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Gegenstand der Erfindung
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstellvorrichtung zur hydraulischen Winkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle eines Verbrennungskraftmotors, die eine Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung mit einer über ein Antriebsrad antreibbaren Statoreinheit und einer mit einem axialen Ende einer Nockenwellenrohrs drehfest verbundenen Rotoreinheit umfasst. Über eine hydraulische Ventileinrichtung, die durch einen Aktuator ansteuerbar ist, kann ein Relativwinkel – d.h. eine relative Verdrehung einer Rotoreinheit zu einer Statoreinheit – eingestellt werden. In einem Nebenaspekt betrifft die Erfindung ein Nachrüstset zur Nachrüstung bzw. Reparatur einer derartigen hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung.
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STAND DER TECHNIK
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Eine gattungsgemäße hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung ist beispielsweise aus der
DE 10 2009 035 632 B3 bekannt. Darin ist eine Nockenwellenverstellvorrichtung beschrieben, in der ein Aktuator zur Betätigung eines hydraulischen Ventils vorgesehen ist, mit dessen Hilfe eine Rotoreinheit einer Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung gegenüber einer Statoreinheit winkelverstellbar ist. Die Betätigungseinrichtung ist als elektromagnetischer, piezoelektrischer oder elektrischer Aktuator ausgebildet und drehfest im Inneren eines Nockenwellenrohrs angeordnet. Der Aktuator betätigt ein proportionales Hydraulikventil derart, dass die Rotoreinheit sich relativ zu einem durch einen Antriebsriemen angetriebenen Stator winkelverstellen lässt. Der Aktuator bewirkt eine Axialverschiebung eines Ventilkörpers der Ventileinrichtung, der Hydraulikflüssigkeit in eine Vor- oder eine Nachstellkammer der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung leitet, um die Relativwinkelverstellung der Nockenwelle zu erreichen. Der Aktuator ist innerhalb eines axialen Endhülsenbereichs des Nockenwellenrohrs angeordnet, das axial von einem Schwenkmotornockenwellerversteller abgeschlossen ist. Die elektrische Versorgung des Aktuators erfolgt über Schleifringe oder magnetisch über Induktionsspulen, wobei am Umfang eines Teilabschnitts des Nockenwellenrohrs Schleifringe bzw. Induktionsspulen angeordnet sind. Im Falle eines Austauschs des Aktuators muss zunächst der Hydraulikteil, d.h. die Schwenkmotornockenwellerversteller mit Ventil, entfernt werden, um den Aktuator aus dem Nockenwellenrohr herausziehen zu können. Des Weiteren ist in einem Wartungsfall, beispielsweise bei Überprüfung der elektrischen Kontaktierung, der Schwenkmotornockenwellerversteller zu entfernen, so dass aufwendige Arbeiten notwendig werden, um den Aktuator oder dessen elektrische Kontaktierung zugänglich zu machen. Aufgrund der Baugröße des Aktuators muss das Nockenwellenrohr zumindest Abschnittsweise einen relativ großen Durchmesser Einer Endhülse zur Aufnahme des Aktuators aufweisen, und verlängert darüber hinaus die Länge des Nockenwellenrohrs um mindestens den Bauraum, den der Aktuator einnimmt und um die Breite der Kontaktfläche der elektrischen Kontaktierungselemente. Die elektrische Kontaktierung ist aufwändig vom Schmierraum der Nockenwelle abzudichten, so dass die Gefahr von Verschmutzung oder Fehlfunktion der elektrischen Ansteuerung gegeben ist. Die Wartbarkeit des elektrischen Teils der Nockenwellenverstellvorrichtung wird durch den in Richtung der Längsachse im Inneren der Nockenwelle eingebrachten Aktuators deutlich erschwert und insbesondere bei kleinen Motoren kann eine derartige Anordnung im Inneren des Nockenwellenrohrs aufgrund der erforderlichen Baugröße nicht umgesetzt werden, so dass für eine große Anzahl möglicher Bauvarianten von Verbrennungskraftmaschinen derartige, im Inneren der Nockenwellen angeordnete Aktuatoren nicht eingesetzt werden können.
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Aus dem Stand der Technik ist weiterhin bekannt, dass Aktuatoren von hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtungen in einem stehenden Teil des Motors, beispielsweise an einem Motorgehäuse oder an einer Motorabdeckung angebracht sind, und eine mechanische Kraftübertragung zwischen einem axial verschiebbaren Stift des Aktuators und einer Hydraulikventileinrichtung durch eine kraftschlüssige reibende Kontaktverbindung ermöglicht wird. Dies eröffnet die Möglichkeit der Anordnung eines elektrischen Teils der Nockenwellenverstellvorrichtung im stehenden Bereich der Maschine, jedoch ergibt sich eine Schwierigkeit bei einer fluiddichten Ausführung der Hydraulikeinheit, die von einem Antriebsaggregat insbesondere Zahnriemen, Nockenwellengetriebe oder Antriebskette fluidgetrennt sein soll. Des Weiteren führt eine mechanische Kraftübertragung zwischen einem stehenden und einem rotierenden Teil zu einem hohen Verschleiß und birgt die Gefahr einer mechanischen Fehlfunktion.
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Ausgehend von dem oben genannten Stand der Technik und den sich daraus ergebenden Problemen ist es nunmehr Aufgabe der Erfindung, eine hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung vorzuschlagen, die die oben genannten Probleme überwinden kann. Insbesondere wird eine Nockenwellenverstellvorrichtung vorgeschlagen, die eine leichte Wartbarkeit und eine einfache technische Umsetzung auch bei einer Vielzahl von groß- und kleinvolumigen Verbrennungskraftmaschinen ermöglicht, wobei die Möglichkeit einer Nachrüstung bereits bestehender Nockenwellenverstellvorrichtungen gegeben ist.
