DE102013216184B4 - Nockenwellenversteller - Google Patents
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Abstract
Nockenwellenversteller (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein in einem Gehäuse angeordnetes, eine Stellwelle (8) aufweisendes Verstellgetriebe (6), wobei das Gehäuse fest mit einem Antriebsrad (4) eines Zugmittelgetriebes verbunden ist, und wobei eine Wandung des Gehäuses als zur Nockenwelle (3) konzentrische Lagerhülse (5) ausgebildet ist, die durch eine Zylinderkopfwandung (2) geführt ist, wobei ein zwischen der Nockenwelle (3) und der Lagerhülse (5) gebildeter Ringspalt (13) innerhalb des Zylinderkopfes und das mit der Lagerhülse (5) verbundene Antriebsrad (4) außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist, wobei die Stellwelle (8) mittels eines Kugellagers (10) im Verstellgetriebe (6) gelagert ist, welches sich zwischen den beiden Stirnseiten des Antriebsrades (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (5) gegenüber der Zylinderkopfwandung (2) durch einen Dichtring (7) abgedichtet ist, dessen Innendurchmesser (D7i) geringer als ein Außendurchmesser (D9a) eines die Stellwelle (8) gegenüber der Lagerhülse (5) abdichtenden Dichtrings (9) ist.
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft einen für eine Brennkraftmaschine, insbesondere mit riemengetriebener Nockenwelle, geeigneten Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
- Hintergrund der Erfindung
- Ein derartiger Nockenwellenversteller ist aus der
DE 10 2010 018 205 A1 bekannt. Ein Antriebsrad dieses Nockenwellenverstellers ist fest mit einem Zwischenteil verbunden, welches sich von dem Antriebsrad in Richtung der Nockenwelle erstreckt. Ein Bereich an dem Zwischenteil ist als Radial- und Axialgleitlager zur Lagerung der Nockenwelle in einem Zylinderkopf vorgesehen. - Ein weiterer Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
WO 2006/ 045 389 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 derWO 2006/ 045 389 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. - Aufgabe der Erfindung
- 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.
- Beschreibung der Erfindung
- 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.
- 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.
- Das Verstellgetriebe ragt 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. Die Stellwelle ist im Verstellgetriebe mittels eines Kugellagers gelagert, welches sich zwischen den beiden Stirnseiten des Antriebsrades befindet.
- 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.
- 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.
- Ein weiterer, ebenfalls klein dimensionierter Dichtring ist zur Abdichtung der Lagerhülse gegenüber der Zylinderkopfwandung vorgesehen. Der Innendurchmesser dieses Dichtrings ist 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 Nachgiebig-keit 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.
- 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.
- 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.
- 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.
- 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. Das Gehäuse des Verstellgetriebes, welches größtenteils durch die Lagerhülse gebildet ist, umschließt einen Schmierstoffraum, welcher beispielsweise befettet oder mit Öl geschmiert ist.
- Figurenliste
- Nachfolgend wird ein Ausführungsbeispiel der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigt:
-
1 in einer Schnittdarstellung einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnung
- 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 Nockenwellenverstellers1 wird auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen. - Als Komponente der Brennkraftmaschine ist in
