DE102018122230A1 - Nockenwellenverstellsystem mit radial und axial ineinander angeordneten Nockenwellenverstellern - Google Patents

Nockenwellenverstellsystem mit radial und axial ineinander angeordneten Nockenwellenverstellern Download PDF

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Daniel Heise
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Abstract

Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem (1) für eine ersten Nockenwelle (2) und eine zweite Nockenwelle (3), die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die zweite Nockenwelle (3) innerhalb der ersten Nockenwelle (2) angeordnet ist, wobei ein hydraulischer Nockenwellenversteller (4) des Flügelzellentyps zur Verstellung der ersten Nockenwelle (2) eingerichtet ist und ein elektrischer Nockenwellenversteller (5) zur Verstellung der zweiten Nockenwelle (3) eingerichtet ist, wobei ein Rotorkontaktflansch (17) eines Abtriebsrings (6) des elektrischen Nockenwellenverstellers (5) radial innerhalb eines ersten Deckels (23) angeordnet ist, wobei der Abtriebsring (6), der zur Drehmomentübertragung an die zweite Nockenwelle (3) vorbereitet ist, zumindest teilweise radial und axial innerhalb eines Rotors (7) des hydraulischen Nockenwellenverstellers (4) angeordnet ist. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Nockenwellenverstelleinheit mit einem solchen Nockenwellenverstellsystem (1) und zwei Nockenwellen (2, 3).

Description

  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem für eine erste Nockenwelle und eine zweite Nockenwelle, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die zweite Nockenwelle innerhalb der ersten Nockenwelle angeordnet ist, wobei ein hydraulischer Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps zur Verstellung der ersten Nockenwelle eingerichtet ist und ein elektrischer Nockenwellenversteller zur Verstellung der zweiten Nockenwelle eingerichtet ist. Ferner betrifft die Erfindung auch eine Nockenwellenverstelleinheit mit einem erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystem.
  • Nockenwellenverstellsysteme für zwei Nockenwellen, die konzentrisch zueinander angeordnet sind, sind aus dem Stand der Technik bereits bekannt. Hierbei gibt es bspw. Unterschiede in der Art der jeweiligen Versteller, die sowohl elektrisch als auch hydraulisch sein können.
  • So offenbart bspw. die EP 3 141 711 A1 einen Doppelnockenwellenversteller, der für einen Verbrennungsmotor verwendet wird, welcher eine Kurbelwelle und einen Ventiltrieb aufweist, der eine erste und eine zweite Gruppe Nocken aufweist, wobei die Phase der Nocken in jeder Gruppe unabhängig von der Phase der Nocken der anderen Gruppe relativ zu der Phase der Kurbelwelle anpassbar ist. Der Doppelversteller weist einen elektrischen ersten Versteller zum Ansteuern der ersten Gruppe Nocken und einen hydraulischen zweiten Versteller zum Ansteuern der zweiten Gruppe Nocken auf. Der hier gezeigte axial gekoppelte Aufbau zwischen dem hydraulischen und dem elektrischen Versteller ist jedoch sehr bauraumintensiv.
  • Die US 2014/0190435 A1 offenbart einen variablen Nockenwellenversteller mit einer ersten Fluidtransferanordnung mit einer Fluidtransferhülse und/oder mit einer Vielzahl druckbeaufschlagter Fluidpassagen, und einer Fluidtransferplatte mit einer Vielzahl druckbeaufschlagter Fluidpassagen. Jede Passage erstreckt sich, um mit einem entsprechenden umlaufend angeordneten ringförmigen Rillensegmentabschnitt zur selektiven Verbindung mit einem Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps abhängig von einer Winkelorientierung der Fluidtransferhülse während der Rotation in Fluidverbindung zu stehen. Jede Passage, welche sich von einem entsprechenden zentral angeordneten Port erstreckt, befindet sich in Fluidverbindung mit einem sich radial erstreckenden Passagenabschnitt und mit einem sich bogenförmig erstreckenden Passagenabschnitt.
