DE102004038681B4

DE102004038681B4 - Elektromotorischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102004038681B4
Application number: DE102004038681.1A
Authority: DE
Inventors: Dipl.-Ing. Schäfer Jens; Dipl.-Ing. Kohrs Mike; Dipl.-Ing. Heywood Jonathan
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-08-10
Filing date: 2004-08-10
Publication date: 2017-06-01
Anticipated expiration: 2024-08-11
Also published as: EP1776513A1; DE102004038681A1; US20090199797A1; JP2008509339A; JP4892763B2; US7703425B2; WO2006018080A1; DE502005010294D1; EP1776513B1

Abstract

Elektromotorischer Nockenwellenversteller zur Drehwinkelverstellung der Nockenwelle (14) eines Verbrennungsmotors gegenüber der Kurbelwelle desselben, mit einem Dreiwellengetriebe, das ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebsrad (2, 2a, 2a', 2a'', 2a'', 2a''', 2a'''', 2a''''') und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil sowie eine Verstellwelle (18, 18', 18'', 18''', 18'''') aufweist, die mit einem Rotor eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbunden ist, dessen Stator am Verbrennungsmotor befestigt ist, wobei das Dreiwellengetriebe aus spanlos hergestellten Radsätzen und Gehäuseteilen besteht und Einrichtungen zum Einstellen bzw. Ausgleichen des Zahnspiels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlaufbetrieb vorgesehen ist, mit einer auf den Zähnen angebrachten, vergleichsweise weichen und gleitfähigen Verschleißschicht, die bis zum Erreichen eines vorgegebenen Zahnspiels unter Vorspannung einläuft.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektromotorischen Nockenwellenversteller zur Drehwinkelverstellung der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber dessen Kurbelwelle nach dem Oberbegriff des unabhängigen Patentanspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Elektromotorische Nockenwellenversteller zeichnen sich durch schnelle und exakte Nockenwellenverstellung im gesamten Betriebsbereich des Verbrennungsmotors aus. Das gilt auch für den Kaltstart und den Wiederstart nach Abwürgen des Verbrennungsmotors.
Elektrische Nockenwellenversteller bestehen aus einem mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Verstellmechanismus und einem am Verbrennungsmotor befestigten elektromotorischen Verstellantrieb, dessen Motorwelle an der Verstellwelle des mit Nockenwellendrehzahl umlaufenden Verstellmechanismus angreift.
Als Verstellmechanismus werden zumeist folgende Dreiwellengetriebe verwendet:

– Taumelscheibengetriebe.

Diese besitzen einen einfachen Aufbau. Ihre Herstellbarkeit in Großserie ist jedoch nicht geklärt. Außerdem sind sie toleranzenanfällig und die Herstellung der Verzahnungsteile ist mit hohen Kosten verbunden, da dieselben wegen hoher Beanspruchung und aus Genauigkeitsgründen spanend gefertigt werden müssen. Ein Nockenwellenversteller mit einem Taumelscheibengetriebe geht aus der DE 100 38 354 A1 hervor.

– Doppel-Innenexzentergetriebe.

Diese Getriebeart ist sehr funktionstüchtig und laufruhig, verursacht aber wegen der Vielzahl der Bauteile einen erheblichen Kostenaufwand.

– Planeten- und Zykloidgetriebe (sogenannte Harmonic-Drive-Getriebe).

Letzteres ist in der DE 40 22 735 A1 beschrieben, bei der ein elektromotorischer Nockenwellenversteller zur Drehwinkelverstellung der Nockenwelle eines Verbrennungsmotors gegenüber der Kurbelwelle desselben offenbart ist, mit einem Dreiwellengetriebe, das ein kurbelwellenfestes, als Ketten- oder Zahnriemenrad ausgebildetes Antriebsrad und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil sowie eine Verstellwelle aufweist, die mit dem Rotor eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbunden und dessen Stator an dem Verbrennungsmotor befestigt ist. Ein gattungsgemäßes Harmonic-Drive-Getriebe geht aus der nachveröffentlichten DE 10 2004 009 128 A1 hervor.
Dieses Zykloidgetriebe zeichnet sich durch geringen Bauraum und große Funktionssicherheit aus, erfordert aber einen hohen Bauaufwand.
Aus Fahrzeugschaltgetrieben ist es bekannt, gesinterte Bauteile nachzubearbeiten, um die erforderliche Zahngenauigkeit zu erreichen. So schlägt WO 02/031 374 A1 vor, bei einer Schiebemuffe Zahnüberstände mit Aufmaß zu pressen und danach beim Kalibrieren auf ein Sollmaß zu verdichten. DE 30 18 345 A1 zeigt ein Sinterbauteil mit einem gewalzten Gewinde. Die Herstellung derartiger Zahnräder ist aufwändig.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Dreiwellengetriebe für einen elektromotorisch angetriebenen Nockenwellenversteller zu schaffen, das einen vergleichsweise niedrigen Fertigungsaufwand erfordert.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Ein kostengünstiger Weg zum Erreichen eines optimalen Zahnspiels besteht darin, dass ein Einlaufbetrieb der Verstellgetriebe vorgesehen ist, mit einer auf deren Zähnen angebrachten, vergleichsweise weichen und gleitfähigen Verschleißschicht, zum Beispiel aus Kupfer oder Kunststoff, die bis zum Erreichen eines vorgegebenen Zahnspiels unter Vorspannung einläuft.
