DE10045054A1

DE10045054A1 - Piezoelektrische Differenznockenphaseneinstelleinrichtung

Info

Publication number: DE10045054A1
Application number: DE10045054A
Authority: DE
Inventors: Craig D Marriott
Original assignee: Motors Liquidation Co
Current assignee: Motors Liquidation Co
Priority date: 1999-09-13
Filing date: 2000-09-12
Publication date: 2001-04-05
Also published as: US6155220A

Abstract

Eine kompakte Nockenphaseneinstelleinrichtung weist ein flexibles Element auf, das in eine nicht runde Form verformt wird und mit einem zusammenpassenden Ringzahnrad oder einem Kreiselement an winkelig beabstandeten Stellen zur Übertragung eines Nockenwellenantriebsdrehmomentes zwischen diesen in Eingriff steht. Das flexible Element weist vortretende Überhöhungen mit Zähnen oder Reibflächen auf, die mit gleichen Flächen in Eingriff stehen, die an dem zusammenpassenden Zahnrad oder dem zusammenpassenden Element ausgebildet sind. Das flexible Element und das Ringzahnrad weisen eine Differenzlänge oder Differenzanzahl von Zähnen auf. Die Phaseneinstelleinrichtung umfaßt mehrere winkelig beabstandete radiale Piezoaktuatoren, die sich erweitern und zusammenziehen, um zu bewirken, daß die vortretenden Überhöhungen (aber nicht das flexible Element selbst) in sich drehenden Wellen um das kreisförmige Ringzahnrad wandern. Somit wird jeder Punkt des flexiblen Elementes fortlaufend in und aus dem Kontakt mit dem Ringzahnrad bewegt, da sich die Kontaktpunkte (Überhöhungen) in Wellen drehen. Da sich die Anzahl von Zähnen des flexiblen Elementes von der des Ringzahnrades unterscheidet, bewirkt eine Umdrehung der Wellen, daß sich das flexible Element relativ zu dem Ringzahnrad um eine Anzahl von Zähnen bewegt, die gleich der Differenz ist. Der Phasenwinkel des flexiblen Elementes relativ zu dem Ringzahnrad und der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle wird somit um eine Größe ...

Description

TECHNISCHES GEBIET

Diese Erfindung betrifft Nockenphaseneinstelleinrichtungen zur Änderung des Phasenwinkels einer Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle eines Motors.

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

Es ist in der Motortechnik bekannt, eine Nockenphaseneinstelleinrichtung zur Änderung der zeitlichen Abfolge oder des Phasenwinkels einer ventil betätigenden Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle zu verwenden, durch die die Nockenwelle angetrieben wird. Allgemein sind derartige Noc kenphaseneinstelleinrichtungen relativ komplex und teuer und tragen zu dem zur Größe und Masse des zugeordneten Motors bei.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Die vorliegende Erfindung sieht eine relativ einfache und kompakte Noc kenphaseneinstelleinrichtung vor, die in einer Zahnriemenscheibe oder einem Antriebszahnrad eines Motornockenwellenantriebs befestigt sein kann. Bei einer Ausführungsform steht ein flexibles Element, das in eine elliptische oder nicht runde Form verformt ist, mit einem zusammenpas senden kreisförmigen Element an einander gegenüberliegenden Stellen in Eingriff, um ein Nockenwellenantriebsdrehmoment zwischen diesen zu übertragen. Das flexible Element ist ein Innenelement, das mit einer Noc kenwelle antreibbar verbunden ist, während das kreisförmige Element ein Außenringzahnrad oder -kettenrad mit Außenzähnen zur Verbindung mit einer zugeordneten Motorkurbelwelle über eine Steuerkette, einen Steuer riemen oder ein Steuerzahnrad ist. Das flexible Innenelement weist tat sächlich zwei entgegengesetzt vortretende Überhöhungen auf, an denen ein Eingriff vorzugsweise zwischen Zähnen stattfindet, die an den Ein griffsflächen ausgebildet sind. Das flexible Element und das Außenring zahnrad unterscheiden sich in der Länge ihrer Kontaktflächen um eine Differenzlänge, die in diesem Fall gleich zwei Zähnen entspricht.

Zur Änderung des Phasenwinkels zwischen der Kurbelwelle und der Noc kenwelle umfaßt die Phaseneinstelleinrichtung mehrere winkelig beab standete, sich radial erstreckende piezoelektrische Aktuatoren oder Piezo aktuatoren, die sich erweitern und zusammenziehen, um zu bewirken, daß die vortretenden Überhöhungen (aber nicht das flexible Element selbst) um das kreisförmige Ringzahnrad in drehenden Wellen laufen können. Auf diese Art und Weise wird jeder Punkt des flexiblen Elements nacheinander in und aus dem Kontakt mit dem Außenringzahnrad be wegt, wenn sich die Kontaktpunkte (Überhöhungen) in Doppelwellen dre hen. Da das im Umfang kürzere flexible Element zwei Zähne weniger als das Ringzahnrad aufweist, bewirkt eine Umdrehung der Wellen, daß sich das flexible Element relativ zu dem Ringzahnrad um zwei Zähne in der Richtung entgegengesetzt der Wellendrehung bewegt. Der Phasenwinkel des flexiblen Elements relativ zu dem Ringzahnrad und der Nockenwelle relativ zu der Kurbelwelle wird somit um eine Größe geändert, die propor tional zur Anzahl an Umdrehungen der Wellen ist und die in der Richtung entgegengesetzt zu den Wellen vorliegt.

