DE102015007956A1

DE102015007956A1 - Nockenwellenverstelleinrichtung mit Ausgleichselement zum statischen Toleranzausgleich

Info

Publication number: DE102015007956A1
Application number: DE102015007956.5A
Authority: DE
Inventors: Martin Lehmann; Uwe DIETEL
Original assignee: ThyssenKrupp AG; ThyssenKrupp Presta TecCenter AG
Current assignee: ThyssenKrupp AG; Thyssenkrupp Dynamic Components Teccenter AG
Priority date: 2015-06-23
Filing date: 2015-06-23
Publication date: 2016-12-29

Abstract

Die Erfindung betrifft eine 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) verbundenen Stator (8) und ein damit verbundenes Gehäuse (5) des Nockenwellenverstellers (4) und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle (3) verbundenen Rotor (7), mit einer nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit (7, 8), welche drehfest mit einer nockenwellenseitigen Baueinheit (3, 2) verbunden ist, wobei die beiden Baueinheiten (7, 8, 3, 2) sich in Richtung der Längsachse (6) in wenigstens einem Kontaktbereich über ihre jeweiligen Kontaktflächen mittelbar oder unmittelbar gegeneinander abstützen, wobei die Kontaktflächen des wenigstens einen Kontaktbereichs zwischen der nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit (7, 8) und der nockenwellenseitigen Baueinheit (3, 2, 9) zum Ausgleich eines Kippmoments zwischen der Nockenwelle und dem Gehäuse (5) komplementär zueinander gewölbt ausgebildet sind.

