VERSTELLBARE NOCKENWELLE MIT EINEM PLANETENGETRIEBE

Die Erfindung betrifft eine verstellbare Nockenwelle, insbesondere für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen, nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

üblicherweise werden verstellbare Nockenwellen dazu verwendet, die Ventilöffnungszeiten der Einlass- und/oder Auslassventile eines Verbrennungsmotors zu steuern, insbesondere an eine Drehzahl und/oder an eine Last des Motors anzupassen. Zum Verändern der Ventilöffnungszeiten weisen die verstellbaren Nockenwellen eine Stelleinrichtung auf.

Eine gattungsgemäße verstellbare Nockenwelle ist beispielsweise aus der EP 0 396 280 bekannt, welche als Stelleinrichtung ein Planetengetriebe aufweist. Hierbei wird eine Antriebskraft von einem Ketten-/Riemenrad auf einen Planeten- radträger übertragen und auf diese Weise in das Planetengetriebe eingebracht. Eine Phaseneinstellung erfolgt dabei ü- ber eine Antriebswelle, welche mit zumindest einem der Planetenräder kämmend verbunden ist.

Eine weitere verstellbare Nockenwelle ist aus der DE 28 42 154 Al bekannt. Bei dieser verstellbaren Nockenwelle wird eine Antriebskraft über ein Sonnenrad in das Planetengetriebe eingebracht und über ein Ringrad mit einem innenliegenden Zahnkranz, welcher mit zumindest einem der Planetenräder kämmt, an eine Nockenwelle übertragen. Zur Phasenverstellung wird hierbei ein Planetenradträger um die Nockenwellenachse verdreht .

Aus der DE 103 17 607 Al ist eine Stellvorrichtung bekannt, welche einen Elektromotor zu Phasenverstellung aufweist. Dieser kann je nach Ausführungsform beispielsweise auf ein Planetenrad oder einen Steuerstift einwirken.

Die Erfindung beschäftigt sich mit dem Problem, eine verbesserte Ausführungsform einer gattungsgemäßen Nockenwelle anzugeben, welche sich insbesondere durch eine vereinfachte Herstellbarkeit auszeichnet.

Dieses Problem wird erfindungsgemäß durch den Gegenstand des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.

Die Erfindung beruht auf dem allgemeinen Gedanken, bei einer verstellbaren Nockenwelle eine Phasenstelleinrichtung mit einem Planetenradgetriebe derart auszubilden, dass einerseits durch eine Verdrehung eines Planetenradträgers eine Phasenverstellung zwischen der Nockenwelle und einem Antrieb bewirkt wird und andererseits ein Antrieb beziehungsweise

Abtrieb des Planetenradgetriebes von zwei koaxial zueinander angeordneten Sonnenrädern übernommen wird. Die erfindungsgemäße verstellbare Nockenwelle ist dabei insbesondere für Verbrennungsmotoren von Fahrzeugen geeignet und über ein Verbindungsglied, vorzugsweise ein Ketten-/Riemenrad, mit einem Antrieb, beispielsweise einer Kurbelwelle, verbunden. Die zwei koaxial zueinander angeordneten Sonnenrädern sind von Planetenrädern umgeben, wobei das erste Sonnenrad drehfest mit dem Antrieb, das heißt mit dem Ketten-/Riemenrad und das zweite Sonnenrad drehfest mit der Nockenwelle verbunden sind. Sämtliche Planetenräder sind dabei jeweils über eine Planetenradachse auf einem Planetenradträger drehbar gelagert, durch dessen Verdrehung um die Nockenwellenachse die Phasenverstellung zwischen Nockenwelle und Antrieb bewirkt wird. Durch eine derart ausgebildete Phasenstelleinrichtung kann die Nockenwelle insgesamt deutlich einfacher hergestellt werden. Darüber hinaus lässt sich durch ein derartig ausgebildetes Planetenradgetriebe eine besonders kompakte und gleichzeitig hochdynamische Bauweise erreichen, was insbesondere im Hinblick auf ein immer kleiner werdendes Platzangebot in modernen Motorräumen von besonderem Vorteil ist. Zudem zeichnet sich die erfindungsgemäße Nockenwelle durch eine äußerst hohe Laufruhe aus. Weitere Vorteile sind beispielsweise eine geringere Massenträgheit und dadurch eine verbesserte Verstellmöglichkeit sowie ein im Vergleich zu herkömmlichen Phasenstelleinrichtungen deutlich vergrößerter Stellwinkelbereich .

Zweckmäßig ist das Planetengetriebe derart ausgebildet, dass es eine übersetzung einer Drehbewegung vom Antrieb auf die Nockenwelle bewirkt. Hierbei kann ein übersetzungsverhältnis, welches üblicherweise 2:1 von der Kurbel- auf die Nockenwelle beträgt, in besonders einfacher und dennoch genauer Weise durch eine entsprechende Ausbildung der Sonnenräder beziehungsweise der diese umgebenden Planetenräder bewerkstelligt werden.

Gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform der erfindungsgemäßen Lösung ist eine Antriebseinrichtung zur Betätigung der Phasenstelleinrichtung, das heißt zur Verdrehung des Planetenradträgers vorgesehen, welche über ein Schneckenrad in eine am Planetenradträger angeordnete Zahnspur eingreift. Die übertragung der Drehkräfte von der Antriebseinrichtung auf den Planetenradträger über ein in die Zahnspur eingreifendes Schneckenrad erlaubt eine äußerst fein justierbare Verdrehung des Planetenradträgers und dadurch eine besonders exakte Möglichkeit der Phaseneinstellung.

Bei einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform weist die Nockenwelle eine koaxial in einer Außenwelle angeordnete Innenwelle auf, die drehfest mit ersten Nocken verbunden ist, während die Außenwelle drehfest mit zweiten Nocken verbunden ist und wobei die Innenwelle relativ zur Außenwelle drehbar gelagert ist und wobei zur Erzeugung dieser Relativbewegung eine zweite Phasenstelleinrichtung vorgesehen ist. Hierdurch wird ermöglicht, dass nicht nur die Ventilöffnungszeiten der

Einlassventile steuerbar sind, sondern auch die der Auslassventile, wodurch sich die Leistungsfähigkeit eines mit der erfindungsgemäßen Nockenwelle ausgestatteten Verbrennungsmotors weiter steigern lässt.

Vorteilhafte, nachstehend noch näher erläuterte Ausführungsbeispiele sind in den Zeichnungen darstellt.

In diesen zeigen, jeweils schematisch,

Fig. 1 einen Teillängsschnitt durch eine erfindungsgemäße verstellbare Nockenwelle im Bereich einer Phasenstelleinrichtung,

Fig. 2 einen Querschnitt durch die Phasenstelleinrichtung,

Fig. 3 eine Darstellung eines Planetengetriebes der Phasenstelleinrichtung,

Fig. 4 eine Darstellung wie in Fig. 3, mit angebrachtem Planetenradträger und damit in Eingriff stehender Antriebseinrichtung,

Fig. 5 eine Darstellung wie in Fig. 4, jedoch aus einer anderen Perspektive,

Fig. 6 eine vollständig verkleidete Phasenstelleinrichtung.

Entsprechend Fig. 1 weist eine verstellbare Nockenwelle 1 mehrere Nocken 2 auf, mit welchen beispielsweise die Ventilöffnungszeiten von Einlass- und/oder Auslassventilen eines nicht gezeigten Verbrennungsmotors gesteuert werden. Die Nocken 2 weisen dabei eine für diese charakteristische exzentrische Form auf. über ein Ketten-/Riemenrad 3 ist die verstellbare Nockenwelle 1 mit einem nicht gezeigten Antrieb, insbesondere mit einer Kurbelwelle des Verbrennungsmotors verbunden. Längsendseitig der Nockenwelle 1 ist eine Phasenstelleinrichtung 4 angeordnet, welche zur Phasenverstellung zwischen der Nockenwelle 1 und dem Antrieb, also dem Ketten- /Riemenrad 3 ausgebildet ist.

Die Phasenstelleinrichtung 4 weist ein Planetengetriebe 5 (vergleiche auch die Fig. 2 bis 5) mit zumindest zwei koaxial zueinander angeordneten Sonnenrädern 6 und 7 sowie diese umgebenden Planetenräder 8 auf. Das erste Sonnenrad 6 steht dabei über das Planetenrad 8 mit dem zweiten Sonnenrad 7 in Wirkverbindung. Darüber hinaus ist das erste Sonnenrad 6 drehfest mit dem Ketten-/Riemenrad 3 und damit mit dem Antrieb verbunden, während das zweite Sonnenrad 7 drehfest mit der Nockenwelle 1 verbunden ist. Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ist das erste Sonnenrad 6 Bestandteil des Ket- ten-/Riemenrades 3 und/oder wie in Fig. 1 dargestellt, einteilig mit diesem ausgebildet.

Die Planetenräder 8, wovon in Fig. 1 lediglich ein einziges geschnitten gezeigt ist, sind jeweils über eine Planetenrad-

achse 9 auf einem Planetenradträger 10 drehbar gelagert. Der Planetenradträger 10 wiederum ist bezüglich der Nockenwellenachse 11 verdrehbar, wobei eine Verdrehung des Planeten- radträgers 10 eine Phasenverstellung zwischen der Nockenwelle 1 und dem Antrieb, das heißt dem Ketten-/Riemenrad 3 bewirkt .

