WO2018166554A1

WO2018166554A1 - Verstellvorrichtung für einen verbrennungsmotor

Info

Publication number: WO2018166554A1
Application number: PCT/DE2018/100141
Authority: WO
Inventors: Thomas Nehmeyer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2017-03-17
Filing date: 2018-02-16
Publication date: 2018-09-20
Anticipated expiration: 2019-09-17
Also published as: DE102017105736A1; DE102017105736B4

Abstract

Eine Verstellvorrichtung, insbesondere einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, umfasst einen Elektromotor (2) sowie ein mit diesem über eine Antriebswelle (17) gekoppeltes, als Wellgetriebe ausgebildetes Stellgetriebe (3). Die Antriebswelle (17) ist über ein elastisches Kupplungselement (4) mit dem Wellgetriebe (3) gekoppelt, wobei und eine Bremse (5) zur Beaufschlagung der Antriebswelle (17) mit einem Bremsmoment vorgesehen ist.

Description

Versteilvorrichtung für einen Verbrennungsmotor

Die Erfindung betrifft eine zur Verstellung einer Welle, insbesondere Exzenterwelle, in einem Verbrennungsmotor geeignete Versteilvorrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 .

Eine derartige Versteilvorrichtung ist beispielsweise aus der DE 10 2016 207 046 A1 bekannt. Die bekannte Versteilvorrichtung weist ein elektrisch betätigbares Wellgetriebe auf. Ein Wellgetriebe arbeitet prinzipbedingt mit einem verformbaren Getriebeelement.

Eine weitere, zur Verwendung in einem Kraftfahrzeug vorgesehene Verstellvorrich- tung, welche je nach Ausführungsform mit einem Wellgetriebe oder einem Dreiwellengetriebe anderer Bauart arbeitet, ist in der DE 10 2005 018 956 A1 offenbart. Diese Versteilvorrichtung kann entweder einen Elektromotor oder eine elektrische Bremsvorrichtung als Verstelleinheit umfassen. Weiter umfasst die aus der

DE 10 2005 018 956 A1 bekannte Versteilvorrichtung eine Kupplung, welche als Elastomer- oder als Oldham-Kupplung ausgeführt sein kann.

Die Zwischenschaltung einer entweder als Elastomerkupplung oder als Oldham- Kupplung ausgebildeten Kupplung zwischen einen Elektromotor und ein Stellgetriebe, nämlich Wellgetriebe, ist auch bei einer in der DE 10 2009 037 403 A1 offenbarten elektrischen Versteilvorrichtung vorgesehen. In diesem Fall handelt es sich bei der elektrischen Versteilvorrichtung um einen Nockenwellenversteller.

Die DE 10 2015 220 350 A1 offenbart ein Antriebssystem für eine Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses einer Hubkolbenbrennkraftmaschine. Dieses Antriebssystem umfasst eine reibschlüssig wirkende Überlastkupplung. Eine weitere Versteileinrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses in einem Verbrennungsmotor ist aus der WO 2015/021967 A1 bekannt. Ein Getriebe dieser Versteilvorrichtung weist zwischen Nennlastgrenzen von 0 und 100 % wenigstens zwei unterschiedliche Getriebesteifigkeitsverläufe auf.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelte, insbesondere auf Belastungszustände in einem Verbrennungsmotor abgestimmte Versteilvorrichtung anzugeben, welche ein elektrisch betätigbares, als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Stellgetriebe, nämlich Wellgetriebe, umfasst.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Versteilvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 . Diese Versteilvorrichtung weist in an sich bekannter Grundkonzeption einen Elektromotor und ein Stellgetriebe auf, wobei der Elektromotor über eine Antriebswelle mit dem Stellgetriebe gekoppelt ist und dieses als Wellgetriebe ausgebildet ist. Im einfachsten Fall ist der Elektromotor zur direkten Betätigung des Stellgetriebes vorgesehen. Optional ist zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe ein weiteres Getriebe geschaltet. In jedem Fall ist die Antriebswelle, bei der es sich um die Motorwelle des Elektromotors oder um die Ausgangswelle eines zwi- schengeschalteten Getriebes handeln kann, über ein elastisches Kupplungselement mit dem Wellgetriebe gekoppelt. Weiter ist eine Bremse vorgesehen, welche die Beaufschlagung der Antriebswelle mit einem Bremsmoment ermöglicht.

