Die Erfindung betrifft eine Stelleinrichtung für ein Koppelgetriebe gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
Koppelgetriebe werden für unterschiedlichste Anwendungszwecke eingesetzt und sind bei
spielsweise in der DE 42 44 550 A1 beschrieben, deren Gegestand den
Oberbegriff des Hauptanspruchs bildet. Ein Anwendungsgebiet für solche Koppelgetriebe
sind Vorrichtungen zur variablen Steuerung der Ventile von Brennkraftmaschinen, insbe
sondere zur drosselfreien Laststeuerung von Ottomotoren über die Einlaßhubfunktion eines
oder mehrerer Einlaßventile pro Zylinder, wobei die Einlaßhubfunktion von zwei Nocken
wellen bestimmt wird, deren Phasenlage veränderbar ist. Die Stelleinrichtung dieses Kop
pelgetriebes ist dadurch gebildet, daß eine der Koppeln verlängert ist und mittels eines in
der Druckschrift nicht näher erläuterten Antriebs verstellt wird. Eine mit herkömmlichen
Stelleinrichtung für Koppelgetriebe nur unzureichend erfüllbare Anforderung für den ge
schilderten Verwendungszweck besteht darin, daß die Phase der Nockenwellen innerhalb
sehr kurzer Zeit um einen großen Betrag verändert werden muß.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemaße Stelleinrichtung dahinge
hend weiter zu entwickeln, daß große Phasenänderungen innerhalb kurzer Zeitdauern be
werkstelligt werden können.
Diese Aufgabe wird mit den Merkinalen des Hauptanspruchs gelöst.
Mit dem erfindungsgemäß vorgesehenen Reibglied wird erreicht, daß an die Stelleinrich
tung zur raschen Verstellung der Phasenlage geringere Anforderungen gestellt werden
müssen. Die erforderliche äußere Kraft der Stelleinrichtung ist vermindert. Die von der
Stelleinrichtung auf das Stellglied übertragene Bewegung wird durch den Eingriff des Reib
gliedes mit wenigstens einem sich bewegenden Bauteil des Koppelgetriebes unterstützt, in
dem die in dem Bauteil enthaltene Bewegungsenergie in Art einer Servounterstützung, aus
gelöst durch die Stelleinrichtung, zur Verstellung des Stellglieds genützt wird. Koppelge
triebe, für die die Erfindung anwendbar ist, können unterschiedlichen Aufbau haben; ihre
Räder können in unmittelbarem gegenseitigen Eingriff sein; zwischen den Rädern können
Zugmittel, wie Riemen, Kardantriebe usw. vorgesehen sein.
Der Eingriff des Reibgliedes mit vorteilhafterweise wenigstens einem der Räder kann in
unterschiedlichster Weise erfolgen. Beispielsweise kann das Reibglied an eine entsprechen
de Reibfläche des Rades in axialer oder in radialer Richtung aufgedrückt werden. Die
Stelleinrichtung kann unmittelbar manuell, pneumatisch, hydraulisch oder elektromotorisch
betätigt sein.
Die erfindungsgemäße Stelleinrichtung eignet sich für unterschiedlichste Anwendungsfälle.
Sie ist überall dort besonders vorteilhaft einsetzbar, wo trotz geringer Energie- bzw. Lei
stungsaufnahme der Stelleinrichtung eine sichere und rasche Verstellung der gegenseitigen
Phasenlage zweier mit gleicher Drehzahl drehender Wellen herbeigeführt werden soll.
Die Unteransprüche sind auf vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Stellein
richtung gerichtet.
Die Erfindung wird im folgenden anhand eines vorteilhaften Ausführungsbeispiels mit wei
teren Einzelheiten erläutert.
In der schematischen Zeichnung stellen dar:
Fig. 1 eine Stirnansicht eines Koppelgetriebes und
Fig. 2 eine Aufsicht auf das Koppelgetriebe der Fig. 1.
Fig. 3 eine Aufsicht auf eine abgeänderte Ausführungsform eines Koppelgetriebes.
