-
Die Erfindung betrifft ein Wellgetriebe nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Weiter betrifft die Erfindung ein Verfahren zur Montage eines Nockenwellenverstellers, welcher mit einem derartigen Wellgetriebe als Stellgetriebe arbeitet.
-
Ein gattungsgemäßes Wellgetriebe ist beispielsweise aus der
DE 10 2015 210 707 B3 bekannt. Dieses Wellgetriebe weist einen Flexring als nachgiebiges Getriebeelement auf. Das Wellgetriebe ist zur Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller vorgesehen.
-
Bei Wellgetrieben handelt es sich um Dreiwellengetriebe, welche grundsätzlich entweder als Plusgetriebe oder als Minusgetriebe ausgelegt sein können. Auf mögliche unterschiedliche Auslegungen von Wellgetrieben wird beispielsweise in den Dokumenten
EP 1 718 846 B1 und
DE 103 52 361 A1 eingegangen.
-
Wellgetriebe sind, wie beispielsweise auch Planetengetriebe und Taumelscheibengetriebe, als Dreiwellengetriebe betreibbar. Die drei Wellen eines Wellgetriebes liegen im Fall der Verwendung innerhalb eines Nockenwellenverstellers typischerweise in Form einer mechanisch angetriebenen Eingangswelle, einer Ausgangswelle, welche mit der zu verstellenden Welle, das heißt Nockenwelle, zu verbinden ist, sowie einer in der Regel elektrisch angetriebenen Welle, mit welcher die gewünschte Verstellfunktion verwirklicht wird, vor. Eine Auslegung als Plusgetriebe bedeutet, dass die elektrisch angetriebene Welle, das heißt das Verstellelement, und die Abtriebswelle gleichsinnig gegenüber der Eingangswelle verstellbar sind. Die Eingangswelle liegt typischerweise in Form eines Kettenrades oder Riemenrades vor. Ist das Wellgetriebe als Minusgetriebe ausgelegt, so bedeutet eine Verstellung des elektrisch angetriebenen Verstellelementes gegenüber der Eingangswelle in einer ersten Verstellrichtung, dass die ausgangsseitige Welle in der entgegengesetzten Richtung gegenüber der Eingangswelle verstellt wird.
-
Um eine definierte Winkelrelation zwischen der Eingangswelle und der Ausgangswelle eines Wellgetriebes ohne elektrische Betätigung des Verstellelementes zu erreichen, kann die Ausgangswelle durch ein Federelement gegenüber der Eingangswelle verspannt sein. Beispielhaft wird in diesem Zusammenhang auf die
US 8,584,633 B2 hingewiesen.
-
Ebenso ist es möglich, durch Abbremsen der Verstellwelle eine definierte Basisposition eines Wellgetriebes anzufahren. Eine mögliche Umsetzung dieses Prinzips ist in der bereits genannten
DE 103 52 361 A1 beschrieben.
-
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein für die Verwendung in einem elektromechanischen Nockenwellenversteller geeignetes Wellgetriebe gegenüber dem genannten Stand der Technik dahingehend weiterzuentwickeln, dass bei besonders einfachem, robustem, montagefreundlichem Aufbau eine definierte Basisposition angefahren oder eine Position gehalten werden kann.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch ein Wellgetriebe mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Ebenso wird die Aufgabe gelöst durch ein Verfahren zur Montage eines Nockenwellenverstellers gemäß Anspruch 8. Im Folgenden im Zusammenhang mit dem Montageverfahren erläuterte Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung gelten sinngemäß auch für die Vorrichtung, das heißt das Wellgetriebe, und umgekehrt.
-
Das Wellgetriebe umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein als Ganzes drehbares, nicht geschlossenes Gehäuse, ein im Gehäuse drehbar gelagertes Abtriebselement in Form eines Abtriebshohlrades, sowie einen zur Verstellung der Winkelrelation zwischen dem Gehäuse und dem Abtriebshohlrad vorgesehenen Wellgenerator, welcher ein drehbares, in typischen Ausgestaltungen elektrisch antreibbares Verstellelement aufweist.