Die Piezoaktuatoren werden auf bekannte Art und Weise durch das fort laufende Anlegen und Abziehen elektrischer Spannung angesteuert, was bewirkt, daß die Aktuatoren abwechselnd erweitert und zusammengezo gen werden, wodurch die Wellendrehung der Überhöhungen des flexiblen Elements schnell angetrieben wird, um die gewünschte Änderung des Phasenwinkels zu erhalten. Auf diese Art und Weise kann die Nockenpha seneinstelleinrichtung dazu dienen, den Nockenwellenphasenwinkel mit einem einfachen und leicht steuerbaren Mechanismus zu ändern, der im Vergleich zu anderen bekannten Nockenphaseneinstelleinrichtungen eine minimale Anzahl von Komponenten aufweist.

Es sind verschiedene alternative Ausführungsformen der Erfindung auf geführt. Beispielsweise könnten sich die Eingriffsflächen von flexiblem Element und Ringzahnrad anstelle von in Eingriff stehenden Zähnen auf Reibung stützen, um ihre Drehmomentlasten zu übertragen und die ge wünschten Phasenänderungen vorzusehen. Die Anzahl von Überhöhun gen oder Eingriffspunkten mit dem Ringzahnrad könnte anstelle von zwei auf eins oder drei oder mehr geändert werden. Wenn jedoch nur eine Überhöhung vorhanden wäre, würde dies unausgeglichene Radiallasten in dem Mechanismus erzeugen. Der Differenzabstand oder die Differenzan zahl von Zähnen bei den gezahnten Versionen sollte einen oder mehrere Zähne für jede Überhöhung betragen. Bei dem obigen Beispiel umfaßt die Differenz (zwei) eine Differenz von einem Zahn für jede Überhöhung.

Der Mechanismus kann auch umgedreht sein, so daß das flexible Element außerhalb des Ringzahnrades positioniert ist und die radial orientierten Piezoaktuatoren mit der Außenseite des flexiblen Elementes in Eingriff stehen und in einen Außenring gezwungen sind. (In diesem Fall weist das Ringzahnrad Außenzähne als eine Geradverzahnung auf, ist aber in dem allgemeinen Begriff "Ringzahnrad", wie er hier verwendet ist, eingeschlos sen). Die Aktuatoren treiben dann das flexible Element an, um einwärts gerichtete Überhöhungen zu bilden, die mit dem Innenringzahnrad in Ein griff stehen, das einen kleineren Umfang und/oder eine kleinere Anzahl von Zähnen aufweist, als das flexible Element. In diesem Fall bewirkt eine Drehung der Überhöhungen in Wellen, daß das flexible Element den Pha senwinkel relativ zu dem Innenringzahnrad in der gleichen Richtung wie der Richtung der Wellendrehung ändert.

Eine noch weitere Ausführungsform könnte doppelte Phaseneinstellele mente umfassen, die ein erstes Element mit einem Außenringzahnrad und zugeordnetem inneren flexiblen Element kombiniert mit einem zweiten Element umfassen, das konzentrisch innerhalb des ersten Elementes an geordnet ist und ein Innenringzahnrad und ein zugeordnetes äußeres fle xibles Element umfaßt. Die Piezoaktuatoren sind zwischen den beiden fle xiblen Elementen angeordnet, um diese beide zu betätigen und identisch drehende Wellen zu erzeugen, die gleichzeitig die Phase beider Phasenein stellelemente in der gleichen Richtung ändern. Somit ist die Größe der Phasenänderung für jede Wellendrehung verdoppelt, aber die Drehmo mentleistung des Antriebs ist verringert.

Bei einer Abänderung der vorhergehenden Ausführungsformen könnten die Zähne des Ringzahnrads oder der Ringzahnräder und der zugeordne ten flexiblen Elemente abgeschrägt sein und eines dieser Elemente könnte axial vorgespannt sein, um ein Spiel in dem Antrieb an den Eingriffs punkten des flexiblen Elementes mit dem Zahnrad aufnehmen zu können.

Diese und andere Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung bestimmter spezifischer Ausführungsformen der Erfindung unter Bezugnahme auf die begleitenden Zeichnungen besser verständlich.

ZEICHNUNGSKURZBESCHREIBUNG

Fig. 1 ist eine schematische Stirnansicht einer ersten Ausfüh rungsform einer piezoelektrischen Differenznockenphasen einstelleinrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 2 ist eine Ansicht ähnlich zu Fig. 1, die die Phaseneinstellein richtung in einer anfänglichen Betriebsstellung zeigt.

Fig. 3 ist eine Ansicht ähnlich zu Fig. 2, die aber die Phasenein stelleinrichtung in einer fortgeschrittenen Betriebsstellung mit einer Änderung des Phasenwinkels um einen Zahn zeigt.

Fig. 4 ist eine halbschematische bildliche Ansicht einer umge kehrten Ausführungsform der Nockenphaseneinstellein richtung gemäß der Erfindung mit einer befestigten Noc kenwelle.

Fig. 5 ist eine Schnittansicht einer Phaseneinstelleinrichtung des umgekehrten Typs von Fig. 4 befestigt an einer Motornoc kenwelle.

Fig. 6 ist eine Schnittansicht einer Nockenphaseneinstelleinrich tung mit einem Doppelelement, das sowohl das normale als auch das umgekehrten Phaseneinstellelement in Serie ver bunden mit denselben Wellenerzeugungsaktuatoren um faßt, und

Fig. 7 ist eine bruchstückhafte Schnittansicht, die eine Anord nung mit abgeschrägten Antriebszähnen zur Aufnahme ei nes Spiels zeigt.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORM

Wie in den Fig. 1-3 der Zeichnungen gezeigt ist, bezeichnet Bezugszei chen 10 allgemein eine erste Ausführungsform einer piezoelektrischen Differenznockenphaseneinstelleinrichtung gemäß der Erfindung. Die Pha seneinstelleinrichtung 10 umfaßt ein Außenringzahnrad 12, das Außen zähne 14 trägt, die mit einer Steuerkette oder einem Steuerriemen in Ein griff stehen könnten, so daß das Außenringzahnrad ein Kettenrad oder eine Riemenscheibe wird. Alternativ dazu könnten die Zähne 14 als Zahn radzähne ausgebildet sein, um mit zusammenpassenden Zähnen eines Antriebszahnrades oder angetriebenen Zahnrades in Eingriff treten zu können, das nicht gezeigt ist. Das Antriebszahnrad oder angetriebene Zahnrad, das Kettenrad oder die Riemenscheibe würden eine Verbindung des Ringzahnrades mit einer Kurbelwelle, die nicht gezeigt ist, schaffen, durch die die Nockenphaseneinstelleinrichtung in der Form einer Riemen scheibe, eines Kettenrades oder eines Zahnrades angetrieben würde.

