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Die Erfindung betrifft gemäß dem einteiligen Patentanspruch 1 einen Schwenkmotorversteller.
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Die nicht vorveröffentlichte
DE 10 2009 048 238 A1 betrifft bereits einen Schwenkmotorversteller mit einem Stator und einem Rotor, innerhalb dessen ein Federadapter vorgesehen ist, der drehfest mit dem Rotor verpresst ist. Dieser Federadapter weist eine radial ausgerichtete Aufnahmevertiefung auf, in die ein radial inneres Ende einer Spiralfeder eingreift. Das radial äußere Ende der Spiralfeder ist abgewinkelt und gegenüber dem Stator umfangsmäßig abgestützt.
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Die ebenfalls nicht vorveröffentlichte
DE 10 2009 035 233 B3 zeigt in
5 einen Schwenkmotorversteller mit einem Stator und einem Rotor, innerhalb dessen ein Blechumformteil vorgesehen ist. Eine Zentralschraube verspannt den Rotor axial gegen die Nockenwelle. Das Blechumformteil zentriert dabei den Rotor gegenüber der Nockwelle. Das Blechumformteil weist eine durchgehende Ausnehmung auf, in die ein radial inneres Ende einer Spiralfeder eingreift. Das radial äußere Ende der Spiralfeder ist drehfest und formschlüssig am Stator abgestützt.
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Aus der
DE 101 25 498 A1 und der
DE 103 33 850 B4 sind bereits gebaute Nockenwellen mit einem Nockenwellenversteller bekannt. Spiralfedern sind bei diesen nicht vorgesehen.
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Die
DE 199 62 981 A1 betrifft einen Schwenkmotorversteller, der einen Stator und einen Rotor umfasst. Dieser Rotor ist drehfest mit der Nockenwelle verbunden. Radial innerhalb des Rotors ist eine Druckmittel-Führungshülse vorgesehen. Eine Spiralfeder ist nicht vorgesehen.
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Aus der
DE 10 2008 001 078 A1 ist ein Schwenkmotorversteller mit einer Spiralfeder zu entnehmen, deren radial inneres Ende in eine Nockenwelle eingreift.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen verbesserten Nockenwellenversteller zu schaffen, der kostengünstig und leicht ausgebildet ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen gemäß Patentanspruch 1 gelöst.
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Es wird ein Schwenkmotorversteller mit einem Stator und einem Rotor vorgeschlagen, innerhalb dessen eine gebaute Nockenwelle mit einer durch eine Wand der Nockenwelle durchgehenden Ausnehmung drehfest angeordnet ist, in die ein radial inneres Ende einer Spiralfeder eingreift, deren radial äußeres Ende gegenüber dem Stator umfangsmäßig abgestützt ist, wobei die Ausnehmung an einer Kante, an der das radial innere Ende umgelegt ist, einen Radius aufweist, wobei die Nockenwelle im Bereich des Schwenkmotorverstellers ein hohles Nockenwellenende aufweist, welches bewegungsfest mit der Nockenwelle verschweißt ist, wobei innerhalb des Nockenwellenendes zur Betätigung des Schwenkmotorverstellers ein Hydraulikventil vorgesehen ist.
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Gemäß einem Vorteil der Erfindung ist der Nockenwellenversteller als Schwenkmotorversteller ausgeführt. Ein solcher Schwenkmotorversteller baut flach. Die Spiralfeder wird erfindungsgemäß radial innen von der Nockenwelle selber gehalten. Dazu weist die Nockenwelle eine Ausnehmung zur Aufnahme des radial inneren Endes der Spiralfeder auf. Diese Ausnehmung geht durch die Wand einer gebauten Nockenwelle hindurch. Gebaute Nockenwellen sind leicht und kosteng ü nstig.
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Infolge der drehfesten Verbindung zwischen der Nockenwelle und dem Rotor beispielsweise mittels Verschweißung oder eines Pressverbandes ist keine zentrale Schraube zur axialen Verspannung des Rotors gegenüber der Nockenwelle notwendig. Dies erleichtert die Nutzung eines Zentralventils, da durch dieses keine axialen Spannkräfte hindurch gehen müssen.
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Patentanspruch 2 zeigt eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung, bei welcher ein gegebenenfalls ungenutzter Bauraum auf der dem Verbrennungsmotor zugewandten Seite des Schwenkmotorverstellers für die Unterbringung der Spiralfeder genutzt wird. Es ist jedoch auch möglich, die Spiralfeder auf der vom Verbrennungsmotor abgewandten Seite des Schwenkmotorverstellers anzuordnen.
