Vorrichtung zur diskreten Phaseoverschiebung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung eines Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle mit einem Antriebsrad, einem Koppelgetriebe, einer Abtriebswelle, die über das Koppelgetriebe angetrieben ist und einem Aktuator, bei dessen Betätigung der Drehwinkel des Antriebsrades zur Abtriebswelle über das Koppelgetriebe verschiebbar ist.

Vorrichtungen zur Phasenverschiebung werden beispielsweise genutzt, um den Drehwinkel zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors zu verschieben. Auch können solche Vorrichtungen in Verbrennungsmotoren zur zyklusgenauen Steuerung eines Abgasrückführsystems verwendet werden. Die Phasenverschiebung dient zur variablen Ventilzeitsteuerung zur Verbesserung des Verbrennungsprozesses im Motor. Zur Phasenverschiebung der Nockenwelle sind beispielsweise Flügelzellen-Nockenversteller, Nockenwellenketten versteller oder axial verschiebbare

Verzahnungselemente bekannt. Als vorteilhaft haben sich elektrische Phasenversteller herausgestellt, welche möglichst nur in den Zeiträumen bestromt werden müssen, in denen eine Verstellung erforderlich ist.

So wird in der US 5,680,836 eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung zwischen einer Nockenwelle und einer Kurbelwelle mit einem Planetengetriebe offenbart. Hierbei ist ein Planetenträger auf einer Nockenwelle fest angeordnet, wobei die Planetenräder mit dem Sonnenrad und einer Innenverzahnung eines Antriebsrades in Eingriff stehen. Das Antriebsrad wird beispielsweise über einen Kettentrieb in einem festen Übersetzungsverhältnis über die Kurbelwelle angetrieben. Eine Drehwinkelverstellung erfolgt bei dieser Ausführung durch Verdrehen des Sonnenrades mittels eines Stellantriebs. Nachteilig an einer derartigen Ausführung ist, dass zum Festhalten des Sonnenrades ein elektrischer Stellantrieb mit Spannung versorgt werden muss, da keine Selbsthemmung des Antriebs vorliegt. Entsprechend liegt ein hoher permanenter Energiebedarf vor.

Eine weitere Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle gegenüber einem Antriebsrad ist aus der DE 197 06 855 AI bekannt. Bei dieser Vorrichtung liegt ein exzentrisch angeordnetes Stellelement im Kraftfluss zwischen Antriebsrad und Abtriebswelle, deren Verbindung durch eine Kupplung gelöst werden kann. Das Stellelement besteht aus einer zwei Schwenkachsen verbindenden Schwinge, wobei die Schwenkachsen durch Zapfen gebildet werden, die in Schlitzen geführt sind. Bei der Dreh Winkelverstellung wird der erste Zapfen auf einer radialen Geraden bewegt während der zweite Zapfen längs einer EUipsenUnie verfahren wird, wodurch eine relative Drehung zwischen Antriebsrad und Abtriebswelle entsteht. Diese Anordnung ist jedoch bezüglich des maximalen Verstell Winkels durch ein notwendiges Fenster in einem Flansch, der auf der Abtriebswelle angeordnet ist, sehr eingeschränkt. Zusätzlich ist eine Synchronisierung zwischen den Zahnrädern zur Verstellung erforderlich. Die Verstellung des Stellelementes erfolgt aufgrund der exzentrischen Anordnung hydraulisch . Dieser hydraulische Druck muss über den gesamten Verstellzeitraum zur Verfügung gestellt werden.

Bei den bekannten Ausführungen ist somit während des gesamten Verstellvorgangs und häufig auch darüber hinaus von außen eine Kraft aufzubringen. Entsprechend liegt ein hoher Energiebedarf vor. Der zu verwendende Aktuator muss entsprechend groß ausgelegt werden, um die notwendigen Stellkräfte aufbringen zu können. Es stellt sich daher die Aufgabe, eine Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle zu schaffen, bei der die mechanische Belastung des Aktuators und gleichzeitig der Energiebedarf des Aktuators minimiert werden. Die Vorrichtung soll dabei robust ausgeführt sein und gleichzeitig nur einen geringen Bauraum benötigen.

