DE102012202823A1

DE102012202823A1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102012202823A1
Application number: DE102012202823A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Weber
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-02-24
Filing date: 2012-02-24
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-02-25
Also published as: DE102012202823B4; US20130220248A1; CN103291400A

Abstract

Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, mit einem Antriebselement (3) und einem Abtriebselement (5), wobei das Antriebselement (3) und das Abtriebselement (5) relativ zueinander um eine gemeinsame Achse (1a) verdrehbar sind, wobei das Antriebselement (3) und das Abtriebselement (5) gegensätzlich wirkende Arbeitskammern ausbilden, wobei die Arbeitskammern mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar sind, um eine relative Verdrehung zwischen dem Antriebselement (3) und dem Abtriebselement (5) zu erreichen und wobei in dem Abtriebselement (5) ein Steuerventil (21a) angeordnet ist, wobei das Steuerventil (21a) ein Ventilgehäuse und ein in dem Ventilgehäuse angeordneten Steuerkolben (21b) aufweist, welcher zur Steuerung des Hydraulikmittels dient, wobei das Steuerventil (21a) koaxial zur gemeinsamen Achse (1a) angeordnet ist, wobei außerhalb des axialen Bereichs der Arbeitskammern eine einstückig von dem Abtriebselement (5) ausgebildete Radiallagerstelle (13) zur Lagerung an dem Zylinderkopf vorgesehen ist.

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 ein Abtriebselement und ein Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Arbeitskammern aus, welche mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Arbeitskammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt.
Eine mögliche Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist ein als Stator ausgebildetes Antriebselement, ein als Rotor ausgebildetes Abtriebselement und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Das Abtriebselement ist meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Das Antriebselement und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Das Abtriebselement ist koaxial zum Antriebselement und innerhalb des Antriebselementes angeordnet. Das Abtriebselement und das Antriebselement prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Abtriebselement bzw. dem Antriebselement ausgebildet oder als „gesteckte Flügel” in dafür vorgesehene Nuten des Abtriebselementes bzw. des Antriebselementes angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Das Antriebselement und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
Eine weitere 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.
Die DE 10 2004 026 863 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller mit einem Antriebselement und einem Abtriebselement. Die Nockenwelle wird mit dem Abtriebselement mittels Kraft-, Form oder Stoffschluss verbunden.
In der DE 10 2008 050 134 wird ein Nockenwellenversteller beschrieben, bei dem ein Verbindungselement in dem Abtriebsteil vorgesehen ist. Das Verbindungselement ist mittels Formschluss in dem Abtriebsteil befestigt. Ferner ist das Verbindungselement an einer Nockenwelle befestigt. Das Verbindungselement weist Ausnehmungen auf, welche zur Ölzufuhr dienen. Die Ölzufuhr wird über ein hydraulisches Ventil gesteuert, welches in dem Verbindungselement vorgesehen ist.
Ein Nockenwellenversteller mit einem Antriebselement und einem Abtriebselement wird in der DE 103 34 690 B4 offenbart. Ein Zapfen wird einteilig von dem Abtriebselement ausgebildet. Der Zapfen dient zur Verbindung mit der Nockenwelle. Weiterhin sind in dem Abtriebselement mehrere Ölzulaufkanäle angeordnet.
Die DE 10 2009 052 841 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller, bei dem ein Nockenwelleneinsatz zur Befestigung des Rotors an der Nockenwelle dient. Der Nockenwelleneinsatz wird mittels einer Mutter drehfest mit dem Rotor verschraubt. In dem Nockenwelleneinsatz ist eine Längsbohrung vorgesehen, welche ein Zentralventil aufnimmt.
In der US 6 871 621 B2 wird ein Nockenwellenversteller beschrieben, bei dem der Rotor mittels einer Schraube mit der Nockenwelle verschraubt wird. Das Zentralventil wird von einer Stirnseite des Abtriebselementes eingefügt und mit diesem verschraubt.
