DE102009029092A1

DE102009029092A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102009029092A1
Application number: DE102009029092A
Authority: DE
Inventors: Oliver Gerundt; Andreas Eichendorf; Markus Feigl; Stefan Woerz; Dietmar Uhlenbrock; Rudolf Eydam
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 2009-09-02
Filing date: 2009-09-02
Publication date: 2011-03-03

Abstract

Es wird ein Nockenwellenversteller zur Einstellung der Phasenlage einer Nockenwelle (13) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angegeben, der ein von der Kurbelwelle antreibbares Antriebsrad (11) und ein von diesem antreibbares koaxiales Abtriebsteil (12) aufweist, das mittels Kraftschluss drehfest mit der Nockenwelle (13) verbunden ist. Zur Erzielung eines großen übertragbaren Drehmoments vom Abtriebsteil (12) auf die Nockenwelle (13) unter Beibehaltung der Möglichkeit, bei der Montage einen Spielausgleich zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle (13) vorzunehmen, sind dem Abtriebsteil (12) und der Nockenwelle (13) Reibflächen (18, 19) zugeordnet, die aneinanderliegen und mittels einer in die Nockenwelle (13) axial eingeschraubten Spannschraube (17) aufeinandergepresst werden. Mindestens eine der beiden Reibflächen (18) ist so geformt, dass in einer äußeren Zone der Reibflächen (18, 19) eine größere axiale Presskraft auftritt als in der von dieser umschlossenen inneren Zone.

Description

Stand der Technik
Die Erfindung geht aus von einem Nockenwellenversteller zur Einstellung der Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei einem bekannten Nockenwellenversteller ( DE 10 2004 026 863 A1 ) ist zur kraftschlüssigen Verbindung zwischen Abtriebsteil und Nockenwelle das Abtriebsteil über die Nockenwelle geschoben und durch einen thermischen Schrumpfprozess verdrehfest an der Nockenwelle befestigt. Alternativ ist das Abtriebsteil mit einem sich axial erstreckenden, zylindrischen Fortsatz ausgebildet, über den die Nockenwelle geschoben und durch einen thermischen Schrumpfprozess darauf drehfest befestigt ist.
Offenbarung der Erfindung
Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 hat den Vorteil, dass durch die äußere Zone mit größerer Presskraft zwischen den aneinander angepressten Reibflächen von Abtriebsteil und Nockenwelle ein größerer Wirkdurchmesser für die Drehmomentübertragung erzielt wird, so dass bei bereits von der Spannschraube aufgebrachter maximaler Normalkraft das von dem Abtriebsteil auf die Nockenwelle übertragbare Drehmoment noch vergrößert wird. Gegenüber der bekannten, unlösbaren, starren Verbindung von Abtriebsteil und Nockenwelle besteht der Vorteil, dass bei der Montage ein Spielausgleich zwischen dem am Antriebsrad angreifenden Riemen-, Zahnriemen oder Kettentrieb und dem mit der Nockenwelle zusammenwirkenden Ventiltrieb der Brennkraftmaschine vorgenommen werden kann, indem die Spannschraube leicht gelöst, das Abtriebsteil gegenüber der Nockenwelle entsprechend verdreht und die Spannschraube wieder festgezogen wird.
Die äußere Zone größerer Pressung kann entweder durch eine vorzugsweise geringe konkave Wölbung mindestens einer der aneinanderliegenden Stirnseiten von Abtriebsteil und Nockenwelle oder durch kegelförmige Ausbildung mindestens einer der aneinanderliegenden Stirnseiten von Abtriebsteil und Nockenwelle erzielt werden, wobei vorzugsweise die Wölbung einen sehr großen Wölbungsradius aufweist bzw. der Kegelwinkel der kegelförmigen Ausbildung groß gewählt und die Kegelspitze auf den koaxial ausgerichteten Achsen von Abtriebsteil und Nockenwelle gelegt wird. Der Kegel ist so ausgeführt sein, dass die Kegelöffnung jeweils zu der anderen Stirnseite weist.
Durch die in den Ansprüchen 2 bis 6 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 1 angegebenen Nockenwellenverstellers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist in die der Nockenwelle zugekehrten Stirnseite des Abtriebsteils eine kreisförmige Nut eingearbeitet, die die Reibfläche des Abtriebsteils in eine äußere und eine innere Ringfläche unterteilt. Diese Ringnut dient für die Hydraulikölversorgung der zwischen Antriebsrad und Abtriebsteil vorhandenen Stellmittel, die die Phasenlagen zwischen dem Antriebsrad und damit der Kurbelwelle einerseits und dem Abtriebsteil und damit der Nockenwelle einstellen und halten.