1 andeutungsweise eine Zylinderkopfwandung2 sichtbar. Der in der Anordnung nach1 links von der Zylinderkopfwandung2 liegende Raum befindet sich außerhalb des Zylinderkopfes; der Raum rechts der Zylinderkopfwandung2 befindet sich innerhalb des Zylinderkopfes. Innerhalb des Zylinderkopfes befindet sich auch eine mit dem Bezugszeichen3 gekennzeichnete Nockenwelle. Ein die Nockenwelle3 antreibendes Riemenrad4 befindet sich dagegen auf der Außenseite des Zylinderkopfes. Beim Riemenrad4 handelt es sich um ein trocken laufendes Antriebsrad eines Zugmittelgetriebes. - Das Riemenrad
4 ist fest verbunden mit einer Lagerhülse5 , welche eine Getriebekomponente eines insgesamt mit dem Bezugszeichen6 gekennzeichneten Verstellgetriebes darstellt, welches die Funktionalität des Nockenwellenverstellers1 , das heißt die Verstellung der Phasenbeziehung zwischen dem Riemenrad4 und der Nockenwelle3 , herstellt. - Die Lagerhülse
5 erstreckt sich in axialer Richtung der Nockenwelle3 durch die Zylinderkopfwandung2 hindurch und ist gegenüber dieser mittels eines Dichtrings7 abgedichtet. Im Bereich der Durchführung durch die Zylinderkopfwandung2 ist die Lagerhülse5 gegenüber direkt anschließenden, außerhalb beziehungsweise innerhalb des Zylinderkopfes liegenden Bereichen signifikant verjüngt. Der maximale Außendurchmesser der Lagerhülse5 ist mitDV bezeichnet. Die Nockenwelle3 weist einen mitDN bezeichneten maximalen Außendurchmesser auf, welcher mehr als 90 % des maximalen AußendurchmessersDV der Lagerhülse5 beträgt. - Eine Stellwelle
8 des Verstellgetriebes6 befindet sich zentrisch innerhalb der Lagerhülse5 und ist gegenüber dieser durch einen Dichtring9 abgedichtet. Ein Kugellager10 dient der Lagerung der Stellwelle8 im Verstellgetriebe6 . Das Kugellager10 ist als zweireihiges Lager ausgebildet, wobei sich ein Innenring11 unmittelbar auf der Stellwelle8 befindet und ein Außenring12 unmittelbar eine Innenwandung der Lagerhülse5 kontaktiert. Das Kugellager10 befindet sich axial zwischen den beiden Stirnseiten des Riemenrads4 . Auf der der Zylinderkopfwandung2 abgewandten Stirnseite des Riemenrads4 ragt als einzige Komponente des Verstellgetriebes6 die Stellwelle8 in axialer Richtung etwas über das Riemenrad4 hinaus. - Beim Betrieb der Brennkraftmaschine mit konstanter Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle
3 ist drehfeste Verbindung zwischen dem Riemenrad4 und der Nockenwelle3 , entsprechend einem Nockenwellenantrieb ohne Nockenwellenversteller, hergestellt. In diesem Betriebszustand rotiert die Stellwelle8 mit der Drehzahl der Nockenwelle3 , das heißt mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Stellwelle8 wird hierbei durch einen Elektromotor angetrieben, wie prinzipiell beispielsweise aus derWO 2006/ 074 734 A1 bekannt. Beim Verstellgetriebe6 handelt es sich um ein hoch übersetztes Dreiwellengetriebe. Wird die Stellwelle8 gegenüber dem Riemenrad4 durch den nicht dargestellten elektromotorischen Antrieb um einen bestimmten Winkel verdreht, so verdreht sich die Nockenwelle3 gegenüber dem Riemenrad4 um einen sehr viel kleineren Winkel. Die der Zylinderkopfwandung2 zugewandte Stirnseite der Nockenwelle3 begrenzt einen Ringspalt13 , welcher auch durch eine Stirnseite der Lagerhülse5 innerhalb des Zylinderkopfs begrenzt ist. Der Ringspalt13 ist somit zwischen zueinander verstellbaren Teilen, nämlich einerseits der fest mit dem Riemenrad4 verbundenen Lagerhülse5 und andererseits der Nockenwelle3 , gebildet. Ein gesondertes Dichtelement ist am Ringspalt13 nicht vorhanden. Aus dem Ringspalt13 austretendes Öl fließt in den Zylinderkopf. - Was die Dichtringe
9 ,7 innerhalb beziehungsweise außerhalb der Lagerhülse5 betrifft, gelten folgende Bezeichnungen und Relationen: - Der Außendurchmesser
D9a des Dichtrings9 ist größer als der InnendurchmesserD7i des Dichtrings7 in der Zylinderkopfwandung2 . Weiterhin ist der AußendurchmesserD9a des Dichtrings9 zwischen Lagerhülse5 und Stellwelle8 kleiner als der maximale DurchmesserDN der Nockenwelle3 . Durch die geringen Abmessungen der Dichtringe7 ,9 in radialer Richtung werden Vorteile sowohl hinsichtlich beim Betrieb des Nockenwellenverstellers1 zu berücksichtigender Toleranzen als auch hinsichtlich der durch die Dichtringe7 ,9 erzeugten Bremsmomente erzielt. - Die in radialer Richtung äußerst platzsparende Bauweise des Nockenwellenverstellers
