DE102020102265A1

DE102020102265A1 - Wellenversteller

Info

Publication number: DE102020102265A1
Application number: DE102020102265.4A
Authority: DE
Inventors: Tobias Preuss
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2020-01-30
Filing date: 2020-01-30
Publication date: 2021-08-05
Also published as: US20230101883A1; CN114901928A; WO2021151427A1

Abstract

Ein Wellenversteller, insbesondere Nockenwellenversteller, umfasst ein eine Stirnradverzahnung (3) aufweisendes Antriebsrad (2) und ein koaxial zum Antriebsrad (2) angeordnetes, durch eine in Umfangsrichtung wirkende Feder (6) belastetes Verspannrad (4). Hierbei ist die Feder (6) zugleich als Axialsicherungselement zur axialen Sicherung des Verspannrades (4) auf dem Antriebsrad (2) ausgebildet.

Description

Die Erfindung betrifft einen Wellenversteller, insbesondere Nockenwellenversteller, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Ein gattungsgemäßer Wellenversteller ist aus der DE 10 2014 018 312 A1 bekannt. Es handelt sich hierbei um einen Nockenwellenversteller, welcher einen sogenannten Kammerkörper als Antriebsrad aufweist. Der Kammerkörper wird über eine Stirnradverzahnung von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben. Die Verstellung der Nockenwelle der Brennkraftmaschine erfolgt hydraulisch, wobei die Nockenwelle an einen im Kammerkörper angeordneten Flügelkörper angebunden ist. Zusätzlich zum Kammerkörper weist der bekannte Nockenwellenversteller ein gegen den Kammerkörper verspanntes Ausgleichsrad auf, welches mit demjenigen Zahnrad des die Nockenwelle antreibenden Stirnradgetriebes kämmt, mit dem auch die Verzahnung des Kammerkörpers kämmt. Das Ausgleichsrad, das heißt Verspannrad, ist mittels einer als Drehfeder wirkenden Spannfeder gegen den Kammerkörper verspannt, wobei die Spannfeder in eine an einer Innenumfangsfläche des Kammerkörpers ausgebildete Aufnahme eingreift. Weiter ist an der Innenumfangsfläche des Kammerkörpers eine Anschlagschulter für die Spannfeder ausgebildet. Eine zweite Anschlagschulter befindet sich im Ausgleichsrad.
Ein weiterer Nockenwellenversteller, welcher zwei nebeneinander angeordnete, gegeneinander vorgespannte Zahnräder, nämlich ein Hauptrad als Antriebsrad und ein Ausgleichsrad als Verspannrad, aufweist, ist in der DE 10 2013 017 544 A1 beschrieben. Auch in diesem Fall dient die Federvorspannung zwischen dem Antriebsrad und dem Verspannrad der Herausnahme von Spiel aus einer Stirnradverzahnung. Um das Antriebsrad zu Montagezwecken in definierter Winkelstellung gegenüber dem Verspannrad zu fixieren, ist ein Sicherungselement vorgesehen, welches im Fall der DE 10 2013 017 544 A1 werkzeugfrei betätigbar ist.
Ein elektromechanischer Wellenversteller, nämlich Nockenwellenversteller, ist zum Beispiel in der DE 10 2016 204 426 A1 offenbart. In diesem Fall ist eine Stellwelle als Hohlwelle ausgebildet.
Weitere elektromechanische Nockenwellenversteller sind in den Dokumenten DE 10 2019 105 760 A1 und DE 10 2018 108 564 A1 beschrieben. In beiden Fällen ist ein Wellgetriebe als Stellgetriebe des jeweiligen Wellenverstellers vorgesehen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen gegenüber dem Stand der Technik weiterentwickelten Wellenversteller mit einem gegenüber einem Antriebsrad zumindest geringfügig verdrehbaren Verspannrad anzugeben, welcher sich durch eine besondere Montagefreundlichkeit sowie einen kompakten, teilesparenden Aufbau auszeichnet.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Wellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Der Wellenversteller, insbesondere Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine, umfasst in an sich bekannter Grundkonzeption ein eine Stirnradverzahnung aufweisendes Antriebsrad und ein koaxial zum Antriebsrad angeordnetes, durch eine in Umfangsrichtung wirkende Feder belastetes Verspannrad. Erfindungsgemäß ist die Feder zugleich als Axialsicherungselement zur axialen Sicherung des Verspannrades auf dem Antriebsrad ausgebildet.
Ein gesondertes Sicherungselement zur axialen Sicherung des Verspannrades gegenüber dem Antriebsrad ist nicht vorgesehen. Die Feder beschreibt eine offene Ringform, das heißt C-Form. Die Doppelfunktion der Feder, das heißt einerseits Vorspannfunktion als Drehfeder und andererseits Funktion eines Axialsicherungsrings, wird im Vergleich zu einer herkömmlichen Vorspannfeder ohne zusätzlichen Fertigungsaufwand bereitgestellt.
