmission which is similar in construction to a planetary gear or a differential gear. These offer the possibility of a stepless adjustment, so that a high variability is achieved.
  • a phase plate in which a planetary gear designed as a crown gear drive gear and also designed as a crown gear output gear, which is connected to the camshaft, and has three designed as a double gear planet gears, via which the movement of the drive gear is transmitted to the output gear.
  • the second gears of the double gears are coupled to racks, which are arranged on a rack carrier which is axially displaceable for rotation of the planetary gears, whereby the relative rotation of the drive gear to the driven gear.
  • the actuator is rotationally decoupled from the gearbox via a ball bearing.
  • a phaser known, in which a drive shaft is fixedly coupled to a drive gear, which meshes with Planetenrädem, which are rotatably mounted on a planet carrier, which in turn is fixedly connected to an output shaft.
  • a rack carrier rotates with the rotary axis carrier and is axially displaceable to the axis of rotation of the axis, whereby a rotation of the planet gears takes place, causing a phase shift.
  • an actuator of the phaser is to be arranged, on the one hand to ensure an axial force transmission and on the other hand to decouple the actuator rotationally from the transmission.
  • a disadvantage of the known embodiments is that no permanent and quiet operation can be ensured. Furthermore, there is the problem that the axial actuating forces must be absorbed on components of the cylinder head, which has considerable requirements for the storage of the camshaft result.
  • This object is achieved by a device for phase shifting the angle of rotation between a drive wheel and an output shaft having the features of the main claim.
  • the rack is formed on a rack carrier, which is mounted on a radially displaceable actuating body via a radial bearing and at least one axial bearing, the axial actuating forces are absorbed by the thrust bearing, so that no wear by a rotational relative movement of the actuating body to the rack carrier or the axis of rotation support arises and created by axial load of bearings that are not suitable to absorb axial holding and adjusting forces. This ensures a long service life with low wear.
  • the rack carrier is mounted on two thrust bearings, which are arranged on two opposite sides of an annular radial extension of the actuating body. Accordingly, the holding and actuating forces are transmitted in both adjustment directions on the extension to a corresponding forces receiving thrust bearing.
  • the actuating body is a spindle with internal toothing, which corresponds to an outer toothing of a radially inner spindle, which projects beyond the actuating body at an axial end opposite to the actuator and at this axial end has an annular radial extension against its axial contact surfaces in each case abuts a thrust bearing.
  • Axial forces acting on the outer spindle are absorbed by the inner spindle, which is supported on the axis of rotation carrier via the second pair of thrust bearings. Both axial forces introduced via the actuator and axial forces introduced by the alternating torques of the camshaft are thus supported within the transmission.
  • the rotary axis carrier is biased by a spring element in the direction of the drive gear.
  • the spring element is designed as a corrugated spring, which loads a crown gear, which carries the drive gear, against a support plate which is fixedly connected to the rotary axis support.
  • the spring element is guided in a support ring which is fixed to the crown wheel.
  • the position of the wave spring is determined in a simple manner, whereby the assembly of the spring is facilitated.
  • the at least one second toothed wheel of the at least one double toothed wheel and the corresponding toothed rack preferably have sliding profile displacements, whereby an optimized engagement of the teeth with one another is ensured.
  • the at least one double gear is biased radially outwards via a spring element, wherein the profile displacement of the second gear decreases radially outward continuously and the profile displacement of the corresponding rack increases radially outward appropriately.
  • a linear sensor is arranged in a housing of the actuator, which corresponds to a magnet which on Actuator is arranged.
  • the actuator has a 5 Axial stepmotor.
  • the actuating body is rotationally decoupled from the axis of rotation of the rack and the rack carrier.
  • the actuator of the actuator can stand still outside the operating times and is not loaded rotationally, o This increases its life.
  • the radial bearing is axially and radially against a support ring which is connected to the rack carrier and is axially displaceable relative to the axis of rotation of the support. Accordingly, there is a sliding movement between the support ring and the rotary axis support only when the servo motor.
  • the support ring ensures even loading of the radial bearing.
  • a thrust washer is biased by a spring element between the rotary axis support and the thrust washer in the direction of extension of the inner spindle and adjacent to the extension thrust bearing.
  • a thrust washer is biased by a spring element between the rack carrier and the thrust washer in the direction of extension of the actuator and adjacent to the extension thrust bearing, which again a concern of the bearing on the extension and the thrust washer is ensured in stock.
  • Figure 1 shows a side view of a device according to the invention for the phase shift of the rotational angle of a drive wheel to an output shaft in a sectional view.