Im Unterschied zu herkömmlichen Versteilvorrichtungen, welche entweder eine Bremsvorrichtung oder einen Elektromotor zur Verstellung einer Welle verwenden, weist die erfindungsgemäße Versteilvorrichtung somit zusätzlich zu einem Elektromotor eine Bremsvorrichtung auf. Die Bremsvorrichtung befindet sich vorzugsweise auf derjenigen Seite des elastischen Kupplungselementes, welche dem Elektromotor zugewandt ist. Auf der getriebeseitigen Seite, das heißt der dem Stellgetriebe zuge- wandten Seite, des elastischen Kupplungselementes befindet sich dagegen in bevorzugter Ausgestaltung keine Bremsvorrichtung. Die Erfindung geht von der Überlegung aus, dass auf Vorrichtungen zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, welche auf dem Prinzip einer Exzenterwelle basieren, die über ein Nebenpleuel mit weiteren Kurbeltriebskomponenten zusammenwirkt, erhebliche Kräfte in Form von Gaskräften und Massenkräften wirken. Diese Kräfte sind unter anderem in Lagerungen innerhalb derartiger Versteilvorrichtungen aufzunehmen. Um ein Lager, insbesondere Kugellager, beim Betrieb des Verbrennungsmotors nicht über längere Zeit in identischer Weise zu belasten, wäre es prinzipiell möglich, die Einstellung eines Stellgetriebes, über welches das Verdichtungsverhältnis des Verbrennungsmotors geändert werden kann, in geringem Um- fang zu ändern. Handelt es sich hierbei nur um kleine Änderungen der Einstellung des Stellgetriebes, so führt dies nicht zu größeren unbeabsichtigten Veränderungen des Verdichtungsverhältnisses.

Die Erfindung wendet sich von diesem Ansatz ab und sieht stattdessen die Verwen- dung einer Bremse vor, mit welcher der Elektromotor in einer gewählten Einstellung blockiert werden kann. Um dennoch eine länger andauernde Belastung von Lagern innerhalb des Stellgetriebes zu vermeiden, ist als zusätzliche Komponente der Versteilvorrichtung ein elastisches Kupplungselement zwischen das Stellgetriebe einerseits und die Baugruppe aus Elektromotor und Bremse andererseits geschaltet. Mit diesem Aufbau ist eine geringfügige selbsttätige Verstellbarkeit des Stellgetriebes gegeben, welche in gewünschter Weise für laufend wechselnde Belastungszustände innerhalb des Stellgetriebes sorgt. Der Wechsel der Belastungszustände richtet sich hierbei nach den Zuständen des Verbrennungsmotors und kann als quasi stochas- tisch betrachtet werden. Innerhalb des Stellgetriebes auftretende, durch das elasti- sehe Kupplungselement ermöglichte Auslenkungen sind hierbei auf ein Ausmaß beschränkt, welches nicht zu signifikanten Änderungen der Einstellungen des Stellgetriebes führt. Beispielsweise ist in Fällen, in den das Wellgetriebe einen Wellgenerator mit einem als Kugellager ausgebildeten Wälzlager umfasst, das elastische Kupplungselement derart ausgelegt, dass dessen Schwenkbereich mindestens der Kugel- teilung des Kugellagers, vorzugsweise jedoch nicht mehr als dem Doppelten der Kugelteilung, entspricht. Die Bremse der Versteilvorrichtung ermöglicht es gleichzeitig, den Elektromotor außer Betrieb zu nehmen, solange keine veränderte Einstellung der Versteilvorrichtung gewünscht ist, was hinsichtlich des Energiebedarfs der Versteilvorrichtung von Vorteil ist. Bei der Bremse der Versteilvorrichtung handelt es sich vorzugsweise um eine elektromagnetische Bremse. Prinzipiell eignet sich hierfür eine in bestromtem Zustand offene ebenso wie eine in bestromtem Zustand geschlossene Bremse.