In bevorzugter Ausgestaltung greift die Feder in eine an der Außenumfangsfläche des Antriebsrades angeordnete Tangentialnut ein, welche in einem die Stirnradverzahnung in Axialrichtung überragenden ringförmigen Ansatz des Antriebsrades ausgebildet ist, wobei das Verspannrad in Axialrichtung zwischen der Stirnradverzahnung des Antriebsrades und der im Wesentlichen ringförmigen Feder angeordnet ist.
Um die Feder am Antriebsrad in Umfangsrichtung abzustützen, kann die Tangentialnut durch eine Axialnut unterbrochen sein, in welche ein radial nach innen gerichtetes erstes Sicherungsende der Feder eingreift. Hierbei ist das radial nach innen gezogene Sicherungsende der Feder vorzugsweise zumindest an seiner mit der Axialnut zusammenwirkenden Innenkontur abgerundet. Die abgerundete Gestaltung des Sicherungsendes stellt einen weichen Anschlag der C-Feder am Antriebsrad dar.
In abgewandelter Ausgestaltung ist ein Einlegeteil in die Axialnut eingelegt oder eingepresst, wobei sich die Feder an dem Einlegeteil abstützt. In diesem Fall ist das am Antriebsrad abgestützte Ende der Feder nicht nach innen gezogen. Entsprechendes gilt auch in Fällen, in denen eine die Funktion des Einlegeteils übernehmende Kontur einen integralen Bestandteil des Antriebsrades darstellt.
Ein Anschlag, das heißt eine Kontur zur Drehmomentabstützung, welche sich am Verspannrad befindet, ist vorzugsweise derart ausgestaltet, dass ein Ende der C-förmigen Feder, das heißt C-Feder, radial von innen in die genannte Kontur eingreift. Die Kontur, das heißt Drehmomentabstützungskontur, kann hierbei die Verzahnung des Verspannrades in dessen Axialrichtung überragen und beispielsweise sintertechnisch hergestellt sein. Ebenso ist eine spanabhebende Herstellung der Drehmomentabstützungskontur möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist die Drehmomentabstützungskontur des Verspannrades durch eine im Verspannrad befindliche Öffnung unterbrochen, welche zum Einsetzen eines Sicherungselementes vorgesehen ist und mit einer im Antriebsrad befindlichen Öffnung fluchtet. Das Sicherungselement wird zur Montage des Wellenverstellers benötigt und nach Abschluss der Montage entfernt.
Der Wellenversteller ist vorzugsweise als elektromechanischer Versteller ausgebildet. Als Stellgetriebe des Verstellers ist beispielsweise ein als Untersetzungsgetriebe ausgelegtes Wellgetriebe vorgesehen. Hinsichtlich möglicher Ausgestaltungen von Wellgetrieben für Nockenwellenversteller wird ergänzend zum bereits genannten Stand der Technik auf die Dokumente DE 10 2016 217 051 A1 und DE 10 2017 111 035 B3 hingewiesen.
Das Wellgetriebe des Wellenverstellers weist vorzugsweise eine an der Innenumfangsfläche des Antriebsrades ausgebildete Innenverzahnung auf, welche mit einem nachgiebigen, außenverzahnten Getriebeelement des Wellgetriebes kämmt.
Gemäß einer möglichen Weiterbildung des ein Wellgetriebe umfassenden Wellenverstellers umfasst das Wellgetriebe eine Ausgleichskupplung mit einem Ausgleichselement in Form einer Oldham-Scheibe, wobei diese vollständig in dem durch das Antriebsrad gebildeten Innenraum des Wellgetriebes angeordnet ist. Hinsichtlich einer möglichen Bauform einer Ausgleichskupplung für einen Wellenversteller wird beispielhaft auf das Dokument DE 10 2013 215 623 A1 hingewiesen. In einer alternativen Ausgestaltung ist statt der Oldham-Scheibe am Getriebe ein Ausgleichselement an einem Elektromotor, mit welchem ein Wellgenerator des Wellgetriebes betätigt wird, angeordnet.
Der Vorteil der Erfindung liegt insbesondere darin, dass ein Nockenwellenantrieb, welcher mit einer Stirnradverzahnung arbeitet und einen Versteller zur Variation der Phasenlage der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors umfasst, sowohl kompakt und mit einer geringen Anzahl an Teilen aufgebaut, als auch besonders geräuscharm betreibbar ist. Der geräuscharme Lauf ist maßgeblich darauf zurückzuführen, dass zwei Zahnräder, welche gleich profiliert sind, nämlich das Antriebsrad und das Verspannrad, derart mit einem weiteren, im vorliegenden Fall fest mit der Kurbelwelle verbundenen oder durch die Kurbelwelle angetriebenen Zahnrad kämmen, dass linke und rechte Zahnflanken des weiteren Zahnrades gleichzeitig die Anordnung aus den beiden zueinander koaxialen, gegeneinander verspannten Zahnrädern kontaktieren.
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen, teils vereinfacht:

1 einen Wellenversteller, nämlich Nockenwellenversteller, in perspektivischer Ansicht,
2 ein Detail eines Antriebsrades des Wellenverstellers,
3 ein Verspannrad des Wellenverstellers,
4 eine C-Feder des Wellenverstellers,
5 den Wellenversteller einschließlich eines Sicherungselementes,
6 ein Detail der Anordnung nach 5.

Ein insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Wellenversteller ist als elektromechanischer Nockenwellenversteller zur Verwendung in einem Hubkolbenmotor eines Kraftfahrzeugs vorgesehen. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
Der Wellenversteller 1 umfasst ein Antriebsrad 2, welches mit einer Stirnradverzahnung 3 versehen ist und über einen Rädertrieb von der Kurbelwelle des Hubkolbenmotors angetrieben wird. Um Spiel aus dem Rädertrieb zu nehmen, befindet sich direkt neben dem Antriebsrad 2 ein weiteres, schmaleres Zahnrad, nämlich Verspannrad 4, dessen Verzahnung mit 5 bezeichnet ist und das gleiche Profil wie die Verzahnung 3 des Antriebsrades 2 aufweist.
Die beiden Zahnräder 2, 4 sind durch eine als Drehfeder wirkende C-förmige Feder 6, das heißt C-Feder, in Umfangsrichtung gegeneinander vorgespannt, so dass ein nicht dargestelltes antreibendes Zahnrad des Rädertriebs, welches sowohl mit der Verzahnung 3 als auch mit der Verzahnung 5 kämmt, spielfrei mit der Anordnung aus den beiden Zahnrädern 2, 4 zusammenwirkt.
Die Feder 6 ist in eine Tangentialnut 7 des Antriebsrades 2 einschnappt. Die Tangentialnut 7 befindet sich in einem ringförmigen Ansatz 8, welcher einstückig mit dem übrigen Antriebsrad 2 verbunden ist und die Stirnradverzahnung 3 in axialer Richtung, bezogen auf die Mittelachse der Zahnräder 2, 4, welche zugleich die Mittelachse des gesamten Wellenverstellers 1 darstellt, überragt. Das Verspannrad 4 ist axial zwischen der Stirnradverzahnung 3 und der C-Feder 6 angeordnet. Damit ist eine Verschiebung des Verspannrades 4 auf dem ringförmigen Ansatz 8 in Axialrichtung einerseits durch die Stirnradverzahnung 3 und andererseits durch die C-Feder 6 unterbunden.
Die Tangentialnut 7 ist unterbrochen durch eine Axialnut 9, welche der Einhängung eines ersten Sicherungsendes 10 der Feder 6 dient. Im Unterschied zur Axialnut 9, welche einen rechteckigen Querschnitt aufweist, ist das Sicherungsende 10 der Feder 6 abgerundet und nach innen gezogen. Dies heißt, dass im Bereich des Sicherungsendes 10 der Innendurchmesser der Feder 6 im Vergleich zu anderen Bereichen der Feder 10 reduziert