DE102012200683B4 - Nockenwellenversteller - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
- Hintergrund der Erfindung
- Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
- Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern aus, welche mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.
- Eine Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Der Rotor ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Der Stator und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Der Rotor ist koaxial zum Stator und innerhalb des Stators angeordnet. Der Rotor und der Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor bzw. dem Stator ausgebildet oder als „gesteckte Flügel” in dafür vorgesehene Nuten des Rotors bzw. des Stators angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
- Eine andere Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt.
- Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor oder eine Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Eine Feder kann zusätzlich angeordnet werden, welche die Relativdrehung zwischen Antriebselement und Abtriebselement unterstützt oder zurückführt.
- Die
JP 2003-120 229 A - Die
DE 10 2006 002 993 A1 , dieDE 10 2008 051 142 A1 sowie dieDE 10 2008 051 755 A1 zeigen Nockenwellenversteller mit einer Rückstellfeder, wobei das radial innere Federende um ca. 180° umgebogen ist und an einem mit dem Abtriebselement drehfest angeordneten Stift gelagert ist. - Die
DE 103 51 223 A1 zeigt eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit einem Stator und einem Rotor. Mittels einer Rückholfeder können der Stator und der Rotor bei ausgeschaltetem Motor in eine Ausgangslage relativ zueinander verdreht werden. Die beiden Enden der Rückholfeder sind formschlüssig mit dem Rotor und dem Stator verbunden. Damit mit der Rückholfeder zuverlässig die Ausgangslage von Stator und Rotor erreicht werden kann, weist das eine Federende eine Formprägung auf, die mit einem Gegenformschlusselement zusammenwirkt. Dadurch ist eine spielfreie Anbindung der Rückholfeder gewährleistet. Jeder Art der Bewegung des Federendes wird durch die Formprägung verschleißfrei abgefangen. - Die
DE 10 2010 015 177 A1 zeigt Stellvorrichtung für eine Brennkraftmaschinenventiltriebvorrichtung, insbesondere eine Nockenwellenverstellvorrichtung für ein Kraftfahrzeug, mit einer Phaseneinstelleinheit zur Einstellung einer Phasenlage einer Welle, mit zumindest einer Rückstellfeder, und mit einer Deckeleinheit, die eine Führungseinheit mit wenigstens einem Führungselement umfasst, das an einer Federinnenseite der Rückstellfeder angeordnet ist und das wenigstens eine Kontaktfläche aufweist, die dazu vorgesehen ist, die Rückstellfeder zu fuehren. - Die
DE 100 07 200 A1 zeigt eine Vorrichtung zum Verändern der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, die aus einem mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehenden kurbelwellenfesten Bauteil und aus einem drehfest mit einer Nockenwelle verbundenen nockenwellenfesten Bauteil besteht. Das kurbelwellenfeste Bauteil steht mit dem nockenwellenfesten Bauteil über mindestens zwei innerhalb der Vorrichtung gebildete Druckkammern in Kraftübertragungsverbindung, die bei Druckbeaufschlagung eine Relativverdrehung oder eine hydraulische Einspannung des nockenwellenfesten Bauteils gegenüber dem kurbelwellenfesten Bauteil bewirken. Außerdem weist die Vorrichtung ein mit dem nockenwellenfesten Bauteil drehfest verbundenes Impulsgeberrad zur Feststellung der Nockenwellenposition und ein sowohl mit dem kurbelwellenfesten Bauteil und dem nockenwellenfesten Bauteil verbundenes Federmittel zum Verdrehen der Nockenwelle in eine für den Start der Brennkraftmaschine bevorzugte Stellung auf. Gemäß der Offenbarung derDE 100 07 200 A1 ist das Federmittel außerhalb der Vorrichtung in einem zwischen dem Impulsgeberrad und der gegenüberliegenden Axialseite der Vorrichtung gebildeten Hohlraum angeordnet und durch das Impulsgeberrad zumindest zweiseitig umschlossen. - Zusammenfassung der Erfindung
- Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, der eine besonders zuverlässige Federlagerung aufweist.
- Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 und des Anspruchs 7 gelöst.