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Diese Aufgabe wird durch eine Nockenwellenverstellvorrichtung und ein Nachrüstsatz nach den unabhängigen Ansprüchen gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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In einem ersten erfindungsgemäßen Aspekt wird eine hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung vorgeschlagen, die eine Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung mit einer über ein Antriebsrad antreibbaren Statoreinheit und einer, mit einem axialen Ende eines Nockenwellenrohrs drehfest verbundenen, Rotoreinheit, sowie einer Ventileinrichtung zur hydraulischen Einstellung eines Relativwinkels der Rotoreinheit gegenüber der Statoreinheit mittels eines Aktuators umfasst. Der Aktuator weist eine elektrische Kontaktierungseinrichtung zur Betätigung der Ventileinrichtung auf. Das Nockenwellenrohr ist drehfest mit einer Abtriebsseite der Rotoreinheit verbunden, und erstreckt sich entlang einer Drehachse der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, dass der Aktuator auf der der Abtriebsseite gegenüberliegenden Aktuatorseite der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung in Richtung Motorgehäuse angeordnet ist, wobei der Aktuator in einem Aktuatorgehäuse aufgenommen, insbesondere von dem Aktuatorgehäuse umspritzt ist, und das Aktuatorgehäuse eine erste rotierende Kontaktierungseinheit der Kontaktierungseinrichtung umfasst. Eine zweite, komplementäre und ruhende Kontaktierungseinheit der Kontaktierungseinrichtung ist an einem Gehäuseteil des Motorgehäuses oder einer Motorabdeckung angeordnet, so dass elektrische Energie vom ruhenden Gehäuseteil auf den rotierenden Aktuator übertragbar ist.
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Mit anderen Worten wird eine hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung vorgeschlagen, die eine Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung mit Rotor- und Statoreinheit aufweist, wobei hydraulisch verstellbar die Rotoreinheit, die drehfest mit einem Nockenwellenrohr verbunden ist, gegenüber der Statoreinheit um einen Relativwinkel verdrehbar ist. Zur Einstellung der relativen Bewegung von Rotor zu Stator dient eine Ventileinrichtung, die bevorzugt im Bereich der Mittelachse der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung angeordnet ist und deren Steuerkolben über einen Aktuator axial betätigt werden kann. Der Aktuator ist an der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung auf einer Seite angeordnet, die der fluchtenden Seite des Nockenwellenrohres, die mit dem Rotor verbunden ist, gegenüber liegt. Mit anderen Worten ist der Aktuator am Stator bzw. einer Verstellerverriegelungsplatte befestigt und rotiert entsprechend mit. Das Nockenwellenendstück liegt auf der entgegengesetzten Seite des Verstellsystems – der Abtriebsseite des Rotors. Somit wird zur Abgrenzung gegenüber dem vorgenannten Stand der Technik vorgeschlagen, den Aktuator nicht im Nockenwellenrohr anzuordnen, sondern an einem äußeren axialen Ende der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung, so dass ein Endabschnitt des Aktuators in Richtung Motorgehäuse gerichtet ist. Der Endabschnitt des Aktuators ist in einem Aktuatorgehäuse umfasst, das fluiddicht ausgeführt ist, bzw. von einem fluiddichten Gehäuse umspritzt ist, so dass die Nockenwelle gegenüber dem Motorgehäuse abdichtet ist. Hierdurch kann erreicht werden, dass ein Antriebsriemen, der die Nockenwellenverstellvorrichtung antreibt, trocken läuft.
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Zur elektrischen Kontaktierung wird vorgeschlagen, dass das Aktuatorgehäuse eine rotierende Kontaktierungseinheit der elektrischen Kontaktierungseinrichtung umfasst und im stehenden Bereich, beispielsweise an einem Motorgehäuse oder an einer Motorabdeckung eine zweite ruhende Kontaktierungseinheit angeordnet ist, wobei die beiden Kontaktierungseinheiten elektrisch komplementär ausgeführt sind, beispielsweise als Bürste und Schleifring oder als erste und zweite Induktionsspule zur transformatorischen Übertragung von elektrischer Energie, um den rotierenden und abgedichteten Aktuator über den stehenden Bereich des Motors mit Strom zu versorgen.
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Dadurch, dass die Kontaktierungseinrichtung am axialen Ende der Nockenwelle angeordnet ist, kann sie leicht gewartet werden, insbesondere Bürsten ausgetauscht werden, und die elektrische Kontaktierungseinheit überprüft werden, ohne ein Nockenwellengehäuse zu öffnen. Die Kontaktierungseinrichtung kann in einem fluidfreien Raum, beispielsweise einem Bauraum der Antriebseinheit für das Antriebsrad der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung angeordnet sein, und unterliegt daher geringerem Verschleiß und geringer Verschmutzungen. Außerhalb des Motorgehäuses ist der Verschmutzungsgrad durch äußere Einflüsse sehr hoch. Der Aktuator ist von außen leicht zugänglich ohne ein Nockenwellengehäuse öffnen zu müssen und bestehende Konzepte, beispielsweise ein von außen mechanisch einwirkender Aktuator, der in einem stehenden Teil des Motors angeordnet ist, kann durch das vorgeschlagene, rotierende Antriebskonzept ausgetauscht werden. Dadurch, dass eine Fluidtrennung zwischen Antriebseinheit und Nockenwelle bereitgestellt wird, wobei die elektrische Kontaktübertragung über das axial abschließenden Aktuatorgehäuse erfolgt, können die nachteiligen Probleme des