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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Schwenkmotorversteller für eine Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.
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Stand der Technik
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Verstellvorrichtungen zur Verstellung von Nockenwellen in Form von Schwenkmotorverstellern werden in modernen Verbrennungskraftmaschinen zur Optimierung von Verbrauchs- und Leistungswerten eingesetzt und dienen dazu, Öffnungs- und Schließzeitpunkte von Gaswechselventilen zu verändern, um eine Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich variabel gestalten zu können. Zu diesem Zweck ist der Schwenkmotorversteller in eine Kopplungseinrichtung integriert aufgenommen, über die Drehmomente von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen werden. Der Schwenkmotorversteller besitzt dazu einen mit der Kurbelwelle wirkverbundenen Stator und einen drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor. Zwischen dem Rotor und dem Stator sind mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Kammern vorgesehen, welche durch dem Rotor zugeordnete Rotorstege in gegeneinander wirkende Druckräume unterteilt sind. Während des Betriebes der Verbrennungskraftmaschine sind beide Druckräume permanent mit Hydraulikfluid gefühlt, wodurch der Rotor und der Stator relativ steif miteinander verbunden sind. Die Steuerzeiten der Gaswechselventile werden dadurch verändert, dass der Druck in einem der Druckräume erhöht wird, während der Druck in dem jeweils anderen Druckraum gesenkt wird. Das Hydraulikfluid muss dazu dem einen Druckraum zugeführt und aus dem anderen Druckraum zu einem Tank hin abgeführt werden, wodurch sich die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ändert.
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Damit bei nichtbetriebener Verbrennungskraftmaschine der Rotor die für einen Start der Verbrennungskraftmaschine nötige Stellung einnehmen kann, kann der Rotor in der Regel mit Hilfe eines Federelementes in eine Ausgangslage gedreht werden. In dieser Ausgangslage kann der Rotor gegenüber dem Stator mittels einer Verriegelungseinrichtung gegen ein Verschwenken fixiert werden. Als weitere bzw. zusätzliche Funktion des Federelementes kann das Reibmoment der Nockenwelle kompensiert und die Verstellgeschwindigkeiten in die beiden Verstellrichtungen ausgeglichen werden. In dieser Funktion als Kompensationselement kann die Wirkrichtung der Feder sogar entgegen der Verriegelungsposition wirken.
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Die Patentschrift
EP 1 865 158 B1 offenbart einen Schwenkmotorversteller, dessen Rotor mit Hilfe eines Federelementes in Form einer Spiralfeder gegen ein Verschwenken fixierbar ist. Die Spiralfeder ist an ihrem einen Ende in einem Einhängestift des Rotors und an ihrem anderen Ende in einem Einhängestift an einem Statordeckel fixiert, wobei ein im Statordeckel angeordnetes Einsatzelement zur Bereitstellung der Fixierung vorgesehen ist.
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Aus der Offenlegungsschrift
DE 10 2015 114 005 A1 geht ein Schwenkmotorversteller hervor, dessen Rotor mit Hilfe eines Federelementes in Form einer Schenkelfeder fixiert ist. Die Schenkelfeder ist an ihrem einen Ende in einer im Rotor ausgebildeten Ausnehmung eingreifend und an ihrem anderen Ende in einem den Rotor axial begrenzenden Deckel fixiert. Die Schenkelfeder ist in ihrer axialen Erstreckung so groß ausgebildet, damit ihr dem Deckel zugewandt ausgebildeter Schenkel sich an einem an einer vom Rotor abgewandt ausgebildeten Deckelfläche Vorsprung oder Ausnehmung abstützen kann.
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Offenbarung der Erfindung
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Die Aufgabe der Erfindung ist es, einen Schwenkmotorversteller für eine Nockenwelle bereitzustellen, welcher betriebssicher und kostenoptimiert ausgebildet ist.
