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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit riemengetriebener Nockenwelle, geeigneten Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Hintergrund der Erfindung
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Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
WO 2006/045389 A1 bekannt. Dieser Nockenwellenversteller weist ein gegenüber der Umgebung abgedichtetes Gehäuse auf, welches fest mit einem Riemenrad verbunden ist. Das Riemenrad wird über einen Zahnriemen von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben, so dass eine feste Phasenbeziehung zwischen der Winkelstellung des Riemenrads und der Winkelstellung der Kurbelwelle gegeben ist. Das Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers ist radial innerhalb des Riemenrads angeordnet und ermöglicht eine Verstellung der Phasenbeziehung zwischen Riemenrad und Nockenwelle der Brennkraftmaschine. Der gesamte Nockenwellenversteller nach der
WO 2006/045389 A1 ist auf der Außenseite des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine angeordnet. In dem Gehäuse des Nockenwellenverstellers befindet sich ein Schmiermittel, wobei die Schmierung als Lebensdauerschmierung ausgelegt ist. Verschiedene statische und dynamische Dichtungen sorgen für die dauerhafte Abdichtung des Gehäuses des Nockenwellenverstellers.
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Aufgabe der Erfindung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich einer kompakten, robusten Bauweise bei gleichzeitig zuverlässiger Abdichtung sowie eines energiesparenden Betriebes, weiterzuentwickeln.
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Beschreibung der Erfindung
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Dieser Nockenwellenversteller ist für eine Brennkraftmaschine, beispielsweise einen Ottomotor, vorgesehen, welche mindestens eine von einem Zugmittel, insbesondere einer Kette oder einem Zahnriemen, über ein Antriebsrad, beispielsweise Riemenrad, angetriebene Nockenwelle umfasst.
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Ein Verstellgetriebe als funktionelle Kernkomponente des Nockenwellenverstellers weist ein Gehäuse auf, welches mit dem Antriebsrad, insbesondere Riemenrad, fest verbunden oder einstückig ausgebildet ist. Eine zur Nockenwelle konzentrische Stellwelle des Verstellgetriebes ist vorzugsweise durch einen Elektromotor angetrieben. Dieser Elektromotor befindet sich in an sich bekannter Weise ebenso wie das Antriebsrad des Zugmittelgetriebes auf der Außenseite einer Zylinderkopfwandung der Brennkraftmaschine. Im Unterschied zum Stand der Technik ragt das Verstellgetriebe jedoch in den Zylinderkopf hinein, wobei sich ein zwischen der Nockenwelle und einer Lagerhülse gebildeter Ringspalt innerhalb des Zylinderkopfes befindet. Die Lagerhülse stellt hierbei eine Wandung des Gehäuses des Verstellgetriebes dar und ist durch die Zylinderkopfwandung geführt und auf deren Außenseite mit dem Antriebsrad des Zugmittelgetriebes, insbesondere Riemengetriebes, drehfest verbunden.
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Wird durch den Nockenwellenversteller die Phasenbeziehung zwischen dem Riemen- oder sonstigen Antriebsrad und damit auch der Kurbelwelle einerseits und der Nockenwelle andererseits verstellt, so werden auch die den Ringspalt begrenzenden Teile, nämlich die Lagerhülse und die Nockenwelle, gegeneinander verdreht. Eine an dieser Stelle zwischen den Teilen wirkende gesonderte dynamische Dichtung ist in bevorzugter Ausgestaltung nicht vorgesehen.
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Dichtungen, welche gegeneinander verdrehbare Teile abdichten, sind dagegen in der Zylinderkopfwandung sowie auf der Außenseite der Zylinderkopfwandung vorgesehen. Die Stellwelle, welche sich zentrisch innerhalb der Lagerhülse des Nockenwellenverstellers befindet, ist gegenüber der Lagerhülse vorzugsweise durch einen Dichtring abgedichtet, welcher sich auf der von der Zylinderkopfwandung abgewandten Stirnseite des Verstellgetriebes und damit auch des Antriebsrads befindet. Dieser Dichtring weist in bevorzugter Ausgestaltung einen Außendurchmesser auf, welcher geringer als der maximale Durchmesser der Nockenwelle ist.