Ein erstes Zahnrad 2 ist drehfest mit einer nicht dargestellten ersten Nockenwelle verbun
den, die ortsfest bzw. an einem Motorblock mit der Achse P1 gelagert ist. Ein zweites
Zahnrad 4 ist mit einer weiteren, nicht dargestellten Nockenwelle eines Motors drehfest
verbunden und mit der Achse P2 gelagert. Die beiden Zahnräder 2 und 4 sind, wie aus
Fig. 2 ersichtlich, axial zueinander versetzt, so daß ihre Umfänge überlappen.
Mit dem ersten Zahnrad 2 kämmt ein drittes Zahnrad 6, das wiederum mit einem vierten
Zahnrad 8 kämmt, welches zugleich mit dem zweiten Zahnrad 4 kämmt. Die Zahnräder
6 und 8 sind an Koppeln gelagert, wobei eine erste Koppel 10 in P1 gelagert ist und in P3
das dritte Zahnrad 6 sowie eine zweite Koppel 12 lagert, die wiederum in P4 gelenkig mit
einer dritten Koppel 14 verbunden ist, welche in P2 gelagert ist und in P4 das vierte Zahn
rad 8 lagert. Die Zähnezahlen der Zahnräder 6 und 8 sind vorteilhafterweise unterschied
lich. Dennoch drehen das erste Zahnrad 2 und das zweite Zahnrad 4, wenn beide gleiche
Zähnezahlen bzw. Durchmesser aufweisen, mit gleicher Drehzahl und entgegengesetzter
Drehrichtung, wobei die Phasenlage zwischen den Drehungen der Zahnräder 2 und 4 in
bekannter Weise durch Veränderung der Winkellage der Koppeln 10, 12, 14 veränderbar
ist.
Zur Veränderung der Winkellage der Koppeln ist eine als Stellglied dienende Verbindungs
koppel 16 vorgesehen, welche in P3 gelagert ist und in einer Lagerhülse 18 endet, die an
einem Zapfen 20 gelagert ist, welcher exzentrisch an einem Stellzahnrad 22 ausgebildet ist,
welches in P2 gelagert ist. Die exzentrisch zu P2 angeordnete Achse des Lagers 18, 20 ist
mit P5 bezeichnet.
Eine Außenverzahnung des segmentförmig ausgebildeten Stellzahnrades 22 kämmt mit
einem Ritzel 24, welches einteilig mit einem Übertragungszahnrad 26 ausgebildet ist, das
um eine ortsfeste Achse P6 drehbar und axial verschiebbar gelagert ist. Eine Außenverzah
nung des Übertragungszahnrades 26 kämmt mit einem Antriebsritzel 28 eines Elektromo
tors 30. Die Verzahnung zwischen dem Antriebsritzel 28 und dem Übertragungszahnrad
26 ist als Schrägverzahnung ausgebildet, so daß bei Drehmomentübertragung vom An
triebsritzel 28 auf das Übertragungszahnrad 26 je nach Antriebsrichtung eine axiale
Verschiebung des Übertragungszahnrades 26 in der einen oder der anderen Richtung er
folgt.
Wie aus Fig. 2 ersichtlich, ist das Übertragungszahnrad 26 zwischen den Zahnrädern 2
und 4 angeordnet. Das Übertragungszahnrad 26 ist an seinen Stirnflächen mit Reibflächen
32 versehen, die mit je einer entsprechenden, am Zahnrad 2 und 4 ausgebildeten Reibflä
che 34 bzw. 36 überlappen. Die Reibflächen bzw. Reibringflächen können beispielsweise
dadurch ausgebildet sein, daß jede der genannten Stirnflächen der Zahnräder mit einem
ringartigen Vorsprung ausgebildet ist, so daß die Reibflächen durch die Stirnflächen der
Vorsprünge gebildet sind.
