DE102008048386A1 - Flügelzellennockenwellenversteller - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Flügelzellennockenwellenversteller mit einer senkrecht zu dessen Zentralachse (25) angeordneten Seitenebene (22), auf welcher eine Spiralfeder (12) aufliegt, welche bestrebt ist, einen Rotor (8) gegenüber einem Stator (1) in einer bestimmten Winkelstellung zu halten. Um einen Flügelzellennockenwellenversteller zu schaffen, dessen Rückstellmomente besonders genau eingestellt sind, wird vorgeschlagen, dass diese Spiralfeder (12) ein rechteckiges Profil aufweist, wobei ein Federabschnitt durch die Seitenebene (22) hindurch abgewinkelt ist, so dass die Spiralfeder (12) drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator (1) oder dem Rotor (8) abgestützt ist.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Flügelzellennockenwellenversteller nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
- Aus der
US 7,004,129 B2 ist bereits ein Flügelzellennockenwellenversteller bekannt. Auf einer senkrecht zu dessen Zentralachse angeordneten Seitenebene eines Stators liegt eine Spiralfeder auf. Diese Spiralfeder ist bestrebt, einen Rotor gegenüber dem Stator in einer bestimmten Winkelstellung zu halten. Die Spiralfeder besteht aus einem Draht mit rundem Profil. Dieser Draht ist mittels einer ersten Biegung am äußeren Ende gegenüber Vorsprüngen am Stator abgestützt. Mittels einer zweiten Biegung am inneren Ende ist die Spiralfeder gegenüber dem Rotor abgestützt. - Aus der
EP 0 356 018 A1 ist eine Nockenwellverstelleinrichtung anderer Art bekannt, bei welcher eine Spiralfeder mit rechteckigem Profil Anwendung findet. - Ferner ist aus der
US 6,155,219 ein Flügelzellennockenwellenversteller mit einer Spiralfedern und aus rundem Draht bekannt. - Aufgabe der Erfindung ist es, einen Flügelzellennockenwellenversteller zu schaffen, dessen Rückstellmomente besonders genau eingestellt sind.
- 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 Spiralfeder mit rechteckigem Profil den Rotor gegenüber dem Stator in einer bestimmten Winkelstellung. Bei der dem Auslass zugeordneten Nockenwelle kann mit dieser Spiralfeder 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 Spiralfeder 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 Spiralfeder 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 Spiralfeder erreicht, dass die Verstellung in „Früh” ebenso schnell geht wie in „Spät”.
- Eine Spiralfeder mit einem rechteckige Profil kann mit besonders geringen Toleranzen gefertigt werden. So kann der rechteckige Draht der Spiralfeder besonders gut von einer Spannvorrichtung gegriffen werden und anschließend abgewinkelt werden. Dann ermöglicht es der abgewinkelt gebogenem Bereich, die Spiralfeder an diesem abgewinkelten eckigen Bereich mit einer Spannvorrichtung weiter zu halten und die Feder auf ein exaktes Maß zu wickeln. Beispielsweise ein runder Draht wäre hier schwer mit einer Spannvorrichtung zu greifen, da ein solcher runder Draht nur reibschlüssig und nicht Formschlüssig zu greifen ist. Die Wicklung erfolgt dabei im Wesentlichen um die Zentralachse der Spiralfeder. Dabei ist die Spiralfeder jedoch nicht exakt gleichmäßig gewickelt, da einige der Windungen der Spiralfedern aneinander anliegen sollen, so dass dort beim Verspannung der Spiralfeder ein Reibmoment erzeugt wird, das ein Aufschwingen der Spiralfeder verhindert. Dieses somit dämpfend wirkende Reibmoment kann insoweit infolge des rechteckigen Profils ebenfalls genau eingestellt werden.
- Um die gesamte Spiralfederlänge auszunutzen, kann der gebogene bzw. abgewinkelte Bereich in besonders vorteilhafter Weise das bezüglich der Zentralachse radial äußere Ende der Spiralfeder sein.
- In besonders vorteilhafter Weise ist das radial äußere Ende der Spiralfeder gemäß Patentanspruch 4 im unbelasteten Zustand des Flügelzellennockenwellenverstellers in einem Winkel geringfügig unter 90° – vorzugsweise 88° – abgewinkelt. Damit wird erreicht, dass die Spiralfeder zumindest im Betrieb des Nockenwellenverstellers an der Seitenebene anliegt und über Reibung dämpft. Damit wird verhindert, dass die Spiralfeder sich im Betrieb aufschwingt und aus den Befestigungen herausspringt. Der Winkel kann in einer besonders vorteilhaften Weiterbildung so gewählt werden, dass die Spiralfeder bereits im unbelasteten Zustand des Nockwellenverstellers an der Seitenebene anliegt. Diese dämpfende und betriebssichernde Maßnahme gemäß Patentanspruch 4 ist von besonderem Vorteil, wenn die Spiralfeder offen – d. h. ohne Schutzhaube – auf dem Nockenwellenversteller aufliegt. Dieser Winkel von unter 90° biegt sich infolge seiner Steifigkeit im Betrieb nur so gering auf, dass noch immer eine Verdrehsicherung gegenüber dem Stator gewährleistet ist.
