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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine ist beispielsweise aus der
EP 1 979 582 B1 bekannt. Der Nockenwellenversteller weist in seinem Grundaufbau einen von einer Kurbelwelle antreibbaren Stator und einen drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor auf. Zwischen dem Stator und dem Rotor ist ein Ringraum vorgesehen, welcher durch drehfest mit dem Stator verbundene, radial nach innen ragende Vorsprünge in eine Mehrzahl von Arbeitskammern unterteilt ist, die jeweils durch einen radial von dem Rotor nach außen abragenden Flügel in zwei Druckräume unterteilt sind. Je nach Beaufschlagung der Druckräume mit einem Druckmittel wird der Rotor gegenüber dem Stator und damit auch die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle in Richtung „früh” oder „spät” verstellt. Die bislang bekannte Unterteilung des Nockenwellenverstellers in Stator und Rotor hat den Nachteil, dass der Rotor einen Teil der Nockenwelle umschließen muss und somit der erforderliche Bauraum vergrößert wird. Weiterhin ist für die Montage des Rotors auf der Nockenwelle ein radiales Spiel zwischen der Nockenwelle und der Aufnahmepassung des Rotors erforderlich, was im Betrieb zu einem Rundlauffehler führen kann. Ein weiterer Nachteil der bisher bekannten Nockenwellenversteller ist ihr Eigengewicht, das es zu reduzieren gilt. Bisherige Lösungsansätze, z. B. in der
DE 101 34 320 A1 , konzentrieren sich darauf, diese Problematik durch die Verwendung von Leichtbaumaterialien zu lösen. Ein weiterer Lösungsansatz zur Gewichtseinsparung durch verschiedenförmige Ausnehmungen des Rotors wird in der
WO 2011/098331 A1 beschrieben.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen kostengünstigen Nockenwellenversteller mit einem reduzierten Gewicht bereitzustellen.
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Die Aufgabe wird durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß den Grundgedanken der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe vorgeschlagen, dass der Rotor durch einen Abschnitt der Nockenwelle gebildet ist und die Flügel drehfest mit diesem Abschnitt der Nockenwelle verbunden sind. Gemäß der vorgeschlagenen Lösung wird der Rotor durch einen Abschnitt der Nockenwelle ersetzt und die Flügel drehfest mit diesem Abschnitt der Nockenwelle verbunden. In Kombination mit dem Stator entsteht dadurch ein Ringraum, der durch die Statorstege in Arbeitskammern unterteilt ist und an der Innenseite durch einen Abschnitt der Nockenwelle begrenzt ist. Die radial innen liegende Begrenzung des Ringraums wird somit von der Nockenwelle übernommen, was zu einer Materialeinsparung und damit auch zu einer Gewichtsreduktion führt. Dies hat ein geringeres rotatives Trägheitsmoment und einen geringeren Rundlauffehler des Nockenwellenverstellers zur Folge. Zusätzlich wird durch den einfachen Aufbau des Nockenwellenverstellers der benötigte Bauraum insbesondere in Radialrichtung und der Montageaufwand reduziert, wodurch sich die Fertigungskosten verringern.
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Ferner ist es von Vorteil, wenn der Abschnitt der Nockenwelle, der den Rotor ersetzt, in Vollmaterial ausgebildet ist. Der Vorteil der vorgeschlagenen Lösung ist darin zu sehen, dass die Druckmittelleitungen durch Bohrungen in der Nockenwelle mit niedrigem Fertigungsaufwand realisiert werden können. Ferner kann der Stator dadurch mittels in die Nockenwelle eingeschraubter Befestigungsschrauben besonders einfach verspannt werden.
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Eine besonders einfache Art der drehfesten Verbindung zwischen der Nockenwelle und den Flügeln kann über eine Nut realisiert werden, in die die Flügel eingelegt werden. Die Nut stellt damit die einzige Spielpassung zwischen Nockenwelle und Stator dar und kann dabei sowohl radial als auch axial verlaufen.
