-
Die Erfindung betrifft einen zur Verstellung der Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine ausgebildeten Nockenwellenversteller nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
-
Ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller ist beispielsweise aus der
WO 2006/074734 A1 bekannt. Hierbei handelt es sich um einen elektrisch angetriebenen Nockenwellenversteller, welcher ein Dreiwellengetriebe, nämlich Taumelscheibengetriebe, zur Nockenwellenverstellung aufweist. Der Nockenwellenversteller weist eine Riemenscheibe als Eingangsorgan auf, welche fest mit einem Gehäuse des Dreiwellengetriebes verbunden ist. Während die Riemenscheibe gegenüber dem Gehäuse statisch abgedichtet ist, ist zwischen dem Gehäuse und einem Zylinderkopf der Brennkraftmaschine ein Dichtelement angeordnet, welches als dynamische Dichtung fungiert. Weitere dynamische Dichtungen des bekannten Nockenwellenverstellers befinden sich zwischen einer Welle des Elektromotors des Nockenwellenverstellers sowie einer damit verbundenen Stellwelle des Verstellgetriebes einerseits und dem Gehäuse des Elektromotors beziehungsweise des Verstellgetriebes andererseits.
-
Aus der
DE 697 06 229 T2 ist eine verstellbare Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor bekannt, welche als Flügelzellen-Versteller aufgebaut ist. Hierbei handelt es sich um einen hydraulischen Versteller, wobei sich ein Ölkanal durch eine Auslassnockenwelle hindurch erstreckt.
-
Die
DE 39 18 361 A1 offenbart eine Antriebsvorrichtung für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, welche eine Schrägverzahnung aufweist. Auch diese Vorrichtung wird durch Öldruck betrieben.
-
Eine variable Ventilsteuerung für einen Verbrennungsmotor ist auch aus der
DE 28 42 154 A1 bekannt. Der Verbrennungsmotor ist in diesem Fall mit einer Ventilbestätigungseinrichtung ausgestattet, welche die Änderung der Drehphase der Nockenwelle mit Bezug auf die Kurbelwelle ermöglicht, sodass bei einer Testmaschine die Zylinderköpfe leicht und schnell ausgetauscht werden können. Die variable Ventilsteuerung ist hierbei mit Hilfe eines Planetengetriebes realisiert.
-
Weitere elektrisch betätigte Nockenwellenversteller mit unterschiedlichen Anordnungen von Elektromotor und Verstellgetriebe sind beispielsweise aus der
DE 10 2006 007 584 A1 sowie aus der
DE 10 2009 009 523 A1 bekannt.
-
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Nockenwellenversteller gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere unter geometrischen sowie dichtungstechnischen Aspekten weiterzuentwickeln.
-
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1. Der Nockenwellenversteller dient der Verstellung der Winkellage einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine in Relation zur Winkellage der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine und weist einen Verstellmotor sowie ein mit diesem zusammenwirkendes Verstellgetriebe auf. Bei dem Verstellmotor handelt es sich vorzugsweise um einen Elektromotor, prinzipiell ist jedoch auch ein sonstiger Motor, beispielsweise Hydraulikmotor, zur Betätigung des Nockenwellenverstellers geeignet.
-
Das Verstellgetriebe des Nockenwellenverstellers ist in an sich bekannter Grundkonzeption als Dreiwellengetriebe aufgebaut und umfasst ein Antriebselement, ein Verstellelement, ein Abtriebselement, sowie ein Gehäuse mit mindestens einem Gehäuseelement. Entweder das Verstellelement oder das Abtriebselement ist hohlzylindrisch ausgebildet und durchdringt eine Zylinderkopfwandung der Brennkraftmaschine.
-
Durch die Anordnung des hohlzylindrischen Elementes des Verstellgetriebes im Bereich der Zylinderkopfwandung ist zum einen eine sehr raumsparende Anordnung des Nockenwellenverstellers und zum anderen ein vorteilhaftes Dichtungskonzept realisierbar. Dies gilt sowohl in Fällen, in denen sich Verstellmotor und Verstellgetriebe auf derselben Seite einer zylinderkopfwandung befinden, als auch in Fällen, in denen die Zylinderkopfwandung zwischen Verstellmotor und Verstellgetriebe angeordnet ist.
