DE102014208598B4 - Nockenwellenversteller mit zum Erreichen eines hydraulischen Freilaufs hin- und herschaltbarem Hydraulikkammerabdichtelement - Google Patents

Abstract

Nockenwellenversteller (1) für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (2) und mit einem Rotor (3), der innerhalb des Stators (2) relativ zu diesem verdrehbar gelagert aufgenommen ist, wobei der Rotor (3) wenigstens einen Rotorflügel (6) aufweist, der sich in radialer Richtung zu einer Innenwand (5) des Stators (2) erstreckt und zwischen dem Stator (2) und dem Rotor (3) eine erste Hydraulikkammer (8) und eine zweite Hydraulikkammer (9) ausbildet, wobei zwischen einer Rotorflügelstirnseite (10) und der Innenwand (5) des Stators (2) ein Verbindungsspalt (11) verbleibt, der die erste Hydraulikkammer (8) und die zweite Hydraulikkammer (9) fluidisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialbeweglich in der Rotorflügelstirnseite (10) geführtes Dichtelement (13) wahlweise zwischen einer Abdichtposition, in der das Dichtelement (13) den Verbindungsspalt (11) abdichtend an der Innenwand (5) des Stators (2) anliegt, und einer Verbindungsposition, in der die erste und die zweite Hydraulikkammer (8, 9) durch den Verbindungsspalt (11) miteinander verbunden sind, hin und her schaltbar ist, wobei das Dichtelement (13) für das Schalten in die Verbindungsposition in Nachbarschaft zu der Innenwand (5) des Stators (2) wenigstens eine Wirkfläche (16, 17) aufweist, auf die eine Gegendruckkraft (FpG) einer druckbeaufschlagten Hydraulikflüssigkeit aus der ersten und/oder der zweiten Hydraulikkammer (8, 9) wirkt, wobei die wenigstens eine Wirkfläche (8, 9) so dimensioniert und/oder geometrisch ausgeformt ist, dass das Dichtelement (13) beim Schalten in die Verbindungsposition bei rotierendem Rotor (3) durch die auf die Wirkfläche (8, 9) wirkende Gegendruckraft (FpG) in die Verbindungsposition verschiebbar ist.