An seinem Innenumfang umfaßt das kreisförmige Ringzahnrad 12 Innen zähne 16, die sich um seinen Innenumfang erstrecken. Die Zähne 16 ste hen mit zusammenpassenden Zähnen 18 eines endlosen flexiblen In nenelementes 20 in Eingriff. Das flexible Element besitzt, wenn es kreis förmig ist, einen etwas kleineren Durchmesser als das Außenringzahnrad 12. Somit ist das flexible Element mit einer kleineren Anzahl von Zähnen als das Ringzahnrad versehen, wobei die Differenzanzahl der Zähne Zwei beträgt. Mit anderen Worten besitzt das flexible Element zwei Zähne weni ger als das Ringzahnrad. Jedoch ist das flexible Element 20 nicht kreis förmig, sondern in eine im allgemeinen elliptische Form oder Gestaltung geformt, die eine Hauptachse 22, die sich in Fig. 1 vertikal erstreckt, und eine Nebenachse 24 aufweist, die sich in Fig. 1 horizontal erstreckt. Das flexible Element ist daher so gebogen, daß sein Durchmesser entlang der Hauptachse vergrößert ist, so daß die Zähne 18 des flexiblen Elementes in Eingriff mit den Innenzähnen 16 des Ringzahnrades 12 gedrängt werden, wobei zwei sich in entgegengesetzte Richtungen erstreckende Ausstülpun gen des Elementes gebildet werden, die als Überhöhungen 26, 27 bezeich net sind. An Positionen, die von den Überhöhungen 26, 27 entfernt sind, ist der Durchmesser des flexiblen Elements verringert, wobei das Mini mum entlang der Nebenachse 24 erreicht wird, an dem die Zähne 16, 18 durch einen Spalt getrennt sind.

Innerhalb des flexiblen Elements 20 ist ein piezoelektrischer Wellengene rator 28 vorgesehen, der durch mehrere Piezoelementstapel oder Piezo aktuatoren 30, 32, 34, 36, 38, 40 ausgebildet ist, in diesem Fall sechs. Diese erstrecken sich von einer Innenumfangsfläche 42 des flexiblen Ele ments 20 radial einwärts zu einer zylindrischen Außenfläche eines Innen ringes 44, der als eine Nabe dient. Die Nabe 44 ist ihrerseits durch eine Schraubbefestigung 46 befestigt. Es sei zu verstehen, daß geeignete Ein richtungen, die nicht gezeigt sind, zur Verbindung des flexiblen Elements 20 mit der Nabe 44 vorgesehen sind, so daß sich diese zusammen drehen, um eine zugeordnete Nockenwelle, die nicht gezeigt ist, anzutreiben, mit der die Schraubbefestigung 46 diesen Zentralabschnitt der Nockenpha seneinstelleinrichtung 10 verbindet.

Die Piezoelemente oder -aktuatoren 30-40 wirken in bekannter Weise, um ihre Länge bei Anlegen einer elektrischen Spannung zu erweitern oder zu erhöhen. Das Anlegen einer entgegengesetzten Spannung bewirkt ent sprechend, daß sich die Aktuatoren verkürzen oder zusammenziehen. Somit werden die Aktuatoren 30 durch ein geeignetes Steuersystem, das nicht gezeigt ist, zum Erweitern und Zusammenziehen je nach Bedarf elektrisch betrieben, um das flexible Element 20 anfänglich in die annä hernd elliptische Gestaltung zu verformen, wie in Fig. 1 gezeigt ist, wobei die Zähne des Elements mit den Zähnen des Ringzahnrades entlang der Hauptachse 22 in Eingriff stehen.

Eine Änderung des Phasenwinkels zwischen der Nockenwelle, die mit dem Zentralwellengenerator und dem flexiblen Element 20 verbunden ist, und der Kurbelwelle, die mit dem Außenringzahnrad 12 verbunden ist, wird durch fortlaufendes Erweitern und Zusammenziehen der Aktuatoren 30- 40 erreicht, so daß sich die Kontaktpunkte oder Eingriffspunkte der Zäh ne des flexiblen Elements und des Ringzahnrades in Wellen um die In nenfläche des Ringzahnrades drehen.

