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Die Erfindung betrifft eine Phasenverstelleinrichtung, bestehend aus einem hydraulisch betätigten Nockenwellenversteller, der einer Nockenwelle zugeordnet ist. Die Nockenwelle umfasst eine Innenwelle und eine Außenwelle, die koaxial ineinander und gegeneinander drehbeweglich angeordnet sind. Zur relativen Winkelverstellung der jeweils mehrere Nocken aufweisenden Innenwelle und Außenwelle ist ein mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbarer Nockenwellenversteller vorgesehen, bei dem ein Stator mit einem Antriebsrad und ein Rotor mit der Innenwelle drehfest verbunden sind.
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Nockenwellenversteller werden in Ventiltrieben von Brennkraftmaschinen eingesetzt, um die Öffnungs- und Schließzeiten von Gaswechselventilen zu verändern, wodurch die Verbrauchswerte und das Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine im Allgemeinen verbessert werden kann. Eine in der Praxis bewährte Ausführungsform eines Nockenwellenverstellers ist als Flügelzellenversteller aufgebaut, der einen Stator und einen Rotor aufweist, die gemeinsam umfangsverteilte Druckkammern begrenzen, die durch Flügel jeweils in zwei zusammenwirkende Arbeitskammern unterteilt sind. Die Arbeitskammern sind wahlweise mit einem Druckmittel beaufschlagbar, welches in einem Druckmittelkreislauf über eine Druckmittelpumpe aus einem Druckmittelreservoir in eine Arbeitskammer zugeführt wird und aus der anderen durch den Flügel getrennten Arbeitskammer abströmt. Die Arbeitskammern, deren Volumen dabei vergrößert wird, weisen eine Wirkrichtung auf, welche der Wirkrichtung der Arbeitskammern, deren Volumen verkleinert wird, entgegengesetzt ist. Die Wirkrichtung bedeutet demnach, dass eine Druckmittelbeaufschlagung der jeweiligen Gruppe von Arbeitskammern eine Verdrehung des Rotors entweder im oder gegen den Uhrzeigersinn relativ zu dem Stator bewirkt. Derartige Flügelzellenversteller sind beispielsweise aus den Dokumenten
DE 197 26 300 A1 und
US 6 684 835 B2 bekannt.
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Nockenwellen werden in Brennkraftmaschinen verwendet, um die Gaswechselventile zu betätigen. Die Nockenwelle weist mehrere mit Nockenfolgern, wie Tassenstößel, Schlepphebel oder Kipphebel, zusammenwirkende Nocken auf. Bei einer Drehung der Nockenwelle und der damit verbundenen Nocken werden über die Nockenfolger wiederum Gaswechselventile betätigt. Die Position und die Form der Nocken definieren die Öffnungszeiten bzw. Schließzeiten der Gaswechselventile. Konzentrische Nockenwellen besitzen eine innere Nockenwelle, die einem ersten Satz von Gaswechselventilen zugeordnet ist und eine äußere, einem zweiten Satz von Gaswechselventilen zugeordnete Nockenwelle. Eine derartige konzentrische Nockenwelle bzw. Doppelnockenwelle ist auch unter der Bezeichnung Cam-in-Cam-Nockenwelle oder Wellein-Welle-Nockenwelle bekannt. Aus den Dokumenten
DE 42 26 798 A1 ,
DE 10 2005 014 680 A1 und
DE 10 2009 060 211 A1 sind beispielhaft Doppelnockenwellen der zuvor beschriebenen Bauweise bekannt. Mittels eines Nockenwellenverstellers kann bei derartigen Nockenwellen die Phasenlage der inneren Nockenwelle gegenüber der äußeren Nockenwelle eingestellt bzw. verändert werden.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Phasenverstelleinrichtung mit einer deformationsfreien Verbindung zwischen einem Nockenwellenversteller und einer Nockenwelle zu schaffen.
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Diese Aufgabe der Erfindung wird durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Weitere bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind den Unteransprüchen, den Figuren und der zugehörigen Beschreibung zu entnehmen.
