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Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps für eine Verbrennungskraftmaschine, wie einen Otto- oder Dieselmotor, eines Kraftfahrzeuges, mit einem Stator und einem relativ zu diesem Stator verdrehbaren Rotor, wobei der Rotor mehrere Flügel aufweist, die jeweils in radialer Richtung (des Rotors) derart in einen in Umfangsrichtung (des Rotors) begrenzt ausgebildeten Freiraum des Stators hineinragen, dass je Freiraum zwei hydraulisch getrennte oder trennbare Arbeitskammern zur Steuerung der Drehstellung des Rotors relativ zum Stator ausgebildet sind.
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Die in den Nockenwellenverstellern des Standes der Technik eingesetzten Druckausgleichsmechanismen sind jedoch häufig relativ aufwändig in der Herstellung bzw. in der Montage. Relativ hohe Herstellkosten sind die Folge. Dies betrifft insbesondere die bekannten Ausführungen mit gesteuerten Bypässen, elastischen Schließmechanismen sowie Rückschlagventilen.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die aus dem Stand der Technik bekannten Nachteile zu beheben und insbesondere einen Nockenwellenversteller mit einem weiter vereinfachten Druckausgleichsmechanismus zu realisieren, mit dem eine kostengünstigere Lösung für die Erfüllung einer VIP-Funktion erzielt werden soll.
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Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass in dem Rotor ein sich zwischen den beiden Arbeitskammern eines Freiraums erstreckender Kanal eingebracht ist, wobei der Kanal mit jeweils einem Ende in eine der Arbeitskammern einmündet, und wobei in dem Kanal ein verschiebbares sowie den Kanal in zwei hydraulisch voneinander getrennte Teilabschnitte unterteilendes Volumenausgleichselement angeordnet ist.
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Dadurch ist ein besonders kostengünstig herstellbarer Druckausgleichsmechanismus in Form des in dem Kanal angeordneten Volumenausgleichselementes umgesetzt.
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Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und nachfolgend näher erläutert.
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Der Kanal ist bevorzugt in dem Flügel oder einem scheibenartigen Grundabschnitt (der in radialer Richtung des Rotors nach innen an die Flügel anschließt) des Rotors eingebracht.
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Zweckmäßig ist es auch, wenn das Volumenausgleichselement in Form eines Stiftes, einer Platte, eines Kolbens oder einer Kugel und/oder blockförmig ausgebildet ist. Dadurch ergeben sich besonders geschickte Formen des Ausgleichselementes, sodass dieses wiederum kostengünstig herstellbar ist.
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Des Weiteren ist es von Vorteil, wenn das Volumenausgleichselement derart angeordnet ist, dass es sich bei einem höheren hydraulischen Druck in einer ersten Arbeitskammer als in einer zweiten Arbeitskammer in Richtung der zweiten Arbeitskammer, unter Vergrößerung des Volumens eines ersten Teilabschnittes (des Kanals), und bei einem kleineren hydraulischen Druck in der ersten Arbeitskammer als in der zweiten Arbeitskammer in Richtung der ersten Arbeitskammer, unter Vergrößerung des Volumens eines zweiten Teilabschnittes (des Kanals) verschiebt. Dadurch wird der Aufbau des Nockenwellenverstellers weiter vereinfacht.
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Ist der Kanal zu seinen Enden hin, etwa durch eine Verstemmung oder einen Einsatzkörper, derart verjüngt ausgebildet, dass das Volumenausgleichselement in dem Kanal verliersicher angeordnet ist, ist der Druckausgleichsmechanismus in seiner Herstellung weiter vereinfacht.
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In anderen Worten ausgedrückt, ist erfindungsgemäß ein Nockenwellenversteller mit einem bewegbaren Element (Volumenausgleichselement) versehen, das wiederum in einem Flügel angeordnet ist, um das entsprechende Ölvolumen bereitzustellen.
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Die Erfindung wird nun nachfolgend anhand von Figuren näher erläutert, in welchem Zusammenhang auch verschiedene Ausführungsbeispiele dargestellt sind.
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Es zeigen:
- 1 eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers nach einem ersten Ausführungsbeispiel, wobei auf die Darstellung des Stators der Übersichtlichkeit halber verzichtet ist, jedoch ein Volumenausgleichselement innerhalb eines Kanales eines Flügels des Rotors deutlich zu erkennen ist,
- 2 eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers nach einem zweiten Ausführungsbeispiel, ähnlich zur 1, wobei der Kanal nun durch zwei schräg zueinander verlaufende, aneinander anschließende Bohrungen ausgebildet ist, und
- 3 eine detaillierte Querschnittsdarstellung eines Rotors eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers nach einem dritten Ausführungsbeispiel, ähnlich zur 1, wobei der Kanal nun radial innerhalb des Flügels in einem Grundabschnitt des Rotors angeordnet ist.
