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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit innerer Verbrennung, mit einem Antriebsrad zum Antrieb der Nockenwelle, das koaxial zur Nockenwelle angeordnet ist, sowie mit einem Elektromotor, der mit der Nockenwelle über ein Harmonic-Drive Getriebe in Verbindung steht, das aus einem Wälzlager mit einem elliptischen Innennng, einem auf diesem Wälzlager angeordneten flexiblen aussenverzahnten Zahnrad und einem starren innenverzahnten Zahnrad, das mit dem aussenverzahnten Zahnrad in Eingriff steht, zusammengesetzt ist.
Um in verschiedenen Bereichen des Motorkennfeldes optimale Verbrauchs- und Abgaswerte zu erzielen, ist es erforderlich, die Ventilsteuerzeiten in Abhängigkeit verschiedener Betriebsparameter zu verändern. Eine solche Veränderung der Steuerzeiten kann in eleganter Weise durch eine Verdrehung der Nockenwelle in Bezug auf das sie antreibende Rad bewirkt werden. Die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine wird üblicherweise durch ein Kettenrad, das mit der Kurbelwelle über eine Antriebskette verbunden ist, oder ein als Riemenscheibe ausgebildetes Antriebsrad, das über einen Zahnriemen mit der Kurbelwelle in Verbindung steht, angetrieben.
Die GB 2 221 513 A zeigt eine Verstellvorrichtung für Nockenwellen, bei der ein Elektromotor eine Gruppe von Hebeln betätigt, die die Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad verdrehen. Zu diesem Zweck wird ein Betätigungselement, an dem die Hebel angelenkt sind, in Axialrichtung verschoben. Eine solche Lösung ist jedoch aufwendig und aufgrund der Vielzahl von Lagern mit einem grossen Spiel behaftet.
Aus der DE 41 10 088 C1 und aus der DE 39 29 619 A1 sind Verstelleinrichtungen bekannt, bei denen zwischen einem mit der Nockenwelle in Verbindung stehenden Bauteil und einem mit dem Antriebsrad in Verbindung stehenden Bauteil ein Verstellelement vorgesehen ist, das zwei Schrägverzahnungen aufweist, die mit entsprechenden Verzahnungen der Nockenwelle bzw. des Antriebsrades in Eingriff stehen. Durch eine Axialverschiebung dieses Verstellelements kann eine Verdrehung der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad bewirkt werden. Eine Möglichkeit der Axialverschiebung des Verstelielements ist dabei die Betätigung durch einen Hydraulikkolben, der in Abhängigkeit von der erforderlichen Verstellung betätigt wird.
Nachteilig bel dieser Lösung ist, dass zur Erzielung der erforderlichen Kräfte ein relativ grosser Hydraulikkolben erforderlich ist, was einen grossen baulichen Aufwand darstellt. Ausserdem ist der Ölverbrauch durch die Betätigung des Kolbens relativ gross, was eine Belastung des Motors durch ein entsprechende Ölpumpe darstellt.
Darüber hinaus kann bei einer solchen bekannten Vorrichtung die Nockenwelle nur zwischen zwei Endstellungen hin- und hergeschaltet werden
Weiters sind aus der DE 41 01 676 A 1 und aus der DE 44 06 983 C elektrische Verstellvornch- tungen bekannt, bei denen jeweils ein Elektromotor vorgesehen ist, der über eine Gewindespindel das Verstellelement verschiebt. Da sich jedoch das Verstellelement im wesentlichen mit Nockenwellendrehzahl dreht, muss zwischen dem Elektromotor und dem Verstellelement ein Axialdrucklager vorgesehen sein, das die Relativbewegung zwischen dem verdrehfesten und dem sich drehenden Bauteil aufnimmt.
