DE102005051692A1

DE102005051692A1 - Nockenwellenversteller mit Verriegelungseinrichtung

Info

Publication number: DE102005051692A1
Application number: DE102005051692A
Authority: DE
Inventors: Thomas Dipl.-Ing. Kleiber
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2005-10-28
Filing date: 2005-10-28
Publication date: 2007-05-10
Also published as: EP1943412B1; CN101297102B; CN101297102A; WO2007048706A1; US20080289594A1; EP1943412A1; JP2009513865A; US7823554B2

Abstract

Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung zwischen zwei sich drehenden Wellen, insbesondere zwischen einer Antriebswelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und einer Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen, mit einem Rotationselement (2), das mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist, mit einem Rotor (5), der mit der Nockenwelle drehfest verbunden ist, mit einer Drehwinkelverstelleinrichtung (1) und mit einer Verriegelungsvorrichtung, die zumindest einen in einem der Bauteile beweglich gelagerten Verriegelungsbolzen (6) und zumindest eine korrespondierende Öffnung (4) im anderen Bauteil aufweist, wobei der Verriegelungsbolzen (6) mittels Feder-(Druckfeder 7) und/oder Hydraulikkraft in und aus der Öffnung (4) verschiebbar ist und wobei der mit der Öffnung (4) in Wirkverbindung tretende Berührungsbereich (9) des Verriegelungsbolzens (6) eine nach außen gewölbte Kontur aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung zwischen zwei sich drehenden Wellen, insbesondere zwischen einer Antriebswelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und einer Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen, mit einem Rotationselement, das mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist, mit einem Rotor, der mit der Nockenwelle drehfest verbunden ist, mit einer Drehwinkelverstelleinrichtung und mit einer Verriegelungsvorrichtung, die zumindest einen in einem der Bauteile beweglich gelagerten Verriegelungsbolzen und zumindest eine korrespondierende Öffnung im anderen Bauteil aufweist, wobei der Verriegelungsbolzen mittels Feder- und/oder Hydraulikkraft in und aus der Öffnung verschiebbar ist.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige gattungsbildende Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung ist aus der DE-196 23 818 A1 bekannt. Bei dieser Drehwinkelverstellvorrichtung weist der Rotor Flügel auf und das Rotationselement entsprechende Aussparungen, so dass mittels hydraulischer Druckflüssigkeit, die zwischen den Flügeln und dem Rotationselement auf der einen Seite gedrückt wird, eine Drehwinkelverstellung in der einen Richtung erfolgen kann, während eine Druckbelastung auf der gegenüberliegenden Seite eine Drehwinkelverstellung in die andere Drehrichtung bewirkt.

Um den Rotor gegenüber dem Rotationselement, beispielsweise in der Endstellung, feststellen zu können, ist eine Verriegelungsvorrichtung mit einem Verriegelungsbolzen in dem einen Bauteil und eine Öffnung im anderen Bauteil vorgesehen, wobei die Kraft einer Feder den Verriegelungsbolzen in die Öffnung drückt, während Hydraulikflüssigkeit den Verriegelungsbolzen aus der Öffnung verschiebt. Diese Zuordnung von Federkraft und Hydraulikkraft zum Verriegelungsbolzen ist in der vorgeschlagenen Vorrichtung zwar vorteilhaft, nicht aber zwingend notwendig, so dass ggf. auch Hydraulikkraft den Verriegelungsbolzen in die Öffnung schieben kann, während die Kraft einer Feder ihn zurückzieht.

Bei der gattungsbildenden Ausgestaltung sind sowohl der mit der Öffnung zusammenwirkende Bereich des Verriegelungsbolzens als auch die Öffnung konisch passend zueinander ausgebildet.