-
Erfindungsgemäß ist zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebshohlrad eine Reibungsbremse gebildet, welche als nicht schaltbare Bremse gestaltet ist. Dies bedeutet, dass in jedem Betriebszustand des Nockenwellenverstellers, welcher mit dem Wellgetriebe als Stellgetriebe arbeitet, die Reibungsbremse gleichermaßen aktiviert ist. Solange keine Drehzahldifferenz zwischen dem Abtriebshohlrad und dem Verstellelement auftritt, findet keine Verstellung des Wellgetriebes statt. Das heißt, dass alle drei Wellen des Wellgetriebes, nämlich das als Eingangswelle fungierende Gehäuse, das als Abtriebswelle vorgesehene Abtriebshohlrad, sowie das Verstellelement, mit identischer Drehzahl rotieren. Bei ausreichender Reibung zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebshohlrad ist zur Aufrechterhaltung dieses Zustands kein elektrischer Antrieb des Verstellelementes erforderlich.
-
Soll die Verstellfunktion aktiviert werden, so ist die Reibung zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebshohlrad zu überwinden. Überraschenderweise hat sich gezeigt, dass trotz dieses im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen erhöhten Energieaufwandes insgesamt, zusammen mit Betriebsphasen, in denen keine Verstellung stattfindet, ein besonders energiesparender Betrieb des Wellgetriebes möglich ist. Hierbei spielt auch die Tatsache eine Rolle, dass in typischen Ausgestaltungen eine im Vergleich zu den übertragenen Momenten lediglich geringe Anpresskraft zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebshohlrad eingestellt ist. Durch Härtung des Abtriebshohlrades sowie des Verstellelementes spielt Verschleiß zwischen den genannten Elementen praktisch keine Rolle.
-
Besondere Vorteile entfaltet die zwischen dem Verstellelement und dem Abtriebshohlrad gebildete Reibungsbremse bei einem Ausfall des elektrischen Antriebs des Verstellelementes. In diesem Fall sorgt eine Drehzahldifferenz zwischen dem Abtriebselement und dem Verstellelement und damit auch zwischen dem Antriebselement und dem Verstellelement dafür, dass das Abtriebselement, das heißt Abtriebshohlrad, in definierter Weise gegenüber dem Antriebselement, das heißt Gehäuse, in Richtung einer Basisposition verstellt wird. Je nach Auslegung des Wellgetriebes kann es sich dabei um die Endposition „früh“ oder um die Endposition „spät“ handeln. Sofern die durch das Verstellelement und das Abtriebshohlrad gebildete Reibungsbremse ein ausreichend hohes Bremsmoment erzeugt, wird bei einem Ausfall des elektrischen Antriebs die Einstellung des Wellgetriebes gehalten.
-
Das Verstellelement, welches eine Komponente der Reibungsbremse darstellt, kann direkt durch einen Innenring eines Wälzlagers des Wellgenerators gebildet sein. Da die Reibungsbremse permanent aktiviert ist, ist während des Betriebs des Wellgetriebes keine Axialverschiebung des Wälzlagerinnenrings vorgesehen.
-
Zum Aktivieren der Bremse, das heißt Anpressen des Verstellelementes gegen das Abtriebshohlrad, kann ein einzelnes Federelement oder eine Mehrzahl an Federelementen vorgesehen sein. Im letztgenannten Fall sind beispielsweise mehrere Federelemente durch ein Kopplungselement, welches das Verstellelement drehfest mit einer elektrisch angetriebenen Welle koppelt, gehalten. Bei den einzelnen Federelementen handelt es sich beispielsweise um Druckfedern in Form von Schraubenfedern.
