DE102006019607B4

DE102006019607B4 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102006019607B4
Application number: DE200610019607
Authority: DE
Inventors: Gordon NEUDÖRFER; Martin Maier; Andreas Wild
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2006-04-25
Filing date: 2006-04-25
Publication date: 2008-01-31
Anticipated expiration: 2026-04-26
Also published as: DE102006019607A1

Abstract

Nockenwellenversteller für Verbrennungskraftmaschinen, der ein hydraulisches Schwenkmotorprinzip aufweist, umfassend ein Antriebsrad, einen Stator mit radial verlaufenden Stegen, einen Rotor mit Schwenkflügeln, eine Abdeckung, Abschlussringe und Dichtungen, wobei die Statorstege und/oder Rotorflügel Ausnehmungen aufweisen, in denen Dichtungen angeordnet sind, zur Abdichtung der jeweils beiden von den Statorstegen und Rotorflügeln begrenzten Hydraulikkammern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (3) und ein Rotor (4) einstückig aus einem nichtmetallischen gleichen Werkstoff ausgebildet sind, wobei jeweils die entlang einer Innenfläche (10) des Stators (3) laufenden Stirnflächen (9) von Rotorflügeln (6) Nuten (11) und die jeweils entlang einer Innenfläche (14) des Rotors (4) laufenden Stirnflächen (13) von Statorstegen (5) Nuten (15) zur Aufnahme von rollenförmig ausgebildeten Dichtungen (12, 16) zur gegenseitigen Abdichtung von jeweils zwei Hydraulikkammern (7, 8) aufweisen, und wobei die Breite der Rotorflügel (6) und der Statorstege (5) annähernd doppelt so breit ausgebildet ist wie der Durchmesser der Dichtungen (12, 16).

Description

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller für Verbrennungskraftmaschinen auf der Basis eines hydraulischen Schwenkmotorprinzips nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
Aus dem Stand der Technik sind zahlreiche Nockenwellenverstelleinrichtungen bekannt. Der auf der Basis eines hydraulischen Schwenkmotorprinzips arbeitende Nockenwellenversteller, der während des Motorbetriebs einer Verbrennungskraftmaschine mittels Hydraulikdrucks die Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle verdreht, besteht aus einer Vielzahl von Einzelelementen, beispielsweise einem Rotor mit Rotorflügeln, einem Stator mit Statorstegen, eine mit dem Stator oder dem Rotor verbundene Nockenwelle, wobei der Rotor mit seinen Flügeln und der Stator mit seinen Stegen zusammen die ein Hydraulikmedium aufnehmenden Hydraulikdruckkammern bilden.
Die Nockenwellenversteller werden allgemein aus metallischen Werkstoffen hergestellt. Sie sind den hohen mechanischen Belastungen im Motorbetrieb ausgesetzt und in der Herstellung sehr aufwändig, schwer und teuer. Neben der Anforderung einer Gewichtsreduzierung für die Nockenwellenversteller besteht gleichzeitig die Forderung, den verdrehbaren Winkel der Nockenwelle in Bezug auf die Kurbelwelle zu vergrößern und insbesondere bei hydraulischen Nockenwellenverstellern soll der notwendige Druck des Hydraulikmediums möglichst niedrig gehalten werden, da der Druck von der Verbrennungskraftmaschine direkt oder indirekt zur Verfügung gestellt werden muss, soll die durch die Nockenwellenversteller umgesetzte Leistung generell vernachlässigbar sein. So ist aus der DE 102 11 607 A1 ein Nockenwellenversteller bekannt, dessen Gewicht sowie die Herstellungskosten dadurch reduziert wurden, dass Funktionsteile des Nockenwellenverstellers, wie das Antriebsrad oder die Abdeckung und der Stator, einstückig aus einem hochbelastbaren Kunststoff ausgebildet sind und der Rotor aus einem nichtmetallischen oder metallischen Werkstoff besteht. Die