Bei Vorhandensein einer solche Nut kann gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung auch bei rechtwinklig zu den fluchtenden Achsen von Abtriebsteil und Nockenwelle verlaufenden, ebenen Stirnseiten von Abtriebsteil und Nockenwelle die äußere Zone größerer Pressung der aneinanderliegenden Reibflächen dadurch realisiert werden, dass die innere Ringfläche gegenüber der äußeren Ringfläche axial geringfügig zurückgesetzt ist. Durch die Normalkraft der als Dehnschraube ausgeführten Spannschraube wird auch die innere Ringfläche des Abtriebsteils gegen die Reibfläche der Nockenwelle gepresst, wobei jedoch das Gros der Kraftlinien in der äußeren Ringfläche der Reibflächen konzentriert ist und dadurch ein großes Drehmoment übertragen werden kann.
Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 7 hat den Vorteil, dass durch die mittels Konusstutzen und Spannkappe mit Innenkonus realsierte Kegelsitzverbindung zum Herstellen eines radialen Kraftschlusses zwischen Abtriebsteil und Nockenwelle die axiale Spannschraube bei Übertragung eines ausreichend hohen Drehmoments auf eine deutlich geringere Spannkraft ausgelegt werden kann. Eine Verdrehung des Abtriebsteils auf der Nockenwelle ist aufgrund des im Vergleich zum Schraubenkopf der Spannschraube deutlich größeren Reibradius der Kegelsitzverbindung nicht möglich. Die Kegelsitzverbindung befindet sich außerhalb des die Stellmittel aufnehmenden Abtriebsteils, so dass die fein abgestimmten Toleranzen innerhalb der Stellmittel ohne Verformung erhalten bleiben.
Durch die in den Ansprüchen 8 bis 11 aufgeführten Maßnahmen sind vorteilhafte Weiterbildungen und Verbesserungen des im Anspruch 7 angegebenen Nockenwellenverstellers möglich.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist der Übergang von Abtriebsteil zum angeformten Konusstutzen mit einem großen Biegeradius ausgeführt. Dadurch wird verhindert, dass eine Biegung des Konusstutzens beim Aufspannen der Spannkappe zum Abbrechen des Abtriebsteils führt.
Gemäß einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist die das Abtriebsteil auf die Nockenwelle aufspannende Spannschraube hohl ausgeführt. Hierdurch ist es möglich, in die Nockenwelle ein zentrales Steuerventil für die Hydraulikölversorgung der Stellmittel zu integrieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung ist anhand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen jeweils in schematischer Darstellung:
1 ausschnittweise einen Längshalbschnitt eines Nockenwellenverstellers,
2 einen Längsschnitt eines Abtriebsteils des Nockenwellenverstellers in 1,
3und 4 jeweils eine gleiche Darstellung wie in 1 zweier modifizierter Ausführungsbeispiele des Abtriebsteils,
5 einen Längsschnitt des Nockenwellenverstellers gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel,
6 einen Ausschnitt VI in 5 mit einer Modifikation des Nockenwellenverstellers.
Der in 1 im Längshalbschnitt ausschnittweise dargestellte Nockenwellenversteller dient zur Einstellung der Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine. Der Nockenwellenversteller weist ein von der hier nicht dargestellten Kurbelwelle z. B. über einen Zahnriemen oder eine Kette antreibbares Antriebsrad 11 und ein dazu koaxiales, vom Antriebsrad 11 antreibbares Abtriebsteil 12, auch Rotor genannt, auf. Das Antriebsrad 11 ist im Ausführungsbeispiel als Kettenrad ausgeführt, kann aber auch ein Zahnrad sein. Das Abtriebsteil 12 des Nockenwellenverstellers ist mittels Kraftschluss drehfest mit einer Nockenwelle 13 verbunden, die ihrerseits die Ventile der Brennkraftmaschine antreibt. Das Antriebsrad 11 bildet, zusammen mit zwei an seinen Stirnseiten befestigten, ringförmigen Deckeln 24 einen sog. Stator 14. Der Stator 14 ist in bekannter Weise mit einer Vielzahl von vom Antriebsrad radial nach innen vorspringenden, hier nicht zu sehenden Stegen versehen, die in Umfangsrichtung voneinander beabstandet sind. In die Zwischenräume zwischen den Stegen ragen am Abtriebsteil 12 abstehende Flügel 16 hinein, wodurch zwischen den Stegen und den Flügeln 16 beiderseits der Stege liegende hydraulische Druckkammern gebildet werden. Dieser Aufbau von Abtriebsteil 12 oder Rotor und Stator 14, einschließlich eines Bolzenverriegelungsmechanismus zum Verriegeln von Stator 14 und Abtriebsteil 12 in Phasen unzureichender Druckmittelversorgung des Nockenwellenverstellers, z. B. in der Startphase der Brennkraftmaschine, ist bekannt und z. B. in der DE 60 2005 001 122 T2 beschrieben.