Dieses Axialdrucklager ist bei der bekannten Lösung praktisch während des gesamten Motorbetriebs belastet, da durch die zwischen Antriebsrad und Nockenwelle wirkenden Torsionsmomente stets eine in Axialrichtung wirkende Kraft auf das Verstellelement ausgeübt wird Dieses Axialdrucklager ist daher ein kritischer Bauteil, der die Lebensdauer des Motors einschränkt. Eine ähnliche Lösung ist in der DE 33 20 835 A 1 beschrieben, wobei die gleichen Nachteile auftreten.
Die DE 36 07 256 A beschreibt eine Vorrichtung, bei der ein Schrittmotor zur Verstellung der Nockenwelle vorgesehen ist, der einerseits mit der Nockenwelle und andererseits mit dem Antriebsrad verbunden ist. Da dieser Schrittmotor das gesamte Antriebsmoment der Nockenwelle aufnehmen muss, ist eine solche Lösung mit vernünftigem Aufwand nicht realisierbar.
Ferner zeigt die EP 0 596 860 A eine Vorrichtung zur Verstellung der Ventilöffnungszeiten, bei der die Nockenwelle hohl ausgeführt ist, und eine Innenwelle enthält. Die Nocken sind zweiteilig ausgeführt, wobei die einzelnen Nockenabschnitte um einen bestimmten Winkel gegeneinander verdreht werden können. Die Verdrehung der beiden Nockenabschnitte erfolgt durch einen sich mitdrehenden Elektromotor, der über Schleifringe versorgt wird. Eine ähnliche Lösung ist in der US 5, 417, 186 A beschrieben.
Ebenso zeigt ein älterer Vorschlag der Anmelderin, veröffentlicht in der EP-A 0 903 471, eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Planetengetriebe, bei der die Verstellung durch einen
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Elektromotor erfolgt, der über Schleifkontakte mit Strom versorgt wird.
Bei den meisten der oben beschriebenen Lösungen erfolgt die elektromotorische Verstellung über ein Getriebe mit einem grossen Untersetzungsverhältnis, um das am Elektromotor anliegende Drehmoment in einem akzeptablen Bereich zu halten. Die Kraftübertragung über ein axial verschiebliches Element mit schraubenförmigen Verzahnungen besitzt den Vorteil, dass sehr grosse Untersetzungsverhältnisse relativ einfach darstellbar sind. Nachteilig bei diesen Lösungen ist jedoch, dass die Reibung relativ gross ist, und dass entsprechende Kräfte in Axialrichtung auftreten, die durch die Lager aufgenommen werden müssen. Andererseits ist die Kraftübertragung über ein Planetengetriebe relativ aufwendig, und es ist schwierig, grosse Untersetzungsverhältnisse zu erzielen.
Durch die Verwendung eines sogenannten Harmonic-Drive-Getriebes kann in einfacher Weise ein grosses Untersetzungsverhältnis erreicht werden. Wenn beispielsweise die Zähnezahl des aussenverzahnten Zahnrades um zwei geringer ist, als die Zähnezahl des innenverzahnten Zahnrades, die beispielsweise 50 beträgt, so wird ein Übersetzungsverhältnis von etwa 1 : 25 erreicht.
Bei der konkreten Ausführung einer Vorrichtung der oben beschriebenen Art sind jedoch über die bereits beschriebenen Fragen folgende Problemkreis konstruktiv zu bewältigen : Die Lagerung des Elektromotors soll in möglichst einfacher Weise gestaltet werden, so dass auf das HarmonicDrive-Getriebe keine unzulässig grossen Beanspruchungen wirken. Weiters darf die Lagerung des Elektromotors die erforderliche Abdichtung zwischen den ölführenden Abschnitten (Nockenwelle und Getriebe) und den nicht ölführenden Abschnitten nicht behindern. Weiters ist es erforderlich, die Lagerung des Antriebsrades in möglichst einfacher Weise zu realisieren.
Eine weitere konstruktive Vorgabe besteht darin, einen Notlaufbetrieb des Motors bei ausgefallener Verstellvorrichtung zu gewährleisten und generell den Verstellbereich auf zulässige Winkel zu beschränken.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die eingangs beschriebene Vorrichtung in der Art weiterzubilden, dass die obigen Forderungen mit möglichst geringem Aufwand erreicht werden.