Der Betrieb dieser Ausführungsform der Nockenphaseneinstelleinrichtung und der Ausbildung und Funktion der Wellen wird am besten unter Be zugnahme auf die Fig. 2 und 3 erläutert. Fig. 2 zeigt den Mechanismus in einer Anfangsstellung, wobei Pfeil 48, der einen Punkt an dem Außenring zahnrad 12 anzeigt, radial mit einem Pfeil 50 ausgerichtet ist, der einen Punkt auf dem flexiblen Element 20 anzeigt. Danach werden die Aktuato ren 30-40 fortlaufend eingestellt, um die Position der Überhöhungen 26, 27 im Uhrzeigersinn zu bewegen, wie durch Pfeile 52 gezeigt ist, bis die Welle um eine Hälfte einer Umdrehung gewandert ist, so daß die obere Überhöhung 26 nun an dem unteren Teil der Nockenphaseneinstellein richtung und die untere Überhöhung 27 nun an dem oberen Teil der Noc kenphaseneinstelleinrichtung positioniert ist, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Es sei zu verstehen, daß diese Wellendrehung um eine halbe Umdrehung keine tatsächliche Drehung des flexiblen Elements um eine halbe Dre hung relativ zu dem Außenringzahnrad betrifft. Statt dessen werden die Aktuatoren 30-40 fortlaufend so eingestellt, daß Aktuatoren 30 und 36 zuerst zusammengezogen werden, während Aktuatoren 32, 38 zuerst er weitert und dann zusammengezogen werden, Aktuatoren 34, 40 nachfol gend erweitert und dann zusammengezogen werden und Aktuatoren 30, 36 nachfolgend wiederum zu ihrer vollen Ausdehnung erweitert werden. Dies bewirkt, daß sich die Eingriffspunkte des flexiblen Elements mit dem Außenringzahnrad im Uhrzeigersinn von den Aktuatoren 30, 36 zu den Aktuatoren 32, 38, dann zu den Aktuatoren 34, 40 und schließlich zurück zu den Aktuatoren 30, 36 drehen, wodurch die sogenannten Wellen er zeugt werden, die sich nun um 180 Grad oder um eine halbe Umdrehung bewegt haben. Somit wird das flexible Element so gebogen, daß die Über höhungen 26, 27 in Doppelwellen gedreht werden, die sich aus ihren An fangspositionen von Fig. 2 in nachfolgende Positionen 180 Grad um den Umfang des Ringzahnrades 12 im Uhrzeigersinn bewegen, wie in Fig. 3 gezeigt ist.

Diese Wellendrehung der Überhöhungen bewirkt eine relative Phasendre hung zwischen dem flexiblen Element 20 und dem Außenringzahnrad 12. Somit hat sich, wie in Fig. 2 und 3 gezeigt ist, das Ringzahnrad 12 durch die Bewegung von Pfeil 48 relativ zu Pfeil 50 im Uhrzeigersinn um eine Strecke eines Zahnes des flexiblen Elements relativ zu dem Außenring zahnrad bewegt, wie in Fig. 3 gezeigt ist. Anders gesagt bewirkt eine Dre hung der Wellen um eine halbe Umdrehung oder 180 Grad eine Drehung des flexiblen Elements relativ zu dem Außenringzahnrad um eine Um fangsstrecke eines Zahnes des flexiblen Elementes in einer Richtung ent gegengesetzt zu der Drehrichtung der Wellen. Offensichtlich würde eine volle Wellendrehung um 360 Grad bewirken, daß sich das flexible Element um zwei Zähne entgegen dem Uhrzeigersinn oder in einer Richtung entge gengesetzt der Richtung der Drehung der Wellen bewegt. Der Grund dafür ist, daß der Umfang des flexiblen Elements kleiner als der zusammenpas sende Umfang des Außenringzahnrades ausgebildet ist und das Element mit zwei Zähnen weniger versehen ist, als an dem zusammenpassenden Außenringzahnrad ausgebildet sind. Somit stehen das flexible Element und das Ringzahnrad mittels Zähnen an den Stellen in Eingriff, an denen die gegenüberliegenden Überhöhungen angeordnet sind, wenn sich die Wellen um das Ringzahnrad drehen. Diese Punkte sind in den Fig. 2 und 3 an den Hauptachsen gezeigt.

Zwischen diesen Punkten gelangen die Zähne des flexiblen Elements aus der Phase mit den Zähnen des Außenringzahnrades, so daß das flexible Element für jede halbe Umdrehung einen Zahn der Drehung verliert oder sich für jede halbe Umdrehung oder halbe Drehung der Wellen um einen Zahn in eine umgekehrte Richtung bewegt.

Auf die vorhergehende Art und Weise kann eine Phasenänderung jeder gewünschten Größe zwischen dem flexiblen Element, das in diesem Fall mit der Nockenwelle verbunden ist, und dem Außenringzahnrad, das in diesem Fall mit der Motorkurbelwelle verbunden ist, die nicht gezeigt ist, dadurch hergestellt werden, daß lediglich die Aktuatoren 30-40 in fort laufender Weise elektrisch betätigt werden, um drehende Wellen in dem flexiblen Element zu erzeugen. Diese Wellen können schnell in jeder Richtung bewegt werden, um den Phasenwinkel schnell auf das er wünschte Ausmaß zu ändern. Wiederum sei angemerkt, daß während die ser Bewegung die tatsächliche Änderung der Phase zwischen dem Außen ringzahnrad und dem flexiblen Element verglichen zu der Anzahl von Dre hungen der Wellen in dem flexiblen Element relativ klein ist. Daher erfor dert die Phasenänderung einen relativ kleinen Krafteingang zur Bewegung der Komponenten relativ zueinander, da die tatsächliche Größe der relati ven Bewegung klein ist. Selbstverständlich ist die Gesamtphasenänderung nicht begrenzt und könnte je nach Bedarf ausgebildet sein, ist aber immer noch klein relativ zu der Anzahl von Wellendrehungen, die erforderlich ist, um diese Winkelphasenänderung zu erzielen.

Während die gerade beschriebene Ausführungsform zwei gegenüberlie gende Überhöhungen 26, 27 des flexiblen Elements aufweist, sei zu ver stehen, daß andere Zahlen von Überhöhungen gewählt werden könnten. Gegebenenfalls kann eine einzelne Überhöhung verwendet werden, aber dies würde den Effekt haben, daß Seitenkräfte auf den Mechanismus er zeugt werden, und würde normalerweise wahrscheinlich für einen prakti schen Mechanismus nicht verwendet werden. Andererseits könnte die An zahl von Überhöhungen gegebenenfalls auf drei oder vier erhöht werden, so daß drei oder vier Eingriffspunkte des flexiblen Elements mit den Ring zahnradzähnen vorhanden wären, die bei gleichen Winkelintervallen um den Umfang des flexiblen Elements und des Ringzahnrades beabstandet sind.