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Die vorstehend genannte Aufgabe wird mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Günstige Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den weiteren Ansprüchen, der Beschreibung und der Zeichnung.
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Es wird ein Schwenkmotorversteller für eine Nockenwelle vorgeschlagen, wobei der Schwenkmotorversteller einen mit Hilfe eines Federelementes vorgespannten Rotor und einen Stator aufweist. Der Rotor ist gegen den Stator über eine Rotationsachse des Rotors verdrehbar. Zwischen zwei Stegen des Stators ist ein Flügel des Rotors positionierbar angeordnet, wobei mit Hilfe des Flügels ein zwischen den beiden Stegen ausgebildeter Zwischenraum in zwei Druckkammern geteilt ist. Der Rotor ist mit Hilfe von in den Druckkammern anliegenden Drücken bewegbar, wobei ein eine Zentralschraube zur drehfesten Befestigung des Rotors an der Nockenwelle vorgesehen ist. Zur Druckbelastung und Druckentlastung der Druckkammern kann ein dezentrales Ventil oder ein Zentralventil vorgesehen sein. Erfindungsgemäß ist zur Vorspannung des Rotors das Federelement an seinem ersten Ende am Stator aufgenommen und an seinem vom ersten Ende abgewandt ausgebildeten zweiten Ende mit Hilfe der Zentralschraube am Rotor gesichert. Die Aufnahme der Enden des Federelementes am Stator sowie am Rotor ergibt eine optimale Vorspannung des Rotors. Die Sicherung des dem Rotor zugewandten zweiten Endes mit Hilfe der Zentralschraube bzw. eines an dem Rotor anliegenden Schraubenkopfes der Zentralschraube führt zu einer einfachen Montage des Schwenkmotorverstellers, da das zweite Ende des Federelementes im unverspannten Zustand in oder auf den Rotor gelegt werden kann und die Zentralschraube in einer zur Aufnahme der Zentralschraube vorgesehene Aufnahmeöffnung des Schwenkmotorverstellers geführt und befestigt werden kann. Zur Herbeiführung der Vorspannung wird das erste Ende des Federelementes am Stator, bevorzugt an einem Deckel des Stators fixiert. Somit ist das Federelement zwischen dem Rotor und dem Stator verspannt und am zweiten Ende am oder im Rotor mit Hilfe der Zentralschraube fixiert. Da keine weiteren Bauteile zur Aufnahme des zweiten Endes notwendig sind, sowie eine einfache Montage möglich ist, ist ein kostenoptimierter und betriebssicherer Schwenkmotorversteller realisiert.
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Gemäß einer besonders bauraumoptimierten Ausführungsform ist die Zentralschraube als Zentralventil des Schwenkmotorverstellers zur Druckbelastung und Druckentlastung der Druckkammern ausgebildet.
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In einer Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwenkmotorverstellers ist das Federelement in Form einer Spiralfeder ausgebildet. Eine Spiralfeder bildet den Vorteil einer kurzen Baulänge des Schwenkmotorverstellers, da sie sich in axialer Richtung nicht ausdehnt. Somit kann ein gewichtsreduzierter und bauraumoptimierter Schwenkmotorversteller bereitgestellt werden.
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Zur Führung des Federelementes weist der Stator ein stiftförmiges Führungselement auf, welches das Federelement an seiner von der Rotationsachse abgewandt ausgebildeten Umfangsteilfläche abstützend aufnimmt. Sofern das Federelement bspw. in Form einer Schraubenfeder ausgebildet ist, weist es eine axiale Bewegung auf. Die bevorzugte Ausführung des Federelementes in Form der Spiralfeder führt zu einer Bewegung des Elementes in Umfangsrichtung. Jede Bewegung führt zu einer möglichen fehlerhaften Ausrichtung des Federelementes, die das Führungselement, welches das Federelement aufnehmend ausgebildet ist, reduzieren oder auch eliminieren kann. Das Führungselement ist zur Vermeidung einer übermäßigen, im Falle der Spiralfeder einer übermäßigen in radialer Richtung ausgebildeten Bewegung des Federelementes bei seiner Belastung vorgesehen.
