DE19781754C1 - Flügelzellen-Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Flügelzellen-Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle in einer BrennkraftmaschineInfo
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Abstract
Die Erfindung betrifft eine interne Abdichtung an einer Flügelzellen-Verstelleinrichtung, welche aus einem mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine über einen Zahnriemen oder einer Steuerkette verbundenen sowie einen Hohlraum aufweisenden Antriebsrad (2) und einem in den Hohlraum (9) eingesetzten, drehfest mit einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbundenen Flügelrad (13) besteht, wobei das Antriebsrad (2) an der Innenseite seiner Umfangswand (3) mindestens eine Arbeitskammer (5) aufweist und die Flügel des Flügelrades (13) jede Arbeitskammer (5) wiederum in jeweils zwei Druckräume (10, 11) unterteilen. DOLLAR A Zur Vermeidung von Druckmittel-Leckagen zwischen den Druckräumen (10, 11) jeder Arbeitskammer (4) sowie zwischen den einzelnen Arbeitskammern (5) wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß jeder Flügel des Flügelrades (13) als innerhalb einer Führung (15) im Flügelrad (13) bewegliches, gesondertes Flügelsegment (18) ausgebildet ist, welches radial durch die während des Motorbetriebes aus der Rotation der Flügelzellen-Verstelleinheit (1) resultierende und auf jedes Flügelsegment (18) wirkende Radialfliehkraft und axial durch mindestens ein mit Vorspannung beaufschlagtes Axialdichtelement (23) leckagefrei abgedichtet ist.
Description
Die Erfindung betrifft eine Flügelzellen-
Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle
in einer Brennkraftmaschine gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Bei den der Fachwelt allgemein bekannten Flügelzellen-Verstelleinrichtungen
der oben genannten Art erfolgt die Abdichtung der Druckräume im Hohlraum
des Antriebsrades gegen Drucköl-Leckagen zumeist zum einen durch zwei enge
Radialspalte zwischen den Flügeln des Flügelrades und der Umfangswand sowie
zwischen der Nabe des Flügelrades und der Umfangswand des Antriebsrades
sowie zum anderen durch zwei enge Axialspalte zwischen den Flügelseiten
wänden des Flügelrades und den Seitenwänden des Antriebsrades. Aus ferti
gungstechnischer Sicht ist es jedoch nicht oder nur sehr aufwendig möglich, bei
derartigen Flügelzellen-Verstelleinrichtungen in Radialrichtung zwei enge bzw.
dichtende Radialspalte herzustellen, da es hierbei zu Überbestimmungen
zwischen dem Flügelrad und dem Antriebsrad kommt, durch die zwangsläufig
einer der Radialspalte nicht mehr bestimmungsgemäß abdichtet. Trotz kosten
aufwendiger und paßgenauer Fertigung der Einzelteile solcher Verstelleinrich
tungen kommt es somit vor, daß im Motorbetrieb mit zunehmender Temperatur
des Drucköls über die an sich begrenzt erforderliche Leckage hinaus zunehmen
de Leckagen durch die Radial- und Axialspalte hindurch auftreten, die zu einem
Absinken des Versorgungsöldrucks und somit zu verzögerten Verstellzeiten
sowie zu einer zu weichen hydraulischen Einspannung des Flügelrades und
somit der Nockenwelle führen. Dies wirkt sich verstärkt nachteilig bei hohen
Öltemperaturen aus, da dort die Viskosität und der Versorgungsöldruck beson
ders gering sind, so daß die vom Kennfeld der Motorsteuerung vorgegebene
Verstellposition der Nockenwelle in nachteiliger Weise häufig nachgeregelt
werden muß und/oder höhere Ölfördermengen zur Verfügung gestellt werden
müssen.