Das Taumelscheiben- und das Einfach-Innenexzentergetriebe bieten verschiedene Möglichkeiten zur Senkung des Fertigungsaufwands. Beide Getriebearten können weitgehend spanlos gefertigt werden. Das Taumelscheibengetriebe bietet zudem die Möglichkeit eines einfachen Zahnspielausgleichs, während das Einfach-Innenexzentergetriebe viele Möglichkeiten zur Verminderung der Bauteilzahl aufweist.
Von Vorteil ist, dass als elektrische Verstellmotoren bürstenlose Gleichstrommotoren, insbesondere solche mit Seltenerdmagneten und mit bipolarer Betriebsweise vorgesehen sind. Diese Motoren zeichnen sich aufgrund des fehlenden Kommutators durch einfachen Aufbau, hohe Beschleunigung und praktisch verschleißfreien Betrieb aus.
Das erste und zweite Kegelrad sowie die beidseits verzahnte Taumelscheibe des Taumelscheibengetriebes eignen sich vorzüglich für eine pulvermetallurgische Fertigung. Die Festigkeit und Härte dieser Bauteile kann nach dem Sintern zum Beispiel durch Verzahnungsnachwalzen oder Warm- bzw. Hochdruckpressen gesteigert werden ohne die Teilegenauigkeit zu beeinträchtigen. Die oben angeführten Bauteile können auch durch Taumelpressen oder Axialwalzen aus einem Stahlrohling gefertigt werden.
Ein wichtiges Merkmal für die Güte eines Verstellgetriebes ist das richtige Verdrehspiel der Verzahnungspaare. Durch das dynamische Nockenwellendrehmoment kann ein zu großes Zahnspiel im Betrieb zu Drehschwingungen zwischen den beiden Kegelrädern führen. Dadurch können Geräusche oder Regelungsprobleme entstehen. Bei zu kleinem Spiel klemmt das Verstellgetriebe bzw. hat einen zu schlechten Wirkungsgrad. Zahnspiel lässt sich jedoch nicht vermeiden. Die Höhe des Zahnspiels wird beeinflusst durch die Verzahnungsqualität von Taumelscheibe und Kegelrädern sowie durch die Formtoleranzen der Zahnradpaare, die den Axialabstand und die Fluchtung bestimmen.
Eine Einschränkung der Formtoleranzen auf deren zulässigen Höchstwert durch hohe Fertigungsgenauigkeit zu erreichen gelingt nur bedingt. Aus diesem Grund ist es sinnvoll, das Zahnspiel einstellbar zu machen. Der Zahnspielausgleich sieht vor, dass sich beim Zusammentreffen der oberen Toleranzgrenzen der Formtoleranzen der Bauteile das minimale Verdrehspiel ergeben soll. Liegen die Maße der Bauteile an der unteren oder zwischen der unteren und oberen Toleranzgrenze, würde sich theoretisch eine Profilüberschneidung der Verzahnungen ergeben. Das Zahnspiel wird dann durch zwischen dem ersten Kegelrad und dem Gehäuse zugepaarte Beilagscheibe korrigiert.
Alternativ können die Verzahnungen zwischen dem Kettenradantrieb und dem Nockenwellenabtrieb und/oder dem Verstellantrieb durch Federn vorgespannt werden, um eine spielbedingte Geräuschbildung zu vermeiden. Die Schwierigkeit dieser Methode liegt im Einhalten einer optimalen Vorspannung, die geringes Getriebegeräusch mit hohen Getriebewirkungsgrad kombiniert.
Kostenvorteile bietet ein Innenexzentergetriebe, das als Einfach-Innenexzentergetriebe ausgebildet ist, dadurch, dass es nur einen Innenexzenter für ein erstes und zweites Stirnrad aufweist, die beide verdrehfest miteinander verbunden sind und sich auf einem ersten und zweiten Hohlrad abwälzen. Dabei dienen das erste Stirn- und Hohlrad ausschließlich der Untersetzung bei der Phasenverstellung und das zweite Stirn- und Hohlrad auch oder sogar ausschließlich als Kupplungsverzahnung zum Durchleiten der Antriebs- und Verstellleistung zur Nockenwelle.
Das zweite Stirnrad vollzieht dabei die gleiche exzentrische Bewegung wie das erste, da beide drehfest miteinander verbunden sind. Falls das zweite Hohl/Stirnradpaar die gleich Zähnezahldifferenz wie das erste aufweist, dient es nur als Zahnkupplung, die nicht zur Gesamtübersetzung des Verstellgetriebes beiträgt. Es ist aber auch möglich die Gesamtübersetzung auf beide Zahnradpaare zu verteilen, wodurch sich größere Freiheiten bei der Verzahnungsauswahl ergeben.
Grundsätzlich ist es auch denkbar, daß wie bei Doppel-Innenexzentergetrieben anstelle der Zahnkupplung eine Klauen-, Segment- oder Stiftkupplung die Kupplungsfunktion übernimmt. Das Einfach-Innenexzentergetriebe gestaltet sich dann zwar einfacher, die Stifte bzw. Klauen müssen jedoch beim Ausgleich der Exzenterbewegung in ihrer Gegenfläche gleiten. Dadurch ist ein niedrigerer Wirkungsgrad als mit einer Zahnkupplung bedingt, bei der sich das zweite Stirnrad im zweiten Hohlrad reibungsarm abwälzt.