Erfindungsgemäss ist vorgesehen, dass der Elektromotor ein Gehäuse aufweist, das über Halteelemente fest mit der Nockenwelle verbunden ist, wobei die Halteelemente durch Ausnehmungen im Antriebsrad geführt sind, so dass die Ausnehmungen den zulässigen Verstellbereich der Nockenwelle begrenzen. Durch die erfindungsgemässe Lösung wird erreicht, dass der Elektromotor selbst keinerlei Lagerung benötigt, da er fliegend auf der Nockenwelle befestigt ist. Auf diese Weise kann eine unzulässige Belastung des Harmonic-Drive-Getriebes sicher verhindert werden, da eine durch Schwingungen od. dgl. hervorgerufene Relativbewegung zwischen den einzelnen Komponenten des Harmonic-Drive-Getriebes praktisch ausgeschlossen ist. Weiters besteht eine einfache Möglichkeit, das Antriebsrad zu lagern.
Durch die Grösse der Ausnehmungen wird automatisch der Verstellbereich der Nockenwelle gegenüber dem Antriebsrad festgelegt. Daher ist es möglich, diesen Verstellbereich auf zulässige Werte zu begrenzen. Weiters wird durch diese Massnahme gewährleistet, dass bei Ausfall der Verstelleinrichtung oder beim Kaltstart eine definierte Stellung der Nockenwelle gewährleistet ist. An sich ist zwar das Harmonic-Drive-Getriebes aufgrund des grossen Untersetzungsverhältnisses selbsthemmend, aber durch die unvermeidlichen Drehschwingungen im System wird bei stromlosem Elektromotor praktisch sofort eine Stellung der Nockenwelle erreicht, die der spätestmöglichen Ventilöffnungszeit entspricht. Es ist daher möglich, die Motorelektronik so abzustimmen, dass unter diesen Voraussetzungen ein akzeptabler Notlaufbetrieb möglich ist.
Besonders bevorzugt ist es, wenn der Elektromotor eine Welle aufweist, die direkt mit dem elliptischen Innenring des Wälzlagers verbunden ist. Dabei ist es günstig, wenn flexible Zahnrad des Harmonic-Drive-Getriebes direkt mit der Nockenwelle verbunden ist. In diesem Fall ist das innenverzahnte Zahnrad des Harmonic-Drive-Getriebes mit dem Antriebsrad verbunden. Auf diese Weise ist ein besonders einfacher Aufbau der erfindungsgemässen Lösung darstellbar.
Eine konstruktiv besonders günstige Lösung wird dadurch erreicht, dass die Halteelemente als Bolzen ausgebildet sind, die durch kreisbogenförmige Langlöcher im Antriebsrad hindurchgeführt sind. Eine besonders günstige seitliche Führung des Antriebsrades wird erreicht, wenn das Antriebsrad an einer Seite an einer Schulter der Nockenwelle anliegt, und an der anderen Seite an Schultern von Hülsen anliegt, die von den Bolzen an die Nockenwelle gepresst werden.
Die Stromzufuhr ist in besonders günstiger Weise dadurch möglich, dass der Elektromotor über
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konzentrisch angeordnete Schleifringe mit Strom versorgt wird
In der Folge wird die vorliegende Erfindung anhand des in den Figuren dargestellten Ausfuhrungsbeispiels näher erläutert.
Fig. 1 zeigt einen Schnitt durch eine erfindungsgemässe Vorrichtung Fig. 2 eine Explosionsdarstellung eines allgemeinen Harmonic-Drive-Getriebes, Fig. 3A, B, C und D Darstellungen zur Erklärung der Wirkungsweise eines Harmonic-Drive-Getriebes.
In der Fig. 1 ist eine Nockenwelle 1 teilweise dargestellt. Ein Antriebsrad 3, das als Kettenrad ausgebildet ist, dient in an sich bekannter Weise zum Antrieb der Nockenwelle 1 über einen nicht dargestellten Kettentrieb, der mit der ebenfalls nicht dargestellten Kurbelwelle der zugehörigen Brennkraftmaschine in Verbindung steht.