an verschiedenen Stellen vorgesehenen Abschlussringe und Dichtringe sind eingelegt und teilweise eingespritzt. Die eingespritzten Dichtringe können elastisch verformt werden. Die eingelegten Dichtringe befinden sich in waagerechter Ebene zur Nockenwellenachse. Aus der DE 100 58 707 A1 ist eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad bekannt, um eine verbesserte Abdichtung der beiden von einem Rotorflügel abgetrennten Druckräume des Nockenwellenverstellers zu erhalten, indem an der Stirnseite der Stege oder Flügel Ausnehmungen zur Aufnahme von als metallische Rollen ausgebildeten Dichtkörpern vorgesehen sind. Mittels zweier Linienkontakte der mit Druck unterlegten Dichtung erfolgt die Abdichtung der beiden unterschiedlichen Hydraulikkammern zueinander. Aus der DE 197 40 215 A1 ist eine Drehphaseneinstellvorrichtung mit einer Kunstharzdichtung bekannt, bei der die Flügel eine Dichtung aufweisen, die so auf die Flügel aufgepasst ist, dass sie über die innere Fläche des Gehäuses gleitet und aus der DE 101 48 687 A1 ist ein Verfahren zur Herstellung einer Ventileinstellungsanpassvorrichtung bekannt, die Dichtungsbauteile umfasst, die dem Flügel zugewandt an einer radial inneren Seite der Umfangswand und der Innenseite der Umfangswand zugewandt an einer radial äußeren Umfangswand des Flügels vorgesehen sind, um eine Leckage des Arbeitsfluids zu verhindern.
Aus der DE 10 2004 047 817 B3 vom 29.09.2004 der Patentinhaberin GKN Sinter Metals GmbH ist ein Konzept für einen Nockenwellenversteller zu entnehmen, der in den Übergangsbereichen zwischen Rotor und Stator Zahnräder eingelassen hat, die sich an einer Gegenverzahnung auf der gegenüberliegenden Seite abdrehen können und so eine Spaltdichtung durch Zahnflankenberührung erzeugen. Aus der DE 197 45 908 A1 vom 17.10.1997 der Patentinhaberin INA Wälzlager Schaeffler oHG kann entnommen werden, dass die Enden eines gebauten Rotors durch berührungsarme Maßnahmen auslaufen sollen, damit der Übergang zwischen dünnem Rotorflügel und Statorwand keinen Einfluss auf die Verstellgeschwindigkeit haben sollen. Die DE 198 19 995 A1 in Mitinhaberschaft der Anmelderin des vorliegenden Schutzrechtes vom 05.05.1998 zeigt Rotorflügelformen und Statorstegformen, die so gestaltet sind, dass Rotor und Stator in den Endlagen nicht unkotrolliert gegeneinander schlagen, sondern eine sanfte Endlagendämpfung bieten. Das dargestellte Konzept ist bisher serientauglich in metallischen Nockenwellenverstellern realisiert worden.
Ausgehend von diesem Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller für Verbrennungskraftmaschinen auf der Basis eines hydraulischen Schwenkmotorprinzips zu schaffen, der einfach aufgebaut ist, ein geringes Gewicht besitzt sowie kostengünstig zu fertigen ist und gleichzeitig den genannten höheren Anforderungen an die Laufleistungen der Verbrennungskraftmaschinen genügt.
Gelöst wird die Aufgabe durch einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller gemäß des Hauptanspruchs 1 dadurch, dass ein Statur und ein Rotor einstückig aus einem nichtmetallischen gleichen Werkstoff ausgebildet sind, wobei jeweils die entlang einer Innenfläche des Stators laufenden Stirnflächen von Rotorflügeln und die jeweils entlang einer Innenfläche des Rotors laufenden Stirnflächen von Statorstegen Nuten zur Aufnahme von rollenförmig ausgebildeten Dichtungen zur gegenseitigen Abdichtung von jeweils zwei Hydraulikkammern aufweisen, und wobei die Breite der Rotorflügel und der Statorstege annähernd doppelt so breit ausgebildet sind wie der Durchmesser der Dichtungen.