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Die besonders vorteilhafte Ausgestaltung nach Patentanspruch 9 ermöglicht es, die Spiralfeder in verschiedenen umfangsmäßigen Winkelpositionen der Nockenwelle einzuhängen. Damit lassen sich verschiedene Kompensationen des Nockenwellenwechselmomentes einstellen. Oder es können Fertigungstoleranzen der Spiralfeder ausgeglichen werden.
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Die Spiralfeder kann beispielsweise aus einem Federdraht mit rundem Profil bestehen. Wird die Spiralfeder hingegen mit einem rechteckige Profil gefertigt, so kann sie mit besonders geringen Toleranzen gefertigt werden. So kann der rechteckige Draht der Spiralfeder besonders gut von einer Spannvorrichtung gegriffen werden und anschließend der Federarm gemäß
DE 10 2008 048 386 A1 abgewinkelt werden. Damit ist es dann möglich die Spiralfeder an diesem abgewinkelten Federarm 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 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.
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In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung ist das rechteckige Profil der Spiralfeder nicht quadratisch und steht „hochkant“ auf der Seitenebene. 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 Schwenkmotorverstellers auch schwerer aufzubiegen. 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.
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Weitere Vorteile der Erfindung gehen aus den weiteren Patentansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung hervor.
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Die Erfindung ist nachfolgend anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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In der Zeichnung zeigen
- 1 einen Schwenkmotorversteller ohne Statordeckel,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht den kompletten Schwenkmotorversteller aus 1 in einem mit einer Nockenwelle montierten Zustand,
- 3 in einer Draufsicht von Seiten der geschnittenen Nockenwelle den Schwenkmotorversteller aus 2,
- 4 von der Nockenwelle gemäß 2 ein Nockenwellenende mit einer Ausnehmung,
- 5 die Ausnehmung aus 4 in einem Detail,
- 6 in einer Darstellung analog 2 den kompletten Schwenkmotorversteller in einer erfindungsgemäßen Ausgestaltungsform,
- 7 in einer Darstellung analog 3 den Schwenkmotorversteller gemäß 6 und
- 8 in einer Darstellung analog 4 das Nockenwellenende des Schwenkmotorversteller gemäß 6.
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1 zeigt einen Schwenkmotorversteller 1, mit dem während des Betriebes eines Verbrennungsmotors die Winkellage zwischen der Kurbel- und der Nockenwelle 2 verändert wird. Durch Verdrehen der in 2 ersichtlichen Nockenwelle 2 werden die Öffnungs- und Schliesszeitpunkte der Gaswechselventile so verschoben, dass der Verbrennungsmotor bei der jeweiligen Drehzahl seine optimale Leistung bringt. Der Schwenkmotorversteller 1 ermöglicht dabei eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle 2 relativ zur Kurbelwelle.
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Diese Nockenwelle 2 ist als gebaute Nockenwelle 2 ausgeführt. Das heißt, dass die Nockenwelle 2 insbesondere an deren Nockenwellenende 16 rohrförmig ist. Die zeichnerisch nicht dargestellten Nocken zur Gaswechselventilbetätigung sind bei einer solchen gebauten Nockenwelle 2 zumeist mittels einer Mikroverzahnung aufgeschrumpft.
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Der Schwenkmotorversteller 1 weist einen zylindrischen Stator 3 auf, der drehfest mit einem Zahnrad 4 verbunden ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Zahnrad 4 ein Kettenrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Das Zahnrad 4 kann aber auch ein Zahnriemenrad sein, über das eine Antriebsriemen als Antriebselement geführt ist. Über dieses Antriebselement und das Zahnrad 4 ist der Stator 3 mit der Kurbelwelle in bekannter Weise antriebsverbunden.
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Der Stator 3 und das Zahnrad 4 sind in diesem Ausführungsbeispiel einstückig miteinander ausgebildet. Schrauben verspannen den Statordeckel 5 gegen die Einheit aus Stator 3 und Zahnrad 4. Sind in einer alternativen Ausgestaltungsform Stator 3 und Zahnrad 4 separate Teile, so ist der Stator 3 mittels Schrauben zwischen dem Zahnrad 4 und einem Statordeckel 5 verspannt.