Zusammenfassung der Erfindung
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller, der kostengünstig herstellbar ist, bereitzustellen.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst durch einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, mit einem Antriebselement und einem Abtriebselement, wobei das Antriebselement und das Abtriebselement relativ zueinander um eine gemeinsame Achse verdrehbar sind und wobei das Abtriebselement und das Abtriebselement gegensätzlich wirkende Arbeitskammern ausbilden, wobei die Arbeitskammern mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar sind, um eine relative Verdrehung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement zu erreichen und wobei in dem Abtriebselement ein Steuerventil angeordnet ist, wobei das Steuerventil ein Ventilgehäuse und ein in dem Ventilgehäuse angeordneten Steuerkolben aufweist, welcher zur Steuerung des Hydraulikmittels dient, und wobei das Steuerventil koaxial zur gemeinsamen Achse angeordnet ist, wobei außerhalb des axialen Bereichs der Arbeitskammern eine einstückig von dem Abtriebselement ausgebildete Radiallagerstelle zur Lagerung an dem Zylinderkopf vorgesehen ist.
Durch die Integration der Radiallagerstelle an dem Abtriebselement wird eine kompakte Baueinheit erzielt, welche es ermöglicht, dass der Nockenwellenversteller als Baueinheit in einen Lagerrahmen eines offenen Zylinderkopfes eingesetzt werden kann. Weiterhin kann ein Rundlauffehler durch die einteilige Ausbildung minimiert werden.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Steuerventil axial mittels Kraftschluss in dem Abtriebselement befestigt. Bei einer kraftschlüssigen Sicherung werden die Teile durch eine äußere Kraft, beispielweise eine Reibkraft, in ihrer gegenseitigen Lage gehalten. Als kraftschlüssige Sicherung kann beispielsweise ein Ring dienen, der mittels Längs- oder Querpressverband an dem Abtriebselement gefügt wird.
In einer bevorzugten Ausgestaltung ist das Steuerventil axial mittels Formschluss in dem Abtriebselement befestigt. Bei einem Formschluss wird die Kraft durch die Form der an der Verbindung beteiligten Teile übertragen. Dazu soll ein Formschluss zwischen zwei sich berührenden Wirkflächen hergestellt werden. Als formschlüssige Sicherung kann beispielsweise ein Sicherungsring oder Sprengring dienen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Abtriebselement eine Verdrehsicherung für das Steuerventil auf, so dass eine in Umfangsrichtung definierte Einbaulage vorgegeben ist. Die Verdrehsicherung ist dafür notwendig, dass sich das Steuerventil und das Abtriebselement bei Betätigung des Nockenwellenverstellers nicht zueinander verdrehen können. Als Verdrehsicherung ist in dem Abtriebselement beispielsweise eine axial verlaufende Nut, Auskerbung, Vertiefung oder ähnliches vorgesehen. Die Verdrehsicherung in dem Abtriebsteil wird vorzugsweise durch Pressen, Sintern oder Kalibrieren hergestellt, wodurch hohe Kosten durch Fräsen vermieden werden können.
In die Verdrehsicherung des Abtriebselementes greift das Steuerventil ein. Um dies zu ermöglichen sind an dem Steuerventil hervorstehende Laschen, Nasen oder andere Erhebungen vorgesehen.
In einer Ausgestaltung der Erfindung ist das Ventilgehäuse einstückig mit dem Abtriebselement ausgebildet, wobei das Abtriebselement eine Führungsfläche zur Führung des Steuerkolbens des Steuerventils ausbildet. Das Ventilgehäuse kann beispielsweise von einer Bohrung in dem Abtriebselement ausgebildet sein, wobei die das Ventilgehäuse ausbildende Bohrung dabei koaxial zur Achse, um welche das Antriebselement und das Abtriebselement relativ zueinander verdrehbar sind, angeordnet ist. Die Bohrung kann als Durchgangsbohrung oder als Sacklochbohrung ausgeführt sein. In diese Bohrung können die weiteren Bauteile des Steuerventils, wie der Steuerkolben und eine Druckfeder, als „Steckteile” eingesetzt werden.