-
In besonders vorteilhafter Ausgestaltung sind solche Federelemente Komponenten einer Ausgleichskupplung, welche einen Axialversatz zwischen dem Verstellelement und der elektrisch angetriebenen Welle ausgleicht. Eine gesonderte Ausgleichskupplung, etwa in Form einer Oldham-Kupplung, ist damit nicht erforderlich. Die Federelemente sind vorzugsweise derart gestaltet, dass kein direkter Kontakt zwischen dem Verstellelement, welches dem Wellgenerator zuzurechnen ist, oder einer hiermit fest verbundenen Komponente einerseits und der zum Antrieb des Verstellelementes vorgesehenen Elektromotorwelle oder einer mit dieser fest verbundenen Komponente andererseits gegeben ist. Vielmehr werden sämtliche Kräfte und Momente von der Elektromotorwelle über die Federelemente in das Verstellelement eingeleitet. Hierbei greift jedes Federelement beispielsweise in einen Aufnahmeabschnitt des fest mit der Elektromotorwelle verbundenen Kopplungselementes ein. Die Aufnahmeabschnitte können als Langlöcher ausgebildet sein.
-
Zugleich ist jedes als Schraubenfeder ausgebildete Federelement auf einen Stift aufgesetzt, welcher mit dem Verstellelement verbunden oder als integraler Bestandteil des Verstellelementes ausgebildet ist. Ebenso ist es in umgekehrter Weise möglich, dass jedes Federelement auf einen zapfenförmigen Abschnitt des Kopplungselementes aufgesetzt ist und in die Ausnehmung des Verstellelementes eingreift. In beiden Fällen ist das Kopplungselement, welches auch als Drive-Element bezeichnet wird, rationell durch umformende Verfahren, insbesondere aus Stahlblech, herstellbar. Das Kopplungselement kann kraft-, stoff- oder formschlüssig mit der Elektromotorwelle verbunden sein. Analoges gilt für die Komponenten, insbesondere Stifte, welche die Kraftübertragung von den Federelementen auf das Verstellelement ermöglichen.
-
Wird das Wellgetriebe als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers verwendet, so ist die Montage folgendermaßen möglich:
- - Bereitstellung eines Wellgetriebes, welches ein zur Verbindung mit einer zu verstellenden Nockenwelle vorgesehenes Abtriebselement, ein als Ganzes drehbares, mechanisch antreibbares Gehäuse, sowie einen zur Verstellung der Winkelrelation zwischen dem Gehäuse und dem Abtriebselement vorgesehenen Wellgenerator aufweist, wobei zwischen einem elektrisch antreibbaren Verstellelement des Wellgenerators und dem Abtriebselement eine Reibungsbremse gebildet ist, und wobei das Verstellelement mit mehreren zur Drehmomentübertragung vorgesehenen Mitnehmern, insbesondere in Form von Stiften, fest verbunden oder einteilig ausgebildet ist,
- - Bereitstellung eines Elektromotors mit einer Motorwelle, welche zum Antrieb des Verstellelementes vorgesehen ist, wobei auf der Motorwelle ein zur Einleitung eines Drehmomentes in das Verstellelement vorgesehenes Kopplungselement befestigt ist, welches mehrere Aufnahmeöffnungen aufweist,
- - Bereitstellung von zum Einsetzen in jeweils eine Aufnahmeöffnung geeigneten Federelementen, welche zur Ankopplung an den Mitnehmern vorgesehen sind,
- - Zusammenbau von Wellgetriebe, Federelementen und Elektromotor derart, dass ein vom Elektromotor in den Wellgenerator eingeleitetes Drehmoment über die Federelemente unter Ermöglichung eines beschränkten Achsversatzes zwischen der Motorwelle und dem Verstellelement übertragen wird.
-
Hierbei können die Federelemente, insbesondere in Form von Schraubenfedern, zunächst mit dem Verstellelement verbunden werden, bevor der Elektromotor an das Wellgetriebe angebaut wird. Beim Anbauen des Elektromotors wird dessen Welle solange gedreht, bis die Federelemente in die Ausnehmungen des Kopplungselementes, welches mit der Elektromotorwelle verbunden ist, einschnappen.
