DE102015006234B4

DE102015006234B4 - Nockenwellenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102015006234B4
Application number: DE102015006234.4A
Authority: DE
Inventors: Martin Lehmann; Uwe DIETEL; Michael Kunz; Bernd Mann
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2015-05-18
Filing date: 2015-05-18
Publication date: 2023-10-12
Anticipated expiration: 2035-05-19
Also published as: WO2016184834A1; DE102015006234A1

Abstract

Nockenwellenverstelleinrichtung (1) für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen- mit einer Nockenwelle, aufweisend eine äußere Nockenwelle (2) und eine gegenüber der äußeren Nockenwelle (2) um eine Längsachse (6) drehwinkelverstellbare innere Nockenwelle (3),- mit einem Nockenwellenversteller (4) zur Verstellung der äußeren Nockenwelle (2) relativ zur inneren Nockenwelle (3), aufweisend einen drehfest mit der äußeren Nockenwelle (2) verbunden Stator (8) und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle (3) verbundenen Rotor (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein nockenwellenverstellerfestes Bauteil (20) zur Übertragung eines Drehmoments formschlüssig mit einem nockenwellenfesten Bauteil (17) verbunden ist, wobei die Verbindung Aufnahmen (25) aufweist, die durch korrespondierende Ausnehmungen (19, 24) in dem nockenwellenverstellerfesten Bauteil (20) und dem nockenwellenfesten Bauteil (17) gebildet sind, und wobei in den Aufnahmen (25) jeweils ein konvex ausgeformter Wälzkörper (26) angeordnet ist.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.
Nockenwellen werden unter anderem in Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen als Teil eines Ventiltriebs verwendet, um die Ein- und Auslassventile nach konstruktionsmäßigen Steuerzeiten zu öffnen. Nockenwellen weisen zur Anpassung der Ventilüberschneidung an die verschiedenen Drehzahlen des Motors Nockenwellenverstelleinrichtungen auf. Durch diese Anpassung verbessert sich die Zylinderfüllung und somit die Effizienz des Motors. Bei der Nockenwellenverstellung handelt es sich um eine Phasenverstellung zwischen einer inneren Nockenwelle und einer äußeren Nockenwelle einer konzentrischen Nockenwelle. Durch die Phasenverstellung kann ein gutes Drehmoment des Motors bei niedrigen Drehzahlen, gutes Abgas im Leerlauf und eine hohe Leistung bei hohen Drehzahlen erzielt werden. Phasenverstellung bedeutet dabei, dass die Nockenwelle die Ventile früher öffnet und schließt bzw. später öffnet und schließt. Dabei ist aus der Offenlegungsschrift DE 10 2010 023 571 A1 bekannt, die Nockenwellen so auszugestalten, dass zum einen eine Phasenverschiebung zwischen den beiden über die Konstruktion angesteuerte Gaswechselventile erreicht wird und zum anderen über eine stattfindende Spreizung zweier Teilnockenelemente eine entsprechende Verlängerung des maximalen Trockenhubes ermöglicht wird. Nockenwellenversteller erfordern präzise Toleranzen und Fluchtung, um einwandfrei zu funktionieren. Einzelteiltoleranzen können dazu führen, dass es beispielsweise zur Innenwellenschiefstellung durch Radiallagerungstoleranzen kommt. Weitere kritische Bauteiltoleranzen sind der Planlauf der Innenwelle an der Rotorfläche, der Planlauf des Rotors an der Innenwellenfläche, der Planlauf der Gehäuseinnenseite des Nockenwellenverstellers und der Planlauf der Verbindungsflächen des Nockenwellenverstellers. Es ist daher eine flexible Anbindung der Komponenten der Nockenwellenverstelleinrichtung erforderlich, welche die in der Fertigung entstehenden Toleranzen der Einzelteile der Nockenwelle als auch die des Nockenwellenverstellers ausgleichen kann, um ein Klemmen der Bauteile und einen damit verbundenen Verschleiß und ein erhöhtes notwendiges statisches Verstellmoment zu verhindern. Des Weiteren kann es im Betrieb zu dynamischen Relativbewegungen zwischen den Bauteilen kommen, beispielsweise durch Biegeschwingungen der inneren Nockenwelle, die ebenso ausgeglichen werden sollten.
