DE102013215816B3

DE102013215816B3 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102013215816B3
Application number: DE102013215816.5A
Authority: DE
Inventors: Michael Schober
Original assignee: Magna Powertrain GmbH and Co KG
Current assignee: Hanon Systems EFP Deutschland GmbH
Priority date: 2013-04-22
Filing date: 2013-08-09
Publication date: 2014-10-16
Anticipated expiration: 2033-08-10
Also published as: JP2016528413A; KR20150143825A; CN105143617A; KR101705479B1; US20160123196A1; WO2014173618A1

Abstract

Beschrieben wird ein Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verstellantrieb als ein Dreiwellengetriebe aufgebaut ist, mit einer Getriebeeingangswelle (NAR), einer Verstellwelle (VW), welche einen ein außenverzahntes Getriebeelement (GE), ein Zahnrad tragenden Exzenter (EL, ZEL) treibt und einer Getriebeausgangswelle (GP), welche mit einem Hohlrad (HR) gekoppelt ist, welches mit dem vom Exzenter (EL, ZEL) der Verstellwelle (VW) getriebenen außenverzahnten Getriebeelement (GE), dem Zahnrad zusammenwirkt, mit einer Drehmomentabstützung zwischen Getriebeeingangswelle und dem außenverzahnten Getriebeelement, welche elastische Koppelelemente (FE) aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
Als Dreiwellengetriebe aufgebaute Nockenwellenversteller dienen der Verstellung der Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine. Die halbtourig von der Kurbelwelle angetriebene Nockenwelle kann hinsichtlich der Phasenlage verserstellt werden, der Einsatz der Ein- bzw. Auslassventile kann dem Leistungsbedarf, der Betriebsweise des Motors angepasst werden.
Bekannt sind als Exzentergetriebe aufgebaute Nockenwellenversteller. Die eine Eingangswelle ist über einen Kettentrieb mit der Kurbelwelle gekoppelt, die zweite Eingangswelle, die Verstellwelle mit einem Verstellmotor. Dieser bewirkt die Verstellung der Phasenlage der Ausgangswelle – Nockenwelle – gegenüber der Eingangswelle.
Die EP 1 039 101 A2 beschreibt einen Nockenwellenversteller, der als Harmonic-Drive ausgeführt ist und mit einem Scheibenläufermotor gekoppelt ist.
Ein Exzentergetriebe, welches als Dreiwellengetriebe ausgeführt ist, besteht aus einer Getriebeeingangswelle, einem außenverzahnten Getriebeelement (außenverzahntes Zahnrad), welches drehbar auf einem Exzenterzapfen einer Exzenterwelle, der Verstellwelle gelagert ist, sowie einem Hohlrad, das dem Getriebeausgang entspricht und welches mit der Ausgangswelle, der Nockenwelle gekoppelt ist. Die Zahl der Zähne des Hohlrades und der des außen verzahnten Getriebeelements ist unterschiedlich und bestimmt das Übersetzungsverhältnis.
Das außenverzahnte Getriebeelement der Verstellwelle steht im Eingriff mit dem Hohlrad und läuft exzentrisch. Gegenüber der Exzenterwelle bzw. einem mit der Verstellwelle gekoppelten Exzenter ist dieses Zahnrad drehbar gelagert. Um bei umlaufendem Exzenter eine Verstellung, Verdrehung des Hohlrades, der Ausgangswelle zu bewirken, ist das Zahnrad, das Getriebeelement drehfest abgestützt. Die dies bewirkende Drehmomentabstützung, Lagerung hat die exzentrische Bewegung des Getriebeelementes nicht einzuschränken.
Aus der WO 2005059401 A1 ist ein Exzenterzahnradgetriebe mit einem flexiblen Koppelelement bekannt.
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein Nockenwellenversteller in gegenüber den bekannten Lösungen verbesserter Ausführung vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale von Anspruch 1. Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Erfindungsgemäß ist ein Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine vorgesehen, wobei der Verstellantrieb als ein Dreiwellengetriebe aufgebaut ist, mit einer Getriebeeingangswelle, einer Verstellwelle, welche einen ein außenverzahntes Getriebeelement und ein Zahnrad tragenden Exzenter treibt und einer Getriebeausgangswelle, welche mit einem Hohlrad gekoppelt ist, welches mit dem vom Exzenter der Verstellwelle getriebenen außenverzahnten Getriebeelement, dem Zahnrad zusammenwirkt, mit einem flexiblen Führungselement als Drehmomentabstützung zwischen Getriebeeingangswelle und dem außenverzahnten Getriebeelement, welches elastische Koppelelemente aufweist und