- Somit steht zur Lösung der Aufgabe ein Nockenwellenversteller zur Verfügung, welcher ein Antriebselement und ein Abtriebselement sowie eine Rückstellfeder aufweist, wobei die vorgenannten Bauteile koaxial zur Drehachse des Nockenwellenverstellers angeordnet sind, wobei die Rückstellfeder eine Relativdrehung des Antriebselements zum Abtriebselement erzeugt, wobei erfindungsgemäß dasjenige Federende der Rückstellfeder, welches zur Lagerung am Abtriebselement vorgesehen ist, wellenförmig ausgebildet ist und die Lagerstelle als Teil einer Nabe eines mit dem Abtriebselement drehfest verbundenen Federdeckels ausgebildet ist.
- Durch die wellenförmige Ausbildung desjenigen Federendes, welches zur Lagerung am Abtriebselement vorgesehen ist, wird erreicht, dass zum Einen, insbesondere bei einem radial ausgebildeten Windungskörper, Bauraum eingespart wird und die Belastung auf den Federdraht im Bereich der Federlagerung, in Gegensatz zu einem nach dem Stand der Technik bekannten hakenförmigen Federende, reduziert wird. Vorteilhafterweise lässt sich der Biegeradius des Federendes derart mit der Federlagerung abstimmen, dass eine verbesserte Anlage erzielt wird, und Hertz'sche Pressungen verringert werden.
- Es gibt überwiegend zwei Arten von Rückstellfedern. Die beiden Arten von Rückstellfedern sind einerseits diejenigen mit radial ausgebildeten Windungskörper und andererseits diejenigen mit axial ausgebildeten Windungskörper. Das wellenförmige Federende ist bei beiden Arten von Rückstellfedern auszubilden. Die Rückstellfedern mit radialem Windungskörper sind vorteilhaft in axial begrenzten Bauräumen einzusetzen, wobei hingegen die Rückstellfedern mit axialem Windungskörper in radial begrenzten Bauräumen einzusetzen sind.
- Ein wellenförmiges Federende charakterisiert sich mit dem allgemeinen Verständnis einer „Welle”, also mit zumindest einem Wellenberg oder zumindest einem Wellental. Wellenberge und Wellentäler lassen sich aneinanderreihend in beliebiger Häufigkeit anordnen und können unterschiedliche oder gleiche Amplituden aufweisen. Als Wellenberg wird hier die Amplitude von der Drehachse des Nockenwellenverstellers weg gesehen, wobei analog dazu das Wellental als Amplitude zur Drehachse des Nockenwellenverstellers hin zu sehen ist. Die Amplitude selbst ist als radiale Abweichung von der gedachten Verlängerung im weiteren Verlauf der Windung, weitestgehend in Drahterstreckungsrichtung, zu betrachten.
- Mit fortlaufenden Winkel um die Drehachse herum fallen Anfangs- und Endpunkt einer Welle auf annähernd denselben Teilkreis. Alternativ hierzu ist es möglich, den Endpunkt einer Welle auf einem vom Anfangspunkt verschiedenen Teilkreis anzuordnen.
- Erfindungsgemäß ist die Lagerstelle als Teil einer Nabe eines mit dem Abtriebselement drehfest verbundenen Federdeckels ausgebildet. Der Federdeckel schützt die Windungen der Rückstellfeder gegenüber Umwelteinflüssen und verhindert im Fall eines Federbruches, dass sich Federbruchstücke in der Brennkraftmaschine verteilen können. Der Federdeckel ist vorteilhafterweise als dünnwandiges Bauteil mit einer Nabe ausgebildet. Die Nabe ist koaxial mit dem Abtriebselement drehfest verbunden.
- Somit hat gemäß der Erfindung die Lagerstelle am Abtriebselement eine zur Wellenform des Federendes komplementäre Form. Vorteilhafterweise ist die komplementäre Form zur Wellenform dergestalt, dass ein optimale Schmiegung zwischen Federende und Lagerung erzielt wird und Hertz'sche Pressungen deutlich verringert werden. Die komplementäre Form kann am Abtriebselement selbst, idealerweise im Bereich seiner Nabe, oder an einem damit drehfest verbundenen Bauteil ausgebildet sein. Das Federende ist vorteilhafterweise radial vorgespannt auf der komplementären Lagerstelle gelagert. Alternativ kann die radiale Vorspannung wegfallen.
