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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (vorzugsweise nach dem Flügelzellentyp) für eine Verbrennungskraftmaschine, etwa einen Otto- oder Dieselmotor eines Kraftfahrzeuges, wie einem PKW, LKW, Bus oder landwirtschaftlichen Nutzfahrzeug, mit einem (von einem Antriebsmittel, wie einem Ketten- oder Riementrieb antreibbaren) Stator und einem an einer Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine befestigbaren Rotor, wobei der Rotor im Stator verdrehbar gelagert ist, sowie mit einer, den Rotor in einem Betriebszustand relativ zum Stator in eine Drehrichtung vorspannenden Spiralfeder, wobei die Spiralfeder mit einem ersten Halteabschnitt am Rotor und mit einem zweiten Halteabschnitt am Stator gehalten ist, und wobei die Spiralfeder mit zumindest einem Abstützabschnitt, der an einer sich zwischen dem ersten und dem zweiten Halteabschnitt erstreckenden Windung der Spiralfeder angeordnet ist, in radialer Richtung nach innen abgestützt ist.
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Aus dem Stand der Technik sind bereits verschiedene Federn/ Spiralfedern bekannt, die spiralförmig gewickelt sind und mehrere Windungen/ Wicklungen aufweisen. An den inneren und äußeren Federenden weisen die Federn weiterhin jeweils einen Haken auf, der jeweils an einem Bolzen eingehangt ist. Diese Haken sind durch sehr kleine Wicklungsradien gekennzeichnet. Im Vergleich dazu weisen die federnden Windungen sehr große Wicklungsradien auf. Diese federnden Windungen kommen durch Bewegungen aufgrund äußerer Anregungen gegeneinander in Kontakt. Beim Kontaktieren der Windungen entstehen lokale Reibungskräfte, wodurch die Windungen in radialer und in tangentialer Richtung verformt werden können und dadurch aufschwingen.
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Ein beispielhafter Nockenwellenversteller ist aus der
DE 10 2012 206 339 A1 bekannt, der ebenfalls einen Stator und einen Rotor aufweist, wobei am Stator zumindest ein Deckel über zumindest eine Schraube, die einen Schraubenkopf aufweist, angebracht ist, wobei eine Federkraft übertragend mit dem Rotor der Schraube verbunden ist, und wobei die Feder an einem auf dessen Außenseite polygonartig ausgeformten, den Schraubenkopf verlängernden Zapfen der Schraube anliegt.
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Die für die Abstützung und die Führung der Federwindungen verwendeten inneren Einhänge- und Abstützelemente (etwa Einhänge- und Abstützbolzen) verhindern jedoch ein radiales Ausweichen der schwingenden Federwindungen nach innen, indem die Windungen auf diese Elemente/ Bolzen auftreffen. Dadurch kann es im Betrieb vorkommen, dass das Material der Federn stark geknickt wird und lokal hohe Zugspannungen in der Feder entstehen. Weiterhin kann dieses Verhalten verstärkt werden, wenn die Spiralfeder bei einer gewissen zyklischen Anregungsfrequenz, beispielsweise bei einem impulsartigen Aufschlagen der einzelnen Federwindungen aufeinander, aufschwingt. Durch die Übertragung auf die überlagernden Windungen entstehen mehrere lokale, kritische Spannungsspitzen, abhängig vom Ort des Impulseintrages.
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Es ist somit Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und die Gefahr einer Beschädigung der Spiralfeder im Betrieb des Nockenwellenverstellers zu verringern.
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Offenbarung der Erfindung
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Spiralfeder in dem zumindest einen Abstützabschnitt eine geringere Krümmung aufweist als in den, zu den ersten und zweiten Halteabschnitten hin anschließenden Bereichen des zumindest einen Abstützabschnittes.