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Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen. Auch können die unterschiedlichen Merkmale der verschiedenen Ausführungsbeispiele frei miteinander kombiniert werden. Der Kürze wegen wird nachfolgend lediglich auf die wesentlichen Unterschiede zwischen den Ausführungsbeispielen eingegangen.
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Das erste Ausführungsbeispiel in
1 ist anhand eines Rotors
2 eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers
1 veranschaulicht. Der Nockenwellenversteller
1 weist auf typische Weise weiterhin einen Stator auf. Der Nockenwellenversteller
1 ist als ein hydraulischer Nockenwellenversteller
1 des Flügelzellentyps ausgeführt. Der prinzipielle Aufbau des Nockenwellenverstellers
1 entspricht somit den in der
DE 10 2012 201 550 B4 offenbarten Aufbau eines Nockenwellenverstellers, weshalb diese dort offenbarten Ausführungen als hierin integriert gelten.
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Der Rotor 2 weist einen scheibenförmigen Grundabschnitt 13 auf, von dem aus sich mehrere, in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Flügel 3 in radialer Richtung (des Rotors 2 / einer Drehachse des Rotors 2) nach außen erstrecken. Jeder Flügel 3 ragt in einen im Stator ausgebildeten sowie in Umfangsrichtung begrenzten Freiraum hinein. Der Stator bildet somit je Flügel 3 des Rotors 2 einen in Umfangsrichtung begrenzt verlaufenden Freiraum aus, in den der jeweilige Flügel 2 hineinragt. Dadurch sind auf typische Weise zwischen dem Stator und dem Rotor 2 mehrere Arbeitskammern 4 und 5 ausgebildet. Der Flügel 3 ist derart angeordnet und liegt derart an dem Stator an, dass der Freiraum in die beiden hydraulisch voneinander getrennten Arbeitskammern 4 und 5 geteilt wird.
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In 1 ist auch zu erkennen, dass in dem scheibenförmigen Grundabschnitt 13 mehrere in radialer Richtung verlaufende Fluidbohrungen 14 angeordnet sind, die jeweils in radialer Richtung nach innen zu einem entsprechenden Hydraulikventil (Zentralventil) hinführen. In Abhängigkeit der Stellung des Hydraulikventils wird eine der Arbeitskammern 4 oder 5 im Betrieb, zum Steuern der Drehstellung des Rotors 2 relativ zum Stator, mit einem hydraulischen Druck beaufschlagt.
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Erfindungsgemäß ist in dem Rotor 2, nämlich in dem ersten Ausführungsbeispiel in dem Flügel 3 des Rotors 2, direkt ein sich zwischen den beiden Arbeitskammern 4 und 5 des Freiraums erstreckender Kanal 6 eingebracht. Der Kanal 6 erstreckt sich im Wesentlichen in Umfangsrichtung, den Rotor 2 bzw. den Flügel 3 durchdringend. Somit mündet der Kanal 6 in Umfangsrichtung gesehen mit jeweils einem Ende 7, 8 in eine der beiden Arbeitskammern 4 und 5. In dem Kanal 6 ist ein verschiebbares sowie den Kanal 6 in zwei hydraulisch voneinander getrennte Teilabschnitte 9 und 10 unterteilendes Volumenausgleichselement 11 angeordnet.
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Der Kanal 6 ist in dem ersten Ausführungsbeispiel als gerade Bohrung ausgeführt und bildet somit lediglich einen einzigen Längenabschnitt aus. Innerhalb des Kanals 6 ist das Volumenausgleichselement 11, hier in Form eines blockartigen Schieberelementes / Kolbens, verschiebbar angeordnet.
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Zur Verliersicherung des Volumenausgleichselementes 11 ist an jedem Ende 7, 8 des Kanals 6 ein Einsatzkörper 12 fest in dem Kanal 6 befestigt. Der Einsatzkörper 12 dient somit als Verjüngung. Zwischen den beiden Enden 7, 8, insbesondere zwischen den beiden Einsatzkörpern 12, ist das Volumenausgleichselement 11 entsprechend verschiebbar geführt.