Zur weiteren Verminderung der Reibung trägt bei, dass der Einfach-Innenexzenter und die beiden Stirnräder sowie gegebenenfalls das Antriebsrad wälzgelagert sind, wobei letzteres vorzugsweise ein Vierpunktlager aufweist. Als Wälzlager kommen Kugel-, Rollen- oder Nadellager in Frage. Ein Vierpunktlager eignet sich besonders zur Aufnahme von Kippmomenten, wie sie beim Antriebsrad auftreten können. Spielt die Lagerreibung gegenüber Baukosten und Bauraum eine geringere Rolle, können bei entsprechend dimensioniertem Antrieb der Verstellwelle alle Wälzlager durch Gleitlager ersetzt werden.
Geringere Fertigungskosten sind auch dadurch zu erreichen, dass die Hohl- und Stirnräder als innen- bzw. außenverzahnte Zahnringe ausgebildet sind, die von innen- bzw. außenprofilierten Rohren in erforderlicher Länge abgetrennt werden. Die profilierten Rohre können zum Beispiel gezogen oder fließgepresst oder gesintert sein.
Ein anderer Weg zur Kostensenkung besteht darin, die Hohl- und Stirnräder aus zahnprofilierten Bändern zu Zahnringen umzuformen, die durch Schweißen oder Klipsen geschlossen und anschließend nachkalibriert werden.
Fertigungskosten können auch dadurch gesenkt werden, dass das erste Stirnrad um die Breite des zweiten Stirnrad erweitert ist und mit beiden gleichverzahnten Hohlrädern kämmt.
Ein Zahnspielausgleich erfolgt bei dem Einfach-Innenexzentergetriebe bei den beiden Stirn/Hohlradpaaren getrennt, wobei der Zahnspielausgleich bei dem ersten Stirn/Hohlradpaar durch Auswahl eines dazu passenden Exzenters und bei dem zweiten Stirn/Hohlradpaar durch ein entsprechend profilverschobenes zweites Stirn/Hohlrad oder durch einen zusätzlichen, vom ersten Exzenter unabhängig einstellbaren, auf der Verstellwelle verdrehgesicherten Ausgleichsexzenter erfolgt. Eine besonders kostengünstige Form des Zahnspielausgleichs besteht darin, dass dieser durch leicht konisch ausgebildete, axial bis kurz vor einer Linienberührung ineinander geschobene Stirn- und Hohlräder erfolgt, unter vorzugsweiser Ausnutzung von deren fertigungsbedingter Konizität.
Statt durch Zahnspielausgleich kann das Zahngeräusch auch durch schrägverzahnte Stirn- und Hohlräder gesenkt werden. Durch eine entgegengerichtete Schräge der Verzahnung der beiden Stirn- und Hohlräder heben sich deren Axialkräfte auf, wodurch sich die Lagerung vereinfacht.
Ähnlich wie beim Taumelscheibengetriebe ist auch beim Einfach-Innenexzentergetriebe eine Federvorspannung der Verzahnungen zwischen dem Nockenwellenabtrieb und dem Antriebsrad und/oder dem Verstellantrieb zur Zahngeräuschsenkung möglich.
Eine fertigungsgünstige Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass das zweite Hohlrad mit dem Abtriebsflansch und gegebenenfalls mit dem Zwischenstück einteilig ausbildbar und durch zum Beispiel Taumel- oder Axialpressen, Sintern oder Tiefziehen herstellbar ist. Auf diese Weise kann die Zahl der Bauteile erheblich gesenkt werden.
Es hat fertigungstechnische Vorteile, dass der Exzenter und die Verstellwelle mit der Zahnkupplung ein- oder zweiteilig ausführbar sind. Die einteilige Ausführung bietet den Vorteil geringer Bauteilzahl. Sie ist durch Sintern, Taumelpressen und Tiefziehen realisierbar. Die zweiteilige Ausführung bietet den Vorteil, dass der Exzenter kostengünstig aus einem exzentrischen Rohr gefertigt werden kann, in das eine Zahnkupplungsscheibe einpressbar ist.
Ein einfacher Aufbau, geringe Reibung und Spielfreiheit werden dadurch erreicht, dass das Einfach-Innenexzentergetriebe an Stelle eines das Nockenwellendrehmoment übertragenden Hohl-/Stirnradpaares eine sogenannte Kugelorbitalkupplung aufweist, bei der Kugeln je halbseitig in Kreislaufbahnen zweier gleicher, unter axialer Vorspannung stehender Stahlscheiben geführt sind und die Exzenterbewegung ausgleichen. Eine Stahlscheibe ist mit einem Stirnrad und die andere Stahlscheibe mit einem nockenwellenfesten Teil verdrehfest verbunden.
Ein Einfach-Innenexzentergetriebe mit geringer axialer Baulänge wird dadurch erreicht, dass ein Antriebsrad und ein Abtriebsteil, ein erstes und ein zweites Hohlrad sowie ein erstes und ein zweites Stirnrad koaxial angeordnet sind, wobei das Antriebsrad mit dem ersten Hohlrad, das erste Stirnrad durch einen Flansch mit dem zweiten Hohlrad sowie das zweite Stirnrad mit dem Abtriebsteil verdrehfest verbunden sind und das erste Hohlrad mit dem ersten Stirnrad sowie das zweite Hohlrad mit dem zweiten Stirnrad kämmen.
Für bestimmte Anwendungsfälle kann es von Vorteil sein, dass bei einem Einfach-Innenexzentergetriebe das zweite Hohlrad als ein zweites Stirnrad und das zweite Stirnrad als ein zweites Hohlrad ausgebildet sind, wobei das zweite Hohlrad und das zweite Stirnrad wechselseitig ineinander greifen.
