DE19504132C2 - Stelleinrichtung für ein Koppelgetriebe - Google Patents

Description

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.

Claims (15)

1. Stelleinrichtung für Koppelgetriebe zur Übertragung der Drehung einer Welle auf eine andere Welle, insbesondere einer Nockenwelle auf eine weitere Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, wobei das Koppelgetriebe ein jeweils mit den Wellen drehfest verbun­ denes erstes und zweites Koppelrad (2, 4), ein vom ersten Koppelrad angetriebenes drittes (6) und ein vom dritten Koppelrad angetriebenes und das zweite Koppelrad antreibendes viertes Koppelrad (8) aufweist und wobei die Drehachsen der Koppelräder eins und drei drei und vier, sowie vier und zwei jeweils über Koppeln (10, 12, 14) miteinander verbun­ den sind und die Phase der Drehung der einen Welle relativ zur Drehung der anderen Wel­ le durch Verstellen der Winkel zwischen den Koppeln veränderbar ist, mit einem Stellglied (16) zum Verstellen der Winkel, dadurch gekennzeichnet, daß ein Reibglied (26) vorgesehen ist, welches derart in Reibeingriff mit wenigstens einem sich bewegenden Bauteil (2, 4) des Koppelgetriebes bringbar ist, daß es eine auf das Stellglied (16) eingebrachte Stellbewegung unterstützt.

2. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Koppelrä­ der Zahnräder (2, 4, 6, 8) sind und daß das Reibglied (26) wahlweise in Reibeingriff mit einem von zwei gegensinnig drehenden Zahnrädern (2, 4) bringbar ist.

3. Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Bewegen des Reibgliedes (26) in einen Reibeingriff ein Elektromagnet (42, 44) vorgesehen ist.

4. Stelleinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibglied als ein axial verschiebbar gelagertes Übertragungszahnrad (26) ausgebildet ist, welches mit einem Stellmotor (30) über eine Schrägverzahnung verbunden ist und an seinen beiden Sei­ tenflächen mit Reibflächen (32) versehen ist, welche bei einer axialen Verschiebung des Übertragungszahnrades mit jeweils einer Reibfläche (34, 36) an einer Seitenfläche eines der gegensinnig drehenden Zahnräder (2, 4) in Eingriff bringbar ist.

5. Stelleinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertra­ gungszahnrad (26) mit dem ersten oder dem zweiten Zahnrad (2, 4) in Reibeingriff bring­ bar ist.

6. Stelleinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Übertragungszahnrad (26) in drehfestem Eingriff mit einem Stellzahnrad (22) ist, welches einen Exzenter (20) aufweist, an dem zur Verstellung der Koppeln (10, 12, 14) eine Ver­ bindungskoppel (16) gelagert ist.

7. Stelleinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Stellzahn­ rad (22) gleichachsig mit dem Zahnrad eins oder zwei (2 oder 4) gelagert ist und daß die Verbindungskoppel (16) an der Achse des Zahnrades vier oder drei (6 oder 8) eingreift.

8. Stelleinrichtung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Außenverzahnung des Übertragungszahnrades (26) mit einem Antriebsritzel (28) des Stell­ motors (30) kämmt und drehfest mit dem Übertragungszahnrad verbunden eine weitere Verzahnung vorgesehen ist, die mit einer Außenverzahnung des segmentförmig ausgebilde­ ten Stellzahnrades (22) kämmt, wobei die Verzahnungen derart ausgebildet sind, daß ein großer Verdrehungswinkel des Antriebsritzels (28) einem kleinen Drehwinkel des Stell­ zahnrades (22) entspricht.

9. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Koppelgetriebe bezüglich seiner Eigenverstellung bei nicht betätigter Stelleinrich­ tung selbsthemmend ist.

10. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Selbsthemmung durch zweckentsprechende Auslegung des Exzentertriebes (18, 20) der Verbindungskoppel (16) erfolgt.

11. Stelleinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Exzenter­ trieb durch einen am Segmentzahnrad (22) exzentrisch angebrachten Zapfen (20) sowie ei­ ne auf diesem gelagerte, mit der Verbindungskoppel (16) verbundene Lagerhülse (18) ge­ bildet ist, wobei der Lagerdurchmesser der Lagerhülse größer ist als der Abstand zwischen der Hülsenachse (P₄) und der Achse (P₂) des Segmentzahnrades.

12. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 6 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß eine Extremstellung des Exzentertriebes (18, 20) einem Extrem der Phasenlage ent­ spricht.

13. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibglied (26) federnd in eine Mittellage gedrängt ist.

14. Stelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Reibglied an einer der Koppeln (10, 12, 14) angebracht ist.

15. Stelleinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß eine Einrichtung vorgesehen ist, welche das Koppelgetriebe bei Fehlerzuständen in ei­ ne Stellung bringt, in der die Phase zwischen den Drehungen beider Wellen einen vorbe­ stimmten Wert annimmt.