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Gebiet der Erfindung
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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.
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Hintergrund der Erfindung
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Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
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Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern aus, welche mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.
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Eine Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator, einen Rotor und ein Antriebsrad mit einer Außenverzahnung auf. Der Rotor ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle drehfest verbindbar ausgebildet. Das Antriebselement beinhaltet den Stator und das Antriebsrad. Der Stator und das Antriebsrad werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig miteinander ausgebildet. Der Rotor ist koaxial zum Stator und innerhalb des Stators angeordnet. Der Rotor und der Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator und dem Rotor ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor bzw. dem Stator ausgebildet oder als „gesteckte Flügel“ in dafür vorgesehene Nuten des Rotors bzw. des Stators angeordnet. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
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Eine andere Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt.
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Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise ein Elektromotor oder eine Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Eine Feder kann zusätzlich angeordnet werden, welche die Relativdrehung zwischen Antriebselement und Abtriebselement unterstützt oder zurückführt.
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Zusammenfassung der Erfindung
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller bzw. eine Nockenwellenverstellvorrichtung einer der Eingangs genannten Arten anzugeben, der bzw. die eine verbesserte Adaptivität an die Umgebungsbedingungen in der Brennkraftmaschine aufweist.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Hierdurch wird erreicht, dass die Leistungsfähigkeit der Nockenwellenverstellvorrichtung auf die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine angepasst und dadurch deutlich verbessert ist. Durch die sich ändernden Umgebungsbedingungen auf die Nockenwellenverstellvorrichtung in der Brennkraftmaschine wird die Bimetallfeder auf die jeweiligen Bedingungen der Brennkraftmaschine angepasst. Beispielsweise ist es im Betrieb mit kaltem Öl möglich die Federkraft auf die schlechten Schmierbedingungen anzupassen.
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Die Bimetallfeder besteht aus einem aus dem Stand der Technik bekannten Bimetall – zwei Metalle mit unterschiedlichen Wärmeausdehnungskoeffizienten, die aneinander angelegt sind und gemeinsam den Federdraht ausbilden. Je nach Anordnung des Metalls mit dem höheren Wärmeausdehungskoeffizienten, kann die Federkraft der Feder in Abhängigkeit von der Temperatur variieren. Die beiden Metalle können bspw. durch Schweißen (Plattieren) miteinander gefügt sein.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung verkleinert sich der Durchmesser der Bimetallfeder bei einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturabsenkung.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist vergrößert sich der Durchmesser der Bimetallfeder bei einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturabsenkung.
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In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung verkleinert sich die Federkraft der Bimetallfeder bei einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturabsenkung.
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In einer Ausgestaltung der Erfindung vergrößert sich die Federkraft der Bimetallfeder bei einer Temperaturerhöhung oder einer Temperaturabsenkung.
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Vorteilhafterweise wird in den vier vorgenannten Ausgestaltungen durch den Einfluss von Temperaturänderungen auf die Bimetallfeder die geometrischen und physikalischen Eigenschaften der Feder geändert, um die Leistungsfähigkeit der Nockenwellenverstellvorrichtung gegenüber einer herkömmlichen Feder zu verbessern und auf die Betriebsbedingungen der Brennkraftmaschine anzupassen. Beispielsweise kann auch eine erhöhte Temperatur zur Reduzierung der Federkraft führen, um so die dem Verstellvorgang entgegenwirkende Federkraft zu reduzieren. Die ist insbesondere dann von Vorteil, wenn die Brennkraftmaschine im Heißleerlauf betrieben ist. Im Heißleerlaufbetrieb ist das Öl zwar im „heißen“ Zustand, jedoch leistet die Ölpumpe aufgrund des Leerlaufs nicht ausreichend Förderdruck, wodurch bspw. eine Verstellung durch eine als hydraulisch betätigt ausgebildete Nockenwellenverstellvorrichtung nicht zufriedenstellend erfolgt. Hierbei ist die Federkraft einer herkömmlichen Feder zu hoch, um vom Öldruck überwunden zu werden, damit eine Verstellung entgegen der Vorspannung der Feder erfolgen kann. Die Bimetallfeder hingegen passt ihre Federkraft in Abhängigkeit von der Temperatur an. Der Widerstand, der gegen die Verstellung wirkt, ist bspw. geringer und die Verstellung kann zuverlässiger erfolgen.
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In einer bevorzugten Ausbildung ist die Bimetallfeder als Spiralfeder ausgebildet. Der spiralförmige Windungskörper dieser Feder kann sich in radialer und/oder in axialer Richtung erstrecken. Die Bimetallfeder kann auch als Zugfeder, Schraubendruckfeder o.ä. ausgebildet sein.