Durch eine in der DE 39 22 962 A1 offenbarte gattungsgemäße An
triebsvorrichtung für eine Nockenwelle ist es darüber hinaus bekannt, in die
Flügel des Flügelrades axiale und radiale Nuten einzuarbeiten und in diese
Nuten federgelagerte Dichtungen einzusetzen, die mit der Umfangswand und
den Seitenwänden des Hohlraumes des Antriebsrades dichtend zusammen
wirken.
Diese Dichtungsmaßnahmen haben sich jedoch hinsichtlich des Fertigungsauf
wandes und der Herstellungskosten für Flügelzellen-Verstelleinrichtungen als
äußerst aufwendig erwiesen und können durch die Übergangsstöße zwischen
den einzelnen Axial- und Radialdichtungen ebenfalls noch keine zufrieden
stellende Senkung der Leckagewerte gewährleisten.
Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Flügel
zellen-Verstelleinrichtung für eine Nockenwel
le in einer Brennkraftmaschine
zu konzipieren, mit welcher mit einfachen, kosten
günstigen Mitteln unerwünschte Drucköl-Leckagen zwischen den Druckräumen
im Hohlraum des Antriebsrades auf ein Minimum reduzierbar sind.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Flügelzellen-Verstelleinrichtung
nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 mit dessen kennzeichnenden Merkmalen gelöst.
Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der
Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4.
Die erfindungsgemäß ausgebildete Flügelzellen-Verstelleinrichtung hebt sich
somit gegenüber dem Stand der Technik dadurch positiv ab, daß die Fertigung
des Flügelrades wesentlich vereinfacht wird und gleichzeitig die Leckagewerte
im Hohlraum des Antriebsrades weitestgehend minimiert werden. Zwar besteht
das Flügelrad in erfindungsgemäßer Ausbildung aus mehr Einzelteilen als bisher
üblich, sie müssen jedoch nicht mehr mit den bei bekannten Flügelzellen-
Verstelleinrichtungen notwendigen engen Toleranzen, die sich nachteilig auf
den Fertigungsaufwand und auf die Herstellungskosten der Flügelzellen-Verstell
einrichtung auswirken, hergestellt werden. Ebenso ist durch die erfindungs
gemäße Trennung der Flügel des Flügelrades von der Nabe des Flügelrades eine
Überbestimmung zwischen der Nabe, dem Flügelrad und dem Antriebsrad nicht
mehr möglich, so daß zwischen der Nabe des Flügelrades und der Umfangs
wand des Antriebsrades ein exakter radialer Dichtspalt hergestellt werden kann.
In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Führung für jedes Flügel
segment dabei bevorzugt als parallel zur Längsmittelachse verlaufende Axialnut
mit parallel zueinander ausgerichteten axialen Seitenwänden in der Nabe des
Flügelrades ausgebildet, wobei die Axialnut das eingesetzte, bevorzugt quaderförmige
Flügelsegment annähernd zur Hälfte seiner Höhe umschließt. Hinsichtlich des
zu erzielenden Verstellwinkels zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle
sowie hinsichtlich der notwendigen Verstellgeschwindigkeit und hydraulischen
Einspannkraft hat es sich als Optimum erwiesen, jeweils drei solcher Axialnu
ten gleichmäßig an der Nabe des Flügelrades zu verteilen und jeweils drei
gleichartig ausgebildete Flügelsegmente in diesen Axialnuten einzusetzen. Vom
Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sind jedoch auch solche Lösungen,
bei denen das Flügelrad mit weniger als drei oder auch mehr als drei Flügelseg
menten ausgebildet ist und/oder bei denen die Flügelsegmente durch die Axial
nuten zu mehr oder auch weniger als die Hälfte ihrer Höhe umschlossen wer
den. Ebenso stellt die bevorzugt quaderförmige Ausbildung der Flügelsegmente
nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen dar, da mit derartigen
Flügelsegmenten ein relativ langer radialer Dichtspalt und somit eine hohe
Dichtheit zwischen den Druckräumen in jeder Arbeitskammer erzielt werden
kann.