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Der Rotor ist mit Hilfe des Federelementes relativ zum Stator in einer bestimmten Position anzuordnen. Daher hat es sich als vorteilhaft erwiesen, das Verbindungselement am Stator, insbesondere an einem dem Stator zugehörenden Deckel, zu fixieren. Zur Nutzung einer maximalen Rückstellkraft des Federelementes ist das erste Ende am Stator fixiert, wobei es zu vereinfachten Montage an einem im Stator angeordneten Befestigungselement befestigt ist.
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Insbesondere ist ein das erste Ende aufweisender Endbereich des Federelementes den Stift zumindest teilweise, insbesondere entgegen einer das Federelement beaufschlagenden Kraft zur Positionierung des Rotors orientiert, umfassend angeordnet. Somit ist eine gesicherte Fixierung des Federelementes herbeigeführt.
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In einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Schwenkmotorverstellers weist der Rotor eine Nut zur Aufnahme des zumindest zweiten Endes des Federelementes auf, welche der Zentralschraube dieser zumindest teilweise gegenüberliegend ausgebildet ist. Somit kann das wenigstens zweite Ende in der Nut aufgenommen werden und von der Zentralschraube überdeckt werden und damit gegen eine axiale Verschiebung gesichert werden.
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Im Betrieb des Schwenkmotorverstellers ist das Federelement aufgrund der Aufnahme des zweiten Endes in der im Rotor ausgebildeten Nut geneigt, eine Bewegung in axialer Richtung durchzuführen, da eine Aufnahmeebene des zweiten Endes axial versetzt zu einer Wirkebene des Federelementes ausgeführt ist. Damit dieser axiale Versatz keine Fehlfunktionen des Federelementes hervorrufen kann, ist ein Sicherungselement vorgesehen, welches das Federelement im Bereich seines zweiten Endbereichs den axialen Versatz ohne mögliche Bewegung überbrückend stützt. Bevorzugt ist das Sicherungselement gesichert im Rotor aufgenommen.
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Zur weiteren verbesserten Betriebssicherheit weist das Sicherungselement eine Führungsnut zur Aufnahme des Federelementes auf. Somit kann das Federelement in radialer und axialer Richtung gesichert im Sicherungselement aufgenommen werden, bei gleichzeitig möglicher Bewegbarkeit in Umfangsrichtung. Bevorzugt ist die Führungsnut an einer von der Rotationsachse abgewandt ausgebildeten Mantelfläche des Sicherungselements einzubringen.
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Figurenliste
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Weitere Vorteile ergeben sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In den Zeichnungen sind Ausführungsbeispiele der Erfindung dargestellt. Die Zeichnungen, die Beschreibung und die Ansprüche enthalten zahlreiche Merkmale in Kombination. Der Fachmann wird die Merkmale zweckmäßigerweise auch einzeln betrachten und zu sinnvollen weiteren Kombinationen zusammenfassen.
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Es zeigen beispielhaft:
- 1 in einer perspektivischen Ansicht einen Schwenkmotorversteller gemäß dem Stand der Technik,
- 2 in einer perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Schwen kmotorversteller,
- 3 in einer weiteren perspektivischen Ansicht den Schwenkmotorversteller gem. 2,
- 4 in einer perspektivischen Schnittansicht entlang einer Längsachse in einem Ausschnitt im Bereich eines Endes eines Federelementes den Schwenkmotorversteller gem. 2,
- 5 in einer weiteren perspektivischen Schnittansicht entlang einer Längsachse in einem Ausschnitt im Bereich des einen Endes eines Federelementes den Schwenkmotorversteller gem. 2, und
- 6 in einer weiteren perspektivischen Schnittansicht entlang einer Längsachse in einem Ausschnitt im Bereich des einen Endes eines Federelementes den Schwenkmotorversteller gem. 2.