In allen Fällen wäre die minimale Differenz der Anzahl von Zähnen an dem Ringzahnrad minus der Anzahl von Zähnen an dem flexiblen Element gleich eins für jede Überhöhung des flexiblen Elements, das mit dem Ringzahnrad in Eingriff steht. Jedoch könnte gegebenenfalls die Anzahl von Zähnen durch ein Mehrfaches der Anzahl von Überhöhungen auf ein Ausmaß erhöht werden, das bei der Konstruktion des spezifischen Me chanismus geeignet ist. Somit könnten die zwei in den Zeichnungen ge zeigten, mit Überhöhungen versehenen Nockenphaseneinstelleinrichtun gen eine Zahndifferenz von vier aufweisen, d. h. das flexible Element könnte vier Zähne weniger als das Außenringzahnrad aufweisen. Dies würde eine Winkelphasenänderung von vier Zähnen des flexiblen Ele mentes für jede Wellendrehung des Mechanismus bewirken.

Es sei ferner angemerkt, daß gegebenenfalls die zusammenpassenden Flä chen des flexiblen Elements und des Außenringzahnrades so modifiziert sein könnten, daß die Zähne beseitigt sind und statt dessen ein Reibflä chenkontakt verwendet wird, der eine Phasenänderung auf die gleiche Weise, wie vorher beschrieben, erzeugen könnte, aber nur durch die rela tiven Umfangslängen oder Runddurchmesser der Flächen des dem Ring zahnrades entsprechenden Ringelementes und des flexiblen Elementes begrenzt. Diese könnten in beliebigen Differenzlängen unbeschränkt durch die Größe des Zahnabstandes gewählt werden, wie es bei der veran schaulichten und bevorzugten Ausführungsform der Fall ist.

In den Fig. 4 und 5 ist eine alternative Ausführungsform einer Nocken phaseneinstelleinrichtung gezeigt, die gemäß der Erfindung ausgebildet und allgemein mit Bezugszeichen 56 bezeichnet ist. Die Phaseneinstellein richtung 56 weist im Vergleich zur Ausführungsform 10, die vorher be schrieben wurde, einen im wesentlichen umgedrehten Differenznocken phaseneinstellmechanismus auf. Insbesondere zeigt Fig. 4 eine Nocken welle 58, die durch eine Schraubbefestigung 46 mit einer Innennabe 60, die einstückig mit einem Außenzahnrad 62 oder Ringzahnrad ausgebildet ist, verbunden ist, das als ein kreisförmiger Ring mit Zähnen 64 an sei nem Außenumfang ausgebildet ist. Die Zähne 64 stehen mit zusammen passenden Zähnen 66 eines inneren flexiblen Elementes 68 in Eingriff, das einen Innendurchmesser oder Umfang aufweist, der etwas größer als der entsprechende Außenumfang des Außenringzahnrads 62 ist.

Eine Außenfläche 70 des flexiblen Elementes steht mit Piezoaktuatoren 72 in Eingriff. Diese entsprechen den Aktuatoren 30-40 der ersten Ausfüh rungsform und umfassen eine Vielzahl von Piezoelementen, die zur Bil dung der einzelnen Aktuatoren gestapelt sind. Die Aktuatoren 72 erstrec ken sich radial auswärts von der Außenfläche 70 des flexiblen Elementes 68, um mit einer Innenfläche einer Riemenscheibe, eines Kettenrades oder eines Zahnradelementes 74 in Eingriff zu treten. Das Element 74 umfaßt Außenzähne 76 zur Verbindung mit einer Kurbelwelle durch eine Steuer kette, einen Steuerriemen oder ein angetriebenes Zahnrad je nach Bedarf. Aus Gründen der Übersichtlichkeit sind Abschnitte der Riemenschei be/des Kettenrades/des Zahnrades 74 und der Piezoaktuatoren 72 weg gelassen worden.

Während Fig. 4 etwas schematischer Natur ist, zeigt Fig. 5 einen Quer schnitt eines vollständigen Zusammenbaus der alternativen Ausfüh rungsform der Nockenphaseneinstelleinrichtung 56, die mit der Nocken welle 58 verbunden ist, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Teile bezeich nen. Bei dieser zusammengebauten Version weist das Element 74 einen abhängigen Flansch 78 auf, der durch Schrauben 80 an Vorsprünge 82 einer Vorderabdeckung 84 befestigt ist. Die Abdeckung 84 und der Flansch 78 umschließen die Aktuatoren 72 und sind durch Lager 86 für eine relative Bewegung der Außenzahnräder 62 und des Elementes 74 ge halten.

Das Riemenscheiben-/Kettenrad-/Zahnradelement 74 bewegt sich mit der flexiblen Element 68 bei Phasenänderungen, was durch einen radialen Flansch 88 sichergestellt wird, der mit einem Rand des flexiblen Elements 68 verbunden ist, und sich in eine Tasche zwischen den Vorsprüngen 82 und dem Zahnradflansch 78 zur Verbindung mit den Schrauben 80 er streckt, um diese Elemente zusammenzutreiben.