- Erfindungsgemäß ist die Lagerstelle oder eine Haltenase des Federdeckels zur Winkelpositionierung des Federdeckels relativ zum Abtriebselement vorgesehen. Mittels der Lagerstelle oder der Haltenase kann zugleich ein Formschluss des Federdeckels zum Abtriebselement ausgebildet werden, welcher eine zuverlässige Orientierung des Abtriebselements zum Federdeckel und somit auch zur Rückstellfeder gewährleistet und somit eine zuverlässige Ausbildung des gewünschten Federmomentes zwischen Abtriebselement und Antriebselement sicherstellt.
- In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist der Federdeckel aus Blech geformt. Die Lagerstelle für das Federende lässt sich in den Federdeckel aus Blech mittels Tiefziehen, Biegen, Prägen oder anderen Umformprozessen einformen. Alternativ kann der Federdeckel aus einem Kunststoff ausgebildet sein und die Lagerstelle bspw. durch Gießen oder anderen Urformprozessen hergestellt werden. Die komplementäre Lagerstelle kann auch als separates Bauteil an den Federdeckel aus Blech mittels kraft-, form und/oder stoffschlüssigen Verbindungstechniken angeordnet werden.
- In einer Ausgestaltung der Erfindung ist die Lagerstelle einteilig mit dem Federdeckel ausgebildet und von der Drehachse des Nockenwellenverstellers weg ausgeformt. Somit entspricht die Lagerstelle der Ausbildung eines Wellenberges analog des Wellenberges des Federendes. Die Ausbildung der Lagerstelle am Federdeckels als Wellenberg ist vorteilhaft, damit an den innerhalb der Nabe angeordneten Bauteilen keine weiteren Anpassungen vorgenommen werden müssen und die Nabe sehr dünnwandig ausgestaltet werden kann.
- Alternativ hierzu hat die Ausbildung eines Wellentales, insbesondere bei einer Rückstellfeder mit radialem Windungskörper, den Vorteil, dass der radiale Bauraum zur nächsten Windung besser genutzt werden und der gesamte Windungskörper in einem geringeren, radialen Bauraum untergebracht werden kann.
- In einer bevorzugten Ausbildung fixiert die Haltenase des Federdeckels das Federende in radialer Richtung. Die Haltenase ist als Gegenhalter des wellenförmigen Federendes an der Lagerstelle vorgesehen, um die Sicherheit des Kontaktes zwischen Federende und Lagerstelle zu erhöhen. Vorteilhafterweise wird so einem Abrutschen des Federendes von der Lagerstelle, bspw. ausgelöst durch Vibrationen der Brennkraftmaschine, entgegengewirkt. Die Haltenase fixiert das Federende in radialer und/oder Umfangsrichtung formschlüssig. Mehrere Haltenasen am Federdeckel können einen Wellenberg des Federendes flankieren oder mittig zu einem Wellental des Federendes angeordnet sein.
- In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist die Haltenase einteilig aus dem Federdeckel ausgeformt. Insbesondere eine Ausbildung des Federdeckels aus Blech ist vorteilhaft hinsichtlich Wirtschaftlichkeit und Zuverlässigkeit bzw. Lebensdauer. Alternativ können derartige Haltenasen an einem Federdeckel aus Metall oder Kunststoff mit angegossen werden.
- In einer weiteren Ausbildung der Erfindung ist mit dem Abtriebselement ein Federdeckel drehfest verbunden, wobei das Abtriebselement wiederum mit einer Nockenwelle verbindbar ist und der Federdeckel zugleich als Triggerrad ausgebildet ist. Insbesondere bei Rückstellfedern mit radialem Windungskörper sind diese vorteilhafterweise an einer Stirnseite des Nockenwellenversteller angeordnet und vom Federdeckel verdeckt. Eine Triggerradfunktion mittels eingebrachter Kerben oder anderen Markierungen am Federdeckel bietet sich vorteilhafterweise an und ist leicht von einem Winkelpositionssensor erreichbar. Mittels einer Zentralschraube/-mutter lassen sich Federdeckel mit Triggerradfunktion, Abtriebselement und Nockenwelle drehfest miteinander verbinden.