Die deutsche Veröffentlichung DE 11 2012 001 009 T5 offenbart eine variable Nockensteuerungsbaugruppe mit einem Torsionsantriebsmechanismus, der das Justieren der lotrechten Stellung und axialen Fluchtungsabweichung der inneren und äußeren Nockenwelle erlaubt, während eine drehsteife Kupplung zwischen dem Nockenwellenversteller und der inneren oder äußeren Nockenwelle der konzentrischen Nockenwelle aufrechterhalten wird. Der Torsionsantriebsmechanismus weist dazu als Ausgleichselement ein quer geteiltes angetriebenes Rad auf.
Aus der Druckschrift DE 10 2011 076 652 A1 ist eine Vorrichtung zur Verstellung der relativen Drehwinkelposition geschalteter Nockenwellen einer Brennkraftmaschine bekannt, wobei eine mit einer ersten Nockenwelle drehfeste Nockenwellen-Eingriffsstruktur und eine mit einem Stator drehfeste Phasensteller-Eingriffsstruktur in einem Verdrehsicherungseingriff axial ineinander geschoben sind und den Stator durch Formschluss verdrehgesichert mit der ersten Nockenwelle verbinden.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwellenverstelleinrichtung anzugeben, die sowohl Bauteiltoleranzen als auch Relativbewegungen der Bauteile ausgleichen kann.
Diese Aufgabe wird von einer Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Demnach ist eine Nockenwellenverstelleinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen mit einer Nockenwelle, aufweisend eine äußere Nockenwelle und eine gegenüber der äußeren Nockenwelle um eine Längsachse drehwinkelverstellbare innere Nockenwelle vorgesehen, mit einem Nockenwellenversteller zur Verstellung der äußeren Nockenwelle relativ zur inneren Nockenwelle aufweisend einen drehfest mit der äußeren Nockenwelle verbunden Stator und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle verbundenen Rotor, wobei ein nockenwellenverstellerfestes Bauteil zur Übertragung eines Drehmoments formschlüssig mit einem nockenwellenfesten Bauteil verbunden ist, wobei die Verbindung Aufnahmen aufweist, die durch korrespondierende Ausnehmungen in dem nockenwellenverstellerfesten Bauteil und dem nockenwellenfesten Bauteil gebildet sind, wobei in den Aufnahmen jeweils ein konvex ausgeformter Wälzkörper angeordnet ist.
Die konvex ausgeformten Wälzkörper ermöglichen eine Übertragung des Drehmoments bei gleichzeitigem Toleranzausgleich der Bauteile in alle drei Raumrichtungen. Dabei kann vorgesehen sein, das Antriebsmoment nockenwellenversteller- oder nockenwellenseitig einzuleiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist der Nockenwellenversteller ein Gehäuse auf, mit dem der Stator und ein Antriebselement drehfest verbunden sind. Dabei ist es vorteilhaft, wenn das nockenwellenverstellerfeste Bauteil das Antriebselement aufweist und das nockenwellenfeste Bauteil die äußere Nockenwelle umfasst.
Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der beiden Bauteile mittels eines auf der äußeren Nockenwelle aufgebrachten Koppelrads. Dabei ist es vorteilhaft, wenn die korrespondierenden Ausnehmungen auf der Innenseite des Antriebselements einerseits und auf der Außenseite des Koppelrads andererseits angeordnet sind. Vorzugsweise sind die von den Ausnehmungen gebildeten Aufnahmen gleichmäßig über den Umfang verteilt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfasst das Antriebselement ein Zahnrad.
Vorzugweise sind die äußere Nockenwelle und die innere Nockenwelle als Hohlwellen ausgebildet und konzentrisch zueinander angeordnet.
Die Wälzkörper sind bevorzugt Kugeln oder Tonnenrollen, wobei die Tonnenrollen mit ihrer Rotationsachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse angeordnet sind. Kugeln sind besonders einfach und kostengünstig und Tonnenrollen eigenen sich besonders gut zum Ausgleichen von Fluchtfehlern.
Die Lage der Wälzkörper in den Aufnahmen ist vorzugsweise in Längsrichtung gesichert.
Es ist weiterhin vorgesehen, das Antriebselement mit dem Gehäuse kraftschlüssig mittels Schrauben zu verbinden.
Eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