Description

• Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, wie eines PKWs, eines LKWs oder eines sonstigen Nutzfahrzeugs, mit einem Stator und mit einem Rotor, der innerhalb des Stators relativ zu diesem verdrehbar gelagert aufgenommen ist. Der Rotor weist wenigstens einen Rotorflügel auf, der sich in radialer Richtung zu einer Innenwand des Stators erstreckt und zwischen dem Stator und dem Rotor eine erste Hydraulikkammer und eine zweite Hydraulikkammer ausbildet, wobei zwischen einer Rotorflügelstirnseite und der Innenwand des Stators ein (Verbindungs-)Spalt verbleibt, der die erste Hydraulikkammer und die zweite Hydraulikkammer fluidisch miteinander verbindet.
• Das Funktionsprinzip eines solchen Nockenwellenverstellers beruht darauf, dass üblicherweise der Stator über ein Endloszugmittel, wie etwa einer Steuerkette oder eines Zahnriemens, mit der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine verbunden ist. Der Rotor ist üblicherweise drehfest mit der Nockenwelle verbunden und kann durch seine verdrehbare Lagerung innerhalb des Stators gegenüber diesem in einem vorbestimmten Winkelbereich verdreht werden, um auf diese Weise die Steuerzeiten der Verbrennungskraftmaschine während ihres Betriebs zu verändern. Die Verdrehung des Rotors gegenüber dem Stator erfolgt über eine ggf. abwechselnde Druckbeauschlagung der ersten und/oder der zweiten Hydraulikammer mit einer Hydraulikflüssigkeit, die hierfür beispielsweise über ansteuerbare Hydraulikventile zugeführt bzw. abgeführt werden kann. Infolge der Druckbeaufschlagung kann der Rotor relativ gegenüber dem Stator verdreht werden.
• Konstruktions- bzw. funktionsbedingt verbleibt bei der Aufnahme des Rotors innerhalb des Stators aber ein (Verbindungs-)Spalt, der die erste und die zweite Hydraulikammer fluidisch miteinander verbindet. Dieser (Verbindungs-)Spalt kann beispielsweise durch eine gehärtete (Außen-)Verzahnung des Stators in seiner Größe ungewollt verändert werden, da der dabei auftretende Härteverzug einen unrunden Stator bzw. eine unrunde Innenwand des Stators bewirkt. Dies führt ohne eine Abdichtung dieses (Verbindungs-)Spaltes allerdings zu einer eigentlich unerwünschten Leckage bzw. zu einem unerwünschten Kurzschluss der ersten und der zweiten Hydraulikkammer. Eine entsprechende Abdichtung lässt sich vergleichsweise günstig durch ein Dichtelement erreichen.
• Aus dem Stand der Technik sind bereits Nockenwellenversteller für eine Verbrennungskraftmaschine in verschiedenen Ausführungsformen bekannt, denen gemeinsam ist, dass sie eine möglichst effektive Abdichtung des zwischen einer Rotorflügelstirnseite und der Innenwand des Stators verbleibenden (Verbindungs-)Spaltes erreichen wollen.
• So ist beispielsweise in der DE 199 36 921 A1 eine Vorrichtung zum Verändern der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere eine hydraulische Nockenwellen-Verstelleinrichtung in Rotationskolbenbauart, beschrieben. Diese Vorrichtung verfügt über ein als Außenrotor ausgebildetes, mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehendes Antriebsrad, welches einen durch eine hohlzylindrische Umfangswand und zwei Seitenwände gebildeten Hohlraum aufweist. Im Hohlraum des Antriebsrades ist durch mindestens zwei von der Innenseite der Umfangswand ausgehende und zur Längsmittelachse des Antriebsrades gerichtete Begrenzungswände mindestens ein hydraulischer Arbeitsraum ausgebildet. Die Vorrichtung besteht weiterhin aus einem als Innenrotor ausgebildeten, drehfest mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Flügelrad, welches in den Hohlraum des Antriebsrades eingesetzt ist. Das Flügelrad weist am Umfang seiner Radnabe mindestens einen, in einer axialen Haltenut angeordneten Flügel auf, der sich radial in einen Arbeitsraum des Antriebsrades erstreckt und diesen in jeweils zwei gegeneinander wirkende hydraulische Druckkammern unterteilt. Dabei wird jeder Flügel des Flügelrades durch die Kraft eines an seiner unteren Stirnseite in der axialen Haltenut angeordneten Federelementes mit seiner oberen Stirnseite radial an die Innenseite der Umfangswand des Antriebsrades angepresst. Die Druckkammern bewirken bei wahlweiser oder gleichzeitiger Druckbeaufschlagung mit einem hydraulischen Druckmittel eine Schwenkbewegung oder Fixierung des Flügelrades gegenüber dem Antriebsrad und damit der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle.
• Um eine Radialverschiebung der Flügel entgegen der Kraft ihrer Federelemente infolge eines Druckaufbaus im Verbindungsspalt zwischen der oberen Stirnseite jedes Flügels des Flügelrades und der Innenseite der Umfangswand des Antriebsrads zu vermeiden, ist bei Druckbeaufschlagung einer oder beider Druckkammer(n) jedes hydraulischen Arbeitsraumes der Vorrichtung jeder Flügel des Flügelrades zusätzlich zur Kraft seines Federelementes durch die gezielt auf seine untere Stirnseite einleitbare Druckkraft des hydraulischen Druckmittels mit seiner oberen Stirnseite radial gegen die Innenseite der Umfangswand des Antriebsrades anpressbar.
• Ein ähnlicher Nockenwellenversteller geht aus der DE 199 32 299 A1 hervor. Darin ist eine Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors, insbesondere ein Flügelzellenversteller, beschrieben. Diese Vorrichtung weist einen von der Kurbelwelle angetriebenen Außenrotor und einen koaxial zu diesem angeordneten Innenrotor auf, der mit der Nockenwelle drehfest verbunden ist und mit dem Außenrotor eine gemeinsame Drehachse hat. Innerhalb des Außenrotors ist mindestens ein hydraulischer Arbeitsraum vorgesehen, der durch einen Schwenkflügel des Innenrotors in eine erste und zweite Druckkammer unterteilt ist. Die Druckkammern stehen mit zwei Ringräumen in Strömungsverbindung und werden von diesen abwechselnd oder gleichzeitig mit Drucköl versorgt. Der Innenrotor weist Flügelaufnahmenuten für die Schwenkflügel auf, wobei zwischen einem Nutengrund der Flügelaufnahmenuten und einer Unterseite der Schwenkflügel ein Abstandsraum für Flügelandruckfedern vorgesehen ist.