Zur Übertragung eines großen Drehmoments von dem Abtriebsteil 12 auf die Nockenwelle 13 sind am Abtriebsteil 12 und an der Nockenwelle 13 Reibflächen 18, 19 vorhanden, die aneinanderliegen und mittels einer in eine Gewindebohrung 15 in der Nockenwelle 13 axial eingeschraubten Spannschraube 17 aufeinandergepresst sind. Die Reibflächen 18, 19 von Abtriebsteil 12 und Nockenwellenwelle 13 sind an den einander zugekehrten Stirnseiten von Abtriebsteil 12 und Nockenwelle 13 ausgebildet. Mindestens eine der Reibflächen 18, 19, hier die dem Antriebsteil 12 zugeordnete Reibfläche 18, ist geometrisch derart gestaltet, dass durch die Spannschraube 17 in einer äußeren Zone der Reibflächen 18, 19 eine größere Presskraft zwischen den Reibflächen 18, 19 erzeugt wird als in der von der äußeren Zone umschlossenen inneren Zone. Die Spannschraube 17 ist als Kopfschraube ausgeführt, die sich mit ihrem Schraubenkopf 171 an dem Abtriebsteil 12 abstützt und die abgeschrägten Reibflächen 18, 19 an Abtriebsteil 12 und Nockenwelle 13 kraftschlüssig aufeinanderpresst.
In dem Ausführungsbeispiel der 1 und 2 ist die äußere Zone größerer Presskraft zwischen den Reibflächen 18, 19 dadurch erzielt, dass bei ebener Stirnseite der Nockenwelle 13 die Stirnseite des Abtriebsteils 12 als Kegelmantel eines Kegels ausgeführt ist, dessen Kegelspitze auf der Achse des Abtriebsteils 12 liegt und dessen Kegelöffnung zur Nockenwelle 13 weist. Der Kegelwinkel α ist sehr groß gewählt und beträgt z. B. 179°. Alternativ kann die Stirnseite der Nockenwelle 13 kegelförmig ausgebildet sein, wobei bei gleichem Kegelwinkel α die Kegelöffnung zur ebenen Stirnseite des Abtriebsteils 12 weist.
Im Ausführungsbeispiel der 3 wird die äußere Zone größerer Presskraft zwischen den Reibflächen 18, 19 dadurch erzielt, dass bei ebener Stirnseite der Nockenwelle 13 die Stirnseite des Abtriebsteils 12 konkav gewölbt ist, wobei die Wölbung mit einem sehr großen Wölbungsradius R ausgeführt ist. Alternativ – und wie hier nicht dargestellt ist – kann auch die Stirnseite der Nockenwelle 13 mit dem Wölbungsradius R konkav geformt und die Stirnseite des Antriebsteils 12 eben ausgeführt werden.
In den Ausführungsbeispielen der 1 bis 3 ist in der Stirnseite des Abtriebsteils 12 noch eine kreisförmige Nut 20 eingearbeitet, die zur Hydraulikölversorgung der Druckkammern im Stator 14 dient. Diese Nut 20 unterteilt die Reibfläche 18 am Abtriebsteil 12 in eine äußere Ringfläche 181 und eine innere Ringfläche 182.
