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Die Erfindung betrifft eine Verstellvorrichtung zur Relativverstellung einer Nockenwelle bezüglich eines die Nockenwelle koaxial antreibenden Antriebsrads, wobei das Antriebsrad und die Nockenwelle bezüglich einer Zentralachse der Verstellvorrichtung koaxial angeordnet sind.
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Bei einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs ist die Kurbelwelle über einen Kettentrieb, einen Zahnriementrieb oder einen Zahntrieb mit einem Antriebsrad gekoppelt, das die Nockenwelle im Wesentlichen synchron zu der Kurbelwelle antreibt. Über die Nockenwelle werden die Ventilöffnungszeiten der Verbrennungskraftmaschine gesteuert. Durch eine Verstellvorrichtung der genannten Art kann die Phasenlage der Nockenwelle relativ zu dem Antriebsrad (und somit relativ zu der Kurbelwelle) gezielt verändert werden, um Einfluss auf die in der Verbrennungskraftmaschine stattfindenden Brennvorgänge zu nehmen. Hierfür kann zwischen dem Antriebsrad und der Nockenwelle ein Stellgetriebe wirksam sein, das mittels eines Elektromotors antreibbar ist, um die Nockenwelle relativ zu dem Antriebsrad zu verstellen. Die Verwendung eines Elektromotors gestattet eine besonders genaue Steuerung.
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Das Stellgetriebe bildet in einer derartigen Anordnung ein Summiergetriebe, bei dem das Antriebsrad einem ersten Eingang zugeordnet ist, ein Ausgangselement des Elektromotors (z. B. ein Motorritzel) einem zweiten Eingang zugeordnet ist und die Nockenwelle oder ein Nockenwellenabschnitt (z. B. ein Nockenwellenflansch) einem Ausgang des Summiergetriebes zugeordnet ist. Hierbei ist es von Vorteil, wenn das Antriebsrad, das Ausgangselement des Elektromotors und die Nockenwelle koaxial zueinander drehbar sind, damit die gesamte Einheit aus Antriebsrad, Elektromotor, Stellgetriebe und Nockenwelle um eine gemeinsame Achse, die so genannte Zentralachse, rotieren kann.
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Um die Nockenwelle relativ zu dem Antriebsrad verstellen zu können, müssen vergleichsweise hohe Drehmomente aufgebracht werden. Damit diese Funktion von einem klein bauenden, schnell laufenden Elektromotor erfüllt werden kann, muss das Stellgetriebe eine hohe Übersetzung der Drehzahl des Elektromotors ins Langsame bewirken (bezogen auf ein festgehaltenes Antriebsrad). Hierfür kann das Stellgetriebe ein innenverzahntes Zahnrad und ein hiermit in Eingriff stehendes außenverzahntes Zahnrad aufweisen, wobei das innenverzahnte Zahnrad um die genannte Zentralachse drehbar ist und das außenverzahnte Zahnrad bezüglich der Zentralachse exzentrisch angeordnet ist und in dieser exzentrischen Anordnung zu einer Kreisbewegung um die Zentralachse antreibbar ist. Der genannten Kreisbewegung ist hierbei – da das außenverzahnte Zahnrad an dem innenverzahnten Zahnrad abwälzt – eine vergleichsweise langsame Rotation des außenverzahnten Zahnrads (relativ zu dem innenverzahnten Zahnrad) überlagert. Falls bei einer derartigen Anordnung das außenverzahnte Zahnrad nur geringfügig weniger Zähne besitzt als das hiermit kämmende innenverzahnte Zahnrad (z. B. Unterschied von 1 bis 5 Zähnen), lassen sich hierdurch vorteilhaft hohe Übersetzungen darstellen (z. B. 60 bis 300).
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Ein Problem bei einem derartigen Stellgetriebe besteht jedoch darin, dass das mit dem innenverzahnten Zahnrad kämmende außenverzahnte Zahnrad bezüglich der Zentralachse der Verstellvorrichtung exzentrisch angeordnet ist. Somit lässt sich die Kreisbewegung des außenverzahnten Zahnrads nicht ohne weiteres auf ein Eingangselement oder Ausgangselement des Stellgetriebes (z. B. auf die Nockenwelle) übertragen, die – wie vorstehend erläutert – allesamt koaxial zu der Zentralachse angeordnet sein sollen.
