DE102004027951A1

DE102004027951A1 - Flügelzellen-Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102004027951A1
Application number: DE102004027951A
Authority: DE
Inventors: Mike Dipl.-Ing. Kohrs; Hermann Dipl.-Ing. Golbach
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-06-08
Filing date: 2004-06-08
Publication date: 2006-02-16
Also published as: KR101179289B1; EP1753941B1; US20080047390A1; US7588004B2; CN1965149A; WO2005121511A1; DE502005006071D1; KR20070022719A; EP1753941A1; CN1965149B; JP2008501886A

Abstract

Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) mit einem Stator (2c) und einem relativ zum Stator (2c) hydraulisch verdrehbaren, mit einer Nockenwelle verbindbaren Rotor (1) mit radial abstehenden, in Flügelnuten (2) eingesetzten Flügeln (2a), dadurch gekennzeichnet, dass der nockenwellenseitige Endabschnitt (5) der Flügelnut (2) einen vergrößerten Querschnitt aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen Flügelzellen-Nockenwellenversteller mit einem Stator und einem relativ zum Stator hydraulisch verdrehbaren, mit einer Nockenwelle verbindbaren Rotor mit radial abstehenden, in Flügelnuten eingesetzten Flügeln.

Hintergrund der Erfindung

Nockenwellenversteller werden eingesetzt, um die Steuerzeiten für das Öffnen oder Schließen der Ventile zu verändern. Die feste Winkelbeziehung zwischen der Nockenwelle und der sie antreibenden Kurbelwelle wird dadurch aufgehoben und die Steuerzeiten können in Abhängigkeit der Drehzahl und weiterer Parameter optimal eingestellt werden. Nockenwellenversteller ermöglichen eine relative Verdrehung der Nockenwelle zur Kurbelwelle.

Bekannte Flügelzellen-Nockenwellenversteller weisen einen Rotor mit mehreren radial abstehenden Flügeln auf, die durch die Kraft einer Feder radial nach außen gegen ein Statorgehäuse gedrückt werden. An dem Stator sind mehrere radial nach innen vorspringende Anschläge ausgebildet, die die Verstellbewe gung des Rotors in beide Drehrichtungen begrenzen, wenn die Flügel gegen die Anschläge laufen. Die Flügel liegen mit ihren Stirnkanten am Stator an, so dass zwischen jeweils einer Flügelseite und der benachbarten Seite eines Anschlags des Stators eine Kammer gebildet wird, in die ein Fluid, in der Regel das Motoröl, über ein dem Nockenwellenversteller zugeordnetes Ventil gefördert wird. Der Stator dient einerseits zum Trennen und Abdichten der Fluidkammern, andererseits zur Festlegung des Verstellwinkels zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle.

Der Rotor des Nockenwellenverstellers wird beim Zusammenbau kraftschlüssig über eine Schraube mit der Nockenwelle verbunden. Zur Erzeugung des Kraftschlusses wird der Rotor (Drehkolben) des Verstellers durch die Vorspannkraft der Zentralschraube mit seiner seitlichen Flanschfläche an die entsprechende Seitenfläche der Nockenwelle gedrückt. Der Kraftschluss muss das Antriebsdrehmoment und eventuelle axiale oder radiale Kräfte aus dem Antrieb übertragen. Daher muss eine relativ hohe Vorspannkraft eingeleitet werden. Allerdings hat es sich herausgestellt, dass im Rotor an der der Nockenwelle zugewandten Seite im Nutgrund der Flügelnuten relativ hohe Zugspannungen erzeugt werden. Zusätzlich werden durch die Übertragung des Nockenwellenantriebsmomentes vom Antrieb zum Abtrieb des Verstellers durch die Abstützung der Flügel in der Flügelnut hohe Zugspannungen in die Flügelnut eingeleitet. Es kommt daher zur Überlagerung der Kräfte und Spannungen und in der Folge zu einer hohen Beanspruchung des Werkstoffs.

Die Verwendung von Materialien mit einer höheren Festigkeit soll jedoch vermieden werden, da höherfeste Materialien in den meisten Fällen teure und aufwendige Fertigungstechnologien erfordern. Auch die Vergrößerung der Breite und/oder des Durchmessers des Rotors ist keine praktikable Lösung, da diese Maßnahmen zu einem erhöhten Gewicht und zu erhöhter Massenträgheit führen. Die bloße Vergrößerung des Radius im Nutgrund über die Breite des Rotors ist nicht möglich, da die sichere Führung des Flügels dann möglicherweise nicht mehr gewährleistet ist. Außerdem besteht die Gefahr, dass die am Nutgrund der Flügelnut angeordnete Flügelfeder ihre Lage ändert.