-
In beiden Fällen ist das Antriebselement des Verstellgetriebes vorzugsweise drehfest mit mindestens einem Gehäuseelement des Verstellgetriebes verbunden, wobei dieses Gehäuseelement mittels eines ersten Dichtelementes, vorzugsweise einer berührenden Dichtung, gegenüber der Zylinderkopfwandung der Brennkraftmaschine abgedichtet ist. Das Antriebselement, bei welchem es sich vorzugsweise um ein Riemenrad handelt, und das Gehäuseelement sind nur statisch gegeneinander abgedichtet. Eine solche statische Dichtung kann beispielsweise in Form einer Flächendichtung, eines O-Rings, eines Formdichtrings oder einer aufgespritzten Gummierung gegeben sein. Insbesondere Sinterteile können auch mit einer dichtenden Imprägnierung versehen sein oder durch eine Wasserdampfbehandlung hinsichtlich ihrer Dichteigenschaften optimiert sein.
-
Zusätzlich zum ersten Dichtelement befindet sich in einer Öffnung in der Zylinderkopfwandung in bevorzugter Ausgestaltung mindestens ein weiterer ringförmiger Bereich, in welchem zwei relativ zueinander rotierbare Teile liegen. In diesem mindestens einen Bereich befindet sich jedoch vorzugsweise kein gesondertes Dichtelement. Vielmehr kann unmittelbar durch die relativ zueinander rotierbaren Teile ein Dichtspalt gebildet sein, wobei an der entsprechenden Stelle gleichzeitig eine Gleitlagerung zwischen den betreffenden Teilen gegeben sein kann. In jedem Fall ist durch die relativ zueinander rotierbaren Teile ein Dichtspalt zwischen diesen Teilen definiert. Eines dieser Teile ist hierbei mit dem Abtriebselement des Verstellgetriebes oder mit der Nockenwelle verbunden oder identisch. Bei dem anderen Teil handelt es sich um eine relativ zur Nockenwelle rotierbare oder zumindest verschwenkbare Komponente des Verstellgetriebes. Insbesondere kann es sich bei dieser Komponente um das Verstellelement handeln, welches in diesem Fall als die Zylinderkopfwandung durchdringende, konzentrisch die Nockenwelle oder ein mit dieser verbundenes Teil umschließende Hohlwelle ausgebildet ist. Ein weiterer Dichtspalt, welcher optional ebenfalls zugleich eine Gleitlagerung darstellt, kann in dieser Anordnung zwischen dem hohlzylindrischen Verstellelement und einem ebenfalls hohlzylindrischen Abschnitt des mit dem Antriebselement verbundenen Gehäuseelementes gebildet sein.
-
Innerhalb ein und derselben Ebene liegen somit in Ausgestaltungen, in denen sich Verstellmotor und Verstellgetriebe auf entgegengesetzten Seiten der Zylinderkopfwandung befinden, insgesamt drei dynamisch dichtende Bereiche, nämlich das erste Dichtelement sowie zwei Dichtspalte ohne gesonderte Dichtelemente.
-
Im Unterschied hierzu sind in Ausgestaltungen, bei welchen sich Verstellgetriebe und Verstellmotor auf derselben Seite der Zylinderkopfwandung befinden, vorzugsweise nur zwei dynamisch dichtende, in derselben Ebene liegende, in einer Öffnung der Zylinderkopfwandung angeordnete Bereiche gegeben. Zusätzlich zum ersten, vorzugsweise als berührende Dichtung ausgebildeten Dichtelement handelt es sich hierbei um einen ersten Dichtspalt, welcher zwischen einem nockenwellenfesten Teil und einem gehäusefesten Teil des Verstellgetriebes gebildet ist.