Durch die Integration des Ventilgehäuses in dem Abtriebselement wird der Steuerkolben folglich durch das Abtriebselement geführt. In axialer Richtung ist der Steuerkolben in dem Abtriebselement beweglich und kann somit zum Abtriebselement in einer beliebigen axialen Stellung positioniert werden. Dies hat den Vorteil, dass die Material- und Fertigungskosten, welche bei einem Steuerventil mit einem separaten Ventilgehäuse anfallen, ebenso wie der Montageaufwand, reduziert werden können. Ein weiterer Vorteil der Erfindung ist, dass der Steuerkolben spannungs- und deformationsfrei in das Abtriebselement eingesetzt werden kann.
In einer bevorzugten Ausbildung ist das Hydraulikmittel mittels in der Nockenwelle gebildeter Hydraulikmittelkanäle in das Steuerventil zuführbar. Alternativ kann ein Zulauf des Hydraulikmittels in das Steuerventil axial oder radial in der Radiallagerstelle vorgesehen sein Für den Zufluss und die Verteilung des Hydraulikmittels sind dazu je nach Ausführungsform Hydraulikmittelkanäle in der Nockenwelle oder auch in der Radiallagerstelle vorgesehen. Des Weiteren weist das Abtriebselement weitere Hydraulikmittelkanäle auf, welche mit Öffnungen des Steuerventils zusammenwirken. Diese Hydraulikmittelkanäle können in dem Abtriebselement in radialer oder auch in axialer Richtung zu den Arbeitskammern verlaufen und durch Öffnungen, wie Bohrungen oder durch Vertiefungen wie beispielsweise Rillen, Nuten oder andere Einformungen ausgebildet sein. Durch die axiale Positionierung des Steuerkolbens werden die verschiedenen Öffnungen des Steuerventils und die Hydraulikmittelkanäle miteinander hydraulisch verbunden oder voneinander getrennt.
In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung weist das Abtriebselement einen radial abstehenden Zapfen zur Befestigung mit einer Nockenwelle auf. Der Zapfen kann beispielsweise aus einem Vollmaterial bestehen oder als eine Art Hülse bzw. Rohr ausgebildet sein. Mittels einer formschlüssigen, kraftschlüssigen oder stoffschlüssigen Verbindung kann der Zapfen mit der Nockenwelle drehfest befestigt werden. Je nach Verbindungsart kann die Mantelfläche des Zapfens entsprechend angepasst sein. Dabei kann die Mantelfläche des Zapfens Glatt, Aufgeraut oder mit Erhebungen versehen sein.
In einer Ausbildung der Erfindung ist der Zapfen einstückig mit dem Abtriebselement ausgebildet. Der Zapfen kann mittels Stoff-, Form- oder Kraftschluss mit dem Abtriebselement drehfest verbunden werden. Alternativ ist es auch möglich den Zapfen als ein separates Bauteil oder mehrteilig auszubilden. So ist es möglich dass der Zapfen aus mehreren Stiften ausgebildet ist.
In einer vorteilhaften Ausbildung weist das Abtriebselement ein Axiallager auf und wobei ein Teil des Axiallagers einstückig mit dem Abtriebselement ausgebildet ist. Optional kann das Axiallager auch separat ausgebildet und mittels Kraft-, Form- oder Stoffschluss mit dem Abtriebselement verbunden sein. Der andere Teil des Axiallagers kann durch die Nockenwelle oder dem Zylinderkopf ausgebildet sein.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand von drei Figuren dargestellt. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht durch den erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller,
2 eine Schnittansicht durch ein Abtriebselement des erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller, und
3 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers.
Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einer teilweise dargestellten Nockenwelle 2, welche rohrförmig ausgebildet ist. Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Antriebselement 3, welches als Stator 4 ausgebildet ist und ein Abtriebselement 5, welches als Rotor 6 ausgebildet ist, auf. Der Stator 4 und der Rotor 6 sind um eine gemeinsame Achse 1a relativ zueinander verdrehbar. Ferner ist an dem Stator 4 ein Antriebsrad 4a einteilig ausgebildet. Des Weiteren weist der Nockenwellenversteller 1 einen Deckel 7 auf, an den eine Feder 8 eingehängt wird. Der Deckel 7 ist mit dem Stator 4 mittels einer Schraubverbindung 9 verbunden.