Stands der Technik überwunden werden. Das Aktuatorgehäuse dichtet den Aktuator und die Hydraulik gegenüber dem Bauraum des Antriebsmittels, d.h. dem Antriebskasten bzw. dem Riemenkasten ab. Der Aktuator kann mit einer Verriegelungsscheibe verflanscht sein und ist drehfest mit dem Stator verbunden. Die Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung umfasst eine Stator- und eine Rotoreinheit, wobei die Rotoreinheit durch eine Zentralschraube an der Nockenwelle drehfest verbunden sein kann. Die Rotoreinheit ist dabei stirnseitig gegen die Nockenwelle verspannt und schließt axial die Nockenwelle ab. Dabei stellt es sich als vorteilhaft heraus, dass die Rotoreinheit mittels eines Zentrierbundes gegenüber der Nockenwelle zentriert ist, so dass die Montage erleichtert und fehlerfrei ablaufen kann. Die Nockenwelle kann gegenüber dem aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen einen verringerten Durchmesser aufweisen und bietet eine hohe Servicefreundlichkeit und einfache Reparaturfähigkeit. Der Aktuator kann beliebig dimensioniert sein, da der konstruktive Bauraum Freiheitsgrade zulässt, so das ein gleicher Aktuator für verschiedene Durchmesser und Bauarten von Nockenwellen eingesetzt werden kann. Der Antriebsriemen steht nicht unter Öl, insbesondere ist die Nockenwellenschmierung von einer eventuellen Schmierung der Antriebsmechanik fluidmäßig getrennt.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung kann der Aktuator ein elektromagnetischer, ein piezoelektrischer oder ein elektromotorischer Aktuator sein, der bevorzugt drehfest mit der Statoreinheit der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung verbunden ist und eine Proportionalverschiebung des Steuerkolbens der Ventileinrichtung bewirken kann. Der Aktuator kann grundsätzlich beliebig aufgebaut sein, und stellt eine axiale Verschiebbarkeit einer hülsenartigen Ventileinrichtung bereit, um durch verschiedene Stellungen des Proportionalventils verschiedenen Relativwinkelpositionen zwischen Stator- und Rotoreinheit der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung einzustellen. Hierbei hat sich ein elektromagnetischer Aktuator bewährt, bei dem durch die Stärke des angeregten Magnetfeldes ein (Ferritkern-)Anker, der durch eine Rückstellfeder in eine definierte Ausgangsposition rückstellbar ist, stufenlos axial verschoben werden kann. Somit kann durch eine Ansteuerung des Magnetstroms eine lineare, axiale Verschiebung des mit dem Anker fest verbundenen Aktuatorstiftes erreicht werden. Alternativ kann ein piezoelektrischer Antrieb verwendet werden, bei dem durch Anlegen einer Spannung eine Verformung eines piezoaktiven Materials, insbesondere eine Piezokeramik erreicht werden kann. Schließlich ist ein elektromotorischer Antrieb denkbar, bei dem durch ein geeignetes Getriebe eine Linearverschiebung oder auch eine rotatorische Verschiebung der Ventileinrichtung ermöglicht wird, und somit eine proportionale Ventilwirkung zu bewirken. Beim Austausch des Aktuators kann zwischen den verschiedenen Akuatorprinzipien gewechselt werden, sofern diese bei gleichem Ansprechstrom ähnliche Verstellbewegungen durchführen. Insbesondere die elektromagnetische und die piezoelektrischen Antriebsvarianten sind verschleißfrei und weisen eine hohe Lebensdauer auf.
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Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung kann die Ventileinrichtung zylinderförmig ausgeformt sein, und zentrisch und axial verschiebbar zur Drehachse der Nockenwellenverstellvorrichtung angeordnet sein, wobei der Aktuator bevorzugt drehfest mit der Ventileinrichtung verbunden ist. In dieser Weiterbildung wird vorgeschlagen, dass die Ventileinrichtung als Zylinderventil ausgeformt sein kann, die durch eine Längsverschiebung entlang der Drehachse der Nockenwellenverstellvorrichtung verschiedene Stellpositionen und damit verschiedene Fluidströme lenken kann, so dass sich verschiedenen Stellwinkel zwischen Rotor- und Statoreinheit der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung ergeben. Um eine Achsverschiebung, aber auch eine Rotationsverschiebung der Ventileinrichtung zu bewirken, kann der Aktuator drehfest mit der Ventileinrichtung verbunden sein, insbesondere um ein schnelles Ansprechverhalten zu bewirken und um mechanischen Verschleiß entgegen zu treten. Es ist denkbar, dass der Aktuator durch eine lösbare Verbindung beispielsweise Schraubgewinde, Formschluss oder Rastverbindung mit der Ventileinrichtung verbunden ist.
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In einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform kann das Aktuatorgehäuse mit dem rotierenden Teil der Vorrichtung fluiddicht abgedichtet, insbesondere verflanscht sein, so dass ein Antriebsriemen und/oder Motorgehäuse von der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung fluidgetrennt sind. Durch eine fluiddichte Abdichtung, die beispielsweise durch einen O-Ring oder andere Dichtmaßnahmen erreicht werden kann, kann das Aktuatorgehäuse mit dem drehenden Teil der Nockenwelle verbunden sein, um einen Fluidaustritt insbesondere von Schmieröl oder Hydraulikflüssigkeit zu verhindern. Dadurch kann erreicht werden, dass der Antriebsriemen fluidfrei oder mit einer getrennten Schmierung ausgeführt sein können. Hierdurch wird bei einer Teilleckage beispielsweise im Bereich des Antriebsriemens verhindert, dass unerwünscht Öl aus der Nockenwellenvorrichtung ausströmt oder eindringt.