Diese Aufgabe wird durch eine Vorrichtung zur Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle mit den Merkmalen des Hauptanspruchs gelöst.

Dadurch, dass als Koppelgetriebe ein Viergelenk mit zwei zum Antriebsrad ortsfesten Achsen und zwei bezüglich des Antriebsrades beweglichen Achsen dient, wobei das Viergelenk einen Exzenter aufweist, dessen Drehachse eine erste der ortsfesten Achsen ist und dessen Exzenterabtriebsachse eine erste der beweglichen Achsen ist und auf einer zweiten der beweglichen Achsen eine Rolle oder ein Zahnrad angeordnet ist, die wahlweise in einer von zumindest zwei Konturen, die relativ zur Rolle oder zum Zahnrad bewegbar sind, umläuft, wobei die Rolle oder das Zahnrad durch Mittel zum Andrücken gegen die Kontur belastet ist, wird es möglich, ein zur Verstellung des Phasenwinkels erforderliches Drehmoment allein aus dem Antriebsmoment des Antriebsrades zu entnehmen. Ein Energieeintrag ist lediglich kurzzeitig zur axialen Verschiebung der Konturen einzubringen, während im Laufe der Drehwinkelverstellung keine zusätzliche Energie eingebracht werden muss. Entsprechend können kleinere Steller benutzt werden. Des Weiteren sinkt der Energieverbrauch durch die kürzeren Betätigungszeiträume.

Vorzugsweise ist eine erste der zumindest zwei Konturen eine Kreiskontur. Während die Rolle oder das Zahnrad in dieser Kreiskontur abläuft, entsteht keine Verstellung des Drehwinkels, da der Exzenter durch die Kreiskontur nicht zum Antriebsrad gedreht wird. Entsprechend muss der Durchmesser des Kreises der Einhüllenden der Rolle beziehungsweise des Zahnrades bei einer Bewegung entsprechen, bei der die Stellung des Exzenters relativ zum Antriebsrad unverändert bleibt.

5 In weiterer Ausbildung der Erfindung weisen eine zweite und dritte Kontur Drehwinkelbereiche auf, deren Durchmesser größer oder kleiner ist als der des Kreises der ersten Kontur und Drehwinkelbereiche, die einen gleichen Durchmesser aufweisen, wie der Kreis der ersten Kontur. Der Bereich gleichen Durchmessers dient als Synchronisationsbereich, bei dessen i o Durchlauf von einer Kontur zur anderen umgestellt werden kann. Die anderen Drehwinkelbereiche erzeugen in einem Viergelenk eine Drehung der Exzenterabtriebsachse relativ zum Antriebsrad. Somit wird jedoch auch die Abtriebs weife um einen entsprechenden Winkel gedreht. Dies bedeutet, dass während einer Umdrehung der Rolle auf der Kontur die

15 Abtriebswelle um einen festen Winkel zum Antriebsrad verdreht wird, was bedeutet, dass pro Umdrehung eine diskrete Verstellung erfolgt.

Vorzugsweise ist die erste ortsfeste Achse des Viergelenks durch eine erste Welle gebildet, die drehbeweglich im Antriebsrad gelagert ist und auf0 der der Exzenter angeordnet ist. Auf dem Exzenter ist drehbeweglich eine erste Verbindungsstange gelagert, an deren gegenüberliegendem Ende eine zweite Welle drehbeweglich gelagert ist, auf der die Rolle oder das Zahnrad und eine zweite Verbindungsstange drehbeweglich gelagert sind und welche als zweite bewegliche Achse dient. Am entgegengesetzten5 Ende der zweiten Verbindungsstange ist eine dritte Welle dreh beweg lieh gelagert, deren entgegengesetztes Ende am Antriebsrad befestigt ist und als zweite zum Antriebsrad ortsfeste Achse dient. So wird auf einfache Weise das erforderliche Viergelenk verwirklicht. 0 In weiterer Ausbildung ist die erste Welle zentral drehbar im Antriebsrad gelagert. Dies erleichtert die Lagerung der Exzenterwelle, wodurch die Lebensdauer der Vorrichtung erhöht wird. In einer weiteren Ausführung ist auf der ersten Weile dreh fest ein Zahnrad angeordnet, welches über ein Untersetzungsgetriebe mit der Abtriebswelle gekoppelt ist. So wird die erforderliche Untersetzung auf einfache Weise verwirklicht.