  • FIG. 2 shows a sectional view along the line A - A of the device according to the invention for phase shifting the angle of rotation of a drive wheel to an output shaft according to FIG. 1.
  • the inventive device for phase shifting consists of a drive wheel 10, which has an outer toothing 12, in which engages a toothed belt or a chain, via or over the Drive wheel 10 is connected to a crankshaft for transmitting motion.
  • the drive wheel 10 is rotatably connected via a crown gear carrier 14 with a crown gear formed as a drive gear 16, the teeth 18 extends correspondingly axially.
  • the drive wheel 10 and the drive gear 16 are arranged rotatably about a common axis of rotation 20.
  • the crown gear carrier 14 and the drive gear 16 are rotatably mounted on a rotary axis carrier 22, from which three axes of rotation 24 extend radially outward.
  • a double gear 26 is rotatably disposed, the radially inner first gear 28 meshes with the drive gear 16 and the radially outer second gear 30 engages in each case a rack 32 which extends axially from a rack carrier 34.
  • the respective axis of rotation 24 surrounding a spring element 27 is arranged, via which the double gear 26 is pressed radially outward.
  • the respective second gear 30 of the double gears 26 has a radially outwardly continuously decreasing profile displacement, while the racks 32 have a radially outwardly increasing corresponding profile displacement. Accordingly, the teeth of the second gear 30 are pressed into the corresponding toothings of the racks, whereby a backlash is reliably avoided.
  • the Drehachsenarme 22 is rotatably secured via a secured against rotation screw 36 to an output shaft, not shown, whose internal thread engages in the external thread 38 of the screw 36.
  • the rotary axis carrier 22 is aligned via a centering pin 39 to the output shaft.
  • a substantially radially extending support disk 40 is secured to the output shaft side against which a spring element 42 designed as a wave spring presses, which is arranged in a support ring 44 which is fixedly secured to a rear side of the crown wheel carrier 14 i. Accordingly, the rotary axis carrier 22 and thus the double gears 26 is axially biased toward the crown gear 14 and thus to the drive gear 16, which causes the teeth are pressed into each other, so that a game between the teeth is avoided.
  • the rotary axle carrier 22 slides on a radially inner support ring 46, which has a rectangular cross-section and rests axially and radially inwardly against a designed as a ball bearing radial bearing 48.
  • a disc 50 On the axially opposite side of the radial bearing 48 is a disc 50 which is welded to the rotary axis carrier 22.
  • the inner ring of the radial bearing 48 is arranged on a control body 52, which is axially displaceable.
  • the actuator 52 is as a locker! formed with internal thread and is secured against rotation on an inner spindle 54 arranged with a cross into the internal thread external thread, which is rotatable via an actuator 56.
  • the actuator 56 has an axial flux motor 58, whose output shaft 60 is rotatably coupled to the spindle 54 rotatably.
  • a circuit board 64 with a linear sensor 66 is arranged, which corresponds to a magnet 68 which is arranged on a support member 70 fixed to the adjusting body 52 opposite to the sensor 66.
  • the adjusting body 52 has a radially extending annular extension 72, abut against the axially on both sides as a needle bearing designed thrust bearing 74, 76.
  • the first of the two thrust bearings 74 lies with its axially opposite side against the radially extending part of the support ring 46, while the second thrust bearing 76 abuts against a thrust washer 78, which is arranged via a spring element 80 which is arranged in a ut 81 of the rack carrier 34, in the direction of the thrust bearing 76 and thus is charged to the extension 72.
  • annular radially extending extension 72 is formed at a projecting beyond the adjusting body 52 in the direction of the camshaft end against the axially on both sides in each case a thrust bearing 84, 86 in the form of needle bearings.
  • thrust bearings 84, 86 At the respective opposite axial sides of the thrust bearings 84, 86, these abut against thrust washers 88, 90, of which the first thrust washer 88 abuts with its first axial bearing 84 opposite side against the fixed to the axis of rotation support 22 disc 50 and the second thrust washer 90 via a is arranged in a groove 92 of the rotary axis carrier 22 arranged spring element 94 in the direction of the thrust bearing 86 is biased.
  • the thrust bearing 84, 86 is clamped against the disc 50 and thus secured in position.
  • the movement of the drive wheel 10 via the drive gear 16 and the drive gear 16 due to the engagement of the racks 32 stationary double gears 26 is transmitted to the rotary axis carrier 22 and thus to the output shaft.
  • the rack carrier 34 which is fixedly connected to the support ring 46, rotated.
  • the rotational axis support 22 is also radially by the radial bearing 48 and axially by the thrust bearing 84, 86 stored.