-
Sofern sich auf einer Seite der Zylinderkopfwandung lediglich das Verstellgetriebe, nicht jedoch der Verstellmotor befindet, ist auf der dem Zylinderkopf abgewandten Seite des Verstellgetriebes vorzugsweise ein zweites Dichtelement angeordnet, welches zwischen dem Abtriebselement und einem drehfest mit dem Gehäuse des Verstellgetriebes verbundenen Teil abdichtet. Ebenso wie das erste Dichtelement kann auch das zweite Dichtelement beispielsweise als Simmering oder Cavesealring gestaltet sein. Zusätzlich zu diesen beiden Dichtelementen weist der Nockenwellenversteller in dieser Ausgestaltung kein weiteres gesondertes, als dynamische Dichtung fungierendes Dichtelement auf. Auf derjenigen Stirnseite des Verstellgetriebes, auf welcher sich das zweite Dichtelement befindet, kann der Kopf einer in die Nockenwelle ragenden Zentralschraube angeordnet sein, wobei mittels der Zentralschraube das Abtriebselement an der Nockenwelle befestigt ist. Der Kopf der Zentralschraube kann durch einen Verschlussstopfen abgedeckt sein.
-
In Ausgestaltungen, in denen sich die Antriebs- und Getriebekomponenten des Nockenwellenverstellers auf derselben Seite der Zylinderkopfwandung, vorzugsweise außerhalb des Zylinderkopfes, befinden, erfolgt die Drehmomentübertragung vom Verstellmotor zum Verstellgetriebe vorzugsweise über eine Magnetkupplung. In besonders vorteilhafter Ausgestaltung weist die Magnetkupplung zwei axial zueinander verschiebbare Kupplungsplatten auf. Eine Magnetkupplung, die eine axiale Verschiebung zwischen den rotierenden, berührungslos ein Drehmoment übertragenden Teilen ermöglicht, ist prinzipiell zum Beispiel aus der
DE 295 18 687 U1 bekannt.
-
Die Magnetkupplung kann einen Kraftschluss zwischen den miteinander gekuppelten Teilen des Verstellmotors einerseits und des Verstellgetriebes andererseits in axialer und/oder radialer Richtung, bezogen auf deren gemeinsame Rotationsachse, herstellen. Zwischen zueinander verschiebbaren Kupplungsplatten der Magnetkupplung ist gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung ein Abstandshalter angeordnet, welcher für gleichbleibende Eigenschaften der Magnetkupplung sorgt.
-
Zusätzlich zur Übertragung eines Drehmoments kann eine Kupplungsplatte der Magnetkupplung als Sensorrad zur Erfassung der Winkelstellung und/oder Rotation der Welle des Verstellmotors des Nockenwellenverstellers fungieren. Dies gilt insbesondere in Fällen, in denen die Anzahl der Polpaare der Magnetkupplung größer als zwei ist.
-
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:
-
1 einen elektrischen Nockenwellenversteller mit riemengetriebener Nockenwelle, bei welchem Verstellmotor und Verstellgetriebe beiderseits einer Zylinderkopfwandung angeordnet sind,
-
2 einen im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 dichtungstechnisch modifizierten Nockenwellenversteller,
-
3 ein Detail eines elektrischen Nockenwellenverstellers,
-
4 einen elektrischen Nockenwellenversteller mit riemengetriebener Nockenwelle, wobei sich Verstellmotor und Verstellgetriebe auf der Außenseite eines Zylinderkopfes befinden und mittels einer Magnetkupplung miteinander gekuppelt sind.
-
5 ein Detail eines elektrischen Nockenwellenverstellers mit Magnetkupplung.
-
Sämtliche Figuren zeigen in vereinfachter Darstellung jeweils ein Ausführungsbeispiel eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 1 gekennzeichneten Nockenwellenverstellers, hinsichtlich dessen prinzipieller Funktion auf den eingangs zitierten Stand der Technik verwiesen wird. Hauptkomponenten des Nockenwellenverstellers 1 sind in allen Fällen ein elektrischer Verstellmotor 2 und ein Verstellgetriebe 3. Das Verstellgetriebe 3 ist in Form eines Wellgetriebes als Dreiwellengetriebe aufgebaut und weist ein Antriebselement 4, ein Verstellelement 5, sowie ein Abtriebselement 6 auf. Hierbei ist das Verstellelement 5 über eine Antriebsverbindung 7 mittels des Verstellmotors 2 verstellbar.