Bevorzugt ist vorgesehen, dass die Dichtungen, insbesondere als winkellose Stäbe, so ausgebildet sind, dass sich die Dichtungen in den Stirnflächen der Rotorflügel über die Höhe der Rotorflügel und die Dichtungen in den Stirnflächen der Statorstege über die Höhe der Statorstege des Stators erstrecken. Die Dichtungen sind dazu vorteilhaft als lose in Nuten liegende Dichtungen vorgesehen, wobei die Dichtungen gleichzeitig einen dichtenden Schmierfilm durch Abrollen entlang des überstrichenen Bereichs der Innenfläche des Stators und der Innenfläche des Rotors erzeugen. Durch den sich bildenden Schmierfilm wird erreicht, dass das in den einzelnen Druckkammern befindliche Hydrauliköl nicht in die jeweils andere Druckkammer gelangen kann, um so zu verhindern, dass die entsprechende Druckkammer dann drucklos ist.
Eine vorteilhafte Ausführungsform des Nockenwellenverstellers wird darin gesehen, dass die Seitenflächen der Rotorflügel und die Seitenflächen der Statorstege insbesondere einander parallel gegenüberliegend und in ihrem oberen Bereich abgewinkelt nach innen weisende vorzugsweise gleich groß ausgebildete Ausnehmungen aufweisen, um eine Dämpfung der Rotorflügel in den Endstellungen zu erreichen.
Weiterhin ist vorteilhaft vorgesehen, dass die Flügelwinkel der Rotorflügel vorzugsweise kleiner als 25° ausgebildet sind, um große Verstellwege zu realisieren und dass am Ende der Innenfläche des Stators eine Schmutznut angeordnet ist, in der sich der in der Hydraulikflüssigkeit befindliche Schmutz absetzen kann.
Eine bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass der Stator und der Rotor vorzugsweise aus einem gleichartigen Kunststoff ausgebildet sind, um sowohl das Gewicht des Schwenkmotors zu reduzieren und anderseits eine hohe Form- und Maßgenauigkeit für eine kostengünstige Herstellung des Rotors und des Stators, beispielsweise beim Spritzgussvorgang, zu ermöglichen.
Durch die fertigungstechnisch einfache Ausführungsform des jeweils einstückig aus Kunststoff ausgebildeten Rotors und Stators wird ein Nockenwellenversteller erhalten, der ein geringes Gewicht besitzt sowie kostengünstig zu fertigen ist. Durch die in den Stirnflächen der Rotorflügel und der Stirnflächen der Statorstege vorgesehenen rollenförmig ausgebildeten Dichtungen zur gegenseitigen Abdichtung von jeweils zwei Hydraulikkammern wird der notwendige Druck des Hydraulikmediums möglichst gleichmäßig entsprechend den vorgegebenen Bedingungen gehalten.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von zwei schematisch in Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigen:
1 einen hydraulischen Schwenkmotor in Seitenansicht ohne Abdeckung;
2 eine Detailansicht eines ersten Ausführungsbeispieles;
3 eine Detailansicht eines zweiten Ausführungsbeispieles.
1 zeigt einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller auf Basis eines hydraulischen Schwenkmotors 1, bestehend aus einem Kettenrad 2, einem Stator 3 und einem Rotor 4, wobei jeweils der stark beanspruchte Stator 3 und der Rotor 4 einstückig aus einem gleichen Kunststoff, beispielsweise aus einem Duroplast gefertigt sind, um diese Teile des Nockenwellenverstellers kostengünstig und gewichtsreduziert herzustellen. Der Rotor 4 weist mehrere gleichmäßig über einen ringförmigen Grundkörper verteilt angeordnete und radial von dem Grundkörper abstehende Rotorflügel 6 und der Stator 3 in bekannter Weise radial nach innen gerichtete und gleichmäßig über den Innenumfang angeordnete Stege 5 auf. Die Rotorflügel 6 des Rotors 4 sind im Stator 3 drehbar gelagert und bewegen sich zwischen den Statorstegen 5 hin- und her. Da der Rotor 4 mit seinen Rotorflügeln 6 und der Stator 3 mit seinen Statorstegen 5 zusammen die eine Hydraulikmedium aufnehmenden Hydraulikkammern 7, 8 bilden, wird auf Grund der Druckverhältnisse in den Hydraulikkammern 7, 8 die relative Lage zwischen dem Rotor 4 und dem Stator 3 verändert. Für die Bewegung des Rotors 4 ist somit der Relativdruck zwischen den zwei sich gegenüberliegenden Hydraulikkammern 7, 8 ausschlaggebend.
