DE102011120815A1

DE102011120815A1 - Verstellbarer Nockenwellenantrieb

Info

Publication number: DE102011120815A1
Application number: DE102011120815A
Authority: DE
Inventors: Uwe Elfers
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 2011-12-10
Filing date: 2011-12-10
Publication date: 2013-06-13
Also published as: EP2788594B1; WO2013083789A1; EP2788594A1; CN103975133A; US20140283773A1; US9316127B2

Abstract

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Nockenwellenantrieb (10), wobei der Erfindung die Aufgabe zugrunde liegt, einen Nockenwellenantrieb (10) mit einem Welle-in-Welle-System (14) zur Verfügung zu stellen der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll zwischen dem Antriebselement (12) und dem Welle-in-Welle-System (14) ein möglichst geringes Spiel vorhanden sein. Ein erfindungsgemäßer Nockenwellenantrieb (10) umfasst: a) eine Antriebswelle (12), die mindestens einen Nocken für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist, b) ein parallel zu der Antriebswelle (12) angeordnetes Welle-in-Welle-System (14) mit einer Innenwelle (16) und einer koaxial zu der Innenwelle (16) angeordneten, diese umschließenden Außenwelle (18), c) wobei die Innenwelle (16) und die Außenwelle (18) jeweils mindestens einen Nocken für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist, d) wobei die Außenwelle (18) über ein drehfest mit diesem verbundenes Außenwellen-Übertragungsglied mit der Antriebswelle (12) gekoppelt ist, e) wobei die Innenwelle (16) über eine hydraulische Übertragungsvorrichtung umfassend einen Stator (36), einen Rotor (33) und eine zwischen Rotor (33) und Innenwelle (16) angeordnetes Zwischenglied (28) mit der Antriebswelle (12) gekoppelt ist und f) wobei die hydraulische Übertragungsvorrichtung mit einer Verstelleinrichtung sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht, mittels welcher ein gewünschter Phasenwinkel zwischen Innenwelle (16) und Außenwelle (18) einstellbar ist, wobei g) ein mit der Antriebswelle (12) gekoppeltes Antriebselement (24), das sowohl mit dem Außenwellen-Übertragungsglied als auch mit dem Stator (36) unmittelbar gekoppelt ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen verstellbaren Nockenwellenantrieb.
Aus DE 43 02 561 A1 ist eine verstellbare Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor mit zwei Nockenwellen bekannt. Bei dieser Ventilsteuerung kann die relative Lage einer ersten Nockenwelle zu einer zweiten Nockenwelle durch axiales Verschieben eines Stellkolbens mit einer Schräg- oder Schraubenverzahlung über eine Öldruck-Steuereinrichtung von einer ersten Lage in eine zweite Lage verändert werden.
Aus EP 2 339 150 A2 ist eine Brennkraftmaschine mit einer sogenannten Cam-In-Cam-Nockenwelle bekannt, die dazu dienen soll, einzelne Zylinder abzuschalten. An den Nockenwellen sind Einrichtungen zur Phasenverstellung angeordnet, deren Gestaltung nicht im Detail beschrieben ist.
Aus DE 40 36 010 A1 ist ein verstellbarer Nockenwellenantrieb mit einem hydraulischen Stellsystem bekannt. Bei diesem Antrieb lassen sich die Einlassnockenwelle und die Auslassnockenwelle über ein teilweise geradverzahntes und teilweise schrägverzahntes Doppelzahnrad und in dieses eingreifende, mit den Wellen verbundene Zahnräder verstellen.
Aus DE 32 17 203 C2 ist eine variable Ventilsteuerung für eine Brennkraftmaschine mit zwei parallel zueinander angeordneten Nockenwellen bekannt, wobei eine der Nockenwellen Nocken für niedrige Drehzahlen und die andere Nockenwelle Nocken für hohe Drehzahlen aufweist. Die Ventilsteuerung weist ferner eine Verstelleinrichtung auf, mittels welcher gesteuert werden kann, welche der beiden Nockenwellen aktiviert sein soll.
Aus EP 0 254 058 A2 ist eine Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle zum Steuern der Einlass- und Auslassventile mit einem Welle-in-Welle-System bekannt. Bei diesem System sind die Nocken teilweise auf einer Innenwelle und teilweise auf einer die Innenwelle umschließenden Außenwelle angeordnet. Zur relativen Verdrehung der Innenwelle zu der Außenwelle ist eine Einrichtung mit einem Planetengetriebe vorgesehen, über welches die Innenwelle mit der Außenwelle verbunden ist.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenantrieb mit einem Welle-in-Welle-System zur Verfügung zu stellen, der einfach aufgebaut und kostengünstig herstellbar ist. Ferner soll zwischen dem Antriebselement und dem Welle-in-Welle-System ein nur geringes Spiel vorhanden sein.
Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
Ein erfindungsgemäßer Nockenwellenantrieb umfasst:

a) eine Antriebswelle, die mindestens einen Nocken für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist,
b) ein parallel zu der Antriebswelle angeordnetes Welle-in-Welle-System mit einer Innenwelle und einer koaxial zu der Innenwelle angeordneten, diese umschließenden Außenwelle,
c) wobei die Innenwelle und die Außenwelle jeweils mindestens einen Nocken für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist,
d) wobei die Außenwelle über ein drehfest mit diesem verbundenes Außenwellen-Übertragungsglied mit der Antriebswelle gekoppelt ist,
e) wobei die Innenwelle über eine hydraulische Übertragungsvorrichtung umfassend einen Stator, einen Rotor und eine zwischen Rotor und Innenwelle angeordnetes Zwischenglied mit der Antriebswelle gekoppelt ist und
f) wobei die hydraulische Übertragungsvorrichtung mit einer Verstelleinrichtung sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht, insbesondere die Verstelleinrichtung sowie die Steuer- und/oder Regeleinrichtung umfasst, mittels welcher ein gewünschter Phasenwinkel zwischen Innenwelle und Außenwelle einstellbar ist, wobei
g) ein mit der Antriebswelle gekoppeltes Antriebselement, das sowohl mit dem Außenwellen-Übertragungsglied als auch mit dem Stator unmittelbar gekoppelt ist.

Der erfindungsgemäße Nockenwellenantrieb hat den Vorteil, dass mit der Antriebswelle sowohl zu dem Außenwellen-Übertragungsglied als auch zu dem Stator eine direkte Verbindung hergestellt wird. Dadurch werden ein durch etwaige Zwischenelemente verursachtes Spiel sowie zusätzliche Produktions- und Montagekosten für die Herstellung und den Einbau von Zwischenelementen vermieden.
In einer praktischen Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenantriebs ist das Außenwellen-Übertragungsglied ein Außenwellen-Zahnrad und das Antriebselement ein Antriebszahnrad, wobei das Außenwellen-Zahnrad mit dem Antriebszahnrad kämmt. Ferner weist der Stator eine Außenverzahnung auf, die ebenfalls mit dem Antriebszahnrad kämmt. Neben dem vorstehend genannten Vorteil einer direkten Übertragung des Antriebsdrehmoments von dem Antriebselement auf das Außenwellen-Zahnrad und den Stator haben Zahnradverbindungen den Vorteil, dass diese sehr haltbar und wartungsarm sind. Ferner weisen Zahnradverbindungen im Vergleich zu anderen Übertragungselementen einen relativ höhen Wirkungsgrad auf.
Wenn das Außenwellen-Zahnrad den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Verzahnung aufweist wie die Außenverzahnung des Stators, kann als Antriebszahnrad ein einfaches Zahnrad zum Antrieb beider vorstehend genannten Elemente verwendet werden.
In Abhängigkeit der Bauraumsituation oder vorgegebener Rahmenbedingungen ist es auch möglich, nur den gleichen Außendurchmesser und unterschiedliche Verzahnungen oder verschiede Außendurchmesser und die gleiche Verzahnung zu wählen.
Vorzugsweise grenzt das Außenwellen-Zahnrad unmittelbar an die Außenverzahnung des Stators an, ohne dass sich die beiden Elemente berühren. In diesem Fall wird die für den Antrieb der genannten Elemente erforderliche Breite des Antriebszahnrades minimiert.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform sind die auf der Antriebswelle angeordneten Nocken für die Steuerung von Auslassventilen und die auf der Außenwelle und der Innenwelle angeordneten Nocken für die Steuerung von Einlassventilen vorgesehen. In diesem Fall ist die Phasenverschiebung zwischen den auf der Außenwelle angeordneten Einlassnocken und den auf der Antriebswelle angeordneten Auslassnocken vorgegeben, während die Phasenverschiebung zwischen den auf der Außenwelle angeordneten Einlassnocken gegenüber den auf der Innenwelle angeordneten Einlassnocken mit Hilfe der Verstelleinrichtung einstellbar ist.
Der Stator eines erfindungsgemäßen Nockenwellenantriebs ist vorzugsweise aus mehreren Einzelelementen gebildet, die weiter vorzugsweise mittels einer Schraubverbindung oder durch Stoffschluss miteinander verbunden sind. So lässt sich eine relativ komplexe Geometrie mit einem geringen Gesamtgewicht bei gleichzeitig möglichst geringen Fertigungsaufwand herstellen.
In einer weiteren praktischen Ausführungsform ist die Innenwelle eine Hohlwelle und das Zwischenglied eine Zentralschraube. Die Zentralschraube umfasst mindestens einen Fluidkanal, der von der Hohlwelle zu einer durch Rotor und Stator gebildeten Kammer führt. Zur Einstellung des Phasenwinkels zwischen Innenwelle und Außenwelle bilden die Hohlwelle und die Zentralschraube zusammen mit Rotor und Stator einen hydraulischen Schwenkmotor. Bevorzugt sind bei hydraulischen Schwenkmotoren zwischen Rotor und Stator mindestens zwei unterschiedliche Kammer mit einem Fluiddruck beaufschlagbar, um zwei verschiedene Drehbewegungen aktiv hervorrufen zu können.
Vorzugsweise weisen ferner die Innenwelle und die Außenwelle Kanäle auf, um Drucköl von einem Bereich außerhalb der beiden Wellen durch die Außenwelle und die Innenwelle in die Innenwelle einbringen und durch diese hindurch leiten zu können. In diesem Fall kann das Gehäuse und insbesondere ein Lagerbereich eines Gehäuses dazu genutzt werden, Öl zunächst in die Innenwelle und von dort über die Zentralschraube in zwischen Stator und Rotor befindliche Kammern zu leiten.
Weitere Einzelheiten und praktische Ausführungsformen der Erfindung sind nachfolgend im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
1 eine Schnittdarstellung einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenantriebs und