  • the inner spindle 54 and the actuator 52 do not move.
  • the inner spindle 54 is rotated via the Axialmannmotor 58.
  • the actuator body is the entire unit consisting of radial bearings 48 support ring 46, thrust bearing 74, 76 and rack carrier 34 moves axially.
  • This movement initially has an axial movement of the racks 32 and consequently a rotational movement of the double gears 26 result, which roll on the drive gear 16, whereby a relative movement between the drive gear 16 and axis of rotation support 22, and thus between the drive wheel 10 and output shaft.
  • a phase adjustment is performed.
  • the size of this phase adjustment can be detected via the signal of the sensor 66, since the axial movement of the actuator 52 is followed by an axial movement of the magnet 68, which causes a signal change on the sensor 66, which is proportional to the displacement.
  • the rotational movement also causes centrifugal forces on the double gears 26, which are thus pressed radially outward, thereby additionally the teeth of the double gears 26 are pressed into the corresponding profile-shifted teeth of the racks 32 to prevent play in the engagement area.
  • the described device for phase adjustment has a long service life, since the mechanical load of the actuator is minimized because it is rotationally decoupled.
  • the life increases by reducing the wear, since the two thrust bearing 74, 76, 84, 86, the introduced by the camshaft alternating moments, which are converted via the double gears 26 in axial alternating forces between the axis of rotation support 22 and the rack carrier 34 record.
  • the thrust bearing pair 74, 76 the forces of the rack carrier 34 are transmitted to the actuator body 52.
  • These forces are absorbed by the inner spindle 54, which is supported via the thrust bearing pair 84, 86 on the rotary axis carrier 22. Accordingly, no axial forces must be absorbed outside of the transmission.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
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Abstract

Es sind verschiedene Vorrichtungen zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades (10) zu einer Abtriebswelle mit einem mit dem Antriebsrad (10) verbundenen Antriebszahnrad (16) sowie zumindest einem Doppelzahnrad (26), dessen erstes Zahnrad (28) mit dem Antriebszahnrad (16) kämmt und dessen zweites Zahnrad (30) in eine Zahnstange (32) greift und welches auf einem Drehachsenträger (22) drehbar befestigt ist, dessen Drehachsen (24) sich radial erstrecken und der mit der Abtriebswelle verbunden ist und einem Aktor (56), über den die Zahnstange (32) axial verschiebbar ist, bekannt. Um eine optimierte verschleißreduzierende Lagerung zu erhalten, wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, dass die Zahnstange (32) an einem Zahnstangenträger (34) ausgebildet ist, der über ein Radiallager (48) und zumindest ein Axiallager (74; 76) auf einem axial verschiebbaren Stellkörper (52) gelagert ist.

Description

B E S C H R E I B U N G
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle mit einem mit dem Antriebsrad verbundenen Antriebszahnrad sowie zumindest einem Doppelzahnrad, dessen erstes Zahnrad mit dem Antriebszahnrad kämmt und dessen zweites Zahnrad in eine Zahnstange greift und welches auf einem Drehachsenträger drehbar befestigt ist, dessen Drehachsen sich radial erstrecken und der mit der Abtriebswelle verbunden ist und einem Aktor, über den die Zahnstange axial verschiebbar ist.
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 ein Getriebe aufweisen, welches ähnlich aufgebaut ist wie ein Planetengetriebe oder ein Differentialgetriebe. Diese bieten die Möglichkeit einer stufenlosen Verstellung, so dass eine hohe Variabilität erreicht wird.
So wird in der DE 10 2008 060 219 B4 ein Phasensteller offenbart, bei dem ein Planetengetriebe ein als Kronenrad ausgeführtes Antriebszahnrad und ein ebenfalls als Kronenrad ausgeführtes Abtriebszahnrad, welches mit der Nockenwelle verbunden ist, sowie drei als Doppelzahnräder ausgeführte Planetenzahnräder aufweist, über die die Bewegung des Antriebszahnrades auf das Abtriebszahnrad übertragen wird. Die zweiten Zahnräder der Doppelzahnräder sind mit Zahnstangen gekoppelt, die auf einem Zahnstangenträger angeordnet sind, der zur Drehung der Planetenräder axial verschiebbar ist, wodurch die relative Verdrehung des Antriebszahnrades zum Abtriebszahnrad erfolgt. Der Aktor ist über ein Kugellager rotatorisch vom Getriebe entkoppelt.