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Dadurch haben die einzelnen Federwindungen in allen Betriebszuständen einen möglichst großen Abstand zum Bereich des Abstützabschnittes (Abstützbereich beispielsweise durch Einhänge- und Abstützelemente/ -bolzen abgestützt) bei gleichzeitig möglichst geringen Abständen der Windungen im Bereich zwischen den Abstützabschnitten (an den ersten und zweiten Halteabschnitten hin anschließenden Bereichen). Damit wird vermieden, dass die übrigen Windungen mit der von den Einhängeund Abstützelementen abgestützten Windung in Kontakt kommen. Zudem sind die Bereiche der Spiralfeder zwischen den Abstützabschnitten und Halteabschnitten (Einhänge- und Abstützbolzen) möglichst nachgiebig für den Fall des Windungskontaktes ausgestaltet. Insbesondere, wenn die innerste (erste) Federwicklung im Bereich zu den Halteabschnitten/ Abstützabschnitten (Einhänge- und Abstützbolzen) mit lokal unterschiedlichen Biegeradien versehen ist, ist zum einen ein möglichst geradliniges Stück Feder im Kontaktbereich zu den Bolzen umsetzbar, und zum anderen ein möglichst radial weit ausgestelltes Stück Feder zwischen den Halteabschnitten/ Abstützabschnitten sichergestellt. Das bedeutet wiederum, dass die erste Windung im Bereich der Abstützbolzen (Abstützabschnitte) mit partiell sehr großen Radien/ kleinen Krümmungen (nahezu geradlinig) ausgeführt wird. Hingegen wird im Bereich zwischen dem Bolzen (zwischen den Abstützabschnitten) die Windung mit kleineren Radien/ größeren Krümmungen ausgeführt, damit der Übergang zu den nächsten Halteabschnitten/Abstützabschnitten (Bolzen) wiederum mit einem geradlinigen Stück Windung möglich ist. Eine Beschädigung der Spiralfeder bzw. die Gefahr einer Beschädigung der Spiralfeder wird dadurch im Betrieb wesentlich verringert.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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So ist es gemäß einer weiteren Ausführungsform von Vorteil, wenn die (den zumindest einen Abstützabschnitt aufweisende) Windung als eine in radialer Richtung innerste, erste Windung der Spiralfeder ausgeführt ist. Dadurch ist die Spiralfeder mit einem geringen Aufwand herstellbar. Der zumindest eine Abstützabschnitt braucht nur an einer Windung umgesetzt zu werden, nämlich jener Windung, die in unmittelbarem Kontakt mit den rotorfesten Abschnitten/ Elementen/ Bolzen ist. Dadurch wird der Herstellaufwand der Spiralfeder weiter reduziert.
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Ist der zumindest eine Abstützabschnitt weiterhin an einem mit dem Rotor verbundenen, ersten, stabförmigen Vorsprung, etwa einem Bolzen, abgestützt, ist eine radiale Führung der Spiralfederwindungen besonders einfach ausgestaltbar.
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Weiterhin ist es auch von Vorteil, wenn die Krümmung des zumindest einen Abstützabschnittes derart klein ist, dass sich die Windung im Bereich des Abstützabschnittes im Wesentlichen geradlinig erstreckt. Dadurch ist die innerste Windung der Spiralfeder lokal/ partiell, nämlich in den Bereichen der Abstützabschnitte, zur radial weiter äußeren Windung beabstandet. Dadurch können die beiden benachbarten Windungen (erste Windung und die in radialer Richtung nächste, zweite Windung) in diesem Bereich des Abstützabschnittes nicht aneinander anschlagen. Dadurch wird die Konstruktion weiter vereinfacht.
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Auch ist es von Vorteil, wenn der erste Halteabschnitt als ein hakenförmiges erstes Ende der Spiralfeder ausgeführt ist, das rotorfest eingehakt ist. Bspw. kann das hakenförmige, erste Ende der Spiralfeder an dem ersten stabförmigen Vorsprung oder einem anderen stabförmigen Vorsprung (im Betriebszustand) des Rotors eingehakt sein. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn der zweite Halteabschnitt als ein hakenförmiges zweites Ende der Spiralfeder ausgeführt ist, das an einem mit dem Stator verbundenen stabförmigen Einhängevorsprung eingehakt ist. Dadurch ist es möglich, die Spiralfeder auf einfache Weise formschlüssig an ihren Enden stator- oder rotorfest zu verbinden und durch eine Vorspannung der beiden Halteabschnitte zueinander in einen vorgespannten Zustand zu bringen. Dadurch wird die Vorspannung des Rotors relativ zum Stator im Betrieb gewährleistet. Der Vorspannmechanismus wird dadurch weiter verbessert.
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Sind zudem mehrere, etwa zumindest drei Abstützabschnitte an der (gleichen) Windung vorgesehen, wobei diese Abstützabschnitte vorzugsweise entlang des Umfangs im Wesentlichen um 90° zueinander versetzt angeordnet sind, ist die Führung der Spiralfeder in radialer Richtung weiter verbessert. Denn die Spiralfeder ist dann an drei Punkten abgestützt/formstabil abgestützt.