Die mit der Umfangswand des Antriebsrades in der jeweiligen Arbeitskammer
in Wirkverbindung stehende Dichtfläche jedes Flügelsegmentes weist deshalb
in weiterer Konkretisierung der Erfindung bevorzugt radial den gleichen Radius
und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Umfangswand in der jeweili
gen Arbeitskammer auf. Die dieser auch mit einem kleineren Radius ausbildba
ren Dichtfläche gegenüberliegende Bodenfläche jedes Flügelsegmentes ist
dagegen bevorzugt gerade ausgebildet, so daß die Flügelsegmente zugleich gute
Gleiteigenschaften innerhalb der Arbeitskammern im Verstellbetrieb aufweisen
und ein Verkippen oder Verkanten der Flügelsegmente innerhalb der Führungen
weitestgehend ausgeschlossen ist. Druckmittel-Leckagen über die durch die
radiale Beweglichkeit der Flügelsegmente an einer Seitenwand der Führung
und/oder unterhalb der Bodenfläche der Flügelsegmente entstehenden Spalte
sind dabei ebenso weitestgehend ausgeschlossen, da der jeweils in einer Druck
kammer anliegende Druck des Druckmittels auch in diesen Spalten anliegt und
ähnlich wie bei Stahldichtringen bewirkt, daß einerseits die Flügelsegmente an
die der Druckrichtung gegenüberliegende Seitenwand jeder Führung dichtend
angepreßt werden, während andererseits die Radialfliehkraft der Flügelsegmente
durch eine die Dichtwirkung der Flügelsegmente zur Umfangswand in den
Arbeitskammern weiter erhöhende Radialdruckkraft unterstützt wird. Zusätzlich
ist es hierbei noch möglich, zur weiteren Unterstützung der Radialfliehkraft der
Flügelsegmente radial auf deren Bodenfläche wirkende Federelemente, wie Bie
gebalken, Druckfedern od. dgl., anzuordnen, um die Dichtwirkung der Flügel
segmente noch weiter zu erhöhen.
In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abdichtung einer Flügelzel
len-Verstelleinrichtung wird es schließlich noch vorgeschlagen, die Axialdicht
elemente an jedem Flügelsegment bevorzugt als Stahldichtleisten, die in über
deren gesamte Höhe verlaufenden Radialnuten angeordnet sind, auszubilden und
durch jeweils auf deren nutseitige Längskante wirkende Federelemente, wie
Druckfedern, Blattfedern oder Elastomerelemente vorzuspannen. Eine zufrie
denstellende Dichtwirkung in axialer Richtung zwischen den Druckkammern
wird dabei bereits durch eine an einer der Axialseiten der Flügelsegmente in
einer solchen Radialnut angeordnete Stahldichtleiste erreicht, möglich ist es
jedoch auch, an beiden mit den Seitenwänden des Antriebsrades in Wirkverbin
dung stehenden Axialseiten jedes Flügelsegmentes eine oder mehrere Stahldicht
leiste(n) vorzusehen oder stattdessen auch Dichtleisten aus Kunststoff, Gummi
oder nichteisenmetallischen Werkstoffen zu verwenden. Die Stahldichtleisten
weisen dann bevorzugt einen Vierkantquerschnitt auf, dessen Breite annähernd
der Breite der komplementären Radialnut entspricht und dessen Höhe bei Ver
wendung von Druckfedern zur Erzeugung ihrer Vorspannung geringfügig größer
als die Tiefe der Radialnut ist. Die Druckfedern werden bei Anordnung von je
einer Stahldichtleiste an den Flügelsegmenten in vom Nutboden der Radialnut
ausgehenden Sackbohrungen angeordnet, wobei sich zwei Sackbohrungen und
zwei Druckfedern je Stahldichtleiste als am vorteilhaftesten erwiesen haben. Bei
Anordnung von zwei Stahldichtleisten je Flügelsegment werden die Druckfe
dern dagegen in vom Nutboden zum Nutboden durchgehenden Bohrungen
derart angeordnet, daß sich die Stahldichtleisten jedes Flügelsegmentes gegen
seitig abstützen. Ist zur Erzeugung der Vorspannung der Stahldichtleisten als
Alternative zu den Druckfedern die Anwendung von Blattfedern oder Elastomer
elementen vorgesehen, ist bei über die gesamte Länge der Radialnut durch
gehende Blattfedern oder Elastomerelementen die Tiefe der Radialnut um die
Höhe der einzusetzenden Blattfedern oder Elastomerelemente zu vergrößern.
