Nockenwellenversteller werden heute in breiter Anwendung in hydraulischer Ausführung zur Steigerung von Leistung und Drehmoment bei Ottomotoren in Serie eingesetzt. Im Zuge der Entwicklung immer sparsamerer und emissionsärmerer Motoren wird die Technologie der Nockenwellenverstellung unter erweiterten Zielsetzungen in die Optimierung einbezogen.
Die Anforderungen unter anderem an Verstellgeschwindigkeit, Präzision und Effizienz zeigen jedoch Grenzen der hydraulischen Nockenwellenversteller. Neu entwickelte elektromechanische Nockenwellenversteller bieten hier deutlich erweiterte Performance. Während hydraulische Nockenwellenversteller bei der Optimierung hinsichtlich Verstellgeschwindigkeit, Präzision und Effizienz an ihre Grenzen gelangen, sind elektromechanische Nockenwellenversteller in der Lage, diese zu brechen. Dem Motorentwickler steht damit ein präzises Werkzeug zur exakten Applikation kompakter Stellglieder zur Verfügung.
Funktion des Wellgetriebes
Ovalo-Wellgetriebe funktioniert folgendermaßen: Ein zylindrischer Ring erhält eine Innenverzahnung mit niedrigem Modul. In dieses Hohlrad wird ein dünnwandiges flexibles Zahnrad mit Außenverzahnung eingelegt. Bei gleichem Modul besitzt das flexible Zahnrad zwei Zähne weniger als das Hohlrad. Somit ist der Verzahnungsaußendurchmesser geringer als der Innendurchmesser des Hohlrades und die Zähne befinden sich nicht im Eingriff. In das flexible Rad wird eine Ellipse mit aufgepresstem Kugellager eingefügt. Die Hochachse der Ellipse ist so bemessen, das die Zähne dort exakt in Eingriff kommen. Wird die Ellipse gedreht, so wälzt sich die Außenverzahnung des flexiblen Zahnrades im Hohlrad ab. Durch die Zähnezahldifferenz vollzieht sich kontinuierlich nach einer halben Umdrehung der Ellipse – auch als Wellengenerator bezeichnet – eine Relativbewegung zwischen flexiblem Zahnrad und Hohlrad um einen Zahn und nach einer ganzen Umdrehung um zwei Zähne. Damit ist auf kompakte Art eine hohe exakte Untersetzung von 50:1 bis 160:1 möglich. Das Kugellager trennt dabei die hohe Drehzahl vom Wellengenerator von der niedrigen Drehzahl des flexiblen Zahnrades. Sowohl flexibles Zahnrad als auch Kugellager werden bei jeder Umdrehung dauerfest elastisch verformt. Die Ovalo-Wellgetriebe werden in zwei grundsätzlichen Ausführungen eingesetzt:
Beim Topfgetriebe ist das elastische dünnwandige Zahnrad in Topfform ausgeführt (Flextopf). Das Hohlrad wird als Flansch zur Anbindung an die Peripherie genutzt. Bei schneller Drehung des Wellengenerators mit geringem Drehmoment können am Boden des Flextopfes die untersetzte Drehzahl und das entsprechend hohe Drehmoment abgegriffen werden.
Beim Flachgetriebe ist das elastische dünnwandige Zahnrad in Ringform ausgeführt (Flexring). Es kommen zwei Hohlräder zum Einsatz: Hohlrad 1 besitzt die identische Zähnezahl des inneren Zahnrades, Hohlrad 2 besitzt zwei Zähne mehr. Bei schneller Drehung des Wellengenerators mit geringem Drehmoment entsteht eine Relativdrehung der beiden Hohlräder. Zwischen Hohlrad 1 und Hohlrad 2 können die untersetzte Drehzahl und das hohe Drehmoment abgegriffen werden.