-
Alternativ sind auch Montageverfahren realisierbar, bei welchen zunächst eine Vormontage von Elektromotorwelle, Kopplungselement und Federelementen vorgenommen wird und im Anschluss diese vormontierte Baugruppe an das Wellgetriebe angesetzt wird.
-
Unabhängig von der Reihenfolge der Montageschritte kann das Wellgetriebe entweder als Plusgetriebe oder als Minusgetriebe ausgelegt sein. Bei möglichen Ausgestaltungen als Minusgetriebe weist das Abtriebshohlrad eine Innenverzahnung auf, welche partiell mit einem als Flexring ausgebildeten nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelement kämmt, wobei der Flexring weiterhin mit einem drehfest mit dem Gehäuse verbundenen, innenverzahnten Antriebshohlrad kämmt, und wobei die Zähnezahl der Außenverzahnung des Flexrings mit der Zähnezahl der Innenverzahnung des Abtriebshohlrades übereinstimmt.
-
Alternativ zu einem Flexring kann auch eine Kragenhülse, das heißt ein hutförmiges Element, oder ein topfförmiges Element als nachgiebiges, außenverzahntes Getriebeelement des Wellgetriebes vorgesehen sein.
-
Wird das Minusgetriebe als Stellgetriebe zur Verstellung einer Auslassnockenwelle verwendet, so bewirkt ein bei Ausfall des elektrischen Stellmotors auf das Verstellelement wirkendes, insbesondere durch Induktion generiertes Bremsmoment, dass die Auslassnockenwelle in Richtung „früh“ verstellt wird, sofern das durch die Reibungsbremse, welche durch das Verstellelement zusammen mit dem Abtriebshohlrad gebildet ist, erzeugte Bremsmoment ausreichend gering ist.
-
Durch Auswahl der die Reibungsbremse mit einer Axialkraft belastenden Federelemente sowie durch geeignete Gestaltung der einander kontaktierenden Oberflächen von Verstellelement und Abtriebshohlrad ist der Wirkungsgrad des Wellgetriebes in weiten Grenzen einstellbar. Prinzipiell ist das Wellgetriebe nicht nur für die Verwendung als Stellgetriebe in einem Automobil, sondern auch für stationäre Anwendungen, beispielsweise in einer Werkzeugmaschine oder in einem Industrieroboter, geeignet.
-
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt in schematisierter Darstellung:
- 1 ein Wellgetriebe mit integrierter Reibungsbremse in einer Schnittdarstellung.
-
Ein insgesamt mit 1 bezeichnetes Wellgetriebe kommt als Stellgetriebe eines elektromechanischen Nockenwellenverstellers eines Verbrennungsmotors zum Einsatz. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Wellgetriebes 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
-
Das Wellgetriebe 1 weist ein als Ganzes drehbares Gehäuse 2 auf, welches im Ausführungsbeispiel einstückig mit einem Kettenrad 3 ausgebildet ist. Das Kettenrad 3 stellt das Abtriebselement eines Kettengetriebes dar, dessen Antriebselement drehfest mit der Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden ist. In an sich bekannter Weise rotiert das Gehäuse 2 samt Kettenrad 3 beim Betrieb des Verbrennungsmotors mit halber Kurbelwellendrehzahl.
-
Mit dem Kettenrad 3 ist ein innenverzahntes Antriebshohlrad 4 fest verbunden. Die Innenverzahnung des Antriebshohlrades 4 ist mit 5 bezeichnet. Neben dem Antriebshohlrad 4 befindet sich ein Abtriebshohlrad 6, welches drehbar im Gehäuse 2 gelagert ist. Ein mit 7 bezeichneter zylindrischer Abschnitt des Abtriebshohlrades 6, das heißt Abtriebselementes des Wellgetriebes 1, ist mit einer Innenverzahnung 8 versehen. An den zylindrischen Abschnitt 7 schließt sich ein Boden 9 an, durch den eine Reibfläche 10 gebildet ist. Der Boden 9 weist eine zentrale Öffnung 12 auf, die durch einen hohlen Zapfen 11, der an den Boden 9 anschließt, begrenzt ist. Im eingebauten Zustand ist durch die Öffnung 12 eine nicht dargestellte Zentralschraube gesteckt, mit welcher das Abtriebshohlrad 6 fest mit der zu verstellenden Nockenwelle, im vorliegenden Fall Auslassnockenwelle, verbunden ist.