Es ist auch denkbar, dass die Stirn- und Hohlräder der Einfach-Innenexzentergetriebe durch entsprechende Reibräder ersetzt werden. Diese zeichnen sich durch Geräuscharmut und Verschleißfestigkeit aus, erfordern jedoch eine ausreichende Anpresskraft.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den Zeichnungen, in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung schematisch dargestellt ist. Dabei zeigen:
1 einen Längsschnitt durch ein Taumelscheibengetriebe;
2 einen Längsschnitt durch ein Einfach-Innenexzentergetriebe;
3 eine Ansicht des Einfach-Innenexzentergetriebes von 2;
4 bis 7 einen Längsschnitt durch konstruktive Varianten des Einfach-Innenexzentergetriebes von 2;
8 einen Querschnitt durch das Einfach-Innenexzentergetriebe von 4, jedoch mit einer einteiligen Ausbildung des zweiten Hohlrades, des Antriebsflansches und des Zwischenstücks;
9 eine Seitenansicht einer Kugelorbitalkupplung;
10 eine perspektivische Ansicht einer Scheibe der Kugelorbitalkupplung von 9;
11 einen Querschnitt durch ein Einfach-Innenexzentergetriebe mit koaxialer Anordnung der Zahnräder;
12 einen Querschnitt durch ein Einfach-Innenexzentergetriebe gemäß 11, jedoch mit vertauschtem zweiten Hohl- und Stirnrad.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist ein Längsschnitt durch ein Taumelscheibengetiebe 1 dargestellt. Dieses weist ein als Kettenritzel ausgebildetes Antriebsrad 2 auf, das über eine nicht dargestellte Kette mit einer ebensolchen Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors drehfest verbunden und mit einem drehsymmetrischen Getriebegehäuse 3 einstückig ausgebildet ist.
Das Getriebegehäuse 3 weist an seinem freien Ende einen Außenflansch 4 mit Gewindebohrungen 5 auf, an den ein erstes Kegelrad 6 mittels Schrauben 7 angeflanscht ist. Am antriebradseitigen Ende des Getriebegehäuses 3 ist ein Innenflansch 8 vorgesehen, der zur radialen und axialen Lagerung bzw. Lagefixierung des Getriebegehäuses 3 und des Antriebsrads 2 dient. Die radiale Lagerung des selben findet auf einen Absatz 9 eines zweiten Kegelrads 10 statt, während dessen axiale Lagefixierung durch eine Schulter 11 des selben in Verbindung mit einer Anlaufscheibe 12 bewirkt wird, die mit dem Antriebsrad 2 verpreßt und/oder verschweißt ist.
Das zweite Kegelrad 10 ist durch eine zentrale Spannschraube 13 mit einer Nockenwelle 14 verdrehfest verbunden. Ein Hohlflansch 15 am freien Ende der Nockenwelle 14 dient der axialen und radialen Lagefixierung des zweiten Kegelrades 10 und der Anlaufscheibe 12.
Zwischen den Kegelrädern 6, 10 befindet sich eine geneigte, beidseits verzahnte Taumelscheibe 16. Die Neigung der Taumelscheibe 16 ist so gewählt, dass die Verzahnung jeder Seite derselben im Dauereingriff mit einem der beiden Kegelräder 6, 10 steht. Die Taumelscheibe 16 ist durch zwei als Festlager ausgebildete Rillenkugellager 17 auf einer Verstellwelle 18 gelagert, die wiederum mit zwei als Loslager ausgebildeten Nadellagern 19 auf einem zylindrischen Teil 20 des zweiten Kegelrads 10 gelagert ist.
Die Verstellwelle 18 ist mit einem nicht dargestellten Rotor eines bürstenlosen, umsteuerbaren Gleichstrommotors verdrehfest verbunden. Die beiden Kegelräder 6, 10 und die Taumelscheibe 16 werden pulvermetallurgisch hergestellt. Deren Zähne werden zur Steigerung der Festigkeit bei gleich bleibender Teilegenauigkeit durch beispielsweise Verzahnungsnachwälzen oder Warm- bzw. Hochdruckpressen nachbehandelt.
Das Taumelscheibengetriebe 1 wird über Ölleitungen 21, die von einem Nockenwellenlager 22 ausgehen und hin zu einem Ringraum 23 und weiter durch nicht dargestellte, radiale Bohrung zu den Lagern 19 und 17 sowie zu den Verzahnungen führen. Eine entsprechende Gestaltung des ersten Kegelrades 6 stellt einen ausreichenden Ölstand im Taumelscheibengetriebe 1 sicher.
Das Zahnspiel kann beim Taumelscheibengetriebe 1 auf einfache Weise eingestellt werden. Durch eine passende Beilegscheibe 24 die zwischen dem Außenflansch 4 des Getriebegehäuses 3 und dem ersten Kegelrad 6 einlegbar ist, wird das Zahnspiel auf Null eingestellt. Durch Ersatz dieser Beilegscheibe durch eine um das Zahnspiel verstärkte, wird dieses eingestellt.
Das Taumelscheibengetriebe 1 funktioniert auf folgende Weise:
Im Regelbetrieb, das heißt, bei konstanter Phasenlage, läuft das Taumelscheibengetriebe 1 einschließlich des Rotors des nicht dargestellten elektrischen Verstellmotors als Ganzes mit Nockenwellendrehzahl um. Erst zum Früh- bzw. Spätverstellen der Steuerzeiten beschleunigt bzw. verzögert der Verstellmotor seinen Rotor gegenüber der Nockenwelle 14. Dadurch wird die Verstellwelle 18 relativ zum Getriebegehäuse 3 vor- oder rückgedreht, wodurch sich die Taumelscheibe 16 auf den Kegelrädern 6, 10 entsprechend der geringen Zähnezahldifferenz zwischen der Taumelscheibe und den Kegelrädern mit großer Untersetzung abwälzt und die Phasenverstellung vollzieht.