1: einen Längsschnitt durch eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung,
2: eine vergrößerte Darstellung des Bereichs A aus 1, sowie
3: eine räumliche Ansicht der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung.

In der 1 ist eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung 1, aufweisend eine äußere Nockenwelle 2 und eine innere Nockenwelle 3 dargestellt. Die innere Nockenwelle 3 ist konzentrisch innerhalb der äußeren Nockenwelle 2 liegend angeordnet. Die Nockenwellenverstelleinrichtung 1 weist weiterhin einen Nockenwellenversteller 4 mit einem Gehäuse 5 auf. Der Nockenwellenversteller 4 weist einen um eine Längsachse 6 rotierenden Rotor 7 und einen den Rotor 7 koaxial umgebenden Stator 8 auf. Der Nockenwellenversteller 4 ist als druckmittelbetätigbarer Flügelzellenversteller ausgebildet, welcher über einen nicht dargestellten Druckmittelkreislauf mit einer Druckmittelpumpe mit Druckmittel beaufschlagbar ist. Der Grundaufbau der Flügelzellenversteller wird hier nicht weiter beschrieben, da er als im Stand der Technik bekannt angesehen werden kann. Der Rotor 7 ist mit der inneren Nockenwelle 3 mittels einer Zentralschraube 9 (die ein Zentralventil beinhalten kann) drehfest verbunden. Der Stator 8 ist gehäusefest angeordnet. Das Gehäuse 5 weist Abdeckplatte 10, 11 auf, die an den Stirnseiten 12, 13 angeordnet sind.
Außerhalb des Gehäuses 5 weist die innere Nockenwelle 3 auf ihrer Außenseite 14 zwei Abstufungen 15, 16 auf, die jeweils einen Ringbund bilden, wobei die Abstufung 16 als radialer Sitz für die auf der inneren Nockenwelle 3 sitzende äußere Nockenwelle 2 dient. Auf die äußere Nockenwelle 2 ist ein Koppelrad 17 aufgepresst. Das Koppelrad 17 weist auf der Außenseite 18 gleichmäßig über den Umfang verteilte Ausnehmungen 19 auf und ist von einem angetriebenen Zahnrad 20 umfangseitig umgeben. Das Zahnrad 20 weist auf seiner Außenseite 21 eine Verzahnung 22 und auf seiner Innenseite 23 regelmäßig über den Innenumfang verteilte Ausnehmungen 24 auf, die im Zusammenspiel mit den Ausnehmungen 19 des Koppelrads 17 Aufnahmen 25 für jeweils einen Wälzkörper 26 bilden. Die Aufnahmen 25 erstrecken sich in Längsrichtung 6 zur Aufnahme von sogenannten Tonnenrollen 26. Die Tonnenrollen 26 sind, wie in 2 dargestellt, fassförmig ausgebildet. Das Zahnrad 20 ist mit der zahnradseitigen Abdeckplatte 10 des Gehäuses 5 des Nockenverstellers 4 kraftschlüssig und somit drehfest verbunden. Es ist auch denkbar die Verbindung kraft-formschlüssig oder stoffschlüssig auszugestalten. Vorzugsweise erfolgt die Verbindung der beiden Bauteile 10, 20 über Schrauben 27, die in Längsrichtung 6 angeordnet sind. Wie in 3 gezeigt, sind die Schrauben 27 über den Umfang äquidistant verteilt.
Die axiale Positionierung der Wälzkörper 26 muss durch die Geometrie der Verbindung zwischen dem Koppelrad 17 und dem Zahnrad selbst oder wie in der 2 gezeigt, über mindestens ein Sicherungselement 28 erfolgen.
Das Drehmoment wird über das mit dem Nockenwellenversteller 4 festen Zahnrad 20 eingeleitet und über die im Eingriff stehende Wälzkörper 26 an die äußere Nockenwelle 2 über das Koppelrad 17 gelenkig übertragen. Da die Wälzkörper 26 eine konvexe und insbesondere ballige oder kugelige Form aufweisen, ist ein Toleranzausgleich in alle drei Raumrichtungen möglich. Die erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung kann somit Bauteiltoleranzen als auch Relativbewegungen der Bauteile ausgleichen.
Für den Ausgleich ist es nicht relevant, ob das Antriebsmoment nockenwellenversteller- oder nockenwellenseitig an den Ventiltrieb geleitet wird.
Es ist auch möglich, dass die beschriebenen Elemente mehrteilig sind, beispielsweise kann in einer anderen Ausführungsform das Antriebselement ein Riemenrad oder Kettenrad und einen Wälzkörperträger aufweisen.