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Aus der
US20110226202A1 ist eine Verstelleinrichtung zur Relativverstellung einer Nockenwelle bekannt, die zwei Exzenterwellen aufweist, deren Wirkungsgrad aber nicht sehr hoch ist.
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Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Nockenwellen-Verstellvorrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der das Stellgetriebe bei kompaktem Aufbau und hohem Wirkungsgrad eine hohe Übersetzung ins Langsame bewirkt.
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Diese Aufgabe wird durch eine Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst, und insbesondere dadurch, dass das außenverzahnte Zahnrad an wenigstens zwei Exzenterwellen exzentrisch gelagert ist, wobei jede Exzenterwelle zu einer Drehbewegung um eine jeweilige Exzenterachse antreibbar ist, wobei die Exzenterachsen bezüglich der Zentralachse exzentrisch angeordnet und um die Zentralachse drehbar sind.
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Bei der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung sind also wenigstens zwei Exzenterachsen vorgesehen, die bezüglich der genannten Zentralachse der Verstellvorrichtung außermittig angeordnet und insbesondere parallel zueinander angeordnet sind. Die Anordnung der in fester Relativlage zueinander stehenden Exzenterachsen kann um die Zentralachse gedreht werden, d. h. die Anordnung aus wenigstens zwei Exzenterachsen ist koaxial zu dem Antriebsrad, dem Elektromotor und der Nockenwelle drehbar, wobei die jeweilige Lage der Exzenterachsen beispielsweise durch eine gemeinsame Trägereinrichtung definiert ist.
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Jeder Exzenterachse ist eine jeweilige Exzenterwelle zugeordnet. Jede Exzenterwelle umfasst einen Exzenterabschnitt (d. h. einen Nocken) und ist zu einer Drehbewegung um die jeweilige Exzenterachse antreibbar. Das genannte außenverzahnte Zahnrad, welches mit dem genannten innenverzahnten Zahnrad in Eingriff steht, ist an den wenigstens zwei Exzenterwellen gelagert, so dass durch die Drehbewegung der Exzenterwellen um die jeweilige Exzenterachse das außenverzahnte Zahnrad zu der genannten (exzentrischen) Kreisbewegung um die Zentralachse angetrieben werden kann.
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Somit kann die erforderliche Exzentrizität des außenverzahnten Zahnrads durch den jeweiligen Exzenterabschnitt der Exzenterwellen dargestellt werden, wobei die den Exzenterwellen zugeordneten Exzenterachsen gemeinsam eine zu der Zentralachse koaxiale Drehbewegung ausführen können. Die Exzenterwellen, die um die exzentrisch angeordneten Exzenterachsen drehbar sind, ermöglichen also, dass die exzentrische Kreisbewegung (mit überlagerter Rotation) des außenverzahnten Zahnrads auf eine Drehbewegung um die Zentralachse der Verstellvorrichtung zurückgeführt werden kann, nämlich in Form einer Rotation der genannten Exzenterachsen um die Zentralachse. Daher können die beiden Eingänge und der Ausgang des Stellgetriebes allesamt koaxial zu der Zentralachse angeordnet sein.
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Im Ergebnis kann durch die Verwendung eines koaxialen innenverzahnten Zahnrades und eines hiermit kämmenden, exzentrischen außenverzahnten Zahnrades bei geringem Bauraum ein Stellgetriebe mit einer hohen Übersetzung ins Langsame realisiert werden, wobei durch die koaxiale Ausführung der beiden Eingangselemente und des Ausgangselements des Stellgetriebes ein einfacher Aufbau möglich ist und ein hoher Wirkungsgrad erreicht werden kann.
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Vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend erläutert und in den abhängigen Ansprüchen genannt.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist das außenverzahnte Zahnrad mittels eines jeweiligen Wälzlagers an den Exzenterwellen gelagert. Hierdurch können die exzentrische Kreisbewegung des außenverzahnten Zahnrades und die hierdurch bewirkte Drehmomentübertragung mit einem besonders guten Wirkungsgrad dargestellt werden. Nach einer weiteren Ausführungsform kann das außenverzahnte Zahnrad mittels eines jeweiligen Gleitlagers an den Exzenter wellen gelagert werden.