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Die Flügel können weiterhin eine radiale Verschiebbarkeit aufweisen, und durch eine radial nach außen wirkende Kraft im Stator eingespannt sein. Die Flügel können durch diese Ausführungsform für die Montage radial nach innen zusammengeschoben werden. Somit wird das Verspannen von Stator und Flügeln bei der Montage erleichtert. Durch den entstehenden Druck zwischen den radial außen liegenden Flügelenden und der Statorinnenwand wird eine Dichtwirkung erzielt und die gegenseitig wirkenden Druckräume werden Zuverlässig voneinander getrennt.
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Insbesondere können die Flügel so ausgebildet sein, dass sich die Radialkraft eines Flügels auf wenigstens einem im Bezug zur Drehachse der Nockenwelle gegenüberliegenden Flügel abstützt. Dabei sind auch Ausführungsformen mit zwei oder mehreren Flügeln denkbar. Die sich gegenseitig abstützenden Flügel können sich in der Nut hin und her bewegen und somit einen möglichen Rundlauffehler ausgleichen; die Dichtwirkung zwischen den Arbeitskammern bleibt dennoch zu jeder Zeit erhalten.
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Es wird weiter vorgeschlagen, die radiale Kraft auf die Flügel durch ein Federelement, das sich zwischen den sich gegeneinander abstützenden Flügeln befindet, aufzubringen. Alternativ besteht die Möglichkeit, einen sich zwischen den Flügeln befindlichen Druckraum mit Druckmittel zu beaufschlagen und die radiale Kraft auf die Flügel hydraulisch oder pneumatisch aufzubringen.
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Ferner wird vorgeschlagen, an der radial äußeren Seite der Dichtfläche des Stators eine Nut vorzusehen. Durch Einrasten eines Flügels in diese Nut kann eine Initialstellung des Nockenwellenverstellers festgelegt werden, in der der Rotor gegenüber dem Stator verrastet. Diese Initialstellung kann z. B. beim Abstellen des Motors eingenommen werden. Zur Vermeidung von Spiel beim Einrasten des radial äußeren Flügelendes in die Nut kann die Nut an zumindest einer Wand in einem schrägen Winkel zur Flügelfläche verlaufen und sich damit nach radial außen verjüngen. Weiterhin ist die Nut so ausgebildet, dass Druckmittel von radial außen auf mindestens ein Flügelende wirken kann. Dadurch wird das Federelement auf Druck belastet, wodurch sich der Flügelradius verringert und sich das Flügelende aus der Nut bewegen lässt. Bei diesem Lösungsansatz wird der Verriegelungsmechanismus von mindestens einem Flügel, der in die Nut einrastet, übernommen, wodurch auf bislang bekannte Vorrichtungen zur Verriegelung des Rotors gegenüber dem Stator verzichtet werden kann, was zu einer Gewichtsreduktion des Nockenwellenverstellers und zu einem vereinfachten konstruktiven Aufbau des Nockenwellenverstellers führt, Eine alternative Ausführungsform sieht vor, das radial äußere Ende des Flügels konisch zu formen, um damit das mögliche Spiel beim Einrasten in die Nut auszugleichen.
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Eine besonders einfache Art, den Stator in axialer Richtung zu sichern, ist die Verwendung zweier Befestigungsschrauben, die in axialer Richtung mit der Nockenwelle verschraubt werden, wobei der Stator gemeinsam mit einer Befestigungsplatte in axialer Richtung fixiert wird, wobei durch die vordere Nockenwellenkante, an der die Befestigungsplatte in axialer Richtung anliegt, verhindert wird, dass zwischen Stator und Nockenwelle eine zu große Druckkraft entsteht, so dass die mögliche Reibung zwischen dem Rotor und dem Stator begrenzt wird und verhindert wird, dass der Stator drehfest mit der Nockenwelle verspannt wird. Auf eine Schraubenverbindung zwischen Stator und Deckel kann bei dieser Ausführungsform verzichtet werden. Das Drehen von Gewinden für die Schraubenverbindung kann somit im Fertigungsprozess entfallen. Zusätzlich muss der Deckel nicht mit dem Stator verschraubt werden. Die axialen Bohrungen für die Befestigungsschrauben können außerdem in axialer Richtung verlängert werden und können somit zusätzlich als Druckmittelleitungen dienen. Über diese Druckmittelleitungen in den Flügeln kann jeder Druckraum mit Druckmittel beaufschlagt werden. Die Druckmittelleitungen in den Flügeln sind so ausgeführt, dass sie die gleich wirkenden Druckräume mit jeweils einer axialen Druckmittelleitung verbinden. Diese Anordnung erlaubt es, beliebig viele Druckräume über die zwei separaten Druckmittelleitungen im Inneren der Nockenwelle zu steuern. Auf eine zusätzliche Anbringung von weiteren Druckmittelleitungen kann bei dieser Ausführungsform verzichtet werden.