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 konstruktiv vorgegebenen Steuerzeiten zu öffnen. Nockenwellen weisen vielfach 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 beispielsweise 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 A bekannt, die Nockenwellen so auszugestalten, dass zum einen eine Phasenverschiebung zwischen den beiden über die Konstruktion angesteuerten Gaswechselventilen erreicht wird und zum anderen über eine stattfindende Spreizung zweier Teilnockenelemente eine entsprechende Verlängerung des maximalen Nockenhubes ermöglicht wird.
Die Komponenten konzentrischer Nockenwellen und Nockenwellenversteller weisen Einzeltoleranzen auf, die dazu führen können, dass die montierte Baugruppe ein erhöhtes notwendiges statisches Verstellmoment aufweist oder sogar klemmt. Die unter Serienbedingungen wirtschaftlich erreichbaren Bauteiltoleranzen sind nicht ausreichend gering, um eine theoretische Überschneidung der Bauteile und eine damit einhergehende Klemmneigung des Verstellsystems im montierten Zustand auszuschließen. Es besteht daher die Notwendigkeit die Anbindung des Nockenwellenverstellers an eine konzentrische Nockenwelle so zu gestalten, dass ein Toleranzausgleich zwischen den außen- und innenwellenfesten Bauteilen ermöglicht wird, um die in der Fertigung entstehenden Toleranzen der Einzelteile auszugleichen und um ein Klemmen der Bauteile und einen damit verbunden erhöhten Verschleiß zu verhindern.
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 Nockenwellenanordnung aufrechterhalten wird. Der Torsionsantriebsmechanismus weist dazu als Ausgleichselement ein quer geteiltes angetriebenes Rad auf.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Nockenwellenverstelleinrichtung anzugeben, bei der sich die Bauteiltoleranzen statisch während der Montage weitgehend ausgleichen können.
Diese Aufgabe wird von einer Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Danach ist eine Nockenwellenverstelleinrichtung für Verbrennungsmotoren von Kraftfahrzeugen vorgesehen mit einer Nockenwelle, aufweisend eine äußere Nockenwelle und eine gegenüber der äußeren Nockenwelle um eine Längsachse drehwinkelverstellbare innere Nockenwelle, mit einem Nockenwellenversteller zur Verstellung der äußeren Nockenwelle relativ zur inneren Nockenwelle, aufweisend einen drehfest mit der äußeren Nockenwelle verbundenen Stator und ein damit verbundenes Gehäuse des Nockenwellenverstellers und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle verbundenen Rotor, und mit einer nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit, welche drehfest mit einer nockenwellenseitigen Baueinheit verbunden ist, wobei die beiden Baueinheiten sich in Richtung der Längsachse in wenigstens einem Kontaktbereich über ihre jeweiligen Kontaktflächen mittelbar oder unmittelbar gegeneinander abstützen, wobei die Kontaktflächen des wenigstens einen Kontaktbereichs zwischen der nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit und der nockenwellenseitigen Baueinheit zum Ausgleich eines Winkelversatzes zwischen der Nockenwelle und dem Gehäuse komplementär zueinander gewölbt ausgebildet sind.
Bei der Montage werden durch das Anziehen einer Zentralschraube die beiden Baueinheiten in Längsrichtung in Anlage gebracht. Durch die erfindungsgemäße komplementäre Wölbung der Kontaktflächen wenigstens eines Kontaktbereichs, kann eine Fehlstellung ausgeglichen werden.
Vorzugsweise umfasst die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit den Rotor und die nockenwellenseitige Baueinheit die innere Nockenwelle. Die komplementär zueinander gewölbt ausgebildeten Kontaktflächen befinden sich dabei zwischen dem Rotor und der inneren Nockenwelle.
In einer weiteren Ausführungsform ist es vorteilhaft, wenn die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit das Gehäuse und die nockenwellenseitige Baueinheit die äußere Nockenwelle umfasst. Ein Kontaktbereich mit den komplementär zueinander gewölbt ausgebildeten Kontaktflächen liegt somit zwischen dem Gehäuse und der äußeren Nockenwelle.
Es kann weiterhin vorgesehen sein, dass die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit den Rotor und die nockenwellenseitige Baueinheit eine den Rotor mit der inneren Nockenwelle verbindende Zentralschraube umfasst. Ein Kontaktbereich mit den komplementär zueinander gewölbt ausgebildeten Kontaktflächen liegt somit zwischen dem Rotor und der Zentralschraube.
Vorzugsweise sind die Kontaktflächen rotationssymmetrisch ausgeformt.
Dabei ist es bevorzugt, wenn die Wölbung einer Kontaktfläche konvex oder konkav ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform ist wenigstens eine Kontaktfläche durch ein Ausgleichselement gebildet.
Dabei kann es vorteilhaft sein, dass das Ausgleichselement ein Ausgleichsring ist.
Zur Fixierung des Ausgleichselements ist dieses vorzugsweise in das dazugehörige Bauteil eingepresst.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn wenigstens eine Kontaktfläche mit reibwerterhöhenden Mitteln ausgestattet ist.
Bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen näher erläutert. Gleiche bzw. funktionsgleiche Bauteile sind dabei figurübergreifend mit denselben Bezugszeichen versehen. Es zeigen jeweils schematisch:
1: vier Ansichten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung einer ersten Ausführungsform,
2: vier Ansichten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung einer zweiten Ausführungsform mit einem Ausgleichselement,
3: vier Ansichten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung einer dritten Ausführungsform mit zwei Ausgleichselementen,
4: vier Ansichten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung einer vierten Ausführungsform mit vier Ausgleichselementen, sowie