2 zeigt einen Längsschnitt durch ein Einfach-Innenexzentergetriebe 25 und 3 eine Ansicht der Abtriebsseite desselben.
Im Längsschnitt der 2 ist ein als Kettenrad ausgebildetes Antriebsrad 2a zu erkennen, das mit einem ersten Hohlrad 26 verdrehfest verbunden ist. Diese Verbindung kann durch Aufpressen, insbesondere nach beidseitiger Rändelung und/oder durch Laserschweißen erreicht werden.
Das erste Hohlrad 26 kämmt mit einem ersten Stirnrad 27, das mit einem zweiten Stirnrad 28 durch Pressverband verdrehfest verbunden ist. Dieses ist über ein erstes Nadellager 29 auf einem Einfach-Innenexzenter 30 gelagert, der über eine Zahnkupplung 31 in verdrehfester in Verbindung mit einem nicht dargestellten Rotor eines elektrischen Verstellmotors steht. Der Innenexzenter 30 ist über ein zweites Nadellager 32 auf einem Zwischenstück 33 gelagert, das durch eine nicht dargestellte zentrale Spannschraube über einen Abtriebsflansch 34 mit der ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle verdrehfest verspannt ist. Das zweite Stirnrad 28 kämmt mit einem zweiten Hohlrad 35, auf dessen Umfang das erste Hohlrad 26 mit dem Antriebsrad 2a gleitgelagert ist.
Das zweite Hohlrad 35 ist verdrehfest mit dem nockenwellenfesten Abtriebsflansch 34 verbunden. Beide liegen axial an einer Anschlagscheibe 36 an, die mit dem ersten Hohlrad 26 verdrehfest verbunden ist.
Der Abtriebsflansch 34 besitzt, wie auch aus 3 hervorgeht, eine Nase 37, die in einem den Verstellbereich des Einfach-Innenexzentergetriebes 25 begrenzendem Ringausschnitt 38 der Anschlagscheibe 36 zwischen zwei Anschlägen 39, 40 schwenkbar ist. Der Abtriebsflansch 34 läßt sich durch Sintern, Taumelpressen oder Axialwalzen spanlos herstellen. Er kann auch zusammen mit dem zweiten Hohlrad 35 gesintert werden.
Auf der Verstellmotorseite des Einfach-Innenexzentergetriebes 25 ist ein Blechdeckel 41 vorgesehen, der in einem Rezess 42 eingepreßt ist und der die Axialbewegung der beiden Stirnrädern 27, 28 und einer Verstellwelle 18' begrenzt.
Das Einfach-Innenexzentergetriebe 25 funktioniert folgendermaßen:
Im Regelbetrieb drehen sich das Einfach-Innenexzentergetriebe 25 und der Rotor des Verstellmotors als Ganzes mit Nockenwellendrehzahl. Beim Früh- oder Spätverstellen der Nockenwelle beschleunigt bzw. verzögert der Verstellmotor die Verstellwelle 18' mit dem Innenexzenter 30. Dadurch wälzen sich die Stirnräder 27, 28 auf den Hohlrädern 26, 35 ab und bewirken aufgrund der geringen Zähnezahldifferenz der zusammengehörigen Stirn/Hohlräder die Phasenverstellung mit großer Untersetzung.
4 stellt ein Einfach-Innenexzentergetriebe 25' als konstruktive Variante des Einfach-Innenexzentergetriebe 25 von 2 dar. Ein Antriebsrad 2a' ist zusammen mit einem ersten Hohlrad 26' und dessen Verzahnung einteilig gesintert. Die Verzahnung kann erforderlichenfalls nachgewalzt werden, um eine erhöhte Zahnfestigkeit zu erzielen.
Ein zweites Hohlrad 35' ist mit einem Abtriebsflansch 34' durch einen Pressverband und durch Verschweißen verbunden. Beide Bauteile können vorteilhafterweise auch einteilig durch Sintern gefertigt werden.
Ein erstes Stirnrad 27' ist um die Breite eines zweiten Stirnrades 28' erweitert. Die Verzahnung der Hohlräder 26', 35' weist trotz unterschiedlicher Zähnezahl dank Profilverschiebung einen gleichen Innendurchmesser auf und macht so ein Kämmen mit dem ersten Stirnrad 27' möglich. Das erste Stirnrad 27' kann durch Sintern aber auch durch Taumelpressen, Kaltpressen oder Fließpressen hergestellt werden.
Das erste Stirnrad 27' ist über ein erstes Nadellager 29' auf einem Einfach-Innenexzenter 30' und dieser über ein zweites Nadellager 32' auf einem Zwischenstück 33' gelagert. Dieses kann unter anderem durch Sintern, Fließpressen oder Tiefziehen gefertigt werden. Sein gegenüber dem Zwischenstück 33 verringerter Außen- und Innendurchmesser macht eine Auflage des Schraubenkopfs der zentralen Spannschraube auf einer Stirnfläche 43 des Zwischenstücks 33' erforderlich. Dies hat die modifizierte Form einer Verstellwelle 18'' zur Folge. Dieselbe kann durch Fließpressen oder Tiefziehen und eine Zahnkupplung 31' durch Ausstanzen gefertigt werden.