Ist eine solche Nut 20 im Abtriebsteil 12 vorhanden, so kann gemäß einem in 4 dargestellten weiteren Ausführungsbeispiel die äußere Zone größerer Presskraft zwischen den Reibflächen 18, 19 auch dadurch realisiert werden, dass bei sich rechtwinklig zu den Achsen erstreckenden Stirnseiten von Abtriebsteil 12 und Nockenwelle 13 die innere Ringfläche 182 am Abtriebsteil 12 gegenüber der äußeren Ringfläche 181 axial um ein Maß d zurückgesetzt wird. Dieses Maß d ist relativ klein und beträgt z. B. 0,01 mm. Beim Verspannen des Abtriebsteils 12 an der Nockenwelle 13 wird durch die Zugkraft der als Dehnschraube ausgebildeten Spannschraube 17 trotz des Versatzes auch die innere Ringfläche 182 gegen die Reibfläche 19 an der Nockenwelle 13 gepresst, wobei jedoch das größere Reibmoment in der äußeren Ringfläche 181 auftritt, so dass das Drehmoment im wesentlichen im Bereich der äußeren Ringfläche 181 übertragen wird.
In dem in 5 im Längsschnitt dargestellten Ausführungsbeispiel eines Nockenwellenverstellers wird ein radialer Kraftschluss zwischen dem Abtriebsteil 12 und der Nockenwelle 13 durch zwei außerhalb des Stators 14 angeordnete Bauteile erzeugt, die eine Kegelsitzverbindung eingehen und dadurch die axiale Spannkraft der Spannschraube 17 in eine verstärkte, radiale Presskraft auf die Nockenwelle 13 umsetzen. Die Kraftverstärkung ist umso größer, je kleiner der Kegelwinkel ist, und das auf die Nockenwelle übertragbare Drehmoment ist umso größer, je größer der radiale Abstand der aneinanderliegenden Kegelflächen von der Nockenwelle 13 ist. Die beiden die Kegelsitzverbindung eingehenden Bauteile sind einerseits ein von Abtriebsteil 12 axial abstehender, einstückig an diesem angeformter Konusstutzen 21, der sich zu seinem freien Ende hin verjüngt, und andererseits eine auf den Konusstutzen 21 aufgesetzte Spannkappe 22. Der Übergang vom Konusstutzen 21 zum Abtriebsteil 12 ist mit einem großen Biegeradius ausgeführt, um durch die damit erzielte, biegeweiche Übertragung ein Abbrechen des Konusstutzen 21 beim Aufspannen der Spannkappe 22 zu verhindern. Die Spannkappe 22 besteht aus einer Basisplatte 221 und einer Spannhülse 222, die sich einstückig von der Basisplatte 221 aus axial erstreckt und den zur Basisplatte 221 hin sich verjüngenden Innenkonus aufweist. In der Basisplatte 221 ist eine Durchgangsöffnung 23 zum Hindurchstecken der Spannschraube 17 vorgesehen.
Zur Montage wird die Spannkappe 22 auf den Konusstutzen 21 aufgesetzt und die durch die Durchgangsöffnung 23 hindurchgeführte Spannschraube 17 in die in der Nockenwelle 13 vorgehaltene Gewindebohrung 15 eingeschraubt. Die Axialkraft der Spannschraube 17 schiebt zunehmend die Spannhülse 222 auf den Konusstutzen 21 auf, wobei die Pressung zwischen Abtriebsteil 12 und Nockenwelle 11 zunehmend erhöht wird. Zur Übertragung eines ausreichend hohen Drehmoments bei möglichst kleinem axialen Bauraum wird ein Kegelwinkelverhältnis oder eine Konizität von vorzugsweise 1:4 bis 1:8 gewählt, jedoch ist jedes Keilwinkelverhältnis zwischen 1:2 bis 1:20 einsetzbar.
In 6 ist der Ausschnitt VI in 5 des modifizierten Nockenwellenverstellers vergrößert dargestellt, bei dem im Unterschied zu dem Nockenwellenversteller gemäß 5 die Spannschraube 17 mit Schraubenkopf 171' nicht als Vollschraube sondern als Hohlschraube ausgeführt ist. Diese Hohlschraube, die in einer in die Nockenwelle 13 eingebrachten, vergrößerten Gewindebohrung 15' eingeschraubt ist und wie in 5 die Spannhülse 22 auf den Konusstutzen 21 aufpresst, erlaubt die Integration eines zentralen Steuerventils für die Hydraulikölversorgung der Vorschub- und Verzögerungskammer zwischen Stator 14 und Rotor oder Abtriebsteil 12 des Nockenwellenverstellers. Im Schnittbild der 5 ist die über die Nockenwelle 13 erfolgende Hydraulikölversorgung dieser Kammern eingezeichnet. Sie erfolgt durch Radial- und Axialkanäle in Nockenwelle 13 und Abtriebsteil 12.