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Ferner ist es bevorzugt, wenn jede Exzenterwelle an einem jeweiligen Lagerzapfen – dem so genannten Exzenterzapfen – drehbar gelagert ist, wobei die Exzenterzapfen die genannten Exzenterachsen definieren und an einer gemeinsamen Trägereinrichtung befestigt sind. Hierdurch ist eine besonders einfache Lagerung der drehbar antreibbaren Exzenterwellen möglich. Bei dieser Ausführungsform sind die Exzenterwellen insbesondere als Hohlwellen ausgeführt, die innenseitig an den Exzenterzapfen gelagert sind. Alternativ können die Exzenterwellen jedoch beispielsweise unmittelbar zapfenartig in eine gemeinsame Trägereinrichtung eingreifen und an diesen außenseitig drehbar gelagert sein.
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Hierbei ist es ferner bevorzugt, wenn die Exzenterwellen wiederum mittels eines jeweiligen weiteren Wälzlagers an den Exzenterzapfen gelagert sind. Hierdurch wird der Wirkungsgrad des Stellgetriebes noch weiter erhöht, da für die Bewegung des außenverzahnten Zahnrades somit durchgehend eine Wälzlagerung vorgesehen sein kann.
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Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform ist das innenverzahnte Zahnrad mit dem Antriebsrad drehfest verbunden und die Anordnung der mehreren Exzenterachsen (insbesondere die Anordnung der mehreren Exzenterzapfen) ist mit der Nockenwelle drehfest verbunden. Mit anderen Worten bildet in diesem Fall das innenverzahnte Zahnrad einen Eingang und die Anordnung der mehreren Exzenterachsen bildet den Ausgang des Stellgetriebes. Hierdurch lässt sich ein besonders kompakter Aufbau des Stellgetriebes realisieren, wobei insbesondere auch eine einteilige Ausbildung des innenverzahnten Zahnrads mit dem Antriebsrad möglich ist. Grundsätzlich ist jedoch auch eine umgekehrte Anordnung möglich.
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Weiterhin ist es bevorzugt, wenn die genannten Exzenterwellen mittels des Elektromotors zu einer Drehbewegung um die jeweilige Exzenterachse antreibbar sind. Mit anderen Worten sind in diesem Fall die das außenverzahnte Zahnrad tragenden Exzenterwellen einem Eingang des Stellgetriebes zugeordnet.
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Vorzugsweise sind die Exzenterwellen zu einer zueinander synchronen Drehbewegung um die jeweilige Exzenterachse antreibbar, um die erwünschte Kreisbewegung des außenverzahnten Zahnrades zu bewirken.
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Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist jede Exzenterwelle mit einem jeweiligen Kopplungszahnrad drehfest verbunden (insbesondere einteilig ausgebildet). In diesem Fall kann der Elektromotor ein Motorritzel antreiben, das koaxial zu der Zentralachse der Verstellvorrichtung angeordnet ist und mit den Kopplungszahnrädern direkt oder über wenigstens ein gemeinsames Zwischenzahnrad kämmt. Hierdurch kann also zusätzlich zu dem Synchronantrieb die exzentrische Lagerung der Exzenterwellen auf einen zu der Zentralachse koaxialen Antrieb zurückgeführt werden.
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Vorzugsweise sind die Kopplungszahnräder und das Zwischenzahnrad (falls vorhanden) in jeder Stellung des Stellgetriebes radial vollständig innerhalb der Verzahnung des außenverzahnten Zahnrads angeordnet.
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Mit anderen Worten sind die Kopplungszahnräder und gegebenenfalls das Zwischenzahnrad vollständig innerhalb eines gedachten zur Zentralachse konzentrischen Zylindermantels angeordnet, wobei sich der Zylindermantel in jeder Getriebestellung vollständig innerhalb der Verzahnung des außenverzahnten Zahnrads befindet, so dass sich die Zahnbreite des außenverzahnten Zahnrads und ebenso die Zahnbreite des innenverzahnten Zahnrades axial über die Kopplungszahnräder bzw. das Zwischenzahnrad fortsetzen kann. Die Kopplungszahnräder bzw. das Zwischenzahnrad können somit axial vollständig oder teilweise innerhalb des außenverzahnten Zahnrads und des innenverzahnten Zahnrades angeordnet sein. Hierdurch verkürzt sich die axiale Baulänge des Stellgetriebes.