Eine besonders einfache Form der Verstellung ergibt sich, wenn die Konturen hintereinander angeordnet sind und durch den Aktuator axial verschiebbar sind.

In einer Weiterführung der Erfindung weist die Vorrichtung ein zweites Viergelenk auf, dessen beiden ortsfesten Achsen und dessen erste bewegliche Achse den Achsen des ersten Viergelenks entsprechen und auf dessen zweiter beweglicher Achse eine zweite Rolle oder ein zweites Zahnrad drehbeweglich angeordnet ist, die oder das in zu den ersten Konturen korrespondierenden weiteren Konturen umläuft. Dieses zweite Viergelenk verringert die Freiheitsgrade der Bewegung der Rolle, so dass ein zur korrekten Funktion erforderliches Abrollen der Rolle auf der Kontur weitestgehend sichergestellt wird .

Um weiterhin nur einen Aktuator verwenden zu müssen, sind die weiteren Konturen gemeinsam mit den ersten Konturen über den Aktuator axial verstellbar. Somit ist eine Synchronisation bei der Bewegung sichergestellt.

In einer bevorzugten Ausführung sind die Mittel zum Andrücken der Rolle oder des Zahnrades gegen die Kontur durch ein Federelement gebildet. Dieses drückt die Rolle gegen die Kontur, wodurch auf besonders einfache Weise das Abrollen der Rolle beziehungsweise des Zahnrades auf der Kontur sichergestellt wird. Vorzugsweise spannt das Federelement die an der zweiten ortsfesten Achse gelagerten Verbindungsstangen nach außen vor. Auf diese Art ist das Federelement besonders einfach und montagefreundlich angeordnet. Besonders vorteilhaft ist es, wenn um die zweite ortsfeste Achse eine Schraubenfeder als Federelement angeordnet ist, deren Federschenkel vorgespannt gegen Anschläge anliegen, die an den an der zweiten ortsfesten Achse drehbar gelagerten Verbindungsstangen angeordnet sind. Diese Art der Anordnung des Federelementes ist einfach und somit kostengünstig durchführbar.

Es wird somit eine Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer AbtriebsweJfe geschaffen, bei der der Energiebedarf des Aktuators minimiert wird, da sowohl nur geringe Stell kräfte notwendig sind als auch die Verstelizeiten extrem kurz sind. Das Drehmoment zur Verstellung des Drehwinkeis wird vollständig aus dem Antriebsmoment des Antriebsrades entnommen. Die gesamte Herstellung und Montage bleibt dabei kostengünstig durchführbar.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung des Drehwinkels zwischen einem Antriebsrad und einer Abtriebswelle ist in den Zeichnungen schematisch dargestellt und wird nachfolgend beschrieben .

Figur 1 zeigt eine Seitenansicht einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung in schematischer Darstellung.

Figur 2 zeigt eine Kopfansicht der Vorrichtung aus Figur 1 ohne Konturen in schematischer Darstellung.

Figur 3 zeigt schematisch einen Vergleich der unterschiedlichen Konturen. Die in den Figuren dargestellte Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur diskreten Phasenverschiebung besteht aus einem Antriebsrad 2, welches beispielsweise als Kette nritzel ausgeführt und über eine Kette mit einer Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine gekoppelt sein kann . Dieses Antriebsrad 2 ist auf einer Abtriebswelle 4 gelagert, welche erfindungsgemäß in diskreten Schritten zum Antriebsrad 2 verdreht werden kann, um eine Phasenverschiebung der Öffnungszeiten der Einlassventile zum Drehwinkel der Kurbelwelle zu verwirklichen und welche als Achse bei der Drehung des Antriebsrades 2 dient.