  • Die US 2013/0306011 A1 offenbart einen variablen Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor mit einer konzentrischen Nockenwelle, welcher einen Stator mit einer Rotationsachse beinhalten kann. Ein äußerer Rotor kann relativ zur Rotationsachse des Stators unabhängig rotieren. Eine Kombination eines äußeren Flügels und einer Kavität kann mit dem äußeren Rotor assoziiert sein, um erste und zweite äußere variable Volumenarbeitskammern zu definieren. Ein radial innenliegender Rotor kann relativ zur Rotationsachse und unabhängig von sowohl dem Stator als auch dem äußeren Rotor rotieren. Eine Kombination aus einem äußeren Flügel und einer Kavität kann mit dem inneren Rotor assoziiert sein, um erste und zweite innere variable Volumenarbeitskammern zu definieren. Wenn die ersten und zweiten, inneren und äußeren Kammern selektiv mit einer Quelle für druckbeaufschlagtes Fluid verbunden werden, wird die Phasenorientierung der äußeren und inneren Rotoren relativ zueinander und mit Bezug auf den Stator vereinfacht.
  • Nachteilig aus den bisher bekannten Systemen ist, dass die Winkelverstellung der ersten und der zweiten Nockenwelle, auch als Ein- bzw. Auslassnockenwelle oder Innen- bzw. Außenwelle bezeichnet, über das Verstellsystem abhängig voneinander sind. Dadurch ist ein vergrößerter Verstellbereich der Innenwelle zum Gegensteuern der Außenwelle erforderlich. Dies kann zum einen hydraulisch nur bedingt umgesetzt werden, und zum anderen kann sich die Gegensteuerung als zeitlich intensiv erweisen und mit einem größeren Regelfehler einhergehen.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu vermeiden oder wenigstens zu mildern und insbesondere ein kosten- und bauraumgünstiges System bereitzustellen, welches insbesondere die Nachteile des großen Verstellbereichs der Innenwelle, der zeitintensiven Gegensteuerung der Innenwelle sowie der fehlerbehafteten Regelgüte löst.
  • Die Aufgabe der Erfindung wird dadurch gelöst, dass ein Rotorkontaktflansch eines Abtriebsrings des elektrischen Nockenwellenverstellers radial innerhalb eines ersten Deckels angeordnet ist, wobei der Abtriebsring, der zur Drehmomentübertragung an die zweite Nockenwelle vorbereitet ist, zumindest teilweise radial und axial innerhalb eines Rotors des hydraulischen Nockenwellenverstellers angeordnet ist. Ferner wird die Aufgabe auch durch eine Nockenwellenverstelleinheit mit einem erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystem und zwei Nockenwellen gelöst, welche vorzugsweise konzentrisch zueinander angeordnet sind.
  • Die Integration des elektrischen Verstellers in den hydraulischen Versteller in Axialrichtung ermöglicht eine besonders flache Bauweise. Somit ergibt sich ein flachbauendes, sogenanntes 4-Wellen-Verstellsystem zur separaten Steuerung von zwei konzentrisch angeordneten Nockenwellen. Hierbei entsprechen die vier Wellen den beiden Nockenwellen, sowie der Abtriebswelle des elektrischen Motors und eine Antriebswelle, wie bspw. die Kurbelwelle.
  • Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und werden nachfolgend erläutert.
  • So ist es von Vorteil, wenn die erste Nockenwelle unabhängig von der zweiten Nockenwelle verstellbar ist und vice versa. Damit können die äußere Welle und die innere Welle zur Kurbelwelle unabhängig voneinander verstellt werden.
  • Eine vorteilhafte Ausführungsform sieht vor, dass der Abtriebsring radial und/oder axial im Rotor des hydraulischen Nockenwellenverstellers gelagert ist. Der Abtriebsring kann bspw. durch eine Radiallagerung im Rotor des hydraulischen Nockenwellenverstellers gelagert sein. Dadurch sind die beiden Verstellbereiche für den elektrischen und den hydraulischen Versteller an der Radiallagerung voneinander entkoppelt.