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Grundsätzlich kann das Aktuatorgehäuse beliebig ausgeführt sein. In einer vorteilhaften Ausführungsform kann das Aktuatorgehäuse oder zumindest Teilbereiche des Aktuatorgehäuses, die sich in den Bauraum des Antriebsriemens erstrecken, rotationssymmetrisch, insbesondere hut- oder topfförmig ausgeformt sein. Durch die rotationssymmetrische Ausgestaltung des Aktuatorgehäuses ist es leicht möglich, die erste rotierende Kontaktierungseinheit auf dem Aktuatorgehäuse derart anzuordnen, dass eine zuverlässige Stromübertragung gewährleistet werden kann. Des Weiteren werden Luftwiderstände und Verwirbelungen im Motorraum verhindert und Unwuchteffekte minimiert.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die zweite Kontaktierungseinheit an einem mit dem Motorblock verschraubten Gehäuseteil oder einer Motorabdeckung, insbesondere am Gehäusedeckel des Antriebsriemenkastens oder einer Motorabdeckung angeordnet sein, wobei bevorzugt ein elektrisches Steckverbindungsmittel zur elektrischen Kontaktierung mit einer Steuereinrichtung umfasst ist. Die zweite Kontaktierungseinheit befindet sich im ruhenden Teil der Nockenwellenverstellvorrichtung, und bewirkt eine Kontaktierung mit der rotierenden ersten Kontaktierungseinheit, die sich vorteilhafterweise auf dem Aktuatorgehäuse befindet. Die Kontaktierungseinheit kann am Motorblock oder an einer Motorabdeckung angebracht sein, so dass sie beispielsweise beim Öffnen des Gehäuses des Nockenwellenantriebs abnehmbar ist. Das hat insbesondere bei verschleißbehafteten Kontaktierungseinrichtungen wie einer Bürsten- – oder Schleifringausführung den Vorteil, dass die verschleißbehafteten Teile, nämlich die Bürsten leicht zugänglich und auswechselbar sind. Auch können zu Prüfzwecken die Kontaktierungseinheiten direkt zugänglich gemacht werden. Durch ein elektrisches Steckverbindungsmittel, das in der zweiten Kontaktierungseinheit umfasst ist, kann eine steckbare Verbindung mit einer Steuereinrichtung, insbesondere einem Motorsteuergerät hergestellt werden, die die relativen Drehpositionen der Nockenwelle gegenüber einer Drehposition der Kurbelwelle steuern kann.
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Nach den oben genannten Ausführungsformen wird die elektrische Energie zwischen dem ersten und dem zweiten Kontaktierungseinheiten übertragen, wobei deren mechanischen Abstand zu einer zuverlässigen Übertragung in engen Toleranzen einzuhalten ist. In einer vorteilhaften Ausführungsform wird vorgeschlagen, dass die erste und/oder zweite Kontaktierungseinheit Mittel zur Abstandseinstellung zwischen erster und zweiter Kontaktierungseinheit, insbesondere Einstellgewinde, Einstellschrauben, oder ähnliches umfassen, wobei die erste und/oder die zweite Kontierungseinheit lösbar mit dem Aktuatorgehäuse bzw. dem Gehäuseteil verbunden sind, insbesondere rastbar, steckbar, verschraubbar verbunden sind. Somit ist eine Einstellbarkeit des mechanischen Abstandes zwischen erster und zweiter Kontaktierungseinheit insbesondere zwischen Induktionsspulen oder zwischen Bürsten und Schleifringen gegeben, so dass bei abnehmbarem Gehäusedeckel oder abnehmbarem Aktuatorgehäuse ein vorbestimmbarer Abstand der elektrischen Kontaktierungseinheiten einstellbar ist, um eine sichere und zuverlässige Stromübertragung zu gewährleisten.
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In einer vorteilhaften Ausführungsform kann die Kontaktierungseinrichtung als Gleitkontakteinrichtung ausgelegt sein, wobei die erste Kontaktierungseinheit zumindest zwei Schleifringe umfasst und zumindest ein Schleifring kreisringförmig an einer axialen Endfläche oder ringförmig an einer Umfangsfläche des Aktuatorgehäuses angeordnet ist. Die zweite Kontaktierungseinheit kann hierbei vorteilhafter Weise einen Satz Bürsten umfassen, die über die beiden Schleifringe streichen, wobei die Bürsten im stehenden und die Schleifringe im rotierenden Teil der Nockenwellenverstellvorrichtung angeordnet sind. Alternativ kann die erste Kontaktierungseinheit einen Satz Bürsten umfassen, die rotieren, wobei jede Bürsten an einer axialen Endfläche oder an einer Umfangsfläche des Aktuatorgehäuses angeordnet ist, so dass die zweite Kontaktierungseinheit einen Satz Schleifringe umfasst, die feststeht und über die die rotierenden Bürsten streichen. Die Auslegung der Kontaktierungseinrichtung als Gleitkontakteinrichtung entspricht der üblichen Vorgehensweise, wie elektrische Energie von einem stehenden auf einen rotierenden Teil übertragen werden kann. Sie zeichnet sich durch eine hohe Zuverlässigkeit und Langlebigkeit bei beliebig hoher Stromübertragung aus. Typischerweise sind die Kohlen der Bürsten mit Bürstenfedern behaftet, so dass sie im Laufe ihrer Abnutzung mit gleichbleibendem Druck an die Schleifringe angepresst werden können. In gewissen Grenzen kann der Abstand zwischen erster und zweiter Kontaktierungseinheit frei wählbar sein, da durch die axiale Verschiebbarkeit der Bürsten durch die Bürstenfedern in einem Toleranzbereich der Abstand variiert werden kann. Bei Anordnung der zweiten Kontaktierungseinheit auf einem demontierbaren Motorgehäuse oder Motorabdeckung können Bauteiltoleranzen somit durchaus akzeptiert werden.
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Es hat sich dabei weiterhin als vorteilhaft erwiesen, dass sofern die Schleifringe auf der Oberfläche des Aktuatorgehäuses angeordnet sind, diese versenkt in der Oberfläche angeordnet sind, um einen mechanischen Schutz zu bilden, zum anderen eine Führung der Bürsten über den Schleifringen zu gewährleisten.