Im Betrieb verformen die Aktuatoren 72 wiederum das flexible Element 68 in eine nicht runde, vorzugsweise im allgemeinen elliptische Gestaltung, so daß die Innenzähne des flexiblen Elements mit den Außenzähnen des Außenzahnrads 62 nur an zwei gegenüberliegenden Stellen in Kontakt stehen. Diese Kontaktstellen können als Ausbildung von sich einwärts er streckenden Überhöhungen beschrieben werden, ähnlich aber umgekehrt zu den sich auswärts erstreckenden Überhöhungen der ersten beschrie benen Ausführungsform. An von den gegenüberliegenden Überhöhungen verschiedenen Stellen wird das flexible Element von dem runden Äußeren des Außenzahnrads 62 weg erweitert oder verformt, so daß die Zähne nur an den Stellen der gegenüberliegenden Überhöhungen in Kontakt stehen. Dies ist ähnlich zu der ersten beschriebenen Ausführungsform, aber des halb umgekehrt, weil sich die Überhöhungen einwärts erstrecken, um mit dem Zahnrad in Kontakt zu treten.

Eine Phasenänderung wird dann auf die gleiche Art und Weise wie zuvor durch aufeinanderfolgendes Erweitern und Zusammenziehen der Piezo aktuatoren 72 erreicht. Dies erzeugt Doppelwellen der sich einwärts er streckenden Überhöhungen des flexiblen Elementes, wodurch bewirkt wird, daß sich die Eingriffspunkte mit dem Außenzahnrad in einer oder der entgegengesetzten Richtung drehen. Diese Wellendrehung des flexi blen Elementes bewirkt, daß das flexible Element, die sich nun auf der Außenseite des Zahnrades befindet, um einen Zahn für jede halbe Dre hung der Wellen fortschreitet, wobei angenommen wird, daß die Zahndif ferenz zwischen den in Eingriff stehenden Elementen zwei Zähne beträgt, wie bei der ersten beschriebenen Ausführungsform. Offensichtlich würde dann, wenn andere Zahndifferenzen, wie beispielsweise vier, betroffen wä ren oder die Anzahl von Überhöhungen verschieden wäre, dann die Anzahl von Zähnen, um die fortgeschritten wird, wie bei der ersten beschriebenen Ausführungsform eingestellt werden.

In Fig. 6 ist eine andere Ausführungsform einer Nockenphaseneinstellein richtung gezeigt, die als eine Doppelphaseneinstelleinrichtung 90 bezeich net werden kann. Die Phaseneinstelleinrichtung 90 umfaßt ein erstes Phaseneinstellelement mit einem Außenringzahnrad 92, das mit einem inneren flexiblen Element 94 in Eingriff steht, wie bei der Nockenphasen einstelleinrichtung 10. Ein zweites umgedrehtes Phaseneinstellelement ist konzentrisch innerhalb des ersten Elementes angeordnet und umfaßt ein Innenringzahnrad 96 und ein äußeres flexibles Element 98, wie bei der Nockenphaseneinstelleinrichtung 56. Piezoaktuatoren 100 bilden einen gemeinsamen Wellengenerator, der zwischen beiden flexiblen Elementen 94, 98 angeordnet ist und mit diesen in Eingriff steht. Das Außenring zahnrad umfaßt. Im Betrieb bilden diese, wenn sich die Piezoaktuatoren fortlaufend erweitern und zusammenziehen, drehende Wellen in beiden Doppelelementen, die eine simultane Änderung der Phase in beiden Ele menten in derselben Richtung bewirken. Als Ergebnis wird die Phasenän derung zwischen dem Außenringzahnrad und dem Innenringzahnrad im Vergleich zu nur einer Phaseneinstelleinrichtung, die allein wirkt, verdop pelt, aber die Drehmomentleistung der gesamten Phasenänderungseinheit ist unter Annahme derselben Piezoaktuatorleistung verringert.

Fig. 7 zeigt eine Variation, die auf die vorher beschriebenen Ausführungs formen anwendbar ist und bei der sowohl ein Kettenrad/ Ringzahnrad 102 als auch ein zugeordnetes flexibles Element 104 mit abgeschrägten Zähnen oder anderen Antriebsflächen versehen ist, die an Überhöhungen des flexiblen Element 104 in Eingriff stehen, wie vorher beschrieben wur de. Eine Bellevillefeder 106 oder eine andere geeignete Vorspanneinrich tung ist vorgesehen, um das Ringzahnrad 102 an ihren Eingriffspunkten axial an das flexible Element 104 vorzuspannen und ein Spiel zwischen den Antriebselementen an diesen Punkten aufzunehmen. Alternativ dazu könnte das flexible Element 104 durch eine Feder an das Ringzahnrad 102 gedrängt werden. Das flexible Element 104 weist einen Flansch 108 auf, der an einer Nabe 110 befestigt ist, die ihrerseits an einer Nocken welle 58 befestigt ist.

Es sei angemerkt, daß mit dem Begriff "flexibles Element" einerseits, wie in den Figuren gezeigt ist, ein Element mit Verzahnung und andererseits auch ein solches ohne Verzahnung bezeichnet ist, das in diesem Fall bei spielsweise eine Reibfläche aufweist, die mit einem entsprechend ausge bildeten, dem Ringzahnrad entsprechenden Ringelement reibschlüssig in Eingriff treten kann.

Desweiteren ist, wenn das flexible Element eine Differenzanzahl an Zäh nen zu dem Ringzahnrad aufweist, die ein Vielfaches der Anzahl von Er höhungen darstellt, unter einem Vielfachen auch ein Einfaches davon zu verstehen.

Während die Erfindung unter Bezugnahme auf bestimmte bevorzugte Ausführungsformen beschrieben worden ist, sei zu verstehen, daß zahlrei che Änderungen innerhalb des Schutzumfanges der beschriebenen erfin derischen Konzepte durchgeführt werden können. Demgemäß ist die Er findung nicht auf die offenbarten Ausführungsformen begrenzt, sondern besitzt den vollständigen Schutzumfang, der durch die folgenden Ansprü che dargelegt ist.

