DE102012221876A1

DE102012221876A1 - Nockenwellenverstellvorrichtung

Info

Publication number: DE102012221876A1
Application number: DE102012221876.9A
Authority: DE
Inventors: Ali BAYRAKDAR; Joachim Dietz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2012-11-29
Publication date: 2014-06-05
Anticipated expiration: 2032-11-30
Also published as: CN104822910B; WO2014082626A1; DE102012221876B4; US20150292367A1; CN104822910A; US9598984B2

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit, – einem druckmittelbetätigbaren Flügelzellenversteller (6), welcher über einen Rotor drehfest mit einer Nockenwelle (3) und mit einem Stator drehfest mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, und – einem Zentralventil (5) mit einem verschiebbaren Ventilkörper (8), über das ein aus einem Druckmittelreservoir (T) über eine Druckmittelpumpe (P) zugeführtes Druckmittel dem Flügelzellenversteller (6) in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers (8) wahlweise in verschiedene Arbeitskammern (A, B) einleitbar und aus anderen Arbeitskammern (A, B) in das Druckmittelreservoir (T) rückführbar ist, und – einem Wälzlager (4), über welches die Nockenwelle (3) mit ihrem dem Flügelzellenversteller (6) zugewandten Endabschnitt gegenüber einer feststehenden Gehäusewand (1) gelagert ist, wobei – eine sich durch das Wälzlager (4) hindurch erstreckende, axial gerichtete Durchströmöffnung (12, 13) vorgesehen ist, durch welche das von der Druckmittelpumpe (P) geförderte Druckmittel dem Zentralventil (5) in axialer Richtung zuströmt.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Nockenwellenverstellvorrichtungen werden im Allgemeinen in Ventiltrieben von Brennkraftmaschinen verwendet, um die Ventilöffnungs- und Schließzeiten zu verändern, wodurch die Verbrauchswerte der Brennkraftmaschine und das Betriebsverhalten im Allgemeinen verbessert werden können.
Eine in der Praxis bewährte Ausführungsform der Nockenwellenverstellvorrichtung weist einen Flügelzellenversteller mit einem Stator und einem Rotor auf, welche einen Ringraum begrenzen, der durch Vorsprünge und Flügel in mehrere Arbeitskammern unterteilt ist. Die Arbeitskammern sind wahlweise mit einem Druckmittel beaufschlagbar, welches in einem Druckmittelkreislauf über eine Druckmittelpumpe aus einem Druckmittelreservoir in die Arbeitskammern an einer Seite der Flügel des Rotors zugeführt und aus den Arbeitskammern an der jeweils anderen Seite der Flügel wieder in das Druckmittelreservoir zurückgeführt wird. Die Steuerung des Druckmittelflusses und damit der Verstellbewegung der Nockenwellenverstellvorrichtung erfolgt z.B. mittels eines Zentralventils mit einer komplexen Struktur von Durchflussöffnungen und Steuerkanten und einem in dem Zentralventil verschiebbaren Ventilkörper, welcher die Durchflussöffnungen in Abhängigkeit von seiner Stellung verschließt oder freigibt. Der Ventilkörper selbst ist gegenüber dem Zentralventil federbelastet und wird mittels eines anliegenden Kolbens eines Aktuators zur Verstellung des Drehwinkels des Rotors zu dem Stator gegen die Federkraft verschoben. Der Rotor ist in der Regel mit der Nockenwelle verbunden, während der Stator z.B. über eine Kette oder einen Riemen von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, so dass durch die Verstellung des Rotors zu dem Stator außerdem der Drehwinkel der Nockenwelle zu der Kurbelwelle verstellt wird.
Grundsätzlich muss die Nockenwelle gelagert werden, was z.B. im Sinne einer möglichst geringen Reibung über ein Wälzlager erfolgen kann. Eine solche Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer Wälzlagerung ist z.B. aus der DE 10 2010 005 603 A1 oder der WO 2010/020507 A1 bekannt. Die axiale Baulänge und insbesondere der Abstand zwischen dem Flügelzellenversteller und der Lagerung wird bei diesen Ausführungsformen entscheidend durch die Zuführung des Druckmittels über radiale Durchströmkanäle und Ringkanäle in der Nockenwelle bestimmt, so dass diese Ausführungsformen nur bei einem bestimmten zur Verfügung stehenden Bauraum verwirklicht werden können. Ferner ergeben sich durch den Abstand des Flügelzellenverstellers zu dem Lager erhöhte Lagerkräfte und Biegemomente in der Nockenwelle.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer Wälzlagerung mit einer verkürzten axialen Baulänge zu schaffen.