Der Blechdeckel 41' dient auch bei dieser Variante als axialer Anschlag für das erste Stirnrad 27' und die Verstellwelle 18'' sowie als Schmierölführung. Ein Sprengring 44 dient als axialer Anschlag des zweiten Hohlrads 35' auf der Abtriebsseite.
Das in 5 dargestellte Einfach-Innenexzentergetriebe 25'' unterscheidet sich von den Einfach-Innenexzentergetrieben 25 bzw. 25' durch die Befestigung einer Anschlagscheibe 36' an dem ersten Hohlrad 26''. Diese erfolgt tangential durch in Schlitze 45 desselben hineinragende Zapfen 46 der Anschlagscheibe 36', während als axiale Sicherung ein Sprengring 44' dient.
Ein weiterer Unterschied liegt in einem zweiteiligen Einfach-Innenexzenter 30'', der von einem entsprechend geformten, stranggepressten Rohr abschneidbar ist und der mit einer gestanzten Zahnkupplung 31'' verpress- und verschweißbar ist. In einem gesinterten Abtriebsflansch 34'' ist ein radial verlaufender Schmierölkanal 47 eingeprägt, der die Nadellager 32'', 29'' und die Verzahnungen der Stirn- und Hohlräder 27'', 28'', 26'', 35'' mit Schmieröl versorgt. Die beiden Stirnräder 27'', 28'' sind einteilig und, einschließlich ihrer Verzahnungen, gesintert.
Ein Einfach-Innenexzentergetriebe 25''' nach 6 unterscheidet sich durch folgende Merkmale von den vorhergehenden Varianten:

– ein einteiliges Antriebsrad 2a''/erstes Hohlrad 26''' ist aufgrund seiner Abmessungen als Taumelpressteil geeignet;
– eine tiefgezogene Anlaufscheibe 36'' ist mit dem Antriebsrad 2a'' durch Presssitz und Laserschweißen verdrehfest verbunden. Sie dient mit ihrem Innenumfang als Gleitlager für das Antriebsrad 2a'' und für das erste Hohlrad 26''' und zudem als Axialanschlag für ein zweites Hohlrad 35''' und den mit ihm verbundenen Abtriebsflansch 34'''.

Das in 7 dargestellte Einfach-Innenexzentergetriebe 25'''' zeichnet sich durch ein erstes Stirn- und Hohlrad 27'''', 26'''' mit rechteckigem Querschnitt aus. Diese Ringe eignen sich in besonderer Weise zum Ablängen von einem entsprechend innen- bzw. außenverzahnten Rohr. Dasselbe gilt für das erste Stirnrad 27 der 2 und das erste Stirnrad 27''' der 6.
Das erste Hohlrad 26''' ist in das Antriebsrad 2a''' eingepresst, während ein zweites Hohlrad 35''' in dem Antriebsrad 2a''' gleitgelagert und durch eine mit demselben verschweißte Anlaufscheibe 36''' axial geführt ist.
In 8 ist das Einfach-Innenexzentergetriebe 25' von 4 im Querschnitt dargestellt, jedoch mit einer einteiligen Ausbildung des Zwischenstücks 33' mit dem Antriebsflansch 34' und dem Hohlrad 35'. Dadurch wird die Zahl der Bauteile deutlich reduziert. Als Fertigungsverfahren kommt vor allem das Sintern in Frage.
9 zeigt eine Seitenansicht einer sogenannten Kugelorbitalkupplung 49, die, ähnlich einer Klauen-, Segment- oder Stiftkupplung, als Ersatz für eine Hohlrad/Stirnrad-Zahnkupplung zum Ausgleich der Exzenterbewegung dient. Die Kugelorbitalkupplung 49 weist zwei Stahlscheiben 50 auf, zwischen denen Kugeln 51 unter axialer Vorspannung eingeklemmt sind. Die Kugeln 51 sind halbseitig in Kreislaufbahnen 52 der Stahlscheiben 50 geführt (siehe auch 10), wo sie eine Kreisbewegung ausführen, ohne Spiel zu benötigen. Eine der Stahlscheiben 50 ist mit einem der Stirnräder des Einfach-Innenexzentergetriebes verdrehfest verbunden, die andere mit einem nockenwellenfesten Teil des Getriebes.
11 stellt ein Einfach-Innenexzentergetriebe 25''''' dar, das über eine Elastomerkupplung 48 mit einer nicht dargestellten Nockenwelle verdrehfest verbunden ist. Besonderes Kennzeichen dieses Getriebes ist die koaxiale Anordnung eines ersten und zweiten Hohlrades 26''''', 35''''' und eines ersten und zweiten Stirnrades 27''''', 28'''. Dadurch wird relativ wenig axialer Bauraum benötigt. Außerdem ist der Abstand des ersten Hohlrades 26''''' zu einem Doppelrillenkugellager 53, das das Kippmoment desselben und die Last eines Antriebsrades 2a'''' aufnimmt, relativ gering. Dies wirkt sich wegen der kleineren radialen Verschiebungen positiv auf das Abwälzverhalten der Verzahnungen aus. Das Antriebsrad 2a'''' ist einteilig mit dem ersten Hohlrad 26''''' ausgebildet, in gleicher Weise das erste Stirnrad 27''''' und das zweite Hohlrad 35''''', die durch einen Flansch 54 miteinander verbunden sind. Das zweite Stirnrad 28''' ist mit einem Abtriebsteil 55 und einer Verstellwelle 18'''' mit einem Einfach-Innenexzenter 30''' einteilig ausgeführt. Der Einfach-Innenexzenter 30''' und das erste Stirnrad 27''''' mit dem zweiten Hohlrad 35''''' sind auf einem zweiten und dritten Doppelrillenkugellager 56, 57 gelagert.