- In analoger Weise kann das radial inneren Ende drehfest gegenüber dem Rotor festgelegt werden. Dazu kann das innere Ende beispielsweise durch die Seitenebene in eine Aufnahmevertiefung des Rotors eingesteckt werden. In vielen Fällen ist es jedoch für die drehfeste Verbindung gegenüber dem Rotor vorteilhafter, die Spiralfeder am radial inneren Ende radial nach innen zu biegen und in eine radial ausgerichtete Vertiefung eines drehfest mit dem Rotor verbundenen oder einteilig mit dem Rotor ausgeführten Bauteils eingreifen zu lassen. Ein solches drehfest mit dem Rotor verbundenes Bauteil ist der sogenannte Federadapter.
- Patentanspruch 9 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung. Demzufolge weist das rechteckige Profil der Spiralfeder zwei gegenüber liegende Kantenlängen auf, von den die beiden anderen Kantenlängen abweichen, wobei die kürzeren Kantenlängen der Seitenebene zugewandt bzw. von dieser abgewandt sind. Vereinfacht bedeutet dies, dass das rechteckig Profil der Spiralfeder „hochkant” auf der Seitenebene steht. Somit ist die Spiralfeder in besonders vorteilhafter Weise am abgewinkelten Bereich in der steiferen Richtung gebogen. Damit ist dieser abgewinkelte Bereich zum einen im Betrieb des Flügelzellennockenwellenverstellers auch schwerer auzubiegen so dass die Feder nicht aus der Befestigung am Stator herausrutschen kann. Zum anderen ist die Spiralfeder in Drehrichtung um die Zentralachse weicher, was deren Funktion verbessert. Auch ist es mit dieser Ausrichtung des Profils möglich, mehr Windungen mit mehr Reibung im gleichen Bauraum unterzubringen.
- 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, -
2 den Flügelzellennockenwellenversteller aus1 in einer perspektivischen Ansicht von außen, wobei u. a. ein Statordeckel und eine Spiralfeder ersichtlich sind, -
3 den im Bereich einer Aufnahmevertiefung für die Spiralfeder geschnittenen dargestellten Statordeckel aus2 und -
4 ein Detail aus3 im Bereich der Aufnahmevertiefung, wobei ein Schnitt durch die Spiralfeder verläuft. - Mit einem Flügelzellennockenwellenversteller wird während des Betriebes eines Verbrennungsmotors die Winkellage zwischen der Kurbel- und der Nockenwelle verändert. Durch Verdrehen der Nockenwelle werden die Öffnungs- und Schliesszeitpunkte der Gaswechselventile so verschoben, dass der Verbrennungsmotor bei der jeweiligen Drehzahl seine optimale Leistung bringt. Der Flügelzellennockenwellenversteller ermöglicht dabei eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle. Der Flügelzellennockenwellenversteller hat einen zylindrischen Stator
1 , der drehfest mit einem in2 ersichtlichen Zahnrad2 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad2 ein Kettenrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Das Zahnrad2 kann aber auch ein Zahnriemenrad sein, über das eine Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. Über dieses Antriebselement und das Zahnrad2 ist der Stator1 mit der Kurbelwelle in bekannter Weise antriebsverbunden. - Der Stator
1 und das Zahnrad2 können alternativ auch einstückig miteinander ausgebildet sein, wenn die andere Seite des Stators1 öffenbar ist. Dabei können der Stator1 und das Zahnrad2 auch aus metallischem Werkstoff oder auch aus hartem Kunststoff bestehen. Als metallische Werkstoffe kommen u. a. Sintermetalle, Stahlbleche und Aluminium in Frage. Der Stator1 umfasst einen zylindrischen Statorgrundkörper3 , an dessen Innenseite radial nach innen in gleichen Abständen Stege4 abstehen. Zwischen benachbarten Stegen4 werden Druckräume5 gebildet, in die, über ein nicht näher dargestelltes 4/3-Wege-Ventil gesteuert, Druckmedium eingebracht wird. Zwischen benachbarten Stegen4 ragen Flügel6 , die radial nach außen von einem zylindrischen Rotorgrundkörper7 eines Rotors8 abstehen. Diese Flügel6 unterteilen die Druckräume5 zwischen den Stegen4 jeweils in zwei Druckkammern9 und10 . - Die Stege
4 liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der Außenmantelfläche des Rotorgrundkörpers7 an. Die Flügel6 ihrerseits liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der zylindrischen Innenwand des Statorgrundkörpers3 an. - Der Rotor