Prinzipieller Aufbau des Nockenwellenverstellers
Schon auf Grund seiner Bauform bietet sich das Flachgetriebe zum Einsatz im Bereich des Nockenwellenantriebes an. Werden am Hohlrad 1 die Nockenwelle und am Hohlrad 2 über eine Außenverzahnung (beispielsweise Kette, Riemen, Radsätze) der Nockenwellenantrieb angebunden, so entsteht bei Drehung des Wellengenerators mittels Elektromotor die gewünschte Relativbewegung zwischen Nockenwelle und deren Antrieb. Damit ergibt sich die Verstellung der Ventilöffnungs- beziehungsweise Ventilschließzeiten relativ zu Kurbeltrieb und Kolbenstellung des Verbrennungsmotors. Der Elektromotor ist fest mit dem Verbrennungsmotor verbunden. Sein Rotor läuft mit Nockenwellendrehzahl mit. Durch Erhöhen beziehungsweise Reduzieren der Rotordrehzahl erfolgt die Nockenwellenverstellung nach früh beziehungsweise spät. Die Regelung benötigt dazu die Winkellagen von Kurbelwelle, Nockenwelle und Rotor (Ausgabe über integrierte Sensorik), um den im Kennfeld abgelegten Differenzwinkel anzufahren. Eine Kupplung zwischen Elektromotor und Wellgetriebe gleicht entstandene Toleranzen aus und ermöglicht eine einfache Montage der Einheit auch in nacheinander folgenden Schritten am Montageband. Die Stelleinheit befindet sich permanent im Eingriff und ist entsprechend Lastenheft dauerfest ausgelegt.
Leistungspotenzial elektromechanischer Versteller
Wellgetriebe werden seit Jahrzehnten erfolgreich im allgemeinen Maschinenbau eingesetzt. Die dort geforderte Lebensdauer von mehr als 30 000 Betriebsstunden und Einstellpräzisionen bis in den Winkelsekundenbereich übertreffen die Forderungen der Motorenhersteller an einen elektromechanischen Nockenwellenversteller deutlich. Hinsichtlich der weiteren Lastenheftforderungen der OEM bietet das vorgestellte System variable Anpassungsmöglichkeiten.
Die Getriebe werden in abgestuften Baugrößen und Untersetzungsstufen hergestellt. Abhängig von den Kundenvorgaben zum notwendigen Antriebsdrehmoment und zur Verstellgeschwindigkeit können Baugröße und Untersetzung gewählt und ein passender Elektromotor ausgelegt werden. Der gewünschte gesamte Verstellbereich wird je nach Ausführung mit etwa 3 bis 15 Umdrehungen des Elektromotors abgedeckt, so dass Verstellgeschwindigkeiten > 300°/s an der Nockenwelle bei Einstellpräzisionen deutlich unter den vorgegebenen Toleranzen problemlos darstellbar sind. Der Verstellbereich wird über integrierte mechanische Anschläge begrenzt, um den Verbrennungsmotor mechanisch zu schützen. Neben der hohen Performance bezüglich Regelgüte und Verstellgeschwindigkeit weist das elektromechanische System weitere signifikante Vorteile auf: Da Energie nur bei Phasenverstellung aufgenommen wird, ergibt sich ein Verbrauchsvorteil gegenüber den hydraulischen Systemen, die über eine entsprechend groß dimensionierte Ölpumpe dauerhaft Druck und Volumenstrom vorgehalten bekommen müssen. Weiterhin ist das elektromechanische System unabhängig von der Ölviskosität unter allen Temperaturbedingungen sofort einsatzbereit und bietet somit Emissionsvorteile unter Kaltstartbedingungen und zuverlässige Regelung im Hochtemperaturbereich. Ein weiterer Vorteil ist die Verstellmöglichkeit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor, so dass beispielsweise bei Start/Stopp-Systemen die für den Motorstart optimale Stellung vorher angefahren werden kann.Die elektromechanischen Nockenwellenversteller können sehr kompakt ausgeführt werden. Da die Wellgetriebe immer etwa 30 % der Zähne im Eingriff haben, ergeben sich hohe übertragbare Drehmomente trotz geringen Moduls und kompakter geometrischer Gesamtabmessungen. Eine Integration in das Antriebsrad der Nockenwelle ist daher üblich. Der Elektromotor wird unter Berücksichtigung der Platzverhältnisse individuell ausgelegt.
Ovalo; Telefon: 06431 59870-142;
E-Mail: info@ovalo.de
Teilen:
