DE102011003053A1

DE102011003053A1 - Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102011003053A1
Application number: DE201110003053
Authority: DE
Inventors: Stefan SCHELTER
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2011-01-24
Filing date: 2011-01-24
Publication date: 2012-07-26
Also published as: EP2479387A1; EP2479387B1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (1) zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle (2) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (1) ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement (3) und einen mit der Nockenwelle (2) drehfest verbundenen Rotor (4) aufweist, wobei zwischen dem Antriebselement (3) und dem Rotor (4) mindestens zwei Hydraulikkammern (5, 6) ausgebildet sind, die mit einem Druckfluid beachschlagbar sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement (3) und dem Rotor (4) einzustellen, und wobei zwischen einer Druckfluidquelle und den Hydraulikkammern (5, 6) Fluidkanäle (7) ausgebildet sind. Um den axialen Bauraum zu minimieren, eine einfache Ausgestaltung der Fluidkanäle zu erreichen und eine Verschmutzung des Ölkreislaufs zu vermeiden, sieht die Erfindung vor, dass zumindest ein Abschnitt mindestens eines Fluidkanals (7) zwischen einem stirnseitigen Bereich (8) des Rotors (4) und einem Einsatzelement (9) ausgebildet ist, das am stirnseitigen Bereich (8) des Rotors (4) befestigt ist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement und einen mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Rotor aufweist, wobei zwischen dem Antriebselement und dem Rotor mindestens zwei Hydraulikkammern ausgebildet sind, die mit einem Druckfluid beachschlagbar sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement und dem Rotor einzustellen, und wobei zwischen einer Druckfluidquelle und den Hydraulikkammern Fluidkanäle ausgebildet sind.
Hintergrund der Erfindung
In Brennkraftmaschinen werden zumeist Nockenwellenverstellvorrichtungen eingesetzt, insbesondere solche, die hydraulisch arbeiten. Beispiele hierfür offenbaren die DE 198 29 049 A1 und die US 5 931 126 . Sofern der Nockenwellenversteller – was typisch ist – hydraulisch arbeitet, weist er ein Flügelrad auf, in dem Flügel eingeformt oder angeordnet sind. Die Flügel befinden sich in Hydraulikkammern, die in einem Antriebselement (auch Außenrotor oder Stator genannt) 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.
Zwischen Antriebs- und Abtriebsteil des Nockenwellenverstellers ist häufig eine Feder angeordnet, deren eines Ende direkt oder indirekt an dem Antriebsteil und deren anderes Ende direkt oder indirekt an dem Abtriebsteil abgestützt ist, so dass eine Rückstellung des Antriebs- bzw. Abtriebsteils in eine Grundposition gewährleistet ist. Zur Aufnahme der Feder ist in einem Nockenwellenversteller ein Federaufnahmeraum ausgebildet. Eine solche Lösung zeigt die DE 10 2008 051 142 A1 .
Dabei ist es gemäß einer Ausgestaltung des Nockenwellenverstellers möglich, einen separaten Aufnahmeraum für die Feder vorzusehen. Der Vorteil dieser Lösung ist eine Trennung des Bereichs der Feder von der Ölzu- und -abführung. Dies erfordert allerdings einen höheren axialen Bauraum und hat somit ein höheres Gewicht des Nockenwellenverstellers zur Folge. Weiterhin sind für die Ölzu- und -abführung Stufenbohrungen nötig, die aufwändig herzustellen sind.
Eine andere Ausgestaltung des Nockenwellenverstellers sieht vor, dass die Federaufnahmekammer von Öl bei dessen Weg in die Hydraulikkammern durchströmt wird (integrierte Federunterbringung). Nachteilig ist bei dieser Lösung, dass mehr Öl für die Versorgung der Hydraulikkammern nötig ist, da der Federaufnahmeraum erst befüllt werden muss. Weiterhin ist es negativ, dass Schmutz oder Späne, die bei der Montage anfallen können, in den Ölkreislauf gelangen können.
Um gewichtsreduzierende Maßnahmen am Rotor des Nockenwellenverstellers vorzunehmen, ist die Ölversorgung der beiden Hydraulikkammern im Nockenwellenversteller durch Bohrungen eingeschränkt. Eine Vertiefung, die durch eine der beiden Versorgungsbohrungen gehen würde, ist für das Gewicht des Nockenwellenverstellers von Vorteil, allerdings benötigt das System beim Motorstart durch das so geschaffene Volumen im Rotor mehr Öl, das das System verlangsamen kann, bis die Feder bzw. die Gewichtserleichterungskammer mit Öl befüllt ist.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs genannten Art so fortzubilden, dass es möglich ist, die genannten Nachteile zu vermeiden. Demgemäß soll ein geringer axialer Bauraum und damit ein geringes Gewicht des Nockenwellenverstellers erreicht werden. Die Fluidkanäle zu den Hydraulikkammern sollen einfach ausgestaltet werden können. Ein besonderes Augenmerk ist auch darauf gerichtet, dass eine Verschmutzung des Ölkreislaufs durch Schmutz oder Spanbildung während der Montage vermieden werden soll.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Lösung dieser Aufgabe durch die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein. Abschnitt mindestens eines Fluidkanals zwischen einem stirnseitigen Bereich des Rotors und einem Einsatzelement ausgebildet ist, das am stirnseitigen Bereich des Rotors befestigt ist.
Das Einsatzelement ist bevorzugt als topfförmiges Bauteil ausgebildet.
Es kann mit einem Zentrierabschnitt in einer ringnutförmigen Ausnehmung am axialen Ende des Rotors angeordnet sein.
Das Einsatzelement kann eine ringförmige Aufnahme aufweisen. Diese ist bevorzugt dafür vorgesehen, um in ihr ein Federelement, insbesondere eine Torsionsfeder, anzuordnen.
Mindestens ein sich radial erstreckender Fluidkanalabschnitt kann als Nut in einem ersten stirnseitigen Abschnitt des Rotors ausgebildet sein. Mindestens ein weiterer sich radial erstreckender Fluidkanalabschnitt kann als Nut in einem zweiten stirnseitigen Abschnitt des Rotors ausgebildet sein, der relativ zum ersten stirnseitigen Abschnitt axial versetzt angeordnet ist. Ferner kann mindestens ein sich axial erstreckender Fluidkanalabschnitt als Nut in einem ersten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt des Rotors in dessen stirnseitigem Bereich ausgebildet sein. Mindestens ein weiterer sich axial erstreckender Fluidkanalabschnitt kann als Nut in einem zweiten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt des Rotors in dessen stirnseitigem Bereich ausgebildet ist, der relativ zum ersten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt radial versetzt angeordnet ist.
Das Einsatzelement ist bevorzugt als dünnwandiges Teil ausgebildet. Es besteht zumeist aus Metall oder aus Kunststoff. Im Falle der Ausbildung als Kunststoffformteil wird in der Regel der Spritzgießprozess eingesetzt. Bei der Ausführung aus Blech können Stanz- und/oder Tiefziehprozesse zur Formung des Einsatzelements eingesetzt werden.
Durch die Verwendung des Einsatzelements, insbesondere als geformtes Blech, nutzt man den im Rotor geschaffenen. Freiraum, um die Feder zu platzieren und zusätzlich die Ölversorgung direkt über Nuten im Rotor in die jeweilige Hydraulikkammer des Nockenwellenverstellers zu transportieren, ohne den Freiraum mit Öl befüllen zu müssen.
Weiterhin werden Schmutz oder Späne, die bei der Montage des Nockenwellenverstellers entstehen, nicht dem Ölkreislauf zugeführt, sondern durch das Einsatzelement abgehalten.
Der Rotor ist dabei bevorzugt mit einem vertieften, ununterbrochenen Absatz versehen (ringnutförmige Ausnehmung). Dadurch lässt sich das Einsatzelement, das ein Schmutzblech bildet, plan in den Rotor einbauen. Hierdurch ist eine kostengünstige und hochgenaue Bearbeitung (z. B. durch Schleifen) der Rotorstirnfläche möglich. Die somit entstandenen Ringflächen dienen zur Abdichtung des Ölflusses. Die Ölleckage wird durch Reduktion der Spaltmaße oder durch den Einsatz von Dichtelementen reduziert.
Durch eine Änderung der Geometrie am Einsatzelement ist eine vielfältige Variantenmöglichkeit gegeben; hiermit ist auch eine Verwechslungsgefahr bei der Montage nicht gegeben.
Die erwähnte Feder ist nicht zwingend; auf sie kann bei entsprechenden Bauformen auch verzichtet werden. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Gewichtsvorteile gegenüber herkömmlichen Gewichtserleichterungsmaßnahmen.
Insgesamt ergibt sich somit durch den Einsatz des Einsatzelements beim Montageprozess keine Gefahr einer Verschmutzung des Ölkreislaufes. Eine ununterbrochene Ölversorgung ist auch bei Vorliegen der innenliegenden Feder gegeben.
Das Gewicht des Nockenwellenverstellers kann so minimiert werden.
Beim. Motorstart ist weniger Öl notwendig.
Kurze Beschreibung der Figuren
In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Es zeigen:
1 in einer Radialschnittdarstellung einen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung, und zwar den Schnitt C-D gemäß 2,
2 den Schnitt A-B gemäß 1 durch den Nockenwellenversteller,
3 in einer Radialschnittdarstellung den Nockenwellenversteller gemäß einer zweiten Ausführungsform der Erfindung, und zwar den Schnitt C-D gemäß 4,
4 den Schnitt A-B gemäß 3 durch den Nockenwellenversteller und
5 in perspektivischer Darstellung den Rotor des Nockenwellenverstellers.
