DE102009046857A1

DE102009046857A1 - Stellgetriebe und Verwendung des Stellgetriebes

Info

Publication number: DE102009046857A1
Application number: DE102009046857A
Authority: DE
Inventors: Frank Richter; Ulf Lang
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2009-11-19
Filing date: 2009-11-19
Publication date: 2011-05-26

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Stellgetriebe (1), umfassend einen Stellantrieb (5), mindestens eine Stirnradstufe (2, 3, 4) mit Zahnrädern (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) sowie ein Abtriebsglied (10). Es wird vorgeschlagen, dass die Zahnräder (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) der mindestens einen Stirnradstufe (2, 3, 4) kegelförmig ausgebildet und in axialer Richtung (A1, A2) gegeneinander verschiebbar angeordnet sind. Das Stellgetriebe (1) wird bevorzugt zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine verwendet.

Description

Die Erfindung betrifft ein Stellgetriebe nach der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 102008040459.4 sowie die Verwendung des Stellgetriebes.
In der älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 102008040459.4 ist eine Verstellvorrichtung beschrieben, welche ein Antriebselement, eine Kupplungs- und Bremseinheit, eine Antriebswelle, ein zweistufiges Stirnradgetriebe sowie eine Abtriebswelle, ausgebildet als Verstellwelle, umfasst. Mit dieser Verstellvorrichtung wird das Verdichtungsverhältnis einer Brennkraftmaschine verändert, d. h. entweder in Richtung höhere oder niedrigere Verdichtungsdrücke. Die Zahnräder der Stirnradstufen sind zylindrisch ausgebildet und weisen ein funktionsbedingtes Zahnflankenspiel auf. Nach dem Einstellen des gewählten Verdichtungsdruckes über die abtriebsseitige Verstellwelle muss die eingestellte Position gehalten werden, wozu das Getriebe mittels der Bremseinheit abgebremst wird. Dabei tritt jedoch das oben erwähnte Zahnflankenspiel zwischen den beiden Stirnradstufen auf, da nicht die abtriebsseitige Verstellwelle, sondern die antriebsseitige Ritzelwelle abgebremst ist.
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 180 596 ist es bekannt, die Zahnräder eines Getriebes zum Einstellen des Zahnspiels leicht kegelig auszubilden und axial verschiebbar zueinander anzuordnen. Dabei wird das Einstellen des Zahnspiels in Abhängigkeit von einer bestimmten Betriebsgröße, z. B. der Drehzahl, der Temperatur oder der Belastung des Getriebes eingestellt. Bei dem bekannten Getriebe handelt es sich um ein Leistungsgetriebe, über welches ständig, wenn auch mit unterschiedlichen eingestelltem Zahnspiel Leistung übertragen wird. Es liegt somit kein Stellgetriebe vor.
Es ist Aufgabe der Erfindung, ein Stellgetriebe der eingangs genannten Art dahingehend zu verbessern, dass das Abtriebsglied in seiner Halteposition spielfrei fixiert ist.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 8 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist bei einem Stellgetriebe vorgesehen, dass die Zahnräder mindestens einer Stirnradstufe kegelförmig ausgebildet und axial zueinander verschiebbar angeordnet sind. Damit wird der Vorteil erreicht, dass das Zahnflankenspiel zwischen miteinander kämmenden Zahnrädern veränderbar ist. Damit ist es auch möglich, die Zahnräder axial soweit gegeneinander zu verschieben, dass das Zahnflankenspiel auf Null reduziert und eine Blockade der Drehbewegung erreicht wird.
Nach einer bevorzugten Ausführungsform ist das axial verschiebbare Zahnrad in zwei Positionen verschiebbar, nämlich eine Verstellposition mit einem normalen Zahnspiel und eine Halteposition mit einem minimalen Zahnspiel, d. h. Blockade der Zahnräder. Damit kann das Stellgetriebe in zwei Betriebsarten betrieben werden: Bei normalem Zahnspiel kämmen die Zahnräder miteinander, und das Stellgetriebe kann eine Stellbewegung ausführen. Bei minimalem Zahnspiel klemmen die Zahnräder und blockieren sich gegenseitig. In dieser Position kann die durch das Stellgetriebe angefahrene Position des Abtriebsgliedes spielfrei gehalten werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform wird das verschiebbare Zahnrad zum Erreichen der Verstellposition gegen einen axialen Anschlag verschoben. Damit ist die Position für ein normales Zahnspiel und die Durchführung einer Stellbewegung auf einfache Weise erreicht.