-
Das Wellgetriebe 1 umfasst weiter einen Wellgenerator 13, welcher zur Verformung eines Flexrings 19, das heißt elastischen, außenverzahnten Getriebeelementes, vorgesehen ist. Der Wellgenerator 13 umfasst ein Wälzlager 15, dessen Innenring 14 allgemein als Verstellelement 14 des Wellgetriebes 1 bezeichnet wird. Neben dem Gehäuse 2 und dem Abtriebshohlrad 6 stellt damit der Innenring 14 eine der drei Wellen des als Wellgetriebe 1 aufgebauten Dreiwellengetriebes dar.
-
Der Innenring 14 schleift permanent am Abtriebshohlrad 6, wobei eine ringscheibenförmige Stirnfläche 17 des Innenrings 14 an der Reibfläche 10 des Bodens 9 des Abtriebshohlrades 6 anliegt. Somit ist durch den Innenring 14 und das Abtriebshohlrad 6 eine permanent aktivierte Reibungsbremse gebildet.
-
Der Innenring 14 weist eine nicht kreisrunde, elliptische Außenumfangsfläche auf. Auf dem Innenring 14 abrollende Wälzkörper 16, nämlich Kugeln, kontaktieren einen Au-ßenring 18, welcher im Gegensatz zum Innenring 14 elastisch verformbar ist und sich permanent der unrunden Form des Innenrings 14 anpasst. Der Flexring 19 umgibt unmittelbar den Außenring 18, ohne mit diesem fest verbunden zu sein. Axiale Sicherungen des Flexrings 19 sind einerseits durch einen Innenbord 20 des Antriebshohlrades 4 und andererseits durch den Boden 9 des Abtriebshohlrades 6 gegeben. In nicht dargestellter Weise könnte der Innenbord 20 auch durch ein gesondertes, mit dem Antriebshohlrad 4 verbundenes Teil gebildet sein.
-
Die Außenverzahnung des Flexrings 19 greift im Bereich der Großachse des Innenrings 14, das heißt an zwei einander diametral gegenüberliegenden Stellen, sowohl in die Innenverzahnung 5 des Antriebshohlrades 4 als auch in die Innenverzahnung 8 des Abtriebshohlrades 6 ein. Im vorliegenden Fall stimmt die Anzahl der Zähne der Außenverzahnung des Flexrings 19 mit der Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 8 des Abtriebshohlrades 6 überein. Zwischen dem Flexring 19 und dem Abtriebshohlrad 6 ist damit eine Kupplungsstufe des Wellgetriebes 1 gebildet. Die Übersetzungsstufe des Wellgetriebes 1 ist durch den Flexring 19 und das Antriebshohlrad 4 gebildet. Die Anzahl der Zähne des Flexrings 19 ist hierbei um zwei geringer als die Anzahl der Zähne der Innenverzahnung 5. Das Wellgetriebe 1 ist damit als Minusgetriebe aufgebaut. Dies bedeutet, dass sich bei einer Verdrehung des Verstellelementes 14 gegenüber dem Gehäuse 2 in einer ersten Richtung das Abtriebshohlrad 6 in der entgegengesetzten Richtung gegenüber dem Gehäuse 2 verstellt. Die gemeinsame Rotationsachse der Hohlräder 4, 6 ist als Mittelachse M des Wellgetriebes 1 bezeichnet.