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

DE 102004026863 A1 [0002]
DE 602005001122 T2 [0018]

Claims

Nockenwellenversteller zur Einstellung der Phasenlage einer Nockenwelle (13) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem von der Kurbelwelle antreibbaren Antriebsrad (11) und mit einem von diesem antreibbaren koaxialen Abtriebsteil (12), das mittels Kraftschluss drehfest mit der Nockenwelle (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass dem Abtriebsteil (12) und der Nockenwelle (13) zugeordnete Reibflächen (18, 19) aneinanderliegen und mittels einer in die Nockenwelle (13) axial eingeschraubten Spannschraube (17) aufeinandergepresst sind und dass mindestens eine der beiden Reibflächen (18, 19) geometrisch so geformt ist, dass in einer äußeren Zone der Reibflächen (18, 19) eine größere Presskraft zwischen den Reibflächen (18, 19) auftritt als in der von dieser umschlossenen inneren Zone.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderliegenden Reibflächen (18, 19) an den Stirnseiten von Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) ausgebildet sind und dass mindestens eine der Stirnseiten eine konkave Wölbung mit vorzugsweise sehr großem Wölbungsradius aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die aneinanderliegenden Reibflächen (18, 19) an den Stirnseiten von Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) ausgebildet sind und dass mindestens eine der Stirnseiten ein Kegelmantel eines Kegels mit sehr großem Kegelwinkel ist, dessen Kegelspitze auf den miteinander fluchtenden Achsen von Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) liegt und dessen Kegelöffnung der anderen Stirnseite zugekehrt ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Kegelwinkel ca. 179° beträgt.
Nockenwellenverstellter nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der Stirnseite des Abtriebsteils (12) eine kreisförmige Nut (20) eingearbeitet ist, die die Reibfläche (18) des Abtriebsteils (12) in eine äußere und eine innere Ringfläche (181, 182) unterteilt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Stirnseiten von Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) rechtwinklig zu den Achsen von Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) verlaufen, dass die Stirnseite des Abtriebsteils (12) durch eine stirnseitig eingebrachte, kreisringförmige Nut (20) in eine äußere und eine innere Ringfläche (181, 182) unterteilt ist und dass die innere Ringfläche (182) gegenüber der äußeren Ringfläche (181) axial zurückversetzt ist.
Nockenwellenversteller zur Einstellung der Phasenlage einer Nockenwelle (13) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, mit einem von der Kurbelwelle antreibbaren Antriebsrad (11) und mit einem von diesem antreibbaren, zum Antriebsrad (11) koaxialen Abtriebsteil (12), das mittels Kraftschluss drehfest mit der Nockenwelle (13) verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Kraftschluss zwischen Abtriebsteil (12) und Nockenwelle (13) mittels einer Kegelsitzverbindung zwischen einem vom Abtriebsteil (12) axial abstehenden, auf der Nockenwelle (13) aufsitzenden Konusstutzen (21) und einer auf diesem axial aufgespannten Spannkappe (22) mit Innenkonus hergestellt ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der vorzugsweise einstückig an dem Abtriebsteil (12) angeformte Konusstutzen (21) sich zu seinem freien Ende hin verjüngt und die den Konusstutzen (21) übergreifende Spannkappe (22) eine Basisplatte (221) und eine damit einstückige, mit dem Innenkonus auf den Konusstutzen (21) aufsitzende Spannhülse (222) aufweist und dass die Spannkappe (22) mittels einer an der Basisplatte (221) angreifenden, axial in die Nockenwelle (13) eingeschraubten Spannschraube (17) mit ihrer Spannhülse (222) auf den Konusstutzen (21) aufgepresst ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Kegelverhältnis oder die Konizität von Konusstutzen (21) und Innenkonus der Spannhülse (222) zwischen 1:2 und 1:20 wählbar ist, vorzugsweise zwischen 1:4 und 1:8 liegt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Übergang vom Konusstutzen (21) zum Abtriebsteil (12) mit einem großen Biegeradius ausgeführt ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannschraube (17') als Hohlschraube ausgeführt ist.