Claims

1. Nockenphaseneinstelleinrichtung zur Steuerung der zeitlichen Ab folge einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle eines zugeordne ten Motors angetrieben wird, wobei die Phaseneinstelleinrichtung umfaßt:
ein Ringzahnrad, das antreibbar mit einem der Elemente Kurbel welle und Nockenwelle verbunden ist, wobei das Ringzahnrad eine gezahnte Seite aufweist,
ein flexibles Element, das eine gezahnte Seite aufweist und antreib bar mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle verbunden ist,
einen piezoelektrischen Wellengenerator, der mit dem flexiblen Ele ment in Eingriff steht und dieses in eine nicht runde Konfiguration ablenkt, die zumindest eine vortretende Überhöhung aufweist, wobei Zähne der gezahnten Seite mit Zähnen der gezahnten Seite des Ringzahnrads in Eingriff stehen, wobei das flexible Element eine Differenzanzahl an Zähnen zu dem Ringzahnrad aufweist, die ein Vielfaches der Anzahl von Überhöhungen darstellt, die an dem flexi blen Element ausgebildet sind und mit dem Ringzahnrad in Eingriff stehen,
wobei der Wellengenerator dazu dient, die Umfangsposition der zu mindest einen Überhöhung relativ zu dem flexiblen Element in einer Welle zu drehen, wodurch eine Änderung in der Phase des flexiblen Elementes relativ zu dem Ringzahnrad bewirkt wird, die gleich dem Abstand der Differenzanzahl von Zähnen für jede Umdrehung der Welle ist, die durch den Wellengenerator gebildet wird.

2. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 1, wobei der Wellengenerator mit einer zweiten Seite des flexiblen Ele ments in Eingriff steht, die radial gegenüberliegend von der gezahn ten Seite angeordnet ist.

3. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 2, wobei die gezahnte Seite des Ringzahnrads die Innenseite ist, die gezahnte Seite des flexiblen Elements die Außenseite ist und das flexible Element weniger Zähne als das Ringzahnrad aufweist, wo durch die Phasenänderung des flexiblen Elements relativ zu dem Ringzahnrad entgegengesetzt der Richtung der Welle erfolgt.

4. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 2, wobei die gezahnte Seite des Ringzahnrads die Außenseite ist, die gezahnte Seite des flexiblen Elements die Innenseite ist und das fle xible Element mehr Zähne als die Ringzahnrad aufweist, wodurch die Phasenänderung des flexiblen Elements relativ zu dem Ring zahnrad in der Richtung der Welle erfolgt.

5. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 2, wobei der Wellengenerator mehrere Piezoelementstapel umfaßt, die sich radial zwischen der zweiten Seite des flexiblen Elements und einer gegenüberliegenden Seite eines zweiten Ringelementes erstrec ken, das antreibbar mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle verbunden ist.

6. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 5, wobei das Ringzahnrad und das zweite Ringelement konzentrische innere und äußere Elemente sind, wobei das Innenelement an ei nem der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle zur Drehung mit diesem befestigt ist und das Außenelement Außenzähne zur Verbin dung mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle umfaßt.

7. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 6, wobei das Innenelement mit der Nockenwelle verbunden ist.

8. Nockenphaseneinstelleinrichtung zur Steuerung der zeitlichen Ab folge einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle eines zugeordne ten Motors angetrieben wird, wobei die Phaseneinstelleinrichtung umfaßt:
ein Außenringzahnrad, das antreibbar mit einem der Elemente Kur belwelle und Nockenwelle verbunden ist, wobei das Ringzahnrad ei ne gezahnte Innenseite aufweist,
ein flexibles Element, das eine gezahnte Außenseite umfaßt und mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle antreibbar verbunden ist,
einem piezoelektrischen Wellengenerator, der mit dem flexiblen Element in Eingriff steht und dieses in eine nicht runde Gestaltung ablenkt, wobei die gezahnte Außenseite zumindest eine vortretende Überhöhung aufweist, wobei Zähne der gezahnten Außenseite mit Zähnen der gezahnten Innenseite des Außenringzahnrades in Ein griff stehen, wobei das flexible Element eine Differenzanzahl von Zähnen aufweist, die kleiner als bei dem Ringzahnrad ist und ein Vielfaches der Anzahl von Überhöhungen darstellt, die an dem flexi blen Element gebildet werden und mit dem Ringzahnrad in Eingriff stehen,
wobei der Wellengenerator dazu dient, die Umfangsposition der zu mindest einen Überhöhung relativ zu dem flexiblen Element in einer Welle zu drehen, wodurch eine Änderung entgegengesetzt der Rich tung der Welle in der Phase des flexiblen Elements relativ zu dem Außenringzahnrad bewirkt wird, die gleich dem Abstand der Diffe renzanzahl von Zähnen für jede Umdrehung der Welle ist, die durch den Wellengenerator gebildet wird.

9. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 8, wobei das Außenringzahnrad mit der Kurbelwelle verbunden ist, das flexible Element mit der Nockenwelle verbunden ist, der Wellengene rator zwei gegenüberliegende Überhöhungen des flexiblen Elements bildet, die mit dem Außenringzahnrad in Eingriff stehen, und das flexible Element zwei Zähne weniger als das Außenringzahnrad auf weist, wodurch eine Phasenänderung von zwei Zähnen für jede Um drehung der Wellen bewirkt wird, die in dem flexiblen Element ge bildet werden und entgegengesetzt der Drehrichtung vorliegen.