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Weiterhin ist es auch von Vorteil, wenn ein erster Abstützabschnitt entlang der Windung beabstandet zu einem zweiten Abstützabschnitt angeordnet ist, wobei der erste und der zweite Abstützabschnitt eine Krümmung aufweisen, die kleiner ist als die Krümmung eines den ersten mit dem zweiten Abschnitt verbindenden ersten Verbindungsbereichs der Windung. In diesem Zusammenhang ist es auch von Vorteil, wenn ein dritter Abstützabschnitt entlang der Windung beabstandet zu dem zweiten Abstützabschnitt angeordnet ist, wobei der zweite und der dritte Abstützabschnitt eine Krümmung aufweisen, die kleiner ist als die Krümmung des den zweiten mit dem dritten Abstützabschnitt verbindenden zweiten Verbindungsbereichs der Windung. Dadurch sind die Abstützabschnitt nur lokal hinsichtlich ihrer Krümmung anpassbar, wohingegen der Verbindungsbereich die größere Krümmung aufweist. Somit sind die Abstützabschnitte einfach herstellbar, indem die Windung an den einzelnen Abstützabschnitten aufgebogen wird.
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Weiterhin ist es von Vorteil, wenn die jeweiligen Abstützabschnitte jeweils an einem einzelnen stabförmigen Vorsprung abgestützt sind, wobei diese stabförmigen Vorsprünge wiederum im Wesentlichen um 90° entlang des Umfangs versetzt zueinander angeordnet sind. Dadurch wird die Abstützung der innersten Windung der Spiralfeder weiter verbessert.
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Die Erfindung wird nun anhand von einer Figur veranschaulicht, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsformen erläutert sind.
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Es zeigt die einzige 1 eine Vorderansicht einer in einem erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller eingesetzten Spiralfeder sowie in schematischer Darstellung die Einhänge- und Abstützvorsprünge am Stator sowie am Rotor. Insbesondere die Ausgestaltung der Abstützabschnitte der innersten Windung ist hier gut zu erkennen.
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Die Figur ist lediglich schematischer Natur und dient ausschließlich zum Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
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Die 1 veranschaulicht eine erste Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers 1, der der Übersichtlichkeit halber nur schematisch dargestellt ist. Der Nockenwellenversteller 1 dient hierbei als ein Nockenwellenversteller 1 für eine Verbrennungskraftmaschine, etwa einem Diesel- oder einem Otto-Motor, zur Verstellung der Drehwinkelstellung einer Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine gegenüber einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine.
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Der Nockenwellenversteller 1 ist nach der Flügelzellenbauweise aufgebaut und weist dabei auf übliche Weise einen Stator sowie einen Rotor auf, die hier der Übersichtlichkeit halber nicht weiter dargestellt sind. Der Rotor ist im Betriebszustand mit der Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine drehfest verbunden, wobei der Stator von einem Zugmitteltrieb, etwa einem Ketten- oder Riementrieb angetrieben ist. Der Rotor ist im Stator, relativ zum Stator verdrehbar gelagert. Zudem ist eine Spiralfeder 2 vorhanden, die den Rotor in einem Betriebszustand relativ zum Stator in eine Drehrichtung vorspannt. Zu diesem Zwecke ist die Spiralfeder 2 mit einem ersten Halteabschnitt 3 am Rotor und mit einem zweiten Halteabschnitt 4 am Stator gehalten/ fixiert/ befestigt. Die Spiralfeder 2 weist weiterhin generell mindestens einen Abstützabschnitt 5, 6, 7 auf, der an einer sich zwischen dem ersten und dem zweiten Halteabschnitt 3, 4 erstreckenden Windung 8 der Spiralfeder 2 angeordnet ist und durch den die Spiralfeder 2 in radialer Richtung nach innen abgestützt ist. Die Spiralfeder 2 weist in/ an dem zumindest einen Abstützabschnitt 5, 6, 7 eine geringere Krümmung/ Biegung auf als in den, zu den ersten und zweiten Halteabschnitten 3, 4 hin anschließenden Bereichen des (zumindest einen) Abstützabschnittes 5, 6, 7.