Die an dem Rotor 4 angeordneten Rotorflügel 6 weisen Stirnflächen 9 auf, die an einer Innenfläche 10 des Stators 3 laufen, wobei zur Abdichtung der Stirnflächen 9 an der Innenfläche 10 des Stators 3 die Stirnflächen 9 der Rotorflügel 6 Nuten 11 aufweisen, in denen Dichtungen 12 angeordnet sind. Durch die in den Stirnflächen 9 der Rotorflügel 5 in Nuten 11 angeordneten Dichtungen werden die Hydraulikkammern 7, 8 außenseitig gegeneinander abgedichtet. Die Abdichtung innenseitig erfolgt durch Dichtungen 16, die in Nuten 15 angeordnet, die in den Stirnflächen 13 der Statorstege 5 vorgesehen sind, so dass bei einer Bewegung des Rotors 4 die Dichtungen 16 auf der Innenfläche 14 des Rotors 4 abrollen. Vorteilhaft sind die Rotorflügel 6 und die Statorstege 5 so ausgebildet, dass die Breite der Rotorflügel 6 und der Statorstege 5 annähernd doppelt so breit ausgebildet ist wie der Durchmesser der Dichtungen 12, 16. Die Dichtungen 12 und 16 erzeugen einen dichtenden Schmierfilm durch Abrollen entlang des überstrichenen Bereichs der Innenflächen 10 des Stators 3 und der Innenflächen 14 des Rotors 4. Die Dichtungen 12 und 16 sind dabei als in den Nuten 11 und 15 lose liegende Rollendichtungen in Form von winkellosen Stäben ausgebildet, die sich jeweils über die Höhe der Flügel 6 des Rotors 4 oder über die Höhe der Stege 5 des Stators 3 erstrecken. Am Ende der Innenfläche 7 des Stators 4 ist eine Schmutznut 17 eingearbeitet, in der sich der in der Hydraulikflüssigkeit befindliche Schmutz absetzen kann. In einem zweiten Ausführungsbeispiel entsprechend 3 sind an den Seitenflächen 18 der Rotorflügel 6 und an den Seitenflächen 19 der Statorstege 5 Ausnehmungen 20 und 22 eingearbeitet. Diese Ausnehmungen 20, 21 dienen zur Dämpfung der Rotorflügel 6 in den Endstellungen.
Durch die Anordnung der Dichtungen 12, 16 können die Toleranzen der aus den Stirnflächen 9 der Rotorflügel 5 gebildeten Welle und die durch die Innenflächen 10 des Stators 3 gebildete Bohrung in einem günstigen Toleranzfeld, beispielsweise zwischen IT9 und IT10 liegen, so dass dadurch der Stator 3 und der Rotor 4 durch Spritzgießen jeweils einstückig ohne Nacharbeit hergestellt werden können. Zusätzlich zu der gewichtsreduzierten Herstellung des Rotors 4 und des Stators 3 aus Kunststoff kann das Gewicht des Nockenwellenverstellers durch die Ausbildung des Stators 3 und des Rotors 4 noch weiter reduziert werden und ein Übersetzungsverhältnis zwischen Drehmoment und Hydraulikdruck beispielsweise von 4 Nm/bar erhalten werden.
Da die Nockenwellenversteller eine Nockenwelle relativ zu einer Kurbelwelle verstellen oder zu einer weiteren Nockenwelle einstellen, wird das Verhältnis beider zueinander in einem Winkelgrad angegeben. Der Rotor eines Nockenwellenverstellers überstreicht allgemein einen Winkel von ca. 30° bis 50°. Es hängt von der Anzahl der Rotorflügel ab, welcher maximale Winkel überstrichen werden kann. Je weniger Flügel der Rotor hat, desto größer ist der überstreichbare Winkel. In den vorliegenden Ausführungsbeispielen ist der Flügelwinkel des Rotorflügels 6 des Rotors 4 kleiner als 25°, vorzugsweise 23°, wobei die Breite des Rotorflügels 6 ungefähr doppelt so breit wie der Durchmesser der Dichtung 12 ist.