2 eine Seitenansicht der in 1 gezeigten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Nockenwellenantriebs.
Die Figuren zeigen eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenantriebs 10 mit einer als Hohlwelle ausgebildeten Antriebswelle 12 sowie einem parallel zu der Antriebswelle 12 angeordneten Welle-in-Welle-System 14, die in einem Gehäuse 15 gelagert sind. Das Welle-in-Welle-System 14 umfasst eine ebenfalls als Hohlwelle ausgebildete Innenwelle 16 sowie eine koaxial angeordnete, die Innenwelle 16 umschließende Außenwelle 18.
Auf der Antriebswelle 12 sind zwei Auslassnocken 20a, 20b drehfest angeordnet. Ferner ist auf der Antriebswelle als Antriebselement 24 ein Antriebszahnrad 26 drehfest angeordnet.
Auf der Innenwelle 16 ist ein erster Einlassnocken 22a drehfest angeordnet. Wie in 1 zu erkennen ist, ragt Innenwelle 16 auf der linken Seite aus der Außenwelle 18 heraus. In dem herausragenden Bereich der Innenwelle 16 ist deren Durchmesser vergrößert. In das linke offene Ende der Innenwelle 16 mit dem vergrößerten Durchmesser ist als Zwischenglied 28 eine Zentralschraube 30 angeordnet. Diese weist an ihrem rechten Ende ein nicht dargestelltes Außengewinde auf, mittels welchem die Zentralschraube 30 mit der Innenwelle 16 über ein in der Innenwelle 16 ausgebildetes, ebenfalls nicht dargestelltes Innengewinde kraftschlüssig verbunden ist. Die Zentralschraube 30 dient ferner dazu, ein als Flügelrad 32 ausgebildeten Rotor 33 gegenüber der Innenwelle 16 kraftschlüssig festzulegen.
Der Bereich der Innenwelle 16 mit vergrößertem Durchmesser dient ferner der drehbaren Lagerung eines Stator-Antriebselements 34 eines Stators 36. Der Stator 36 umfasst neben dem Stator-Antriebselement 34 ein zentrales Statorgehäuse 38 und einen Statordeckel 40. Stator-Antriebselement 34, Statorgehäuse 38 und Statordeckel 40 sind mit über nicht dargestellte Schraubverbindungen miteinander verbunden und bilden eine funktionale Einheit.
Das Stator-Antriebselement 34 weist, wie in 2 zu erkennen ist, in dem rechten Bereich mit kleinerem Durchmesser eine gerade Außenverzahnung auf.
Auf der Außenwelle 18 ist ein zweiter Einlassnocken 22b drehfest angeordnet. Ferner ist auf der Außenwelle 18 als Außenwellen-Übertragungsglied 42 ein Außenwellen-Zahnrad 44 drehfest angeordnet.
Da das Antriebszahnrad 26 unmittelbar mit dem Außenwellen-Zahnrad 44 und mit der Außenverzahnung des Stator-Antriebselements 34 kämmt, wird das Antriebsdrehmoment von dem Antriebszahnrad 26 zum Einen über das Außenwellen-Zahnrad 44 direkt auf die Innenwelle 16 übertragen. Zum Anderen wird das Antriebsdrehmoment von dem Antriebszahnrad 26 über das Stator-Antriebselement 34 auf den Stator 36, von dort über das zwischen Stator 36 und Flügelrad 32 befindliche Medium auf das Flügelrad 32 und von dem Flügelrad 32 über die Zentralschraube 30 auf die Innenwelle 16 übertragen. Bei konstanter Drehzahl der Antriebswelle 12 stellt sich daher ein gleichbleibender Phasenwinkel zwischen Innenwelle 16 und Außenwelle 18 ein.
Um den Phasenwinkel zwischen Innenwelle 16 und Außenwelle 18 verstellen zu können, lässt sich die relative Lage zwischen Flügelrad 32 und Stator 36 verstellen. Dazu sind in dem Gehäuse 15 Bohrungen 46 für die Aufnahme eines druckbeaufschlagten Fluids, insbesondere Öl, vorgesehen. Die Bohrungen 46 führen zu einer die Außenwelle 18 umgebenden Ölverteilungsnut 48, über welche das Öl über Schlitze durch die Außenwelle 18 und die Innenwelle 16 in den Innenraum der Innenwelle 16 gelangt. Von dort existieren nicht gezeigte fluidale Verbindungen durch die Zentralschraube 30 zu mindestens zwei zwischen dem Flügelrad 32 und dem Stator 36 gebildeten Kammern. Mit Hilfe nicht gezeigter Klappen und einer entsprechenden Steuerung bzw. Regelung kann nach dem Prinzip eines hydraulischen Schwenkmotors eine kontrollierte Relativbewegung zwischen Flügelrad 32 und Stator 36 durchgeführt und somit der Phasenwinkel zwischen Innenwelle 16 und Außenwelle 18 eingestellt werden.
Die Erfindung ist nicht auf das vorstehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. Ein Fachmann kann im Rahmen seines Fachwissens abweichende Ausgestaltungen kreieren, die im Schutzbereich der Ansprüche verbleiben.
Bezugszeichenliste

10: erfindungsgemäßer Nockenwellenantrieb
12: Antriebswelle
14: Welle-in-Welle-System
15: Gehäuse
16: Innenwelle
18: Außenwelle
20: Auslassnocken
22: Einlassnocken
24: Antriebselement
26: Antriebszahnrad
28: Zwischenglied
30: Zentralschraube
32: Flügelrad
33: Rotor
34: Stator-Antriebselement
36: Stator
38: Statorgehäuse
40: Statordeckel
42: Außenwellen-Übertragungsglied
44: Außenwellen-Zahnrad
46: Ölbohrungen
48: Ölverteilungsnut

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 4302561 A1 [0002]
EP 2339150 A2 [0003]
DE 4036010 A1 [0004]
DE 3217203 C2 [0005]
EP 0254058 A2 [0006]

Claims

Nockenwellenantrieb umfassend a) eine Antriebswelle (12), die mindestens einen Nocken (20) für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist, b) ein parallel zu der Antriebswelle (12) angeordnetes Welle-in-Welle-System (14) mit einer Innenwelle (16) und einer koaxial zu der Innenwelle (16) angeordneten, diese umschließenden Außenwelle (18), c) wobei die Innenwelle (16) und die Außenwelle (18) jeweils mindestens einen Nocken (22) für die Betätigung eines Ventils eines Verbrennungsmotors aufweist, d) wobei die Außenwelle (18) über ein drehfest mit diesem verbundenes Außenwellen-Übertragungsglied (42) mit der Antriebswelle (12) gekoppelt ist, e) wobei die Innenwelle (16) über eine hydraulische Übertragungsvorrichtung umfassend einen Stator (36), einen Rotor (33) und eine zwischen Rotor (33) und Innenwelle (16) angeordnetes Zwischenglied (28) mit der Antriebswelle (12) gekoppelt ist und f) wobei die hydraulische Übertragungsvorrichtung mit einer Verstelleinrichtung sowie einer Steuer- und/oder Regeleinrichtung in Wirkverbindung steht, mittels welcher ein gewünschter Phasenwinkel zwischen Innenwelle (16) und der Außenwelle (18) einstellbar ist, dadurch gekennzeichnet, dass g) ein mit der Antriebswelle (12) gekoppeltes Antriebselement (24), das sowohl mit dem Außenwellen-Übertragungsglied (42) als auch mit dem Stator (36) unmittelbar gekoppelt ist.
Nockenwellenantrieb nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwellen-Übertragungsglied (42) ein Außenwellen-Zahnrad (44) ist und das Antriebselement (24) ein Antriebszahnrad (26) ist, wobei das Außenwellen-Zahnrad (44) dem Antriebszahnrad (26) kämmt und der Stator (36) eine Außenverzahnung aufweist, die ebenfalls mit dem Antriebszahnrad (26) kämmt.
Nockenwellenantrieb nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwellen-Zahnrad (44) den gleichen Außendurchmesser und die gleiche Verzahnung aufweist wie die Außenverzahnung des Stators (36).
Nockenwellenantrieb nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Außenwellen-Zahnrad (44) unmittelbar an die Außenverzahnung des Stators (36) angrenzt.
Nockenwellenantrieb nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die auf der Antriebswelle (12) angeordneten Nocken (20) für die Steuerung von Auslassventilen und die auf der Außenwelle (18) und der Innenwelle (16) angeordneten Nocken (22) für die Steuerung von Einlassventilen vorgesehen sind.
Nockenwellenantrieb nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (36) aus mehreren Einzelelementen (34; 38; 40) gebildet ist.
Nockenwellenantrieb nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwelle (16) eine Hohlwelle ist und das Zwischenglied (28) eine Zentralschraube (30) mit mindestens einem von der Hohlwelle zu einer durch Rotor (33) und Stator (36) gebildeten Kammer führenden Fluidkanal umfasst, wobei die Hohlwelle und die Zentralschraube (30) zusammen mit Rotor (33) und Stator (36) einen hydraulischen Schwenkmotor bilden.
Nockenwellenantrieb nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Innenwelle (16) und die Außenwelle (18) Kanäle aufweisen, um Drucköl von außen in die Innenwelle (16) einbringen zu können.