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Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird zur Lösung der Aufgabe eine auch als Phasenverstellsystem zu bezeichnende Phasenverstelleinrichtung vorgeschlagen, bei der die Innenwelle der Nockenwelle in Verbindung mit dem Nockenwellenversteller mittels einer Überlastkupplung von der Außenwelle und einem damit verbundenen Antriebsflansch entkoppelt werden kann.
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Bei bisherigen Konstruktionen konnte es aufgrund eines über einen Pressverband gefügten Bolzens zu einer unkontrollierten Deformation der Innenwelle entlang der Axialachse in Form einer Krümmung oder Welligkeit kommen. Ein damit verbundener Planlauffehler an der seitlichen Fläche der Innenwelle verursacht ein Verklemmen des Rotors im Stator des Nockenwellenverstellers. Das konstruktive erfindungsgemäße Konzept der Phasenverstelleinrichtung löst dieses Problem und unterbindet wirksam ein Verklemmen des Rotors im Stator bei einer radialen und axialen Lagerung der Innenwelle zur Außenwelle im Nockenwellenversteller. Gleichzeitig wird damit auch eine Deformation und folglich ein Planlauffehler der Innenwelle vermieden. Die Phasenverstelleinrichtung gemäß der Erfindung gewährleistet somit eine dauerhafte störungsfreie Funktion des Nockenwellenverstellers.
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Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird vorgeschlagen, als Überlastkupplung eine Kugelraste einzusetzen, bei der in einer Raststellung eine federbelastete Rastkugel zwischen einem Antriebsrad bzw. Antriebsflansch der Nockenwelle und einem Deckel des Nockenwellenverstellers positioniert ist.
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Ferner ist zur Reibungsminderung bei einer Relativverdrehung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle erfindungsgemäß vorgesehen, ein Axiallager einzubringen. Dazu eignet sich bevorzugt ein als Wälzlager ausgeführtes Axiallager, das in Richtung des Nockenwellenverstellers an einer Schulter des Antriebsflansches oder eines Nockenwellenlagers und gegenseitig mittelbar oder unmittelbar an einem Nocken der Innenwelle abgestützt ist. Das insbesondere als Rastkugel-, Nadel- oder Gleitlager ausgebildete Axiallager gewährleistet vorteilhaft eine reibungsarme Relativverdrehung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle. Der erfindungsgemäße Aufbau des Nockenwellenverstellers umfasst weiterhin eine Zentralschraube, über die sich eine drehfeste Verbindung zwischen der Innenwelle und dem Rotor einstellt. Zur weiteren Reibungsminderung bei einer sich einstellenden Relativverdrehung zwischen der Innenwelle und der Außenwelle ist ein zweites Axiallager vorgesehen, das zwischen einer der Zentralschraube zugeordneten Abstützscheibe und einem Stirndeckel des Nockenwellenverstellers eingesetzt ist.
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Ferner umfasst die Phasenverstelleinrichtung gemäß der Erfindung als Maßnahme zur verbesserten reibungsarmen Führung der zusammengefügten Wellen der Nockenwelle eine Radiallagerung. Dazu ist zwischen einem Innendurchmesser der Außenwelle und einer Mantelfläche der Innenwelle zumindest ein bevorzugt als Gleitlagerbuchse ausgeführtes Radiallager eingesetzt.
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Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels in mehreren Zeichnungen näher erläutert, wobei die Erfindung jedoch nicht auf dieses Ausführungsbeispiel beschränkt ist. Die Figuren zeigen nicht alle Bauteile oder Details der Phasenverstelleinrichtung. Gleiche Elemente bzw. Bauteile sind mit übereinstimmenden Bezugszeichen versehen. Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Phasenverstelleinrichtung einer Brennkraftmaschine in einer Perspektive; und
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2 die Phasenverstelleinrichtung gemäß 1 in einem Längsschnitt.