8 ist drehfest mit der nicht näher dargestellten Nockenwelle verbunden. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor8 relativ zum Stator1 gedreht. Hierzu wird je nach gewünschter Drehrichtung das Druckmedium in den Druckkammern9 oder10 unter Druck gesetzt, während die jeweils anderen Druckkammern10 oder9 zum Tank hin entlastet werden. - Der Stator
1 ist einteilig als ein in2 ersichtlicher topfförmiger Statordeckel ausgeführt, welcher fest mit dem Zahnrad2 verschraubt ist. Der Statordeckel ist dabei als Gussteil mit einer Gusskante20 ausgeführt. Die Stirnflächen der Stege4 und der Flügel6 liegen einerseits dicht am Zahnrad2 und andererseits dicht am Statordeckel an. Dieser Statordeckel und das Zahnrad2 begrenzen außerdem die Druckräume5 zwischen den Flügeln4 in Axialrichtung. Damit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor – d. h. bei unbelastetem Flügelzellennockenwellenversteller – der Rotor8 die für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung einnimmt, wird der Rotor8 durch eine Spiralfeder12 in eine Ausgangslage gedreht. In dieser Ausgangslage erfolgt eine Verriegelung zwischen dem Rotor8 und dem Stator1 beispielsweise durch einen federbelasteten Verriegelungsbolzen21 . Dieser ist in einem der Flügel6 untergebracht. Bei Druckabfall in den Druckkammern9 ,10 wird dieser Verriegelungsbolzen21 durch die Federkraft einer nicht näher dargestellten Schraubendruckfeder in eine Verriegelungsstellung bewegt, in der dieser in eine Verriegelungsöffnung des Stators1 eingreift. Beim Motorstart wird der Verrieglungsbolzen21 durch das Druckmedium gegen die Federkraft belastet und zurückgeschoben, so dass der Rotor8 vom Stator1 entriegelt wird und der Flügelzellennockenwellenversteller in seine Regelstellung gelangen kann. - Die Spiralfeder
12 liegt auf einer senkrecht zur Zentralachse des Flügelzellennockenwellenverstellers auf dem Statordeckel angeordneten Seitenebene22 auf. Die Spiralfeder12 ist mit einem radial inneren Ende14 drehfest mit dem Rotor8 verbunden. Das radial äußere Ende15 der Spiralfeder12 ist drehfest und formschlüssig am Stator1 abgestützt. Dazu ist das radial äußere Ende15 der Spiralfeder12 im unbelasteten Zustand des Flügelzellennockenwellenverstellers in einem Winkel α von 88° abgewinkelt. Dieses abgewinkelte Ende15 ist dabei in eine Aufnahmevertiefung16 des Stators1 eingesteckt. Das radial innere Ende14 der Spiralfeder12 ist radial nach innen gebogen und greift in eine radial ausgerichtete Aufnahmevertiefung24 eines drehfest mit dem Rotor8 verbundenen Federadapters23 ein. Dieser Federadapter23 weist einen nicht näher ersichtlichen Zapfen auf, der mittels einer Presspassung in eine Nabe des Rotors8 gesteckt ist. Somit ist der Federadapter23 drehfest gegenüber dem Rotor8 . Das radial nach innen gebogene Ende14 und die radiale Aufnahmevertiefung24 weisen dabei auf die Zentralachse25 des Flügelzellennockenwellenverstellers. - Die Spiralfeder
12 weist ein rechteckiges Profil auf, welches „hochkant” auf der Seitenebene22 aufliegt. D. h., zwei gegenüber liegende Kantenlängen26a ,26b des rechteckigen Profils weichen von den beiden anderen Kantenlängen27a ,27b ab. Die eine kurze Kantenlängen26a ist der Seitenebene22 zugewandt, wohingegen die andere kurze Kantenlänge26b von der Seitenebene22 abgewandt ist. Die eine lange Kantenlänge27a weist radial nach innen, wohingegen die andere lange Kantenlänge27b radial nach außen weist. - In
4 ist ersichtlich, dass die besagte Aufnahmevertiefung24 des Stators1 korrespondierend zum Profil der Spiralfeder12 ebenfalls eine rechteckige Grundform mit abweichenden Kantenlängen aufweist. Die längeren Kanten29a ,29b der Aufnahmevertiefung24 sind dabei gegenüber einer Tangenten des Stators1 nach innen geneigt, so dass sich zwischen - – der Längserstreckung
40 der Querschnittsfläche der Ausnahmevertiefung24 und - – einer von der Mitte der Querschnittsfläche
der Ausnahmevertiefung
24 zur Zentralachse25 verlaufenden Linie41 - In
2 ist ersichtlich, dass die Wicklungen der Spiralfeder12 bei unbelastetem Flügelzellennockenwellenversteller aneinander anliegen. - Der Flügelzellennockenwellenversteller kann bei einer Einlassnockenwelle und/oder eine Auslassnockenwelle Anwendung finden. Ebenso kann der Flügelzellennockenwellenversteller Anwendung bei einer einzigen Nockenwelle finden, die sowohl die Einlass-Gaswechselventile als auch die Auslass-Gaswechselventile verstellt.