• Um ein möglichst dichtes Anliegen des Schwenkflügels am Innenumfang des Außenrotors zu gewährleisten, sind die Unterseiten der Schwenkflügel bei laufendem Verbrennungsmotor mit Drucköl beaufschlagt.
• Ein weiterer Nockenwellenversteller ist aus der EP 1 339 953 B1 bekannt. Darin ist eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad beschrieben. Diese Vorrichtung verfügt über ein drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Innenteil, das zumindest annähernd radial verlaufende Stege oder Flügel aufweist, und über ein angetriebenes Zellenrad, das mehrere über den Umfang verteilte, durch Stege begrenzte Zellen aufweist, die von den darin winkelbeweglich geführten Stegen oder Flügeln des Innenteils in jeweils zwei Druckräume unterteilt sind. Bei hydraulischer Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung der zwei Druckräume über Steuerleitungen ist die Nockenwelle über die Stege oder Flügel zwischen zwei Endstellungen relativ zum Zellenrad verdrehbar. An den freien Stirnseiten der Stege oder Flügel sind Dichtelemente angeordnet, die zur Abdichtung der beiden von den Stegen oder Flügeln begrenzten Druckräume bzw. des Verbindungsspalts an den freien Stirnseiten dienen.
• Um eine vergleichsweise effektive Abdichtung der beiden abgetrennten Druckräume gegeneinander zu erreichen, sind an der Stirnseite der Stege oder Flügel Ausnehmungen vorgesehen, in denen Dichtkörper angeordnet sind. Diese Dichtkörper werden zur Abdichtung der Druckräume durch eine hydraulische Beaufschlagung gegen eine Innenwand des Zellenrades gedrückt.
• In der DE 10 2010 025 883 A1 ist ein anderer Nockenwellenversteller beschrieben, dessen Rotor eine Anzahl von sich radial nach außen erstreckenden Rotorflügeln aufweist. In den Flügelenden der Rotorflügel ist jeweils ein Dichtelement zur Leckagereduzierung positioniert, wobei die Dichtelemente jeweils unter Abdichtung in Umfangsrichtung über einen mit einem Hydraulikmedium beaufschlagbaren Radialspalt beweglich an den Rotorflügeln gelagert sind.
• Schließlich geht aus der EP 2 072 767 A2 ein Nockenwellensteller hervor, der an seinen Rotorflügelstirnseiten Dichtelemente aufweist, die durch ein druckbeaufschlagtes Öl permanent an die Innenwand bzw. Innenseite des Stators gedrückt werden.
• Darüber hinaus sind aber beispielsweise aus der DE 10 2007 054 547 A1 auch Nockenwellenversteller bekannt, die eine Vierriegelungseinrichtung aufweisen, die eine mechanische Verbindung zwischen Rotor und Stator in bestimmten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine erlauben. Auch wird die Verriegelung von Rotor und Stator als so genannte Mittenverriegelung ausgeführt, bei der diese in der Mitte des möglichen Winkelbereichs, nämlich zwischen den jeweiligen Endanschlägen des Rotors an dem Stator, miteinander verbunden werden.
• Die JP 2014 - 070549 A zeigt ein Ventilzeiteinstellungssteuerungsgerät, das eine Öffnungszeiteinstellung und Schließzeiteinstellung eines Einlassventils und/oder eines Auslassventils einer Brennkraftmaschine, das durch eine angetriebene (abtriebsseitige) Welle der Brennkraftmaschine angetrieben wird, durch Ändern einer Drehphase zwischen einer antriebsseitigen Welle der Brennkraftmaschine und der angetriebenen Welle steuert. Das Ventilzeiteinstellungssteuerungsgerät weist ein erstes Gehäuse, ein zweites Gehäuse, einen Schichtkörper (geschichteten Körper) und ein Harzbauteil auf. Das erste Gehäuse ist einstückig mit einer von der antriebsseitigen Welle und der angetriebenen Welle drehbar. Das zweite Gehäuse ist an dem ersten Gehäuse fixiert und bildet eine Vielzahl von Druckbeaufschlagungsräumen in Zusammenwirken mit dem ersten Gehäuse aus. Der Schichtkörper weist eine Vielzahl von dünnen Platten auf, die nacheinander in einer axialen Richtung gestapelt sind. Der Schichtkörper ist einstückig mit der anderen von der antriebsseitigen Welle und der angetriebenen Welle drehbar und ist an einer korrespondierenden Stelle angeordnet, die zwischen dem ersten Gehäuse und dem zweiten Gehäuse liegt. Das Harzbauteil ist aus einem Harzmaterial hergestellt. Der Schichtkörper ist in das Harzbauteil einsetzgeformt. Das Harzbauteil weist eine Vielzahl von Flügeln, eine erste Seitenwand und eine zweite Seitenwand auf. Jeder der Vielzahl von Flügeln erstreckt sich in radialer Richtung, um einen korrespondierenden Raum der Vielzahl von Druckbeaufschlagungsräumen in eine Voreilkammer und eine Nacheilkammer zu unterteilen. Die erste Seitenwand ist zwischen dem ersten Gehäuse und dem Schichtkörper angeordnet und ist relativ zu dem ersten Gehäuse gleitbar. Die zweite Seitenwand ist zwischen dem zweiten Gehäuse und dem Schichtkörper angeordnet und ist relativ zu dem zweiten Gehäuse gleitbar.
• Die DE 199 14 767 A1 zeigt eine Ventilzeitsteuerungseinrichtung und insbesondere die Ventilzeitsteuerungseinrichtung zur Steuerung einer Winkelphasendifferenz zwischen einer Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors und einer Nockenwelle des Verbrennungsmotors. Die Ventilzeiteinstellungssteuerungseinrichtung umfasst folgende Elemente: eine Drehwelle, die drehbar innerhalb eines Zylinderkopfs eines Verbrennungsmotors eingebaut ist, ein Rotationsübertragungsbauteil, welches um die periphere Fläche der Drehwelle herum montiert ist, um relativ zu dieser innerhalb einer vorbestimmten Toleranz für ein Übertragen einer Rotationskraft von einer Kurbelwelle zu drehen, eine Radschaufel oder Propeller, der entweder an der Drehwelle oder dem Rotationsübertragungsbauteil vorgesehen ist, eine Druckkammer, die zwischen der Drehwelle und dem Rotationsübertragungsbauteil ausgeformt und in eine vorauseilende Kammer sowie eine nacheilende Kammer durch die Radschaufel unterteilt ist, ein erster Fluidkanal für ein Zuführen und Ableiten eines Fluids zu und aus der voraneilenden Kammer, ein zweiter Fluidkanal für ein Zuführen und Ableiten eines Fluids zu und aus der nacheilenden Kammer, ein Verriegelungsmechanismus für ein Halten der Radschaufel in der Mittenposition der Druckkammer, wenn der Verbrennungsmotor gestartet wird und einen Steuermechanismus, der das Rotationsübertragungsbauteil daran hindert, sich in die Drehwelle zu drehen, wenn die Radschaufel sich in der Mittenposition befindet und ein Druck entweder der vorauseilenden Kammer oder der nacheilenden Kammer kleiner ist als ein vorbestimmter Druck.