- Durch die erfindungsgemäße Ausbildung des Federendes zur Lagerung am Abtriebselement in einer Wellenform wird eine zuverlässige und spannungsarme Anbindung der Rückstellfeder an das Abtriebselement erreicht.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
- Es zeigen:
-
1 einen Nockenwellenversteller mit einer Rückstellfeder nach dem Stand der Technik, -
2 einen Nockenwellenversteller mit der erfindungsgemäßen Ausbildung des Federendes und seiner Lagerstelle und -
3 den Federdeckel und die Rückstellfeder des Nockenwellenverstellers nach2 in einer anderen Ansicht. - Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
-
1 zeigt einen Nockenwellenversteller1 mit einer Rückstellfeder4 nach dem Stand der Technik. Die Funktionsweise und der Aufbau eines hydraulischen Nockenwellenverstellers1 mit der Anordnung von Antriebselement2 und Abtriebselement3 in seiner Bauart als Flügelzellenversteller oder als Axialkolbenversteller ist aus dem Stand der Technik bekannt und in der Einleitung ausreichend erläutert. Die Lagerstelle7 ist als Stift ausgebildet und drehfest mit dem Abtriebselement3 verbunden. Die Rückstellfeder4 hat einen radialen Windungskörper, d. h. die Windungen reihen sich in radialer Richtung auf. Dasjenige Federende6 , welches an der Lagerstelle7 gelagert ist, ist hakenförmig ausgebildet. Der Haken wurde aus der gedachten Verlängerung des Drahtes der Rückstellfeder4 radial nach innen, also zur Drehachse5 hin, um ca. 90° umgebogen und umragt die Lagerstelle7 . Der innere Radius des Hakens des Federendes6 ist annähernd gleich dem Radius des Stiftes der Lagerstelle7 . - Analog zum inneren Federende
6 ist das äußere Federende12 der Rückstellfeder4 an einer Lagerstelle11 gelagert, wobei die Lagerstelle11 drehfest mit dem Antriebselement2 verbunden ist. Das Federende12 wurde nahezu um 180° umgebogen. Der innere Radius des Federendes12 ist nahezu gleich dem Radius der Lagerstelle11 . -
2 zeigt einen Nockenwellenversteller1 mit der erfindungsgemäßen, wellenförmigen Ausbildung des Federendes6 und seiner Lagerstelle7 . Koaxial zur Drehachse5 des Nockenwellenverstellers1 ist der Federdeckel9 angeordnet. Der Federdeckel9 besitzt eine Nabe8 und eine integrativ daran ausgebildete Ringscheibe13 . Der Federdeckel9 ist als dünnwandiges Blechteil ausgebildet und drehfest mit dem Abtriebselement3 verbunden. Die Ringscheibe13 des Federdeckels9 erstreckt sich in radialer Richtung und verdeckt einen Teil des Windungskörpers der Rückstellfeder4 . Die Ringscheibe13 weist zwei Haltenasen10 und eine Lagerstelle7 auf. Die Haltenasen10 sind zum Antriebselement2 bzw. Abtriebselement3 hin orientiert und einteilig aus dem Blechteil herausgearbeitet. Die Lagerstelle7 ist als Wulst aus dem Außendurchmesser der Nabe8 ausgebildet und von der Drehachse5 des Nockenwellenverstellers1 weg orientiert. Die beiden Haltenasen10 flankieren die Lagerstelle7 . - Die Ausbildung des äußeren Federendes
12 der Rückstellfeder4 entspricht der Ausbildung des äußeren Federendes12 nach1 . -
3 zeigt den Federdeckel9 und die Rückstellfeder4 des Nockenwellenverstellers1 nach2 in einer anderen Ansicht. Diese Ansicht zeigt die in2 verdeckte Seite des Federdeckels9 . Mit nunmehr freien Blick auf das wellenförmige Federende6 ist gut sichtbar, dass das Federende6 als Wellenberg ausgebildet ist. Anfang und Ende des Wellenberges befinden sich weitestgehend auf demselben Teilkreis. Die als Wulst ausgebildete Lagerstelle7 überragt in ihrer axialen Erstreckung die Drahtdicke der Rückstellfeder4 . Die Haltenasen10 sind im Winkel von ca. 90° aus der Ringscheibe13 herausgebogen. - Erfolgt nun eine Auslenkung des Federendes