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Ein weiterer, ebenfalls klein dimensionierter Dichtring ist zur Abdichtung der Lagerhülse gegenüber der Zylinderkopfwandung vorgesehen. Der Innendurchmessers dieses Dichtrings ist vorzugsweise geringer als der Außendurchmesser des erstgenannten, die Stellwelle gegenüber der Lagerhülse abdichtenden Dichtrings. Der maximale Außendurchmesser der Lagerhülse ist vorzugsweise um höchstens 30%, beispielsweise um höchstens 20%, insbesondere um höchstens 10%, größer als der maximale Außendurchmesser der Nockenwelle. Kein Teil des Verstellgetriebes weist in bevorzugter Ausgestaltung einen größeren Durchmesser als die Lagerhülse auf. Durch die Anordnung der genannten Dichtringe radial nahe an der Rotationsachse des vorzugsweise als Riemenrad ausgebildeten Antriebsrades und damit auch der Nockenwelle werden Toleranzketten innerhalb des Nockenwellenantriebs kurz gehalten, so dass Dichtringe mit sehr geringer radialer Nachgiebigkeit und gleichzeitig schon aufgrund der geringen Wirkdurchmesser geringer Reibung verwendbar sind, welche langfristig gleichbleibende Eigenschaften aufweisen. Zudem ist die Anzahl der abzudichtenden Stellen im Vergleich zu herkömmlichen Lösungen äußerst gering.
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In einer abgewandelten Ausführungsform ist das mit der Lagerhülse verbundene Antriebsrad als Zahnrad ausgebildet, wobei der Antrieb der Nockenwelle beispielsweise über eine Königswelle erfolgen kann. Auch in diesem Fall ist das Antriebsrad außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet.
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Der in radialer Richtung innerhalb des Antriebsrades zur Verfügung stehende, prinzipiell durch ein Getriebe vollständig ausfüllbare Bauraum wird in bevorzugter Ausgestaltung durch das Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers nur zu einem relativ geringen Teil ausgenutzt. Vorzugsweise beträgt der Außendurchmesser der Lagerhülse höchstens 50%, insbesondere höchstens 30%, des Durchmessers des Antriebsrades.
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In axialer Richtung, bezogen auf die Rotationsachse der Nockenwelle sowie des Antriebsrades, sind die Komponenten des Nockenwellenverstellers dagegen wesentlich ausgedehnter als bei Lösungen nach dem Stand der Technik. Die in axialer Richtung gemessene Gesamtlänge des Nockenwellenverstellers ist vorzugsweise mindestens doppelt so groß wie der Durchmesser der Lagerhülse, wobei sämtliche Getriebekomponenten des Verstellgetriebes innerhalb des Außendurchmessers der Lagerhülse angeordnet sind.
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Vorzugsweise bildet die Lagerhülse selbst eine Getriebekomponente des Verstellgetriebes, wobei mindestens eine Innenverzahnung unmittelbar am Innenumfang der Lagerhülse geformt ist. In besonders bevorzugter Weise ist sowohl auf der Außenseite der Zylinderkopfwandung als auf der Innenseite der Zylinderkopfwandung jeweils mindestens eine Innenverzahnung des Verstellgetriebes angeordnet. Das gesamte Verstellgetriebe ist vorzugsweise als Dreiwellengetriebe ausgebildet. Die in axialer Richtung gemessene Ausdehnung eines innerhalb der Nockenwelle liegenden Abschnitts des Verstellgetriebes ist vorzugsweise größer als der maximale Außendurchmesser der Nockenwelle.
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Das Gehäuse des Verstellgetriebes, welches größtenteils durch die Lagerhülse gebildet ist, umschließt einen Schmierstoffraum, welcher beispielsweise befettet oder mit Öl geschmiert ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnung
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Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
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1 in einer Schnittdarstellung einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine.