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Alternativ zu der oben aufgeführten Ausführung der Kontaktierungseinrichtung als Gleitkontaktierungseinrichtung wird in einem weiteren Ausführungsbeispiel vorgeschlagen, dass die Kontaktierungseinrichtung als kontaktlose Energieübertragungseinrichtung ausgelegt ist, wobei insbesondere die erste und die zweite Kontaktierungseinheiten Spulen zur induktiven Energieübertragung umfassen. Somit wird nach dem Generatorprinzip Strom in die rotierende Spule der ersten Kontaktierungseinheit induziert, sofern diese über eine beispielsweise mit Gleich- oder auch Wechselstrom bestromten Spule der zweiten Kontaktierungseinheit während der Rotation streicht. Dadurch kann eine induktive Energieübertragung erfolgen, bei der ein Abstand zwischen erster und zweiter Kontaktierungseinheit im größeren Bereich variierbar ist und die kontaktlos und damit verschleißfrei eine praktisch unbegrenzte Lebensdauer besitzt. Da die Größe der induzierten Spannung zum einen von der Stärke des Magnetfeldes, d.h. durch den Spulenstrom durch die zweite Kontaktierungseinheit, zum anderen durch die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine beeinflusst wird, kann in einer weiteren vorteilhaften Ausführung eine variable Steuerung der Stromübertragung in Abhängigkeit der Motordrehzahl vorgesehen sein, die bei zunehmender Motordrehzahl und gleicher Aktuatorstellung einen absinkenden Anregungsstrom in der zweiten Kontaktierungseinheit bereitstellt. Eine derartige Regelung kann insbesondere von einer Steuereinrichtung, die in einem Motorsteuergerät einer Verbrennungskraftmaschine umfasst ist, vorgenommen werden. Somit kann eine kontaktlose Stromübertragung realisiert werden, wobei den Grundsätzen der generatorischen Stromerzeugung folgend eine variable Steuerung des Stroms durch die zweite Kontaktierungseinrichtung vorgesehen ist, um bei variierenden Drehzahlen eine gewünschte Nockenwellenverstellung bereitstellen zu können.
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Neben den beiden für die Bestromung des Aktuators notwendigen Kontaktierungseinrichtungen können weitere Kontaktierungseinrichtungen vorteilhafterweise angeordnet sein, um weitere Aktuator- oder Sensorsignalen, insbesondere eines Nockenwellensensorsignals einer Relativwinkelposition zwischen Stator- und Rotoreinheit zu übertragen oder weitere Sensordaten bzw. Aktuatorstelldaten zwischen rotierendem und feststehender Kontaktierungseinheiten zu übertragen.
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Hierdurch können berührungslos oder kontaktbehaftet beispielsweise Nockenwellenverstellwinkel übertragen werden oder Sensorsignale zur Schmierung oder anderen Informationen zwischen erster und zweiter Kontaktierungseinheit ausgetauscht werden.
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In einem nebengeordneten Aspekt betrifft die Erfindung ein Nachrüstset, das zumindest einen Aktuator, ein Aktuatorgehäuse und eine Kontaktierungseinrichtung zur Nachrüstung oder Reparatur einer Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung umfasst, um diese erfindungsgemäß bereitzustellen. So können konventionelle Nockenwellenverstellvorrichtungen, in denen beispielsweise ein stehender Aktuator durch eine mechanische Kraftkopplung eine Betätigung eines rotierenden Hydraulikventils bereitstellt oder die bereits aus dem Stand der Technik genannte Ausführungsform durch den vorgeschlagenen Nachrüstsatz derart umgebaut werden, um die Vorteile der Erfindung zu erreichen. Ein derartiger Nachrüstsatz umfasst zumindest einen Aktuator mit formangepasstem Aktuatorgehäuse und eine Kontaktierungseinrichtung, die zum Teil am Aktuatorgehäuse und zum Teil am stehenden Teil beispielsweise einer Motorabdeckung oder am Motorblock angeordnet ist, und die eine Stromübertragung zwischen stehendem und rotierendem Teil der Nockenwellenverstellvorrichtung herstellt, wobei eine Abdichtung von Nockenwellenverstellvorrichtung gegenüber dem Motorraum erreicht wird. Das Nachrüstset kann zur Reparatur einer vorgeschlagenen Nockenwellenverstellvorrichtung als auch für eine Umrüstung einer aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellenverstellvorrichtung in eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung verwendet werden.
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Die Bürsten können in einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung als Kohlebürsten ausgeführt sein.
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In einer weiteren besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung können die Schleifringe auf einer Oberfläche des Aktuatorgehäuses oder eines ruhenden Gehäuseteils angeordnet sein. Dies erleichtert den Abtrag von Kohlestaub zu Bereichen außerhalb der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung. In besonders vorteilhafter Weise kann überdies eine Lippe aus Kunststoff oder Gummi vorgesehen sein, welche die beiden Kontaktierungseinheiten voneinander trennt.
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ZEICHNUNGEN
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der vorliegenden Zeichnungsbeschreibung. In der Zeichnung sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnung, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen:
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1 ein Querschnitt durch ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung;
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2 ein Querschnitt durch eine zweite Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung;
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3 ein Aktuator zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung, der gleichsam in einem Nachrüstset umfasst sein kann;
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4 ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Aktuators zur Verwendung in einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung, die in einem Nachrüstset umfasst sein kann;
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5 verschiedene Ausführungsformen eines Aktuatorgehäuses mit einer ersten Kontaktierungseinheit;
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6 eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung.
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert.