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Gemäß einer weiteren Ausführungsform sind zwei, drei oder vier Exzenterwellen vorgesehen, die um eine jeweilige Exzenterachse drehbar antreibbar sind, um das außenverzahnte Zahnrad anzutreiben, wobei die Exzenterachsen vorzugsweise in einer gleichmäßigen Winkelteilung um die Zentralachse verteilt angeordnet sind.
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Die Erfindung wird nachfolgend lediglich beispielhaft unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert.
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1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung.
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2 zeigt einen Querschnitt entlang der Ebene II-II gemäß 1.
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3 zeigt einen Querschnitt entlang der Ebene III-III gemäß 1.
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4 zeigt einen Längsschnitt entlang der Ebene IV-IV gemäß 2.
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5 zeigt einen Längsschnitt entlang der Ebene V-V gemäß
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1, die bezüglich der Schnittebene gemäß 4 um 90° gedreht ist.
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Die in 1 bis 5 gezeigte Verstellvorrichtung dient zur Relativverstellung einer Nockenwelle 11 einer nicht dargestellten Verbrennungskraftmaschine bezüglich eines die Nockenwelle 11 koaxial antreibenden Antriebsrads 13, das beispielsweise über einen nicht dargestellten Kettentrieb mit einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine antriebswirksam gekoppelt ist. Das Antriebsrad 13 und die Nockenwelle 11 sind bezüglich einer Zentralachse A der Verstellvorrichtung koaxial angeordnet. Das Antriebsrad 13 ist mit der Nockenwelle 11 über ein Stellgetriebe 15 gekoppelt, das mittels eines Elektromotors 17 angetrieben werden kann, um die Phasenlage der Nockenwelle 11 relativ zu dem Antriebsrad 13 zu verstellen.
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Wie insbesondere in den 4 und 5 gezeigt ist, umfasst das Stellgetriebe 15 ein innenverzahntes Zahnrad 19, das über ein Wälzlager 21 an einer Trägereinrichtung 23 des Stellgetriebes 15 koaxial zu der Zentralachse A drehbar gelagert ist. Wie aus den 2 und 3 ersichtlich ist, steht das innenverzahnte Zahnrad 19 mit einem außenverzahnten Zahnrad 25 in Eingriff. Das außenverzahnte Zahnrad 25 ist bezüglich der Zentralachse A geringfügig exzentrisch angeordnet, und es ist in dieser leicht exzentrischen Anordnung zu einer Kreisbewegung um die Zentralachse A antreibbar. Die Zähnezahldifferenz zwischen dem innenverzahnten Zahnrad 19 und dem außenverzahnten Zahnrad 25 ist sehr gering. Beispielsweise kann vorgesehen sein, dass das außenverzahnte Zahnrad 25 lediglich einen, zwei, drei, vier oder fünf Zähne weniger besitzt als das innenverzahnte Zahnrad 19. Dementsprechend ist – wie insbesondere aus 3 ersichtlich ist – die Exzentrizität des außenverzahnten Zahnrads 25 bezüglich der Zentralachse A sehr gering. Im oberen Bereich von 3 steht das außenverzahnte Zahnrad 25 in Eingriff mit dem innenverzahnten Zahnrad 19, während im unteren Bereich von 3 das außenverzahnte Zahnrad 25 knapp außer Eingriff mit dem innenverzahnten Zahnrad 19 steht.