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Ausführungsformen der Erfindung
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In den Figuren sind gleiche oder gleichartige Komponenten mit gleichen Bezugszeichen beziffert. Die Figuren zeigen lediglich Beispiele und sind nicht beschränkend zu verstehen.
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In 1 ist ein Schwenkmotorversteller 10 in einer Ausführung gemäß dem Stand der Technik illustriert. Mit dem Schwenkmotorversteller 10 wird während eines Betriebes einer nicht näher dargestellten Verbrennungskraftmaschine eine Winkellage zwischen einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle der Verbrennungskraftmaschine verändert. Durch Verdrehen der nicht näher dargestellten Nockenwelle werden Öffnungs- und Schließzeitpunkte von Gaswechselventilen der Verbrennungskraftmaschine so verschoben, dass die Verbrennungskraftmaschine bei einer jeweils entsprechenden Drehzahl ihre optimale Leistung erbringen kann bzw. Verbrauch und Emissionen optimiert werden können. Der Schwenkmotorversteller 10 ermöglicht eine stufenlose Verstellung der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle.
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Der Schwenkmotorversteller 10 besitzt einen mit der Kurbelwelle wirkverbundenen Stator 12 und einen drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor 14 mit einer Rotationsachse 15. Der Stator 12 ist drehfest mit einem Wirkverbindungselement 16 verbunden, welches eine Verbindung zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ausbildbar ausgestaltet ist. Im Ausführungsbeispiel ist das Wirkverbindungselement 16 ein Zahnrad, über das eine nicht näher dargestellte Kette geführt ist. Ebenso kann das Wirkverbindungselement 16 auch ein Zahnriemenrad sein, über das ein Antriebsriemen als Antriebselement geführt wird. Über dieses Antriebselement und das Wirkverbindungselement 16 ist der Stator 12 mit der Kurbelwelle in bekannter Weise wirkverbunden.
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Der Stator 12 und das Wirkverbindungselement 16 sind in diesem Ausführungsbeispiel drehfest miteinander verbunden, können jedoch auch als ein Bauteil ausgebildet sein. Verbindungselemente 18 verspannen den im Wesentlichen zylindrisch ausgebildeten Stator 12 zwischen einem ersten Deckel 20 und einem zweiten Deckel 22. Alternative Ausgestaltungsformen sind möglich wobei das Wirkverbindungselement 16 auch an einem der beiden Deckel 20, 22 angeformt sein kann oder einer der beiden Deckel 20; 22 einteilig mit dem Stator 12 ausgeführt ist. Es können der Stator 12, der Deckel 20; 22 und das Wirkverbindungselement 16 aus einem metallischen Werkstoff oder auch aus Kunststoff bestehen. Als metallische Werkstoffe können unter anderem Sintermetalle, Stahlbleche und Aluminium genutzt werden. Als Kunststoff ist insbesondere ein faserverstärkter Kunststoff geeignet. Der Deckel 20; 22 ist als dem Stator 12 zugehörend anzusehen.
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Der Stator 12 weist nicht näher dargestellte radial nach innen ragende Stege auf. Über den Umfang ist jeweils zwischen den Stegen ein Flügel 24 des Rotors 14 angeordnet. Der Flügel 24 ist bspw. in 4 des erfindungsgemäßen Schwenkmotorverstellers 10 zu sehen. Die Flügel 24 des Rotors 14 sind auf einer Rotornabe 26 angeordnet, die drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Dazu ist die Rotornabe 26 beispielsweise mit einer Zentralschraube 28, welche im vorliegenden Beispiel in Form eines Zentralventils ausgebildet ist verbunden. Zwischen dem Rotor 14 und dem Stator 12 sind mit einem Hydraulikfluid beaufschlagbare Druckkammern 30 ausgebildet, die durch die Flügel 24 in gegeneinander wirkende Druckkammern unterteilt sind. Die Zentralschraube 28 bildet in diesem Fall die Ventilbuchse des hydraulischen Ventils, mittel welchem die Druckkammern druckbelastet oder druckentlastet werden können.