-
Koaxial zur Mittelachse M ist eine Elektromotorwelle als eine elektrisch angetriebene Welle 21 angeordnet, welche einem nicht weiter dargestellten Elektromotor des Nockenwellenverstellers zuzurechnen ist. Die Elektromotorwelle ist über eine Kupplungsvorrichtung drehfest mit dem Verstellelement 14 gekoppelt. Die Kupplungsvorrichtung ist als Ausgleichskupplung 22 gestaltet, welche einen beschränkten Achsversatz zwischen der elektrisch angetriebene Welle 21 und der Mittelachse M des Wellgetriebes 1 ausgleichen kann. Die Kupplungsvorrichtung ersetzt eine herkömmliche Ausgleichskupplung, etwa Oldham-Kupplung.
-
Bestandteil der Ausgleichskupplung 22 ist ein Kopplungselement 23, welches fest mit der Elektromotorwelle verbunden ist und auch als Drive-Element oder als Antriebselement bezeichnet wird. Der Wortbestandteil „Antrieb“ bezieht sich hierbei auf den Antrieb des Innenrings 14 durch den Elektromotor. Das Kopplungselement 23 ist rationell aus Blech herstellbar.
-
Durch das Kopplungselement 23 sind zwei Aufnahmeabschnitte 24 gebildet. Die beiden Aufnahmeabschnitte 24 sind gleich weit von der Mittelachse M beabstandet, so dass insgesamt eine zweiflügelige Form des Kopplungselementes 23 gegeben ist. Zum Verstellelement 14 hin ist durch jeden Aufnahmeabschnitt 24 eine Aufnahmeöffnung 25 in Form eines Langlochs gebildet. In jede als Sacklochbohrung gestaltete Aufnahmeöffnung 25 ragt ein Bolzen 26, das heißt Stift, welcher fest mit dem Innenring 14 verbunden ist. Die beiden Bolzen 26 kontaktieren in keinem Betriebszustand des Wellgetriebes 1 das Kopplungselement 23. Jeder Bolzen 26, welcher abweichend von der skizzierten Ausführungsform auch unmittelbar durch das Verstellelement 14 gebildet sein könnte, ist umgeben von einer als Schraubenfeder ausgebildeten Druckfeder als Federelement 27, welches einerseits am Innenring 14 und andererseits am Aufnahmeabschnitt 24 anliegt und damit eine Axialkraft Fax auf den Innenring 14 erzeugt.
-
Die Axialkraft Fax unterliegt während des Betriebs des Wellgetriebes 1 keinen signifikanten Änderungen. Vielmehr wird durch die Axialkraft Fax in gewünschter Weise ein auf den Innenring 14 wirkendes Bremsmoment generiert, sobald die Drehzahl des Innenrings 14 von der Drehzahl des Abtriebshohlrades 6 abweicht. In Betriebsphasen ohne Verstellung der Nockenwelle sorgt die Axialkraft Fax dafür, dass der Innenring 14 ohne Bestromung des die Elektromotorwelle aufweisenden Elektromotors mit derselben Drehzahl wie das Antriebshohlrad 4 und das Abtriebshohlrad 6 rotiert.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Wellgetriebe
- 2
- Gehäuse
- 3
- Kettenrad
- 4
- Antriebshohlrad
- 5
- Innenverzahnung des Antriebshohlrades
- 6
- Abtriebshohlrad
- 7
- zylindrischer Abschnitt des Abtriebshohlrades
- 8
- Innenverzahnung des Abtriebshohlrades
- 9
- Boden des Abtriebshohlrades
- 10
- Reibfläche
- 11
- Zapfen
- 12
- Öffnung
- 13
- Wellgenerator
- 14
- Innenring, Verstellelement
- 15
- Wälzlager
- 16
- Kugel
- 17
- Stirnfläche
- 18
- Außenring
- 19
- Flexring
- 20
- Innenbord
- 21
- elektrisch angetriebene Welle
- 22
- Ausgleichskupplung
- 23
- Kopplungselement
- 24
- Aufnahmeabschnitt
- 25
- Aufnahmeöffnung
- 26
- Bolzen
- 27
- Federelement
- Fax
- Axialkraft
- M
- Mittelachse