Zur Lösung der Aufgabe wird gemäß dem Grundgedanken der Erfindung vorgeschlagen, dass in der Nockenwellenverstellvorrichtung eine sich durch das Wälzlager hindurch erstreckende, axial gerichtete Durchströmöffnung vorgesehen ist, durch welche das von der Druckmittelpumpe geförderte Druckmittel dem Zentralventil in axialer Richtung zuströmt. Durch die vorgeschlagene Lösung kann die axiale Baulänge der Nockenwellenverstellvorrichtung zumindest an der Seite der Wälzlagerung erheblich verkürzt werden, da das Druckmittel gemäß der erfindungsgemäßen Lösung durch das Wälzlager hindurch in das Zentralventil eingeleitet wird, statt wie bisher üblich durch zwischen dem Flügelzellenversteller und dem Wälzlager vorgesehene Druckmittelkanäle oder durch von außen zugängliche Druckmittelkanäle in dem aus dem Flügelzellenversteller vorstehenden Endabschnitt des Zentralventils. Ferner kann der Flügelzellenversteller erheblich dichter an dem Wälzlager angeordnet werden, so dass die auftretenden Lagerkräfte geringer sind, und der Flügelzellenversteller insgesamt besser gelagert ist.
Weiter wird vorgeschlagen, dass das Zentralventil eine Zentralschraube umfasst, mit welcher das Zentralventil in die Nockenwelle eingeschraubt ist, und die Zentralschraube wenigstens eine axiale Durchströmöffnung aufweist, durch welche das Druckmittel in das Zentralventil einströmt. Die Zentralschraube bildet eine Art Gehäuse des Zentralventils und dient zusätzlich der Befestigung des Zentralventils in der Nockenwellenverstellvorrichtung. Die axiale Durchströmöffnung in der Zentralschraube bildet die strömungstechnische Fortsetzung des durch die Durchströmöffnung der Nockenwelle gebildeten Strömungskanals. Die Durchströmöffnung ist dabei bevorzugt in dem stirnseitigen Einschraubabschnitt der Zentralschraube angeordnet, mit dem die Zentralschraube in die Nockenwelle eingeschraubt ist.
In diesem Fall ergibt sich eine besonders günstige Zuströmung des Druckmittels, wenn die Durchströmöffnung in der Nockenwelle und die Durchströmöffnung in der Zentralschraube koaxial zueinander angeordnet sind, wobei die Zentralschraube in einer weiteren bevorzugten Ausführungsform im Sinne eines einfachen konstruktiven Aufbaus in die Durchströmöffnung der Nockenwelle eingeschraubt ist. Die Durchströmöffnung in der Nockenwelle dient damit nicht nur als Strömungskanal für das Druckmittel, sondern zusätzlich zur Befestigung des Zentralventils.
Insbesondere kann die Nockenwelle wenigstens im Bereich der Durchströmöffnung rohrförmig ausgebildet sein, d.h. die Durchströmöffnung ist zentrisch in der Nockenwelle angeordnet. Die Nockenwelle kann auch über ihre gesamte Länge als Rohr ausgeführt sein, so dass das Druckmittel bedarfsweise auch an dem anderen Ende oder zumindest in einem großen Abstand zu dem Flügelzellenversteller und dem Wälzlager in die Nockenwelle eingeleitet wird. Ferner kann die Nockenwelle dadurch aus einem kostengünstigen Halbzeug und mit einem geringen Gewicht hergestellt werden.
Die axiale Baulänge der Nockenwellenverstellvorrichtung im Bereich des Flügelzellenverstellers kann weiter verkürzt werden, indem sich das Zentralventil durch das Wälzlager hindurch erstreckt.