• Es hat sich in der Praxis gezeigt, dass insbesondere bei einem Nockenwellenversteller mit einer Mittenverriegelung eine Art hydraulischer Freilauf gewährleistet werden sollte. Für so einen hydraulischen Freilauf können die erste und die zweite Hydraulikkammer fluidisch miteinander verbunden, das heißt kurzgeschlossen werden. Hierfür können bei einem Nockenwellenversteller mit einer Mittenverriegelung Steuerkolben in den Rotorflügeln zur Steuerung eines hydraulischen Freilaufs eingesetzt werden. Diese Steuerkolben können durch eine druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit und/oder einer Druckfeder angesteuert werden. Nachteilig daran ist, dass durch den Einsatz der Steuerkolben in den Rotorflügeln kein weiterer Bauraum für Dichtelemente in oder an den Rotorflügeln verbleibt. Des Weiteren ist es erforderlich, dass zur Gewährleistung des hydraulischen Freilaufs Querbohrungen in den Rotorflügeln vorhanden sind, um die erste und die zweite Hydraulikkammer bei Bedarf fluidisch miteinander zu verbinden, das heißt kurzzuschließen. Diese Querbohrungen werden spanend gefertigt und sind deshalb nur vergleichsweise kostenintensiv herstellbar.
• Demgegenüber ist es die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beseitigen oder wenigstens zu mindern. Insbesondere liegt die Aufgabe darin, einen Nockenwellenversteller zu schaffen, bei dem es unter Einsatz konstruktiv möglichst einfacher Mittel möglich ist, eine möglichst effektive Abdichtung der Hydraulikkammern mit der Möglichkeit eines Kurzschließens derselben zu kombinieren.
• Bei einem gattungsgemäßen Nockenwellenversteller wird die Aufgabe erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein radialbeweglich in der Rotorflügelstirnseite geführtes Dichtelement wahlweise zwischen einer Abdichtposition, in der das Dichtelement den (Verbindungs-)Spalt abdichtend an der Innenwand des Stators anliegt, und einer Verbindungsposition / Freilaufposition, in der die erste und die zweite Hydraulikkammer durch den (Verbindungs-)Spalt miteinander verbunden sind, hin und her schaltbar ist. Die Verbindungsposition ist also die Position, in der die beiden Hydraulikammern einer Flügelzelle fluidisch miteinander verbunden sind, also ein Hydraulikmitteldurchtritt zwischen dem Rotorflügel und der Innenseite des Stators erlaubt / zugelassen / ermöglicht ist.
• Das heißt, dass das in der Rotorflügelstirnseite geführte Dichtelement bei Bedarf gezielt von einer die erste und die zweite Hydraulikkammern gegeneinander abdichtenden Lage bzw. Position in eine die erste und die zweite Hydraulikammern kurzschließende Lage bzw. Position schaltbar ist. Auf diese Weise erfüllt das schaltbare Dichtelement eine Doppelfunktion. Denn im Normalbetrieb des Nockenwellenverstellers, in dem dessen Rotor gegenüber dem Stator verdreht werden soll ist eine zuverlässige und effektive Abdichtung der beiden Hydraulikkammern gegeneinander möglich. Dennoch können die beiden Hydraulikkammern im Bedarfsfall durch ein gezieltes Umschalten des Dichtelements miteinander verbunden bzw. kurzgeschlossen werden, so dass beispielsweise auch ein hydraulischer Freilauf realisierbar ist. Somit kann für die Realisierung des hydraulischen Freilaufs auch auf die Verwendung von Steuerkolben oder Querbohrungen in den Rotorflügeln verzichtet werden.
• Das Dichtelement kann beispielsweise als eine Art Dichtleiste ausgebildet sein, die sich in axialer Richtung des Nockenwellenverstellers erstreckt und so durch eine theoretisch linienförmige Anlage an der Innenwand des Stators die beiden Hydraulikkammern gegeneinander abdichten kann. Das Dichtelement kann aus einem elastischen Material, wie etwa einem elastischen Kunststoff oder einem Gummimaterial gefertigt sein.
• So ist es von Vorteil, wenn das Dichtelement für das Schalten in die Abdichtposition durch eine darauf aufbringbare Druckkraft einer über einen Steuerkanal wahlweise zuführbaren Hydraulikflüssigkeit in Richtung der Innenwand verschiebbar ist. Dabei erlaubt es der Steuerkanal auf konstruktiv einfache Weise, dass das Dichtelement gezielt geschaltet werden kann, da eine Strömung der Hydraulikflüssigkeit im Steuerkanal beispielsweise durch ein betätigbares Hydraulikventil gesteuert werden kann. Darüber hinaus kann die für den Nockenwellenversteller sowieso benötigte Hydraulikflüssigkeit auch für das gezielte Schalten des Dichtelements mit verwendet werden.
• Für eine besonders zuverlässige Anlage des schaltbaren Dichtelements an der Innenwand des Stators ist es vorteilhaft, wenn das Dichtelement mittels einer Feder in Richtung der Abdichtposition vorgespannt ist. Dadurch kann die Vorspannkraft des Dichtelements für den Normalbetrieb des Nockenwellenverstellers auf einfache Weise erhöht werden.
• Erfindungsgemäß ist vorgesehen, dass das Dichtelement für das Schalten in die Verbindungsposition in Nachbarschaft zu der Innenwand des Stators wenigstens eine Wirkfläche aufweist, auf die eine Gegendruckkraft einer druckbeaufschlagten Hydraulikflüssigkeit aus der ersten und/oder der zweiten Hydraulikkammer wirkt. Das heißt, dass das Dichtelement konstruktiv so ausgebildet ist, dass ein sowieso in der ersten und/oder der zweiten Hydraulikkammer herrschender Hydraulikdruck für das Umschalten des Dichtelements in die Verbindungsposition allein ausreichend ist. Somit kann die Hydraulikflüssigkeit des Nockenwellenverstellers auch für ein Umschalten des Dichtelements in die Verbindungsposition verwendet werden, ohne dass eine zusätzliche Betätigungsvorrichtung erforderlich ist.