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Dabei können der Stator 3 und das Zahnrad 4 auch aus metallischem Werkstoff oder auch aus hartem Kunststoff bestehen. Als metallische Werkstoffe kommen u. a. Sintermetalle, Stahlbleche und Aluminium in Frage. Als Kunststoff kommen insbesondere faserverstärkte Kunststoffe mit einem Mineralmehl in Frage.
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Der Stator 3 ist mit radial nach innen ragenden Stegen 8 versehen. Umfangsmäßig zwischen diesen Stegen 8 sind Flügeln 7 des Rotors 9 angeordnet. Der Rotor 9 weist eine Rotornabe 10 auf, die drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Dazu ist die Rotornabe 10 auf das in 4 ersichtliche Nockenwellenende 16 geschrumpft bzw. mit Presssitz gepresst. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle 2 und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor 9 relativ zum Stator 3 gegen die Kraft eine Spiralfeder 6 gedreht. Hierzu wird je nach gewünschter Drehrichtung das Hydraulikfluid in den der einen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 11 unter Druck gesetzt, während die der anderen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 12 zum Tank hin entlastet werden. Diese der anderen Drehrichtung zugeordneten Druckkammern 12 sind in der Zeichnung im Minimalzustand dargestellt.
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Damit bei ausgeschaltetem Verbrennungsmotor - d.h. bei unbelastetem Schwenkmotorversteller 1 - der Rotor 9 die für den Motorstart nötige frühe Auslassnockenwellenstellung einnimmt, wird der Rotor 9 durch die Spiralfeder 6 in eine Ausgangslage gedreht. In dieser Ausgangslage ist der Rotor 9 gegenüber dem Stator 3 mittels einer Verriegelung 13 gegen ein Verschwenken festgesetzt. Diese ist in einem der Flügel 7 untergebracht. Dabei wird bei Druckabfall in den Druckkammern 11, 12 ein nicht näher dargestellter Verriegelungsbolzen durch die Federkraft einer nicht näher dargestellten Schraubendruckfeder in eine Verriegelungsstellung bewegt, in der dieser in eine Verriegelungsöffnung des Statordeckels 5 eingreift. Beim Motorstart wird der Verrieglungsbolzen durch das Hydraulikfluid gegen die Federkraft belastet und zurückgeschoben, so dass der Rotor 9 vom Statordeckel 5 entriegelt wird und der Schwenkmotorversteller 1 in seine Regelstellung gelangen kann.
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Die Spiralfeder 6 liegt auf einer senkrecht zu einer Zentralachse des Schwenkmotorverstellers 1 auf dem Statordeckel 5 angeordneten Seitenebene auf. Dabei weist die Spiralfeder 6 ein rechteckiges Profil auf.
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In 3 ist ersichtlich, dass die Spiralfeder 6 mit einem radial inneren Ende 14 drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden ist. Dazu ist das radial innere Ende 14 der Spiralfeder 6 radial nach innen gebogen und greift in eine radial ausgerichtete durch eine Wand 25 der Nockenwelle 2 durchgehende Ausnehmung 15. Diese Ausnehmung 15 ist in 5 im Detail zu sehen. Das radial nach innen gebogene Ende 14 und die Ausnehmung 15 weisen dabei auf die Zentralachse des Schwenkmotorverstellers 1. Die Ausnehmung 15 weist an der Kante, an der das Spiralfederende 14 umgelegt ist, einen Radius 18 auf, der Spannungsspitzen im Federwerkstoff verhindert.
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Das radial äußere Ende 23 der Spiralfeder 6 ist drehfest und formschlüssig am Statordeckel 5 abgestützt. Dazu liegt die Spiralfeder 6 radial außen an einem Stift 21 an und darüber hinaus an diesem vorbei zu einem weiteren Stift 22 geführt. Die Spiralfeder 6 ist um diesen weiteren Stift 22 bogenförmig gewickelt.