Des Weiteren ist aus der WO 88/07125 AI ein Phasensteller bekannt, bei dem eine Antriebswelle fest mit einem Antriebszahnrad gekoppelt ist, welches mit Planetenrädem kämmt, die drehbar auf einem Planetenträger angeordnet sind, der wiederum fest mit einer Abtriebswelle verbunden ist. Ein Zahnstangenträger rotiert mit dem Drehachsenträger und ist axial zum Drehachsenträger verschiebbar, wodurch eine Drehung der Planetenräder erfolgt, was eine Phasenverschiebung bewirkt. Es wird jedoch nicht offenbart, wie ein Aktor des Phasenstellers anzuordnen ist, um einerseits eine axiale Kraftübertragung sicherzustellen und andererseits den Aktor rotatorisch vom Getriebe zu entkoppeln.
Nachteilig an den bekannten Ausführungen ist, dass kein dauerfester und geräuscharmer Betrieb sichergestellt werden kann. Des Weiteren besteht das Problem, dass die axialen Stellkräfte an Bauteilen des Zylinderkopfes aufgenommen werden müssen, was erhebliche Anforderungen an die Lagerung der Nockenwelle zur Folge hat.
Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle zu schaffen, die eine hohe Lebensdauer aufweist, einen geräuscharmen Betrieb sicherstellt und gleichzeitig eine interne Kraftabstützung der axialen Stellkräfte aufweist. Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst. Dadurch, dass die Zahnstange an einem Zahnstangenträger ausgebildet ist, der über ein Radiallager und zumindest ein Axiallager auf einem axial verschiebbaren Stellkörper gelagert ist, werden die axialen Betätigungskräfte vom Axiallager aufgenommen, so dass kein Verschleiß durch eine rotatorische Relativbewegung des Stellkörpers zum Zahnstangenträger oder zum Drehachsenträger entsteht und durch axiale Belastung von Lagern entsteht, die nicht geeignet sind, axiale Halte- und Verstell kräfte aufzunehmen. So wird eine fange Lebensdauer bei geringem Verschleiß sichergestellt.
Vorzugsweise ist der Zahnstangenträger über zwei Axiallager gelagert, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten einer ringförmigen radialen Erweiterung des Stellkörpers angeordnet sind. Entsprechend werden die Halte- und Stellkräfte in beiden Verstellrichtungen über die Erweiterung auf ein die entsprechenden Kräfte aufnehmendes Axiallager übertragen.
In einer bevorzugten Ausführung ist der Stellkörper eine Spindel mit Innenverzahnung, die mit einer Außenverzahnung einer radial innen liegenden Spindel korrespondiert, welche an einem zum Aktor entgegengesetzten axialen Ende über den Stellkörper hinausragt und an diesem axialen Ende eine ringförmige radiale Erweiterung aufweist, gegen deren axiale Anlageflächen jeweils ein Axiallager anliegt. Auf die äußere Spindel wirkende Axialkräfte werden von der inneren Spindel aufgenommen, welche sich über das zweite Axiallagerpaar am Drehachsenträger abstützt. Sowohl über den Aktor eingeleitete Axialkräfte als auch durch die Wechselmomente der Nockenwelle eingeleitete Axialkräfte werden so innerhalb des Getriebes abgestützt. Vorteilhafterweise ist der Drehachsenträger über ein Federelement in Richtung des Antriebszahnrades vorgespannt. So wird eine Spielfreiheit zwischen dem Antriebszahnrad und dem Doppefzahnrad sichergestellt, was zu einer deutlichen Verringerung der Geräuschemissionen führt.
In einer hierzu weiterführenden Ausführungsform ist das Federelement als Wellfeder ausgebildet, die einen Kronenradträger, der das Antriebszahnrad trägt, gegen eine Stützscheibe belastet, die fest mit dem Drehachsenträger verbunden ist. So entsteht eine konstruktiv besonders einfache Ausbildung zur Erzeugung der Spielfreiheit, die zusätzlich über den Umfang eine gleichmäßige Belastung aufweist.
In einer hierzu wiederum weiterführenden Ausbildung der Erfindung ist das Federelement in einem Stützring geführt, der am Kronenradträger befestigt ist. So wird auf einfache Weise die Lage der Wellfeder festgelegt, wobei die Montage der Feder erleichtert wird.
Vorzugsweise weisen das zumindest eine zweite Zahnrad des zumindest einen Doppelzahnrades sowie die korrespondierende Zahnstange gleitende Profilverschiebungen auf, wodurch ein optimiertes Eingreifen der Zähne ineinander sichergestellt wird.
In einer besonders bevorzugten Ausführung ist das zumindest eine Doppelzahnrad über ein Federelement nach radial außen vorgespannt, wobei die Profilverschiebung des zweiten Zahnrades nach radial außen kontinuierlich abnimmt und die Profilverschiebung der korrespondierenden Zahnstange passend nach radial außen zunimmt. So wird ein Zahnspiel zwischen den beiden Verzahnungen eliminiert, was erneut zu einer Verbesserung der akustischen Eigenschaften des Phasensteliers führt.
In einer weiteren Ausführung ist in einem Gehäuse des Aktors ein Linearsensor angeordnet, der mit einem Magneten korrespondiert, der am Stellkörper angeordnet ist. Hierdurch wird eine Lagerückmeldung bezüglich des Verstellwinkels der Abtriebswelle erreicht.
Zur Verringerung des benötigten axialen Bauraums weist der Aktor einen 5 Axialflussmotor auf.
Vorzugsweise ist der Stellkörper rotatorisch vom Drehachsenträger und vom Zahnstangenträger entkoppelt. So kann der Stellmotor des Aktors außerhalb der Stellzeiten stillstehen und wird nicht rotatorisch belastet, o Dies erhöht dessen Lebensdauer.
Besonders vorteilhaft ist es, den Stellkörper über das Radiallager, welches in Kraftflussrichtung zwischen Stellkörper und dem Drehachsenträger und dem Zahnstangenträger angeordnet ist, rotatorisch vom Drehachsenträger und vom Zahnstangenträger zu entkoppeln, da auf diese Weise eine reibungsfreie Entkopplung entsteht.
In einer weiteren bevorzugten Ausführung der Erfindung liegt das Radiallager axial und radial gegen einen Tragring an, der mit dem Zahnstangenträger verbunden ist und relativ zum Drehachsenträger axial verschiebbar ist. Entsprechend besteht eine gleitende Bewegung zwischen Tragring und Drehachsenträger nur bei Betätigung des Stellmotors. Der Tragring sorgt für eine gleichmäßige Belastung des Radiallagers.
Vorzugsweise ist eine Anlaufscheibe über ein Federelement zwischen Drehachsenträger und der Anlaufscheibe in Richtung zur Erweiterung der innen liegenden Spindel und dem an die Erweiterung angrenzenden Axiallager vorgespannt. Dies erzeugt einerseits eine feste Anlage der Anlaufscheibe am Lager und des Lagers an der Erweiterung und erwirkt andererseits eine Vorspannung des Drehachsenträgers und somit des Doppelzahnrades in Richtung des Antriebszahnrades zur Erzeugung einer Spielfreiheit. Auch ist es vorteilhaft, wenn eine Anlaufscheibe über ein Federelement zwischen Zahnstangenträger und der Anlaufscheibe in Richtung zur Erweiterung des Stellkörpers und dem an die Erweiterung angrenzenden Axiallager vorgespannt ist, wodurch erneut ein Anliegen des Lagers an der Erweiterung und der Anlaufscheibe am Lager sichergestellt wird.
Es wird somit eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle geschaffen, die aufgrund minimierten Verschleißes und der internen Aufnahme von vorhandenen Axial kräften eine hohe Lebensdauer aufweist. Außerhalb der Verstellzeiten besteht kein Energiebedarf, da durch die Entkopplung von der Drehbewegung der Antriebswelle bei Selbsthemmung keine Drehmomente vom Aktor aufgenommen werden müssen. Die akustischen Eigenschaften sind im Vergleich zu bekannten Ausführungen durch die Spielfreiheit der Zahnverbindungen sehr gut.
Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird nachfolgend anhand einer Anwendung als Phasensteller zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle beschrieben.
Figur 1 zeigt eine Seitenansicht eines einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle in geschnittener Darstellung.
Figur 2 zeigt eine Schnittansicht entlang der Linie A-A der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle gemäß Figur 1.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung zur Phasenverschiebung besteht aus einem Antriebsrad 10, welches eine Außenverzahnung 12 aufweist, in die ein Zahnriemen oder eine Kette eingreift, über den oder über die das Antriebsrad 10 mit einer Kurbelwelle zur Bewegungsübertragung verbunden ist.
Das Antriebsrad 10 ist drehfest über einen Kronenradträger 14 mit einem als Kronenrad ausgebildeten Antriebszahnrad 16 verbunden, dessen Verzahnung 18 sich entsprechend axial erstreckt. Das Antriebsrad 10 sowie das Antriebszahnrad 16 sind um eine gemeinsame Drehachse 20 drehbar angeordnet.