Dabei besteht das Problem, dass der Verriegelungsbolzen exakt zur Öffnung ausgerichtet sein muss, damit der Verriegelungsbolzen in die Öffnung passt und dort eine entsprechende Anlage hat. Ist dies nicht der Fall, so ist eine Kantenpressung zwischen Öffnung und Verriegelungsbolzen zu befürchten. Diese Kantenpressung tritt auch bei Winkelabweichungen zwischen den Achsen der Öffnung und des Verriegelungsbolzens auf. Weiterhin besteht das Problem, dass es schwierig ist, den Verriegelungsbolzen wieder aus der Öffnung zu lösen, wenn ein kleiner Konuswinkel gewählt wird und gute Passung vorliegt. Ist der Konuswinkel groß gewählt, so kann der Verriegelungsbolzen durch Drehkraft aus der Öffnung geschoben werden. Darüber hinaus besteht das Problem, dass es aus den vorgenannten und aus Toleranzgründen praktisch unmöglich ist, ein Spiel einzustellen, das hinreichend klein ist und vorzugsweise unter 0,2 Grad Winkel liegt, so dass ein unerwünschter Einstellfehler entsteht und Schwingungen, insbesondere Drehschwingungen, auftreten können.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung so auszugestalten bzw. zu verbessern, dass die zuvor beschriebenen Probleme behoben werden und dass ein Quasi-Null-Verriegelungsspiel erreichbar ist.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass der mit der Öffnung in Wirkverbindung stehende Berührungsbereich des Verriegelungsbolzens eine nach außen gewölbte Kontur aufweist. Der Berührungsbereich weist insbesondere eine Kugel-Tonnen-Kontur auf.

Durch diese Ausgestaltung wird erreicht, dass die Winkellage des Verriegelungsbolzens nur eine untergeordnete Bedeutung hat, da die Anlage des Verriegelungsbolzens über die gewölbte Kontur bzw. Kugel-Tonnen-Kontur im wesentlichen ringförmig erfolgt. Dies ist zunächst unabhängig von der Form bzw. Kontur der Öffnung, wenn sichergestellt ist, dass die Abmessungen zwischen dem Öffnungsquerschnitt und der gewölbten bzw. Kugel-Tonnen-Kontur so gewählt ist, dass der Verriegelungsbolzen eine hinreichende Tiefe in der Öffnung erreicht. Dadurch kann auch die Fertigungstoleranz und Maßhaltigkeit vergrößert werden.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass der Berührungsbereich des Verriegelungsbolzens, der mit der Öffnung in Wirkverbindung tritt, die Form einer Kugelzone aufweist. Dabei ist an eine Form gedacht, bei der der Mittelpunkt der Kugel, von der die Zone stammt, in Richtung der Lage rung des Verriegelungsbolzens verschoben ist, so dass der Radius am Ende des Bolzens in Richtung zur Öffnung kleiner ist als der Radius am gegenüberliegenden Ende des Berührungsbereichs.

Die Kontur des Verriegelungsbolzens kann aber auch als Drehparaboloid-Abschnitt ausgeführt sein.

Dabei besteht die Möglichkeit, den Abschnitt so zu wählen, dass er einen flacheren oder einen steileren Verlauf, je nach Ausgestaltung der Parabel, hat.

Weiterhin ist es wichtig, dass am freien Ende des Verriegelungsbolzens ein Übergangsradius vorgesehen ist, der verhältnismäßig groß ist und vorzugsweise größer als 0,5 mm ist. Dadurch wird erreicht, dass nur geringe Kantenspannungen und Kantenpressungen auftreten, wenn der Verriegelungsbolzen nicht vollständig in die Öffnung eingeschoben ist.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung wird bei einer Vorrichtung, bei der die Öffnung in einem Deckel des Rotationselements angeordnet ist, vorgeschlagen, dass die Öffnung in ihrer vom Verriegelungsbolzen sich entfernenden Tiefe eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist und dass die Einlaufphase ebenfalls einen großen Übergangsradius aufweist, der vorzugsweise größer als 0,5 mm ist.

Zwar ist bei der gattungsbildenden Vorrichtung eine Öffnung im Deckel mit konischer Kontur bekannt, diese steht allerdings mit einem Verriegelungsbolzen in Wirkverbindung, der ebenfalls ein konisches Ende hat. Im vorliegenden Fall steht die konische bzw. kegelförmige Kontur der Öffnung mit der gewölbten bzw. kugel-tonnenförmigen Kontur oder mit der Kugelzone oder mit dem. Drehparaboloid-Abschnitt in Wirkverbindung, so dass sich ganz andere Zusammenhänge und andere Wirkmechanismen ergeben.

Die Kontur der Öffnung im Deckel kann aber auch nach innen gewölbt ausgeführt sein oder die Kontur eines Drehhyperboloid-Abschnitts aufweisen. Dadurch hat sowohl der betreffende Verriegelungsbolzen-Abschnitt als auch die Kontur der Öffnung eine je zueinander geneigte Kontur, so dass eine große Fertigungstoleranz für den Verriegelungsbolzen und die Bohrung bzw. auch die Lagerung des Verrieglungsbolzens möglich ist, ohne dass ein Verkanten, er höhte Flächenpressungen oder ein erhöhtes Drehspiel entsteht. Wird ein solcher Verriegelungsbolzen in die Öffnung gedrückt, so ist ohne weiteres ersichtlich, dass ein Quasi-Null-Verriegelungsspiel entsteht.