Am Antriebsrad 2 im radial weiter außen liegenden Bereich ist eine Lagerstelle 6 ausgebildet, in der eine erste Weile 8 gelagert ist, die als erste zum Antriebsrad 2 ortsfeste Achse eines als Koppelgetriebe dienenden Viergelenks 10 dient. Diese zum Antriebsrad 2 ortsfeste Achse ist gleichzeitig die Drehachse eines Exzenters 12, der auf der ersten Welle 8 befestigt ist und dessen Exzenterabtriebsachse 14 somit um die erste ortsfeste Drehachse gedreht wird. Diese Exzenterabtriebsachse 14 dient als erste zum Antriebsrad 2 bewegliche Achse des Viergelenks 10.

Auf dem Exzenter 12 ist wiederum drehbeweglich um die Exzenterabtriebsachse 14 eine erste Verbindungsstange 16 angeordnet, deren entgegengesetztes Ende drehbeweglich auf einer zweiten Welle 18 angeordnet ist, welche als zweite zum Antriebsrad 2 bewegliche Achse des Viergelenks 10 dient und auf der zusätzlich drehbeweglich eine Rolle 20 angeordnet ist. Auf der zweiten Welle 18 ist des Weiteren ein erstes Ende einer zweiten Verbindungsstange 22 angeordnet, deren entgegengesetztes Ende eine dritte Welle 24 umschließt, welche als zweite ortsfeste Achse des Viergelenks 10 dient und welche ebenfalls im Antriebsrad 2 befestigt ist. Wie insbesondere in Figur 2 zu erkennen ist, ist diese dritte Welle 24 im Wesentlichen auf der zur ersten Welle 8 gegenüberliegenden Seite des Antriebsrades 2 angeordnet. Auf dieser dritten Welle 24 ist zusätzlich eine dritte Verbindungsstange 26 gelagert, deren entgegengesetztes Ende wiederum auf einer vierten Welle 28 gelagert ist, auf der zusätzlich eine zweite Rolle 30 gelagert ist und welche als zweite bewegliche Achse zum Antriebsrad eines zweiten Viergelenkes 32 dient, deren erste bewegliche Achse wiederum die Exzenterabtriebsachse 14 ist, mit der die vierte Welle 28 mittels einer vierten Verbindungsstange 34 drehbeweglich verbunden ist. Um die dritte Welle 24 ist ein Federelement 36 in Form einer Schraubenfeder angeordnet, deren zwei Federschenkel 38, 40 gegen Anschläge 42, 44 anliegen. Diese Anschläge 42, 44 sind in Form von Bolzen an den beiden an der dritten Welle 24 befestigten Verbindungsstangen 22, 26 angeordnet. Das Federelement ist dabei derart angeordnet, dass die beiden Verbindungsstangen 22, 26 zueinander gespreizt und somit die beiden Rollen 20, 30 nach außen jeweils gegen eine Kontur 46, 48, 50, 52, 54, 56 gedrückt werden, wodurch sichergestellt wird, dass diese beiden Rollen 20, 30 auf den Konturen 46, 48, 50, 52, 54, 56 abrollen und nicht von diesen abheben.

Zu jeder Rolle 20, 30 gehören jeweils drei verschiedene Konturen 46, 48, 50, 52, 54, 56, welche axial hintereinander angeordnet sind und über einen Aktuator 58 gemeinsam in axialer Richtung verschoben werden können. Jeweils eine dieser Konturen 46, 48 ist kreisförmig ausgebildet. Der axiale Abstand dieser Konturen 46, 48 entspricht dem axialen Abstand der Rollen 20, 30, so dass die Rollen 20, 30 immer gleichzeitig in der zugehörigen Kreiskontur 46, 48 ablaufen.

