DE102008058110A1

DE102008058110A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102008058110A1
Application number: DE102008058110A
Authority: DE
Inventors: Andreas Knecht; Dirk Pohl
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2008-11-18
Filing date: 2008-11-18
Publication date: 2010-05-20
Anticipated expiration: 2028-11-19
Also published as: DE102008058110B4

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Flügelzellennockenwellenversteller (38) mit einer gebauten Nockenwelle (39). Innerhalb der hohlen Nockenwelle (39) ist eine Feder vorgesehen, die beispielsweise als Drehstabfeder (12) ausgeführt sein kann. Damit wird eine axial sehr kurze Bauweise erreicht.

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller gemäß dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der DE 103 33 850 B4 , der DE 101 60 246 C1 , der DE 101 25 498 A1 und der nicht vorveröffentlichten DE 10 2008 029 692.9 sind bereits gebaute bzw. hohle Nockenwellen bekannt, die einen Nockenwellenversteller aufweisen.
Aus der WO 2008/0150062 A2 ist ein Flügelzellennockenwellenversteller mit einer Spiralfeder bekannt, die bestrebt ist, einen Rotor des Flügelzellennockenwellenverstellers in einer bestimmten Winkelposition gegenüber einem Stator des Flügelzellennockenwellenverstellers zu halten.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen axial kurz bauenden Nockenwellenversteller zu bauen.
Gemäß einem Vorteil der Erfindung findet ein Flügelzellennockenwellenversteller Anwendung. Dieser Flügelzellennockenwellenversteller baut axial sehr kurz, was den engen Bauraumverhältnissen sowohl von quer als auch von längs eingebauten Antriebssträngen zugute kommt.
Gemäß einem weiteren Vorteil der Erfindung hält eine zumindest teilweise innerhalb der Nockenwelle angeordnete Feder den Rotor gegenüber dem Stator in einer bestimmten Winkelstellung. Dieser Bereich der Nockenwelle, in dem zumindest ein Teil der Feder angeordnet ist, kann dabei auch ein rohrförmiger oder gebohrter Ansatz an der Nockenwelle sein. Dieser Ansatz kann zugleich eine zentrierende Funktion haben.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist jedoch die Nockenwelle selbst als hohle gebaute Nockenwelle ausgeführt. Die Feder kann beispielsweise als Drehstabfeder ausgeführt sein.
Zur Verbindung der Feder mit der Nockenwelle kann ein Einsatz in die hohle Nockenwelle eingesetzt werden und drehfest mit dieser verbunden werden. Dieser Einsatz weist dann eine Verbindung mit der Feder auf. Die Feder kann an deren anderem Ende insbesondere mit einem Deckel des Nockenwellenverstellers verbunden sein.
Bei der dem Auslass zugeordneten Nockenwelle kann mit der Feder der Rotor in eine für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung gebracht werden. Generell können bei beiden Nockenwellen – d. h. Einlass und Auslass – durch eine Vorspannung der Feder in eine Drehmomentenrichtung die Wechselmomente der Nockenwelle kompensiert werden, welche in den beiden Drehmomentenrichtungen der Nockenwelle unterschiedlich stark wirksam sind. Diese Wechselmomente entstehen durch die Ventilfederkräfte an den Gaswechselventilen und sind stark abhängig von der Anzahl der Zylinder. Die Wechselmomente sind umso ungleichförmiger, je weniger Zylinder der Verbrennungsmotor aufweist. Dabei kann die Feder in besonders vorteilhafter Weise in Ruhelage in die Drehmomentenrichtung „Früh” verdreht sein, da die Verstellung des Flügelzellennockenwellenverstellers in Drehmomentenrichtung „Spät” aufgrund der unterstützenden Wirkung durch die Wechselmomente ohnehin schneller erfolgt. Somit wird mittels der Feder erreicht, dass die Verstellung in „Früh” ebenso schnell geht wie in „Spät”.
Zur Versorgung der Druckkammern des Nockenwellenverstellers mit Druckmedium – insbesondere Öl – können in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung Kanäle vorgesehen sein, die sich an Hülsen bilden, die in die hohle Nockenwelle radial außerhalb der Feder eingesetzt sind.
Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung vor.
Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Dabei zeigen
1 einen Flügelzellennockenwellenversteller mit einer gebauten Nockenwelle in einem Längsschnitt entlang deren Längsachse und
2 den Nockenwellenversteller aus 1 in einer Vorderansicht.