Der Kronenradträger 14 und das Antriebszahnrad 16 sind drehbar auf einem Drehachsenträger 22 gelagert, von dem aus sich drei Drehachsen 24 nach radial außen erstrecken. Auf jeder der Drehachsen 24 ist ein Doppelzahnrad 26 drehbar angeordnet, dessen radial innen liegendes erstes Zahnrad 28 mit dem Antriebszahnrad 16 kämmt und dessen radial außen liegendes zweites Zahnrad 30 in jeweils eine Zahnstange 32 greift, die sich axial von einem Zahnstangenträger 34 aus erstreckt.
Zwischen dem Drehachsenträger 22 und dem Doppelzahnrad 26 ist die jeweilige Drehachse 24 umgebend ein Federelement 27 angeordnet, über welches das Doppelzahnrad 26 radial nach außen gedrückt wird. Das jeweils zweite Zahnrad 30 der Doppelzahnräder 26 weist eine nach radial außen kontinuierlich abnehmende Profilverschiebung auf, während die Zahnstangen 32 eine nach radial außen zunehmende korrespondierende Profilverschiebung aufweisen. Entsprechend werden die Zähne des zweiten Zahnrades 30 in die entsprechenden Verzahnungen der Zahnstangen gedrückt, wodurch ein Zahnspiel zuverlässig vermieden wird.
Der Drehachsenträger 22 ist drehfest über eine gegen Verdrehen gesicherte Schraube 36 an einer nicht dargestellten Abtriebswelle befestigt, deren Innengewinde in das Außengewinde 38 der Schraube 36 greift. Zusätzlich wird der Drehachsenträger 22 über einen Zentrierstift 39 zur Abtriebswelle ausgerichtet. Am Drehachsenträger 22 ist abtriebswellenseitig eine sich im Wesentlichen radial erstreckende Stützscheibe 40 befestigt, gegen die ein als Wellfeder ausgebildetes Federelement 42 drückt, das in einem Stützring 44 angeordnet ist, der fest an einer Rückseite des Kronenradträgers 14 i befestigt ist. Entsprechend wird der Drehachsenträger 22 und damit die Doppelzahnräder 26 axial in Richtung zum Kronenradträger 14 und damit zum Antriebszahnrad 16 vorgespannt, was dazu führt, dass die Verzahnungen ineinander gedrückt werden, so dass ein Spiel zwischen den Verzahnungen vermieden wird.
Neben der Befestigung des Drehachsenträgers 22 an der Schraube 36 gleitet der Drehachsenträger 22 auf einem radial innen liegenden Tragring 46, der einen rechtwinkelförmigen Querschnitt aufweist und axial und radial nach innen gegen ein als Kugellager ausgebildetes Radiallager 48 anliegt. An der axial gegenüberliegenden Seite des Radiallagers 48 ist eine Scheibe 50, die am Drehachsenträger 22 verschweißt ist. Der innere Ring des Radiallagers 48 ist auf einem Stellkörper 52 angeordnet, welcher axial verschiebbar ist.
Der Stellkörper 52 ist als Spinde! mit Innengewinde ausgebildet und ist gegen Verdrehen gesichert auf einer innen liegenden Spindel 54 mit einem in das Innengewinde greifenden Außengewinde angeordnet, die über einen Aktor 56 drehbar ist. Der Aktor 56 weist einen Axialflussmotor 58 auf, dessen Ausgangswelle 60 mit der Spindel 54 dreh fest gekoppelt ist.
In einem Gehäuse 62 des Aktors 56 ist eine Platine 64 mit einem Linearsensor 66 angeordnet, der mit einem Magneten 68 korrespondiert, der auf einem am Stellkörper 52 befestigten Tragelement 70 gegenüberliegend zum Sensor 66 angeordnet ist.
Der Stellkörper 52 weist eine sich radial erstreckende ringförmige Erweiterung 72 auf, gegen die axial beidseitig als Nadellager ausgeführte Axiallager 74, 76 anliegen. Das erste der beiden Axiallager 74 liegt mit seiner axial gegenüberliegenden Seite gegen den sich radial erstreckenden Teil des Tragrings 46 an, während das zweite Axiallager 76 gegen eine Anlaufscheibe 78 anliegt, die über ein Federelement 80, welches in einer ut 81 des Zahnstangenträgers 34 angeordnet ist, in Richtung des Axiallagers 76 und somit zur Erweiterung 72 belastet ist.