Die weiteren Konturen 50, 52, weisen im vorliegenden Ausführungsbeispiel, wie in Figur 3 zu erkennen ist, eine zur Kreiskontur 46, 48 abgewandelte Form auf, bei der der Abstand zum Mittelpunkt in einem Drehwinkelbereich 60 etwas größer ausgeführt ist. Zusätzlich sind in einem weiteren Drehwinkelbereich 62 von etwa 90° die Kreiskonturen 46, 48 nachgebildet. Die Kontur 50 der Rolle 20 ist versetzt zur Kontur 52 der zweiten Rolle 30 ausgebildet, so dass eine vollständig geführte Drehbewegung des Exzenters 12 folgt. Gleiches gilt auch für die Konturen 5 54, 56, wobei der kreisförmige Drehwinkelbereich der zur ersten Rolle 20 gehörenden Konturen 46, 50, 54 im gleichen Bereich angeordnet ist, also diese axial hintereinander angeordnet sind. Gleiches gilt auch für die zur zweiten Rolle 30 gehörenden Konturen 48, 52, 56. Der erweiterte Drehwinkelbereich 60 der Konturen 54, 56 ist jedoch in einem anderen io Drehwinkelbereich angeordnet als der der Konturen 50, 52, so dass eine andere Bewegung der Exzenterabtriebsachse 14 hieraus folgt, wie im Folgenden noch genauer beschrieben wird.

Im Normalbetrieb, also ohne eine gewünschte Verdrehung des 15 Antriebsrades 2 zur Abtriebswelle 4 läuft die Rolle 20 in der Kreiskontur 46 und die Rolle 30 in der Kreiskontur 48. Die Feder 36 erzeugt ständig eine Kraft auf die beiden Rollen 20, 30, so dass diese auf den Konturen 46, 48 abrollen müssen. Hierdurch entsteht eine vollständig definierte Bewegung der Rollen 20, 30. Dies bedeutet, dass der Abstand der beiden Rollen 20, 20 30 zur Exzenterabtriebsachse 14 immer exakt gleich bleibt. Entsprechend ist jedoch bei Drehung des Antriebsrades 2 eine Drehung der ersten Welle 8 relativ zum Antriebsrad 2 ausgeschlossen, da der Exzenter 12 stetig nach außen gedrückt wird. 5 Am entgegengesetzten Ende der Welle 8 ist ein Zahnrad 64 drehfest angeordnet, welches mit einem Zahnrad 66, welches auf der Abtriebswelle 4 drehfest angeordnet ist, kämmt. Dementsprechend wird die Drehbewegung des Zahnrades 64, welches relativ zum Antriebsrad 2 festgehalten wird, auf das Zahnrad 66 übertragen . Dies bedeutet beio gleicher Zähnezahl eine Übersetzung von 1 : 1 zwischen Antriebsrad und Abtriebswelle. Jede andere Übersetzung lässt sich selbstverständlich durch entsprechende Wahl der Zahnräder ebenfalls herstellen. Bei der Verwendung als Nockenwellensteller sind große Übersetzungen im Bereich von beispielsweise 80 : 1 erforderlich, um einen sinnvollen diskreten Winkelbereich stellen zu können. Derartige Übersetzungen können beispielsweise durch nachgeschaltete Differenz-Planetengetriebe 5 verwirklicht werden . Insofern ist die dargestellte Vorrichtung beim Einsatz als Nockenwellensteiler entsprechend zu modifizieren.