Zusammenfassung der Erfindung

Der Erfindung liegt daher das Problem zugrunde, einen Flügelzellen-Nockenwellenversteller anzugeben, bei dem die nockenwellenseitige Spannungskonzentration verringert ist.

Zur Lösung dieses Problems ist bei einem Flügelzellen-Nockenwellenversteller der eingangs genannten Art erfindungsgemäß vorgesehen, dass der nockenwellenseitige Endabschnitt der Flügelnut einen vergrößerten Querschnitt aufweist.

Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass die Spannungen im Bereich des Nutgrunds der Flügelnut, die durch die Vorspannkraft der Zentralschraube entstehen, in Axialrichtung des Rotors lokal auf den Bereich der Flanschfläche begrenzt sind, die im eingebauten Zustand an die Nockenwelle angrenzt. Gemäß der Erfindung wird nur dieser begrenzte Bereich mit einer spannungsoptimierten Kontur ausgestattet, während der übrige Bereich der Flügelnut die herkömmliche funktionsgerechte Kontur zur optimalen Führung des Flügels und der Flügelfeder beibehält. Durch den vergrößerten Querschnitt im Bereich des nockenwellenseitigen Endabschnitts der Flügelnut wird die Kerbwirkung reduziert und es entsteht eine über die Breite gleichmäßigere Spannungsverteilung mit beträchtlich verringerten Spannungsspitzen.

Eine besonders wirksame Verringerung der Spannungsspitzen lässt sich erzielen, wenn die Flügelnut im Bereich des Nutgrunds bezüglich der Nutseitenflächen hinterschnitten ist und an dieser Stelle einen vergrößerten Querschnitt aufweist. Erfindungsgemäß wird somit speziell der am meisten gefährdete Bereich, der sich an der Hinterschneidung befindet, durch die Wahl eines vergrößerten Querschnitts entlastet. Der übrige Bereich, der von der nockenwellenseitigen Anlagefläche des Rotors beabstandet ist, bleibt unverändert. Der vergrößerte Bereich kann sich einerseits im Bereich des Nutgrunds befinden, er kann jedoch auch im Bereich der Hinterschneidung vorgesehen sein, ferner kann der Bereich mit vergrößertem Querschnitt sowohl im Bereich des Nutgrunds als auch im Bereich der Hinterschneidung oder in beiden Bereichen vorgesehen sein.

Ein besonders günstiger Spannungsverlauf ergibt sich, wenn der Übergang zwischen dem nicht vergrößerten und dem vergrößerten Nutquerschnitt bogenförmig ausgebildet ist. Der als Bogen ausgebildete Übergang zwischen den beiden Querschnitten mit unterschiedlichem Durchmesser bewirkt einen allmählichen Spannungsanstieg, so dass lokale Spannungsspitzen vermieden werden.

Gemäß einer alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Flügelnut im Bereich der Hinterschneidung und des Nutgrunds einen radial nach außen verlaufenden Abschnitt mit einem vergrößerten Querschnitt aufweist. Bei dieser Variante wird derjenige Bereich optimiert, der sich vom Nutgrund radial nach außen erstreckt. Der ursprüngliche Nutgrund und der Nutgrund in dem Endabschnitt können dabei eine gemeinsame Grundlinie besitzen. Der Querschnitt des vergrößerten Bereichs kann näherungsweise oval ausgebildet sein und im Bereich des Nutgrunds einen geraden Abschnitt aufweisen. Es ist auch möglich, dass der vergrößerte Abschnitt zumindest näherungsweise einen konstanten Durchmesser aufweist. Ein derartiger Aufbau ist besonders fertigungsgünstig.

Gemäß einer weiteren alternativen Ausgestaltung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass der Abschnitt der Flügelnut, dessen Querschnitt nicht vergrößert ist, in einen Abschnitt mit sich kontinuierlich vergrößerndem Querschnitt übergeht. In dem Bereich des Nutgrunds kann die Flügelnut dabei unverändert belassen sein, während sie sich von dort in Radialrichtung nach außen kelchartig erweitert. Auch bei dieser Ausführung wird ein ovaler Querschnitt des vergrößerten Bereichs bevorzugt. Durch den kontinuierlichen Übergang zwischen der Flügelnut mit dem normalen Querschnitt und dem Abschnitt mit dem vergrößerten Querschnitt werden erhöhte Spannungskonzentrationen an der Seitenfläche, an der die Nockenwelle anliegt, vermieden. Dementspre chend ist es nicht erforderlich, auf einen Werkstoff mit einer höheren Festigkeit zurückzugreifen und der Erfindungsgegenstand kann kostengünstig hergestellt werden.