-
Das Antriebselement 4 ist in den dargestellten Ausführungsformen als Riemenrad gestaltet und Bestandteil eines insgesamt mit dem Bezugszeichen 8 gekennzeichneten Gehäuses des Nockenwellenverstellers 1, wobei ein fest mit dem Antriebsrad 4 verbundenes Gehäuseelement das Bezugszeichen 9 trägt. Solange das Antriebselement 4 und das Verstellelement 5 mit identischer Drehzahl rotieren, erfolgt keine Verstellung einer mit den Bezugszeichen 10 gekennzeichneten Nockenwelle. Bei der Nockenwelle 10 kann es sich entweder um eine Einlass- oder eine Auslassnockenwelle einer Brennkraftmaschine handeln.
-
Wird das Verstellelement 5 durch den Verstellmotor 2 derart angetrieben, dass es mit vom Antriebselement 4 abweichender Drehzahl rotiert, so sorgt das ein hohes Untersetzungsverhältnis aufweisende Verstellgetriebe 3 dafür, dass das Abtriebselement 6 relativ zum Antriebselement 4 verdreht wird. Mit dem Abtriebselement 6 ist die Nockenwelle 10 mittels einer Zentralschraube 11 fest verbunden.
-
Der Verstellmotor 2 und das Verstellgetriebe 3 sind entweder auf gegenüberliegenden Seiten einer Zylinderkopfwandung 12 (1 bis 3) oder auf derselben Seite der Zylinderkopfwandung 12 (4, 5) angeordnet.
-
In allen Ausführungsformen befindet sich in einer Öffnung der Zylinderkopfwandung 12 ein erstes Dichtelement 13, durch welches das Gehäuseelement 9 gegenüber der Zylinderkopfwandung 12 abgedichtet ist. Bei dem ersten Dichtelement 13 handelt es sich um eine berührende Dichtung.
-
In den Ausführungsbeispielen nach den 1 bis 3 befindet sich der Verstellmotor 2 ebenso wie die Antriebsverbindung 7 innerhalb des Zylinderkopfes der Brennkraftmaschine. Die Antriebsverbindung 7 kann beispielsweise als Stirnradverzahnung oder Riementrieb ausgebildet sein.
-
Unabhängig von der detaillierten Ausgestaltung der Antriebsverbindung 7 ist das Verstellelement 5 gemäß 1 und 2 als Hohlwelle ausgebildet, welche die Zylinderkopfwandung 12 durchdringt. Ebenso durchdringt die Nockenwelle 10 die Zylinderkopfwandung 12, wobei zwischen der Nockenwelle 10 und dem hülsenförmigen Verstellelement 5 ein erster Dichtspalt 14 ausgebildet ist. Ein mit dem Bezugszeichen 15 gekennzeichneter zweiter Dichtspalt, welcher ebenfalls in derselben Ebene wie das erste Dichtelement 13 liegt, ist radial zwischen dem ersten Dichtspalt 14 und dem ersten Dichtelement 13, nämlich zwischen dem Verstellelement 5 und dem Gehäuseelement 9, gebildet.
-
Im Ausführungsbeispiel nach 1 befindet sich auf der den Verstellmotor 2 abgewandten Seite des Verstellgetriebes 3 ein zweites, ebenso wie das erste Dichtelement 13 als dynamische Dichtung fungierendes Dichtelement 16. Das zweite Dichtelement 16 ist im Ausführungsbeispiel nach 1 als berührende Dichtung zwischen dem Antriebselement 4 und dem Abtriebselement 6 wirksam. Der gesamte Nockenwellenversteller 1 nach 1 weist damit lediglich zwei als dynamische Dichtungen wirkende Dichtelemente 13, 16 auf. Nicht relativ zueinander rotierbare Teile des Verstellgetriebes 3 sind durch statische Dichtungen 17 gegeneinander abgedichtet. Die ohne gesonderte Dichtelemente realisierten Dichtspalte 14, 15 sind zwischen dem Innenraum des Verstellgetriebes 3 und dem Innenraum des Zylinderkopfes angeordnet und brauchen hinsichtlich Dichtheit geringere Anforderungen als die Dichtelemente 13, 16 zu erfüllen.
