DE102013203955A1

DE102013203955A1 - Hydraulische Nockenwellenvorrichtung mit kugelabschnittsartiger Verriegelung

Info

Publication number: DE102013203955A1
Application number: DE102013203955.7A
Authority: DE
Inventors: Norbert Radinger; Olaf Boese; Sebastian Krüger
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2013-03-08
Filing date: 2013-03-08
Publication date: 2014-09-25
Anticipated expiration: 2033-03-09
Also published as: US9657610B2; WO2014135158A1; US20150377085A1; CN105026698B; CN105026698A; DE102013203955B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung (1) vom Flügelzellentyp, mit einem Stator (2) und einem konzentrisch sowie innerhalb davon drehbar angeordneten Rotor (3), wobei eine Verriegelungseinrichtung (6) zum Ausschließen einer Drehung zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) zwischen diesen beiden Bauteilen (2, 3) so angeordnet ist, dass ein Verriegelungselement (7) der Verriegelungseinrichtung (6) eine die Drehung blockierenden Formschluss hervorruft, wobei das Verriegelungselement (7) nach Art einer Platte mit zwei Seiten ausgebildet ist, die über eine ballige Außenkontur (19) verbunden sind.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung vom Flügelzellentyp, mit einem Stator und einem konzentrisch sowie innerhalb davon drehbar angeordneten Rotor, wobei eine Verriegelungseinrichtung zum Ausschließen einer Drehung zwischen dem Rotor und dem Stator bzw. einem statorfesten Bauteil axial zwischen dem Rotor und dem Stator angeordnet ist, so dass ein Verriegelungselement der Verriegelungseinrichtung einen die Drehung des Rotors raltiv zum Stator blockierenden Formschluss hervorruft. Hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtungen vom Flügelzellentyp mit Verriegelungseinrichtungen, welche stiftartige oder pinartige Verriegelungselemente einsetzen, sind zur Genüge bekannt.
Dabei wird normalerweise der Rotor gegen eine Relativdrehung zum Stator entweder in einer Position gesichert, in der ein Flügel des Rotors in Anlage mit dem Stator ist, oder in einer Mittenverriegelungsposition gesichert, also in einer Position, in welcher der Flügel zwischen seinen Extrempositionen befindlich ist.
Aufgrund ihrer speziellen Funktionsweise bauen Verriegelungsbolzen oder Verriegelungspins axial leider sehr groß und verbrauchen relativ viel des axialen Bauraums des gesamten Nockenwellenverstellers. Dieser Bauraum ist jedoch begrenzt. Die Bolzen brauchen jedoch ein Mindestmaß an Verriegelungstiefe, um sicher zu verriegeln. Dies ist der axialen Länge des Nockenwellenverstellers / der Nockenwellenverstellvorrichtung ebenfalls nicht zuträglich. Das System erfährt im Lastfall auch hohe Kräfte, was aufwändige Gegenmaßnahmen dann notwendig macht. Leider ist des Weiteren die Herstellung der Einzelteile relativ teuer.
Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, hier Abhilfe zu schaffen und die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden. Insbesondere besteht die Aufgabe darin, eine Verriegelung zu realisieren, welche in ihrer Herstellung kostenoptimiert ist, möglichst wenige Bauteile benötigt und trotzdem hohe Kräfte übertragen kann. Auch soll eine Verringerung des axialen Bauraums des Nockenwellenverstellers / der Nockenwellenverstellvorrichtung ermöglicht werden. Es soll insbesondere eine Mittenverriegelung erreichbar sein, bei der möglichst ohne Rotorfestanschläge ausgekommen wird.
Offenbarung der Erfindung
Bei einem gattungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenversteller bzw. einer gattungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung wird diese Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Verriegelungselement nach Art einer Platte mit zwei Seiten ausgebildet ist, die über eine ballige Außenkontur verbunden sind. Die ballige Außenkontur ist als in zwei zueinander senkrecht stehenden Dimensionen gerundete Form gekennzeichnet.
Unter Verwendung bspw. eines Kugelabschnittes wird der Rotor relativ zum Stator bei Bedarf gegen Verdrehen verriegelt. Werden mehrere Kugelabschnitte in logischer Verknüpfung miteinander verwendet, so kann der Rotor mittig relativ zum Stator bei Bedarf gegen Verdrehen verriegelt werden.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind insbesondere in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend näher erläutert.