12 , so dass der Windungskörper gespannt wird, so verhindern die Haltenasen10 ein Überrutschen des Federendes6 über die Lagerstelle7 in Umfangsrichtung. Aufgrund der Realisierbarkeit einer größeren Schmiegung zwischen Federende6 und Lagerstelle7 mittels größeren Radien in der Kontaktstelle, ist die Spannungsbelastung auf das Federende6 minimiert. - Des Weiteren weist der Federdeckel
9 einen einteilig ausgebildeten Flansch14 im Anschluss an seine Nabe8 auf. Mit diesem Flansch14 kann der Federdeckel9 über eine zentrale Verschraubung, koaxial zur Drehachse5 , mit dem Abtriebselement3 und einer Nockenwelle drehfest verspannt werden. Die Lagerstelle7 und/oder das Formschlusselement15 sind zur winkeltreuen Fixierung des Federdeckels9 zum Abtriebselement3 vorgesehen. Die Lagerstelle7 und/oder das Formschlusselement15 greifen dazu in komplementäre Aufnahmen des Abtriebselements3 ein. Vorteilhafterweise sind die Lagerstelle7 und das Formschlusselement15 gleicher Gestalt ausgebildet, jedoch zur eineindeutigen Winkelpositionierung zwischen Federdeckel9 und Abtriebselement3 am Umfang der Nabe8 gemustert angeordnet. Mittels der Nabe8 , insbesondere mit dessen Außendurchmesser, kann der Federdeckel9 zum Abtriebselement3 zentriert werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Antriebselement
- 3
- Abtriebselement
- 4
- Rückstellfeder
- 5
- Drehachse
- 6
- Federende
- 7
- Lagerstelle
- 8
- Nabe
- 9
- Federdeckel
- 10
- Haltenase
- 11
- Lagerstelle
- 12
- Federende
- 13
- Ringscheibe
- 14
- Flansch
- 15
- Formschlusselement
Claims (7)
- Nockenwellenversteller (
1 ) mit einem Antriebselement (2 ) und einem Abtriebselement (3 ) sowie einer Rückstellfeder (4 ), wobei die vorgenannten Bauteile (2 ,3 ,4 ) koaxial zur Drehachse (5 ) des Nockenwellenverstellers (1 ) angeordnet sind, wobei die Rückstellfeder (4 ) eine Relativdrehung des Antriebselements (2 ) zum Abtriebselement (3 ) erzeugt, dadurch gekennzeichnet, dass dasjenige Federende (6 ) der Rückstellfeder (4 ), welches zur Lagerung am Abtriebselement (3 ) vorgesehen ist, wellenförmig ausgebildet ist, wobei eine Lagerstelle (7 ) am Abtriebselement (3 ) eine zum wellenförmigen Federende (6 ) komplementäre Form hat und die Lagerstelle (7 ) als Teil einer Nabe (8 ) eines mit dem Abtriebselement (3 ) drehfest verbundenen Federdeckels (9 ) ausgebildet ist und die Lagerstelle (7 ) oder eine Haltenase (10 ) des Federdeckels (9 ) zur Winkelpositionierung des Federdeckels (9 ) relativ zum Abtriebselement (3 ) vorgesehen ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Federdeckel (9 ) aus Blech geformt ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerstelle (7 ) einteilig mit dem Federdeckel (9 ) ausgebildet und in radialer Richtung von der Drehachse (5 ) weg ausgeformt ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltenase (10 ) des Federdeckels (9 ) das Federende (6 ) in radialer Richtung fixiert. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Haltenase (10 ) einteilig aus dem Federdeckel (9 ) ausgeformt ist. - Nockenwellenversteller (
1 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem Abtriebselement (3 ) der Federdeckel (9 ) drehfest verbunden ist, das Abtriebselement (3 ) wiederum mit einer Nockenwelle verbindbar ist und der Federdeckel (9 ) zugleich als Triggerrad ausgebildet ist. - Rückstellfeder (
4 ) eines Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der vorangegangenen Ansprüche.
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