ist. Eine abgerundete Innenkontur des Sicherungsendes 10 ist mit 11 bezeichnet. Das zweite, mit 12 bezeichnete Sicherungsende der Feder 6 weist eine außenseitige Ausnehmung 13 auf, die von innen in eine Drehmomentabstützungskontur 14 des Verspannrades 4 eingreift. Die Drehmomentabstützungskontur 14 hat die Form eines Ringsegments, welches durch eine Öffnung 15 unterbrochen ist. Die Öffnung 15 fluchtet mit einer im Antriebsrad 2 befindlichen Öffnung 16 und ermöglicht das Einstecken eines Sicherungselementes 17, welches die Winkellage des Verspannrades 4 gegenüber dem Antriebsrad 2 fixiert.
Der Nockenwellenversteller 1 umfasst ein Wellgetriebe 18 als Dreiwellengetriebe. Ein Wellgenerator 19 des Wellgetriebes 18 arbeitet mit einem Kugellager 20 als Wälzlager und bewirkt die Verformung eines elastischen, verzahnten Getriebeelementes, welches mit einer Innenverzahnung 21 an der Innenumfangsfläche des Antriebsrades 2 zusammenwirkt. Weiter ist dem Wellgetriebe 18 eine Ausgleichskupplung 22 in Form einer Oldham-Kupplung zuzurechnen, welche eine Oldham-Scheibe 23 als Ausgleichselement umfasst. In nicht dargestellter, alternativer Ausgestaltung entfällt die Oldham-Scheibe 23, wobei stattdessen ein Ausgleichselement in den Elektromotor, welcher den Wellgenerator 19 betätigt, integriert ist.
Im vorliegenden Fall greift ein nicht dargestelltes elektrisch angetriebenes zweiflügeliges Antriebselement, welches die Oldham-Scheibe 23 in Rotation versetzt und damit den Wellgenerator 19 betätigt, in zwei Ausnehmungen 24 an der Innenumfangsfläche der Oldham-Scheibe 23 ein. Hierbei ist die Oldham-Scheibe 23 gegenüber dem Antriebselement, welches mit dem Rotor eines Elektromotors identisch oder fest verbunden ist, beschränkt verschiebbar. In hierzu orthogonaler Richtung ist die Oldham-Scheibe 23 gegenüber zwei Zapfen 25, die fest mit einem Innenring des Wellgenerators 19 verbunden sind, innerhalb definierter Grenzen verschiebbar. Insgesamt ist damit ein Achsversatz zwischen dem Elektromotor, welcher den Wellgenerator 19 betätigt, und der Mittelachse des Wellgetriebes 18, das heißt der Rotationsachse des Wellenverstellers 1 und damit auch der Rotationsachse der zu verstellenden Welle, ausgleichbar. In Axialrichtung ist die Oldham-Scheibe 23 gegenüber der Stirnseite des ringförmigen Ansatzes 8 zurückversetzt. Die Oldham-Scheibe 23 ist damit vollständig innerhalb des Hohlraums angeordnet, welcher durch das Antriebsrad 2 gebildet ist.
Bezugszeichenliste