– das flexible Führungselement ein zentrales Mittelteil aufweist, welches zentrisch sitzt und im Wesentlichen tangential verlaufende Arme zwischen dem Mittelteil und der Getriebeeingangswelle bzw. dem Mittelteil und dem außenverzahnten Getriebeelement vorliegen.
– Die Arme im Bereich der Anlenkung am Mittelteil je ein Biegegelenk aufweisen.
– Das zentrale Mittelteil über je ein Paar Arme mit der Getriebeeingangswelle und dem außenverzahnten Getriebeelement verbunden ist.
– Ein Arm zwischen Mittelteil und Getriebeeingangswelle bzw. Mittelteil und außenverzahnten Getriebeelement jeweils aus zwei parallel zueinander verlaufenden Stegen besteht.
– Die Drehmomentabstützung aus einer Platte, vorzugsweise aus Federstahl besteht, welche die zur elastischen Kopplung dienenden Elemente ausgeschnitten aufweist.
– Die Getriebeeingangswelle ein von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine getriebenes Nockenwellenantriebsrad ist, die Verstellwelle von einem vorzugsweise elektrischem Antrieb getrieben wird und das Hohlrad mit der Nockenwelle gekoppelt ist.

Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller besteht somit aus einem Dreiwellengetriebe, mit einer Getriebeeingangswelle, einer Verstellwelle, welche einen ein außenverzahntes Getriebeelement und ein Zahnrad tragenden Exzenter treibt und einer Getriebeausgangswelle, welche mit einem Hohlrad gekoppelt ist, welches mit dem vom Exzenter der Verstellwelle getriebenen außenverzahnten Getriebeelement, dem Zahnrad zusammenwirkt, mit einer Drehmomentabstützung zwischen Getriebeeingangswelle und dem außenverzahnten Getriebeelement, welche in radialer Richtung elastische Koppelelemente aufweist. Die Koppelelemente wirken in Drehrichtung starr, steif, ermöglichen durch die Elastizität in radialer Richtung die freie Bewegung des auf dem Exzenter laufenden Zahnrades und dessen Kopplung mit der Getriebeeingangswelle.
Die Drehmomentübertragung, Drehmomentabstützung zwischen dem außenverzahnten Getriebeelement und dem Nockenwellenantriebsrad wird durch ein spezielles Bauteil (Kupplungselement) realisiert. Das Bauteil besitzt sowohl elastische wie auch sehr starre Bereiche, sodass es zwischen zwei achsversetzten Wellen (außenverzahntes Getriebeelement, exzentrisch laufend und einem zentrisch drehenden Rad – dem Nockenwellenantriebsrad) einerseits Drehmoment (möglichst drehsteif) übertragen kann, jedoch den radialen Achsversatz dieser beiden Teile nicht beeinflusst. Der radiale Offset zwischen diesen Teilen ist durch den Exzentrizitätswert der Exzenterwelle (trägt und treibt das Getriebeelement) vorgegeben.
Das Führungselement besteht gemäß einer bevorzugten Ausführung der Erfindung zumindest aus zwei Typen, Paaren von Armen sowie einem steifen Mittelteil. Die Arme sind idealerweise jeweils parallel zueinander. Die Arme sind ferner zudem idealerweise im rechten Winkel zu den weiteren Armen angeordnet. All diese Arme tragen zur Drehmomentübertragung zwischen dem außenverzahnten Getriebeelement (über dem Exzenter exzentrisch geführt) und dem Nockenwellenantriebsrad bei, indem sie jeweils Zug- und Druckkräfte aufnehmen. Die Arme sind idealerweise auch jeweils maximal voneinander entfernt, damit die zu übertragenden Kräfte bei entsprechender Drehmomentübertragung möglichst gering bleiben. All diese Arme sind an ihren beiden Enden jeweils sehr dünn und damit sehr biegeweich ausgeführt, sodass diese biegeweichen Bereiche als Schwenklager fungieren.
Ein Paar Arme sind mit dem Nockenwellenantriebsrad über Stifte verbunden und lassen über ihre entsprechend elastischen Schwenklager mit sehr wenig Kraftaufwand eine Verschiebung des steifen Mittenteil in senkrechter Richtung zu diesen Armen zu, wobei diese Arme dabei Drehmoment vom Nockenwellenantriebsrad zu dem steifen Mittenteil übertragen können. Ein dabei entsprechendes Drehmoment an diesem Mittenteil wird dann mit den Armen an das außenverzahnte Getriebeelement weitergeleitet.
Die biegeelastischen Schwenklager des einen Paares Arme lassen mit sehr wenig Kraftaufwand eine Verschiebung des außenverzahnten Getriebeelementes in senkrechter Richtung zu dem weiteren Paar Arme gegenüber dem Mittenteil zu. Damit hält dieses flexible Führungselement das außenverzahnten Getriebeelement radial weich bzw. führt dieses radial nicht gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad, überträgt jedoch Drehmoment zwischen diesen beiden Teilen.
Des Weiteren erfolgt die Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an Hand der Zeichnungen.
1 zeigt in perspektivischer Darstellung ein Exzentergetriebe als Verstellgetriebe für einen Nockenwellenversteller. Eine Grundplatte GP ist mit der nicht dargestellten Nockenwelle gekoppelt – direkt mit dieser verbunden. Ein Hohlrad HR mit einer Innenverzahnung ist fest mit der Grundplatte GP verbunden. Dies kann eine einstöckige Formung sein – oder zwei Teile sind verpresst, verschweißt.