1 zeigt eine gebaute Nockenwelle 39 mit einem zugehörigen Flügelzellennockenwellenversteller 38. Die Nockenwelle 39 ist dabei als gebaute Nockenwelle 39 ausgeführt. Bei einer solchen gebauten Nockenwelle 39 sind die Nocken 25, 26 als einzelne Grundkörper auf die rohrförmige Nockenwelle 39 aufgeschrumpft und mittels eine Mikroverzahnung reib-/formschlüssig verbunden. Mit dem Flügelzellennockenwellenversteller 38 wird während des Betriebes eines Verbrennungsmotors die Winkellage zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle 39 verändert. Durch Verdrehen der Nockenwelle 39 werden die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile so verschoben, dass der Verbrennungsmotor bei der jeweiligen Drehzahl seine optimale Leistung bringt. Der Flügelzellennockenwellenversteller 38 ermöglicht dabei eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle 39 relativ zur Kurbelwelle. Die Funktionsweise eines Flügelzellennockenwellenverstellers 38 kann beispielsweise der DE 10 2006 019 435 A1 entnommen werden, welche diesbezüglich auch in dieser Patentanmeldung als aufgenommen gelten soll. Dabei umfasst der Flügelzellennockenwellenversteller 38 einen zylindrischen Stator 1, der drehfest mit einem Zahnrad 2 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad 2 ein Kettenrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Das Zahnrad 2 kann aber auch ein Zahnriemenrad sein, über das eine Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. Alternativ kann das Zahnrad 2 mit einem weiteren Zahnrad als Antriebselement kämmen. Über dieses Antriebselement und das Zahnrad 2 ist der Stator 1 mit der Kurbelwelle in bekannter Weise antriebsverbunden.
Der Stator 1 und das Zahnrad 2 können alternativ auch einstückig miteinander ausgebildet sein, wenn die andere Seite des Stators 1 gemäß dem Ausführungsbeispiel 1 öffenbar ist. Dabei können der Stator 1 und das Zahnrad 2 aus metallischem Werkstoff oder auch aus hartem Kunststoff bestehen. Als metallische Werkstoffe kommen u. a. Sintermetalle, Stahlbleche und Aluminium in Frage. Als Kunststoffe kommen insbesondere kunstharzgebundene Mineralmehle in Frage, die auch Faserverstärkungen aufweisen können. Solche Kunststoffe weisen Wärmeausdehnungskoeffizienten auf, die dem Wärmeausdehnungskoeffizienten von metallischen Werkstoff annäherbar sind. Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Statorgrundkörper 3, an dessen Innenseite radial nach innen in gleichen Abständen Stege abstehen. Zwischen benachbarten Stegen werden Druckräume 9, 10 gebildet, in die, über ein nicht näher dargestelltes 4/3-Wege-Ventil gesteuert, Druckmedium eingebracht wird. Zwischen benachbarten Stegen ragen Flügel, die radial nach außen von einer zylindrischen Rotornabe 7 eines Rotors abstehen. Diese Flügel unterteilen die Druckräume zwischen den Stegen jeweils in zwei Druckkammern 9 und 10.
Die Stege liegen mit ihren radial inneren Stirnseiten dichtend an der Außenmantelfläche 6 der Rotornabe 7 an. Die Flügel ihrerseits liegen mit ihren radial äußeren Stirnseiten dichtend an der zylindrischen Innenwand 5 des Statorgrundkörpers 3 an.
Der Rotor 8 ist drehfest mit der nicht näher dargestellten Nockenwelle 39 verbunden. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle 39 und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor 8 mit der Rotornabe 7 relativ zum Stator 1 verdreht. Hierzu wird je nach gewünschter Drehrichtung das Druckmedium in den Druckkammern 9 oder 10 unter Druck gesetzt, während die jeweils anderen Druckkammern 10 oder 9 zum Tank hin entlastet werden.
Der Stator 1 ist zwischen einem Statordeckel 4 und dem Zahnrad 2 mittels Schrauben 37 axial verspannt. Somit ist der Stator 1 fest mit dem Zahnrad 2 verschraubt. Die Seitenflächen 33, 34, 35, 36 der Stege und der Flügel 6 liegen einerseits dicht am Zahnrad 2 und andererseits dicht am Statordeckel 4 an. Dieser Statordeckel 4 und das Zahnrad 2 begrenzen außerdem die Druckräume 5 zwischen den Flügeln 4 in Axialrichtung. Damit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor – d. h. bei unbelastetem Flügelzellennockenwellenversteller 38 – der Rotor 8 die für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung einnimmt, wird der Rotor 8 durch eine Drehstabfeder 12 in eine Ausgangslage gedreht. In dieser Ausgangslage erfolgt eine Verriegelung zwischen dem Rotor 8 und dem Stator 1 beispielsweise durch einen federbelasteten Verriegelungsbolzen 21. Dieser ist in einem der Flügel 6 untergebracht, wie dies beispielhaft in der besagten DE 10 2006 019 435 A1 ersichtlich ist. Bei Druckabfall in den Druckkammern 9, 10 wird dieser Verriegelungsbolzen 21 durch die Federkraft einer nicht näher dargestellten Schraubendruckfeder in eine Verriegelungsstellung bewegt, in der dieser in eine Verriegelungsöffnung des Stators 1 eingreift. Beim Motorstart wird der Verrieglungsbolzen 21 durch das Druckmedium gegen die Federkraft belastet und zurückgeschoben, so dass der Rotor 8 vom Stator 1 entriegelt wird und der Flügelzellennockenwellenversteller in seine Regelstellung gelangen kann.