Ist das hydraulische Ventil dagegen als dezentrales Ventil beispielsweise an einem gehäusefesten Bauteil der Verbrennungskraftmaschine angeordnet, dient die Zentralschraube 28 der drehfesten Befestigung des Rotors an der Nockenwelle oder einem weiteren nockenwellenfesten Bauteil.
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Im Betrieb der Verbrennungskraftmaschine sind alle Druckkammern 30, von denen nur eine erkennbar ist, kontinuierlich mit Hydraulikfluid gefüllt, damit der Rotor 14 und der Stator 12 relativ steif miteinander verbunden sind. Um die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle zu verändern, wird der Rotor 14 relativ zum Stator 12 verdreht. Hierzu werden in Abhängigkeit eine gewünschten Drehrichtung die entsprechenden Druckkammern durch Zufuhr von Hydraulikfluid sowie durch Abfuhr von Hydraulikfluid in einen nicht näher dargestellten Tank be- bzw. entlastet.
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Zur Realisierung einer beim Start der Verbrennungskraftmaschine notwendigen relativen Position zwischen dem Stator 12 und dem Rotor 14 ist ein Federelement 32 vorgesehen, mit dessen Hilfe der Rotor 14 in seiner relativ zum Stator 12 korrekten Position gedreht wird. Somit ist der Rotor 14 relativ zum Stator 12 vorspannbar ausgebildet. In dieser Lage ist der Rotor 14 mit dem Stator 12 mithilfe einer Verriegelungseinrichtung 34, wie sie beispielhaft in den 4 und 5 illustriert ist, gegen ein Verdrehen gesichert. Hierzu ist ein Federkraft unterstütztes Verriegelungselement 36 in Form eines Stiftes vorgesehen, welches bei einem Start der Verbrennungskraftmaschine mit Hydraulikfluid beaufschlagt wird und aus einer üblicherweise im Deckel 20 vorgesehenen Aufnahmeöffnung 38 zurückgeschoben wird derart, dass der Rotor 14 vom Stator 12 entriegelt wird. Das Verriegelungselement 36 und die die Federkraft herbeiführende Spiralfeder 40 sind in einer im Flügel 24 ausgebildeten weiteren Aufnahmeöffnung 42 bewegbar angeordnet.
Das Federelement 32 ist damit als Rückstellelement bzw. Rückstellfeder ausgebildet.
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Als alternative bzw. zusätzliche Funktion des Federelementes 32 kann das Reibmoment der Nockenwelle kompensiert und die Verstellgeschwindigkeiten in die beiden Verstellrichtungen ausgeglichen werden. In dieser Funktion als Kompensationselement bzw. Kompensationsfeder kann die Wirkrichtung des Federelementes 32 sogar entgegen der Verriegelungsposition wirken.
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Das Federelement 32, welches dem Schwenkmotorverstellers 10 gemäß dem Stand der Technik zugeordnet ist, ist an seinem ersten Ende 44, welches in radialer Richtung das äußere Ende des Federelementes 32 ist, an einem Befestigungselement 46 in Form eines Stiftes, welcher im Deckel 20 aufgenommen ist, fixiert. Hierzu ist ein das erste Ende 44 aufweisender erster Endbereich 47 komplementär zu einem Mantel 48 des Befestigungselementes 46 gebogen, diesen zumindest teilweise umschlingend ausgebildet. Eine Umschlingung von ca. 180° hat sich auch für die Montage als vorteilhaft herausgestellt.