Bevorzugt kann das Zahnrad in axialer Richtung mittels eines Elektromagneten gegen den axialen Anschlag in die Verstellposition verschoben werden.
Nach einer weiteren bevorzugten Ausführungsform kann das verschiebbare Zahnrad zum Erreichen der Halteposition mittels einer Feder verschoben werden. Die Feder kann beispielsweise als Druckfeder oder als Zugfeder ausgebildet sein. Damit wird erreicht, dass beide kegelförmig ausgebildeten Zahnräder bis zum gegenseitigen Anschlag gegeneinander verschoben werden, sodass eine Klemmung und Blockade der Drehbewegung eintritt. Das Zahnspiel ist damit gleich Null, und die eingestellte Halteposition kann spielfrei gehalten werden. Die Federkraft der Feder ist vorzugsweise so groß, dass die während des Haltens auftretenden Kräfte in den Verzahnungen nicht ausreichen, um die Federkraft zu überwinden, sodass die Halteposition sicher beibehalten wird.
Bei Deaktivierung des oben genannten Elektromagneten wird das verschiebbare Zahnrad also von der Feder in die Haltestellung gegen das mit dem verschiebbaren Zahnrad kämmende Zahnrad gezogen.
Die beschriebene Anordnung von Elektromagnet und Feder kann auch vertauscht werden, sodass die Feder die verschiebbaren Zahnräder in die Verstellposition und der Elektromagnet in die Halteposition verschiebt. Vorteilhaft wird die Anordnung von Feder und Elektromagnet so gewählt, dass der Elektromagnet möglichst kurzzeitig aktiviert wird, wodurch die für den Betrieb des Elektromagneten notwendige elektrische Energie minimiert wird. Wenn also beispielsweise im Betrieb nur kurzzeitige Verstellungen durch den Stellantrieb vorgesehen sind, die sich mit länger anhaltenden Haltebetriebsphasen abwechseln, dann ist die erstgenannte Anordnung vorteilhaft.
Nach einer besonders bevorzugten Ausführungsform sind drei Stirnradstufen mit kegelförmig ausgebildeten Zahnrädern vorgesehen, wobei Zahnräder der zweiten und dritten Stufe auf einer axial verschiebbaren Welle angeordnet und mit der Welle in die Verstellposition oder die Halteposition verschiebbar sind. Mit dieser Ausführung wird einerseits eine höhere Untersetzung erreicht, und andererseits ergibt sich eine zweifache Blockade von zwei Stirnradstufen. Dadurch wird die Haltekraft vergrößert.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung kann das Stellgetriebe vorteilhaft als Verstelleinrichtung einer Brennkraftmaschine zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses verwendet werden. Hierbei kann einerseits eine exakte Stellbewegung durchgeführt und andererseits ein spielfreies Halten des eingestellten Verdichtungsverhältnisses erreicht werden. Die Kinematik zur Einstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine ist aus dem eingangs genannten Stand der Technik bekannt.
Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben, wobei sich aus der Beschreibung und/oder der Zeichnung weitere Merkmale und/oder Vorteile ergeben können. Es zeigen
1 ein erfindungsgemäßes Stellgetriebe in der Betriebsart „Stellen” und
2 das Stellgetriebe gemäß 1 in der Betriebsart „Halten”.
1 zeigt ein Stellgetriebe 1, welches drei Stirnradstufen 2, 3, 4 mit einem antriebsseitigen Zahnrad 2a sowie einem abtriebsseitigen Zahnrad 4b umfasst. Das Zahnrad 2a wird von einem Stellantrieb 5, z. B. einem Elektromotor angetrieben und treibt über das Zahnrad 2b das Zahnrad 3a der zweiten Stirnradstufe 3 an. Die Zahnräder 3b und 4a der zweiten und dritten Stirnradstufe 3, 4 sind auf einer axial verschiebbaren Welle 6 fest angeordnet. Sämtliche Zahnräder 2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b, insbesondere jedoch die Zahnräder 3a, 3b, 4a, 4b der zweiten und dritten Stirnradstufe sind – wie aus der Zeichnung ersichtlich – kegelförmig ausgebildet, wobei der Kegelwinkel bevorzugt maximal 2 bis 3 Grad beträgt. Die Welle 6, auf welcher die beiden Zahnräder 3b, 4a in tangentialer und axialer Richtung fixiert sind, ist axial beweglich in einem nicht dargestellten Gehäuse abgestützt. Die Welle 6 kann durch einen Elektromagneten 8 in axialer Richtung, dargestellt durch einen Pfeil A1, oder durch eine Zugfeder 7 in entgegen gesetzter axialer Richtung, dargestellt durch einen Pfeil A2, verstellt werden. Ein Wellenende 6a ist dabei als Anker einer Spule des koaxial angeordneten Elektromagneten 8 ausgebildet. Bei der Verstellung in Richtung A1 durch den Elektromagneten 8 wird die Verschiebung durch einen axialen Anschlag 9 begrenzt. Das abtriebsseitige Zahnrad 4b ist mit einem schematisch dargestellten Abtriebsglied 10 verbunden, welches beispielsweise eine Verstelleinrichtung mit einer Verstellwelle und einem Exzenter zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses einer Brennkraftmaschine sein kann.
Das Stellgetriebe 1 mit Stellantrieb 5 arbeitet in zwei Betriebsarten, nämlich in einer ersten Betriebsart „Stellen” oder in einer zweiten Betriebsart „Halten”. Die Darstellung in 1 zeigt das Stellgetriebe 1 in der Betriebsart „Stellen”, d. h. über den Stellantrieb 5 und die Stirnradstufen 2, 3, 4 wird eine Stellbewegung auf das Abtriebsglied 10 eingeleitet. Dabei befinden sich die kegelförmig ausgebildeten Zahnräder 2a bis 4b in einem korrekten oder normalen Zahneingriff. Hierbei tritt funktionsbedingt ein gewisses Zahnspiel auf. Für die Betriebsart Stellen” wird die Welle 6 über den Elektromagneten 8 in eine erste axiale Position, die durch den Anschlag 9 fixiert ist, gezogen. In dieser Verstellposition befinden sich die auf der verschiebbaren Welle 6 angeordneten Stirnräder 4a, 3b in korrektem Zahneingriff mit den axial nicht verschiebbaren Zahnrädern 4b, 3a. Durch Aktivierung des Elektromagneten 8 wird also das Wellenende 6a in den Elektromagneten 8 hineingezogen und die Welle 6 mit den Stirnrädern 4a und 3b gegen die Kraft der Zugfeder 7 in Richtung A1 (in der Zeichnung nach rechts) in die Verstellposition verschoben.
2 zeigt das Stellgetriebe 1 in der zweiten Betriebsart „Halten”, wobei für gleiche Teile gleiche Bezugszahlen verwendet werden. Durch die Kraft der Feder 7 wird die Welle 6 mit den verschiebbaren Zahnrädern 4a und in Richtung A2 (in der Zeichnung nach links) verschoben, wodurch sich die Zahnräder 4a, 3b gegenüber den in axialer Richtung fixierten Zahnrädern 3a, 4b verschieben, sodass sich die Zahnräder 3a, 3b, 4a, 4b gegenseitig verkeilen. Das Zahnspiel wird dadurch auf Null reduziert, und eine Drehbewegung wird blockiert, d. h. das Abtriebglied 10 kann in seiner eingestellten Position, der Halteposition, spielfrei gehalten werden. In der Betriebsart „Halten”, d. h. in der Halteposition ist der Elektromagnet 8 stromlos bzw. deaktiviert.
Soll eine neue Position angefahren, d. h. in die Betriebsart „Stellen” gewechselt werden, wird der Elektromagnet 8 aktiviert und die Welle 6 wird von dem Elektromagneten 8 gegen die Kraft der Feder 7 in Richtung A1 gegen den Anschlag 9 gezogen, sodass die Verstellposition wiederhergestellt ist. Der axiale Anschlag 9 kann auch im Drehzentrum des Zahnrades 3b angeordnet und um eine gemeinsame Achse drehbar gelagert sein, sodass die Reibung zwischen dem Zahnrad 3b und dem Anschlag 9 beim Verstellen in der Verstellposition minimiert ist.
Der Stellantrieb 5 kann nach einer bevorzugten Ausführungsform analog zu dem Antrieb mit Kupplungs- und Bremseinheit gemäß der eingangs genannten älteren Anmeldung der Anmelderin mit dem Aktenzeichen 10 2008 040 459.4 ausgebildet sein – die ältere Anmeldung wird daher voll umfänglich in den Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung einbezogen.
Bezugszeichenliste