Wie der Fig. 1 weiter zu entnehmen ist, sind die Planetenräder 8 beziehungsweise das gemäß Fig. 1 geschnitten gezeichnete Planetenrad 8 gestuft ausgebildet und kämmen mit ihrer jeweils ersten Stufe 12 mit dem ersten Sonnenrad 6 und mit ihrer jeweils zweiten Stufe 13 mit dem zweiten Sonnenrad 7. Durch einen unterschiedlich großen Durchmesser der ersten und zweiten Stufe 12 und 13 mit jeweils einer unterschiedlichen Anzahl an Zähnen sowie durch die Tatsache, dass das erste Sonnenrad 6 im Vergleich zum zweiten Sonnenrad 7 ebenfalls einen unterschiedlichen Durchmesser und eine unterschiedliche Anzahl an Zähnen aufweist, findet durch das Planetengetriebe 5 eine übersetzung einer Drehbewegung vom Ket- ten-/Riemenrad 3 auf die Nockenwelle 1 statt.

Wie eingangs erwähnt, ist der Planetenradträger 10 um die Nockenwellenachse 11 verdrehbar gelagert, wobei eine Verdrehung des Planetenradträgers 10 eine Phasenverstellung zwischen dem Ketten-/Riemenrad 3 und der Nockenwelle 1 bewirkt. Um den Planetenradträger 10 zu verdrehen, ist eine Antriebseinrichtung 14 (vergleiche Fig. 2), beispielsweise ein Elektromotor, vorgesehen. Selbstverständlich ist auch denk-

bar, dass die Antriebseinrichtung 14 pneumatisch oder hydraulisch betrieben ist.

Der Fig. 2 ist dabei zu entnehmen, dass eine Welle 15 der Antriebseinrichtung 14 ein Schneckenrad 16 trägt, welches mit einer am Planetenradträger 10 angeordneten Zahnspur 17 kämmt. Zwischen der Antriebseinrichtung 14 und dem Planetenradträger 10 ist somit ein Schraubwälzgetriebe vorgesehen. Dieses Schraubwälzgetriebe, welches die Zahnspur 17 sowie das Schneckenrad 16 umfasst, stellt dabei lediglich eine mögliche Ausführungsform dar, so dass auch andere Verstellmechanismen zur Verdrehung des Planetenradträgers 10 von der Erfindung mit umfasst sein sollen.

Betrachtet man die Fig. 1, so fällt auf, dass eine Antriebskraft für die Nockenwelle 1 über das Ketten-/Riemenrad 3 in das Planetengetriebe 5 eingebracht wird, wobei die Drehkraft über das erste Sonnenrad 6 auf die erste Stufe 12 des Planetenrades 8 und von dieser auf die zweite Stufe 13 des Planetenrades 8 übertragen wird. Die zweite Stufe 13 des Planetenrades 8 kämmt mit dem zweiten Sonnenrad 7, so dass hier ebenfalls eine Kraftübertragung stattfindet.

Gemäß Fig. 1 ist das zweite Sonnenrad 7 über ein axiales Fixierelement 18, hier in der Art einer Schraube darstellt, gegen eine Stirnseite der Nockenwelle 1 verspannt, so dass das zweite Sonnenrad 7 drehfest mit der Nockenwelle 1 verbunden ist.

Die Planetenradachse 9 ist einenends fest im Planetenradträ- ger 10 gelagert, während sie mit ihrem, dem Planetenradträ- ger 10 abgewandten Ende fest in einer Deckplatte 19 gelagert ist. Die Deckplatte 19 wiederum ist drehbar bezüglich des Ketten-/Riemenrades 3 gelagert. Gemäß den Fig. 1 bis 6 ist dabei eine Nockenwelle 1 gezeigt, bei welcher mittels der Phasenstelleinrichtung 4 entweder die öffnungszeiten der Einlassventile oder die öffnungszeiten der Auslassventile gesteuert werden können.

Denkbar ist eine derartige erfindungsgemäße Phasenstelleinrichtung 4 aber auch für verstellbare Nockenwellen mit einer koaxial in einer Außenwelle angeordneten Innenwelle, bei welcher die Innenwelle drehbar mit ersten Nocken und die Außenwelle drehbar mit zweiten Nocken verbunden ist und wobei die Innenwelle relativ zur Außenwelle drehbar gelagert ist. Bei einer derartigen Ausführungsform der Nockenwellen können dann sowohl die öffnungszeiten für die Einlassventile als auch die öffnungszeiten für die Auslassventile gesteuert werden. Zur Erzeugung einer Relativverdrehung der Innenwelle bezüglich zur Außenwelle ist dann vorzugsweise eine zweite Phasenstelleinrichtung vorgesehen, welche beispielsweise koaxial zur ersten Phasenstelleinrichtung 4 angeordnet sein kann .