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In einer Zentralöffnung 50 des Schwenkmotorverstellers 10, welche zur Aufnahme der Zentralschraube 28 vorgesehen ist, ist ein ringförmiger Adapter 52 eingesetzt, welcher zur Umfangssicherung eines vom ersten Ende 44 abgewandt ausgebildeten zweiten Endes 54 des Federelementes 32 vorgesehen ist. Der Adapter 50 weist über seinem Umfang Öffnungen 56 auf, in die das zweite Ende 54, ebenfalls gebogen, eingeführt werden kann. Zur Abstützung und zur Führung des Federelementes 32 ist ein Führungselement 58 in Form eines Stiftes am Deckel 20 ausgebildet, welches das Federelement 32 an einer von der Rotationsachse 15 abgewandt ausgebildeten Umfangsteilfläche 76 abstützend aufnimmt. Das Führungselement 58 ist zur Vermeidung einer übermäßigen, im Falle der Spiralfeder einer übermäßigen in radialer Richtung ausgebildeten Bewegung des Federelementes 32 bei seiner Belastung vorgesehen. Damit keine Berührung einzelner Spiralwindungen auftreten kann, die zu Reibung führen würde, ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel, welches drei Windungen aufweist, das Führungselement 58 an der radial äußersten Windung ausgebildet.
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Ein erfindungsgemäßer Schwenkmotorversteller 10 ist wie in den 2 bis 6 illustriert ausgebildet. Er besitzt ebenfalls das Federelement 32 in Form einer Spiralfeder, welche an ihrem ersten Ende ebenfalls an dem im Deckel 20 ausgebildeten Befestigungselement 46 gesichert ist. Jedoch ist das zweite Ende 54 in einer in der Rotornabe 26 ausgebildeten Nut 60 aufgenommen, wobei ein das zweite Ende 54 aufweisender zweiter Endbereich 62 bündig mit einer Nabenoberfläche 64 der Rotornabe 26 in der Nut 60, gegen eine radialer Bewegung gesichert, aufgenommen ist. Die Nut 60 ist der Zentralschraube 28 teilweise gegenüberliegend ausgebildet, somit ist das in der Nut 60 aufgenommene zweite Ende 54 ist mit Hilfe der Zentralschraube 28 bzw. einem an dem Rotor anliegenden Schraubenkopf der Zentralschraube 28 gegen eine axiale Verschiebung gesichert. Zur Sicherung des Endes 54 ist nicht zwingend der Schraubenkopf der Zentralschraube 28 erforderlich. Grundsätzlich kann die Zentralschraube 28 weitere Vorsprünge aufweisen, welche diese Funktion erfüllen.
Die Verwendung des Schraubenkopfes zur Sicherung des Federelements 32 erlaubt jedoch eine besonders bauraumoptimierte Ausgestaltung.
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Ein Sicherungselement 66 dient einem axialen Abstand zwischen der Nabenoberfläche 64 und dem Federelement 32, damit die An- und Entspannung des Federelementes 32 in einer einzigen axialen Ebene gesichert ist. Dies begründet einen einwandfreien, fehlerlosen Betrieb des Schwenkmotorverstellers 10. Das Sicherungselement 66 ist in Form eines Stiftes ausgebildet und fest in der Rotornabe 26 in einer zusätzlichen Aufnahmeöffnung 68 aufgenommen.
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Das Sicherungselement 66 weist von der Zentralschraube 28 abgewandt eine Führungsnut 70 auf, in die das Federelement 32 aufgenommen und gegen eine radiale Depositionierung gesichert ist. Zu axialen Sicherung des Federelementes 32 weist das Sicherungselement 66 einen Elementkopf 72 auf, welcher einen ersten Durchmesser D1 aufweist, der größer ist als ein zweiter Durchmesser D2 des stiftförmigen Elementkörpers 74. Somit wäre auch bei einem Entspringen des Federelementes 32 aus der Führungsnut 70 eine axiale Sicherung gegeben.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- EP 1865158 B1 [0004]
- DE 102015114005 A1 [0005]