10. Nockenphaseneinstelleinrichtung zur Steuerung der zeitlichen Ab folge einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle eines zugeordne ten Motors angetrieben wird, wobei die Phaseneinstelleinrichtung umfaßt:
ein Innenringzahnrad, das mit einem der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle antreibbar verbunden ist, wobei das Ringzahnrad eine gezahnte Außenseite aufweist,
ein flexibles Element, das eine gezahnte Innenseite aufweist und mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle antreibbar verbunden ist,
einen piezoelektrischen Wellengenerator, der mit dem flexiblen Ele ment in Eingriff steht und dieses in eine nicht runde Gestaltung ablenkt, wobei die gezahnte Innenseite zumindest eine vortretende Überhöhung aufweist, wobei Zähne der gezahnten Innenseite mit Zähnen der gezahnten Außenseite des Innenringzahnrad in Eingriff stehen, wobei das flexible Element eine Differenzanzahl von Zähnen aufweist, die größer als bei dem Ringzahnrad ist und ein Vielfaches der Anzahl von Überhöhungen darstellt, die an dem flexiblen Ele ment gebildet werden und mit dem Ringzahnrad in Eingriff stehen,
wobei der Wellengenerator dazu dient, die Umfangsposition der zu mindest einen Überhöhung relativ zu dem flexiblen Element in einer Welle zu drehen, wodurch eine Änderung in der Phase des flexiblen Elements in der Richtung der Welle relativ zu dem Innenringzahn rad bewirkt wird, die gleich dem Abstand der Differenzanzahl von Zähnen für jede Umdrehung der Welle ist, die durch den Wellenge nerator gebildet wird.

11. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 10, wobei das Innenringzahnrad mit der Nockenwelle verbunden ist, das flexible Element mit der Kurbelwelle verbunden ist, der Wellengene rator zwei gegenüberliegende Überhöhungen des flexiblen Elements bildet, die mit dem Innenringzahnrad in Eingriff stehen, und das flexible Element zwei Zähne mehr als das Innenringzahnrad auf weist, wodurch eine Phasenänderung von zwei Zähnen für jede Um drehung der Wellen gebildet wird, die in dem flexiblen Element aus gebildet sind und in der Drehrichtung vorliegen.

12. Nockenphaseneinstelleinrichtung zur Steuerung der zeitlichen Ab folge einer Nockenwelle, die von einer Kurbelwelle eines zugeordne ten Motors angetrieben wird, wobei die Phaseneinstelleinrichtung umfaßt:
ein Ringelement, das antreibbar mit einem der Elemente Kurbel welle und Nockenwelle verbunden ist, wobei das Ringelement eine antriebsübertragende Seite aufweist,
ein flexibles Element, das eine antriebsübertragende Seite aufweist und mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle antreibbar verbunden ist,
einem piezoelektrischen Wellengenerator, der mit dem flexiblen Element in Eingriff steht und dieses in eine nicht runde Konfigurati on ablenkt, die zumindest eine vortretende Überhöhung aufweist,
wobei die antriebsübertragende Seite des flexiblen Elements mit der antriebsübertragenden Seite des Ringelementes in Eingriff steht, wobei die flexible Element eine Differenzlänge zu der des Ringele mentes aufweist,
wobei der Wellengenerator dazu dient, die Umfangsposition der zu mindest einen Überhöhung relativ zu dem flexiblen Element in einer Welle zu drehen, wobei eine Änderung in der Phase des flexiblen Elements relativ zu dem Ringelement bewirkt wird, die gleich dem Ausmaß der Differenzlänge für jede Umdrehung der Welle ist, die durch den Wellengenerator gebildet wird.

13. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 12, wobei die antriebsübertragenden Seiten des Ringelementes und des flexiblen Elements abgeschrägt sind und die Nockenphaseneinstel leinrichtung Mittel umfaßt, die eines der Elemente Ringelement und flexibles Element axial gegen das andere vorspannt, um ein Spiel aufnehmen zu können, das in der Antriebsschnittstelle des Ringe lementes und dem flexiblen Element auftritt.

14. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 12, wobei die antriebsübertragenden Seiten mittels Reibung in Eingriff tretende Oberflächen aufweisen.

15. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 12, wobei die antriebsübertragenden Seiten miteinander in Eingriff ste hende gezahnte Flächen aufweisen.

16. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 12, mit:
einem zweiten Ringelement, das antreibbar mit dem anderen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle verbunden ist und eine an triebsübertragende Seite aufweist, und
einem zweiten flexiblen Element, das antreibbar mit dem einen der Elemente Kurbelwelle und Nockenwelle durch das zuerst genannte Ringelement und das zuerst genannte flexible Element verbunden ist,
wobei der piezoelektrische Wellengenerator auch mit dem zweiten flexiblen Element in Eingriff steht und dieses in eine nicht runde Gestaltung ablenkt, die zumindest eine vortretende Überhöhung aufweist, wobei die antriebsübertragende Seite des zweiten flexiblen Elements mit der antriebsübertragenden Seite des zweiten Ringele mentes in Eingriff steht, wobei das zweite flexible Element eine Dif ferenzlänge zu der des zweiten Ringelementes aufweist,
wobei der Wellengenerator auch dazu dient, die Umfangsposition der zumindest einen Überhöhung relativ zu dem zweiten flexiblen Element in einer Welle zu drehen, wobei eine Änderung in der Phase des zweiten flexiblen Elements relativ zu dem zweiten Ringelement bewirkt wird, die gleich dem Ausmaß der Differenzlänge für jede Umdrehung der Welle ist, die durch den Wellengenerator gebildet wird.

17. Nockenphaseneinstelleinrichtung nach Anspruch 16, wobei das zuerst genannte Ringelement und das zuerst genannte flexible Element konzentrisch mit dem zweiten Ringelement und dem zweiten flexiblen Element angeordnet sind und der Wellengene rator radial zwischen den flexiblen Elementen angeordnet ist.