In bevorzugter Bauform ist das elastische Kupplungselement als vorgespannte, erst bei Überschreitung einer Drehmomentschwelle auslösende Kupplungseinheit ausgebildet. Das Kupplungselement ist beispielsweise intern federvorgespannt.

Unabhängig von der Bauform des Kupplungselementes ist dessen Steifigkeit in Um- fangsrichtung vorzugsweise geringer als in radialer Richtung. Hierbei wird folgender Vergleich vorgenommen: Bei der Betrachtung der Torsionssteifigkeit des Kupplungselementes, das heißt der Steifigkeit in Umfangsrichtung, wird von einer am Umfang des Kupplungselementes in tangentialer Richtung angreifenden Kraft ausgegangen. Der wirksame Hebelarm entspricht somit der Hälfte des maximalen Durchmessers des Kupplungselementes. Das sich hieraus ergebende Drehmoment führt zu einer Verlagerung des am Umfang angeordneten Punktes in tangentialer Richtung. Die Länge des durch die Verlagerung beschriebenen Bogens wird verglichen mit einer radialen Verlagerung, welche durch eine auf die Kupplungsvorrichtung wirkende Radialkraft erzeugt wird. Die höhere Steifigkeit in radialer Richtung bedeutet, dass die entsprechende Auslenkung in radialer Richtung geringer als die Länge des im Fall der Torsionsbelastung beschriebenen Bogens ist.

Optional ist zwischen den Elektromotor und das Stellgetriebe eine zusätzliche Aus- gleichskupplung geschaltet, welche im Gegensatz zum elastischen Kupplungselement hauptsächlich einen Ausgleich in radialer Richtung herstellt. Eine solche Ausgleichskupplung kann beispielsweise als Oldham-Kupplung ausgeführt sein. Gegebenenfalls befindet sie sich auf derjenigen Seite des elastischen Kupplungselementes, welche dem Wellgetriebe zugewandt ist.

Das elastische Getriebeelement des Wellgetriebes ist vorzugsweise als Verzahnungsbauteil in Topfform ausgebildet. Dieses Verzahnungsbauteil in Form eines Flextopfes ist drehfest mit der zu verstellenden Welle verbunden und weist eine Außenverzahnung auf, welche mit einer Innenverzahnung eines nicht drehbaren Elementes kämmt. Mit dieser Bauform des Stellgetriebes ist die Versteilvorrichtung besonders zur Verwendung in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhält- nisses eines Hubkolbenmotors geeignet.

Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1 eine Versteilvorrichtung in einer Schnittdarstellung,

Fig. 2 in einer schematischen Darstellung ein Kupplungselement der Versteilvorrichtung nach Fig. 1.

Eine insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichnete Versteilvorrichtung ist aus einem Elektromotor 2 und einem Stellgetriebe 3, nämlich Wellgetriebe, aufgebaut. Der Elektromotor 2 ist über ein elastisches Kupplungselement 4 mit dem Stellgetriebe 3 gekoppelt. Eine Bremseinheit 5, deren Lage in Fig. 1 durch eine strichpunktierte Linie kenntlich gemacht ist, ist in das mit 6 bezeichnete Gehäuse des Elektromotors 2 inte- griert. Mit den Bezugszeichen 7 und 8 sind zwei Gehäuseteile des Elektromotors 2 bezeichnet.