Generell funktioniert die erfindungsgemäße Nockenwelle 1 wie folgt:

Angetrieben wird das Ketten-/Riemenrad 3 von einem Antrieb, beispielsweise einer Kurbelwelle, mit welchem es, beispielweise über eine Kette, verbunden ist. Drehfest mit dem Ket- ten-/Riemenrad 3 verbunden, insbesondere einteilig mit diesem ausgebildet, ist das erste Sonnenrad 6, welches mit der ersten Stufe 12 des Planetenrades 8 kraftübertragend kämmt. Durch die unterschiedliche Ausgestaltung zwischen der ersten und der zweiten Stufe 12, 13 des Planetenrades 8 erfolgt eine übersetzung der Drehbewegung vom Ketten-/Riemenrad 3 auf das zweite Sonnenrad 7, welches mit der zweiten Stufe 13 des Planetenrades 8 kraftübertragend kämmt. Durch eine Verdrehung des Planetenradträgers 10, auf welchem die Planetenräder 8 drehbar gelagert sind, erfolgt eine Phasenverstellung zwischen der Nockenwelle 1 und dem Antrieb. Das übersetzungsverhältnis des Planetenradgetriebes 5 ist dabei wie folgt charakterisiert:

Z.

Abtriebsdrehzahl = Antriebsdrehzahl • 5.

Z- 12 Z,

Wobei Z die Anzahl der Zähne und die Zahl das Bezugszeichen des jeweiligen Zahnrades in der Figurendarstellung bezeichnet .

Ein übersetzungsverhältnis zwischen dem Planetenradträger 10 und der Nockenwelle 1 ist dabei:

Abtriebsdrehzahl = Antriebsdrehzahl

Bei den dargestellten Nockenwellen 1 ist das erste Sonnenrad 6 konzentrisch zur Nockenwelle 1 und unabhängig von dieser drehbar angeordnet. Gemäß Fig. 1 ist dabei das Ketten- /Riemenrad 3 einteilig am ersten Sonnenrad 6 ausgeführt, wobei auch denkbar ist, dass das Sonnenrad 6 und das Ketten- /Riemenrad 3 separat voneinander hergestellt und anschließend miteinander verbunden werden. Da das Ketten-/Riemenrad 3 im Vergleich zur Nockenwelle 1 eine unterschiedliche Drehgeschwindigkeit aufweist, muss zwischen diesen beiden eine Schmierung erfolgen. Dies kann beispielsweise über eine Leckagebohrung eines Nockenwellenlagers erfolgen. Denkbar ist auch, dass die Phasenstelleinrichtung 4 gegenüber der Nockenwelle 1 derart abgedichtet ist, beispielsweise über einen Dichtring 20, dass eine einmal eingebrachte Schmierölmenge im Inneren der Phasenstelleinrichtung 4 verbleiben und die Schmierung zwischen Ketten-/Riemenrad 3 und Nockenwelle 1 übernehmen kann.

Der Planetenradträger 10 kann in der Art eines Käfigs beziehungsweise Gehäuses ausgebildet sein und über Verbindungselemente 21 mit der Deckplatte 19 verbunden sein. Selbstverständlich ist auch denkbar, dass das derzeitig gemäß Fig. 1 rechts angeordnete Ketten-/Riemenrad 3 bei einer anderen Ausführungsform links angeordnet ist. Generell ist die gesamte Phasenstelleinrichtung 4 von einem diese umschließenden Gehäuse 22, welches zugleich Schmierstoffdicht ist, abgeschlossen .

Die erfindungsgemäße Nockenwelle bietet den großen Vorteil, dass eine Phasenstelleinrichtung 4 mit einem Planetengetriebe 5 geschaffen wird, welche einen lediglich sehr kompakten Bauraum benötigt und zudem im Betrieb sehr ruhig arbeitet. Darüber hinaus ist durch die erfindungsgemäße Phasenstelleinrichtung 4 ein im Vergleich zu aus dem Stand der Technik bekannten Phasenstelleinrichtungen größerer Verstellwinkel einstellbar. Schließlich ist neben einer einfachen Herstellbarkeit der erfindungsgemäßen Phasenstelleinrichtung 4 auch die relativ geringe Massenträgheit des Planetenradgetriebes 5 zu erwähnen, was sich positiv auf eine Energiebilanz auswirkt .

Durch die Tatsache, dass die Phasenstelleinrichtung 4 ausschließlich Komponenten, wie beispielsweise das erstes Sonnenrad 6, das zweites Sonnenrad 7, die Planetenräder 8 und die Zahnspur 17, aufweist, welche alle einen nach außen gerichteten Zahnkranz tragen, ist die Phasenstelleinrichtung 4, respektive das Planetengetriebe 5, insgesamt sehr kostengünstig herzustellen.

Alle in der Beschreibung und in den nachfolgenden Ansprüchen dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in beliebiger Form miteinander kombiniert erfindungswesentlich sein .

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