-
Im Ausführungsbeispiel nach 2 ist im Vergleich zum Ausführungsbeispiel nach 1 das zweite Dichtelement 16 durch einen dritten Dichtspalt 18 ersetzt, welcher zwischen dem Gehäuse 8 und dem Abtriebselement 6 gebildet ist. Anders als beim ersten Dichtelement 13 treten am dritten Dichtspalt 18 nur relativ geringe Verdrehungen der gegeneinander abzudichtenden Teile auf. Lediglich statisch ist die Zentralschraube 11 gegenüber dem Abtriebselement 6 abzudichten. Zur verbesserten Abdichtung kann, wie in 3 angedeutet, ein Verschlussstopfen 19 auf den mit 20 bezeichneten Kopf der Zentralschraube 11 aufgesetzt sein. Bei ausreichender radialer Abmessung des Verschlussstopfens 19 in Relation zum Abtriebselement 6 kann der Verschlussstopfen 19 auch eine dynamische Dichtfunktion übernehmen.
-
Im Ausführungsbeispiel nach 4, bei welchem sich praktisch der gesamte Nockenwellenversteller 1 auf der selben Seite, nämlich Außenseite, des Zylinderkopfes befindet, ist die Antriebsverbindung 7 zwischen dem Verstellmotor 2 und dem Verstellgetriebe 3 in Form einer Magnetkupplung realisiert. Zwischen einer motorseitigen Kupplungsscheibe 21 und einer getriebeseitigen Kupplungsscheibe 22 der Magnetkupplung 7 ist ein Luftspalt 23 gebildet, welcher in 4 übertrieben breit dargestellt ist. Die getriebeseitige Kupplungsscheibe 22 ist fest mit dem Verstellelement 5 verbunden oder integraler Bestandteil des Verstellelementes 5.
-
In der schematischen Darstellung nach 4 ragt die Zentralschraube 11 aus dem Abtriebselement 6 heraus. Tatsächlich kann sich beispielsweise der Kopf 20 der Zentralschraube 11 in einer stirnseitigen Vertiefung im Abtriebselement 6 befinden, ähnlich wie in den 1 bis 3 dargestellt.
-
In den Kupplungsscheiben 21, 22 befindet sich geeignetes Magnetmaterial, wobei diverse Magnetisierungsrichtungen eine Drehmomentübertragung zwischen den Kupplungsplatten 21, 22 ermöglichen. Zusätzlich können die Magnetisierungen durch mindestens einen geeigneten Sensor, beispielsweise Hallsensor, abgetastet werden, sodass ohne gesondertes, eine Maßverkörperung aufweisendes Element eine Winkeldetektion möglich ist.
-
Ebenso wie im Ausführungsbeispiel nach 2 ist auch im Ausführungsbeispiel nach 4 nur ein einziges dynamisch wirkendes Dichtelement 13 vorhanden. Das in beiden Fällen zwischen den Gehäuseelementen 9 und der Zylinderkopfwandung 12 abdichtende Dichtelement 13 weist eine Dichtlippe auf, welche auf einem zylindrischen Abschnitt des Gehäuseelementes 9 läuft. Abweichend von den in den 1 bis 4 skizzierten Ausgestaltungen kann das Gehäuseelement 9 mit dem Antriebselement 4 zu einem einzigen Bauteil zusammengefasst sein. Der ohne gesondertes Dichtelement realisierte erste Dichtspalt 14 ist in der Ausgestaltung nach 4 zwischen dem Antriebselement 4 und dem Abtriebselement 6 gebildet. Das Abtriebselement 6 ist gemäß 4 hohlzylindrisch gestaltet und durchdringt die Zylinderkopfwandung 12. Insgesamt ragt damit das Verstellgetriebe 3 nur zu einem geringen Teil in den Zylinderkopf.