So ist es von Vorteil, wenn das Verriegelungselement als Ellipsoidabschnitt oder als Kugelabschnitt ausgebildet ist. Wird insbesondere ein Kugelabschnitt gewählt, so kann ein gleichmäßiges, reibarmes und störungsfreies Ausklappen des Verriegelungselementes aus einer sie aufnehmenden Halterung realisiert werden.
Um im Falle, dass keine Verriegelung gewünscht ist, eine reibungslose Relativrotation zwischen dem Stator und dem Rotor zu ermöglichen, ist es von Vorteil, wenn das Verriegelungselement unter Zwischenschaltung einer Feder in ein Sackloch eingesetzt ist, wobei das Sackloch an einer Stirnseite des Rotors oder einer dem Rotor zugewandten Stirnseite eines statorfesten Bauteils, wie einem am Stator befestigten Deckel, vorhanden ist. Bei diesen zwei Varianten ist jedoch eindeutig das Einsetzen des Verriegelungselementes in einem Sackloch des Rotors von Vorteil, das als Bohrung ausgeformt sein kann. Natürlich ist es auch möglich, dass das Sackloch als Durchgangsloch weitergebildet wird, ebenfalls als Bohrung, allerdings muss dann auf die Ölleitungen im Inneren des Rotors geachtet werden, um diese nicht zu verletzen. Damit die Feder sicher aufgenommen werden kann, ist es von Vorteil, wenn das Sackloch eine vorzugsweise quaderförmige Vertiefung am Grund aufweist, in die die Feder zumindest teilweise eingesetzt ist. Es kann natürlich auch eine würfelförmige Vertiefung gewählt werden, wobei jedoch grundsätzlich die Rechteckform der Grundfläche der Vertiefung von Vorteil ist, da sie besonders einfach anbringbar ist und viel Gestaltungsfreiheit gewährleistet.
Ein vorteilhaftes Ausführungsbeispiel ist auch dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement in einer Ausnehmung am statorfesten Bauteil, wie dem Deckel, rotationshemmend eingreift oder in einer Ausnehmung der Stirnseite des Rotors rotationshemmend eingreift. Auch hier ist die erste der beiden Varianten besonders zweckmäßig. Eine Weiterbildung ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die Ausnehmung eine U-förmige oder hufeisenförmige Außenkontur hat (wobei die Schenkel miteinander verbunden sind) und/oder sich ein Ausnehmungsgrund bis zur Oberfläche des statorfesten Bauteils oder der Stirnseite des Rotors schräg oder angestellt erstreckt. Aufgrund der Schrägstellung oder Anstellung kann ein guter Formschluss erreicht werden.
Zweckmäßig ist es ferner, wenn wenigstens zwei Verriegelungselemente vorhanden sind, um eine Mittenverriegelung zu realisieren. Dadurch kann den gesteigerten Anforderungen moderner Verbrennungskraftmaschinen Rechnung getragen werden.
Wenn die Verriegelungselemente und die jeweilige Feder jeweils so in eines für beide Bauteile vorgesehenes Loch eingesetzt sind, dass die jeweilige Feder zumindest einen Teil des ihr zugeordneten Verriegelungselementes so axial bewegt oder schwnekt, dass eine Drehung des Rotors in jedwede Richtung unterbindbar ist, so kann auf den Anschlag eines Flügels am Stator verzichtet werden.
Es ist auch von Vorteil, wenn auf jeder Stirnseite des Rotors eine Verriegelungseinrichtung vorhanden ist. Eine besonders effiziente Ausnutzung des axialen Bauraums ist dann die Folge.
Wenn zwei Verriegelungseinheiten auf derselben Seite des Rotors vorhanden sind, so kann die Wartung und Montage erleichtert werden.
Die Kosten lassen sich reduzieren, wenn die Feder als vorzugsweise abgeknickter Blechstreifen, Schraubendruckfeder, Gummi-, Kautschuk- oder Elastomerelement ausgebildet ist.
Die konstruktive Anordnung eines Kugelabschnitts zur Rotationsunterbindung des Rotors relativ zum Stator ist somit eine neuartige Methode und führt zu einer verbesserten hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung. Der Rotor des Nockenwellenverstellers ist im Stator montiert und wird durch zwei Scheiben oder Deckel axial abgeschlossen. Im Rotor selbst befindet sich stirnseitig eine Vertiefung, in die das kugelabschnittsartige Verriegelungselement samt einem Federelement platziert wird. Die Vertiefung ist maßlich so ausgeführt, dass bei Montage der Scheibe / des Deckels, der Kugelabschnitt völlig in die Vertiefung eintaucht und bündig mit einer Planfläche des Rotors bzw. der Scheibe / dem Deckel abschließt. Das Federelement wird dadurch in dieser Position gespannt.