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Die 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer Nockenwellenverstellvorrichtung 10, bei der eine scheibenförmige Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 eine Statoreinheit 16 und eine Rotoreinheit 18 umfasst. Die Statoreinheit 16 ist drehfest mit einem Riemenrad 72 verbunden, und wird über einen Antriebsriemen 78 synchron mit einer nicht dargestellten Kurbelwelle einer Verbrennungskraftmaschine angetrieben. Die Rotoreinheit 18 kann hydraulisch gegenüber der Statoreinheit 16 in einem Winkelbereich relativ verdreht werden, um das mit der Rotoreinheit 18 drehfest verbundene Nockenwellenrohr 14 gegenüber der Winkelposition der Statoreinheit 16 zu verändern. Hierdurch kann der Öffnungs- und Schließzeitpunkt von Ein- und Auslassventil einer Verbrennungskraftmaschine je nach Betriebsphase verändert werden, um eine optimale Effizienz der Verbrennungskraftmaschine zu erreichen. Zur Steuerung des Hydraulikflusses, die die Verstellung zwischen Rotor- und Statoreinheit 16, 18 bewirkt, ist in einer zentralen Ausnehmung der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 eine hülsenförmige Ventileinrichtung 20 angeordnet, die in Richtung der Abtriebsseite 68 der Rotoreinheit, an der das Nockenwellenrohr 14 anschließt, über eine Rückstellfeder 88 gelagert ist, und die über einen Aktuator 22 axial verschiebbar einen Hydraulikfluss zur Verstellung des Relativwinkels zwischen Rotor- und Statoreinheit 16, 18 steuern kann. Auf der der Abtriebsseite 68 gegenüber liegenden Aktuatorseite 70 der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 ist ein Aktuator 22 vorgesehen, der elektromagnetisch durch eine Magnetspule 60 einen ferromagnetischen Anker 84 – verbunden mit einem Aktuatorstift 62 – längs verschiebbar bewegen kann, wodurch eine Proportionalverstellung des Steuerkolbens der Ventileinrichtung 20 bewirkt wird. Durch eine konische Ausbildung eines Teils des umgebenden Eisenpaketes wird eine Linearisierung des Ansprechverhaltens des Ankers bezüglich des Stromflusses durch die Magnetspule 60 bewirkt. Der Aktuatorstift 62 des Ankers 84 kann in einem Gleitlager 82 geführt sein, wobei Anker 84 mit Aktuatorstift 62 durch eine Rückstellfeder 88 im stromlosen Zustand in eine Ausgangsstellung rückgeführt werden kann. Die Magnetspule 60 des Aktuators 22 ist über Verbindungsleitungen 76 mit Schleifringen 46 verbunden, die an einer axialen Stirnfläche des Aktuatorgehäuses 40 in Richtung Motorgehäuse 34 angeordnet sind. Das Aktuatorgehäuse 40 ist mit der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 verflanscht und weist eine als O-Ringdichtung ausgeführte ruhende Dichtung 54 auf, die einerseits fluiddicht an einer Verriegelungsscheibe 38 der Nockenwellenverstellvorrichtung 10 und andererseits an dem Motorgehäuse 34 anliegt. Mit dieser O-Ringdichtung wird verhindert, dass Öl aus der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung austritt. Somit ist eine fluiddichte Abgrenzung zwischen Nockenwelle und Antriebskasten des Antriebsriemens 78 gegeben. Das Aktuatorgehäuse 40 ist topfförmig und rotationssymmetrisch ausgestaltet und nimmt in seinem axial hervorspringenden Zentralbereich den Anker 84 des Aktuators 22 auf, und definiert die Verschiebestrecke, in der das Hydraulikventil 20 eingestellt werden kann. Zur Kontaktierung der Schleifringe 46 der ersten Kontaktierungseinheit 26 ist an einer Gehäuseabdeckung 32 einer Motorabdeckung 36, die das Antriebsgehäuse des Zahnriemens abdeckt, ein Satz elektrischer Kohlebürsten 48 der zweiten Kontaktierungseinheit 28 angeordnet. Diese werden mittels Bürstenfedern 80 gegen die Schleifringe 46 gepresst, und können eine hohe Lebensdauer erreichen und eine zuverlässige Stromübertragung herstellen. Die beiden Kohlebürsten 48 sind über eine Ansteuerleitung 74 mit einer Steuereinrichtung 66 verbunden, die die Hydraulikventilstellung und somit den relativen Versatzwinkel der Nockenwelle in Abhängigkeit von diversen Motorparametern einstellen kann.
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Das in 2 dargestellte Ausführungsbeispiel ist zu großen Teilen ähnlich zu dem in 1 dargestellten Ausführungsbeispiel, jedoch ist das Aktuatorgehäuse 40 andersartige aufgebaut. Das Aktuatorgehäuse 40 weist keinen deutlich hervorspringenden mittleren Zentralbereich zur Aufnahme des Ankers 84 mit Stift 62 des Aktuators 22 auf, reicht allerdings tief in die Zentralscheibe der Nockenwellenverstellvorrichtung hinein, und weist einen formkomplementären Flanschbereich auf, die die Aktuatorspule 60 aufnimmt. Somit wird ein nur geringfügig in den Bauraum 42 des Antriebsriemenkastens 58 hineinragenden Aktuator 22 erreicht. Kontaktiert werden die in der axialen Endfläche 50 angeordneten Schleifringe 46 wiederum durch Bürsten 48, wobei die Bürsten 48 der zweiten Kontaktierungseinheit 28 in diesem Fall an einer Motorabdeckung 36, der den gesamten Motor seitlich und nach oben abdeckt, befestigt sind. Durch Zugänglichmachung des Motors bei Abnahme der Motorabdeckung 36 ist die Nockenwellenverstellvorrichtung 10 stromlos, so dass die Bürsten 48 gewartet werden können. An der Motorabdeckung 36 ist ein Steckverbindungsmittel 44 vorgesehen, das steckbar die Ansteuerleitung 74 zu einer Steuereinrichtung 66 mit den Bürsten 48 der zweiten Kontaktierungseinheit verbindet.
