DE102008048386B4

DE102008048386B4 - Flügelzellennockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102008048386B4
Application number: DE102008048386.9A
Authority: DE
Inventors: Karl-Heinz Isenberg; Fatih Dogan
Original assignee: Hilite Germany GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2008-09-22
Filing date: 2008-09-22
Publication date: 2016-12-01
Anticipated expiration: 2028-09-23
Also published as: US8230832B2; KR101549463B1; EP2166199A1; DE102008048386A1; EP2166199B1; ATE488673T1; US20100075765A1; DE502009000184D1; KR20100033947A

Abstract

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, wobei die Spiralfeder (12) ein rechteckiges Profil aufweist und drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator (1) oder dem Rotor (8) abgestützt ist, 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, wobei ein Federabschnitt durch die Seitenebene (22) hindurch in der steiferen Richtung abgewinkelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Flügelzellennockenwellenversteller nach dem Oberbegriff von Patentanspruch 1.
Aus der US 6,276,321 B1 ist bereits ein Flügelzellennockenwellenversteller mit einer senkrecht zu dessen Zentralachse angeordneten Seitenebene bekannt. Auf dieser Seitenebene liegt eine Spiralfeder mit einem rechteckigen Profil auf. Die Spiralfeder ist bestrebt, einen Rotor gegenüber einem Stator in einer bestimmten Winkelstellung zu halten. Dazu ist die Spiralfeder einerseits drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator und andererseits drehfest formschlüssig gegenüber dem Rotor abgestützt. Das rechteckige Profil der Spiralfeder hat ungleiche Kantenlängen. D. h., dass das Profil nicht quadratisch ist. Die Spiralfeder liegt mit deren längerer Kante flach auf. Ein Federabschnitt der Spiralfeder ist durch die Seitenebene hindurch in der weicheren Richtung abgewinkelt.
Aus der DE 102 15 879 A1 ist ein weiterer Flügelzellennockenwellenversteller bekannt. Auf dessen Seitenebene liegt eine Spiralfeder mit einem rechteckigen Profil „hochkant” auf.
Aus der US 7,004,129 B2 ist ein Flügelzellennockenwellenversteller bekannt. Dessen 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 A 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 gebogene 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.
In vorteilhafter Weise weist das rechteckige Profil der Spiralfeder zwei gegenüber liegende Kantenlängen auf, von denen 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 aufzubiegen 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.
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 innere 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.
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 Flügelzellen nockenwellenversteller,
2 den Flügelzellennockenwellenversteller aus 1 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 aus 2 und
4 ein Detail aus 3 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 in 2 ersichtlichen 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 ein Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. 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 öffenbar ist. Dabei können der Stator 1 und das Zahnrad 2 auch aus metallischem Werkstoff oder auch aus hartem Kunststoff bestehen. Als metallische Werkstoffe kommen u. a. Sintermetalle, Stahlbleche und Aluminium in Frage. Der Stator 1 umfasst einen zylindrischen Statorgrundkörper 3, an dessen Innenseite radial nach innen in gleichen Abständen Stege 4 abstehen. Zwischen benachbarten Stegen 4 werden Druckräume 5 gebildet, in die, über ein nicht näher dargestelltes 4/3-Wege-Ventil gesteuert, Druckmedium eingebracht wird. Zwischen benachbarten Stegen 4 ragen Flügel 6, die radial nach außen von einem zylindrischen Rotorgrundkörper 7 eines Rotors 8 abstehen. Diese Flügel 6 unterteilen die Druckräume 5 zwischen den Stegen 4 jeweils in zwei Druckkammern 9 und 10.