In der Scheibe befindet sich an einer definierten Position eine rampenförmige Vertiefung mit einer einseitigen Anschlagfläche. Wenn nun der Rotor relativ zum Stator und den daran befestigten Scheiben verdreht wird, wandert der Kugelabschnitt ebenfalls relativ zu den Scheiben und dem Stator. Erreicht dieser Kugelabschnitt die Vertiefung, so entspannt sich das Federelement gemäß der Rampe in der Vertiefung. Der Kugelabschnitt rastet also in die Vertiefung ein und verhindert so ein Weiterdrehen des Rotors. Wird der Rotor nun entgegen der vorhergehenden Drehrichtung bewegt, folgt der Kugelabschnitt der Rampe und spannt das Federelement wieder vor. Der Rotor ist damit wieder entriegelt.
Im Stator sind ein oder mehrere Festanschläge für den Rotor integriert, die die Möglichkeit des Verdrehens beider Partner begrenzen. Wird nun der Rotor an einen Festanschlag gebracht, kann mit Hilfe des Kugelabschnitts der Rotor komplett eingesperrt werden. Ein Verdrehen ist dann nicht mehr möglich.
Um das Gesamtsystem danach wieder entriegeln zu können, muss der Kugelabschnitt von der Deckelseite her mit Öldruck beaufschlagt werden, um den Kugelabschnitt wieder in die Vertiefung zurückzudrücken. Dadurch ist der Rotor wieder frei und kann verdreht werden.
Wird eine Mittenverriegelung mit zwei Verriegelungselementen realisiert, so muss eine leichte Variation vorgenommen werden. Da der Kugelabschnitt normalerweise immer nur in eine Richtung das Verdrehen blockieren kann und bei der Mittenposition ohne andere Festanschläge gearbeitet werden muss, ist es zwingend erforderlich, dass wenigstens zwei Kugelabschnitte gleichzeitig in gegenläufiger Anordnung verwendet werden. Da so je Kugelabschnitt eine Drehrichtung abgefangen werden kann, ist dies eine probate Möglichkeit.
Sobald beide Kugelabschnitte eingerastet sind, ist der Rotor in beide Drehrichtungen gefangen und die Position fixiert. Um das Gesamtsystem dann wieder entriegeln zu können, müssen die Kugelabschnitte von der Deckelseite der einen Stirnseite und/oder der anderen Stirnseite her mit Öldruck beaufschlagt werden, um die Kugelabschnitte wieder in die jeweilige Vertiefung zurückzudrücken. Dadurch ist der Rotor wieder frei und kann verdreht werden.
Die beiden Kugelabschnitte können entweder am gleichen Flügel auf einer Seite, am gleichen Flügel gegenüberliegend an verschiedenen Flügeln oder gegenüberliegend angebracht werden. Sie können auch auf der gleichen Seite des Lagerdurchmessers des Rotors oder gegenüberliegend zueinander angebracht werden.
Für die Funktion ist es von Vorteil, wenn die Kugelabschnitte auf dem gleichen Teilkreis liegen, da sonst unterschiedliche Umfangskräfte wirken.