Weiter wird vorgeschlagen, dass in der Durchströmöffnung der Nockenwelle oder dem Zentralventil ein Rückschlagventil vorgesehen ist, durch das das von der Druckmittelpumpe zugeführte Druckmittel in das Zentralventil einführbar ist, und dass ein parallel zu dem Rückschlagventil wirkendes Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist, welches bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Druckes in dem in dem Zentralventil befindlichen Druckmittel ein Rückströmen des Druckmittels zu der Druckmittelpumpe hin ermöglicht.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren im Einzelnen:
1: eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung in Schnittdarstellung;
2: eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung mit einem Druckbegrenzungsventil in Schnittdarstellung; und
3: eine vergrößerte Darstellung eines Rückschlagventils mit einem parallel wirkenden Druckbegrenzungsventil.
In der 1 ist eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung mit einem Flügelzellenversteller 6, einem Zentralventil 5, einer Nockenwelle 3, einem Wälzlager 4 und einer Gehäusewand 1 zu erkennen. Die Gehäusewand 1 kann z.B. die Wand eines Zylinderkopfes oder einer Haube eines Zylinderkopfes einer Brennkraftmaschine sein, wichtig ist nur, dass es sich bei der Gehäusewand 1 um eine feststehende Wand handelt. Der Flügelzellenversteller 6 ist schematisch dargestellt und weist einen nicht dargestellten Stator und Rotor auf. Der Stator ist topfförmig ausgebildet und durch den Rotor in einen Ringraum unterteilt, welcher wiederum durch an dem Stator vorgesehene, sich bis zu dem Rotor erstreckende Statorstege in mehrere Druckräume unterteilt ist. Die Druckräume sind in bekannter Weise durch an dem Rotor vorgesehene Flügel in entgegengesetzt wirkende Arbeitskammern A und B unterteilt.
Das Zentralventil 5 umfasst eine Zentralschraube 7, einen Ventileinsatz 9 und einen in dem Ventileinsatz 9 verschiebbaren Ventilkörper 8, welcher sich über eine Feder 17 an dem Ventileinsatz 9 abstützt und über einen Sicherungsring 18 gegen ein Herausrutschen gesichert ist. Der Ventileinsatz 9 und die Zentralschraube 7 weisen eine komplexe Struktur aus Druckmittelkanälen, Steuerkanten und Druckmittelkammern auf, durch welche das Druckmittel zur Verstellung des Drehwinkels der Nockenwelle 3 in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers 8 wahlweise entweder in die Arbeitskammern A oder die Arbeitskammern B eingeleitet wird. Das Zentralventil 5 wird mit der Zentralschraube 7 in die rohrförmige Nockenwelle 3 eingeschraubt, wodurch gleichzeitig der nicht dargestellte Rotor des Flügelzellenverstellers 6 mit der Nockenwelle 3 drehfest verspannt wird.
Die Nockenwelle 3 ist rohrförmig mit einer zentralen Durchströmöffnung 12 ausgebildet und über ein Wälzlager 4 in einer Öffnung der Gehäusewand 1 drehbar gelagert. Das Wälzlager 4 ist mit dem Außenring über einen Sicherungsring 2 verschiebefest in der Öffnung der Gehäusewand 1 gehalten, während der Innenring des Wälzlagers an einer Lagerfläche der Nockenwelle 3 anliegt und seitlich nicht gegen ein Verschieben gesichert, so dass die Lagerstelle als Loslager angesehen werden kann.
In dem Gewindeansatz der Zentralschraube 7 ist ebenfalls eine axial gerichtete Durchströmöffnung 13 vorgesehen, welche zentrisch in der Zentralschraube 7 und in der eingeschraubten Stellung des Zentralventils 5 koaxial zu der Durchströmöffnung 12 der Nockenwelle 3 angeordnet ist. In dem Ventileinsatz 9 ist ferner ein Rückschlagventil 15 mit einem Massekörper 10 und einer Feder 11 vorgesehen. Die Feder 11 drängt den Massekörper 10 in eine die Durchströmöffnung 13 in dem Zentralventil 5 verschließende Stellung, so dass das von der Druckmittelpumpe P in Pfeilrichtung zugeführte Druckmittel nur durch die Durchströmöffnung 13 in das Zentralventil 5 einströmen kann, wenn der Druck in dem Druckmittel ausreichend groß ist, um den Massekörper 10 gegen die Federkraft der Feder 11 in der Darstellung nach links zu bewegen.