• Für ein effektives Umschalten des Dichtelements in die Verbindungsposition ist die wenigstens eine Wirkfläche so dimensioniert und/oder geometrisch ausgeformt, dass das Dichtelement beim Schalten in die Verbindungsposition bei rotierendem Rotor durch die auf die Wirkfläche wirkende Gegendruckkraft in die Verbindungsposition verschiebbar ist. Dabei ist es zweckmäßig, wenn dies vorzugsweise nur dann möglich ist, wenn über den Steuerkanal keine Druckkraft erzeugende Hydraulikflüssigkeit zu dem Dichtelement strömt. Wenn das Dichtelement durch eine optionale Feder in Richtung der Abdichtposition vorgespannt ist, ist es von Vorteil, wenn die Gegendruckkraft größer ist als die Vorspannkraft der Feder.
• Dabei kann die wenigstens eine in Nachbarschaft zu der Innenwand des Stators angeordnete Wirkfläche beispielsweise dadurch ausgebildet sein, dass das Dichtelement dort angefast ist, das heißt Fasen aufweist. Alternativ dazu kann das Dichtelement an dieser Stelle abgerundete Kanten, das heißt Radien aufweisen, die dann eine oder mehrere Wirkflächen ausbilden. Es ist auch möglich, dass die gesamte Oberfläche auf einer der Innenwand des Stators zugewandeten Seite des Dichtelements verrundet ausgeführt ist, so dass sich wenigstens eine Wirkfläche ergibt. Alternativ dazu kann die wenigstens eine Wirkfläche auch einfach durch fertigungsbedingte Kantenbrüche ausgebildet sein, die sich bei der Fertigung des Dichtelements ergeben. Zudem kann die wenigstens eine Wirkfläche auch durch einen an dem Dichtelement vorgesehenen Absatz ausgeformt sein. Unabhängig von der konkreten Ausgestaltung der wenigstens einen Wirkfläche sollte diese einen Kraftangriffspunkt für die Gegendruckkraft ermöglichen. Zweckmäßigerweise ist die wenigstens eine Wirkfläche so dimensioniert, dass die Gegendruckkraft das Dichtelement während des Betriebs des Nockenwellenverstellers entgegen der Zentrifugalkraft verschieben kann, die durch die Rotation des Rotors bzw. des Stators erzeugt wird.
• Für ein möglichst effektives Umschalten des Dichtelements in die Abdichtposition ist es von Vorteil, wenn der Hydraulikdruck der über den Steuerkanal wahlweise zuführbaren Hydraulikflüssigkeit so gewählt oder festgelegt ist, dass das Dichtelement gegen die Gegendruckkraft in die Abdichtposition verschiebbar ist. Das heißt, dass die Druckkraft für ein Schalten des Dichtelements in die Abdichtposition größer sein soll, als die auf die wenigstens eine Wirkfläche wirkende Gegendruckkraft. Diese Festlegung bzw. Einstellung des im Steuerkanal im Bedarfsfall aufschaltbaren Hydraulikdrucks kann dabei über hydraulische Ventile, Drucksteller oder ähnliche hydraulische Hilfseinrichtungen erfolgen.
• Für eine konstruktiv einfache radialbewegliche Führung des Dichtelements bzw. ein einfaches Umschalten in die Verbindungsposition ist es vorteilhaft, wenn die Rotorflügelstirnseite eine Rotorflügelnut aufweist, in die das Dichtelement durch die Gegendruckkraft radialverschiebbar ist, wenn die Gegendruckkraft größer als die Druckkraft und/oder eine Federkraft ist.
• Es ist auch von Vorteil, wenn die Rotorflügelnut mit dem Steuerkanal fluidisch verbunden ist. Beispielsweise kann der Steuerkanal in die Rotoflügelnut münden, so dass die darin wahlweise aufschaltbare Hydraulikflüssigkeit das in der Rotorfllügelnut angeordnete Dichtelement in Richtung der Abdichtposition verschieben kann.
• Besonders vorteilhaft lässt der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller einsetzen, wenn dieser eine Verriegelungseinrichtung aufweist, durch die der Rotor und der Stator drehfest miteinander verbindbar sind. Beispielsweise kann die Verriegelungseinrichtung eine Mittenverriegelung sein, die in bestimmten Betriebszuständen der Verbrennungskraftmaschine beispielsweise zur Vermeidung von Schwingungen innerhalb des Nockenwellenverstellers betätigbar bzw. aktivierbar ist.
• Eine besonders vorteilhafte Ausführungsform der Erfindung sieht vor, dass der Rotor in eine Verriegelungsposition bewegbar ist, wenn das Dichtelement in die Verbindungsposition geschaltet ist. In der Verbindungsposition des Dichtelements sind die erste und die zweite Hydraulikkammer fluidisch miteinander verbunden, das heißt kurzgeschlossen, so dass ein hydraulischer Freilauf realisierbar ist.
• In anderen Worten ermöglicht es die vorliegende Erfindung, eine Integration eines oder mehrerer Dichtelemente in einem Nockenwellenversteller zuzulassen und auf kostenintensive Steuerkolben und Querbohrungen in den Rotorflügeln zum fluidisch verbindenden Kurzschluss zwischen den Hydraulikkammern zu verzichten. Die beispielsweise nach Art einer Dichtleiste ausgeformten Dichtelemente übernehmen dabei zwei Aufgaben, nämlich im Normalbetrieb des Nockenverstellers eine Abdichtung der Verbindung zwischen den Hydraulikkammern und beispielsweise bei Aktivierung einer Mittenverriegelungsfunktion ein Freigeben der fluidischen Verbindung zwischen den Hydraulikkammern, so dass diese miteinander kurzgeschlossen werden. Das heißt, eine Gewährleistung eines hydraulischen Freilaufs ohne Verwendung von Steuerkolben und Querbohren in den Rotorflügeln.
• Die Erfindung wird auch nachfolgend mit Hilfe einer Zeichnung näher erläutert, in welcher unterschiedliche Ausführungsbeispiele dargestellt sind. Es zeigen:
• 1 eine Draufsicht auf einen nur teilweise dargestellten Nockenwellenversteller, mit einem Stator und einem darin drehbar gelagert aufgenommen Rotor, in dessen Rotorflügelstirnseite ein Dichtelement in einer Abdichtposition angeordnet ist,
• 2 einen vergrößerten Teilausschnitt II des Nockenwellenverstellers aus 1, bei dem sich das Dichtelement in der Abdichtposition befindet,
• 3 eine Schnittansicht des in 2 als Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers entlang der Schnittverlaufslinie III aus 2, wobei sich das Dichtelement in der Abdichtposition befindet,