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Die 3 zeigt wie die 4 ein Ausführungsbeispiel eines Aktuators 22, wobei der in 3 dargestellte Aktuator 22 über eine Gleitkontakteinrichtung 24 verfügt, bei denen Bürsten 48 einer zweiten Kontaktierungseinheit 28 auf Schleifringe 46 der ersten Kontaktierungseinheit 26 pressen, und die Schleifringe 46 in einem Aktuatorgehäuse 40 angeordnet sind. Die Schleifringe 46 sind in die axiale Endoberfläche 50 des Aktuatorgehäuses 40 vertieft eingesetzt, um eine mechanische Führung der Bürsten 48 bereit zu stellen und die Schleifringe 46 vor Verschmutzung und mechanischer Beschädigung zu schützen. Bürstenfedern 80 pressen die Kohlebürsten 48 gegen die Schleifringe 46. Der Aktuatorstift 62 zur Betätigung des Steuerkolbens der Ventileinrichtung 20 ist entlang einer Drehachse 30 der Nockenwelle axial verschiebbar. Der Aktuatorstift 62 ist an einem Anker 84 befestigt, der innerhalb einer Trennhülse frei verschiebbar ist. Diese Trennhülse ist mit deren Bodenbereich an einer hutförmigen Ausbuchtung des Aktuatorgehäuses 40 abgestützt. Die zweite Kontakteinheit 28 ist in einer Motorabdeckung 36 angeordnet, die an einen Motorblock 34 verflanscht ist. Die Schleifringe 46 sind über Verbindungsleitungen 76 mit der Magnetspule 60 des Aktuators 22 verbunden, wobei bei Stromfluss der ferromagnetische Stift 62 in Richtung der Nockenwelle gedrückt wird und somit die Stellung einer Hydraulikeinrichtung 20 derart verändert, dass eine Rotor- gegenüber einer Statoreinheit 16, 18 der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 in einen positiven oder negativen Relativwinkel verdrehbar ist. Das Aktuatorgehäuse 40 weist eine ruhende Dichtung 54 auf, die die rotierende Nockenwelle fluiddicht gegenüber dem Bauraum 42 eines Antriebsriemenkastens 58 abgrenzt. Der ferromagnetische Aktuatorstift 62 ist in einem Gleitlager 82 geführt.
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Alternativ zu der in 3 dargestellten Ausführungsform eines gleitkontaktierten Aktuators 22 ist in 4 ein kontaktlos stromübertragender Aktuator 22 dargestellt, bei dem die elektrische Energie über eine erste Induktionsspule 56a der stehenden zweiten Kontakteinheit 28 zu einer zweiten rotierenden Magnetspule 56b der ersten Kontakteinheit 26 übertragen wird. Dies erfolgt im Sinne eines Generatorprinzips, wobei die Spulen 56a der zweiten Kontakteinheit 28 mit Gleich- oder Wechselstrom bestromt werden können und durch die Drehbewegung die durch einen Antriebsriemen auf die rotierende Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung ausgeübt wird, Strom in die Induktionsspulen 56b der ersten Kontakteinheit 26 induziert werden. Der induzierte Wechselstrom wird zu der Magnetspule 60 geleitet, und kann eine axiale Verschiebung des Aktuatorstift 62 bewirken. Die Höhe des induzierten Stroms ist abhängig zum einen von der Größe des Magnetfeldes der durch die Magnetspulen 56a der zweiten Kontakteinheit 28 erzeugt wird, zum anderen von der Drehfrequenz, die von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine abhängt. In vorteilhafter Weise kann eine konstante Regelung eines Nockenwellenverstellwinkels bei verschiedenen Drehzahlen dadurch erreicht werden, dass die Steuereinrichtung 66, die über eine Ansteuerleitung 74 mit den Magnetspulen 56a verbunden ist, derart den Strom in die Induktionsspulen 56 a vorgibt, so das bei höheren Drehzahlen ein geringeres Magnetfeld erzeugt wird, um einen gleichbleibenden Strom in den Aktuatorspulen 60 zu erzeugen. Hierzu ist ein Steuer- bzw. Regelmechanismus erforderlich, der in Abhängigkeit von der Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine den Induktionsstrom regelt, der durch eine Steuereinrichtung 66 ausgeführt werden kann.
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Schließlich zeigt 5 drei Ausführungsformen von Aktuatorgehäusen 40, auf denen in allen Fällen Schleifringe 46a, 46b einer ersten Kontaktierungseinheit 26 angeordnet sind. Das Aktuatorgehäuse 40 ist hutförmig aufgebaut und weist zwei axiale Endabschnitte 50a und 50b sowie einen Umfangsabschnitt 52 auf, der sie in Richtung des Bauraums des Riemenkastens 58 erstreckt. Hierzu trägt eine weitere axiale Umfangsfläche des Aktuatorgehäuses 40 eine ruhende Dichtung 54, um eine Fluidabdichtung zwischen Nockenwelle und besagtem Bauraum herzustellen. Zwei Befestigungslaschen dienen zur Befestigung des Gehäuses 40 am Antriebsrad der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12. Die beiden Schleifringe 46a, 46b weisen jeweils Kontaktfahnen 86a und 86b auf, an denen Ansteuerleitungen 74 für die Magnetfeldspule 60 eines Aktuators 22 angeschlossen werden können. Die Schleifringe 46 sind vorteilhaft vertieft im Gehäuse der Gehäuseoberfläche angeordnet, um Bürsten mechanisch zu führen und die Schleifringe vor Verschmutzung und mechanischer Beschädigung zu schützen.
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In der 5a sind die Schleifringe auf der axialen Endfläche 50 a des Aktuatorgehäuses 40 angeordnet. In der 5b sind beide Schleifringe 46 auf der Umfangsfläche 52 angeordnet. In 5c sind beide Schleifringe auf der axialen Endfläche 50 b des Aktuatorgehäuses 40 angeordnet. Dabei ist ein Schleifring 46a als Schleiffläche kreisförmig ausgestaltet, so dass eine Kontaktspitze verwendet werden kann. Die axiale Endfläche 50b weist in den Bauraum 42 eines Antriebsriemenkastens 48 hinein und gibt somit Raum zu einer hohen axialen Längsverschiebbarkeit eines Aktuatorstifts 62, um je nach Bedarf verschiedene Schaltstellungen des Proportionalventils bereitstellen zu können.