Claims

Nockenwellenverstelleinrichtung (1) für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen - mit einer Nockenwelle, aufweisend eine äußere Nockenwelle (2) und eine gegenüber der äußeren Nockenwelle (2) um eine Längsachse (6) drehwinkelverstellbare innere Nockenwelle (3), - mit einem Nockenwellenversteller (4) zur Verstellung der äußeren Nockenwelle (2) relativ zur inneren Nockenwelle (3), aufweisend einen drehfest mit der äußeren Nockenwelle (2) verbunden Stator (8) und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle (3) verbundenen Rotor (7), dadurch gekennzeichnet, dass ein nockenwellenverstellerfestes Bauteil (20) zur Übertragung eines Drehmoments formschlüssig mit einem nockenwellenfesten Bauteil (17) verbunden ist, wobei die Verbindung Aufnahmen (25) aufweist, die durch korrespondierende Ausnehmungen (19, 24) in dem nockenwellenverstellerfesten Bauteil (20) und dem nockenwellenfesten Bauteil (17) gebildet sind, und wobei in den Aufnahmen (25) jeweils ein konvex ausgeformter Wälzkörper (26) angeordnet ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (4) ein Gehäuse (5) aufweist, mit dem der Stator (8) und ein Antriebselement (20) drehfest verbunden sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das nockenwellenverstellerfeste Bauteil das Antriebselement (20) aufweist und das nockenwellenfeste Bauteil (17) die äußere Nockenwelle (2) umfasst.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindung mittels eines auf der äußeren Nockenwelle (2) aufgebrachten Koppelrads (17) erfolgt.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die korrespondierenden Ausnehmungen (19, 24) auf der Innenseite (23) des Antriebselements (20) und auf der Außenseite (21) des Koppelrads (17) angeordnet sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (20) ein Zahnrad umfasst.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die äußere Nockenwelle (2) und die innere Nockenwelle (3) als Hohlwellen ausgebildet sind und konzentrisch zueinander angeordnet sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wälzkörper (26) Kugeln oder Tonnenrollen sind, wobei die Tonnenrollen mit ihrer Rotationsachse im Wesentlichen parallel zur Längsachse (6) angeordnet sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage der Wälzkörper (26) in den Aufnahmen (25) in Längsrichtung (6) gesichert ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebselement (20) mit dem Gehäuse (5) kraftschlüssig mittels Schrauben verbunden ist.