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In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung wirkt die Bimetallfeder einem Nockenwellenreibmoment entgegen oder kompensiert ein Nockenwellenreibmoment in Abhängigkeit von der Temperatur. Insbesondere bei jeder der vorgenannten Arten von Nockenwellenverstellern ist diese Bimetallfeder einsetzbar. Das Nockenwellenreibmoment entsteht durch die Schmierung der Nockenwellenlagers. Wird das Nockenwellenlager mit kalten Öl geschmiert, ist das Nockenwellenreibmoment sehr hoch, wobei die erfindungsgemäße Bimetallfeder aufgrund der niedrigen Temperatur ein hohes Federmoment haben sollte, um gegen dieses Nockenwellenreibmoment wirken zu können, damit der Verstellvorgang durch das Nockenwellenreibmoment möglichst unbeeinflusst bleibt. Im Betrieb wird das Öl erwärmt und das Nockenwellenreibmoment im Nockenwellenlager sinkt. Je nach Anordnung der beiden Metalle an der Feder wird durch das erwärmte Öl auch die Federkraft der Bimetallfeder geringer.
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In einer Ausbildung der Erfindung drückt die Federkraft der Bimetallfeder das Abtriebselement gegenüber dem Antriebselement in Richtung „Früh“ oder „Spät“.
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So wird erfindungsgemäß auch eine Bimetallfeder einer Nockenwellenverstellvorrichtung mit den oben beschriebenen funktionellen Möglichkeiten zur Lösung der technischen Aufgabe vorgeschlagen.
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Durch die erfindungsgemäße Anordnung von zwei Metallen mit unterschiedlichem Wärmeausdehnungskoeffizienten in einer Feder einer Nockenwellenverstellvorrichtung wird eine Adaption der Federkraft an die Betriebsverhältnisse der Brennkraftmaschine erreicht. Insbesondere kann vorteilhafterweise die Nockenwellenreibung über den gesamten Temperaturbereich der Brennkraftmaschine von –40°C bis +150°C kompensiert werden. Von Vorteil ist es auch, dass erfindungsgemäß das Federmoment an die Ölviskosität adaptierbar ist.
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Kurze Beschreibung der Zeichnungen
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung mit einer Bimetallfeder und
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2 die erfindungsgemäße Bimetallfeder aus 1.
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Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen
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1 zeigt eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung 1 mit einer Bimetallfeder 4.
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Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Antriebselement 2 und ein Abtriebselement 3 auf. Das Antriebselement 2 und das Abtriebselement 3 sind koaxial zur Drehachse 5 des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet, wobei das Antriebselement 2 und das Abtriebselement 3 mehrere, radial gerichtete und hier nicht weiter dargestellte Flügel aufweisen, wobei das Antriebselement 2 und das Abtriebselement 3 gegensätzlich wirkende Arbeitskammern ausbilden, wobei jede Arbeitskammer durch ein Flügelpaar aus einem Flügel des Antriebselements 2 und einem Flügel des Abtriebselements 3 definiert ist und die Arbeitskammern mit Hydraulikmittel druckbeaufschlagbar sind, um eine relative Verdrehung zwischen dem Antriebselement 2 und dem Abtriebselement 3 zu erreichen.
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Zwischen dem Antriebselement 2 und dem Abtriebselement 3 ist die Bimetallfeder 4 angeordnet und verspannt beide Elemente 2 und 3 gegeneinander in Umfangsrichtung 10 um die Drehachse 5. Das Abtriebselement 3 weist zwei Stifte 6 auf, welche die innere Lagerung für die Bimetallfeder 4 ausbilden. Das Antriebselement 2 weist ebenfalls zwei Stifte 7 auf, welche die äußere Lagerung für die Bimetallfeder 4 ausbilden.
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2 zeigt die erfindungsgemäße Bimetallfeder 4 aus 1. Die Bimetallfeder 4 besteht aus zwei voneinander verschiedenen Metallen 8 und 9. Das erste Metall 8 ist auf der Außenseite der Bimetallfeder 4 angeordnet. Das zweite Metall 9 ist auf der Innenseite der Bimetallfeder 4 angeordnet. Beide Metalle 8 und 9 sind bspw. durch Schweißen (Plattieren) miteinander gefügt. Das erste Metall 8 hat einen höheren Wärmeausdehungskoeffizienten als das zweite Metall 9. Somit dehnt sich das erste Metall 8 unter Temperaturerhöhung stärker aus als das zweite Metall 9, wodurch das Drehmoment der Bimetallfeder 4 verändert wird und somit auch die Auswirkung auf die Vorspannung zwischen Antriebselement 2 und Abtriebselement 3. Selbstverständlich kann alternativ das zweite Metall 9 einen höheren Wärmeausdehnungskoeffizienten haben als das erste Metall 8, wodurch sich ebenfalls das Drehmoment der Bimetallfeder 4 verändert.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Antriebselement
- 3
- Abtriebselement
- 4
- Bimetallfeder
- 5
- Drehachse
- 6
- Stift
- 7
- Stift
- 8
- erstes Metall
- 9
- zweites Metall
- 10
- Umfangsrichtung