Für die folgende Funktionsbeschreibung sei angenommen, daß das erste Zahnrad 2 gemäß
Fig. 1 in Uhrzeigerrichtung drehangetrieben ist, so daß das zweite Zahnrad 4 über das
dritte Zahnrad 6 und das vierte Zahnrad 8 mit gleicher Drehgeschwindigkeit, aber entge
gengesetzter Richtung drehangetrieben ist. Durch entsprechend große Ausbildung des
Durchmessers des Zapfens 20 im Verhältnis zu dessen Exzentrizität wird erreicht, daß der
Eingriff zwischen Verbindungskoppel 16 bzw. der Lagerhülse 18 mit dem Zapfen 20 für
das Koppelgetriebe eine Selbsthemmung bildet, so daß sich das Koppelgetriebe infolge der
Drehmomentübertragung vom ersten Zahnrad 2 auf das zweite Zahnrad 4 (oder umgekehrt)
nicht selbsttätig verstellt.
Sei nun angenommen, daß das Antriebsritzel 28 zur Verstellung des Koppelgetriebes in
Uhrzeigerrichtung angetrieben wird, so daß sich das Übertragungszahnrad 26 in Gegen
uhrzeigerrichtung dreht und dabei das Stellzahnrad 22 wiederum in Uhrzeigerrichtung
dreht, so daß sich der Zapfen 20 zusammen mit der Verbindungskoppel 16 nach links be
wegt und das Koppelgetriebe bzw. die Phase zwischen der Drehung der beiden Zahnräder
2 und 4 entsprechend verstellt wird. Bei der Drehmomentübertragung vom Antriebsritzel
28 auf das Übertragungszahnrad 26 wird dieses infolge der Schrägverzahnung in Richtung
auf das erste Zahnrad 2 gedrückt, wodurch der Eingriff zwischen den Reibflächen 32 und
34 für einen zusätzlichen Drehantrieb des Übertragungszahnrades 26 in Gegenuhrzeiger
richtung sorgt, das heißt die Verstellung unterstützt. Sobald das Drehmoment vom An
triebsritzel 28 her aufhört, erfolgt keine weiter gegenseitige Anpressung der Reibflächen
32 und 34, da wegen der Selbsthemmung des Koppelgetriebes kein Drehmoment vom
Übertragungszahnrad 26 her auf das Antriebsritzel 28 übertragen wird. Wird das Übertra
gungsritzel 28 in Gegenrichtung angetrieben, so wird das Übertragungszahnrad 26 mit sei
ner entsprechenden Reibfläche gegen die Reibfläche 36 des zweiten Zahnrades 4 gedrückt,
so daß die Verstellung des Koppelgetriebes wiederum unterstützt wird.
Es versteht sich, daß die Übersetzung zwischen dem Antriebsritzel 28 und dem Stellzahn
rad 22 vorteilhafterweise derart ausgelegt ist, daß eine große Winkeländerung am Antriebs
ritzel 28 eine kleine Winkeländerung am Stellzahnrad 22 hervorruft. Der Elektromotor 30
ist vorteilhafterweise so ausgelegt, daß er mit verhältnismäßig großem Drehmoment an
fährt, das heißt bei einer Ansteuerung rasch losläuft. Das weitere Drehmoment braucht we
gen der Servounterstützung nicht groß zu sein.
Die Zuordnung zwischen Stellung des Exzentertriebs 18, 20 und Phasenlage der Zahnräder
2 und 4 bzw. bei Anwendung in einem Nockentrieb ist vorteilhafterweise so, daß wenig
stens eine der Extremstellungen einer erwünschten minimalen bzw. maximalen Phasenlage
entspricht. Wenn der mit dem Koppelgetriebe ausgerüstete Nockentrieb beispielsweise zur
drosselklappenfreien Laststeuerung einer Brennkraftmaschine dient, läßt sich auf diese
Weise die maximale Füllung und damit auch die maximale Leistung sicher begrenzen.