Auch an der radial innen liegenden Spindel 54 ist an einem über den Stellkörper 52 in Richtung zur Nockenwelle hinausragenden Ende eine ringförmige sich radial erstreckende Erweiterung 72 ausgebildet, gegen die axial beidseitig jeweils ein Axiallager 84, 86 in Form von Nadellagern anliegt. An den jeweils gegenüberliegenden axialen Seiten der Axiallager 84, 86 liegen diese gegen Anlaufscheiben 88, 90 an, von denen die erste Anlaufscheibe 88 mit ihrer zum ersten Axiallager 84 entgegengesetzten Seite gegen die zum Drehachsenträger 22 feststehende Scheibe 50 anliegt und die zweite Anlaufscheibe 90 über ein in einer Nut 92 des Drehachsenträgers 22 angeordnetes Federelement 94 in Richtung zum Axiallager 86 vorgespannt wird. Entsprechend wird der Axiallagersatz 84, 86 gegen die Scheibe 50 gespannt und somit in seiner Position gesichert. Im Normalbetrieb wird die Bewegung des Antriebsrades 10 über das Antriebszahnrad 16 und die zum Antriebszahnrad 16 aufgrund des Eingriffs der Zahnstangen 32 stillstehenden Doppelzahnräder 26 auf den Drehachsenträger 22 und somit auf die Abtriebswelle übertragen. Dabei wird der Zahnstangenträger 34, der fest mit dem Tragring 46 verbunden ist, mitgedreht. Dabei erfolgt die axiale Lagerung des Zahnstangenträgers auf dem Axiallagersatz 74, 76, die radiale Lagerung auf dem Radiallager 48. Der Drehachsenträger 22 wird radial ebenfalls durch das Radiallager 48 und axial durch den Axiallagersatz 84, 86 gelagert. Die innere Spindel 54 und der Stellkörper 52 bewegen sich nicht.
Soll nun eine Phasenverstellung erfolgen, wird die innere Spindel 54 über den Axialflussmotor 58 gedreht. Dies hat eine axiale Bewegung des Stellkörpers 52 zur Folge. Mit dem Stellkörper wird die gesamte Einheit bestehend aus Radiallager 48 Tragring 46, Axiallager 74, 76 und Zahnstangenträger 34 axial bewegt. Diese Bewegung hat zunächst eine axiale Bewegung der Zahnstangen 32 und daraus folgend eine rotatorische Bewegung der Doppelzahnräder 26 zur Folge, die auf dem Antriebszahnrad 16 abrollen, wodurch eine Relativbewegung zwischen Antriebszahnrad 16 und Drehachsenträger 22, und somit zwischen Antriebsrad 10 und Abtriebswelle entsteht. Entsprechend wird eine Phasenverstellung durchgeführt. Die Größe dieser Phasenverstellung kann über das Signal des Sensors 66 detektiert werden, da durch die axiale Bewegung des Stellkörpers 52 eine axiale Bewegung des Magneten 68 folgt, die eine Signaländerung am Sensor 66 bewirkt, die proportional zum Verstellwinkel ist.
Durch die rotatorische Bewegung entstehen auch Fliehkräfte an den Doppelzahnrädern 26, die somit nach radial außen gedrückt werden, wodurch zusätzlich die Zähne der Doppelzahnräder 26 in die entsprechend profilverschobenen Zähne der Zahnstangen 32 zur Vermeidung von Spiel im Eingriffsbereich gedrückt werden.
Die beschriebene Vorrichtung zur Phasenverstellung weist eine hohe Lebensdauer auf, da die mechanische Belastung des Aktors minimiert wird, da dieser rotatorisch entkoppelt ist. Auch steigt die Lebensdauer durch Verringerung des Verschleißes, da die beiden Axiallagerpaare 74, 76, 84, 86 die durch die Nockenwelle eingebrachten Wechselmomente, die über die Doppelzahnräder 26 in axiale Wechselkräfte zwischen dem Drehachsenträger 22 und dem Zahnstangenträger 34 umgewandelt werden, aufnehmen. Über das Axiallagerpaar 74, 76 werden die Kräfte des Zahnstangenträgers 34 auf den Stellkörper 52 übertragen. Diese Kräfte werden von der inneren Spindel 54 aufgenommen, die sich über das Axiallagerpaar 84, 86 am Drehachsenträger 22 abstützt. Entsprechend müssen keine Axialkräfte außerhalb des Getriebes aufgenommen werden. Bei Betätigung werden ebenfalls die Stellkräfte über die Axiallager aufgenommen. Im Vergleich zu anderen bekannten Vorrichtungen zur Phasenverstellung wird der Energiebedarf entsprechend gesenkt, da ein Drehmoment nur während der Verstell Zeiten aufgebracht werden muss. Geräuschemissionen werden minimiert, da Zahnspiele vermieden werden. Es sollte deutlich sein, dass verschiedene konstruktive Modifikationen im Vergleich zur beschriebenen Ausführungsform 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 und Nadellager durch andere Axial- oder Radialkräfte aufnehmende Wälz- oder Gleitlager. Auch ist die Antriebseinheit des linear wirkenden Aktors weitestgehend frei wählbar.