• 4 eine Schnittansicht des in 2 als Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers entlang der Schnittverlaufslinie IV aus 2, bei dem sich das Dichtelement in seiner Abdichtposition befindet und mittels einer (optionalen) Feder in die Abdichtposition vorgespannt ist,
• 5 einen vergrößerten Teilausschnitt des Nockenwellenverstellers aus 1, bei dem sich das Dichtelement in der Verbindungsposition befindet,
• 6 eine Schnittansicht des in 5 als Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers entlang der Schnittverlaufslinie VI, bei dem sich das Dichtelement in der Verbindungsposition befindet,
• 7 eine Schnittansicht des in 5 als Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers entlang der Schnittverlaufslinie VII, bei dem sich das Dichtelement in der Verbindungsposition befindet und mittels der (optionalen) Feder in die Abdichtposition vorgespannt ist,
• 8 eine Veranschaulichung der (Druck-)Kräfteverhältnisse, die für eine Bewegung des Dichtelements in die Abdichtposition oder die Verbindungsposition notwendig sind,
• 9 eine erste Ausführungsform einer Wirkfläche an dem Dichtelement,
• 10 eine zweite Ausführungsform einer Wirkfläche an dem Dichtelement,
• 11 eine dritte Ausführungsform einer Wirkfläche an dem Dichtelement,
• 12 eine vierte Ausführungsform einer Wirkfläche an dem Dichtelement, und
• 13 eine fünfte Ausführungsform einer Wirkfläche an dem Dichtelement.
• Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Merkmale der einzelnen Ausführungsbeispiele lassen sich untereinander austauschen.
• 1 zeigt eine Draufsicht auf einen nur teilweise dargestellten Nockenwellenversteller 1, mit einem außenverzahnten Stator 2 und mit einem Rotor 3, der innerhalb des Stators 2 relativ zu diesem verdrehbar gelagert aufgenommen ist. Dabei sind der Stator 2 und der Rotor 3 konzentrisch zueinander angeordnet. Ein solcher Nockenwellenversteller 1 dient der hydraulisch bewirkten Veränderung bzw. Verstellung der Steuerzeiten einer Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs.
• In 1 ist weiterhin erkennbar, dass der Stator 2 eine Vielzahl von Trennstegen 4 aufweist, die sich von einer Innenwand 5 des Stators 2 radial nach Innen erstrecken. Des Weiteren weist der Rotor 3 eine Vielzahl von Rotorflügeln 6 auf, die sich von einer Nabe 7 des Rotors 3 in radialer Richtung zu der Innenwand 5 des Stators 2 erstrecken. In diesem Ausführungsbeispiel verfügt der Stator 2 über genau vier Trennstege 4. Der Rotor 3 verfügt über genau vier Rotorflügel 6, die äquidistant zueinander über den Umfang des Rotors 3 verteilt angeordnet sind. Auf diese Weise ist zwischen jeweils zwei Trennstegen 4 des Stators 2 je ein Hydraulikraum ausgebildet, der durch jeweils den dazwischen angeordneten Rotorflügel 6 in eine erste Hydraulikkammer/ Teilfügelzelle 8 und eine zweite Hydraulikkammer / Teilfügelzele 9 unterteilt sind.
• Aus 1 geht zudem hervor, dass zwischen einer Rotorflügelstirnseite 10 eines jeden Rotorflügels 6 und der Innenwand 5 des Stators 2 ein funktions- bzw. konstruktionsbedingter Verbindungsspalt 11 verbleibt, der die erste Hydraulikkammer 8 und die zweite Hydraulikkammer 9 fluidisch miteinander verbindet. Zur bedarfsweisen Abdichtung der ersten und der zweiten Hydraulikkammer 8, 9 gegeneinander ist in jeweils einer Rotorflügelnut 12 jeweils ein Dichtelement 13 radialbewegbar gelagert aufgenommen. In diesem Ausführungsbeispiel ist das Dichtelement 13 eine Dichtleiste aus einem elastischen Material.
• In der in 1 gezeigten Position des Dichtelements 13 ist dieses in einer Abdichtposition angeordnet, in der das Dichtelement 13 den Verbindungsspalt 11 abdichtend an der Innenwand 5 des Stators 2 anliegt. Das heißt, dass die beiden Hydraulikkammern 8 und 9 weitestgehend bzw. komplett fluiddicht voneinander abgetrennt sind. Diese Abdichtposition des Dichtelements 13 ist die bevorzugte Position während des Normalbetriebs des Nockenwellenverstellers 1, wenn dieser die Steuerzeiten der Verbrennungskraftmaschine verändern bzw. verstellen soll.
• In 2, die einen vergrößerten Teilausschnitt des Nockenwellenverstellers 1 aus 1 zeigt, ist nochmals besser zu erkennen, dass das Dichtelement 13 in der Abdichtposition angeordnet ist, in der es den Verbindungsspalt 11 abdichtend an der Innenwand 5 des Stators 2 anliegt. Hierfür ist es innerhalb der Rotorflügelnut 12 radial nach au-ßen in Richtung der Innenwand 5 des Stators 2 verschoben.
• Aus 3, die eine Schnittansicht des in 2 als vergrößerten Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers 1 entlang der Schnittverlaufslinie III zeigt, geht hervor, dass innerhalb eines jeden Rotorflügels 6 ein Steuerkanal 14 ausgeformt ist, der in die Rotorflügelnut 12 mündet bzw. mit dieser fluidisch verbunden ist. In 3 ist zudem ein Hydraulikdruck p_D durch Pfeile angedeutet, der durch eine druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit bewirkt wird, die wahlweise bzw. bedarfsweise dem Steuerkanal 14 zuführbar ist. Dieser Hydraulikdruck p_D liegt in 3 von unten an einer Unterseite des Dichtelements 13 an und drückt bzw. verschiebt dieses nach radial außen in Richtung der Innenwand 5 des Stators 2. Das heißt, dass die dem Steuerkanal 14 zuführbare, druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit das Dichtelement 13 in die Abdichtposition schaltet bzw. dorthin drückt oder bewegt.
• In 4, die eine Schnittansicht des in 2 als vergrößerten Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers 1 entlang der Schnittverlaufslinie IV zeigt, ist zudem zu erkennen, dass das Dichtelement 13 alternativ dazu auch zusätzlich mittels einer optionalen Feder 15 in die Abdichtposition vorspannbar ist. Dies ist jedoch bei ausreichend hohem Hydraulikdruck p_D innerhalb des Steuerkanals 14 nicht zwingend erforderlich.
