DE102009054049B4 - Nockenwellenverstellanordnung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstellanordnung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Nockenwellenverstellanordnung ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement umfasst, das gegenüber der Nockenwelle drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Antriebselement und der Nockenwelle mindestens zwei Hydraulikkammern ausgebildet sind, die mit einem Druckfluid beaufschlagbar sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement und der Nockenwelle einzustellen, wobei die Nockenwellenverstellanordnung ein erstes Bauteil und ein zweites Bauteil umfasst, wobei das erste Bauteil eine zylindrische Aufnahmefläche aufweist, die zur Aufnahme einer zylindrischen Sitzfläche des zweiten Bauteils ausgebildet ist.
- Hintergrund der Erfindung
- Nockenwellenverstellvorrichtungen, insbesondere solche, die hydraulisch arbeiten, sind im Stand der Technik hinlänglich bekannt. Im hydraulischen Nockenwellenversteller ist ein Flügelrad vorhanden, in dem Flügel eingeformt oder angeordnet sind. Die Flügel befinden sich in Hydraulikkammern, die in einem Außenrotor eingearbeitet sind. Durch entsprechende Beaufschlagung der jeweiligen Seite der Hydraulikkammern mit Hydraulikfluid kann eine Verstellung des Innenrotors (mit der Nockenwelle verbunden) relativ zum Außenrotor zwischen einem „Frühanschlag“ und einem „Spätanschlag“ erfolgen. Dabei wird der Fluss von Hydrauliköl durch ein elektrisch angesteuertes Wegeventil gesteuert.
- Die Übertragung der Drehbewegung der Kurbelwelle auf den Außenrotor erfolgt zumeist über ein Zahnrad, mit dem der Außenrotor drehfest verbunden ist. Im Stand der Technik sind Lösungen bekannt, bei denen das Zahnrad als Kettenrad ausgebildet ist und am Außenumfang des Außenrotors angeordnet bzw. mit dem Außenrotor drehfest verbunden ist.
- Eine gattungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung ist in der
DE 10 2004 038 695 A1 beschrieben. Hier weist das Antriebselement ein seitlich aufgesetztes und befestigtes Deckelelement auf. Ein axialer Endabschnitt des Antriebselements bzw. dessen Gehäuses hat dabei eine zylindrische Aufnahmefläche. - Das Deckelelement sitzt mit einer korrespondierenden Sitzfläche auf der Aufnahmefläche. Zur Herstellung eines hinreichenden Halts des Deckelelements auf dem axialen Endabschnitt des Antriebselements bzw. dessen Gehäuses ist dabei eine Presspassung zwischen der zylindrischen Aufnahmefläche und der zylindrischen Sitzfläche vorgesehen.
- Die
DE 10 2006 039 371 A1 zeigt eine ähnliche Lösung. Der Nockenwellenversteller weist auch hier ein Antriebselement auf, das drehfest mit der Kurbelwelle verbunden ist. Relativ zum Antriebselement drehbar ist ein Abtriebselement, das drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Axial wird die Vorrichtung durch je einen Seitendeckel begrenzt. - Weiterhin ist eine Drehfeder vorgesehen, die als flache Spiralfeder ausgebildet ist. Ein erstes Ende der Drehfeder greift an dem Abtriebselement an. Das andere Ende der Drehfeder ist am Antriebselement befestigt. Die Drehfeder steht dabei unter einer Vorspannung, so dass sie ein Drehmoment auf das Abtriebselement relativ zum Antriebselement ausüben kann. Die Drehfeder dient dazu, ein Reibmoment, das auf die Nockenwelle wirkt und das Abtriebselement in Richtung später Steuerzeiten drängt, zu kompensieren. Weiterhin ist die Drehfeder vorgesehen, um das Abtriebselement bei ungenügender Druckmittelversorgung der Vorrichtung in eine Grundposition zu bewegen, in der das Abtriebselement mit dem Antriebselement mechanisch verriegelt werden kann.
- Die Drehfeder ist in einem Federraum angeordnet, der einerseits von dem Seitendeckel und andererseits von dem bereits genannten Deckelelement (Federdeckel) begrenzt ist. Das Deckelelement übergreift den Seitendeckel radial und axial und ist mit einem Formschlusselement versehen.
- Nachteilig ist bei den vorbekannten Lösungen, dass sich zwar das erste und das zweite Bauteil, d. h. insbesondere der Front- bzw. Seitendeckel des Antriebselement und das Deckelelement, kostengünstig fertigen lassen, dass aber infolge der Fertigungstoleranzen die Presspassung zwischen den beiden Teilen, d. h. die radiale Druckspannung zwischen den beiden zylindrischen Kontaktflächen zwischen den genannten Teilen, die einen Querpressverband darstellen, nicht hinreichend genau in einem vorgegebenen Toleranzband gehalten werden kann.