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4 zeigt das Nockenwellenende 16 in einem Detail. Dabei sind die axial vor der Ausnehmung 15 für die Spiralfeder 6 liegenden Querbohrungen 17 ersichtlich. Diese Querbohrungen 17 münden in weitere Querbohrungen 20 der in 1 ersichtlichen Rotornabe 10, so dass die Druckkammern 11, 12 mit Hydraulikfluid versorgt werden können bzw. das Hydraulikfluid aus diesen abgelassen werden kann. Dazu ist innerhalb des Nockenwellenendes 16 ein Hydraulikventil 24 koaxial ausgerichtet angeordnet, welches zumindest einen Hydraulikkolben aufweist. Zusätzlich kann noch eine Buchse vorgesehen sein. Der Hydraulikkolben kann von der den Nocken der Nockenwelle 2 abgewandten Stirnseite des Schwenkmotorverstellers 1 elektromagnetisch oder hydraulisch vorgesteuert betätigt werden. Bei diesem zentral innerhalb der Rotornabe angeordneten Hydraulikventil 24 handelt es sich um ein sogenanntes Zentralventil.
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Das Nockenwellenende muss nicht beim Urformprozeß der Nockenwelle entstanden sein. So ist es auch möglich, das Nockenwellenende stoffschlüssig mit der Nockenwelle zu verbinden. Eine solche stoffschlüssige Verbindung ist jede Art von Verschweißung.
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6 bis 8 zeigen dazu einen erfindungsgemäßen Schwenkmotorversteller mit einer Nockenwelle in einer Darstellung analog 2 bis 4. Anstelle der durchgehenden Rohrform ist hier nur das Nockenwellenende 116 rohrförmig. Dieses Nockenwellenende 116 weist eine Verbindungsstelle zu einem Vollmaterialteil 119 der Nockenwelle 102 auf. An dieser Verbindungsstelle ist die Nockenwelle 102 reibgeschweißt. Es können aber auch andere verzugsarme Verschweißungen, wie beispielsweise eine Laserschweißung vorgesehen sein. Die Verbindungsstelle hat einen Absatz, so dass sich ein zapfenfömiges Ende 19 an dem Nockenwellenende 116 bildet. Das Nockenwellenende 116 und das Vollmaterialteil 119 können jedoch auch mit einem durchgehenden Durchmesser gefertigt sein.
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In 7 ist ersichtlich, dass das Nockenwellenende 116 umfangsmäßig mehrere Ausnehmungen 115a, 115b, 115c aufweist. Damit ist es möglich, die Spiralfeder in verschiedenen Vorspannungsstufen einzuhängen. Diese Möglichkeit der gestuften Einhängung macht auch beim ersten Ausführungsbeispiel mit der durchgehend rohrförmigen Nockenwelle 2 Sinn.
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In einer axialen Ebene mit den Ausnehmungen 115a, 115b, 115c liegen Tankentlastungsbohrungen 126, 127, 128. Diese Tankentlastungsbohrungen 126, 127, 128 führen nicht nur Hydraulikfluid aus den Druckkammern 11, 12 ab. Zudem minimiert das dort austretende Hydraulikfluid den Verschleiß der Spiralfeder 6, deren Windungen aneinander und an dem Statordeckel 5 reiben, um eine Dämpfung zu erreichen.
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In alternativen Ausgestaltungen müssen die Ausnehmungen 115a, 115b, 115c nicht in einer axialen Ebene mit den Tankentlastungsbohrungen 126, 127, 128 liegen. Es müssen auch nicht mehrere Ausnehmungen für die Spriralfedereinhängung vorgesehen sein.
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Der Presssitz zwischen der Rotornabe 10 und dem Nockenwellenende 16 bzw. 116 kann mittels einer Mikroverzahnung unterstützt werden, die das übertragbare Drehmoment erhöht.
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Anstelle dessen kann die Rotornabe 10 auch mit dem Nockenwellenende 16 bzw. 116 verschweißt sein. Um ein exakte Ausrichtung im Winkel zu ermöglichen, bieten sich anstelle des Reibschweißverfahrens Verfahren mit wenig Verzug an. Ein solches Verfahren ist beispielsweise das Laserschweißen.
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Die Querbohrungen 17 müssen nicht gebohrt sein, sondern können auch gestanzte Ausnehmungen sein.
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In einer alternativen Ausgestaltung weist die Spiralfeder kein quadratisches Profil auf, sondern ist mit ungleichen Seitenlängen ausgeführt und steht hochkant auf dem Schwenkmotorversteller.
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Das radial äußere Ende der Spiralfeder kann in allen Ausgestaltungsformen - also auch bei rundem Profil - abgewinkelt sein und somit analog der
DE 10 2008 048 386 A1 gegenüber dem Stator verdrehgesichert sein.
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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.