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Außerdem wird vorgeschlagen, dass sich die Statorstege unmittelbar an der Nockenwelle abstützen. Auf eine zusätzliche Lagerung der Nockenwelle kann somit verzichtet werden, was eine einfachere Montage und eine Reduzierung des Gewichts zur Folge hat. Zusätzlich kann der Stator so ausgebildet sein, dass die Seitenwände der Arbeitskammer für die Flügelflächen einen Anschlag bilden.
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Weiterhin kann die Befestigungsplatte zur Aufnahme eines ersten Endes eines zweiten Federelementes vorgesehen werden, wobei das zweite Ende des zweiten Federelementes mit dem Stator verbunden ist. Durch die in Umfangsrichtung wirkende Kraft der Feder zwischen Stator und Befestigungsplatte kann gerade bei einem niedrigen verfügbaren Druckmittelstrom eine unerwünschte Verstellung des Nockenwellenverstellers verhindert werden. Außerdem kann der Rotor dadurch beim Abstellen der Brennkraftmaschine mittels der Federkraft in die Verriegelungsstellung verdreht werden, so dass sich der Rotor bei einem nachfolgenden Starten der Brennkraftmaschine immer in einer definierten Stellung befindet.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. Es zeigen:
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1: eine Nockenwelle in verschiedenen Schnittansichten;
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2: einen erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller in verschiedenen Schnittansichten;
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3: einen Nockenwellenversteller in einer Schnittansicht auf die Befestigungsschrauben; und
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4: einen vergrößerten Ausschnitt eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers.
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In den
1 und
2 sind eine Nockenwelle
2 und ein erfindungsgemäßer Nockenwellenversteller in verschiedenen Schnittansichten abgebildet. Der in diesem Ausführungsbeispiel beschriebene Nockenwellenversteller besteht aus einem mit einer Kurbelwelle drehfest verbindbaren topfförmigen Stator
12 und einem Rotor, wobei der Rotor durch einen Abschnitt der Nockenwelle
2 gebildet ist. Der Stator
12 umgibt die Nockenwelle
2 und bildet so mit ihr einen Ringraum. Zwei statorfeste Statorstege
27 unterteilen den Ringraum in zwei Arbeitskammern
20 und dichten die Arbeitskammer
20 zur Nockenwelle
2 hin ab. Die Arbeitskammern
20 werden durch einen ersten und einen zweiten Flügel
18,
19 in Form von Einzelplatten in zwei entgegengesetzt wirkende Druckräume unterteilt. Durch Beaufschlagen der gleich wirkenden Druckräume mit Druckmittel und Abfuhr des Druckmittels aus den entgegengesetzt wirkenden Druckräumen wird ein Verstellen der Nockenwelle
2 gegenüber der Kurbelwelle in Richtung „früh” oder „spät” erzielt. Das Wirkprinzip dieses Nockenwellenverstellers entspricht dem bereits in den Druckschriften
EP 1 979 582 B1 und
DE 100 24 760 A1 beschriebenen Nockenwellenversteller. Die genannten Druckschriften sind hinsichtlich der Offenbarung des Funktionsprinzips des Nockenwellenverstellers zu dem Offenbarungsgehalt dieser Anmeldung ausdrücklich hinzuzurechnen.