Sowohl die Öffnung bzw. der Deckel als auch der Verriegelungsbolzen können mittels Umformverfahren preisgünstig hergestellt sein, wodurch eine genügende Maßgenauigkeit erreicht wird.

Um sowohl in der Öffnung als auch am Verriegelungsbolzen eine möglichst hohe Festigkeit zu erreichen, wird vorgeschlagen, dass diese mittels selbst abschreckenden Härteverfahren, z.B. Plasmahärten, Laserhärten und dergleichen, verfestigt sind.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung wird auf die Zeichnungen verwiesen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
1: eine perspektivische Darstellung einer Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung mit Teilschnitt durch die Vorrichtung,
2: eine perspektivische Darstellung eines Verriegelungsbolzens mit Schnitt durch denselben,
3: eine Außenansicht eines Verriegelungsbolzens,
4–8: eine skizzierte Darstellung eines Deckels mit Öffnung mit kegelförmiger Kontur und kugel-tonnenförmig ausgebildetem Ende des Verriegelungsbolzens in verschiedenen Stellungen,
9–11: eine skizzierte Darstellung einer Öffnung eines Deckels, die gewölbt ausgeführt ist, mit kugel-tonnenförmigem Verriegelungsbolzen und
12 u. 13: den Berührungsbereich zwischen dem Verriegelungsbolzen und der Öffnung in vergrößertem Maßstab.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
In den 1 bis 11 ist, soweit im Einzelnen dargestellt, mit 1 eine Drehwinkelverstelleinrichtung bezeichnet, die ein Rotationselement 2 mit einem Deckel 3 aufweist, in dem eine Öffnung 4 eingearbeitet ist. Der Deckel 3 ist innerhalb des Rotationselements 2 angeordnet, das, nicht dargestellt, Kammern aufweist, in denen Flügel eines mit 5 bezeichneten Rotors angeordnet sind. Der Rotor 5 ist, nicht dargestellt, mit einer Nockenwelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine drehfest verbunden, während das Rotationselement 2 über einen Zahn-, Ketten- oder Zahnriementrieb mit einer Antriebswelle der Hubkolbenbrennkraftmaschine, ebenfalls nicht dargestellt, in Wirkverbindung steht. In einer Bohrung des Rotors 5 ist ein mit 6 bezeichneter Verriegelungsbolzen gelagert, der mittels einer Druckfeder 7 in Richtung zur Öffnung 4 vorgespannt ist und, im Einzelnen nicht darstellt, mittels Hydraulikdruck aus der Öffnung herausgezogen werden kann. Der Verriegelungsbolzen 6 ist, siehe insbesondere 2, mit einem Hohlraum 8 versehen, in dem die Druckfeder 7 teilweise eingesetzt ist. Der Verriegelungsbolzen 6 hat einen zylindrischen Bereich, in dem er in der Bohrung des Rotors geführt und gelagert ist. An den zylindrischen Bereich schließt sich ein Radius an, sowie ein Berührungsbereich 9, mit dem der Verriegelungsbolzen 6 mit der Öffnung 4 in Wirkverbindung treten kann. Der Berührungsbereich 9 weist eine nach außen gewölbte Kontur auf, die kugeltonnenförmig ausgebildet ist. An den Berührungsbereich 9 schließt sich ein mit 10 bezeichneter Übergangsradius an, der groß gewählt ist.
In den Ausschnittsdarstellungen der 4 bis 8 ist die Kontur der Öffnung 4 kegelstumpfförmig ausgeführt. Der Verriegelungsbolzen ist im Berührungsbereich 9 in allen Fällen kugel-tonnenförmig ausgebildet. 4 zeigt die Normallage, d.h. die gewünschte Lage des Verriegelungsbolzens mit seinem Berührungsbereich 9 in der Öffnung 4.
5 zeigt ein Beispiel, bei dem der Kegelstumpfwinkel kleiner als in der Normallage ausgeführt ist. Trotzdem ergibt sich ein problemloser Eingriff des Berührungsbereichs 9 des Verriegelungsbolzens 6 in der Öffnung 4, aufgrund der besonderen Kontur des Berührungsbereichs 9.
In 6 ist der Kegelstumpfwinkel größer als in der Normallage ausgeführt, wobei sich auch dort zeigt, dass eine problemlose Abstützung des Verriegelungsbolzens 6 in der Öffnung 4 aufgrund der kugel-tonnenförmigen Kontur des Berührungsbereichs 9 gegeben ist.
Die 7 und 8, die entsprechend den 4 bis 6 ausgebildet sind, zeigen, dass auch Winkelfehler in der Führung des Verriegelungsbolzens 6 innerhalb bestimmter Toleranzen ohne Probleme aufgefangen werden können.
In den 9 bis 11 ist die kugel-tonnenförmige Kontur des Berührungsbereichs 9 unverändert gegenüber den 2 bis 8 ausgeführt, wobei die Kontur der Öffnung 4 nach innen gewölbt ausgebildet ist, wobei ein großer Übergangsradius an dem dem Verriegelungsbolzen 6 zugewandten Rand der Öffnung 4 vorgesehen ist.
Den 9 bis 11 ist zu entnehmen, dass von der erfindungsgemäßen Verriegelungsvorrichtung auch große Fehler aufgenommen werden können.
In den 12 und 13 ist der Berührungsbereich 9 des Verriegelungsbolzens 6 in vergrößertem Maßstab dargestellt, wobei ersichtlich ist, dass dieser Bereich entsprechend eines Drehparaboloid-Abschnitts ausgeführt ist. Der korrespondierende Bereich der Öffnung 4 entspricht einem Drehhyperboloid-Abschnitt. In 12 sind die Abmessungen so gewählt, dass der Verriegelungsbolzen 6 nicht so weit in die Öffnung 4 eingedrungen ist, während in 13 ein flacherer Winkel im Berührungsübergang zwischen dem Verriegelungsbolzen 6 und der Öffnung 4 entsteht.