- Das innere Ende der Spiralfeder ist mit einem Bauteil verbunden, welche drehfest zum Rotor ist. Dieses Bauteil kann somit der Rotor selber sein. Ebenso kann es ein Zapfen oder eine Hülse sein, die mit dem Rotor formschlüssig oder über einen Pressverband mit oder ohne Riffelung verbunden ist. Ein solcher Zapfen bzw. eine solche Hülse wird auch als Federadapter bezeichnet, da zumindest eine von deren Funktionen die Verbindung zwischen dem Rotor und der Spiralfeder ist.
- Das rechteckiges Profil der Spiralfeder kann auch quadratisch sein.
- Auf den Statordeckel kann noch eine zusätzlicher Federdeckel aufgesetzt sein, welche die Spiralfeder zum einen vor Schmutz und anderen Umwalteinflüssen schützt und zum anderen einen Reibpartner und eine „Verliersicherung” für die Spiralfeder bilden kann. Diese Schutzhaube kann aber auch beispielsweise aus Kunststoff gefertigt sein. Ist der Flügelzellennockenwellenversteller jedoch ohnehin durch einen Kettenkasten oder Riemenkasten geschützt, so ist u. U. keine zusätzliche Schutzhaube notwendig.
- In einer alternativen Ausgestaltung wird der Nockenwellenversteller nicht durch einen Zahnriemen oder eine Kette angetrieben sondern von einem Zahnrad eines achsversetzt angeordneten zweiten Nockenwellenverstellers.
- 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
-
- - US 7004129 B2 [0002]
- - EP 0356018 A1 [0003]
- - US 6155219 [0004]
Claims (10)
- Flügelzellennockenwellenversteller mit einer senkrecht zu dessen Zentralachse (
25 ) angeordneten Seitenebene (22 ), auf welcher eine Spiralfeder (12 ) aufliegt, welche bestrebt ist, einen Rotor (8 ) gegenüber einem Stator (1 ) in einer bestimmten Winkelstellung zu halten, dadurch gekennzeichnet, dass diese Spiralfeder (12 ) ein rechteckiges Profil aufweist, wobei ein Federabschnitt durch die Seitenebene (22 ) hindurch abgewinkelt ist, so dass die Spiralfeder (12 ) drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator (1 ) oder dem Rotor (8 ) abgestützt ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federabschnitt das bezüglich der Zentralachse (
25 ) radial äußere Ende (15 ) der Spiralfeder (12 ) ist, wobei dieses Ende (15 ) drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator (1 ) abgestützt ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Federabschnitt in einer Aufnahmevertiefung (
16 ) des Stators (1 ) eingesteckt ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das radial äußere Ende (
15 ) der Spiralfeder (12 ) im unbelasteten Zustand des Flügelzellennockenwellenverstellers in einem Winkel geringfügig unter 90° – vorzugsweise 88° – abgewinkelt ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (
12 ) an einem radial inneren Ende (14 ) drehfest gegenüber der Rotor (8 ) festgelegt ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Spiralfeder (
12 ) am radial inneren Ende (14 ) radial nach innen gebogen ist und in eine radial ausgerichtete Vertiefung (24 ) eines drehfest mit dem Rotor (8 ) verbundenen oder einteilig mit dem Rotor (8 ) ausgeführten Bauteils eingreift. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil ein separat vom Rotor (
8 ) ausgeführter Federadapter (23 ) ist. - Flügelzellennockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zwei gegenüber liegende Kantenlängen (
26a ,26b ) des rechteckigen Profils von den beiden anderen Kantenlängen (27a ,27b ) abweichen, wobei die kürzeren Kantenlängen (26a ,26b ) der Seitenebene (22 ) zugewandt bzw. von dieser abgewandt sind. - Flügelzellennockenwellenversteller nach Patentanspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Aufnahmevertiefung (
16 ) des Stators (1 ) korrespondierend zum Profil der Spiralfeder (12 ) ebenfalls eine rechteckige Grundform mit abweichenden Kantenlängen aufweist, wobei die längeren Kanten (29a ,29b ) nach innen geneigt sind. - Flügelzellennockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wicklungen bei unbelastetem Flügelzellennockenwellenversteller aneinander anliegen.
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