- Aufgabe der Erfindung
- Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine Nockenwellenverstellanordnung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich wird, die sich im montierten Zustand zwischen dem genannten ersten und zweiten Bauteil, insbesondere zwischen dem Front- bzw. Seitendeckel und dem Deckelelement, ergebende radiale Pressspannung gezielt in einem zulässigen Bereich zu halten. Damit soll erreicht werden, dass ohne besondere Vorkehrungen bei der Fertigung der Teile die Presspassung zwischen den Teilen in einem definierten Bereich bleibt. Die preiswerte Fertigung der Teile soll dabei vollumfänglich erhalten bleiben.
- Die
DE 10 2009 042 168 A1 zeigt einen Nockenwellenversteller für einen konzentrischen Nockenwellenaufbau eines Verbrennungsmotors. Der Versteller umfasst einen Stator, der mit dem Ventiltriebritzel verbunden ist, und einen Rotor, der sich im Stator befindet und mehrere Flügel aufweist, die sich in Räume erstrecken, welche zwischen einwärts gerichteten Vorsprüngen des Stators erzeugt sind, um an jeder Seite der Flügel Kammern zu definieren. Eine vordere und eine hintere Seitenwand sind mit dem Stator verbunden und bilden die vordere und die hintere Wand der Kammern. Eine äußere Abdeckung ist über einen Antriebsadapter mit dem Stator und mit der inneren Nockenwelle verbunden, und der Rotor ist mit der äußeren Nockenwelle verbunden. Radiale Lasten, die auf das Ventiltriebritzel wirken, werden vom Stator zum Rotor und in die äußere Nockenwelle übertragen. Der Antriebsadapter umfasst einen offenen zylinderförmigen Körper mit einem ersten und einem zweiten Ende. Das erste Ende umfasst einen Schlitz oder Ausnehmungen, worin ein Zeitsteuerungsmerkmal der Abdeckung eingreift. Das zweite Ende weist einen gekehlten Abschnitt auf, der dazu gestaltet ist, formschlüssig mit einem entsprechenden Abschnitt der inneren Nockenwelle einzugreifen. - Zusammenfassung der Erfindung
- Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zum Abbau einer radialen Pressspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil in der zylindrischen Aufnahmefläche des ersten Bauteils und/oder in der zylindrischen Sitzfläche des zweiten Bauteils mindestens ein Ausgleichselement angeordnet ist.
- Das Ausgleichselement ist als nutartige Ausnehmung ausgebildet, die sich über einen definierten Winkel über den Umfang des ersten bzw. des zweiten Bauteils ausdehnt. Der Winkel beträgt dabei vorzugsweise zwischen 10° und 25°. Die axiale Erstreckung des Ausgleichselements ist bevorzugt die gesamte Kontaktfläche zwischen den beiden Bauteilen entlang der zylindrischen Aufnahme- bzw. Sitzfläche.
- Bevorzugt sind zwei, drei oder vier Ausgleichselemente über den Umfang der zylindrischen Aufnahmefläche bzw. der zylindrischen Sitzfläche angeordnet. Diese sind vorzugsweise äquidistant über den Umfang angeordnet.
- Die nutartige Ausnehmung ist bevorzugt in die zylindrische Aufnahmefläche des ersten Bauteils eingearbeitet.
- Die nutartige Ausnehmung kann im Achsschnitt sich weitgehend radial erstreckende Seitenbegrenzungen aufweisen. Diese können über eine Ausrundung in einen Bodenabschnitt der nutartigen Ausnehmung übergehen.
- Das erste Bauteil ist vorzugsweise ein Frontdeckel des Antriebselements. Bei dem zweiten Bauteil handelt es sich bevorzugt um ein Deckelelement des Antriebselements. Dieses kann als Bauteil aus dünnem Blech gefertigt sein.
- Die Erfindung stellt dabei also auf das Konzept ab, dass infolge des Ausgleichselements in der zylindrischen Aufnahmefläche des ersten Bauteils bzw. in der zylindrischen Sitzfläche des zweiten Bauteils eine Angleichung der Umfänge der zylindrischen Aufnahmefläche und der zylindrischen Sitzfläche ermöglicht wird. Dies setzt die radiale Pressspannung herab.