Auf einer außen exzentrisch zu ihrer Drehachse geformten Verstellwelle VW, welche mit einem elektrischen Verstellantrieb gekoppelt ist, sitzt über ein Exzenterlager EL mit einem Lagerinnenring LI das eine Außenverzahnung aufweisende Getriebeelement GE. Die O-Ringe OR (oder Federelemente) sind dem Lagerinnenring LI zugeordnet und drücken das Exzenterlager EL in Richtung mehr Exzentrizität (spielfrei).
Mittels Sicherungsring SRORLI ist der Lagerinnenring LI nebst der O-Ringe OR auf der Verstellwelle VW axial fixiert. Die Verstellwelle VW ist über ein zentrales Exzenterlager ZEL auf einem zentrischen Zapfen ZZ der Grundplatte GP gelagert.
Das Nockenwellenantriebsrad NAR ist gegenüber Grundplatte GP bzw. Hohlrad HR konzentrisch aber drehbar gelagert. Wie insbesondere 5 zeigt, sitzt das Nockenwellenantriebsrad auf dem Hohlrad HR, ist gegenüber diesem Drehbar und ist mittels Sicherungsring SNW axial fixiert.
Ein flexibles Führungselement FE dient zur Drehmomentübertragung zwischen außenverzahntem Getriebeelement GE und dem Nockenwellenantriebsrad NAR – bildet somit eine Kopplung zwischen den beiden Elementen, kann somit auch als Koppelelement bezeichnet werden. Radial, also in den Richtungen quer zur Getriebeachse bewirkt dieses Führungselement FE keine Führung des außenverzahnten Getriebeelementes GE – dieses bewegt sich entsprechend dem treibenden Exzenter der Verstellwelle VW.
Das flexible Führungselement FE ist mittels Stiften ST mit den Nockenwellenantriebsrad NAR verbunden, gekoppelt. Die Stifte ST sitzen in entsprechenden Stiftstegen, Aufnahmen AST des Nockenwellenantriebsrades NAR. Das exzentrisch zur Achse des Getriebes gelagerte Getriebeelement GE weist an zwei gegenüberliegenden Stirnseitenbereichen je ein Außenverzahnungssegment ASG auf, in welchem die Außenverzahnung über die Breite – und dem Eingriff in die Innenverzahnung des Hohlrades HR entsprechende Breite – des Getriebeelementes GE vergrößert ist. Diese Außenverzahnungssegmente ASG dienen der Aufnahme, Anlenkung des flexiblen Führungselementes FE.
3 und 4 zeigen nebeneinanderliegend die Ansicht des Verstellgetriebes ähnlich wie in 2 – einmal mit und einmal ohne das flexible Führungselement FE. Die Darstellung in 3 entspricht einer um ca. 10 Grad verdrehten Position von Hohlrad HR gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad NAR gegenüber 2 – die Bezugszeichen sind weggelassen. Die 2 zeigt die Nominalstellung des Verstellgetriebes – die unverdrehte Ausgangslage.
5 zeigt den Schnitt A-A gemäß 3. 6 den Schnitt C-C gemäß der 5.
7 zeigt das flexible Führungselement FE, die Drehmomentabstützung in vergrößerter Darstellung – vgl. hierzu auch die 2 und 3. In 8 ist das flexible Führungselement FE perspektivisch dargestellt. Das flexible Führungselement, die Drehmomentabstützung FE ist aus Federstahl gefertigt und weist vier in tangentialer Richtung verlaufende, biegeelastische Arme A11, A12, A21, A22 auf, welche an den jeweiligen freien Enden die Anbindung für das Nockenwellenantriebsrad NAR sowie das Getriebeelement GE.
Die Arme A11, A12 dienen der Anlenkung des Führungselementes FE an das Getriebeelement GE – dazu weisen die Enden der Arme A11, A12 fensterartige Aufnahmen A-ASG auf, welche die in Achsrichtung vorstehenden Außenverzahnungssegmente ASG des Getriebeelementes GE umfassen und in die Verzahnung der Außenverzahnungssegmente ASG eingreifen.
Die Arme A21, A22 dienen der Anlenkung des Führungselementes FE an das Nockenwellenantriebsrad NAR, dazu weisen die Enden der Arme A21, A22 am freien Ende je eine Stiftplatte STP auf, über die mittels der Stifte ST die Anbindung am Nockenwellenantriebsrad NAR, den zugeordneten Aufnahmen erfolgt.
Die Arme A11, A12, A21, A22 sind jeweils als ein Paar parallel zueinander verlaufender Stege ausgebildet. Die Stege bilden am Übergang zu dem mittleren Teil des Führungselementes FE je ein Biegeelement. Die Orientierung, der Verlauf der Arme A11, A12, A21, A22 ist dergestalt, dass über die Arme A11, A12, A21, A22 auf Grund der Relativbewegung zwischen Getriebeelement GE und Nockenwellenantriebsrad NAR Zug und Druckkräfte übertragen werden können. In der Mitte weist der Tel des Führungselementes FE eine Öffnung auf, durch welche die Verstellwelle greift – vgl. hierzu 5. Die Arme A11, A12, A21, A22 die parallelen Stege der Arme A11, A12, A21, A22 sind an ihren Übergängen zum Mittelteil des Führungselements FE bzw. zu den Anbindungen – Stiftplatte STP, Aufnahme A-ASG – verdünnt ausgeführt, was eine biegeelastische Gelenkigkeit der Arme A11, A12, A21, A22 gegenüber dem mittleren, zentralen Teil des Führungselementes FE ergibt. Entsprechend den exzentrischen Bewegungen des Getriebeelements GE gegenüber dem Nockenwellenantriebsrad NAR führen die Arme A11, A12, A21, A22 gegenüber dem Mittelteil schwingende Bewegungen aus – dabei werden Getriebeelements GE gegenüber Nockenwellenantriebsrad NAR lagefixiert.
Die 9 zeigt eine perspektivische Ansicht des erfindungsgemäßen Verstellgetriebes mit dem flexiblen Führungselement FE und dessen Anlenkung an Nockenwellenantriebsrad NAR sowie Getriebeelement GE.
Bezugszeichenliste