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Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
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Ein insgesamt mit den Bezugszeichen 1 gekennzeichneter Nockenwellenversteller dient der Verstellung der Steuerzeiten nicht dargestellter Gaswechselventile eines als Ottomotor oder Dieselmotor ausgebildeten Verbrennungsmotors, allgemein auch als Brennkraftmaschine bezeichnet. Hinsichtlich der prinzipiellen Funktion des Nockenwellenverstellers 1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen.
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Als Komponente der Brennkraftmaschine ist in 1 andeutungsweise eine Zylinderkopfwandung 2 sichtbar. Der in der Anordnung nach 1 links von der Zylinderkopfwandung 2 liegende Raum befindet sich außerhalb des Zylinderkopfes; der Raum rechts der Zylinderkopfwandung 2 befindet sich innerhalb des Zylinderkopfes. Innerhalb des Zylinderkopfes befindet sich auch eine mit dem Bezugszeichen 3 gekennzeichnete Nockenwelle. Ein die Nockenwelle 3 antreibendes Riemenrad 4 befindet sich dagegen auf der Außenseite des Zylinderkopfes. Beim Riemenrad 4 handelt es sich um ein trocken laufendes Antriebsrad eines Zugmittelgetriebes.
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Das Riemenrad 4 ist fest verbunden mit einer Lagerhülse 5, welche eine Getriebekomponente eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 6 gekennzeichneten Verstellgetriebes darstellt, welches die Funktionalität des Nockenwellenverstellers 1, das heißt die Verstellung der Phasenbeziehung zwischen dem Riemenrad 4 und der Nockenwelle 3, herstellt.
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Die Lagerhülse 5 erstreckt sich in axialer Richtung der Nockenwelle 3 durch die Zylinderkopfwandung 2 hindurch und ist gegenüber dieser mittels eines Dichtrings 7 abgedichtet. Im Bereich der Durchführung durch die Zylinderkopfwandung 2 ist die Lagerhülse 5 gegenüber direkt anschließenden, außerhalb beziehungsweise innerhalb des Zylinderkopfes liegenden Bereichen signifikant verjüngt. Der maximale Außendurchmesser der Lagerhülse 5 ist mit DV bezeichnet. Die Nockenwelle 3 weist einen mit DN bezeichneten maximalen Außendurchmesser auf, welcher mehr als 90% des maximalen Außendurchmessers DV der Lagerhülse 5 beträgt.
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Eine Stellwelle 8 des Verstellgetriebes 6 befindet sich zentrisch innerhalb der Lagerhülse 5 und ist gegenüber dieser durch einen Dichtring 9 abgedichtet. Ein Kugellager 10 dient der Lagerung der Stellwelle 8 im Verstellgetriebe 6. Das Kugellager 10 ist als zweireihiges Lager ausgebildet, wobei sich ein Innenring 11 unmittelbar auf der Stellwelle 8 befindet und ein Außenring 12 unmittelbar eine Innenwandung der Lagerhülse 5 kontaktiert. Das Kugellager 10 befindet sich axial zwischen den beiden Stirnseiten des Riemenrads 4. Auf der der Zylinderkopfwandung 2 abgewandten Stirnseite des Riemenrads 4 ragt als einzige Komponente des Verstellgetriebes 6 die Stellwelle 8 in axialer Richtung etwas über das Riemenrad 4 hinaus.
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Beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit konstanter Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle
3 ist drehfeste Verbindung zwischen dem Riemenrad
4 und der Nockenwelle
3, entsprechend einem Nockenwellenantrieb ohne Nockenwellenversteller, hergestellt. In diesem Betriebszustand rotiert die Stellwelle
8 mit der Drehzahl der Nockenwelle
3, das heißt mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Stellwelle
8 wird hierbei durch einen Elektromotor angetrieben, wie prinzipiell beispielsweise aus der
WO 2006/074734 A1 bekannt. Beim Verstellgetriebe
6 handelt es sich um ein hoch übersetztes Dreiwellengetriebe. Wird die Stellwelle
8 gegenüber dem Riemenrad
4 durch den nicht dargestellten elektromotorischen Antrieb um einen bestimmten Winkel verdreht, so verdreht sich die Nockenwelle
3 gegenüber dem Riemenrad
4 um einen sehr viel kleineren Winkel. Die der Zylinderkopfwandung
2 zugewandte Stirnseite der Nockenwelle
3 begrenzt einen Ringspalt
13, welcher auch durch eine Stirnseite der Lagerhülse
5 innerhalb des Zylinderkopfs begrenzt ist. Der Ringspalt
13 ist somit zwischen zueinander verstellbaren Teilen, nämlich einerseits der fest mit dem Riemenrad
4 verbundenen Lagerhülse
5 und andererseits der Nockenwelle
3, gebildet. Ein gesondertes Dichtelement ist am Ringspalt
13 nicht vorhanden. Aus dem Ringspalt
13 austretendes Öl fließt in den Zylinderkopf.