In der Durchströmöffnung 13 der Zentralschraube 7 ist ferner ein Filter 14 vorgesehen, mit dem in dem Druckmittel vorhandene Partikel herausgefiltert werden. Das Druckmittel strömt bei einer Betätigung der Druckmittelpumpe P in Pfeilrichtung durch die Durchströmöffnungen 12 in der Nockenwelle 3 und durch die Durchströmöffnung 13 in der Zentralschraube 7 in axialer Richtung durch das Wälzlager 4 und wird in dem Zentralventil 5 in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers 8 entweder in die Arbeitskammern A oder B eingeleitet. Durch das Einleiten des Druckmittels in die Arbeitskammern A oder B wird der Rotor zusammen mit der Nockenwelle 3 gegenüber dem Stator und der Kurbelwelle verdreht, wobei das Volumen der Arbeitskammern A oder B, in welche das Druckmittel eingeleitet wird, vergrößert und das Volumen der jeweils anderen Arbeitskammern A oder B entsprechend verkleinert wird. Durch die Verkleinerung des Volumens der jeweils anderen Arbeitskammern A oder B wird das Druckmittel aus diesen Arbeitskammern A oder B verdrängt und über das Zentralventil 5 in ein Druckmittelreservoir T zurückgeführt.
Aufgrund der axialen Zuströmung des Druckmittels durch die rohrförmige Nockenwelle 3 kann der Flügelzellenversteller 6 erkennbar dichter an dem Wälzlager 4 bzw. der Gehäusewand 1 angeordnet werden, d.h. die axiale Baulänge der Nockenwellenverstellvorrichtung links der Gehäusewand 1, d.h. in diesem Fall der erforderliche Bauraum der Nockenwellenverstellvorrichtung außerhalb des Zylinderkopfes, wird wesentlich verringert. Außerdem ist der axiale Abstand zwischen einem an dem Stator vorgesehenen Zahn- oder Riemenrad und dem Wälzlager 4 geringer, so dass die beim Antrieb des Stators wirkenden Biegemomente in der Nockenwelle 3 und die daraus resultierenden Lagerkräfte im Bereich der Lagerstelle geringer sind. Dabei ist es wichtig, dass das Druckmittel an einer Stelle der Nockenwelle 2 eingeleitet wird, welche auf der anderen Seite der Gehäusewand 1 als der Flügelzellenversteller 6 angeordnet ist, also in der Darstellung rechts der Gehäusewand 1. Dadurch kann die axiale Baulänge der Nockenwellenverstellvorrichtung links der Gehäusewand 1, also außerhalb des Zylinderkopfes bzw. der Zylinderkopfhaube, verkürzt werden.
Ferner ist die Nockenwelle 3 in der vorgeschlagenen Ausführungsform rohrförmig mit einer zentrischen Durchströmöffnung 12 ausgebildet, so dass die Unwucht der Nockenwelle 3 möglichst gering ist. Sofern die Durchströmöffnung sich über die gesamte Länge der Nockenwelle 3 erstreckt, kann das Druckmittel auch an dem entfernteren Ende der Nockenwelle 3 eingeleitet werden. Für den Fall einer Verwendung eines Rohres zur Herstellung der Nockenwelle 3 muss die Nockenwelle 3 ferner nicht zusätzlich bearbeitet werden, wodurch die Herstellkosten weiter gesenkt werden können.
In der 2 ist eine weiterentwickelte Nockenwellenverstellvorrichtung zu erkennen, bei der in dem Zentralventil 5 ein Rückschlagventil 16 mit einem zusätzlichen parallel wirkenden Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist, welches in der 3 vergrößert dargestellt ist.