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Das Volumenausgleichselement 11 fungiert im Betrieb als ein Element zum jeweiligen Vergrößern des Volumens der den größeren hydraulischen Druck aufweisenden Arbeitskammer 4 oder 5. Dadurch ist das Volumenausgleichselement 11 derart angeordnet, dass es sich bei einem höheren hydraulischen Druck innerhalb der ersten Arbeitskammer 4 als in der zweiten Arbeitskammer 5 in Richtung der zweiten Arbeitskammer 5 verschiebt, unter Vergrößerung des Volumens eines ersten Teilabschnittes 9 des Kanals 6. Hingegen verschiebt sich das Ausgleichselement entsprechend bei einem kleineren hydraulischen Druck in der ersten Arbeitskammer 4 als in der zweiten Arbeitskammer 5 in Richtung der ersten Arbeitskammer 4, unter Vergrößerung des Volumens des zweiten Teilabschnittes 10 des Kanals 6.
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Prinzipiell ist in 2 zu erkennen, dass der Kanal 6 auch unterschiedliche Formen aufweisen kann. Dem entsprechend ist dieser Kanal im Wesentlichen geknickt / gekrümmt verlaufend und durch zwei quer / schräg zueinander verlaufende Bohrungen ausgeführt. Die beiden Bohrungen gehen in einer (in Umfangsrichtung gesehen) Mitte des Kanals 6 ineinander über. Somit ist der Kanal 6 in diesem Ausführungsbeispiel im Querschnitt betrachtet im Wesentlichen V-förmig ausgeführt.
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Auch ist es, wie in 2 zu erkennen, prinzipiell möglich, das Volumenausgleichselement 11 auf andere Weise auszuformen. So ist es bspw. möglich dieses Volumenausgleichselement 11 auch als Kugel auszubilden. Alternativ hierzu ist es auch möglich, dieses Volumenausgleichselement 11 in Form eines Stiftes, einer Platte oder auf andere Weise auszubilden.
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Gemäß 3 ist es auch möglich, das Volumenausgleichselement 11 außerhalb des Flügels 3, nämlich im Grundabschnitt 13, der in radialer Richtung innerhalb des Flügels 3 anschließt, anzuordnen. Die Einsatzkörper 12 sind hierbei, im Gegensatz zu den scheibenartigen Einsatzkörpern 12 der Fign. 1 und 2 hülsenartig ausgebildet. Des Weiteren ist das Volumenausgleichselement 11 zu dem jeweiligen Ende 7 und 8 hin durch eine Feder 15 abgestützt. Die Federn 15 sind hierbei so aufeinander abgestimmt, dass das Volumenausgleichselement 11 in einer Ausgangslage, im druckentlasteten Zustand der Arbeitskammern 4, 5, mittig im Kanal 6 angeordnet ist.
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In anderen Worten ausgedrückt, wird somit erfindungsgemäß ein temporärer Druckausgleich zwischen den Arbeitskammern A und B (Arbeitskammer A entspricht erster Arbeitskammer
4, Arbeitskammer B entspricht zweiter Arbeitskammer
5) durch eine begrenzte zusammenhängende Volumenänderung in A oder B mittels einer beweglichen Trennwand (Volumenausgleichselement
11) zwischen A und B nach dem Prinzip des Kommutativgesetzes (ΔVa+ΔVb=ΔVb+ΔVa) umgesetzt. Das Gesamtvolumen der beiden Kammern A und B bleibt dabei gleich, wie bei einem Wirkprinzip einer Wassersäule. Die Entstehung des Vakuums in einer der beiden Kammern
4,
5 kann durch eine temporäre geometrische Volumenreduzierung der betroffenen Kammer
4,
5 bei einer gleichzeitigen und wertgleichen Volumenvergrößerung der anderen Kammer
4, 5 verhindert werden. Die bewegliche Trennwand
11 kann als ein kostengünstiger Kolben in Form eines einfachen zylindrischen Stiftes oder optional auch in Form einer Kugel ausgeführt werden, wobei der Kolben / die Kugel stets in mindestens einem Ölkanal
6 zwischen A und B platziert ist. Die Ausgangsposition der Trennwand
11 ist in der Mitte des Ölkanals, sodass das minimal erforderliche Ölvolumen zwischen der Trennwand
11 und den Kanalausläufen
7,
8 in A und B vorhanden ist. Wenn in A ein Unterdruck entsteht, wird die Trennwand