-
Die Kupplungsscheiben 21, 22 sind relativ zueinander in axialer Richtung, bezogen auf deren gemeinsame Rotationsachse, verschiebbar. In diesem Zusammenhang wird auf 5 hingewiesen, welche eine mögliche, innerhalb des Nockenwellenverstellers 1 nach 4 realisierbare Gestaltung der Magnetkupplung 7 zeigt. Auf der mit 24 bezeichneten Motorwelle des Verstellmotors 2 ist eine Feder 25 zwischen ein Federlager 26 und die Kupplungsscheibe 21 gespannt, welche gegenüber der Motorwelle 24 verschiebbar, jedoch nicht verdrehbar ist. Auf ihrer der Kupplungsscheibe 22 zugewandten Seite weist die Kupplungsscheibe 21 eine Kalibrierspitze 27 auf, die entweder, wie in 5 dargestellt, spitz oder abgerundet gestaltet sein kann. In jedem Fall kontaktiert die Kalibrierspitze 27 eine im Gehäuseelement 9 aufgenommene verschleißresistente Einlage 28. Die Breite des Luftspaltes 23 bleibt somit beim Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 konstant. Da die Kalibrierspitze 27 im Bereich der Rotationsachse der Nockenwelle 10 angeordnet ist, tritt in der Antriebsverbindung 7 nur in vernachlässigbarem Maß Reibung auf.
-
Die verschleißresistente Einlage 28 kann beispielsweise aus Stahl oder einem keramischen Werkstoff gefertigt sein. Schon aufgrund der geringen Fläche der Einlage 28 in Relation zu den Kupplungsscheiben 21, 22 sind die kraftübertragenden Eigenschaften der Magnetkupplung 7 durch eine nicht im Detail dargestellte Abstandhaltevorrichtung, welche die Kalibrierspitze 27 sowie die Einlage 28 umfasst, praktisch nicht beeinflusst. Entsprechendes gilt in nicht dargestellten Fällen, in welchen die Abstandhaltevorrichtung eine Wälzlagerung umfasst. Dagegen wird durch die Verschiebbarkeit der Kupplungsscheibe 21 auf der Motorwelle 24 in Zusammenwirkung mit der Abstandhaltevorrichtung dafür gesorgt, dass unabhängig von der exakten Einbauposition des Verstellmotors 2 in Relation zum Verstellgetriebe 3, solange ein gegebener Toleranzbereich eingehalten wird, die Funktionalität der Magnetkupplung 7 uneingeschränkt gegeben ist. Ferner zeichnet sich der die Magnetkupplung 7 als Antriebsverbindung aufweisende Nockenwellenversteller 1 durch eine hohe Montage- und Demontagefreundlichkeit aus.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Verstellmotor
- 3
- Verstellgetriebe
- 4
- Antriebselement
- 5
- Verstellelement
- 6
- Abtriebselement
- 7
- Antriebsverbindung, Magnetkupplung
- 8
- Gehäuse
- 9
- Gehäuseelement
- 10
- Nockenwelle
- 11
- Zentralschraube
- 12
- Zylinderkopfwandung
- 13
- erstes Dichtelement
- 14
- erster Dichtspalt
- 15
- zweiter Dichtspalt
- 16
- zweites Dichtelement
- 17
- Dichtung
- 18
- dritter Dichtspalt
- 19
- Verschlussstopfen
- 20
- Kopf der Zentralschraube 11
- 21
- motorseitige Kupplungsscheibe
- 22
- getriebeseitige Kupplungsscheibe
- 23
- Luftspalt
- 24
- Motorwelle
- 25
- Feder
- 26
- Federlager
- 27
- Kalibrierspitze
- 28
- Einlage