Gemäß einer weiteren, ebenfalls besonders vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann es vorgesehen sein, dass die Flügelnut im Bereich des Nutgrunds einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt mit einem vergrößerten Querschnitt aufweist. Dieser Bereich mit dem vergrößerten Querschnitt ist vorzugsweise zusätzlich zu dem Abschnitt mit dem vergrößerten Querschnitt vorhanden, der sich im Bereich der Hinterschneidung und in dem Nutgrund befindet und sich radial nach außen erstreckt. Insgesamt kann der gesamte Bereich, der die Hinterschneidung, den Nutgrund und den Anfang der Nutseitenflächen umgibt, den vergrößerten Durchmesser aufweisen. Da an keiner Stelle scharfkantige Übergänge entstehen, treten keine lokalen Spannungsspitzen auf. Der Bereich mit dem vergrößerten Querschnitt besitzt eine ovale Grundform und ist konusartig ausgebildet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Vorteile und Einzelheiten der Erfindung werden anhand von bevorzugten Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Figuren erläutert. Die Figuren sind schematische Darstellungen und zeigen:
1 einen Querschnitt durch einen Flügelzellen-Nockenwellenversteller;
2a eine perspektivische Ansicht des Rotors eines erfindungsgemäßen Flügelzellen-Nockenwellenverstellers;
2b eine Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors;
3a – c Darstellungen des Endabschnitts der Flügelnut eines Rotors gemäß dem Stand der Technik;
4a – c ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung;
5a – c ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung;
6a – c ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung und
7a – c ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt Querschnitt durch einen Flügelzellen-Nockenwellenversteller 0, 2a eine perspektivische Ansicht eines Rotors 1 eines Flügelzellen-Nockenwellenverstellers 0.
Der Rotor 1 weist eine scheibenförmige Grundform auf und besitzt fünf gleichmäßig über den Umfang verteilte Flügelnuten 2, in die Flügel 2a einsetzbar sind, die mit Öl befüllbare Kammern 2b zwischen dem Rotor 1 und einem Stator 2c abdichten. Auf der linken und rechten Seite jeder Flügelnut 2 sind Bohrungen 3, 4 angeordnet, durch die das Öl in die erwähnten Kammern 2b ein- und wieder ausfließen kann.
Die Flügelnut 2 verläuft in Axialrichtung und weist an ihrem Endabschnitt 5 einen vergrößerten Querschnitt auf.
2b zeigt eine geschnittene Seitenansicht des in 1 gezeigten Rotors 1. In dieser Darstellung ist besonders gut zu sehen, dass die Flügelnut 2 in Axialrichtung nahezu über die gesamte Dicke des Rotors 1 einen konstanten Querschnitt aufweist und lediglich im Bereich des Endabschnitts 5 einen vergrößerten Querschnitt besitzt. Diese Querschnittsvergrößerung führt zu einer Verringerung der Kerbwirkung und damit zu niedrigeren Spannungsspitzen im Bereich des Endabschnitts 5.
Die 3a – c sind vergrößerte Darstellungen des Endabschnitts der Flügelnut 9 eines Rotors gemäß dem Stand der Technik. 3a ist eine perspektivische Ansicht, 3b ist eine Seitenansicht analog zu 2, 3c ist eine Vorderansicht der Flügelnut 9. Wie in 3c zu erkennen ist, weisen die Nutseitenflächen 6 in der Nähe des Nutgrunds 8 eine Hinterschneidung 7 auf, die aus Bogenabschnitten und geraden Stücken besteht. Die Flügelnut 9 weist an dem freien Ende 10 denselben konstanten Durchmesser wie in dem übrigen Bereich auf, so dass an dieser Stelle ein relativ starker Querschnittssprung vorliegt, der die erhöhten Spannungen hervorruft.
Die 4a – c zeigen ein erstes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
Anders als bei der in den 3a – c gezeigten Flügelnut ist der Übergang 11 zwischen dem nicht vergrößerten und dem vergrößerten Nutquerschnitt bogenförmig ausgebildet. Der Übergang 11 erstreckt sich dabei sowohl vom Nutgrund 12 als auch von den Hinterschneidungen 13 nach außen. Der bogenförmige Übergang 11 bewirkt eine vergleichsweise sanfte Kraftumlenkung, die neben dem vergrößerten Querschnitt an der Außenseite zu geringeren Spannungskonzentrationen führt.
Die 5a – c zeigen ein zweites Ausführungsbeispiel der Erfindung. Die Flügelnut weist im Bereich der Hinterschneidung 13 einen radial nach außen, das heißt zur Öffnung der Flügelnut, verlaufenden Abschnitt 14 mit einem vergrößerten Durchmesser auf. Wie am besten in 5b zu erkennen ist, ist der Durchmesser des Abschnitts 14 konstant. Andererseits erstreckt sich der Bereich mit dem vergrößerten Querschnitt nicht vom Nutgrund 12 radial nach innen. Die erwünschte Spannungsreduzierung wird bei dieser Variante vor allem durch den vergrößerten Durchmesser erzielt.
Die 6a – c zeigen ein drittes Ausführungsbeispiel der Erfindung.
In 6b ist erkennbar, dass der nicht vergrößerte Querschnitt des Abschnitts 15 der Flügelnut in einen Abschnitt 16 mit sich kontinuierlich vergrößerndem Querschnitt übergeht. Diese Variante zeichnet sich ebenfalls durch ein besonders niedriges Niveau der lokalen Spitzenspannungen aus. In Übereinstimmung mit der Variante gemäß den 5a – c weist der Bereich, der sich von dem Nutgrund 12 radial nach innen erstreckt, keinen vergrößerten Querschnitt auf.
Die 7a – c zeigen ein viertes Ausführungsbeispiel der Erfindung. Der Grundaufbau dieses Endabschnitts des Rotors 1 gleicht dem in den 6a – c dargestellten, zusätzlich weist die Flügelnut im Bereich des Nutgrunds 12 einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt 17 mit einem vergrößerten Querschnitt auf. Der vergrößerte Abschnitt 18, der sich beiderseits der Hinterschneidungen 13 erstreckt, ist wie in den 6a – c dargestellt aufgebaut, er entspricht somit dem Abschnitt 16 von 6. Die an der Seitenfläche des Rotors 1 gebildete Öffnung, die aus den Begrenzungen der Abschnitte 17, 18 besteht, ist näherungsweise oval ausgebildet, abgesehen von dem ebenen Nutgrund. Die Randlinien des Abschnitts 18 sind Bogenabschnitte eines Kreises, dessen Mittelpunkt sich näherungsweise im Bereich des unteren Endes 19 der Nutseitenflächen befindet.