5: vier Ansichten einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung einer fünften Ausführungsform.
In den 1 bis 5 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) 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 Zahnrad 17 aufgepresst, über das das Antriebsmoment eingeleitet wird.
Um einen statischen Ausgleich von Fertigungstoleranzen während der Montage zu gewährleisten, ist erfindungsgemäß wenigstens ein Kontaktbereich zwischen einer nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit und einer nockenwellenseitigen Baueinheit in Form von zusammenwirkenden konkaven und konvexen Kontaktflächen ausgestaltet. Im Folgenden werden die beiden Baueinheiten anhand der Figuren detailliert beschrieben.
In der 1 ist dieser Kontaktbereich im Bereich der Anbindung des Rotors 7 an die innere Nockenwelle 3 vorgesehen. Die innere Nockenwelle 3 weist dazu an ihrem rotorseitigen Ende 18 eine konkav gewölbte Stirnseite 19 auf, wobei der Mittelpunkt der Wölbung auf der Längsachse 20 der inneren Nockenwelle 3 liegt. Dazu korrespondierend ist eine ringförmige am nockenwellennahen Ende 21 angeordnete konvexe Ausnehmung 22 des Rotors 7 vorgesehen, die sich radial gesehen an eine Bohrung 23 für die Zentralschraube 9 anschließt und deren Mittelpunkt der Wölbung auf der Längsachse 24 des Rotors 7 liegt.
2 zeigt ebenfalls das gelenkartige Zusammenwirken der inneren Nockenwelle 3 mit dem Rotor 7. Im Gegensatz zur Ausführungsform der 1 bildet die ringförmige Ausnehmung 25 am nockenwellennahen Ende 21 des Rotors 7 einen parallel zur Stirnseite 26 des Rotors 7 ausgeformten Sitz für ein Ausgleichselement 27. Dieses Ausgleichselement 27 wird von einem Ausgleichsring gebildet. Der Ausgleichsring 27 ist auf seiner nockenwellennahen Seite korrespondierend zur konkav gewölbten Stirnseite 19 der inneren Nockenwelle 3 konvex ausgeformt und bildet eine mittelbare Anlage für die innere Nockenwelle 3 an den Rotor 7.
In der 3 ist die Kontaktfläche der inneren Nockenwelle 3 der 2 durch einen zweiten Ausgleichsring 28 gebildet. Die innere Nockenwelle 3 ist an ihrer rotornahen Stirnseite 19 plan ausgeformt. Der zweite Ausgleichsring 28 ist an seiner nockenwellennahen Seite ebenfalls plan und an der rotornahen Seite konkav ausgebildet. Der Kontakt zwischen dem Rotor 7 und der inneren Nockenwelle 3 erfolgt somit mittels der beiden komplementär ausgeformten Ausgleichsringe 27, 28.
Die in der 4 gezeigte Ausführungsform weist neben den beiden Ausgleichsringen 27, 28 der 3 zwei weitere miteinander in Kontakt stehende Ausgleichsringe 29, 30, die einen zweiten Kontaktbereich bilden, auf. Diese beiden Ausgleichsringe 29, 30 sind zwischen einer Kontaktfläche 31 des Schraubenkopfes 32 der Zentralschraube 9 und einer schraubenkopfnahen Kontaktfläche 33 des Rotors 7 angeordnet. Dabei ist der dritte Ausgleichsring 29, der in Anlage mit der Kontaktfläche 31 des Schraubenkopfes 32 steht, konkav und der vierte Ausgleichsring 30 dazu komplementär konvex ausgeformt. Alle vier Ausgleichsringe 27, 28, 29, 30 sind rotationssymmetrisch ausgebildet.
5 zeigte eine weitere Ausführungsform bei der die innere Nockenwelle 3 an ihrem rotorseitigen Ende eine konvex gewölbte Stirnseite 34 aufweist, wobei der Mittelpunkt der Wölbung auf der Längsachse 20 der inneren Nockenwelle 3 liegt. Dazu korrespondierend ist eine ringförmige am nockenwellennahen Ende 21 angeordnete konkave Ausnehmung 35 des Rotors 7 vorgesehen, die sich radial gesehen an die Bohrung 23 für die Zentralschraube 9 anschließt und deren Mittelpunkt der Wölbung auf der Längsachse 24 des Rotors 7 liegt. Zudem ist ein Ausgleichsring 36 zwischen der Kontaktfläche 31 des Schraubenkopfes 32 und der schraubenkopfnahen Kontaktfläche 33 des Rotors 7 vorgesehen. Der Ausgleichsring 36 ist auf seiner rotornahen Seite plan und auf seiner schraubenkopfnahen Seite konkav ausgeformt. Dazu komplementär ist die Kontaktfläche 31 des Schraubenkopfes 32 konvex ausgeformt, wobei der Mittelpunkt der Wölbung auf der Längsachse 37 der Zentralschraube 9 liegt.
Die zuvor beschriebenen Ausführungsformen haben gemeinsam, dass bei der Montage des Rotors 7 an die innere Nockenwelle 3 mittels der Zentralschraube 9 die zusammenwirkenden Kontaktflächen eine Veränderung der Winkelposition des Rotors 7 zur inneren Nockenwelle 3 ermöglichen. Damit kann die Summentoleranz des vorher montierten Nockenwellenverstellers 4 (inklusive der Verbindung zur äußeren Nockenwelle 2) und die Bauteiltoleranzen an den mit der inneren Nockenwelle festen Bauteilen ausgeglichen und eine Überschneidung zwischen dem Rotor 7 und dem Gehäuse 5 der Nockenwellenverstelleinrichtung 1 vermieden werden.
Es kann in einer weiteren Ausführungsform auch vorgesehen sein, den gelenkartigen Kontaktbereich zweier Kontaktflächen zwischen dem Gehäuse der Nockenwellenverstelleinrichtung und der äußeren Nockenwelle vorzusehen. In diesem Fall wird zuerst der Rotor an der inneren Nockenwelle montiert.
Zur Erhöhung des übertragbaren Momentes können die Kontaktflächen der Baueinheiten mit reibwerterhöhenden Maßnahmen oder Mitteln wie z. B. einer Beschichtung oder einer Strukturierung ausgeführt sein.
Bei den mehrteiligen Ausführungen können die Ausgleichsringe mit dem jeweiligen Fügepartner kraft- oder formschlüssig verbunden werden. Beispielsweise kann vorgesehen sein, einen Ausgleichsring in den Rotor einzupressen.
Die erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung kann durch das Zusammenwirken der konkav/konvexen Kontaktflächen Bauteiltoleranzen bei der Montage ausgleichen.
Für den Ausgleich ist es nicht relevant, ob das Antriebsmoment nockenwellenversteller- oder nockenwellenseitig an den Ventiltrieb geleitet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102010023571 A [0002]
DE 112012001009 T5 [0004]