Ein Elektromotor 2 mit einem Gehäuse 2a dient zur Verstellung der Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 3, um die Ventilöffnungszeiten der Brennkraftmaschine verändern zu können.
An der Stirnseite der Nockenwelle 1 sind Bolzen 4 in regelmässigen Winkelabständen eingeschraubt. Bei der Verwendung von beispielsweise drei Bolzen 4 betragen die Winkelabstände jeweils 120 . Die Bolzen 4 sind an ihrem Ende mit einem Flansch 5 fest verbunden, der einstückig mit dem Gehäuse 2a des Elektromotors 2 ausgebildet ist. Auf diese Weise wird der Elektromotor 2 ohne zusätzliche Lager direkt von der Nockenwelle 1 getragen. Zwischen der Schulter bzw. der Stirnfläche 1 a der Nockenwelle 1 und einem Bund 4a der Bolzen 4 ist jeweils eine Hülse 6 eingespannt, die durch ein kreisbogenförmiges Langloch 7 im Antriebsrad 3 geführt ist. Auf diese Weise wird das Antriebsrad 3 seitlich mit minimalem Spiel geführt, kann sich jedoch gegenüber der Nockenwelle 1 verdrehen.
Der zulässige Verdrehwinkel liegt im Bereich zwischen etwa 20 und 30 und entspricht dem zulässigen Verstellwinkel der Nockenwelle 1.
Das Gehäuse 2a des Elektromotors 2 ist gegenüber einem feststehenden Gehäuse 8 der Nockenwellenverstelleinrichtung durch eine Dichtung 9 abgedichtet, die beispielsweise als Simmerring ausgeführt ist. Der Elektromotor 2 wird über Schleifringe 10 mit Strom versorgt, die an einer sich mit dem Elektromotor 2 drehenden Scheibe 11 angeordnet sind. Die Stromzufuhr erfolgt über Schleifkontakte 12, von denen aus Gründen der Vereinfachung nur einer dargestellt ist. Die Schleifkontakte 12 sind auf einer feststehenden Halterung 13 angeordnet:
Die Welle 14 des Elektromotors 2 ist über eine Hülse 15 fest mit dem elliptisch ausgebildeten Innenring 16 eines Wälzlagers 17 verbunden. Dieser Teil eines Harmonic-Drive-Getriebes wird in der Literatur zumeist als Wave-Generator bezeichnet.
Der Aussenring 18 des Wälzlagers 17 ist mit einem flexiblen, aussenverzahnten Zahnrad 19 verbunden, das In seiner Gesamtheit topfförmig ausgebildet ist und mit der Nockenwelle 1 in Verbindung steht. Detailliert betrachtet, ist in der Nockenwelle 1 eine Schraube 20 eingeschraubt, und das Zahnrad 19 ist zwischen dem Kopf der Schraube 20 und einer Mutter 21 kraftschlüssig eingeklemmt. Die äussere Verzahnung des Zahnrades 19 steht mit einem starren, innenverzahnten Zahnrad 22 an zwei Stellen in Eingriff, nämlich den Scheitelpunkten der durch den Wave-Generator gebildeten Ellipse. Das aussenverzahnte Zahnrad ist über Schrauben 23 fest mit dem Antriebsrad 3 verbunden.
In der Folge wird der Betrieb der erfindungsgemässen Vorrichtung erklärt. Bei nicht angetriebenem Elektromotor 2 findet keine Verstellung der Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 3 statt.