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Was die Dichtringe 9, 7 innerhalb beziehungsweise außerhalb der Lagerhülse 5 betrifft, gelten folgende Bezeichnungen und Relationen:
Der Außendurchmesser D9a des Dichtrings 9 ist größer als der Innendurchmesser D7i des Dichtrings 7 in der Zylinderkopfwandung 2. Weiterhin ist der Außendurchmesser D9a des Dichtrings 9 zwischen Lagerhülse 5 und Stellwelle 8 kleiner als der maximale Durchmesser DN der Nockenwelle 3. Durch die geringen Abmessungen der Dichtringe 7, 9 in radialer Richtung werden Vorteile sowohl hinsichtlich beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 zu berücksichtigender Toleranzen als auch hinsichtlich der durch die Dichtringe 7, 9 erzeugten Bremsmomente erzielt.
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Die in radialer Richtung äußerst platzsparende Bauweise des Nockenwellenverstellers 1 wird auch dadurch begünstigt, dass die Lagerhülse 5 nicht nur ein Gehäuseteil, sondern auch eine Getriebekomponente des Verstellgetriebes 6 darstellt. Eine Innenverzahnung 14 der Lagerhülse 5 befindet sich in dem außerhalb der Zylinderkopfwandung 2 angeordneten Teil der Lagerhülse 5. Eine weitere Innenverzahnung 15 des Verstellgetriebes 6 befindet sich dagegen in dem innerhalb des Zylinderkopfes angeordneten Teil des Nockenwellenverstellers 1. Der innerhalb des Zylinderkopfes liegende Teil des Nockenwellenverstellers 1 weist eine axiale Länge LA auf, die größer als der Durchmesser DN der Nockenwelle 3 ist. Insgesamt füllt der Nockenwellenversteller 1 damit in axialer Richtung Bauraum aus, welcher teils im Riemenrad 4, teils in der Zylinderkopfwandung 2, sowie teils innerhalb der Nockenwelle 3 liegt. Durch die Konzentration der mechanischen Komponente des Nockenwellenverstellers 1 nahe um die Rotationsachse der Nockenwelle 3 ist zudem ein nur geringes Trägheitsmoment des Nockenwellenverstellers 1 gegeben, was besonders günstig hinsichtlich der möglichen Verstellgeschwindigkeiten sowie der Anforderungen an den zum Antrieb der Stellwelle 8 verwendeten Elektromotor ist.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Zylinderkopfwandung
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Riemenrad, Antriebsrad
- 5
- Lagerhülse
- 6
- Verstellgetriebe
- 7
- Dichtring
- 8
- Stellwelle
- 9
- Dichtring
- 10
- Kugellager
- 11
- Innenring
- 12
- Außenring
- 13
- Ringspalt
- 14
- Innenverzahnung
- 15
- Innenverzahnung
- D7i
- Innendurchmesser des Dichtrings 7
- D9a
- Außendurchmesser des Dichtrings 9
- DN
- maximaler Außendurchmesser der Nockenwelle
- DV
- maximaler Außendurchmesser der Lagerhülse
- LA
- axiale Länge des innerhalb des Zylinderkopfes liegenden Teils des Nockenwellenverstellers
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- WO 2006/045389 A1 [0002, 0002]
- WO 2006/074734 A1 [0021]