1 wird auch dadurch begünstigt, dass die Lagerhülse5 nicht nur ein Gehäuseteil, sondern auch eine Getriebekomponente des Verstellgetriebes6 darstellt. Eine Innenverzahnung14 der Lagerhülse5 befindet sich in dem außerhalb der Zylinderkopfwandung2 angeordneten Teil der Lagerhülse5 . Eine weitere Innenverzahnung15 des Verstellgetriebes6 befindet sich dagegen in dem innerhalb des Zylinderkopfes angeordneten Teil des Nockenwellenverstellers1 . Der innerhalb des Zylinderkopfes liegende Teil des Nockenwellenverstellers1 weist eine axiale LängeLA auf, die größer als der DurchmesserDN der Nockenwelle3 ist. Insgesamt füllt der Nockenwellenversteller1 damit in axialer Richtung Bauraum aus, welcher teils im Riemenrad4 , teils in der Zylinderkopfwandung2 , sowie teils innerhalb der Nockenwelle3 liegt. Durch die Konzentration der mechanischen Komponente des Nockenwellenverstellers1 nahe um die Rotationsachse der Nockenwelle3 ist zudem ein nur geringes Trägheitsmoment des Nockenwellenverstellers1 gegeben, was besonders günstig hinsichtlich der möglichen Verstellgeschwindigkeiten sowie der Anforderungen an den zum Antrieb der Stellwelle8 verwendeten Elektromotor ist. - Bezugszeichenliste
-
- 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
Claims (9)
- Nockenwellenversteller (1) für eine Brennkraftmaschine, umfassend ein in einem Gehäuse angeordnetes, eine Stellwelle (8) aufweisendes Verstellgetriebe (6), wobei das Gehäuse fest mit einem Antriebsrad (4) eines Zugmittelgetriebes verbunden ist, und wobei eine Wandung des Gehäuses als zur Nockenwelle (3) konzentrische Lagerhülse (5) ausgebildet ist, die durch eine Zylinderkopfwandung (2) geführt ist, wobei ein zwischen der Nockenwelle (3) und der Lagerhülse (5) gebildeter Ringspalt (13) innerhalb des Zylinderkopfes und das mit der Lagerhülse (5) verbundene Antriebsrad (4) außerhalb des Zylinderkopfes angeordnet ist, wobei die Stellwelle (8) mittels eines Kugellagers (10) im Verstellgetriebe (6) gelagert ist, welches sich zwischen den beiden Stirnseiten des Antriebsrades (4) befindet, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (5) gegenüber der Zylinderkopfwandung (2) durch einen Dichtring (7) abgedichtet ist, dessen Innendurchmesser (D7i) geringer als ein Außendurchmesser (D9a) eines die Stellwelle (8) gegenüber der Lagerhülse (5) abdichtenden Dichtrings (9) ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D9a) des Dichtrings (9) geringer als der maximale Durchmesser (DN) der Nockenwelle (3) ist. - Nockenwellenversteller (1)
Anspruch 1 oder2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Stellwelle (8) mittels eines zweireihigen Kugellagers (10) im Verstellgetriebe (6) gelagert ist. - Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der maximale Außendurchmesser (DV) der Lagerhülse (5) um höchstens 30% größer als der maximale Außendurchmesser (DN) der Nockenwelle (3) ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lagerhülse (5) eine Getriebekomponente des Verstellgetriebes (6) bildet, wobei mindestens eine Innenverzahnung (14) unmittelbar am Innenumfang der Lagerhülse (5) gebildet ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 5 , dadurch gekennzeichnet, dass sowohl auf der Außenseite der Zylinderkopfwandung (2) als auch auf der Innenseite der Zylinderkopfwandung (2) jeweils eine Innenverzahnung (14,15) des Verstellgetriebes (6) angeordnet ist. - Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sich ein Abschnitt des Verstellgetriebes (6) innerhalb der Nockenwelle (3) befindet, dessen in axialer Richtung der Nockenwelle (3) gemessene Länge (LA) größer als der maximale Außendurchmesser (DN) der Nockenwelle (3) ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellgetriebe (6) als Drei-Wellen-Getriebe ausgebildet ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse des Verstellgetriebes (6) einen Schmierstoffraum umschließt und das Antriebsrad (4) als Riemenrad ausgebildet ist.
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