  • Hierbei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn zwischen dem Abtriebsring und dem Rotor ein Gleitlager vorhanden ist. Gleitlager sind insbesondere radial bauraumsparende Lagerungen, sodass nur sehr wenig radialer Bauraum benötigt wird.
  • Ferner ist es von Vorteil, wenn der Abtriebsring im Längsschnitt eine treppenstufenartige Form besitzt.
  • Dabei hat es sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Abtriebsring einen in Axialrichtung ausgerichteten Rotorkontaktflansch und einen ebenfalls axial ausgerichteten aber in die andere Richtung weisenden Innennockenwellenkontaktflansch besitzt.
  • Ferner hat sich als vorteilhaft gezeigt, wenn der Abtriebsring eine Innenverzahnung besitzt, die in Kontakt mit einem Zwischengetriebe steht, das von dem elektrischen Nockenwellenversteller bewegbar ist.
  • Hierbei sieht eine besonders vorteilhafte Ausführungsform vor, dass das Zwischengetriebe als ein sogenanntes Wellgetriebe ausgelegt bzw. ausgebildet ist.
  • Um den erforderlichen Rundlauf des Zugmittels, vorzugsweise ein Kettentrieb, zu gewährleisten, ist ein Stator des hydraulischen Nockenwellenverstellers vorteilhafterweise mit einem Antriebsrad verbunden, welches mittels einem Kettentrieb mit einer äußeren Welle verbindbar ist. Der Rundlauf wird hierbei durch die externe Lagerung sichergestellt.
  • Mit anderen Worten besteht die Erfindung darin, dass ein flachbauendes 4-Wellen-Verstellsystem zur separaten Steuerung von zwei konzentrisch angeordneten Nockenwellen vorgesehen wird, wobei das Abtriebshohlrad, d.h., der Abtriebsring, des elektrisches Verstellgetriebes, d.h., des elektrischen Nockenwellenverstellers im Rotor des hydraulischen (Nockenwellen-) Verstellers mittels einer Radiallagerung gelagert ist und die beiden Verstellbereiche für den elektrischen und den hydraulischen Versteller an der Radiallagerung entkoppelt sind. Somit wird die axiale Integration des elektrischen Verstellers im hydraulischen Versteller ermöglicht, wodurch das System besonders flach ist. Ferner können die äußere (Nocken-) Welle und die innere (Nocken-) Welle unabhängig voneinander zur Kurbelwelle verstellt werden. Der erforderliche Rundlauf der Kettenverzahnung zur äußeren Welle kann durch die externe Lagerung sicher eingehalten werden. Ferner ermöglicht ein solches elektrischhydraulisches System besonders hohe Verstellgeschwindigkeiten der inneren Nockenwelle auch bei Tieftemperaturen bzw. Niedrigtemperaturen von unter 0°C.
  • Die Erfindung wird nachfolgend mit Hilfe von Figuren näher erläutert, in denen eine beispielhafte Ausführungsform dargestellt ist. Es zeigen:
    • 1 eine Längsschnittansicht eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellsystems und zwei Nockenwellen; und
    • 2 eine perspektivische Teilansicht des Nockenwellenverstellsystems.
  • Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen nur dem Verständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
  • 1 zeigt eine Längsschnittansicht eines Nockenwellenverstellsystems 1 für eine erste Nockenwelle 2 und eine zweite Nockenwelle 3. Die beiden Nockenwellen 2, 3 sind konzentrisch zueinander angeordnet, wobei die zweite Nockenwelle 3 radial innerhalb der ersten Nockenwelle 2 angeordnet ist. Das Nockenwellenverstellsystem 1 weist einen hydraulischen Nockenwellenversteller 4, welcher zur Verstellung der ersten Nockenwelle 2 dient, und einen elektrischen Nockenwellenversteller 5 auf, welcher zur Verstellung der zweiten Nockenwelle 3 dient.