Ausführliche Beschreibung der Figuren
In 1 und 2 ist eine erste Ausführungsform einer Vorrichtung 1 zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle 2 gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dargestellt, also ein Nockenwellenversteller. Der Nockenwellensteller 1 hat dabei in bekannter Weise ein Antriebselement 3 (gelegentlich als Außenrotor oder Stator bezeichnet) und einen Rotor 4, der sich relativ zum Stator verdrehen kann. Der Rotor ist in 5 dargestellt. Zu Details wird ausdrücklich auf die oben genannten Druckschriften hingewiesen, wo auch Ausführungen zur generellen Betriebsweise des Nockenwellenverstellers zu finden sind.
Um eine relativ Verdrehung zwischen Antriebselement 3 und Rotor 4 zu bewerkstelligen, sind mehrere Hydraulikkammern zwischen Antriebselement und Rotor aus ausgebildet, die durch am Rotor 4 angeordnete Flügel 19 unterteilt sind, so dass sich Hydraulikkammern 5 und 6 bilden. In Abhängigkeit von der Beschickung der Hydraulikkammern 5 und 6 erfolgt die relative Verdrehung zwischen Antriebselement 3 und Rotor 4.
Das hierfür benötigte Hydrauliköl wird über Fluidkanäle 7 der jeweiligen Kammer 5, 6 zugeführt. Ein Fluidkanal 7 besteht aus mehreren Fluidkanalabschnitten 7', 7'', 7''', 7'''', 7''''' und 7'''''', wie es aus den Figuren hervorgeht.
Wesentlich ist, dass jedenfalls ein Abschnitt des Fluidkanals 7 zwischen einem stirnseitigen Bereich 8 des Rotors 4 und einem Einsatzelement 9 ausgebildet ist, das am stirnseitigen Bereich 8 des Rotors 4 befestigt ist.
Das Einsatzelement 9 besteht vorliegend aus einem rotationssymmetrischen Bauteil, insbesondere aus einem tiefgezogenen Blechteil, das eine Form aufweist, wie es aus dem Radialschnitt gemäß 1 ersichtlich ist. Am axialen Ende 12 des Rotors 4 ist eine ringnutförmige Ausnehmung 11 eingearbeitet; das Einsatzelement 9 weist einen radial außenliegenden Zentrierabschnitt 10 auf, der passend zu der ringnutförmigen Ausnehmung 11 ausgeführt ist, so dass das Einsatzelement 9 passgenau und zentriert im stirnseitigen Bereich 8 des Rotors 4 platziert und befestigt werden kann.
Die Ausformung des Einsatzelements 9 ermöglicht es, dass eine ringförmige Aufnahme (mit im Radialschnitt im wesentlichen rechteckiger Form) geschaffen wird, in der ein Federelement 14 in Form einer Torsionsfeder eingesetzt ist.
Die Ausbildung der einzelnen Fluidkanalabschnitte ergibt sich aus der Zusammenschau der 1, 2 und 5. Der Rotor 4 weist einen ersten stirnseitigen Abschnitt 15 und einen hierzu axial versetzten zweiten stirnseitigen Abschnitt 16 auf (s. 5). Gleichermaßen weist der Rotor 5 einen ersten sich axial erstreckenden Abschnitt 17 sowie einen radial hierzu versetzten zweiten sich axial erstreckenden Abschnitt 18 auf.
Wie in 5 am besten zu erkennen ist, sind sich radial oder sich axial erstreckende Nuten in die Abschnitte 15, 16, 17 und 18 eingearbeitet, die die Fluidkanalabschnitte bilden. Konkret sind Fluidkanalabschnitte 7'''' in den Abschnitt 15, Fluidkanalabschnitte 7'' in den Abschnitt 16, Fluidkanalabschnitte 7''' in den Abschnitt 17 und Fluidkanalabschnitte 7''''' in den Abschnitt 18 eingearbeitet, und zwar jeweils vier Fluidkanalabschnitt jeder der genannten Art, gleichmäßig über dem Umfang verteilt, um die entsprechenden vier Hydraulikkammern 5, 6 mit Öl zu versorgen.
Wird das Einsatzelement 9 montiert, werden die genannten Fluidkanalabschnitte stirnseitig bzw. radial begrenzt, so dass in ihnen Öl transportiert werden kann. Öl von einer nicht dargestellten Druckölquelle kann somit bis in die Hydraulikkammern 5 bzw. 6 oder aus ihnen zurück gelangen.
Die gesamte Anordnung kann durch eine Zentralschraube 20 zusammengehalten werden, die eine Bohrung im Einsatzelement 9 durchsetzt.