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Die 1 zeigt eine Phasenverstelleinrichtung 1 einer Brennkraftmaschine (nicht gezeigt), bestehend aus einem Nockenwellenversteller 2 und einer teilweise gezeigten Nockenwelle 3. Die Nockenwelle 3 schließt eine Innenwelle 4 sowie eine Außenwelle 5 ein, die koaxial ineinander gefügt und gegeneinander drehbeweglich gelagert sind und denen getrennte Nocken 6, 7 zugeordnet sind. Der Antrieb der Phasenverstelleinrichtung 1 geschieht mittels eines dem Nockenwellenversteller 2 zugeordneten, als Kettenrad ausgebildeten Antriebsrades 8, das über eine Kette als Zugmittel eines Zugmitteltriebs (nicht gezeigt) mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Wirkverbindung steht. Der angetriebene Teil des Nockenwellenverstellers 2, der Stator 10 (gezeigt in 2), ist mit der Außenwelle 5 drehfest verbunden, wodurch diese Welle in ihrer Phasenlage zur Kurbelwelle fixiert ist. Der verdrehbare Teil des Nockenwellenverstellers 2, der Rotor 9 (gezeigt in 2), ist mit der zu verstellbaren Innenwelle 4 drehfest verbunden. Die mit der Innenwelle 4 verbundenen Nocken 7 sind damit gegenüber den Nocken 6 der Außenwelle 5 verstellbar. Über den Nockenwellenversteller 2 erfolgt der Antrieb der Nockenwelle 3, wobei dieser bedarfsabhängig gleichzeitig eine gegenseitige Verdrehung der Innenwelle 4 gegenüber der Außenwelle 5 ermöglicht. Zur Verstellung des hydraulischen Nockenwellenverstellers 2 ist dieser mit einem nicht gezeigten Hydrauliksystem bzw. Druckmittelkreislauf der Brennkraftmaschine, bestehend aus Fluidleitungen, Druckmittelpumpe und einem Druckmittelreservoir verbunden.
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Die Schnittansicht gemäß 2 verdeutlicht den erfindungsgemäßen Aufbau der Phasenverstelleinrichtung 1. Der hydraulische Nockenwellenversteller 2 mit einem bekannten Aufbau als Flügelzellenversteller umfasst einen Rotor 9 und einen Stator 10, die mehrere jeweils durch einen Flügel in zwei zusammenwirkende Arbeitskammern unterteilte Druckkammern (nicht gezeigt) begrenzen. Die Arbeitskammern können wahlweise mit Druckmittel beaufschlagt werden, um eine Relativverdrehung zwischen dem Rotor 9 und dem Stator 10 zu erreichen. Aufgrund einer drehstarren Verbindung des Rotors 9 mit der Innenwelle 4 über eine Zentralschraube 11 wird die Relativverdrehung des Rotors 9 unmittelbar auf die Innenwelle 4 übertragen. Abweichend dazu ist der Stator 10 mittelbar über einen hinteren Dichtdeckel 12 und einen Antriebsflansch 13 mit der Außenwelle 5 der Nockenwelle 3 verbunden. Der an der Innenwelle 4 verschraubte Rotor 9 des Nockenwellenverstellers 2 ist von dem hinteren Dichtdeckel 12 zur Außenwelle 5 entkoppelt. Bevorzugt ist ein axialer Abstand von ca. ≥ 0,1 bis ≤ 1 mm zwischen dem Rotor 9 und dem Antriebsflansch 13 der Außenwelle 5 vorgesehen, um einen Ausgleich bei einer möglichen Verkippung der Innenwelle 4 zu gewährleisten. Zur Sicherstellung einer reibungsfreien Relativbewegung der Außenwelle 5 gegenüber der Innenwelle 4 sind Axiallager 14, 15 vorgesehen. Ein erstes Axiallager 14 ist zwischen dem Nocken 7 der Innenwelle 4 und einer Schulter 28 des Antriebsflansches 13 eingesetzt. Das weitere Axiallager 15 ist an der Frontseite des Nockenwellenverstellers 2 zwischen einer der Zentralschraube 11 zugeordneten Abstützscheibe 16 und einem Stirndeckel 26 des Nockenwellenverstellers 2 eingesetzt. Über die Abstützscheibe 16 kann eine Einstellung der axialen Vorspannung des Axiallagers 15 erfolgen. Dazu kann die Abstützscheibe 16 mittels eines Gewindes 17 am Außendurchmesser der Zentralschraube 11 in die gewünschte axiale Position gebracht und durch eine Stellmutter 18 lagefixiert werden. Gleichzeitig ist dadurch ein Axialspiel zwischen dem Rotor 9 und dem hinteren Dichtdeckel 12 einstellbar. Für die Axiallager 14, 15 sind bevorzugt als Nadellager aufgebaute Wälzlager vorgesehen.