- Gemäß der Erfindung wird mindestens ein Ausgleichselement vorgeschlagen, das am äußeren und/oder inneren Bauteil eine elastisch-plastische Federwirkung im Querpressverband erzeugt. Durch diese plastisch-elastische Änderung der Umfangsflächen der beiden zusammenwirkenden Bauteile wird die Pressspannung zwischen den Bauteilen entsprechend beeinflusst. Das Ausgleichselement kann als radiale Ausprägung nach innen oder nach außen ausgebildet sein. Das Ausgleichselement erzeugt bei der minimalen Überdeckung der Bauteile durch Eigenspannungen aus dem Herstellprozess eine minimal erforderliche Restvorspannkraft im Querpressverband. Bei erhöhter Überdeckung erlaubt das Ausgleichselement in Umfangsrichtung eine elastische oder auch plastische Verformung, so dass eine Änderung der effektiven Umfangslänge eines der beiden Bauteile bewirkt wird. Der Querpressverband wird entsprechend auf eine maximal zulässige radiale Pressspannung begrenzt.
- Bei einem Querpressverband mit einem dünnwandigen zylindrischen Bauteil können also in sehr einfacher Weise eine vorgegebene Überdeckung hergestellt werden. Fertigungstoleranzen können somit in einfacher Weise ausgeglichen werden.
- Erfindungsgemäß erfolgt ein Ausgleich einer erhöhten Überdeckung im Querpressverband zwischen den zylindrischen Bauteilen, die zueinander axial zum Querpressverband gefügt sind (d. h. durch axiales Aufpressen). Die Restkraftvorspannung im Querpressverband und somit auch die axiale Fügekraft können damit verbessert gesteuert bzw. begrenzt werden.
- Bei einer Null-Überdeckung im Querpressverband haben die beiden Bauteile theoretisch die gleichen Umfangslängen an der Fügefläche. Das Ausgleichselement in Form einer radialen Segment-Ausnehmung stellt eine Vergrößerung oder Verkleinerung der effektiven Umfangsfläche eines der beiden zusammenwirkenden Bauteil dar, die etwa der Umfangslänge des einen Bauteils bei maximaler zulässiger Überdeckung entspricht.
- Die Ausgleichselemente stellen insoweit elastische Federelemente in Umfangsrichtung des Querpressverbands dar, die je nach Überdeckungsgröße in Umfangsrichtung eine radiale Verformung nach innen oder nach außen erlauben, was zu einer Änderung der effektiven Umfangslänge des Bauteils führt.
- Das Ausgleichselement kann auch lokal plastisch verformt werden. Dabei wird die notwendige Restvorspannkraft im Querpressverband durch eine verbleibende Elastizität des Ausgleichselements hergestellt.
- Die radiale Ausprägung des Ausgleichselements kann durch flache Radienübergänge zum Grundkörper des Bauteils ausgebildet sein.
- Um die radiale Dehnung im Bereich des Ausgleichselements zu ermöglichen, kann im anderen Bauteil gegenüber dem Ausgleichselement eine radiale Segment-Aussparung vorgesehen werden. Die minimale Tiefe der Aussparung richtet sich nach der benötigten radialen Deformation des Ausgleichselements.
- Die Auslegung der Ausgleichselemente mit Prüfung des Spannungszustands und der Dehnung des Ausgleichselements kann mit einer Finiten-Element-Analyse erfolgen und durch entsprechende Versuche abgesichert werden.
- Die axiale Fügekraft bei der Montage kann Kraft-Weg-gesteuert erfolgen, um den Querpressverband optimal herzustellen.
- Mit dem Erfindungsvorschlag lässt sich also gezielt eine maximal zulässige Überdeckung im Querpressverband der dünnwandigen Bauteile herstellen, ohne dass auf eine wirtschaftliche Fertigung der Fügeflächen verzichtet werden muss. Dadurch werden die Fügekräfte in der Montagelinie reduziert und Dauerfestigkeit der Bauteile im Querpressverband kostenneutral sichergestellt.