Wie weiter ersichtlich ist, weist der Nockenwellenversteller 1 eine erste Axiallagerstelle 10 und eine zweite Axiallagerstelle 11 auf, welche ringförmig ausgebildet sind. Die erste Axiallagerstelle 10 ist mit einem Abschnitt des Rotors verbunden. Die zweite Axiallagerstelle 11 ist an dem, dem Rotor 6 zugewanden Nockenwellenende 2a vorgesehen.
Zum besser Verständnis des Aufbaus des Rotors 6 wird neben 1 zusätzlich auf 2 Bezug genommen. Wie aus 2 zu erkennen ist, ist der Rotor 6 stufenförmig aufgebaut, welcher drei Rotorbereiche 6a, 6b, 6c ausbildet.
Ein erster Rotorbereich 6a weist Flügel 12 auf. Die Flügeln 12 sind einteilig an dem Rotor 6 ausgebildet. Die Flügel 12 des Rotors 6 bilden mit dem Stator 4 nicht dargestellte Arbeitskammern aus, die mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagt werden können.
An den Rotorbereich 6a an dem die Flügel 10 einteilig ausgebildet sind, schließt sich ein zweiter Rotorbereich 6b an, welcher eine Radiallagerstelle 13 ausbildet. Die Radiallagerstelle 13 ist einstückig an dem Rotor 6 ausgebildet. Wie 2 zeigt ist die Radiallagerstelle im Durchmesser kleiner als der Rotorbereich 6a, der die Flügel 10 aufweist. Die Radiallagerstelle 11 ist zur Lagerung eines Zylinderkopfs vorgesehen.
An Rotorbereich 6b schließt sich ein dritter Rotorbereich 6c an, welcher mittles eines Zapfens 14 ausgebildet ist. Der Zapfen 14 ist aus einem Vollmaterial ausgebildet und ist im Durchmesser geringer als der Rotorbereich 6b der die Radiallagerstelle 11 ausbildet. Der Zapfen 14 dient zur drehfesten Befestigung mit der Nockenwelle 2. Dazu wird der Zapfen 14 mittels Kraftschluss in das offene Nockenwellenende 2a gefügt.
Der Rotor 6 weist koaxial zur Achse 1 eine Sacklochbohrung 15 auf. Die Sacklochbohrung 15 erstreckt sich in axialer Richtung entlang des ersten Rotorbereichs 6a und des zweiten Rotorbereichs 6b. Wie ersichtlich ist, sind in der Sacklochbohrung 15 mehrere Bohrungen 16 vorgesehen. Die Bohrungen 16 bilden Hydraulikmittelkanäle 17 aus. Die Hydraulikmittelkanäle 17 erstrecken sich in radialer Richtung und dienen dazu, die nichtdargestellten Arbeitskammern mit Hydraulikmittel zu versorgen. Im Bereich der Bohrungen 16 sind des weiteren Ringkanäle 18 ausgebildet, welche das Hydraulikmittel in die Hydraulikmittelkanäle 17 leiten.
Wie ferner aus 2 ersichtlich ist, weist der Rotor 6 im Bereich des Zapfens 12 die Bohrung 19 auf. In dem Ausführungsbeispiel sind zwei solcher Bohrungen 19 vorgesehen. Die Bohrungen 19 verlaufen in radialer Richtung und sind als Durchgangsbohrung ausgeführt. Die Bohrungen 19 dienen in dem Rotor als Zulauf 20. Dieser Zulauf 20 ist mit einer nicht dargestellten Druckmittelpumpe verbunden. Mittels des Zulaufs 22 wird das Hydraulikmittel in Richtung eines Steuerventils 21a geleitet.
Ferner bildet die Sacklochbohrung 15 ein Ventilgehäuse 21 des Steuerventils 21a aus. In das in den Rotor 6 integrierte Ventilgehäuse 21 werden ein Steuerkolben 21b, eine nicht dargestellte Druckfeder des Steuerventils 21a als Steckteile eingesetzt. Das durch die Sacklochbohrung 15 ausgebildete Ventilgehäuse 20 bildet eine Führungsfläche für den nicht dargestellten Steuerkolben aus. Der Steuerkolben 21b ist in axialer Richtung in der Sacklochbohrung 15 beweglich und wirkt mit den Hydraulikmittelkanälen 17 im Rotor 6 zusammen.