• In 5, die einen vergrößerten Teilausschnitt des Nockenwellenverstellers aus 1, ist das Dichtelement 13 in einer anderen Position dargestellt, nämlich in einer Verbindungsposition, in der die erste und die zweite Hydraulikkammer 8 und 9 durch den Verbindungsspalt 11 fluidisch miteinander verbunden bzw. kurzgeschlossen sind. In dieser Verbindungsposition des Dichtelements 13 ist dieses gegenüber der Abdichtposition innerhalb der Rotorflügelnut 12 in radialer Richtung nach Innen verschoben bzw. bewegt. Das heißt, dass der Verbindungsspalt 11 zumindest teilweise freigegeben ist, wobei das Dichtelement 13 in der Darstellung nach 5 vollständig in der Rotorflügelnut 12 aufgenommen und der Verbindungsspalt 11 damit vollständig freigegeben ist. In dieser Verbindungsposition ist es möglich, dass sich der Rotor 3 in eine definierte Richtung bewegen lässt, nämlich in Richtung einer (nicht dargestellten) Mittenverriegelungsposition einer Verriegelungseinrichtung. Hierfür ist ein (nicht dargestellter) Freilauf vorgesehen, der eine Bewegung des Rotors 3 in die Vorzugsrichtung bewegen lässt und in die Gegenrichtung sperrt. Hier ist diese Freilauffunktion nicht dargestellt. Jedoch ist diese beispielsweise mechanisch realisierbar.
• Aus 6, die eine Schnittansicht des in 5 als Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers entlang der Schnittverlaufslinie VI zeigt, geht hervor, dass das Radialverschieben des Dichtelements 13 innerhalb der Rotorflügelnut 12 durch einen Hydraulikgegendruck p_G einer Hydraulikflüssigkeit bewirkt wird, wobei der Hydraulikgegendruck p_G in 6 durch entsprechende Pfeile angedeutet ist. Dieser Hydraulikgegendruck p_G liegt in 6 von oben an einer Oberseite des Dichtelements 13 an und drückt bzw. verschiebt dieses nach radial innen in Richtung des Steuerkanals 14. Der Hydraulikgegendruck p_G wird durch die in den Hydraulikkammern 8 und 9 befindliche, druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit bewirkt.
• Aus 6 geht auch hervor, dass dem Steuerkanal 14 in dem gezeigten Betriebszustand des Nockenwellenverstellers 1 keine druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit zugeführt wird, so dass kein Hydraulikdruck p_D innerhalb des Steuerkanals 14 herrscht und nicht auf die in 6 Unterseite des Dichtelements 13 wirkt. Infolgedessen schaltet die innerhalb der Hydraulikkammern 8 und 9 befindliche, druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit das Dichtelement 13 in die Verbindungsposition bzw. drückt oder bewegt dieses innerhalb der Rotorflügelnut 12 weg von der Innenwand 5 des Stators 2. Dieser Wirkzusammenhang zwischen dem Hydraulikdruck p_D und dem Hydraulikgegendruck p_G wird weiter unter noch detaillierter beschrieben.
• In 7, die eine Schnittansicht des in 5 als vergrößerten Teilausschnitt dargestellten Nockenwellenverstellers 1 entlang der Schnittverlaufslinie VII zeigt, ist zudem zu erkennen, dass das Dichtelement 13 alternativ dazu auch zusätzlich mittels der optionalen Feder 15 in die Abdichtposition vorspannbar ist. In diesem Fall muss der durch die in den Hydraulikkammern 8 und 9 befindliche, druckbeaufschlagte Hydraulikflüssigkeit bewirkte Hydraulikgegendruck p_G so hoch gewählt sein, dass eine in Richtung der Innenwand 5 des Stators 2 wirkende Federkraft F_Fe überwunden werden kann. Andersherum kann auch Federkraft F_Fe so gewählt sein, dass der Hydraulikgegendruck p_G für ein Bewegen des Dichtelements 13 in die Verbindungsposition ausreichend ist.
• Anhand von 8, die eine Veranschaulichung der (Druck-)Kräfteverhältnisse zeigt, die für eine Bewegung des Dichtelements 13 in eine Abdichtposition oder eine Verbindungsposition notwendig sind, soll nun das Umschalten zwischen der Abdichtposition und der Verbindungsposition des Dichtelements 13 erläutert werden.
• In 8 ist zu erkennen, dass an der in 8 Unterseite des Dichtelements 13 eine Druckkraft F_pD angreift, die durch den im Steuerkanal 14 (hier nicht gezeigt) Hydraulikdruck p_D innerhalb der Rotorflügelnut 12 erzeugt wird. Die Druckkraft F_pD wirkt somit in Richtung der Innenwand 5 des Stators 2 bzw. in Richtung der Abdichtposition des Dichtelements 13. In 8 ist auch die optionale Federkraft F_Fe angegeben, wobei durch die Klammern das optionale Vorhandensein dieser Federkraft F_Fe angedeutet ist.
• Weiterhin geht aus 8 hervor, dass an der in 8 Oberseite des Dichtelements 13 eine Gegendruckkraft F_pG angreift, die durch den in den Hydraulikkammern 8 und 9 herrschenden Hydraulikgegendruck p_G erzeugt wird, der auf jeweils eine den Hydraulikkammern 8 und 9 zugeordnete Wirkfläche 16 und 17 wirkt. Die Gegendruckkraft F_pG wirkt somit der Druckkraft F_pD entgegen.
• Zudem sind in 8 eine Bewegungsrichtung x und eine Bewegungsrichtung Y des Dichtelements 13 mittels zweier Pfeile angedeutet. Für eine Bewegung des Dichtelements 13 in x-Richtung gilt die Kräftebedingung: Gegendruckkraft F_pG > Druckkraft F_pD + (optional Federkraft F_Fe ). Für eine Bewegung des Dichtelements 13 in y-Richtung gilt die Kräftebedingung: Gegendruckkraft F_pG < Druckkraft F_pD + (optional Federkraft F_Fe ).
• In 9 ist eine erste Ausführungsform der Wirkflächen 16 und 17 des Dichtelements 13 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass diese in Form von jeweils einer Fase ausgebildet sind.
• In 10 ist eine weitere, zweite Ausführungsform der Wirkflächen 16 und 17 des Dichtelements 13 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass diese in Form von jeweils einer Abrundung ausgebildet sind.
• In 11 ist eine weitere, dritte Ausführungsform der Wirkflächen 16 und 17 des Dichtelements 13 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass hierfür die Oberseite des Dichtelements 13 durchgängig verrundet ist.
• In 12 ist eine weitere, vierte Ausführungsform der Wirkflächen 16 und 17 des Dichtelements 13 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass diese in Form von fertigungsbedingten etwa abschnittsweise orthogonalen Kantenbrüchen ausgebildet sind.
• In 13 ist eine weitere, fünfte Ausführungsform der Wirkflächen 16 und 17 des Dichtelements 13 gezeigt. Es ist zu erkennen, dass diese in Form eines (einzigen) eckigen etwa orthogonalen Absatzes auf je einer Seite einer der Teilfügelzellen / Hydraulikkammern ausgebildet sind.
• Bezugszeichenliste