Wenn jedoch die Welle 14 des Elektromotors 2 um eine Umdrehung gedreht wird, so kommen durch die Drehung des Wave-Generators nacheinander alle Zähne des flexiblen Zahnrades 18 mit dem innenverzahnten Zahnrad 22 in Eingriff. Wenn das aussenverzahnte Zahnrad 18 beispielsweise achtundvierzig Zähne aufweist, während das innenverzahnte Zahnrad 22 fünfzig Zähne aufweist, so findet eine Relativbewegung dieser beiden Zahnräder Im Ausmass von zwei Zähnen, d. h. einer fünfundzwanzigstel Umdrehung statt. Dies entspricht auch dem Verdrehwinkel, um den sich die Nockenwelle 1 gegenüber dem Antriebsrad 3 verdreht. Durch das grosse Untersetzungsverhältnis Ist das Moment, das vom Elektromotor 2 aufzubringen ist, relativ gering.
Die Lagerung des Antriebsrades 3 ist beim erfindungsgemässen Aufbau sehr einfach, und durch die Geometrie der Langlöcher 7 kann der zulässige Verstellwinkel der Nockenwelle 1 sehr leicht begrenzt werden.
In der Fig. 2 ist in einer axonometrischen Explosionsdarstellung das Harmonic-Drive-Getriebe detailliert dargestellt. Der Innenring 11 des Wälzlagers 10 ist elliptisch mit geringfügiger Exzentrizität. Der Aussenring 9 stützt sich direkt an der Innenseite eines flexiblen Zahnrades 6 ab. Dieses Zahnrad 6 steht an zwei gegenüberliegenden Punkten mit einem starren, innenverzahnten Zahnrad 8 in Eingriff, das kreisförmig ausgebildet ist
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In den Fig. 3A, B, C und D ist die Funktionsweise dieses Harmonic-Drive-Getriebes dargestellt.
Der Innenring 11 ist in der Stellung der Fig. 3B gegenüber der Stellung in der Fig. 3A um 900 in Richtung des Uhrzeigersinns verdreht. Die Fig. 3C zeigt eine weitere Drehung um 900 und die Fig. 3D eine Drehung um insgesamt 360 . Zur Erleichterung der Übersicht ist in den Fig. 3A, B, C und D eine pfeilförmige Markierung 11 a angebracht. Die Zähnezahl des flexiblen Zahnrades 6 ist um zwei geringer, als die Zähnezahl des innenverzahnten Zahnrades 8. Daher ergibt sich ein geringfügiger Unterschied der Winkelgeschwindigkeit des Zahnrades 6 gegenüber dem Zahnrad 8.
Aus den Fig. ist ersichtlich, dass sich die Markierung 6a, die gedanklich mit dem Zahnrad 6 verbunden ist, im Zuge der Drehbewegung des Innenrings 11 langsam in Gegenuhrzeigerrichtung bewegt. Insgesamt entspricht der Verdrehwinkel dem Zentriwinkel von zwei Zähnen des Zahnrads 6.
Die erfindungsgemässe Vorrichtung besitzt einen sehr einfachen Aufbau und erfüllt alle Anforderungen, die an eine Verstellvorrichtung für eine Nockenwelle gestellt werden.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Vorrichtung zur Verstellung einer Nockenwelle (1) einer Brennkraftmaschine mit innerer
Verbrennung, mit einem Antriebsrad (3) zum Antrieb der Nockenwelle (1), das koaxial zur
Nockenwelle (1) angeordnet ist, sowie mit einem Elektromotor (2), der mit der Nockenwelle (1) über ein Harmonic-Drive Getriebe in Verbindung steht, das aus einem Wälzlager (17) mit einem elliptischen Innenring (16), einem auf diesem Wälzlager (17) angeordneten fle- xiblen aussenverzahnten Zahnrad (19) und einem starren innenverzahnten Zahnrad (22), das mit dem aussenverzahnten Zahnrad (19) in Eingriff steht, zusammengesetzt ist, da- durch gekennzeichnet, dass der Elektromotor (2) ein Gehäuse (2a) aufweist, das über
Halteelemente fest mit der Nockenwelle (1) verbunden ist, wobei die Halteelemente durch
Ausnehmungen (7) im Antriebsrad (3)
geführt sind, so dass die Ausnehmungen (7) den zu- lässigen Verstellbereich der Nockenwelle (1) begrenzen.