Der Rotor 6 weist eine Verdrehsicherung 22 für das Steuerventil auf. Die Verdrehsicherung 22 ist als axiale Nut 23 im Rotor 6 ausgebildet, in welche das Steuerventil 21a eingreifen kann.
Die Sicherung des Steuerventils 21a in axialer Richtung wird aus 3 ersichtlich. Die axiale Sicherung des Steuerventils 21a erfolgt formschlüssig mittels eines Sicherungsrings 24.
Bezugszeichenliste

1a: Achse
1: Nockenwellenversteller
2: Nockenwelle
2a: Nockenwellenende
3: Antriebselement
4: Stator
4a: Antriebsrad
5: Abtriebselement
6: Rotor
6a: erster Rotorbereich
6b: zweiter Rotorbereich
6c: dritter Rotorbereich
7: Deckel
8: Feder
9: Schraubverbindung
10: erste Axiallagerstelle
11: zweite Axiallagerstelle
12: Flügel
13: Radiallagerstelle
14: Zapfen
15: Sacklochbohrung
16: Bohrung
17: Hydraulikmittelkanäle
18: Ringkanal
19: Bohrung
20: Zulauf
21: Ventilgehäuse
21a: Steuerventil
21b: Steuerkolben
22: Verdrehsicherung
23: axial Nut
24: Sicherungsring

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102004026863 A1 [0006]
DE 102008050134 [0007]
DE 10334690 B4 [0008]
DE 102009052841 A1 [0009]
US 6871621 B2 [0010]

Claims

Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem Zylinderkopf, mit einem Antriebselement (3) und einem Abtriebselement (5), wobei das Antriebselement (3) und das Abtriebselement (5) relativ zueinander um eine gemeinsame Achse (1a) verdrehbar sind, wobei das Antriebselement (3) und das Abtriebselement (5) gegensätzlich wirkende Arbeitskammern ausbilden, wobei die Arbeitskammern mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar sind, um eine relative Verdrehung zwischen dem Antriebselement (3) und dem Abtriebselement (5) zu erreichen und wobei in dem Abtriebselement (5) ein Steuerventil (21a) angeordnet ist, wobei das Steuerventil (21a) ein Ventilgehäuse und ein in dem Ventilgehäuse angeordneten Steuerkolben (21b) aufweist, welcher zur Steuerung des Hydraulikmittels dient, wobei das Steuerventil (21a) koaxial zur gemeinsamen Achse (1a) angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass außerhalb des axialen Bereichs der Arbeitskammern eine einstückig von dem Abtriebselement (5) ausgebildete Radiallagerstelle (13) zur Lagerung an dem Zylinderkopf vorgesehen ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (21a) axial mittels Formschluss in dem Abtriebselement (5) befestigt ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, wobei das Steuerventil (21a) axial mittels Kraftschluss in dem Abtriebselement (5) befestigt ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Abtriebselement (5) eine Verdrehsicherung (22) für das Steuerventil (21a) aufweist, so dass eine in Umfangsrichtung definierte Einbaulage vorgegeben ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, wobei das Ventilgehäuse einstückig mit dem Abtriebselement (5) ausgebildet ist, wobei das Abtriebselement (5) eine Führungsfläche zur Führung des Steuerkolbens (21b) des Steuerventils (21a) ausbildet.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Hydraulikmittel mittels in der Nockenwelle gebildeter Hydraulikmittelkanäle in das Steuerventil (21a) zuführbar ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, wobei das Abtriebselement (5) einen radial abstehenden Zapfen (14) zur Befestigung mit einer Nockenwelle (2) aufweist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 7, wobei der Zapfen (14) einstückig mit dem Abtriebselement (5) ausgebildet ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, wobei das Abtriebselement (5) einen Teil eines Axiallagers (10) aufweist und wobei der Teil des Axiallagers (10) einstückig mit dem Abtriebselement (5) ausgebildet ist.