Für die Festlegung des Federelements 14 kann das Einsatzelement 9 eine Federeinhängungsausnehmung aufweisen, die mittels Umformung hergestellt sein kann. Gegebenenfalls kann auch im Rotor 4 eine entsprechende Federeinhängungsausnehmung vorgesehen werden.
Fertigungstechnisch vorteilhaft kann es sein, wenn mittels eines Sinterverfahrens die benötigten Nuten und ggf. Ausnehmungen hergestellt werden. Hiernach werden also durch ein Sinterverfahren sowohl die Ölnuten (d. h. die genannten Fluidkanalabschnitte) als auch die optionale Federeinhängungsausnehmung hergestellt. Eine nachträgliche Bearbeitung wird in diesem Falle überflüssig.
In den 3 und 4 ist eine Alternative dargestellt, die sich im wesentlichen nur dadurch unterscheidet, dass kein Federelement 14 vorhanden ist. Dennoch ist das Einsatzelement 9 gleich ausgebildet. Die also weiter vorhandene ringförmige Aufnahme 13 erfüllt die Funktion, dass der mit Öl zu füllende Raum gering gehalten wird.
Bezugszeichenliste

1: Vorrichtung zur Veränderung der relativen Winkellage (Nockenwellenversteller)
2: Nockenwelle
3: Antriebselement
4: Rotor
5: Hydraulikkammer
6: Hydraulikkammer
7: Fluidkanal
7': Fluidkanalabschnitt
7'': Fluidkanalabschnitt
7''': Fluidkanalabschnitt
7'''': Fluidkanalabschnitt
7''''': Fluidkanalabschnitt
7'''''': Fluidkanalabschnitt
8: stirnseitiger Bereich des Rotors
9: Einsatzelement
10: Zentrierabschnitt
11: ringnutförmige Ausnehmung
12: axiales Ende des Rotors
13: ringförmige Aufnahme
14: Federelement
15: erster stirnseitiger Abschnitt des Rotors
16: zweiter stirnseitiger Abschnitt des Rotors
17: erster sich axial erstreckender Abschnitt des Rotors
18: zweiter sich axial erstreckender Abschnitt des Rotors
19: Flügel
20: Zentralschraube

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 19829049 A1 [0002]
US 5931126 [0002]
DE 102008051142 A1 [0003]

Claims

Vorrichtung (1) zur Veränderung der relativen Winkellage einer Nockenwelle (2) gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine, wobei die Vorrichtung (1) ein von der Kurbelwelle angetriebenes Antriebselement (3) und einen mit der Nockenwelle (2) drehfest verbundenen Rotor (4) aufweist, wobei zwischen dem Antriebselement (3) und dem Rotor (4) mindestens zwei Hydraulikkammern (5, 6) ausgebildet sind, die mit einem Druckfluid beachschlagbar sind, um eine definierte relative Drehstellung zwischen dem Antriebselement (3) und dem Rotor (4) einzustellen, und wobei zwischen einer Druckfluidquelle und den Hydraulikkammern (5, 6) Fluidkanäle (7) ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest ein Abschnitt mindestens eines Fluidkanals (7) zwischen einem stirnseitigen Bereich (8) des Rotors (4) und einem Einsatzelement (9) ausgebildet ist, das am stirnseitigen Bereich (8) des Rotors (4) befestigt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (9) als topfförmiges Bauteil ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (9) mit einem Zentrierabschnitt (10) in einer ringnutförmigen Ausnehmung (11) am axialen Ende (12) des Rotors (4) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (9) eine ringförmige Aufnahme (13) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in der ringförmigen Aufnahme (13) ein Federelement (14), insbesondere eine Torsionsfeder, angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein sich radial erstreckender Fluidkanalabschnitt (7'''') als Nut in einem ersten stirnseitigen Abschnitt (15) des Rotors (4) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein weiterer sich radial erstreckender Fluidkanalabschnitt (7'') als Nut in einem zweiten stirnseitigen Abschnitt (16) des Rotors (4) ausgebildet ist, der relativ zum ersten stirnseitigen Abschnitt (15) axial versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein sich axial erstreckender Fluidkanalabschnitt (7''') als Nut in einem ersten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt (17) des Rotors (4) in dessen stirnseitigem Bereich (8) ausgebildet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein sich axial erstreckender Fluidkanalabschnitt (7''''') als Nut in einem zweiten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt (18) des Rotors (4) in dessen stirnseitigem Bereich (8) ausgebildet ist, der relativ zum ersten sich in axiale Richtung erstreckenden Abschnitt (17) radial versetzt angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Einsatzelement (9) als dünnwandiges Teil ausgebildet ist, das aus Metall oder Kunststoff besteht.