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In einem radial von der Innenwelle 4 und der Außenwelle 5 begrenzten Ringspalt ist weiterhin ein Radiallager 19 eingesetzt. Das insbesondere als Gleitlager bzw. als Gleitlagerbuchse ausgebildete Radiallager 19 ist bevorzugt in die Außenwelle 5 eingepresst und an einem Innendurchmesser 21 abgestützt. Die Innenwelle 4 ist mittels einer Mantelfläche 29 an dem Radiallager 19 geführt. Die Innenwelle 4 zentriert den Rotor 9 sowie den Stator 10 über den Innendurchmesser des am Stator 10 angeschraubten hinteren Dichtdeckels 12, so dass ein maximales Radialspiel zwischen Rotor 9 und Stator 10 durch das maximal mögliche Radialspiel in der Zentrierung an der Innenwelle 4 bestimmt wird. Zur Drehmomentübertragung zwischen dem Antriebsflansch 13 und der damit verbundenen Außenwelle 5 einerseits und dem hinteren Dichtdeckel 12 und folglich dem Nockenwellenversteller 2 andererseits umfasst die Phasenverstelleinrichtung 1 zumindest eine als Kugelraste aufgebaute Überlastkupplung 20. Der Aufbau dieser Überlastkupplung 20 sieht vor, dass eine in einer Sacklochbohrung im Antriebsflansch 13 geführte und von einem Federelement 23 beaufschlagte Rastkugel 22 in einer Verriegelungsstellung in eine Kugelrastung 24 des hinteren Deckels 12 eingreift und damit ein Drehmoment vom Nockenwellenversteller 2 zur Außenwelle 5 weiterleitet. Die Rastkugel 22 ist durch eine Verstemmung an der Sacklochbohrung verliersicher befestigt. Vorteilhaft ist eine Anordnung von drei umfangsverteilten Überlastkupplungen 20 vorgesehen. Damit kann eine Verkippung der Innenwelle 4 einschließlich des drehfest angeschraubten Rotors 9 bzw. des Nockenwellenverstellers 2 zur Außenwelle 5 ausgeglichen und die Verklemmung des Rotors 9 im Stator 10 vermieden werden. Als Entlüftung der Überlastkupplungen 20 sowie zu deren Schmierung sind axiale, durchgehende Bohrungen 25 im Stirndeckel 26, dem hinteren Dichtdeckel 12 sowie im Rotor 9 eingebracht. Für die Ölversorgung des Nockenwellenverstellers 2 sind mehrere radiale Aussparungen am Innendurchmesser des hinteren Dichtdeckels 12 vorgesehen, um die Zentrierung an der Innenwelle 4 sowie ein axiales Weiterleiten des Öls zum Rotor 9 zu ermöglichen. Zur Vermeidung eines Ölverlustes an der Koppelstelle zwischen dem hinteren Dichtdeckel 12 und dem Antriebsflansch 13 ist ein als O-Ring ausgebildeter Dichtring 27 vorgesehen. Alternativ oder ergänzend kann ein Dichtring am Außendurchmesser des hinteren Dichtdeckels 12 positioniert werden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Phasenverstelleinrichtung
- 2
- Nockenwellenversteller
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Innenwelle
- 5
- Außenwelle
- 6
- Nocken
- 7
- Nocken
- 8
- Antriebsrad
- 9
- Rotor
- 10
- Stator
- 11
- Zentralschraube
- 12
- Dichtdeckel
- 13
- Antriebsflansch
- 14
- Axiallager
- 15
- Axiallager
- 16
- Abstützscheibe
- 17
- Gewinde
- 18
- Stellmutter
- 19
- Radiallager
- 20
- Überlastkupplung
- 21
- Innendurchmesser
- 22
- Rastkugel
- 23
- Federelement
- 24
- Kugelrastung
- 25
- Bohrung
- 26
- Stirndeckel
- 27
- Dichtring
- 28
- Schulter
- 29
- Mantelfläche
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19726300 A1 [0002]
- US 6684835 B2 [0002]
- DE 4226798 A1 [0003]
- DE 102005014680 A [0003]
- DE 102009060211 A1 [0003]