Die Drehstabfeder 12 ist an deren beiden Enden mit Verbindungselementen 32, 31 versehen, die als Vierkant ausgeführt sind. Der vordere Vierkant ist in eine vierkantförmige Ausnehmung 30 des Statordeckels 4 drehfest eingesetzt. Der hintere Vierkant ist hingegen drehfest in eine vierkantförmige Ausnehmung 29 eines Einsatzes 14 eingesetzt. Dieser Einsatz 14 ist an dem dem Nockenwellenversteller 38 gegenüber liegenden Ende der hohle Nockenwelle 39 in diese drehfest eingesetzt. Wird nun Druck auf die der einen Drehrichtung oder die der entgegen gesetzten Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 9 bzw. 10 ausgeübt, so wird der Stator 1 gegen den Rotor 8 verdreht. Dabei wird über die Länge der Drehstabfeder 12 diese Drehstabfeder 12 gegen die Nockenwelle 39 tordiert. Da die Nockenwelle 39 gegenüber der Drehstabfeder 12 einen relativ großen Durchmesser aufweist, tordiert die Nockenwelle 39 kaum im Verhältnis zur Drehstabfeder 12.
Die der einen Verstellrichtung zugeordneten Druckkammern 9 sind über eine hintere Radialbohrung 40 in der Rotornabe 7 unter Druck setzbar. Dieser hinteren Radialbohrung 40 wird das Hydraulikfluid zur Verstellung von einer vorderen Nockenwellenlagerbohrung 22 im Bereich des Nockenwellenlagers 21 zur Verfügung gestellt. Dabei wird das Hydraulikfluid mittels einer Außenhülse 20 von der vorderen Nockenwellenlagerbohrung 22 über einen Kanal 41 zur hinteren Radialbohrung 40 geleitet. Diese Außenhülse 20 ist an deren beiden Enden mittels eines ringförmig umlaufenden Absatzes gegenüber der Innenwand 19 der Nockenwelle 39 abgedichtet. Radial innerhalb dieser Außenhülse 20 erstreckt sich eine Innenhülse 18, welche über die beiden Enden der Außenhülse 20 hinaus ragt und mit deren beiden Enden ebenfalls dicht an der Innenwand 19 der Nockenwelle 39 anliegt. Damit kann diese Innenhülse 18 das Druckmedium direkt von einer hinteren Nockenwellenlagerbohrung 17 über einen Kanal 15 zu einer vorderen Radialbohrung 16 leiten, welche die der anderen Verstellrichtung zugeordneten Druckkammern 10 unter Druck setzen kann.
Die Drehstabfeder 12 muss sich nicht über die gesamte Länge der Nockenwelle 39 erstrecken. Der Einsatz 14 zur Aufnahme der Drehstabfeder 12 kann auch in einem Bereich zwischen den beiden Enden der Nockenwelle 39 vorgesehen sein. Der Einsatz 14 kann von dem einen oder dem anderen Ende der Nockenwelle 39 in die Nockenwelle 39 eingesteckt sein. Es muss kein Einsatz 14 vorgesehen sein. So kann die Nockenwelle beispielsweise auch als Hohlwelle ausgeführt sein, die mit einer Vollwelle verschweißt – insbesondere reibverschweißt – ist. In dem Fall ist die Vollwelle im Kontaktbereich zwischen der Hohlwelle und der Vollwelle mit einer Verbindungsaufnahme für das Verbindungselement der Drehstabfeder ausgeführt. Anstelle der Verwendung einer Hohlwelle ist es auch möglich, die Nockenwelle gänzlich als Vollwelle mit einer zentralen Bohrung auszuführen oder einen hohlen Zentrieradapter mit der Nockenwelle zu verspannen. In dem Fall ist die Verbindungsaufnahme in das Ende der Nockenwelle eingearbeitet. Diese Verbindungsaufnahme muss nicht als Vierkant ausgeführt sein. Es sind auch andere Verbindungsformen möglich, zu denen insbesondere die klassischen Welle-Nabe-Verbindungen, wie beispielsweise die Polygonprofile gehören.