In 12 ist der Querschnitt eines Einfach-Innenexzentergetriebes 25'''''' dargestellt, das sich von dem der 11 durch Vertauschen des dortigen zweiten Hohlrades und des dortigen zweiten Stirnrades unterscheidet. Diese sind in 12 als ein neues zweites Hohlrad 35'''''' und ein neues zweites Stirnrad 28'''' ausgebildet und greifen wechselseitig ineinander. Ein Antriebsrad 2a'''''', ein Flansch 54' und ein Abtriebsteil 55'' sind der veränderten Konstruktion angepasst. Die Funktion der Einfach-Innenexzentergetriebe 25''''' und 25'''''' entspricht der in den 2 bis 8 dargestellte Getriebe.
Bezugszeichenliste

1: Taumelscheibengetriebe
2, 2a, 2a', 2a'', 2a''', 2a'''', 2a''''': Antriebsrad
3: Getriebegehäuse
4: Außenflansch
5: Gewindebohrung
6: erstes Kegelrad
7: Schraube
8: Innenflansch
9: Absatz
10: zweites Kegelrad
11: Schulter
12: Anlaufscheibe
13, 13': zentrale Spannschraube
14: Nockenwelle
15: Hohlflansch
16: Taumelscheibe
17: Rillenkugellager
18, 18', 18'', 18''', 18'''': Verstellwelle
19: Nadellager
20: zylindrischer Teil
21: Ölleitung
22: Nockenwellenlager
23: Ringraum
24: Beilegscheibe
25, 25', 25'', 25''', 25'''', 25''''', 25'''''': Einfach-Innenexzentergetriebe
26, 26', 26'', 26''', 26'''', 26''''': erstes Hohlrad
27, 27', 27'', 27''', 27'''', 27''''': erstes Stirnrad
28, 28', 28'', 28''', 28'''': zweites Stirnrad
29, 29', 29'': erstes Nadellager
30, 30', 30'', 30''': Einfach-Innenexzenter
31, 31', 31'': Zahnwellenkupplung
32, 32', 32'': zweites Nadellager
33, 33': Zwischenstück
34, 34', 34'', 34''': Abtriebsflansch
35, 35', 35'', 35''', 35'''', 35''''': zweites Hohlrad
36, 36', 36'', 36''': Anschlagscheibe
37: Nase
38: Ringabschnitt
39: erster Anschlag
40: zweiter Anschlag
41, 41': Blechdeckel
42: Rezess
43: Stirnfläche
44, 44': Sprengring
45: Schlitz
46: Zapfen
47: Schmierölkanal
48: Elastomerkupplung
49: Kugelorbitalkupplung
50: Stahlscheibe
51: Kugel
52: Kreislaufbahn
53: erstes Doppelrillenkugellager
54, 54': Flansch
55, 55': Abtriebsteil
56: zweites Doppelrillenkugellager
57: drittes Doppelrillenkugellager
58: drittes Stirnrad

Claims

Elektromotorischer Nockenwellenversteller zur Drehwinkelverstellung der Nockenwelle (14) eines Verbrennungsmotors gegenüber der Kurbelwelle desselben, mit einem Dreiwellengetriebe, das ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebsrad (2, 2a, 2a', 2a'', 2a'', 2a''', 2a'''', 2a''''') und ein nockenwellenfestes Abtriebsteil sowie eine Verstellwelle (18, 18', 18'', 18''', 18'''') aufweist, die mit einem Rotor eines elektrischen Verstellmotors drehfest verbunden ist, dessen Stator am Verbrennungsmotor befestigt ist, wobei das Dreiwellengetriebe aus spanlos hergestellten Radsätzen und Gehäuseteilen besteht und Einrichtungen zum Einstellen bzw. Ausgleichen des Zahnspiels aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass ein Einlaufbetrieb vorgesehen ist, mit einer auf den Zähnen angebrachten, vergleichsweise weichen und gleitfähigen Verschleißschicht, die bis zum Erreichen eines vorgegebenen Zahnspiels unter Vorspannung einläuft.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als elektrische Verstellmotoren bürstenlose Gleichstrommotoren vorgesehen sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das das Dreiwellengetriebe als ein Taumelscheibengetriebe (1) ausgebildet ist, das ein erstes, kettenradfestes Kegelrad (6), ein zweites, nockenwellenfestes Kegelrad (10) und eine beidseits verzahnte Taumelscheibe (16) aufweist, wobei diese Komponenten pulvermetallurgisch gefertigt und nach dem Sintern durch Verzahnungsnachwalzen oder Warm- oder Hochdruckpressen in ihrer Festigkeit und Härte steigerbar sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Taumelscheibengetriebe (1) ein zylindrisches Getriebegehäuse (3) mit einem Außenflansch (4) aufweist, das mit dem Antriebsrad (2) vorzugsweise einteilig ausgebildet ist, und dass das erste Kegelrad (6) an dem Außenflansch (4) des Getriebegehäuses anschraubbar ist, wobei dass Zahnspiel zwischen der Taumelscheibe (16) und den Kegelrädern (6, 10) durch eine passende Beilegscheibe (24) zwischen dem Außenflansch (4) und den ersten Kegelrad (6) einstellbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiwellengetriebe als ein Einfach-Innenexzentergetriebe (25, 25', 25'', 25''', 25'''', 25''''', 25'''''') ausgebildet ist, mit einem Einfach-Innenexzenter (30, 30', 30'', 30'''), auf dem ein erstes und zweites Stirnrad (27, 27', 27'', 27'''; 27'''', 27'''''; 28, 28', 28'', 28''', 28'''') angebracht sind, die verdrehfest miteinander verbunden sind und sich auf einem ersten und zweiten Hohlrad (26, 26', 26'', 26''', 26'''', 26'''''; 35, 35', 35'', 35''', 35'''', 35''''', 35'''''') abwälzen, wobei das erste Stirn- und Hohlrad (27, 27', 27'', 27''', 27'''', 27'''''; 26, 26', 26'', 26''', 26'''', 26''''') ausschließlich der Untersetzung der Phasenstellung und das zweite Stirn- und Hohlrad (28, 28', 28'', 28''', 28''''; 35, 35', 35'', 35''', 35'''', 35''''', 35'''''') auch oder nur als Kupplungsverzahnung zum Durchleiten der Antriebs- und Verstellleistung zur Nockenwelle (14) dienen.