Die Stege 4 liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der Außenmantelfläche des Rotorgrundkörpers 7 an. Die Flügel 6 ihrerseits liegen mit ihren Stirnseiten dichtend an der zylindrischen Innenwand des Statorgrundkörpers 3 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 Rotor 8 relativ zum Stator 1 gedreht. 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 einteilig als ein in 2 ersichtlicher topfförmiger Statordeckel ausgeführt, welcher fest mit dem Zahnrad 2 verschraubt ist. Der Statordeckel ist dabei als Gussteil mit einer Gusskante 20 ausgeführt. Die Stirnflächen der Stege 4 und der Flügel 6 liegen einerseits dicht am Zahnrad 2 und andererseits dicht am Statordeckel an. Dieser Statordeckel und das Zahnrad 2 begrenzen außerdem die Druckräume 5 zwischen den Flügeln 4 in Axialrichtung. Damit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor – d. h. bei unbelastetem Flügelzellennockenwellenversteller – der Rotor 8 die für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung einnimmt, wird der Rotor 8 durch eine Spiralfeder 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. 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 Spiralfeder 12 liegt auf einer senkrecht zur Zentralachse des Flügelzellennockenwellenverstellers auf dem Statordeckel angeordneten Seitenebene 22 auf. Die Spiralfeder 12 ist mit einem radial inneren Ende 14 drehfest mit dem Rotor 8 verbunden. Das radial äußere Ende 15 der Spiralfeder 12 ist drehfest und formschlüssig am Stator 1 abgestützt. Dazu ist das radial äußere Ende 15 der Spiralfeder 12 im unbelasteten Zustand des Flügelzellennockenwellenverstellers in einem Winkel α von 88° abgewinkelt. Dieses abgewinkelte Ende 15 ist dabei in eine Aufnahmevertiefung 16 des Stators 1 eingesteckt. Das radial innere Ende 14 der Spiralfeder 12 ist radial nach innen gebogen und greift in eine radial ausgerichtete Aufnahmevertiefung 24 eines drehfest mit dem Rotor 8 verbundenen Federadapters 23 ein. Dieser Federadapter 23 weist einen nicht näher ersichtlichen Zapfen auf, der mittels einer Presspassung in eine Nabe des Rotors 8 gesteckt ist. Somit ist der Federadapter 23 drehfest gegenüber dem Rotor 8. Das radial nach innen gebogene Ende 14 und die radiale Aufnahmevertiefung 24 weisen dabei auf die Zentralachse 25 des Flügelzellennockenwellenverstellers.
Die Spiralfeder 12 weist ein rechteckiges Profil auf, welches „hochkant” auf der Seitenebene 22 aufliegt. D. h., zwei gegenüber liegende Kantenlängen 26a, 26b des rechteckigen Profils weichen von den beiden anderen Kantenlängen 27a, 27b ab. Die eine kurze Kantenlängen 26a ist der Seitenebene 22 zugewandt, wohingegen die andere kurze Kantenlänge 26b von der Seitenebene 22 abgewandt ist. Die eine lange Kantenlänge 27a weist radial nach innen, wohingegen die andere lange Kantenlänge 27b radial nach außen weist.
In 4 ist ersichtlich, dass die besagte Aufnahmevertiefung 24 des Stators 1 korrespondierend zum Profil der Spiralfeder 12 ebenfalls eine rechteckige Grundform mit abweichenden Kantenlängen aufweist. Die längeren Kanten 29a, 29b der Aufnahmevertiefung 24 sind dabei gegenüber einer Tangenten des Stators 1 nach innen geneigt, so dass sich zwischen

– der Längserstreckung 40 der Querschnittsfläche der Ausnahmevertiefung 24 und
– einer von der Mitte der Querschnittsfläche der Ausnahmevertiefung 24 zur Zentralachse 25 verlaufenden Linie 41

28a

28b

29a

29b

In 2 ist ersichtlich, dass die Wicklungen der Spiralfeder 12 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, welches 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.
Auf den Statordeckel kann noch ein zusätzlicher Federdeckel aufgesetzt sein, welcher 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.

Claims

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, wobei die Spiralfeder (12) ein rechteckiges Profil aufweist und drehfest formschlüssig gegenüber dem Stator (1) oder dem Rotor (8) abgestützt ist, 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, wobei ein Federabschnitt durch die Seitenebene (22) hindurch in der steiferen Richtung abgewinkelt 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 dem 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 Patentanspruch 1, 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.