Die Erfindung beschränkt sich nicht auf die angeführten Ausführungsbeispiele, sondern ist in der Gestaltung der Rotorflügel 6, der Statorstege 5 sowie der Dichtung 12, 16 variabel.

1: Schwenkmotor
2: Kettenrad
3: Stator
4: Rotor
5: Statorsteg
6: Rotorflügel
7: Hydraulikkammer
8: Hydraulikkammer
9: Stirnfläche des Rotorflügels
10: Innenfläche des Stators
11: Nut in der Stirnfläche des Rotorflügels
12: Dichtung
13: Stirnfläche des Statorsteges
14: Innenfläche des Rotors
15: Nut in der Stirnfläche des Statorsteges
16: Dichtung
17: Schmutznut
18: Seitenfläche des Rotorflügels
19: Seitenfläche des Statorsteges
20: Ausnehmung in Seitenfläche des Rotorflügels
21: Ausnehmung in Seitenfläche des Statorsteges

Claims

Nockenwellenversteller für Verbrennungskraftmaschinen, der ein hydraulisches Schwenkmotorprinzip aufweist, umfassend ein Antriebsrad, einen Stator mit radial verlaufenden Stegen, einen Rotor mit Schwenkflügeln, eine Abdeckung, Abschlussringe und Dichtungen, wobei die Statorstege und/oder Rotorflügel Ausnehmungen aufweisen, in denen Dichtungen angeordnet sind, zur Abdichtung der jeweils beiden von den Statorstegen und Rotorflügeln begrenzten Hydraulikkammern, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (3) und ein Rotor (4) einstückig aus einem nichtmetallischen gleichen Werkstoff ausgebildet sind, wobei jeweils die entlang einer Innenfläche (10) des Stators (3) laufenden Stirnflächen (9) von Rotorflügeln (6) Nuten (11) und die jeweils entlang einer Innenfläche (14) des Rotors (4) laufenden Stirnflächen (13) von Statorstegen (5) Nuten (15) zur Aufnahme von rollenförmig ausgebildeten Dichtungen (12, 16) zur gegenseitigen Abdichtung von jeweils zwei Hydraulikkammern (7, 8) aufweisen, und wobei die Breite der Rotorflügel (6) und der Statorstege (5) annähernd doppelt so breit ausgebildet ist wie der Durchmesser der Dichtungen (12, 16).
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (12, 16), insbesondere als winkellose Stäbe, so ausgebildet sind, dass sich die Dichtungen (12) in den Stirnflächen (9) der Rotorflügel (6) über die Höhe der Rotorflügel (6) des Rotors (4) und die Dichtungen (16) in den Stirnflächen (13) der Statorstege (5) über die Höhe der Statorstege (5) des Stators (4) erstrecken.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtungen (12, 16) als lose in den Nuten (11, 15) liegende Dichtungen (12, 16) vorgesehen sind, wobei die Dichtungen (12) einen dichtenden Schmierfilm durch Abrollen entlang des überstrichenen Bereichs der Innenfläche (10) des Stators (3) und die Dichtungen (16) einen dichtenden Schmierfilm durch Abrollen entlang des überstrichenen Bereichs der Innenfläche (14) des Rotors (4) erzeugen.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Seitenflächen (18) der Rotorflügel (6) und Seitenflächen (19) der Statorstege (5), insbesondere einander parallel gegenüberliegend und in ihrem oberen Bereich abgewinkelt nach innen weisende, gleich groß ausgebildete Ausnehmungen (20, 21) aufweisen.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass für große Verstellwege Flügelwinkel des Rotors (4) vorzugsweise kleiner als 25° ausgebildet sind.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass jede Innenfläche (10) des Stators (3) endseitig jeweils eine eingearbeitete Schmutznut (17) aufweist.
Nockenwellenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (3) und der Rotor (4) vorzugsweise aus einem gleichartigen Kunststoff ausgebildet sind.