0: Flügelzellen-Nockenwellenversteller
1: Rotor
2: Flügelnut
2a: Flügel
2b: Kammer
2c: Stator
3: Bohrung
4: Bohrung
5: Endabschnitt
6: Nutseitenfläche
7: Hinterschneidung
8: Nutgrund
9: Flügelnut
10: Ende
11: Übergang
12: Nutgrund
13: Hinterschneidung
14: Abschnitt
15: Abschnitt
16: Abschnitt
17: Abschnitt
18: Abschnitt
19: Ende

Claims

Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) mit einem Stator (2c) und einem relativ zum Stator (2c) hydraulisch verdrehbaren, mit einer Nockenwelle verbindbaren Rotor mit radial abstehenden, in Flügelnuten eingesetzten Flügeln (2a), dadurch gekennzeichnet, dass der nockenwellenseitige Endabschnitt (5) der Flügelnut (2) einen vergrößerten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelnut (2) im Bereich des Nutgrunds (12) bezüglich der Nutseitenflächen eine Hinterschneidung (13) aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelnut im Bereich des Nutgrunds (12) einen vergrößerten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelnut im Bereich der Hinterschneidung (13) einen vergrößerten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang (11) zwischen dem nicht vergrößertem und dem vergrößerten Nutquerschnitt bogenförmig ausgebildet ist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelnut im Bereich der Hinterschneidung (13) und des Nutgrunds (12) einen radial nach außen verlaufenden Abschnitt (14, 16, 18) mit einem vergrößerten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (14) mit dem vergrößerten Querschnitt zumindest näherungsweise einen konstanten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt (15) der Flügelnut, dessen Querschnitt nicht vergrößert ist, in einen Abschnitt (16) mit sich kontinuierlich vergrößerndem Querschnitt übergeht.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Flügelnut im Bereich des Nutgrunds (12) einen radial nach innen verlaufenden Abschnitt (17) mit einem vergrößerten Querschnitt aufweist.
Flügelzellen-Nockenwellenversteller (0) nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Abschnitt der Flügelnut, dessen Querschnitt nicht vergrößert ist, in einen Abschnitt mit sich kontinuierlich vergrößerndem Querschnitt übergeht.