Das Rückschlagventil 16 ist in einem Kunststoffring 19 angeordnet, welcher auf den Ventileinsatz 9 mit Klemmarmen aufgeclipst ist. Das Rückschlagventil 16 ist durch eine Platte mit einer Öffnung 23 und ein die Öffnung 23 verschließendes Federblech 20 gebildet. Das Federblech 20 ist an der dem Ventilkörper 8 zugewandten Seite der Platte angeordnet und wird durch das von der Druckmittelpumpe P geförderte Druckmittel bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Druckes in Richtung des Ventilkörpers 8 unter Freigabe der Öffnung 23 verdrängt. Ferner ist ein Druckbegrenzungsventil in Form eines eine Öffnung 21 verschließenden Federbleches 22 vorgesehen, welches auf der anderen Seite der Platte, d.h. an der Zuströmseite der Platte, angeordnet ist. Wenn der Druck des Druckmittels in dem Zentralventil 5 oder in dem Flügelzellenversteller 6 einen vorbestimmten Druck übersteigt, z.B. bei Druckspitzen, wird das Federblech 22 in Richtung der Zuströmseite des Druckmittels verdrängt, so dass das Druckmittel aus dem Zentralventil 5 zumindest kurzseitig zurück in die Durchströmöffnung 12 strömen kann und der Druck gesenkt wird.
Bezugszeichenliste

1: Gehäusewand
2: Sicherungsring
3: Nockenwelle
4: Wälzlager
5: Zentralventil
6: Flügelzellenversteller
7: Zentralschraube
8: Ventilkörper
9: Ventileinsatz
10: Massekörper
11: Feder
12: Durchströmöffnung
13: Durchströmöffnung
14: Filter
15: Rückschlagventil
16: Rückschlagventil
17: Feder
18: Sicherungsring
19: Kunststoffring
20: Federblech
21: Öffnung
22: Federblech
23: Öffnung

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010005603 A1 [0004]
WO 2010/020507 A1 [0004]

Claims

Nockenwellenverstellvorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit, – einem druckmittelbetätigbaren Flügelzellenversteller (6), welcher über einen Rotor drehfest mit einer Nockenwelle (3) und mit einem Stator drehfest mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine verbunden ist, und – einem Zentralventil (5) mit einem verschiebbaren Ventilkörper (8), über das ein aus einem Druckmittelreservoir (T) über eine Druckmittelpumpe (P) zugeführtes Druckmittel dem Flügelzellenversteller (6) in Abhängigkeit von der Stellung des Ventilkörpers (8) wahlweise in verschiedene Arbeitskammern (A, B) einleitbar und aus anderen Arbeitskammern (A, B) in das Druckmittelreservoir (T) rückführbar ist, und – einem Wälzlager (4), über welches die Nockenwelle (3) mit ihrem dem Flügelzellenversteller (6) zugewandten Endabschnitt gegenüber einer feststehenden Gehäusewand (1) gelagert ist, dadurch gekennzeichnet, dass – eine sich durch das Wälzlager (4) hindurch erstreckende, axial gerichtete Durchströmöffnung (12, 13) vorgesehen ist, durch welche das von der Druckmittelpumpe (P) geförderte Druckmittel dem Zentralventil (5) in axialer Richtung zuströmt.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – das Zentralventil (5) eine Zentralschraube (7) umfasst, mit welcher das Zentralventil (5) in die Nockenwelle (3) eingeschraubt ist, und – die Zentralschraube (7) wenigstens eine axiale Durchströmöffnung (13) aufweist, durch welche das Druckmittel in das Zentralventil (5) einströmt.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass – die Durchströmöffnung (12) in der Nockenwelle (3) und die Durchströmöffnung (13) in der Zentralschraube (7) koaxial zueinander angeordnet sind.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass – die Zentralschraube (7) in die Durchströmöffnung (12) der Nockenwelle (3) eingeschraubt ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die Nockenwelle (3) wenigstens im Bereich der Durchströmöffnung (12) rohrförmig ausgebildet ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – sich das Zentralventil (5) durch das Wälzlager (4) hindurch erstreckt.
Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – in der Durchströmöffnung (12) der Nockenwelle (3) oder dem Zentralventil (5) ein Rückschlagventil (15, 16) vorgesehen ist, durch das das von der Druckmittelpumpe (P) zugeführte Druckmittel in das Zentralventil (5) einführbar ist, und – dass ein parallel zu dem Rückschlagventil (15, 16) wirkendes Druckbegrenzungsventil vorgesehen ist, welches bei einem Überschreiten eines vorbestimmten Druckes in dem in dem Zentralventil (5) befindlichen Druckmittel ein Rückströmen des Druckmittels zu der Druckmittelpumpe (P) hin ermöglicht.