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Der Aktuator 22 kann mit einer Verriegelungsscheibe der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 verbunden sein und kann spannend nachgearbeitet und mit Schleifringen versehen sein. Durch eine oder mehrere Dichtungen kann das Aktuatorgehäuse fluiddicht den Nockenwellenversteller 12 gegenüber einem Antriebsriemenkasten abdichten. Anstelle der Schleifringe 46 auf dem Aktuatorgehäuse 40 können Bürsten angeordnet sein, und die Schleifringe 46 in der feststehenden zweiten Kontaktierungseinheit 28 angeordnet sein. Als Randparameter für die Dimensionierung wird ein Durchmesser des äußeren Schleifrings 46 von etwa 40 bis 50 mm vorgeschlagen, wobei eine maximale Gleitgeschwindigkeit bei einer Drehzahl von 3500 Umdrehungen pro Minute bei etwa 7,6 m/s liegen kann. Die maximale Stromübertragung kann 2 bis 3 Ampere betragen, wobei eine Nockenwellenverstellbarkeit in einem Temperaturbereich von –40°C bis 150°C gegeben sein soll. Die Schleifringe 46 können eine Breite von 2 bis 5 mm, insbesondere 3,5 mm aufweisen, wobei die Bürstenkohle einen Durchmesser oder eine Breite von etwa 1,5 mm haben sollte. Es wird angestrebt, dass zumindest eine Lebensdauer der Gleitstrecke von etwa 2,5·107 m erreicht werden kann. Die zweite Kontaktierungseinheit 28 kann im Antriebsriemenkasten 58 eines Motors angeordnet sein, und die Nockenwelle 14 ist gegenüber dem Motorblock 34 abgedichtet. Hierdurch kann eine hohe Korrosionsbeständigkeit insbesondere der Antriebsmechanik des Nockenwellenverstellers 12 erreicht werden. Der axiale Abstand zwischen erster und zweiter Kontakteinheit 26, 28 kann zumindest 1 mm, oder weniger betragen.
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Zusätzlich zum an sich trockenen Zahnriemenkasten ist dieser Zahnriemen zusätzlich mittels einer Dichtung 100, wie in 1 dargestellt, nach außen abgedichtet.
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Die Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung 12 kann auch aus Kunststoff hergestellt sein. In diesem Fall ist die Verriegelungsscheibe 38 einteilig mit dem Riemenrad 72 und der Statoreinheit 16 ausgeführt. Die Verriegelungsscheibe 38 muss nicht auf der vom Motor abgewandten Seite der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung angeordnet sein. Es ist auch möglich, die Verriegelungsscheibe 38 auf der dem Motor zugewandten Seite der Schwenkmotornockenwellenverstelleinrichtung anzuordnen.
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6 zeigt in einer weiteren Ausführungsform der Erfindung den Aktuator 22, entsprechend der in den 1 oder 2 dargestellten Ausführungsformen. Dabei ist ersichtlich, dass ein magnetisierbarer Metallring 101 radial außerhalb der Magnetspule 60 in den Kunststoff des Aktuatorgehäuses 40 eingebettet ist. Die beiden Schleifringe 46 sind auf einer Oberfläche 102 des Aktuatorgehäuses 40 angeordnet. Die beiden Schleifringe 46 könnten alternativ auch auf dem ruhenden Gehäuseteil 32 angeordnet sein.
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In 2 bis 4 und 6 sind Aktuatorgehäuse 40 aus Kunststoff zu sehen, in die jeweils ein magnetisierbarer Metallring 101 zur Führung von Magnetfeldlinien für den elektromagnetischen Aktuator eingelegt ist. In alternativen Ausgestaltungen ist es möglich, stattdessen das Aktuatorgehäuse aus magnetisierbarem Metall – insbesondere Stahlblech – zu fertigen, so dass zur Herstellung des Magnetflusses um die Magnetspule 60 kein Einlegeteil notwendig ist. Das Aktuatorhäuse dient somit als Eisenjoch zur Führung der magnetischen Feldlinien für einen elektromagnetischen Aktuator.
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Die ruhende Dichtung 54 kann beispielsweise als O-Ringdichtung, als Flachdichtung, als Papierdichtung, als Dichtmasse, als eine dichtende Gewindeform oder als Kunststoffdichtung ausgeführt sein.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Nockenwellenverstellvorrichtung
- 12
- Nockenwellenverstelleinrichtung
- 14
- Nockenwellenrohr
- 16
- Statoreinheit
- 18
- Rotoreinheit
- 20
- Ventileinrichtung
- 22
- Aktuator
- 24
- Kontaktierungseinrichtung
- 26
- Erste rotierende Kontaktierungseinheit
- 28
- Zweite stehende Kontaktierungseinheit
- 30
- Drehachse
- 32
- Ruhendes Gehäuseteil
- 34
- Motorgehäuse, Motorblock
- 36
- Motorabdeckung
- 38
- Verriegelungsscheibe
- 40
- Aktuatorgehäuse
- 42
- Bauraum eines Nockenwellenantriebsmittels
- 44
- Steckverbindungsmittel
- 46
- Schleifring
- 48
- Bürste
- 50
- axiale Endfläche des Aktuatorgehäuse
- 52
- Umfangsfläche des Aktuatorgehäuse
- 54
- Dichtung des Aktuatorgehäuses
- 56
- Induktionsspule
- 58
- Antriebsriemenkasten
- 60
- Magnetspule des Aktuators
- 62
- Beweglicher ferromagnetischer Aktuatorstift
- 64
- Ventilgegenfeder
- 66
- Steuereinrichtung
- 68
- Abtriebsseite der Rotoreinheit der Nockenwellenverstelleinrichtung
- 70
- Aktuatorseite der Nockenwellenverstelleinrichtung
- 72
- Riemenrad
- 74
- Ansteuerleitung für Aktuator
- 76
- Verbindungsleitung erste Kontakteinheit zur Magnetspule
- 78
- Antriebsriemen
- 80
- Bürstenfeder
- 82
- Gleitlager des Aktuators
- 84
- Anker
- 86
- Kontaktfahne
- 88
- Rückstellfeder
- 101
- magnetisierbarer Metallring
- 102
- Oberfläche des Aktuatorgehäuses
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102009035632 B3 [0002]