Es versteht sich, daß zahlreiche Ergänzungen und/oder Abänderungen der beschriebenen
Vorrichtung möglich sind. Beispielsweise kann das Übertragungszahnrad 26 mit seinem
Ritzel 24 federnd in eine Mittellage vorgespannt sein, so daß gewährleistet ist, daß ohne
Antriebsmoment vom Antriebsritzel 28 her kein Eingriff zwischen irgendwelchen Reibflä
chen vorhanden ist. Des weiteren kann die Schrägverzahnung zwischen Antriebsritzel 28
und Außenverzahnung des Übertragungszahnrades 26 auch als Geradverzahnung ausgeführt
sein, wenn beispielsweise das Übertragungszahnrad 26 von einem doppelt wirkenden Hy
draulikzylinder oder einem später beschriebenen Elektromagneten bei Antrieb des Elektro
motors 30 in die eine oder andere Richtung axial bewegt wird. Die Reibflächen könnten
auch als Radialflächen ausgebildet sein, wobei das Übertragungszahnrad 26 dann radial
gegen diese Reibflächen bewegt werden würde.
Die Verbindungskoppel 16 könnte zur Verstellung des Koppelgetriebes auch unmittelbar
linear angetrieben sein und mit einem Reibglied verbunden sein, welches bei einer Ver
stellung der Verbindungskoppel in Anlage an einen zweckentsprechenden Bereich der
Stirnfläche beispielsweise des zweiten Zahnrades 4 gedrängt würde.
Es versteht sich, daß die beschriebene Ausführungsform des Koppelgetriebes auch dahinge
hend abgeändert werden kann, daß mit den Koppelrädern weitere Räder kämmen, von
denen aus der Reibeingriff erfolgt. In Abänderung ist es auch möglich, die Selbsthemmung
im Koppelgetriebe so auszulegen, daß das Koppelgetriebe wegen der Drehmomentübertra
gung vom ersten Zahnrad 2 auf das von ihm angetriebene zweite Zahnrad 4 die Tendenz
hat, sich in einer Richtung selbst zu verstellen, so daß diese Verstellrichtung lediglich von
einer Stelleinrichtung freigegeben werden muß, und eine Servowirkung durch Reibeingriff
nur in der anderen Verstellrichtung notwendig ist.
In der beschriebenen Ausführungsform ist die aus Exzentertrieb 18, 20, Stellzahnrad 22,
Übertragungszahnrad 26 und Elektromotor 30 bestehende Stelleinrichtung für die Ver
bindungskoppel 16 an ortsfesten Lagerstellen, beispielsweise unmittelbar an einer Brenn
kraftmaschine, gelagert. Wenn dies aus Bauraumgründen nicht möglich ist, kann die
Stelleinrichtung alternativ auch an einer der Koppeln, beispielsweise der Koppel 12
angebracht werden, wobei das Übertragungszahnrad dann in P3 oder P4 gelagert werden
kann.
Die Ausführungsform des Koppelgetriebes gemäß Fig. 3 unterscheidet sich von der der
Fig. 2 dahingehend, daß zur axialen Verschiebung des Übertragungszahnrades 26 für
dessen Reibeingriff mit dem Zahnrad 2 oder 4 mit der Welle 38 des Übertragungszahnra
des ein Anker 40 zusammenwirkt, der von zwei Elektromagneten 42 bzw. 44 in die eine
oder die andere Richtung bewegt wird und dabei das Übertragungszahnrad axial mitnimmt.
Die Verstellung des Koppelgetriebes erfolgt bei dieser Ausführungsform ausschließlich
durch den Reibeingriff des Übertragungszahnrades 26, das mit dem Stellzahnrad 22
kämmt.
Die beschriebene Ausführungsform läßt sich in einfacher Weise mit einer Sicherheits
funktion ergänzen, indem der Magnetantrieb mit einer nicht dargestellten am Anker 40
angreifenden Feder ergänzt wird, die durch einen weiteren Magneten im normalen Be
triebszustand unwirksam gemacht wird und bei Aufheben eines Fehlers, beispielsweise
Ausfall der Stromversorgung, den Anker 40 in eine Richtung zieht, in der das Über
tragungszahnrad 26 derart in Eingriff mit einem der Zahnräder 2 oder 4 kommt, daß das
Koppelgetriebe beispielsweise in Richtung einer Leistungsabnahme einer Brennkraftma
schine verstellt wird.