Die Erfindung wird auch mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in der unterschiedliche Ausführungsbeispiele wiedergegen sind. Es zeigen:
1 eine Draufsicht auf einige Teile einer erfindungsgemäßen hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung, u.a. auf den in einem Stator verbauten Rotor,
2 einen Schnitt entlang der Linie II durch die in 1 dargestellten Bauteile,
3 einen Schnitt entlang der Linie III durch die in 1 dargestellten Bauteile,
4 eine Ansicht von oben ohne Deckel auf die hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung aus 1 mit zusätzlich eingesetzter Feder und darauf befindlichem Verriegelungselement in einer als Sackloch ausgebildeten Ausnehmung des Rotors,
5 einen Schnitt entlang der Linie V durch die Bauteile aus 4,
6 einen Schnitt entlang der Linie VI durch die Bauteile aus 4,
7 eine perspektivische Darstellung nur des Rotors der Ausführungsbeispiele der 1 und 4,
8 eine vergrößerte Darstellung im Längsschnitt durch einen an dem Rotor im Bereich dessen Stirnseite anschließenden Deckels mit darin vorhandener rampenartiger Ausnehmung zum Eingreifen des Verriegelungselementes,
9 eine perspektivische Darstellung nur des Deckels von Seiten des Rotors her gesehen,
10 eine Darstellung nur des Verriegelungselementes, das als Kugelabschnitt ausgebildet ist,
11 eine Seitenansicht des Verriegelungselementes aus 11,
12 der unverriegelte Zustand im Schnitt durch einen Abschnitt der hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung,
13 der verriegelte Zustand der hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung in einer zur 12 vergleichbaren Darstellungsart,
14 eine zweite Ausführungsform einer hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung in einer zur 1 vergleichbaren Weise, nämlich ohne Deckel,
15 einen Schnitt entlang der Linie XV durch die Bauteile aus 14,
16 einen Schnitt entlang der Linie XVI durch die Bauteile aus 14,
17 die Bauteile aus 14 mit jedoch eingesetzten Federn und Verriegelungselementen,
18 einen Schnitt entlang der Linie XVIII aus 17,
19 einen Schnitt entlang der Linie XIX durch die Bauteile aus 17,
20 eine Darstellung auf einen mit Deckel versehenen hydraulischen Nockenwellenversteller mit zwei Verriegelungseinrichtungen,
21 einen Schnitt entlang der Linie XXI durch die Bauteile aus 20,
22 einen Schnitt entlang der Linie XXII aus 20,
23 eine Darstellung von oben auf eine dritte Ausführungsform einer hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung mit an beiden Stirnseiten des Rotors befindlichen Verriegelungseinrichtungen, und
24 einen Schnitt entlang der Linie XIV durch die Bauteile aus 23. Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In 1 sind einige Bauteile einer ersten Ausführungsform einer hydraulischen Nockenwellenverstellvorrichtung 1 dargestellt. Die Nockenwellenverstellvorrichtung 1 ist vom Flügelzellentyp und weist einen Stator 2 auf, innerhalb dessen ein Rotor 3 ausgebildet ist, der radial abstehende Flügel 4 aufweist, welche in zwischen dem Stator 2 und dem Rotor 3 gebildete Flügelzellen 5 eingreifen.
Unter Vorgriff auf die 4 und 5 sei schon erwähnt, dass die Nockenwellenverstellvorrichtung 1 auch eine Verriegelungseinrichtung 6 aufweist, die zumindest ein Verriegelungselement 7 und eine Feder 8 umfasst. Das Verriegelungselement 7 und die Feder 8 sind in eine als Sackloch ausgebildete Ausnehmung 9 eingelegt. Dabei ist in der Ausnehmung 9 noch eine weiter ins Rotorinnere ragende quaderförmige Vertiefung 10 vorhanden.
Die räumliche Erstreckung von Stator 2 und Rotor 3 wird in der Gesamtschau der 2 und 3 ersichtlich.
Wie insbesondere in Zusammenschau der 4 bis 6 klar wird, ist das Verriegelungselement 7 als plattenartiger Kugelabschnitt 11 ausgebildet, der sich über die Feder 8 am Rotor 3 abstützt, wobei der Kugelabschnitt 11 in die sacklochgrundferne Erweiterung der Vertiefung 10, also in die Ausnehmung 9 passend, einsetzbar ist. Ist der Kugelabschnitt 11 ganz in die Ausnehmung 9 eingesetzt, komprimiert er also die Feder 8 maximal, so ist die sacklochgrundferne Planfläche des Kugelabschnitts 11 fluchtend mit einer Stirnseite 12 des Rotors 3 ausgerichtet.
In 7 ist die kreuzförmige Anordnung der Flügel 4 auf der Außenseite des Rotors 3 angedeutet.
Ein am Stator befestigbarer Deckel 13 weist ebenfalls eine Ausnehmung 14 auf, in die das Verriegelungselement 7, also der Kugelabschnitt 11, eingreifen kann. Dabei ist die Ausnehmung 14 mit einem rampenförmigen Grund 15 der Ausnehmung 14 des Deckels 13 versehen.
Wie in 9 zu erkennen, weist in einer Draufsicht die Ausnehmung 14 eine Art hufeisenförmige oder U-förmige Außenkontur auf, wobei die durch den Grund gebildete Rampe/Schräge 16 absatzlos in eine Planfläche 17 des Deckels 13 übergeht.