  • Dabei sind die beiden Nockenwellenversteller 4, 5 so angeordnet, dass ein Abtriebsring 6 des elektrischen Nockenwellenverstellers 5 radial und axial innerhalb eines Rotors 7 des hydraulischen Nockenwellenverstellers 4 angeordnet ist. Neben dem Rotor 7 weist der erste Nockenwellenversteller 2 auch einen Stator 8 (siehe 2) auf und ist somit ein hydraulischer Nockenwellenversteller des Flügelzellentyps.
  • Der elektrische Nockenwellenversteller 5 wird von einem elektrischen Motor 9 angetrieben und ist mit diesem über eine Oldham-Kupplung 10 und ein Zwischengetriebe 11 verbunden. Eine Oldham-Kupplung ist eine nicht schaltbare, drehstarre Kupplung, die einen Radialversatz zweier paralleler Wellen ausgleichen kann. Somit wird eine radiale elastische Verformung einer Kragenhülse 12 des Zwischengetriebes 11 durch die Kupplung ausgeglichen, so dass ein Rundlauffehler nicht an eine Abtriebswelle 13 des elektrischen Nockenwellenverstellers 5 weitergegeben wird. Eine Oldham-Kupplung ist an sich aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle nicht näher auf diese eingegangen wird.
  • Das Zwischengetriebe 11 ist als ein sogenanntes Wellgetriebe ausgebildet, d.h., als ein Getriebe mit einem elastischen Übertragungselement 14, welches Drehmoment von der Abtriebswelle 13 an die Kragenhülse 12 überträgt. Auch ein solches Getriebe ist bereits aus dem Stand der Technik bekannt, weshalb an dieser Stelle auf eine ausführliche Beschreibung des Zwischengetriebes 11 verzichtet wird.
  • Die Kragenhülse 12 weist eine Außenverzahnung 15 auf, welche mit einer Innenverzahnung 16 des Abtriebsrings 6 kämmt (siehe auch 2). Der Abtriebsring 6 wird alternativ auch als Abtriebshohlrad 6 bezeichnet.
  • Der Abtriebsring 6 weist im Längsschnitt eine treppenstufenartig ausgebildete Form auf, welche sich aus drei Abschnitten zusammensetzt: einen Rotorkontaktflansch 17, ein Zwischenabschnitt 18 und einen Innennockenwellenkontaktflansch 19. Der Zwischenabschnitt 18 ist ringartig ausgebildet und verbindet die beiden Flansche 17, 19 miteinander. Von dem radial äußeren Ende des Zwischenabschnitts 18 erstreckt sich der Rotorkontaktflansch 17 in Axialrichtung in eine erste Richtung, nämlich zum Zwischengetriebe 11 hin, und der Innennockenwellenkontaktflansch 19 erstreckt sich von dem radial inneren Ende des Zwischenabschnitts 18 in Axialrichtung in eine zweite Richtung, entgegengesetzt zur ersten Richtung, also von dem Zwischengetriebe 11 weg.
  • Zwischen dem Abtriebsring 6 und dem Rotor 7 ist ein Radiallager bzw. ein Gleitlager 20 vorgesehen, wodurch der Abtriebsring 6 des elektrischen Nockenwellenverstellers 5 unabhängig vom und relativ zum Rotor 7 des hydraulischen Nockenwellenverstellers 4 gedreht werden kann. Dadurch ist die Winkelverstellung der beiden Nockenwellen 2, 3 vollständig unabhängig voneinander umsetzbar.
  • Der Stator 8 (siehe 2) ist mit einem Antriebsrad 21 verbunden, welches eine Au-ßenverzahnung 22 aufweist. Das Antriebsrad 21 ist über die Außenverzahnung 22 über einen Kettentrieb mit einer äußeren Welle, bspw. einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) drehmomentübertragend verbindbar. Das Antriebsrad 21 und der Stator 8 sind mit einem ersten Deckel 23 auf einer in Axialrichtung ersten, dem Zwischengetriebe 11 zugewandten Seite und einem zweiten Deckel 24 auf einer in Axialrichtung zweiten, dem Zwischengetriebe 11 abgewandten Seite drehfest verbunden. Der Rotor 7 ist ebenfalls zwischen den beiden Deckeln 23, 24 angeordnet, kann sich jedoch relativ zu diesen verdrehen. Der Rotor 7 ist mittels einer Lagernabe 25 auf der äußeren (ersten) Nockenwelle 2 derart festgelegt, dass sich der Rotor 7 in Axialrichtung gesehen nicht verschieben kann. Hierzu ist die Lagernabe 25 dreh- und axialfest mit der äußeren Nockenwelle 2 verbunden.