1: Drehwinkelverstelleinrichtung
2: Rotationselement
3: Deckel
4: Öffnung
5: Rotor
6: Verriegelungsbolzen
7: Druckfeder
8: Hohlraum
9: Berührungsbereich
10: Übergangsradius

Claims

Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung zwischen zwei sich drehenden Wellen, insbesondere zwischen einer Antriebswelle einer Hubkolbenbrennkraftmaschine und einer Nockenwelle zum Betätigen von Gaswechselventilen, mit einem Rotationselement (2), das mit der Antriebswelle drehfest verbunden ist, mit einem Rotor (5), der mit der Nockenwelle drehfest verbunden ist, mit einer Drehwinkelverstelleinrichtung (1) und mit einer Verriegelungsvorrichtung, die zumindest einen in einem der Bauteile beweglich gelagerten Verriegelungsbolzen (6) und zumindest eine korrespondierende Öffnung (4) im anderen Bauteil aufweist, wobei der Verriegelungsbolzen (6) mittels Feder- (Druckfeder 7) und/oder Hydraulikkraft in und aus der Öffnung (4) verschiebbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass der mit der Öffnung (4) in Wirkverbindung tretende Berührungsbereich (9) des Verriegelungsbolzens (6) eine nach außen gewölbte Kontur aufweist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsbereich (9) des Verriegelungsbolzens (6) eine Kugel-Tonnen-Kontur aufweist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Berührungsbereich (9) des Verriegelungsbolzens (6) die Form einer Kugelzone aufweist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur des Verriegelungsbolzens (6) als Drehparaboloid-Abschnitt ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass am freien Ende des Verriegelungsbolzens (6) ein Übergangsradius (10) vorgesehen ist, der größer als 0,5 mm ist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der die Öffnung (4) in einem Deckel (3) des Rotationselements (2) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) in ihrer vom Verriegelungsbolzen (6) sich entfernenden Tiefe eine kegelstumpfförmige Kontur aufweist und dass die Einlaufphase einen Übergangsradius (10) aufweist, der größer ist als 0,5 mm.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Öffnung (4) nach innen gewölbt und/oder ballig ausgeführt ist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontur der Öffnung (4) die Form eines Drehhyperboloid-Abschnitts aufweist.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (4) und der Verriegelungsbolzen (6) mittels Umformverfahren hergestellt sind.
Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Konturen der Öffnung (4) und/oder des Verriegelungsbolzens (6) mittels selbst abschreckenden Härteverfahren, z.B. Plasmahärten, Laserhärten und dergleichen, verfestigt sind.