- Figurenliste
- In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
-
1 in perspektivischer Ansicht eine Schnittansicht durch eine Nockenwellenverstellanordnung , -
2 ein Detail der Nockenwellenverstellanordnung im Radialschnitt, nämlich den Übergang eines Deckelelements zu einem Frontdeckel, -
3 einen Abschnitt des Frontdeckels und des Deckelelements im montierten Zustand in Achsrichtung der Nockenwellenverstellanordnung gesehen, -
4 die Einzelheit „X“ gemäß3 , -
5a und5b schematisch zwei gefügte Teile, die einen Querpressverband bilden, -
6a und6b wiederum schematisch zwei gefügte Teile, die einen Querpressverband bilden, wobei nun eines der Teile mit Ausgleichselementen zur Steuerung der Größe der Pressspannung zwischen den Teilen versehen ist, -
7a schematisch nochmals zwei zu einem Querpressverband gefügte Teile und -
7b nochmals schematisch zwei gefügte Teile, die einen Querpressverband bilden, wobei jetzt im Vergleich mit6 das andere Teil mit Ausgleichselementen zur Steuerung der Größe der Pressspannung zwischen den Teilen versehen ist. - Ausführliche Beschreibung der Figuren
- In
1 ist eine Nockenwellenverstellanordnung1 zur Veränderung der relativen Winkellage einer (nicht dargestellten) Nockenwelle gegenüber einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dargestellt. Die Nockenwelle wäre an der mit14 markierten Stelle angeordnet. - Wesentlicher Bestandteil der Nockenwellenverstellanordnung
1 ist ein Antriebselement2 , in das eine hydraulische Verstelleinrichtung inkorporiert ist, die zwischen einem äußeren Ringteil (Stator) und einem Rotor15 eine Winkelverdrehung bewerkstelligen kann, um in bekannter Weise die Steuerzeiten der Brennkraftmaschine zu beeinflussen. Der Rotor15 ist drehfest mit der Nockenwelle14 verbunden. Das Antriebselement2 wird von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, wobei ein Zahnrad16 zu sehen ist, das mit dem Antriebselement2 fest verbunden ist. Die Kurbelwelle ist mit dem Zahnrad16 über eine (nicht dargestellte Kette) verbunden. - In der Nockenwellenverstellanordnung
1 sind Hydraulikkammern angeordnet, von denen eine mit17 bezeichnet ist. Die Hydraulikammer17 wird dabei radial innen vom Rotor15 und radial außen vom Stator bzw. Antriebselement2 begrenzt; seitlich wird die Hydraulikkammer von zwei Seitendeckeln begrenzt, nämlich von einem vorderen Frontdeckel3 , der hier als erstes Bauteil angesprochen wird, und von einem Rückdeckel18 . - Zwischen dem Antriebselement
2 und dem Rotor15 sind mehrere Hydraulikkammern17 wirksam angeordnet, die jeweils mit Druckfluid beaufschlagt werden können, um die genannte Verdrehung einstellen zu können. Dabei sind mehrere Paaren von Hydraulikkammern über den Umfang angeordnet. - Mit dem Frontdeckel
3 verbunden ist ein Deckelelement4 , das hier als zweites Bauteil angesprochen wird. Das Deckelelement4 definiert zum Frontdeckel3 einen Aufnahmeraum19 , in dem eine Drehfeder20 angeordnet ist, deren Zweck bereits oben erläutert wurde. - Wie aus der Zusammenschau der
1 und2 hervorgeht, weist das erste Bauteil3 eine zylindrische Aufnahmefläche5 auf, auf der das zweite Bauteil4 mit einer zylindrischen Sitzfläche6 aufgesetzt wird. Genauer gesagt wird das zweite Bauteil4 durch axiales Aufpressen auf das erste Bauteil3 montiert, so dass sich hier ein Querpressverband ausbildet. - Damit die Höhe der radialen Pressspannung im Querpressverband gezielt beeinflusst werden kann, ist im Ausführungsbeispiel eine Ausgestaltung vorgesehen, wie sie am besten aus den
3 und4 hervorgeht. - Hiernach sind drei Ausgleichselemente
7 ,8 und9 in Form von nutartigen Ausnehmungen in das erste Bauteil3 eingearbeitet. - Jedes Ausgleichselement
7 ,8 ,9 erstreckt sich über einen Umfangsabschnitt, der mit dem Winkel α (s.3 ) spezifiziert ist. Dieser Winkel beträgt hier etwas weniger als 20° und wird so gewählt, dass die nutartigen Ausnehmungen7 ,8 ,9 eine solche Größe (in Umfangsrichtung) erhalten, dass die radiale Pressspannung zwischen den Bauteilen3 und4 , d. h. in der Kontaktfläche zwischen den Flächen5 und6 , einen noch zulässigen Maximalwert annehmen. - Die nutartigen Ausnehmungen
7 ,8 ,9 weisen im Ausführungsbeispiel sich weitgehend radial erstreckende Seitenbegrenzungen10 und11 auf (s.4 ), die über eine Ausrundung12 in einen Bodenabschnitt13 übergehen. - In den
5 bis7 sind schematisch die Verhältnisse ohne und mit Einsatz der vorgeschlagenen Ausgleichselemente noch einmal illustriert. -