Das Stellgetriebe 3 weist einen Wellgenerator 9 auf, der mittels des Elektromotors 2 betätigbar ist. Ein Kugellager 10 des Wellgenerators 9 weist einen elliptischen, nicht kreisrunden Innenring 12 auf, auf welchem Kugeln als Wälzkörper 1 1 abrollen. Die Kugeln 1 1 kontaktieren einen Außenring 13, welcher im Gegensatz zum Innenring 12 nachgiebig ist und sich permanent dessen unrunder Form anpasst. Der Außenring 13 ist unmittelbar umgeben von einem flexiblen Getriebeelement 14, welches eine Topfform aufweist und in nicht dargestellter Weise mit einer zu verstellenden Welle, näm- lieh Exzenterwelle einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors, verbunden ist. Verzahnungen des flexiblen Getriebeelementes 14 sowie eines Getriebegehäuses 15, welches mit einem Motorblock des Verbrennungsmotors verbunden ist, sind in Fig. 1 nicht dargestellt. Durch die elliptische Form des Innenrings 12 wird die Außenverzahnung des flexiblen Getriebeelementes 14 lediglich in zwei einander diametral gegenüberliegenden Bereichen in Eingriff mit der Innenverzahnung des Getriebegehäuses 15 gebracht. Eine sich geringfügig voneinander unterscheidende Zähnezahl der verschiedenen Verzahnungen des Stellgetriebes 3 sorgt dafür, dass sich bei einer vollen Umdrehung des Innenrings 12 das flexible Getriebeelement 14 nur geringfügig gegenüber dem Getriebegehäuse 15 verdreht. Das Stellgetriebe 3 ist damit als hochuntersetztes Stellgetriebe mit einem Überset- zungsverhältnis in der Größenordnung von 100 : 1 ausgelegt.

Die mit 17 bezeichnete Motorwelle des Elektromotors 2, dessen Rotor mit 16 bezeichnet ist, stellt eine Antriebswelle dar, welche über das elastische Kupplungselement 4 den Innenring 12 des Stellgetriebes 3 in Rotation versetzt. Hierbei greift ein mit 29 be- zeichnetes Konturelement, welches getriebeseitig mit dem Kupplungselement 4 verbunden ist, in eine korrespondierende Gegenkontur des Innenrings 12 ein. Bei dem Konturelement 29 handelt es sich im Ausführungsbeispiel um ein zweiflügeliges Element, welches unter Ermöglichung eines Radialversatzes drehfest mit dem Innenring 12 gekoppelt ist. Statt des zweiflügeligen Elementes 29 ist auch eine Einfingerkupp- lung verwendbar. Hinsichtlich des prinzipiellen Aufbaus einer Einfungerkupplung wird beispielhaft auf die DE 10 2004 041 769 A1 verwiesen.

Die Antriebswelle 17, allgemein als Welle bezeichnet, ist mit Hilfe zweier Wälzlager, eines ersten Wälzlagers 18 und eines zweiten Wälzlagers nämlich Kugellager, im Ge- häuse 6 des Elektromotors 2 gelagert. Ferner befindet sich eine Winkelsensorik 20 innerhalb des Gehäuses 6. Der bestrombare Stator des Elektromotors 2 ist mit 21 bezeichnet.

Die in das Gehäuse 6 integrierte Bremseinheit 5, kurz als Bremse bezeichnet, ist als elektromagnetische Bremse ausgebildet und weist eine in Axialrichtung des Elektromotors 2 und damit der gesamten Versteilvorrichtung 1 verschiebbare Bremsscheibe 22 auf. Ein Anschlussstück, welches die verschiebbare, jedoch drehfeste Verbindung zwischen der Bremsscheibe 22 und der Welle 17 herstellt, ist mit 23 bezeichnet.

Ein der Bremseinheit 5 zuzurechnendes Bremselement 24, welches fest in das Ge- häuse 6 eingebaut ist, umfasst einen Elektromagneten 25, welcher dazu ausgebildet ist, elektromagnetische Kräfte zu erzeugen, die die Bremsscheibe 22 gegen eine nicht drehbare Gegendruckplatte 26 zu ziehen. Die Verlagerung der Bremsscheibe 22 ausschließlich in linearer Richtung, bezogen auf die Anordnung, welche die Welle 17 sowie das Anschlussstück 23 umfasst, wird hierbei bewerkstelligt mit Hilfe von Füh- rungsstücken 27, welche fest mit dem Anschlussstück 23 verbunden sind.

Das erste Wälzlager 18 ist im dargestellten Ausführungsbeispiel in das Bremselement 24 eingesetzt. Dem ersten Wälzlager 18 ist eine Dichtung 28, das heißt Wellendichtung, vorgesetzt.