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3 zeigt, dass das außenverzahnte Zahnrad 25 über ein jeweiliges Wälzlager 27 an zwei Exzenterwellen 29 gelagert ist. Jede der beiden Exzenterwellen 29 ist wiederum über ein Wälzlager 31 an einem jeweiligen Exzenterzapfen 33 gelagert und um eine jeweilige Exzenterachse B drehbar. Die beiden Exzenterzapfen 33 und somit die beiden Exzenterachsen B sind bezüglich der Zentralachse A exzentrisch angeordnet. Wie in 4 gezeigt ist, erstrecken sich die beiden Exzenterzapfen 33 parallel zueinander, und sie sind an der Trägereinrichtung 23 befestigt, so dass die beiden Exzenterzapfen 33 und somit die beiden Exzenterachsen B in fester Relativlage um die Zentralachse A drehbar sind. Aus 3 ist ersichtlich, dass die Exzentrizität des jeweiligen Außenumfangs der Exzenterwellen 29 bezüglich der jeweiligen Exzenterachse B der Exzentrizität des außenverzahnten Zahnrads 25 bezüglich der Zentralachse A entspricht. Die Exzentrizität der Exzenterachsen B bezüglich der Zentralachse A ist hingegen deutlich größer als die Exzentrizität des außenverzahnten Zahnrads 25 bezüglich der Zentralachse A. Die Zentralachse A und die Exzenterachsen B befinden sich innerhalb des Wälzkreises des außenverzahnten Zahnrads 25.
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Aus 4 ist ersichtlich, dass jede Exzenterwelle 29 mit einem jeweiligen Kopplungszahnrad 34 drehfest verbunden, nämlich einteilig ausgebildet ist. In 2 ist gezeigt, dass die beiden Kopplungszahnräder 34 über ein gemeinsames Zwischenzahnrad 35 mit einem Motorritzel 37 in Eingriff stehen. Das Zwischenzahnrad 35 ist an einem Lagerzapfen 36 drehbar gelagert, der parallel zu den Exzenterzapfen 33 ausgerichtet und ebenfalls an der Trägereinrichtung 23 befestigt ist (5). Weiter sind in 2, 3 und 5 Schrauben 39 gezeigt, durch die das Stellgetriebe 15, mittels der Trägereinrichtung 23, fest mit einem Flansch 24 der Nockenwelle 11 verbunden ist. Eine der Schrauben 39 durchsetzt dabei koaxial den Lagerzapfen 36 und verschraubt diesen Lagerzapfen 36 über die Trägereinrichtung 23 mit dem Nockenwellenflansch 24.
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Das Motorritzel 37 wird von dem Elektromotor 17 über eine Motorwelle 41 angetrieben (4 und 5). Das Zwischenzahnrad 35 ist jedoch nicht zwingend erforderlich; stattdessen kann das Motorritzel 37 die beiden Kopplungszahnräder 34 auch direkt antreiben. In beiden Fällen erfolgt ein synchroner Antrieb der beiden Exzenterwellen 29 durch das Motorritzel 37.
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Das Stellgetriebe 15 bildet ein Summiergetriebe, um mittels des Elektromotors 17 die Phasenlage der Nockenwelle 11 relativ zu dem Antriebsrad 13 variieren zu können. Hierbei bildet das dem Antriebsrad 13 zugeordnete innenverzahnte Zahnrad 19 einen ersten Eingang. Das dem Elektromotor 17 zugeordnete Motorritzel 37 bildet einen zweiten Eingang. Die die Exzenterzapfen 33 tragende und mit dem Nockenwellenflansch 24 fest verbundene Trägereinrichtung 23 bildet einen Ausgang des Stellgetriebes 15.
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Sofern die Drehzahl des Elektromotors 17 und somit des Motorritzels 37 auf die Drehzahl des Antriebsrads 13 eingestellt ist, dreht sich das Stellgetriebe 15 im Block um die Zentralachse A, und die Drehzahl der Nockenwelle 11 entspricht somit jener des Antriebsrads 13. Durch kurzzeitiges Schneller- oder Langsamerlaufen des Elektromotors 17 kann jedoch ein Verstellen der Phasenlage der Nockenwelle 11 bewirkt werden, wobei das von dem Elektromotor 17 aufzubringende Drehmoment gering ist. Bezogen auf ein festgehaltenes Antriebsrad 13 bewirkt eine Drehbewegung des Motorritzels 37 nämlich eine lediglich geringfügige Verdrehung der Nockenwelle 11, d. h. das Stellgetriebe 15 bewirkt eine starke Übersetzung ins Langsame. Dies ist im Wesentlichen darauf zurückzuführen, dass bei einer vollständigen Kreisbewegung des exzentrisch angeordneten außenverzahnten Zahnrads 25 um die Zentralachse A das außenverzahnte Zahnrad 25 an dem innenverzahnten Zahnrad 19 abwälzt. Aufgrund der geringen Zähnezahldifferenz zwischen den beiden Zahnrädern 19, 25 bewirkt eine vollständige Kreisbewegung des außenverzahnten Zahnrades 25 relativ zu dem innenverzahnten Zahnrad 19 nur eine geringe überlagerte Rotation des außenverzahnten Zahnrads 25, nämlich genau entsprechend der geringen Zähnezahldifferenz.