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Einfach-Innenexzenter (30, 30', 30'', 30''') und die beiden Stirnräder (27, 27', 27'', 27''', 27'''', 27'''''; 28, 28', 28'', 28''', 28'''') sowie gegebenenfalls das Antriebsrad (2a, 2a', 2a'', 2a''', 2a'''', 2a''''') wälzgelagert sind, wobei das Antriebsrad gegebenenfalls ein Vierpunktlager aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohl- und Stirnräder (26'''; 27, 27'', 27''') als innen- bzw. außenverzahnte Zahnringe ausgebildet sind, die von innen- bzw. außenzahnprofilierten Rohren in erforderlicher Länge abtrennbar sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohl- und Stirnräder (26''''; 27, 27''', 27'''') aus zahnprofilierten Bändern zu Zahnringen umformbar, durch Schweißen oder Klipsen schließbar und anschließend nachkalibrierbar sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dreiwellengetriebe als Einfach-Innenexzentergetriebe (25, 25', 25'', 25''', 25'''', 25''''', 25'''''') ausgebildet ist, mit einem Einfach-Innenexzenter (30, 30', 30'', 30''') auf dem ein drittes Stirnrad angebracht ist, welches sich auf einem ersten und zweiten Hohlrad (26', 35') abwälzt, wobei die Anzahl der Zähne des ersten Hohlrades (26') von der Anzahl der Zähne des zweiten Hohlrades (35') abweicht.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass ein Zahnspielausgleich bei dem ersten Hohlrad (26, 26', 26'', 26''') und Stirnrad (27, 27', 27'', 27''', 27'''') durch Einbau eines dazu passenden Einfach-Innenexzenters (30, 30', 30'') erfolgt, während der Zahnspielausgleich bei dem zweiten Hohlrad (35, 35', 35'', 35''') und Stirnrad (28, 28') entweder durch entsprechende Profilverschiebung von deren Zähnen oder durch einen zusätzlichen, vom Einfach-Innenexzenter (30, 30', 30'') unabhängig einstellbaren, auf der Verstellwelle (18, 18', 18'') verdrehgesicherten Ausgleichsexzenter erfolgt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Zahnspielausgleich durch leicht konisch ausgebildete, axial bis zu einer Linienberührung ineinander schiebbare Stirn- und Hohlräder erfolgt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass bei einem als Innenexzentergetriebe ausgebildeten Dreiwellengetriebe die Verzahnungen der Hohl- und Stirnräder (27, 27', 27'', 27''', 27'''', 27'''''; 26, 26', 26'', 26''', 26'''', 26''''', 28, 28', 28'', 28''', 28''''; 35, 35', 35'', 35''', 35'''', 35''''', 35'''''') bzw. bei einem als Taumelscheibengetriebe ausgebildeten Dreiwellengetriebe die Verzahnungen der Kegelräder (6, 10) und der Taumelscheibe (16) mit einer Beschichtung aus duktilem Material versehen sind und die ineinandergreifenden Verzahnungen unter Vorspannung montiert sind, wobei das duktile Material Kupfer oder ein Kunststoff ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verschleißschicht Kupfer oder Kunststoff aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Hohlrad (35, 35') mit einem Abtriebsflansch (34, 34') und gegebenenfalls mit einem Zwischenstück (33, 33') einteilig ausbildbar und durch zum Beispiel Taumel- oder Axialpressen, Sintern oder Tiefziehen herstellbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Exzenter (30, 30', 30'') und die Verstellwelle (18, 18', 18'') mit einer Zahnwellenkupplung (31, 31', 31'') ein- oder zweiteilig ausführbar sind.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Einfach-Innenexzentergetriebe (25, 25', 25'', 25''', 25'''') an Stelle eines das Nockenwellendrehmoment übertragenden Hohl/Stirnradpaares eine sogenannte Kugelorbitalkupplung (49) aufweist, bei der Kugeln (51), die halbseitig in Kreislaufbahnen (52) zweier gleicher, unter axialer Vorspannung stehender Stahlscheiben (50) geführt sind, das Drehmoment spielfrei übertragen und die Exzenterbewegung ausgleichen, wobei eine der Stahlscheiben (50) mit einem Stirnrad des Getriebes und die andere mit einem nockenwellenfesten Teil derselben verdrehfest verbunden sind.