Punktförmig wirkende Elastomerelemente können dagegen in der gleichen Art
und Weise wie Druckfedern in den Flügelsegmenten des Flügelrades angeordnet
werden. Es ist jedoch auch möglich, die Axialdichtelemente als Dichtleisten mit
einem runden oder anderen geeigneten Profilquerschnitt auszubilden und/oder
die Axialdichtelemente ohne Vorspannung in die Axialnuten einzusetzen und
die Anpreßfunktion der Federelemente, ähnlich wie bei Stahldichtringen, über
den anliegenden Druck des hydraulischen Druckmittels zu realisieren.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei
zeigen:
Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelzellen Verstelleinrichtung
mit erfindungsgemäßer Abdichtung;
Fig. 2 den Schnitt A-A nach Fig. 1;
Fig. 3 den Schnitt B-B nach Fig. 2;
Fig. 4 die Einzelheit Z nach Fig. 1 bei Verwendung von Elastomer
elementen.
Aus den Fig. 1 und 2 geht eine Flügelzellen-Verstelleinrichtung in verschie
denen Ansichten hervor, die in bekannter Weise aus einem als Außenrotor
ausgebildeten Antriebsrad 2 und einem als Innenrotor ausgebildeten Flügelrad
13 besteht, wobei in den Zeichnungen nicht näher dargestellt wurde, daß das
Antriebsrad 2 im konkreten Fall über eine Steuerkette mit einer Kurbelwelle
einer Brennkraftmaschine und das Flügelrad 13 drehfest mit einer Nockenwelle
einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Des Weiteren ist in den Zeichnungen zu
sehen, daß das Antriebsrad 2 einen durch eine Umfangswand 3 und zwei
Seitenwände 7, 8 gebildeten Hohlraum 9 aufweist, wobei an der Außenseite der
Umfangswand 3 eine Verzahnung 4 vorgesehen ist und in die Innenseite der
Umfangswand 3 drei Arbeitskammern 5 mit jeweils zur Längsmittelachse des
Antriebsrades 2 gerichteten Begrenzungswänden 6a, 6b eingearbeitet sind. In
diesen Hohlraum 9 des Antriebsrades 2 ist das im konkreten Fall mit drei
radialen Flügeln ausgebildete Flügelrad 13 eingesetzt, dessen Flügel jede Ar
beitskammer 5 wiederum in jeweils zwei Druckräume 10, 11 unterteilen,
welche durch wahlweise, zeitlich versetzte oder gleichzeitige Druckbeauf
schlagung mit einem Drucköl eine Relativverdrehung und/oder eine stufenlose
hydraulische Einspannung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirken.
Zur Vermeidung von Drucköl-Leckagen zwischen den Druckräumen 10, 11 in
jeder Arbeitskammer 5 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, jeder Flügel des
Flügelrades 13 erfindungsgemäß als innerhalb einer Führung 15 im Flügelrad 13
bewegliches, gesondertes Flügelsegment 18 ausgebildet, welches im Stillstand
der Flügelzellen-Verstelleinrichtung 1 sowohl radial zur Umfangswand 3 des
Antriebsrades 2 in der jeweiligen Arbeitskammer 5 als auch axial zu den Seiten
wänden 7, 8 des Antriebsrades 2 einen Abstand aufweist. Dieser in den Zeich
nungen nicht näher bezeichnete Abstand wird, wie in Fig. 2 angedeutet, radial
durch die während des Motorbetriebes aus der Rotation der Flügelzellen-Ver
stelleinheit 1 resultierende und auf das Flügelsegment 18 wirkende Radialflieh
kraft und axial, wie in Fig. 3 zu sehen ist, durch ein mit Vorspannung beauf
schlagtes Axialdichtelement 23 leckagefrei abgedichtet.