In den 10 und 11 ist eine singuläre Darstellung des Verriegelungselementes 7 wiedergegeben, das nach Art eines Kugelabschnitts 11 ausgebildet ist. Zwischen zwei planen Stirnflächen 18, die die Seiten einer Platte sind, ist eine ballige Außenkontur 19 vorhanden. Die ballige Außenkontur folgt einer Kugelform, wobei im Übergang zu den Stirnflächen 18 eine Abrundung oder Fase 20 vorgesehen ist.
In den 12 und 13 ist einmal der entriegelte und einmal der verriegelte Zustand des Rotors 3 am Deckel 13 dargestellt.
In den 14 bis 22 ist eine weitere Ausführungsform dargestellt, die zwei Verriegelungseinrichtungen 6 verwendet. Hier sind insbesondere die 17 bis 19 und 20 bis 22 aufschlussreich.
Während in den 14 bis 16 die zweite Ausführungsform ohne einen Deckel dargestellt ist, ist in den 20 bis 22 dieser Deckel 13 dargestellt. In den 17 bis 19 (ohne Deckel) sind die Verriegelungselemente 7 dargestellt, die in den Darstellungen aus 14 bis 16 fehlen.
In dem in den 23 und 24 dargestellten Ausführungsbeispiel sind zwei Verriegelungseinrichtungen 6 verbaut und greifen in jeweils einen Deckel 13 ein, wobei ein Deckel 13 auf der einen Stirnseite des Rotors 3 befindlich ist und der andere Deckel auf der anderen Stirnseite angeordnet ist.
Bezugszeichenliste

1: Nockenwellenverstellvorrichtung
2: Stator
3: Rotor
4: Flügel
5: Flügelzelle
6: Verriegelungseinrichtung
7: Verriegelungselement
8: Feder
9: Ausnehmung
10: Vertiefung
11: Kugelabschnitt
12: Stirnseite
13: Deckel
14: Ausnehmung des Deckels
15: Grund der Ausnehmung des Deckels
16: Rampe/Schräge
17: Planfläche
18: Stirnfläche des Kugelabschnitts
19: ballige Außenkontur
20: Abrundung

Claims

Hydraulische Nockenwellenverstellvorrichtung (1) vom Flügelzellentyp, mit einem Stator (2) und einem konzentrisch sowie innerhalb davon drehbar angeordneten Rotor (3), wobei eine Verriegelungseinrichtung (6) zum Ausschließen einer Drehung zwischen dem Rotor (3) und dem Stator (2) zwischen diesen beiden Bauteilen (2, 3) so angeordnet ist, dass ein Verriegelungselement (7) der Verriegelungseinrichtung (6) eine die Drehung blockierenden Formschluss hervorruft, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) nach Art einer Platte mit zwei Seiten ausgebildet ist, die über eine ballige Außenkontur (19) verbunden sind.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) als Ellipsoidabschnitt oder als Kugelabschnitt ausgebildet ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) unter Zwischenschaltung einer Feder (8) in ein Sackloch eingesetzt ist, wobei das Sackloch an einer Stirnseite (12) des Rotors (3) vorhanden ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Sackloch eine Vertiefung (10) am Grund aufweist, in die die Feder (8) zumindest teilweise eingesetzt ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (7) in einer Ausnehmung (14) am statorfesten Bauteil, wie dem Deckel (13), rotationshemmend eingreift oder in eine Ausnehmung der Stirnseite des Rotors (3) rotationshemmend eingreift.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Verriegelungselemente (7) vorhanden sind, um eine Mittenverriegelung zu realisieren.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungselemente (7) und die jeweilige Feder (8) so in jeweils eines für beide Bauteile vorgesehenes Loch eingesetzt sind, dass die jeweilige Feder (8) zumindest einen Teil des ihr zugeordneten Verriegelungselementes (7) so axial bewegt, dass eine Drehung des Rotors (3) in jedwede Richtung unterbindbar ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass auf ihrer Stirnseite des Rotors (3) eine Verriegelungseinrichtung (6) vorhanden ist.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass zwei Verriegelungseinrichtungen (6) auf derselben Seite des Rotors (3) vorhanden sind.
Nockenwellenverstellvorrichtung (1) nach einem der Ansprüche 3 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (8) als Blechstreifen ausgebildet ist.