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Die Druckversorgung der Druckräume erfolgt über eine sich axial in Richtung der Drehachse der Nockenwelle 11 erstreckende erste und zweite Druckmittelleitung 3, 4, die aus einer Verlängerung der Bohrungen 29 und 30 einer ersten und einer zweiten Befestigungsschraube 13, 14 gebildet werden. Die Nockenwelle 2 besteht in dem den Rotor ersetzenden Abschnitt aus Vollmaterial. Die externe Versorgung der ersten und zweiten Druckmittelleitung 3, 4 mit Druckmittel erfolgt über eine dritte und vierte radial ausgerichtete Druckmittelleitung 5, 6. Es werden stets zwei in die gleiche Richtung wirkende Druckräume von einer der beiden axial im Inneren der Nockenwelle verlaufenden ersten oder zweiten Druckmittelleitung 3 oder 4 versorgt, während das Druckmittel aus den Druckräumen der anderen Wirkrichtung über die jeweils andere erste oder zweite Druckmittelleitung 3 oder 4 abströmt. Zur Verteilung des Druckmittels auf die Druckräume sind vier radiale fünfte bis achte Druckmittelleitungen 7, 8, 9, 10 vorgesehen, die jeweils über einen in 3 zu erkennenden Anschlussbereich 35 mit der ersten oder der zweiten Druckmittelleitung 3, 4 verbunden sind. Der erste Druckraum der Arbeitskammer 20 ist über die radiale sechste Druckmittelleitung 8 mit der zweiten Druckmittelleitung 4 verbunden; der zweite Druckraum ist über die siebte Druckleitung 9 mit der zweiten Druckmittelleitung 4 verbunden. Analog gilt dies für die zweite Arbeitskammer des Nockenwellenverstellers in diesem Ausführungsbeispiel.
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Die radialen fünfte bis achte Druckmittelleitungen 7, 8, 9, 10 kreuzen konstruktionsbedingt eine erste Nut 1 und damit die in diese erste Nut 1 eingelegten ersten und zweiten Flügel 18, 19. In den Flügelflächen sind deshalb eine neunte und zehnte Druckmittelleitung 16, 17 vorgesehen, die einen Zu- und Abfluss des Druckmittels von der ersten und zweiten Druckmittelleitung 3, 4 in die Druckräume ermöglichen. Die neunte und zehnte Druckmittelleitung 16, 17 sind in Form eines Langlochs ausgeführt. Dies gewährleistet den Druckmitteldurchfluss durch die schräg auf die Flügelfläche treffenden fünften bis achten Druckmittelleitungen 7, 8, 9, 10. Zusätzlich wird durch die Langlochform auch bei einer Verschiebung des ersten und zweiten Flügels 18, 19 im Betrieb relativ zur ersten Nut 1 ein Druckmitteldurchfluss sichergestellt.
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Die beiden ersten und zweiten Flügel 18, 19 sind über die radiale erste Nut 1 formschlüssig drehfest mit der Nockenwelle 2 verbunden. Ferner sind der erste und zweite Flügel 18, 19 über ein sich zwischen den Flügeln 18 und 19 abstützendes erstes Federelement 21 mit einer Innenseite des Stators 12 verspannt. Durch die Druckwirkung zwischen den Flügelenden 33, 34 und der Statorinnenwand 32 werden die beiden Druckräume der Arbeitskammer 20 voneinander getrennt und abgedichtet. 2 zeigt den ersten und zweiten Flügel 18, 19 in der Anschlagposition, weshalb der zweite Druckraum der Arbeitskammer 20 allein durch die Geometrie des Anschlags 24 gebildet wird. An der Statorinnenwand 32 ist eine zweite Nut 22 vorgesehen, in die das erste Flügelende 33 einrasten kann. Die zweite Nut 22 dient zur Festlegung einer Initialposition des ersten und zweiten Flügels 18, 19 und definiert somit einen Relativwinkel zwischen der Nockenwelle 2 und dem Stator 12, in welche der Stator 12 gegenüber der Nockenwelle 2 verrostet. Zur Vermeidung von Spiel beim Einrasten des ersten Flügelendes 33 in die Nut 22, bildet die Wand der Nut 22 mit der Flügelfläche einen Winkel α kleiner als 90°, wodurch eine Abschrägung der Nutwand 23 gebildet wird. Die Abmaße des Nockenwellenverstellers sind so gewählt, dass sich für das entlastete erste Federelement 21 eine Gesamtlänge des ersten und zweiten Flügels 18, 19 inklusive dem ersten Federelement 21 von c + d + e ergibt, die mindestens größer oder gleich dem Innenradius b an der Stelle der zweiten Nut 22 ist. Dabei ist c die Länge des zweiten Flügels 19, d der Abstand zwischen dem ersten und zweiten Flügel 18, 19 und e die Länge des ersten Flügels 18. Damit wird das Einrasten des ersten Flügels 18 in die zweite Nut 22 sichergestellt. Der erste und zweite Flügel 18, 19 dienen damit als Verriegelungselemente zur Verriegelung der Nockenwelle 2 gegenüber dem Stator 12. Damit sich der erste und zweite Flügel 18, 19 innerhalb des Stators frei bewegen können, muss die Länge c + d + e bei Beaufschlagung des ersten Federelements 21 mit einer Druckkraft, also bei zusammengedrücktem ersten Federelement 21, kleiner oder gleich dem Innenradius a des Stators 12 sein. Durch eine Druckmittelbeaufschlagung des ersten Flügelendes 33 radial von außen kann der erste Flügel 18 wieder aus der zweiten Nut 22 entriegelt werden.