1

Nockenwellenversteller

2

Stator

3

Rotor

4

Vielzahl von Trennstegen

5

Innenwand

6

Vielzahl von Rotorflügeln

7

Nabe

8

erste Hydraulikkammer

9

zweite Hydraulikkammer

10

Rotorflügelstirnseite

11

Verbindungsspalt

12

Rotorflügelnut

13

Vielzahl von Dichtelementen

14

Steuerkanal

15

Feder

16

Wirkfläche

17

Wirkfläche

F_pD

Druckkraft

F_Fe

Federkraft

F_pG

Gegendruckkraft

p_D

Hydraulikdruck

p_G

Hydraulikgegendruck

Claims (8)

1. Nockenwellenversteller (1) für eine Verbrennungskraftmaschine eines Kraftfahrzeugs, mit einem Stator (2) und mit einem Rotor (3), der innerhalb des Stators (2) relativ zu diesem verdrehbar gelagert aufgenommen ist, wobei der Rotor (3) wenigstens einen Rotorflügel (6) aufweist, der sich in radialer Richtung zu einer Innenwand (5) des Stators (2) erstreckt und zwischen dem Stator (2) und dem Rotor (3) eine erste Hydraulikkammer (8) und eine zweite Hydraulikkammer (9) ausbildet, wobei zwischen einer Rotorflügelstirnseite (10) und der Innenwand (5) des Stators (2) ein Verbindungsspalt (11) verbleibt, der die erste Hydraulikkammer (8) und die zweite Hydraulikkammer (9) fluidisch miteinander verbindet, dadurch gekennzeichnet, dass ein radialbeweglich in der Rotorflügelstirnseite (10) geführtes Dichtelement (13) wahlweise zwischen einer Abdichtposition, in der das Dichtelement (13) den Verbindungsspalt (11) abdichtend an der Innenwand (5) des Stators (2) anliegt, und einer Verbindungsposition, in der die erste und die zweite Hydraulikkammer (8, 9) durch den Verbindungsspalt (11) miteinander verbunden sind, hin und her schaltbar ist, wobei das Dichtelement (13) für das Schalten in die Verbindungsposition in Nachbarschaft zu der Innenwand (5) des Stators (2) wenigstens eine Wirkfläche (16, 17) aufweist, auf die eine Gegendruckkraft (F_pG) einer druckbeaufschlagten Hydraulikflüssigkeit aus der ersten und/oder der zweiten Hydraulikkammer (8, 9) wirkt, wobei die wenigstens eine Wirkfläche (8, 9) so dimensioniert und/oder geometrisch ausgeformt ist, dass das Dichtelement (13) beim Schalten in die Verbindungsposition bei rotierendem Rotor (3) durch die auf die Wirkfläche (8, 9) wirkende Gegendruckraft (F_pG) in die Verbindungsposition verschiebbar ist.
2. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (13) für das Schalten in die Abdichtposition durch eine darauf aufbringbare Druckkraft (F_pD) einer über einen Steuerkanal (14) wahlweise zuführbaren Hydraulikflüssigkeit in Richtung der Innenwand (5) verschiebbar ist.
3. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Dichtelement (13) mittels einer Feder (15) in Richtung der Abdichtposition vorgespannt ist.
4. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass ein Hydraulikdruck (pD) der über den Steuerkanal (14) wahlweise zuführbaren Hydraulikflüssigkeit so gewählt oder festgelegt ist, dass das Dichtelement (13) gegen die Gegendruckkraft (F_pG) in die Abdichtposition verschiebbar ist.
5. Nockenwellenversteller (1) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügelstirnseite (10) eine Rotorflügelnut (12) aufweist, in die das Dichtelement (13) durch die Gegendruckkraft (F_pG) radialverschiebbar ist, wenn die Gegendruckkraft (F_pG) größer als die Druckkraft (F_pD) und/oder eine Federkraft (F_FE) ist.
6. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorflügelnut (12) mit dem Steuerkanal (14) fluidisch verbunden ist.
7. Nockenwellenversteller (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (1) eine Verriegelungseinrichtung aufweist, durch die der Rotor (3) und der Stator (2) drehfest miteinander verbindbar sind.
8. Nockenwellenversteller (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (3) in eine Verriegelungsposition bewegbar ist, wenn das Dichtelement (13) in die Verbindungsposition geschaltet ist.

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