Soll nun eine Drehbewegung der Abtriebswelle 4 relativ zum Antriebsrad 2 erfolgen, werden über den Aktuator 58 die Konturen 46, 48, 50, 52, 54, lo 56 axial verschoben. Die Regelung zum Verschieben erfolgt derart, dass die axiale Bewegung in der Phase erfolgt, in der die beiden Rollen 20, 30 sich in den kreiskonturförmigen Winkelbereichen 60 der Konturen 50, 52 befinden, wodurch die Rollen 20, 30 stetig weiter abrollen. Werden die Konturen 50, 52 erreicht, erfolgt im Drehwinkelbereich 62 eine

15 Verschiebung der ersten Rolle 20 nach außen, da diese zunächst die Erweiterung der Kontur 50 erreicht. Hierdurch wird die Exzenterabtriebsachse 14 in Richtung zur ersten Rolle 20 gedreht. Die Kontur 52 ist derart zur Kontur 50 ausgerichtet, dass bei Anlage der Rolle 30 auf der Kontur 52 kein Verklemmen und kein Abheben der Rollen 20,

20 30 durch die Verbindungsstangen 16, 22, 26, 34 entsteht.

Bei einem Umlauf in diesen Konturen 50, 52 entsteht genau eine Drehung des Exzenters 12 um die erste Welle 8 und somit die erste ortsfeste Achse des Viergelenks 10. Dabei hat die zweite Rolle 30 vor allem die Funktion

25 eine Totpunktlage der ersten Rolle 20 auszugleichen, um somit die Richtung der Drehbewegung des Exzenters 12 aus der Totpunktlage festzulegen. Zusätzlich entsteht durch dieses zweite Viergelenk 32 ein Massenausgleich der mit dem Antriebsrad 2 umlaufenden Teile. Die Übersetzung bei Drehung der ersten Welle 8 zu Abtriebswelle sollte 0 üblicherweise in kleinen Schritten erfolgen, so dass hier relativ hohe Übersetzungen erfolgen müssen. Ist beispielsweise ein Verstellwinkel von 90° Kurbelwinkel gefordert und soll dieser bei zehn Umdrehungen des Antriebsrades 2, also in zehn Schritten verwirklicht werden, muss bei jeder Drehung eine Schrittweite von 9° verwirklicht werden. Bei Drehung der Nockenwelle mit halber Geschwindigkeit der Kurbelwelle bedeutet dies eine Verdrehung von 4,5° pro Umlauf. Entsprechend wäre eine Übersetzung von 80 : 1 notwendig, um diese diskreten Schrittgrößen zu erzielen.

In gleicher Weise wie die Verstellung in diese erste Richtung mit den Konturen 50, 52 ist auch eine Verstellung in entgegengesetzter Richtung mit den Konturen 54, 56 möglich . Diese sind so zueinander anzuordnen, dass der Exzenter in entgegengesetzter Richtung gedreht wird.

Die beschriebene Vorrichtung zur diskreten Drehwinkelverstellung eines Antriebsrades zu einer Abtriebswelle ermöglicht somit eine Verstellung, ohne bei der Verstellung Fremdenergie einbringen zu müssen. Lediglich die kurzzeitige Verstellung der Konturen in axialer Richtung ist erforderlich, bei der kein Drehmoment aufzubringen ist. Dieses wird vollständig aus der Bewegung der Kurbelwelle selbst entnommen. Entsprechend kleine Antriebe mit geringem Energieverbrauch können verwendet werden.

Es sollte deutlich sein, dass innerhalb des Schutzbereiches des Hauptanspruchs deutliche konstruktive Varianten zur beschriebenen Ausführungsform möglich sind. So kann beispielsweise gegebenenfalls auf den zweiten Hebel bei ausreichenden Winkelgeschwindigkeiten verzichtet werden. Ein Andrücken der Rolle und eine Drehbewegung des Exzenters in gleichbleibender Richtung bei der Verstellung können durch die auftretenden Zentrifugalkräfte gegebenenfalls bereits ausreichend sichergestellt sein. Neben der Rolle können auch Zahnräder, die in entsprechend geformten Hohlrädern, die als Konturen dienen, ablaufen. Auch ist es möglich, die Exzenterwelle als zentrale Welle im Antriebsrad anzuordnen und deren Drehung im weiteren Kraftfluss auf die Nockenwelle übersetzt zu übertragen.