Claims

P A T E N T A N S P R Ü C H E
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades (10) zu einer Abtriebswelle mit
einem mit dem Antriebsrad (10) verbundenen Antriebszahnrad (16) sowie zumindest einem Doppelzahnrad (26), dessen erstes Zahnrad (28) mit dem Antriebszahnrad (16) kämmt und dessen zweites Zahnrad (30) in eine Zahnstange (32) greift und welches auf einem Drehachsenträger (22) drehbar befestigt ist, dessen Drehachsen (24) sich radial erstrecken und der mit der Abtriebswelle verbunden ist, und einem Aktor (56), über den die Zahnstange (32) axial verschiebbar ist,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Zahnstange (32) an einem Zahnstangenträger (34) ausgebildet ist, der über ein Radiallager (48) und zumindest ein Axiallager (74; 76) auf einem axial verschiebbaren Stellkörper (52) gelagert ist.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Zahnstangenträger (34) über zwei Axiallager (74, 76) gelagert ist, welche an zwei gegenüberliegenden Seiten einer ringförmigen radialen Erweiterung (72) des Stellkörpers (52) angeordnet sind.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 1 oder 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stellkörper (52) eine Spindel mit Innenverzahnung ist, die mit einer Außenverzahnung einer radial innen liegenden Spindel (54) korrespondiert, welche an einem zum Aktor (56) entgegengesetzten axialen Ende über den Stellkörper (52) hinausragt und an diesem axialen Ende eine ringförmige radiale Erweiterung (82) aufweist, gegen deren axiale Anlageflächen jeweils ein Axiallager (84, 86) anliegt.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Drehachsenträger (22) über ein Federelement (42) in Richtung des Antriebszahnrades (16) vorgespannt ist.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (42) als Wellfeder ausgebildet ist, die einen Kronenradträger (14), der das Antriebszahnrad (16) trägt, gegen eine Stützscheibe (40) belastet, die fest mit dem Drehachsenträger (22) verbunden ist.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Federelement (42) in einem Stützring (44) geführt ist, der am Kronenradträger (14) befestigt ist.
Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine zweite Zahnrad (30) des zumindest einen Doppelzahnrades (26) sowie die korrespondierende Zahnstange (32) gleitende Profilverschiebungen aufweisen.
8. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach Anspruch 7,
dadurch gekennzeichnet, dass
das zumindest eine Doppelzahnrad (26) über ein Federelement (27) nach radial außen vorgespannt ist, wobei die Profilverschiebung des zweiten Zahnrades (30) nach radial außen kontinuierlich abnimmt und die Profilverschiebung der korrespondierenden Zahnstange (32) passend nach radial außen zunimmt.
9. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebsweife nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
in einem Gehäuse (62) des Aktors (56) ein Linearsensor (66) angeordnet ist, der mit einem Magneten (68) korrespondiert, der am Stellkörper (52) angeordnet ist.
10. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Aktor (56) einen Axialflussmotor (58) aufweist.
11. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Stellkörper (52) rotatorisch vom Drehachsenträger (22) und vom Zahnstangenträger (34) entkoppelt ist.
12. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebsweüe nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass
der Stellkörper (52) über das Radiallager (48), welches in Kraftflussrichtung zwischen Stellkörper (52) und dem Drehachsenträger (22) und dem Zahnstangenträger (34) angeordnet ist, rotatorisch vom Drehachsenträger (22) und vom Zahnstangenträger (34) entkoppelt ist.
13. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Radiallager (48) axial und radial gegen einen Tragring (46) anliegt, der mit dem Zahnstangenträger (34) verbunden ist und relativ zum Drehachsenträger (22) axial verschiebbar ist.
14. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 3 bis
13,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anlaufscheibe (90) über ein Federelement (94) zwischen Drehachsenträger (22) und der Anlaufscheibe (90) in Richtung zur Erweiterung (82) der innen liegenden Spindel (54) und dem an die Erweiterung (82) angrenzenden Axiallager (86) vorgespannt ist.
15. Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle nach einem der Ansprüche 2 bis
14,
dadurch gekennzeichnet, dass
eine Anlaufscheibe (78) über ein Federelement (80) zwischen Zahnstangenträger (34) und der Anlaufscheibe (78) in Richtung zur Erweiterung (72) des Stellkörpers (52) und dem an die Erweiterung (72) angrenzenden Axiallager (76) vorgespannt ist.
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