Weiterhin ist in Fig. 2 zu sehen, daß die Führung 15 für jedes Flügelsegment
18 als parallel zur Längsmittelachse verlaufende Radialnut mit parallel zuein
ander ausgerichteten axialen Seitenwänden 16, 17 in der Nabe 14 des Flügelra
des 13 ausgebildet ist, wobei entsprechend der Anzahl der Flügel des Flügelra
des 13 jeweils drei solcher Radialnuten gleichmäßig an der Nabe 14 des Flügel
rades 18 verteilt sind. In jede dieser Radialnuten ist jeweils ein quaderförmiges
Flügelsegment 18 derart eingesetzt, daß es annähernd zur Hälfte seiner Höhe
von der Führung 15 umschlossen wird. Die mit der Umfangswand 3 des An
triebsrades 2 der jeweiligen Arbeitskammer 5 in Wirkverbindung stehende
Dichtfläche 19 jedes Flügelsegmentes 18 weist dabei radial den gleichen Radius
und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Umfangswand 3 in der jeweili
gen Arbeitskammer 5 auf, um ein Verkippen oder Verkanten der Flügelsegmente
18 innerhalb der Führungen 15 auszuschließen und um relativ lange radiale
Dichtspalte zwischen den Druckräumen 10, 11 in jeder Arbeitskammer 5 zu
erzielen. Die Abdichtung zwischen den einzelnen Arbeitskammern 5 in der
Umfangswand 3 des Antriebsrades 2 zueinander erfolgt darüber hinaus durch
die in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 12 bezeichneten Dichtspalte zwischen
der Nabe 14 des Flügelrades 13 und der Umfangswand 3 des Antriebsrades 2.
In Fig. 3 ist des Weiteren dargestellt, daß die Axialdichtelemente 23 an jedem
Flügelsegment 18 als Stahldichtleisten ausgebildet und in über deren gesamte
Höhe an ihrer Axialseite 21 verlaufenden Radialnuten 22 angeordnet sind. Die
Stahldichtleisten weisen dabei einen Vierkantquerschnitt auf, dessen Breite
annähernd der Breite der Radialnut 22 entspricht und dessen Höhe geringfügig
größer als die Tiefe der Radialnut 22 ist. Durch zwei, jeweils punktförmig auf die
nutseitigen Längskanten 24 der Stahldichtleisten wirkende Druckfedern 25, die
in vom Nutboden der Radialnut 22 ausgehenden, nicht näher bezeichneten Sack
bohrungen angeordnet sind, wird dabei eine Vorspannung auf die Axialdicht
elemente 23 erzeugt, welche bewirkt, daß die Druckräume 10, 11 in jeder
Arbeitskammer 5 auch in axialer Richtung gegeneinander abgedichtet sind. Als
alternative Ausführungsform zur Erzeugung der Vorspannung auf die Axialdicht
elemente 23 wird in Fig. 4 gezeigt, daß die Druckfedern 25 für die Stahldicht
leisten auch durch Elastomerelemente 26 ersetzbar sind, die in entsprechend
tiefer ausgebildeten Radialnuten 22 angeordnet sind und linienförmig auf die
nutseitigen Längskanten 24 der Axialdichtelemente 23 wirken.