Um Schwingungen in der Eigenfrequenz sicher auszuschließen, die zum Anschlagen des Rotors gegen den Stator führen würden, können geeignete Dämpfungsmittel vorgesehen sein. Diese können im radialen Zwischenraum zwischen der Drehstabfeder und der Hohlwelle vorgesehen sein. Dies können insbesondere Reibkörper sein, die drehfest auf die Drehstabfeder gesetzt sind und an der Innenwand der Nockenwelle reiben. Die Dämpfungsmittel können aber auch im Nockenwellenversteller selbst vorgesehen sein. Dabei kann beispielsweise die Formgebung der Flügel und der Stege derart ausgeführt sein, dass vor dem Anschlag der Flügel an die Stege das hydraulische Fluid zum Betrieb des Nockenwellenverstellers abgeschert wird. Ebenso ist es möglich, eine hydraulische Dämpfung in die hohle Nockenwelle zu legen. Beispielsweise kann der Innenraum innerhalb der Nockenwelle mit einem Fluid gefüllt sein, wobei die Feder im Inneren der Nockenwelle mit Flügeln versehen ist, die dieses Fluid beim tordieren abscheren.
Die Feder muss somit nicht als runde Drehstabfeder mit einer linearen Federkennung ausgeführt sein. Die Feder kann beispielsweise auch eine progressive Federkennung aufweisen, die verhindert, dass der Rotor zum Anschlag an den Stator kommt.
Anstelle der Drehstabfeder kann auch eine andere Feder innerhalb der Nockenwelle vorgesehen sein. Beispielsweise Spiralfedern sind bei entsprechend steifer Dimensionierung möglich.
Bei den beschriebenen Ausführungsformen handelt es sich nur um beispielhafte Ausgestaltungen. Eine Kombination der beschriebenen Merkmale für unterschiedliche Ausführungsformen ist ebenfalls möglich. Weitere, insbesondere nicht beschriebene Merkmale der zur Erfindung gehörenden Vorrichtungsteile, sind den in den Zeichnungen dargestellten Geometrien der Vorrichtungsteile zu entnehmen.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- DE 10333850 B4 [0002]
- DE 10160246 C1 [0002]
- DE 10125498 A1 [0002]
- DE 102008029692 [0002]
- WO 2008/0150062 A2 [0003]
- DE 102006019435 A1 [0016, 0020]

Claims

Nockenwellenversteller mit einer zumindest teilweise hohlen Nockenwelle (39), dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller ein Flügelzellennockenwellenversteller (38) mit einem Stator (1) ist, der gegen eine Federkraft einer Feder gegenüber der Nockenwelle (39) verdrehbar ist, wobei diese Feder zumindest teilweise radial innerhalb einer Rotornabe (7) angeordnet ist.
Nockenwellenversteller nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder einerseits mit dem Stator (1) drehfest verbunden ist und andererseits drehfest mit der Nockenwelle (39) verbunden ist.
Nockenwellenversteller nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Feder von einem Ende der Nockenwelle (39) zum anderen Ende der Nockenwelle (39) erstreckt.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwelle (39) eine gebaute Nockenwelle (39) ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zur drehfesten Verbindung zwischen der Feder und der Nockenwelle (39) ein Einsatz (14) vorgesehen ist, der drehfest mit der Nockenwelle (39) verbunden ist und eine Ausnehmung (29) zur Aufnahme der Feder aufweist.
Nockenwellenversteller nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung zwischen der Feder und dem Stator (1) und/oder der Nockenwelle (39) mittels einer Vierkantverbindung hergestellt wird.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in einem hohlen Bereich der Nockenwelle (39) radial innerhalb der Rotornabe (7) eine Hülse hineinragt, welche Druckmedium zur Verstellung des Flügelzellennockenwellenverstellers (38) in der einen Drehrichtung zugeordnete Druckkammern (9) leitet und dicht an der Innenwand (19) der Nockenwelle (39) anliegt.
Nockenwellenversteller nach Patentanspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hülse eine Außenhülse (20) ist, innerhalb derer sich eine Innenhülse (18) erstreckt, welche über die beiden Enden der Außenhülse (20) hinaus ragt und mit deren beiden Enden ebenfalls dicht an der Innenwand (19) der Nockenwelle (39) anliegt, wobei zwischen dieser Innenhülse (18) und der Außenhülse (20) ein Kanal (15) gebildet wird, der Druckmedium zur Verstellung des Flügelzellennockenwellenverstellers (38) in die der anderen Drehrichtung zugeordnete Druckkammern (10) leitet.
Nockenwellenversteller nach Patentanspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass dem Nockenwellenversteller (38) das Druckmedium zur Verstellung vom Nockenwellenlager (21) zugeleitet wird.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder eine Drehstabfeder (12) ist.