1: Stellgetriebe
2: erste Stirnradstufe
2a: Zahnrad
2b: Zahnrad
3: zweite Stirnradstufe
3a: Zahnrad
3b: Zahnrad
4: dritte Zahnradstufe
4a: Zahnrad
4b: Zahnrad
5: Stellantrieb
6: verschiebbare Welle
6a: Wellenende
7: Zugfeder
8: Elektromagnet
9: axialer Anschlag
10: Abtriebsglied
A1: Verschieberichtung
A2: Verschieberichtung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

DE 1180596 [0003]

Claims

Stellgetriebe (1), umfassend einen Stellantrieb (5), mindestens eine Stirnradstufe (2, 3, 4) mit Zahnrädern (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) sowie ein Abtriebsglied (10), wobei die Zahnräder (2a, 2b, 3a, 3b, 4a, 4b) der mindestens einen Stirnradstufe (2, 3, 4) kegelförmig ausgebildet und in axialer Richtung (A1, A2) gegeneinander verschiebbar angeordnet sind.
Stellgetriebe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein Zahnrad (3b, 4a) in zwei Positionen verschiebbar ist, wobei in einer Verstellposition ein normales Zahnspiel zwischen den miteinander kämmenden Zahnrädern (3a, 3b, 4a, 4b) und in einer Halteposition ein minimales Zahnspiel einstellbar ist.
Stellgetriebe nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verstellposition durch einen axialen Anschlag (9) fixiert ist.
Stellgetriebe nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine verschiebbare Zahnrad (3b, 4a) mittels einer Feder (7) in die Halteposition verschiebbar ist.
Stellgetriebe nach Anspruch 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das mindestens eine verschiebbare Zahnrad (3b, 4a) mittels eines Elektromagneten (8) gegen den axialen Anschlag (9) in die Verstellposition verschiebbar ist.
Stellgetriebe nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch drei Stirnradstufen (2, 3, 4), wobei Zahnräder (3a, 3b, 4a, 4b) der zweiten und dritten Stirnradstufe (3, 4) auf einer axial verschiebbaren Welle (6) angeordnet und mit der Welle (6) in die Verstellposition und die Halteposition verschiebbar sind.
Stellgetriebe nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die axial verschiebbare Welle (6) ein als Anker ausgebildetes Wellenende (6a) aufweist und über den koaxial zum Wellenende (6a) angeordneten Elektromagneten (8) verschiebbar ist.
Verwendung des Stellgetriebes nach einem der Ansprüche 1 bis 7 als Verstellvorrichtung einer Brennkraftmaschine zur Verstellung des Verdichtungsverhältnisses.