1: Wellenversteller
2: Antriebsrad
3: Stirnradverzahnung
4: Verspannrad
5: Verzahnung
6: Feder
7: Tangentialnut
8: ringförmiger Ansatz
9: Axialnut
10: erstes Sicherungsende
11: Innenkontur
12: zweites Sicherungsende
13: Ausnehmung
14: Drehmomentabstützungskontur
15: Öffnung im Verspannrad
16: Öffnung im Antriebsrad
17: Sicherungselement
18: Wellgetriebe
19: Wellgenerator
20: Kugellager
21: Innenverzahnung
22: Ausgleichskupplung
23: Oldham-Scheibe
24: Ausnehmung
25: Zapfen

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 102014018312 A1 [0002]
DE 102013017544 A1 [0003]
DE 102016204426 A1 [0004]
DE 102019105760 A1 [0005]
DE 102018108564 A1 [0005]
DE 102016217051 A1 [0014]
DE 102017111035 B3 [0014]
DE 102013215623 A1 [0016]

Claims

Wellenversteller, umfassend ein eine Stirnradverzahnung (3) aufweisendes Antriebsrad (2) und ein koaxial zum Antriebsrad (2) angeordnetes, durch eine in Umfangsrichtung wirkende Feder (6) belastetes Verspannrad (4), dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6) zugleich als Axialsicherungselement zur axialen Sicherung des Verspannrades (4) auf dem Antriebsrad (2) vorgesehen ist.
Wellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (6)in eine an der Außenumfangsfläche des Antriebsrades (2) angeordnete Tangentialnut (7), welche in einem die Stirnradverzahnung (3) in Axialrichtung überragenden ringförmigen Ansatz (8) des Antriebsrades (2) ausgebildet ist, eingreift.
Wellenversteller nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspannrad (4) in Axialrichtung zwischen der Stirnradverzahnung (3) des Antriebsrades und der Feder (6) angeordnet ist.
Wellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Tangentialnut (7) durch eine Axialnut (9) unterbrochen ist, in welche ein radial nach innen gerichtetes erstes Sicherungsende (10) der Feder (6) eingreift.
Wellenversteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Sicherungsende (10) nach innen gezogen und zumindest an seiner mit der Axialnut (9) zusammenwirkenden Innenkontur (11) abgerundet ist.
Wellenversteller nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Verspannrad (4) eine dessen Verzahnung (5) in Axialrichtung überragende Drehmomentabstützungskontur (14) aufweist, in welche die Feder (6) eingreift.
Wellenversteller nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehmomentabstützungskontur (14) durch eine im Verspannrad (4) befindliche Öffnung (15) unterbrochen ist, welche zum Einsetzen eines Sicherungselementes (17) vorgesehen ist und mit einer im Antriebsrad (2) befindlichen Öffnung (16) fluchtet.
Wellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch ein als Wellgetriebe (18) ausgebildetes Untersetzungsgetriebe, welches eine an der Innenumfangsfläche des Antriebsrades (2) ausgebildete Innenverzahnung (21) aufweist.
Wellenversteller nach Anspruch 8, gekennzeichnet durch eine Ausgleichskupplung (22) des Wellgetriebes (18), welche ein Ausgleichselement in Form einer Oldham-Scheibe (23) umfasst, wobei diese vollständig in dem durch das Antriebsrad (2) umschlossenen Innenraum des Wellgetriebes (18) angeordnet ist.
Wellenversteller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine elektrische Betätigung des Wellgetriebes (18) mittels eines ein Ausgleichselement aufweisenden Elektromotors vorgesehen ist.