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An der maximalen Auslenkposition des ersten und zweiten Flügels 18, 19 befindet sich ein vorstehender Anschlag 24, mit dessen Hilfe sichergestellt wird, dass in dieser Position in den Taschen seitlich des Anschlags ein genügend großer Druckraum vorhanden ist und somit auch auf die dem Anschlag 24 zugewandten Seitenflächen des ersten und zweiten Flügels 18, 19 Druckmittel wirken kann. Die zweite Nut 22 ist derart geformt, dass auf das Flügelende 33 radial von außen Druckmittel wirken kann. Die radiale Druckkraft wird über den ersten Flügel 18 auf das erste Federelement 21 übertragen, wodurch der erste Flügel 18 leichter aus seiner Initialposition bewegt werden kann.
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An einem Absatz 31 der Nockenwelle 2 liegt ein Deckel 26 an, der mit dem Stator 12 und der Nockenwelle 2 die beiden Arbeitskammern 20 bildet. Der Deckel 26 und der Stator 12 werden mit einer Befestigungsplatte 15 über die erste und die zweite Befestigungsschraube 13, 14 in axialer Richtung gesichert. Eine Nockenwellenkante 25 nimmt einen Teil der durch die erste und zweite Befestigungsschraube 13, 14 entstehende Druckkraft auf und begrenzt die zwischen dem Deckel 26 und dem Stator 12 bzw. dem Absatz 31 aufbringbare Druckkraft, wodurch sichergestellt wird, dass der Stator 12 eine Relativbewegung zu der Nockenwelle 2 ausführen kann. Die Druckkraft ist dennoch ausreichend groß, so dass zwei abgedichtete Arbeitskammern 20 von dem System Deckel 26, Stator 12 und Nockenwelle 2 gebildet werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- erste Nut
- 2
- Nockenwelle
- 3
- erste Druckmittelleitung
- 4
- zweite Druckmittelleitung
- 5
- dritte Druckmittelleitung
- 6
- vierte Druckmittelleitung
- 7
- fünfte Druckmittelleitung
- 8
- sechste Druckmittelleitung
- 9
- siebte Druckmittelleitung
- 10
- achte Druckmittelleitung
- 11
- Drehachse der Nockenwelle
- 12
- Stator
- 13
- erste Befestigungsschraube
- 14
- zweite Befestigungsschraube
- 15
- Befestigungsplatte
- 16
- neunte Druckmittelleitung
- 17
- zehnte Druckmittelleitung
- 18
- erster Flügel
- 19
- zweiter Flügel
- 20
- Arbeitskammern
- 21
- erstes Federelement
- 22
- zweite Nut
- 23
- Abschrägung der Nutwand
- 24
- Anschlag
- 25
- Nockenwellenkante
- 26
- Deckel
- 27
- Statorsteg
- 28
- äußere Dichtfläche des Stators
- 29
- Bohrung der ersten Befestigungsschraube
- 30
- Bohrung der zweiten Befestigungsschraube
- 31
- Absatz
- 32
- Innenfläche des Stators
- 33
- erstes Flügelende
- 34
- zweites Flügelende
- 35
- Anschlussbereich
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1979582 B1 [0002, 0020]
- DE 10134320 A1 [0002]
- WO 2011/098331 A1 [0002]
- DE 10024760 A1 [0020]