GP

Grundplatte

HR

Hohlrad

VW

Verstellwelle

EL

Exzenterlager

LI

Lagerinnenring

GE

Getriebeelement

OR

O-Ring

SRORLI

Sicherungsring

ZEL

zentrales Exzenterlager

ZZ

Zapfen

NAR

Nockenwellenantriebsrad, Getriebeeingangswelle

SNW

Sicherungsring

FE

flexibles Führungselement, Drehmomentabstützung

ST

Stift

AST

Aufnahme Stift

ASG

Außenverzahnungssegment

A11, A12

Arm

A21, A22

Arm

STP

Stiftplatte

Claims

Nockenwellenversteller einer Verbrennungskraftmaschine, wobei der Verstellantrieb als ein Dreiwellengetriebe aufgebaut ist, mit einer Getriebeeingangswelle (NAR), einer Verstellwelle (VW), welche einen ein außenverzahntes Getriebeelement (GE) und ein Zahnrad tragenden Exzenter (EL, ZEL) treibt und einer Getriebeausgangswelle (GP), welche mit einem Hohlrad (HR) gekoppelt ist, welches mit dem vom Exzenter (EL, ZEL) der Verstellwelle (VW) getriebenen außenverzahnten Getriebeelement (GE), dem Zahnrad zusammenwirkt, mit einer Drehmomentabstützung zwischen Getriebeeingangswelle (NAR) und dem außenverzahnten Getriebeelement (GE), welche flexible Führungselemente (FE) aufweist, dadurch gekenn- zeichnet, dass die flexiblen Führungselemente (FE) ein zentrales Mittelteil aufweisen, welches zentrisch sitzt und im Wesentlichen tangential verlaufende Arme (A11, A12, A21, A22) zwischen dem Mittelteil und der Getriebeeingangswelle (NAR) bzw. dem Mittelteil und dem außenverzahnten Getriebeelement (GE) vorliegen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Arme (A11, A12, A21, A22) im Bereich der Anlenkung am Mittelteil je ein Biegegelenk aufweisen.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zentrale Mittelteil über je ein Paar Arme (A11, A12, A21, A22) mit der Getriebeeingangswelle (NAR) und dem außenverzahnten Getriebeelement (GE) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Arm (A11, A12, A21, A22) zwischen Mittelteil und Getriebeeingangswelle (NAR) bzw. Mittelteil und außenverzahnten Getriebeelement (GE) jeweils aus zwei parallel zueinander verlaufenden Stegen besteht.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die flexiblen Führungselemente (FE) aus einer Platte, vorzugsweise aus Federstahl besteht, welche die zur elastischen Kopplung dienenden Elemente ausgeschnitten aufweist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Getriebeeingangswelle (NAR) ein von der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine getriebenes Nockenwellenantriebsrad ist, die Verstellwelle (VW) von einem vorzugsweise elektrischen Antrieb getrieben wird und das Hohlrad (HR) mit der Nockenwelle gekoppelt ist.