5a und5b zeigen zwei zusammenwirkende Bauteile3 und4 , die klassisch gefügt sind. Abhängig von der Passung ergibt sich eine Pressspannung im Querpressverband, die bei entsprechenden Fertigungstoleranzen zu hoch ausfallen kann. - In
6a und6b ist zu sehen, dass nunmehr das äußere Bauteil4 nicht rotationssymmetrisch ausgeführt wurde, sondern mit Ausgleichselementen7 ,8 ,9 versehen ist. In Abhängigkeit von der genauen Geometrie der Teile können die verbleibenden radialen Spalte zwischen den beiden Bauteilen3 und4 im Bereich der Ausgleichselemente7 ,8 ,9 mehr oder weniger groß werden, so dass sich im Falle einer zu hohen Überdeckung die Pressspannung abbauen kann (wodurch die Spaltgröße kleiner wird), so dass ein Grenzwert nicht überschritten wird. - Analoges gilt für die Lösung gemäß
7b , bei der die Ausgleichselemente7 ,8 ,9 in das Bauteil3 eingearbeitet sind (wie bei der Lösung gemäß den1 bis4 ). Übertrieben angedeutet ist, wie sich das äußere Bauteil4 im Bereich der nutartigen Ausnehmungen7 ,8 ,9 verformt und seine Umfangslänge reduziert, so dass die Pressspannung zwischen den Bauteilen3 ,4 abgebaut werden kann. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Nockenwellenverstellanordnung
- 2
- Antriebselement
- 3
- erstes Bauteil (Frontdeckel)
- 4
- zweites Bauteil (Deckelelement)
- 5
- zylindrische Aufnahmefläche
- 6
- zylindrische Sitzfläche
- 7
- Ausgleichselement (nutartige Ausnehmung)
- 8
- Ausgleichselement (nutartige Ausnehmung)
- 9
- Ausgleichselement (nutartige Ausnehmung)
- 10
- Seitenbegrenzung
- 11
- Seitenbegrenzung
- 12
- Ausrundung
- 13
- Bodenabschnitt
- 14
- Nockenwelle
- 15
- Rotor
- 16
- Zahnrad
- 17
- Hydraulikkammer
- 18
- Rückdeckel
- 19
- Aufnahmeraum
- 20
- Drehfeder
- α
- Winkel
Claims (8)
- Nockenwellenverstellanordnung (1) zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle (14) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Nockenwellenverstellanordnung (1) ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement (2) umfasst, das gegenüber der Nockenwelle (14) drehbar gelagert ist, wobei zwischen dem Antriebselement (2) und der Nockenwelle (14) mindestens zwei Hydraulikkammern (17) ausgebildet sind, die mit einem Druckfluid beaufschlagbar sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement (2) und der Nockenwelle (14) einzustellen, wobei die Nockenwellenverstellanordnung (1) ein erstes Bauteil (3) und ein zweites Bauteil (4) umfasst, wobei das erste Bauteil (3) eine zylindrische Aufnahmefläche (5) aufweist, die zur Aufnahme einer zylindrischen Sitzfläche (6) des zweiten Bauteils (4) ausgebildet ist, wobei zum Abbau einer radialen Pressspannung zwischen dem ersten und dem zweiten Bauteil (3, 4) in der zylindrischen Aufnahmefläche (5) des ersten Bauteils (3) und/oder in der zylindrischen Sitzfläche (6) des zweiten Bauteils (4) mindestens ein Ausgleichselement (7, 8, 9) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (7, 8, 9) als nutartige Ausnehmung ausgebildet ist, die sich über einen definierten Winkel (α) über den Umfang des ersten bzw. des zweiten Bauteils (3, 4) ausdehnt, wobei die nutartige Ausnehmung (7, 8, 9) in die zylindrische Aufnahmefläche (5) des ersten Bauteils (3) eingearbeitet ist.
- Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (α) zwischen 10° und 25° beträgt. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass zwei, drei oder vier Ausgleichselemente (7, 8, 9) über den Umfang der zylindrischen Aufnahmefläche (5) bzw. der zylindrischen Sitzfläche (6) angeordnet sind. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, dass die zwei, drei oder vier Ausgleichselemente (7, 8, 9) äquidistant über den Umfang angeordnet sind. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die nutartige Ausnehmung (7, 8, 9) im Achsschnitt sich weitgehend radial erstreckende Seitenbegrenzungen (10, 11) aufweist. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass die sich weitgehend radial erstreckenden Seitenbegrenzungen (10, 11) über eine Ausrundung (12) in einen Bodenabschnitt (13) der nutartigen Ausnehmung (7, 8, 9) übergehen. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das erste Bauteil (3) ein Frontdeckel des Antriebselements (2) ist. - Nockenwellenverstellanordnung (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Bauteil (4) ein Deckelelement des Antriebselements (2) ist.
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