11 durch die Saugwirkung und durch einen Überdruck in B in Richtung A bewegt, sodass das Volumen der Kammer A verkleinert und der Kammer B vergrößert wird (bzw. umgekehrt). Dadurch ist es möglich, diesen VIP-Versteller
1 so auszuführen, dass maximal etwa 30 % an Ölvolumen beim Vorverstellen in die Endposition im Vergleich zu bestehenden Lösungen erforderlich sind, um die Ölkammer
4,
5 mit dem Vakuum erfolgreich mit dem erforderlichen Ölvolumen nachzufüllen. Aus dieser Erfahrung heraus kann man festlegen, dass ein minimal erforderliches Ölvolumen zum Ausgleich des Vakuums durch Ölnachfüllen in einer A- oder in einer B- Kammer etwa 0,1 ml betragen soll. Es wird angenommen, dass eine Schwingungs-Amplitude bei +/- 1,5°, ein Schluckvolumen pro Öldruckkammer bei 0,15 ml/°NW oder 0,6 ml/°NW für vier Kammern betragen soll, sodass folgende Annahme getroffen zutrifft:
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Für alle vier A- oder B-Ölkammern werden dann ca. 0,4 ml erforderlich. Dies würde bedeuten, dass das Volumen (ΔVA bzw. ΔVB) im Ölkanal 6 zwischen der Trennwand 11 in Mittenposition und A oder B in einem Rotorflügel 3 ca. 10 mm3 betragen soll. Bei einem Durchmesser von 3 mm soll dann die Länge des Kanals 6 bis zur Trennwand 11 in der Mitte des Kanals 1,4 mm betragen. Die Gesamtlänge des Ölkanals 6 liegt dann bei 2,8 mm plus der Länge der Trennwand 11 selbst, z.B. 3 mm, d.h. insgesamt 5,8 mm. Im ersten Ausführungsbeispiel ist entsprechend ein ΔVA ca. 0,1 ml, ein ΔVB ca. 0,1 ml und eine Breite des Volumenausgleichselementes 11 in Form eines Zylinderstiftes 1-3 mm, sodass letztendlich der Flügel 3 eine Breite zwischen 3,8 und 5,8 mm aufweist. Die an das Ausgleichselement 11 anschließenden Bereiche der Teilabschnitte 9 und 10 sind in einer Mittenstellung jeweils 1,4 mm lang, wobei der Bohrungsdurchmesser zwischen 3 mm und 3,5 mm beträgt.
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Damit das Volumenausgleichselement 11 in Form des beweglichen Stiftes oder der Kugel wenig Geräusche macht, kann das Volumenausgleichselement 11 alternativ zum Stahl auch aus Elastomer oder aus einem Leichtmetall gefertigt sein. Die Wiederbefüllung des Ölkanals mit dem Öl nach dem Druckausgleich findet beim nächstfolgenden Druckanstieg der betroffenen Kammer 4, 5 statt. Die Ausführung mit einer Kugel hat den Vorteil, dass bei einem radial nach außen und in der Mitte gekrümmten Ölkanal 6 die Kugel in die Ausgangsposition in der Mitte des Ölkanals 6 unter der Wirkung der Zentrifugalkraft bewegt werden kann, sodass gleich bei dem ersten Druckausgleichsversuch genügend Öl an dem Bohrungsausläufer zur Verfügung steht. Aufgrund einer kurzen Länge des Ölkanals 6 ist jedoch die Bewegung der Kugel oder des Zylinderstiftes in die Mittenposition nicht von großer Bedeutung. Eine Wiederbefüllung des Ölkanals 6 erfolgt hierbei allein durch die hochfrequente Wechselwirkung des Über- und Unterdruckes in der Kammer A und B. Bei der viel längeren Ölbohrung im Grundkörper des Rotors 2 kann die Zentrifugalkraft oder die zusätzliche Federkraft benutzt werden, um die Trennwand in die Mittenposition im Ölkanal 6 zu drängen. In dem Ausführungsbeispiel nach 3 ist ein Volumen ΔVa sowie ein Volumen ΔVb im Wesentlichen ca. 0,4 ml.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Rotor
- 3
- Flügel
- 4
- erste Arbeitskammer
- 5
- zweite Arbeitskammer
- 6
- Kanal
- 7
- erstes Ende
- 8
- zweites Ende
- 9
- erster Teilabschnitt
- 10
- zweiter Teilabschnitt
- 11
- Volumenausgleichselement
- 12
- Einsatzkörper
- 13
- Grundabschnitt
- 14
- Fluidbohrung
- 15
- Feder
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1476642 B1 [0002]
- US 6997150 B2 [0002]
- US 8800515 B1 [0002]
- DE 102012201550 B4 [0002, 0016]
- DE 102012201556 B4 [0002]