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Wie weiterhin in 1 gut zu erkennen ist, besteht die Spiralfeder 2 im Wesentlichen aus einem federelastischen Band, welches sich spiralförmig, in einer Erstreckungsebene von dem ersten Halteabschnitt 3 nach außen zu dem zweiten Halteabschnitt 4 hin erstreckt. Hierbei ist die Spiralfeder 2/ das Federband mehrfach gewunden. Der erste Halteabschnitt 3 ist als ein umgebogenes, hakenförmiges, erstes Ende der Spiralfeder 2 ausgestaltet. Dieses erste Ende ist das radial innen liegendste/ innerste Ende der Spiralfeder 2. Der erste Halteabschnitt 3 bildet somit eine Art Hakenstruktur aus, die an der innersten/ ersten Windung 8 der Spiralfeder 2 angeformt ist. Das erste Ende ist dabei vorzugsweise um einen Winkel von mindestens 90° in der Erstreckungsebene der Windung 8 nach (radial) innen umgebogen.
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Der erste Halteabschnitt 3 ist somit derart in radialer Richtung verlaufend und durch die wirkende Federkraft in der Spiralfeder 2 vorgespannt, dass er im Betriebszustand formschlüssig an einem ersten stabförmigen Vorsprung 9, der hier als bolzenartiger Vorsprung/ Bolzen ausgebildet ist, gehalten. Der erste Vorsprung 9 ist wiederum mit dem Rotor verbunden/ an diesem befestigt.
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Der zweite Halteabschnitt 4 ist an einem zweiten, radial außerhalb des ersten Endes angeordneten Ende der Spiralfeder 2 ausgebildet. Dieses zweite Ende der Spiralfeder 2 ist wiederum hakenförmig ausgestaltet und ebenfalls mindestens um 90°, vorzugsweise um einen Winkel > 120° in der Erstreckungsebene radial nach außen umgebogen. Dieses zweite hakenförmige Ende ist formschlüssig ein einem Einhängevorsprung 10, der ebenfalls im Wesentlichen stabförmig/ bolzenartig ausgestaltet ist und deshalb als Einhängebolzen/ Bolzen bezeichenbar ist, gehalten. Der Einhängevorsprung 10 ist wiederum an dem Stator befestigt.
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Die Spiralfeder 2 ist derart zwischen dem Stator und dem Rotor im Betrieb des Nockenwellenverstellers eingespannt, dass der Rotor zum Stator um einen gewissen Drehmomentbetrag vorgespannt ist. Die die Vorspannung bewirkende elastische Verformung der Spiralfeder findet in der Erstreckungsebene der Spiralfeder 2 statt.
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Die dargestellte Spiralfeder 2 weist weiterhin im Wesentlichen drei ganze (360°) Windungen und eine 3/4-Windung auf, welche Windungszahl jedoch auch variieren kann. Die erste, innerste, d.h. radial am weitest innersten gelegene Windung 8 weist in dieser Ausführungsform neben einem ersten Abstützabschnitt 5 noch einen weiteren zweiten sowie einen weiteren dritten Abstützabschnitt 6 und 7 auf. Jeder dieser Abstützabschnitte 5, 6, 7 ist an einem separaten, eigenen stabförmigen/ bolzenartigen Vorsprung des Rotors in radialer Richtung nach innen abgestützt.
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Der erste Abstützabschnitt 5 schließt unmittelbar (zum zweiten Halteabschnitt 4 hin) an den ersten Halteabschnitt 3 der Spiralfeder 2 an. Der zweite Abstützabschnitt 6 ist an der (runden) Windung 8 im Wesentlichen um 90° entlang des Umfangs zum ersten Abstützabschnitt 5 versetzt und ebenfalls an der ersten Windung 8 vorgesehen. Auch der zweite Abstützabschnitt 6 ist wiederum an einen Vorsprung, nachfolgend als zweiter Vorsprung 11 bezeichnet (zweiter Vorsprung 11 wie der erste Vorsprung 9 ausgestaltet), abgestützt. Weiterhin ist auch ein dritter Abstützabschnitt 7 an der ersten Windung 8 vorgesehen, der wiederum im Wesentlichen um 90° zum zweiten Abstützabschnitt 6 versetzt angeordnet ist und an einem dritten Vorsprung 12 abgestützt ist.