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Um das außenverzahnte Zahnrad 25 trotz seiner exzentrischen Anordnung mittels des zu der Zentralachse A koaxial angeordneten Elektromotors 17 antreiben zu können, treibt das Motorritzel 37 über das Zwischenzahnrad 35 und die Kopplungszahnräder 34 die beiden Exzenterwellen 29 synchron zueinander zu einer jeweiligen Drehbewegung um die Exzenterachsen B an. Anhand von 3 ist erkennbar, dass das außenverzahnte Zahnrad 25 hierdurch zu einer Kreisbewegung relativ zu der Anordnung der Exzenterzapfen 33 angetrieben wird, wobei der Mittelpunkt des außenverzahnten Zahnrads 25 sich auf einer Kreisbahn um die Zentralachse A bewegt.
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Um die hierdurch bewirkte überlagerte Drehbewegung des außenverzahnten Zahnrads 25 relativ zu dem innenverzahnten Zahnrad 19 trotz der exzentrischen Anordnung des außenverzahnten Zahnrads 25 auf die koaxial zu der Zentralachse A angeordnete Nockenwelle 11 übertragen zu können, sitzen die der Drehbewegung des außenverzahnten Zahnrads 25 folgenden Exzenterwellen 29 auf den Exzenterzapfen 33, die über die Trägereinrichtung 23 mittels Schrauben 39 mit dem Nockenwellenflansch 24 und somit mit der Nockenwelle 11 fest verbunden sind.
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Somit ist es im Ergebnis möglich, die beiden Eingänge (Antriebsrad 13 mit innenverzahntem Zahnrad 19 und Motorwelle 41 mit Motorritzel 37) und den Ausgang (Exzenterzapfen 33 mit Nockenwelle 11) des Stellgetriebes 15 koaxial zu der Zentralachse A anzuordnen und gleichwohl für sämtliche drehbeweglichen Elemente des Stellgetriebes 15 eine Wälzlagerung zu ermöglichen. Die gezeigte Verstellvorrichtung zeichnet sich deshalb trotz hoher Untersetzungswirkung des Stellgetriebes 15 bei geringer Baugröße durch einen hohen Wirkungsgrad aus.
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Abweichend von der Darstellung in den 1 bis 5 können die Kopplungszahnräder 34 und das Zwischenzahnrad 35 derart kleiner ausgebildet sein, dass sie radial vollständig innerhalb der Verzahnung des außenverzahnten Zahnrads 25 angeordnet sind. Hierdurch lässt sich eine verkürzte axiale Baulänge des Stellgetriebes 15 erreichen, nämlich wenn das außenverzahnte Zahnrad 25 und dementsprechend das innenverzahnte Zahnrad 19 die Kopplungszahnräder 34 und das Zwischenzahnrad 35 axial teilweise oder vollständig übergreifen.
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Bezugszeichenliste
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- 11
- Nockenwelle
- 13
- Antriebsrad
- 15
- Stellgetriebe
- 17
- Elektromotor
- 19
- innenverzahntes Zahnrad
- 21
- Wälzlager
- 23
- Trägereinrichtung
- 24
- Nockenwellenflansch
- 25
- außenverzahntes Zahnrad
- 27
- Wälzlager
- 29
- Exzenterwelle
- 31
- Wälzlager
- 33
- Exzenterzapfen
- 34
- Kopplungszahnrad
- 35
- Zwischenzahnrad
- 36
- Lagerzapfen
- 37
- Motorritzel
- 39
- Schraube
- 41
- Motorwelle
- A
- Zentralachse
- B
- Exzenterachse