  • Bezugszeichenliste
    • 1
    Nockenwellenverstellsystem
    2
    erste Nockenwelle
    3
    zweite Nockenwelle
    4
    hydraulischer Nockenwellenversteller
    5
    elektrischer Nockenwellenversteller
    6
    Abtriebsring/Abtriebshohlrad
    7
    Rotor
    8
    Stator
    9
    elektrischer Motor
    10
    Oldham-Kupplung
    11
    Zwischengetriebe
    12
    Kragenhülse
    13
    Abtriebswelle
    14
    elastisches Übertragungselement
    15
    Außenverzahnung
    16
    Innenverzahnung
    17
    Rotorkontaktflansch
    18
    Zwischenabschnitt
    19
    Innennockenwellenkontaktflansch
    20
    Gleitlager
    21
    Antriebsrad
    22
    Außenverzahnung
    23
    erster Deckel
    24
    zweiter Deckel
    25
    Lagernabe
  • ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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  • Zitierte Patentliteratur
    • EP 3141711 A1 [0003]
    • US 2014/0190435 A1 [0004]
    • US 2013/0306011 A1 [0005]

Claims (10)

  1. Nockenwellenverstellsystem (1) für eine ersten Nockenwelle (2) und eine zweite Nockenwelle (3), die konzentrisch zueinander angeordnet sind, wobei die zweite Nockenwelle (3) innerhalb der ersten Nockenwelle (2) angeordnet ist, wobei ein hydraulischer Nockenwellenversteller (4) des Flügelzellentyps zur Verstellung der ersten Nockenwelle (2) eingerichtet ist und ein elektrischer Nockenwellenversteller (5) zur Verstellung der zweiten Nockenwelle (3) eingerichtet ist, wobei ein Rotorkontaktflansch (17) eines Abtriebsrings (6) des elektrischen Nockenwellenverstellers (5) radial innerhalb eines ersten Deckels (23) angeordnet ist, wobei der Abtriebsring (6), der zur Drehmomentübertragung an die zweite Nockenwelle (3) vorbereitet ist, zumindest teilweise radial und axial innerhalb eines Rotors (7) des hydraulischen Nockenwellenverstellers (4) angeordnet ist.
  2. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die erste Nockenwelle (2) unabhängig von der zweiten Nockenwelle (3) verstellbar ist.
  3. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsring (6) radial und/oder axial im Rotor (7) des hydraulischen Nockenwellenverstellers (4) gelagert ist.
  4. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Abtriebsring (6) und dem Rotor (7) ein Gleitlager (20) vorhanden ist.
  5. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsring (6) im Längsschnitt eine treppenstufenartige Form besitzt.
  6. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsring (6) einen in Axialrichtung ausgerichteten Rotorkontaktflansch (17) und einen ebenfalls axial ausgerichteten aber in die andere Richtung weisenden Innennockenwellenkontaktflansch (19) besitzt.
  7. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Abtriebsring (6) eine Innenverzahnung (16) besitzt, die in Kontakt mit einem Zwischengetriebe (11) steht, das von dem elektrischen Nockenwellenversteller (5) bewegbar ist.
  8. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Zwischengetriebe (11) als ein Wellgetriebe ausgelegt ist.
  9. Nockenwellenverstellsystem (1) gemäß einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass ein Stator (8) des hydraulischen Nockenwellenverstellers (4) mit einem Antriebsrad (21) verbunden ist, welches mittels einem Kettentrieb mit einer äußeren Welle verbindbar ist.
  10. Nockenwellenverstelleinheit mit einem Nockenwellenverstellsystem (1) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und zwei Nockenwellen (2, 3).
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