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Die Abstützabschnitte 5, 6, 7 bilden jeweils einen integralen Abschnitt der Spiralfeder 2 entlang der Erstreckung der ersten Windung 8 aus. An den Abstützabschnitten 5, 6, 7 weist die erste Windung 8 eine geringere Krümmung/ einen größeren Biegeradius auf als an den übrigen Bereichen der ersten Windung, die sich unmittelbar an den jeweiligen Abstützabschnitt 5, 6, 7 in Richtung des ersten und zweiten Endes/ Halteabschnittes 3, 4 anschließen. Die zwischen den Abstützabschnitten 5, 6, 7 der ersten Windung 8 anschließenden Bereiche sind als Verbindungsbereiche 13 bezeichnet. Der erste, zweite und dritte Abstützabschnitt 5, 6, 7 sind dabei derart ausgestaltet, dass ihre Krümmung im Wesentlichen gleich Null ist. Die Spiralfeder 2/ die erste Windung 8 verläuft im Bereich der Abstützabschnitte 5, 6, 7 im Wesentlichen geradlinig. In den beiden, radial nach außen hin an die erste Windung 8 anschließenden Windungen der Spiralfeder 2 ist die Biegung der Spiralfeder 2 stets derart groß, dass diese Windungen stets eine größere Krümmung aufweisen als die Abstützabschnitte 5, 6, 7.
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Zusätzlich kann im äußeren Bereich der Spiralfeder 2, etwa in der äußersten Windung 14 noch ein weiterer vierter Vorsprung, der als Haltebolzen / Führungsbolzen ausgeführt ist, vorgesehen sein, der diese äußerste Windung in radialer Richtung wiederum nach innen abstützt und beispielsweise drehfest mit dem Stator verbunden ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist durch die gegenständliche Erfindung ein Nockenwellenversteller 1 umgesetzt, der an der Spiralfeder 2 eine Spiralfederwicklung (Windung 8) mit partiell unterschiedlichen Wicklungsabständen zur lokalen Eliminierung des Windungskontaktes der einzelnen Wicklungen/ Windungen aufweist. Die innerste (erste) Federwicklung (erste Windung 8) ist im Bereich zu den Einhänge- und Abstützbolzen (erster, zweiter und dritter Vorsprung 9, 11, 12) mit lokal unterschiedlichen Biegeradien/ Krümmungen zu versehen, um zum Einen ein möglichst geradliniges Stück Feder im Kontaktbereich zu den Bolzen (im Abstützabschnitt) und zum Anderen ein möglichst radial weit ausgestelltes Stück Feder zwischen den Bolzen (zwischen den Abstützabschnitten) sicherzustellen. Das bedeutet, dass die erste Windung 8 im Bereich der Abstützbolzen (erster, zweiter und dritter Vorsprung 9, 11, 12) mit partiell sehr großen Radien/ kleinen Krümmungen (nahezu geradlinig) ausgeführt wird. Hingegen wird im Bereich zwischen den Bolzen die Windung 8 mit kleineren Radien/ größeren Krümmungen ausgeführt, damit der Übergang zu den nächsten Bolzen wiederrum mit einem geradlinigen Stück Windung möglich ist.
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Die Idee ist somit, dass die Feder/ Spiralfeder 2 in den Bereichen zu den Einhänge- und Abstützpunkten (an den Abstützabschnitten) mit möglichst großen Wicklungs-/ Biegeradien und in den Bereichen zwischen den Einhänge- und Abstützpunkten (in den ((Verbindungs-)Bereichen, die an die Abstützabschnitte anschließen) mit kleineren Wicklungs-/ Biegeradien gewickelt ist und damit die erste Windung 8 an den Abstützpunkten/ Abstützabschnitten ein größerer Windungsabstand zu den überlagerten (radial äußeren) Windungen vorliegt als in den Bereichen zwischen den Einhänge- und Abstützbolzen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Spiralfeder
- 3
- erster Halteabschnitt
- 4
- zweiter Halteabschnitt
- 5
- erster Abstützabschnitt
- 6
- zweiter Abstützabschnitt
- 7
- dritter Abstützabschnitt
- 8
- Windung / erste Windung
- 9
- erster Vorsprung
- 10
- Einhängevorsprung
- 11
- zweiter Vorsprung
- 12
- dritter Vorsprung
- 13
- Verbindungsbereich
- 14
- äußerste Windung
- 15
- vierter Vorsprung
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102012206339 A1 [0003]