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) verbundenen Stator (8) und ein damit verbundenes Gehäuse (5) des Nockenwellenverstellers (4) und einen drehfest mit der inneren Nockenwelle (3) verbundenen Rotor (7), – mit einer nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit (7, 8), welche drehfest mit einer nockenwellenseitigen Baueinheit (3, 2, 9) verbunden ist, wobei die beiden Baueinheiten (9, 7, 8, 3, 2) sich in Richtung der Längsachse (6) in wenigstens einem Kontaktbereich über ihre jeweiligen Kontaktflächen mittelbar oder unmittelbar gegeneinander abstützen, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen des wenigstens einen Kontaktbereichs zwischen der nockenwellenverstellerseitigen Baueinheit (7, 8) und der nockenwellenseitigen Baueinheit (3, 2, 9) zum Ausgleich eines Winkelversatzes zwischen der Nockenwelle und dem Gehäuse (5) komplementär zueinander gewölbt ausgebildet sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit (7, 8) den Rotor (7) und die nockenwellenseitige Baueinheit (3, 2, 9) die innere Nockenwelle (3) umfasst.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit (7, 8) das Gehäuse (5) und die nockenwellenseitige Baueinheit (3, 2, 9) die äußere Nockenwelle (2) umfasst.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die nockenwellenverstellerseitige Baueinheit (7, 8) den Rotor (7) und die nockenwellenseitige Baueinheit (3, 2, 9) eine den Rotor (7) mit der inneren Nockenwelle (3) verbindende Zentralschraube (9) umfasst.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktflächen rotationssymmetrisch ausgeformt sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wölbung einer Kontaktfläche konvex oder konkav ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kontaktfläche durch ein Ausgleichselement (27, 28, 29, 30) gebildet ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (27, 28, 29, 30) ein Ausgleichsring ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgleichselement (27, 28, 29, 30) in die dazugehörige Baueinheit (3, 2, 7, 8, 9) eingepresst ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine Kontaktfläche mit reibwerterhöhenden Mitteln ausgestattet ist.