1
Flügelzellen-Verstelleinrichtung
2
Antriebsrad
3
Umfangswand
4
Verzahnung
5
Arbeitskammer
6
a Begrenzungswand
6
b Begrenzungswand
7
Seitenwand
8
Seitenwand
9
Hohlraum
10
Druckraum
11
Druckraum
12
Dichtspalt
13
Flügelrad
14
Nabe
15
Führung
16
Seitenfläche
17
Seitenfläche
18
Flügelsegment
19
Dichtfläche
20
Axialseite
21
Axialseite
22
Radialnut
23
Axialdichtelement
24
Längskante
25
Druckfeder
26
Elastomerelement
Claims (4)
1. Flügelzellen-Verstelleinrichtung für eine Nockenwelle in einer Brennkraftmaschine,
bestehend aus einem als Außenrotor ausge
bildeten, mit einr Kurbelwelle der Brennkraftmaschine über einen Zahnriemen
oder eine Steuerkette oder über Zahnräder verbundenen Antriebsrad (2), wel
ches einen durch eine Umfangswand (3) und zwei Seitenwände (7, 8) gebilde
ten Hohlraum (9) aufweist, wobei an der Außenseite der Umfangswand (3) eine
Verzahnung (4) vorgesehen ist und in die Innenseite der Umfangswand (3)
mindestens eine Arbeitskammer (5) mit zur Längsmittelachse des Antriebsra
des (2) gerichteten Begrenzungswänden (6a, 6b) eingearbeitet ist, wobei in
den Hohlraum (9) des Antriebsrades (2) ein als Innenrotor ausgebildetes,
drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Flügelrad (13) mit mindestens
einem radialen Flügel eingesetzt ist, dessen Flügel jede Arbeitskammer (5)
wiederum in jeweils zwei Druckräume (10, 11) unterteilen, welche durch wahl
weise, zeitlich versetzte oder gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit einem
Drucköl eine Relativverdrehung und/oder eine stufenlose hydraulische Ein
spannung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirken, dadurch gekennzeich
net, daß jeder Flügel des Flügelrades (13) als innerhalb einer Führung (15) im
Flügelrad (13) bewegliches, gesondertes Flügelsegment (18) ausgebildet ist,
welches sowohl radial zur Umfangswand (3) des Antriebsrades (2) in der jewei
ligen Arbeitskammer (5) als auch axial zu den Seitenwänden (7, 8) des An
triebsrades (2) einen Abstand aufweist, der radial durch einen sich bei Rotation
der Flügelzellen-Verstelleinrichtung (1) fliehkraftbedingt verengenden Dicht
spalt zwischen der stirnseitigen Dichtfläche (19) des Flügelsegmentes (18)
und der Umfangswand (3) des Antriebsrades (2) und axial durch mindestens
ein an einer Axialseite (20 oder 21) des Flügelsegmentes (18) angeordnetes
und mit Vorspannung beaufschlagtes Axialdichtelement (23) leckagefrei abge
dichtet ist.
2. Flügelzellen-Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Führung (15) für jedes Flügelsegment (18) bevorzugt als parallel zur
Längsmittelachse verlaufende Axialnut mit parallel zueinander ausgerichteten
Seitenflächen (16, 17) in der Nabe (14) des Flügelrades (13) ausgebildet ist, wobei
die Axialnut das eingesetzte, bevorzugt quaderförmige Flügelsegment (18) annä
hernd zur Hälfte seiner Höhe umschließt.
3. Flügelzellen-Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß stirnseitige Dichtfläche (19) jedes Flügelsegmentes (18) bevorzugt radial
den gleichen Radius und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Um
fangswand (3) des Antriebsrades (2) in der jeweiligen Arbeitskammer (5) auf
weist.
4. Flügelzellen-Verstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die zumindest an einer Axialseite (20 oder 21) jedes Flügelsegmentes (18)
angeordneten Axialdichtelemente (23) bevorzugt als Stahldichtleisten ausge
bildet sind, welche innerhalb von über die gesamte Höhe der Flügelsegmente
(18) verlaufenden Radialnuten (22) in der jeweiligen Axialseite (20, 21) ange
ordnet und durch jeweils auf deren nutseitige Längskante (24) wirkende Fe
derelemente, beispielsweise durch Druckfedern (25) oder durch Elastomerele
mente (26), vorgespannt sind.
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