Zur Erläuterung von Merkmalen des elastischen Kupplungselementes 4 wird im Folgendem auf Fig. 2 verwiesen. Eine Hülse 30 des Kupplungselementes 4 ist starr mit dem Konturelement 29 verbunden. Die Hülse 30 ist beschränkt gegenüber der Welle 17 schwenkbar. Zu diesem Zweck ist die Welle 17 mit Armen 31 verbunden, welche durch Federn 33 mit einem Drehmoment beaufschlagbar sind. Jede Feder 33 stützt sich hierbei an einem Anschlagelement 35 ab, welches im Innenraum der Hülse 30 angeordnet und fest mit dieser verbunden ist. Weitere Anschlagelemente 35 sind in gleicher Weise mit der Hülse 30 verbunden oder integrale Bestandteile dieser Hülse 30 und ermöglichen ein Anschlagen der Arme 31 . In nicht dargestellter Weise können Anschlagdämpfer zwischen die Arme 31 und die zugehörigen Anschlagelemente 35 gesetzt sein. Im dargestellten Ausführungsbeispiel beaufschlagen die Federn 33 die Welle 7 mit einem Drehmoment in einheitlicher Richtung. Abweichend hiervon können die Federn 33 auch derart in die Hülse 30 eingesetzt oder durch weitere Federn ergänzt werden, dass eine Anfederung in beiden Drehrichtungen gegeben ist. Bezugszeichenliste

1 Versteilvorrichtung

2 Elektromotor

3 Stellgetriebe, Wellgetriebe

4 Kupplungselement

5 Bremseinheit, Bremse

6 Gehäuse

7 erstes Gehäuseteil

8 zweites Gehäuseteil

9 Wellgenerator

10 Kugellager

1 1 Kugel, Wälzkörper

12 Innenring

13 Außenring

14 Getriebeelement

15 Getriebegehäuse

16 Rotor

17 Welle, Antriebswelle

18 erstes Wälzlager

19 zweites Wälzlager

20 Winkelsensorik

21 Stator

22 Bremsscheibe

23 Drehfeste Verbindung

24 Bremselement

25 Elektromagnet

26 Gegendruckplatte

27 Führungsstück

28 Dichtung

29 Konturelement

30 Hülse

31 Arm (nicht belegt) Feder

(nicht belegt) Anschlagelement

Claims

Patentansprüche

1 . Verstellvomchtung, mit einem Elektromotor (2) sowie einem mit diesem über eine Antriebswelle (17) gekoppelten, als Wellgetriebe ausgebildeten Stellgetriebe (3), dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebswelle (17) über ein elastisches Kupplungselement (4) mit dem Wellgetriebe (3) gekoppelt und eine Bremse (5) zur Beaufschlagung der Antriebswelle (17) mit einem Bremsmoment vorgesehen ist.

2. Versteilvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die

Bremse (5) in ein Gehäuse (6) des Elektromotors (2) integriert ist.

3. Versteilvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bremse (5) als elektromagnetische Bremse ausgebildet ist.

4. Versteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das elastische Kupplungselement (4) als vorgespannte, erst bei Überschreitung einer Drehmomentschwelle auslösende Kupplungseinheit ausgebildet ist.

5. Versteilvorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das

Kupplungselement (4) intern federvorgespannt ist.

6. Versteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steifigkeit des elastischen Kupplungselementes (4) in Umfangs- richtung geringer als in radialer Richtung ist.

7. Versteilvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellgetriebe (3) einen Wellgenerator (9) mit einem Kugellager (10) umfasst.

8. Versteilvorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der

Schwenkbereich des elastischen Kupplungselementes (4) mindestens der Kugelteilung des Kugellagers (10) und höchstens dem Doppelten der Kugelteilung des Kugellagers (10) entspricht.

9. Verwendung einer Versteilvorrichtung nach Anspruch 1 in einer Vorrichtung zur Variation des Verdichtungsverhältnisses eines Hubkolbenmotors.