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Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Nockenwellenverstellung für Verbrennungskraftmaschinen nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs.
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Die zu den variablen Ventilsteuersystemen gehörenden Einrichtungen zur Nockenwellenverstellung sind direkt an einem Nockenwellenantrieb angeordnet und verändern die Winkellage zwischen der Kurbel- und der Nockenwelle während des Betriebs einer Verbrennungskraftmaschine. Diese Veränderung der Winkellage erfolgt durch eine Drehung der Nockenwelle, wodurch die Öffnungs- und Schließ-Zeitpunkte der Gaswechselventile verändert werden. Die Einrichtungen zur Nockenwellenverstellung sind dabei Systeme, die insbesondere nach dem Schwenkmotorprinzip entweder ein hydraulisches oder mechanisches Wirkprinzip aufweisen und zusätzlich aus mehreren einzelnen Bauelementen bestehen. Die Verbindung dieser Bauelemente erfolgt insbesondere über Gewindebolzen, wobei der Nockenwellenversteller auf der Nockenwelle mittels einer Schraubverbindung an einer hohlen oder vollen Nockenwelle befestigt wird. Die Nockenwellen oder die Enden der Nockenwellen sind vielfach nur zum Teil hohl ausgebildet. Der Fertigungsaufwand der einzelnen Bauteile einer Einrichtung zur Nockenwellenverstellung ist relativ hoch, da bei der Fertigung dieser Bauteile eine präzise Geometrie der einzelnen Bauteilflächen eingehalten werden muss, so dass die Herstellung der einzelnen Bauelemente dadurch sehr teuer und aufwendig wird. In der
DE 103 34 690 B4 wird eine Einrichtung zur Nockenwellenverstellung für Verbrennungskraftmaschinen beschrieben, umfassend einen Nockenwellenversteller, der mindestens ein Antriebsrad, einen Rotor, einen Stator mit einem Statorgehäuse und eine Nockenwelle mit Nocken aufweist und der Rotor einen Rotorzapfen, der in einer vorgegebenen Tiefeneinstellung von der Nockenwelle umschlossen wird und wobei in einem Grundkörper des Rotors und im Rotorzapfen Kanäle zur Ölzufuhr vorgesehen sind. Aus der
DE 103 20 639 A1 ist weiterhin ein Nockenwellenversteller für Fahrzeuge, vorzugsweise Kraftfahrzeuge, mit einem Schwenkmotor bekannt, der einen drehfest mit einer Nockenwelle verbundenen Rotor aufweist, der relativ zu einem ihn umgebenden Stator drehbar ist. Die Nockenwelle weist hier mindestens einen Form- und/oder Kraftschluss auf, mittels dem der Grundkörper des Rotors drehfest an der Nockenwelle angeordnet ist, wobei der Innendurchmesser des Rotors größer als der Durchmesser eines die Nocken der Nockenwelle umschreibenden Kreises ist. In der Dissertation von
Herrn W. Hannibal, Universität Stuttgart 1993, wird eine Positionierung eines Rotors einer Nockenwellenverstellung direkt auf der Nockenwelle dargestellt, wobei der Rotor die Nockenwelle verbindend umfasst. Weiterhin ist aus der
DE 10 2004 026 863 A1 bekannt, den Rotor kraft- und/oder formschlüssig mit der Nockenwelle zu verbinden. Aus der
DE 39 22 962 A1 aus dem Jahre 1989 sind Elemente bekannt die in das hohle Ende bzw. einer Bohrung am Ende der Nockenwelle eingeführt sind und die Ölführung von der Öleinspeisungsstelle zum Nockenwellenversteller hin übernehmen. In der
DE 199 344 05 A1 wird eine derartige Ölführung weiter präzisiert.
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Es ist die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine kompakte Einrichtung zur Nockenwellenverstellung und eine steifigkeitsoptimierte Verbindung zwischen einer dünnen Nockenwelle und einem Nockenwellenversteller so auszubilden, dass trotz einer Reduzierung der Anzahl der Bauelemente eine einfache und sichere Befestigung des Nockenwellenverstellers an der Nockenwelle durch eine einfache Verbindung erfolgt und gleichzeitig eine endseitige Befestigung des Nockenwellenverstellers insbesondere bei dünnen hohlen Nockenwellen zum Einsatz kommt, und dass die Einrichtung zur Nockenwellenverstellung mit geringem Fertigungsaufwand und einfachen Mitteln kostengünstig herstellbar ist. Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine Positionierung der Bauteile der Ölführung zum Nockenwellenversteller zu schaffen, um eine einfache, sichere Montage zu ermöglichen.
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Diese Aufgabe wird durch die Merkmale im Kennzeichen des Patentanspruchs 1 dadurch gelöst, dass ein Nockenwellenversteller mit einem Rotor, dessen Innendurchmesser kleiner als ein Nocken umschließender Kreis ist, form- und/oder kraftschlüssig auf einem Ende einer Nockenwelle gehalten ist, wobei die Nockenwelle zur Aufnahme eines Ausnehmungen zur Ölzufuhr aufweisenden Verbindungselementes eine hohle Ausbildung aufweist, derart, dass das Verbindungselement in der hohlen Ausbildung der Nockenwelle form- und/oder kraftschlüssig gehalten ist, wobei entweder das Verbindungselement oder der Rotor mindestens einen Mitnehmer zur formschlüssigen Verbindung des Rotors mit der Nockenwelle und des Verbindungselementes aufweisen, wobei der Mitnehmer durch mindestens eine Ausnehmung in einem hohlen Ende der Nockenwelle durchragend geführt ist, und wobei das Verbindungselement zum Rotor und zur Nockenwelle mittels der Mitnehmer positioniert ist und dadurch gleichzeitig eine Positionierung der Ausnehmungen zur Ölzufuhr des Verbindungselementes zum Nockenwellenversteller und zur Nockenwelle hin erfolgt. Durch diese Ausbildung der Anordnung des Nockenwellenverstellers entfällt die Befestigungsschraube zum Halten des Nockenwellenverstellers. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Einrichtung zur Nockenwellenverstellung an Nockenwellen mit geringen Außendurchmessern befestigt werden kann und dass durch das Verbindungselement in Verbindung von Rotor und hohlem Nockenwellenende eine steife und feste Verbindungszone am Ende der Nockenwelle entsteht, die bei kompakten Abmessungen kleinste Nockenwellendurchmesser ermöglicht, was zu einer geringen Reibung der Nockenwellen in ihren Lagern führt. Die Verwendung von dünnen Nockenwellen ist insbesondere bei Zylinderköpfen, in denen variable Ventilhubverstellungen eingesetzt werden vorteilhaft, da der Bauraum im Zylinderkopf durch die die zusätzlichen erforderlichen Bauteile des variablen Ventiltriebes begrenzt ist. Außerdem können durch diese kompakte Anordnung der Bauelemente Nockenwellenversteller und Nockenwellenende geringere Abmessungen des Verbrennungsmotors erreicht werden.
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Vorteilhaft ist vorgesehen, dass das Verbindungselement mindestens eine Ausnehmung zur Führung der Mitnehmer des Rotors und/oder zur Führung des Öls in den Nockenwellenversteller von einem hydraulischen Ventil über eine Öleinspeisungsstelle aufweist. Die Ausnehmungen sind als Nuten am Außendurchmesser des Verbindungselementes oder als Bohrungen im Kern des Verbindungselementes ausgebildet. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass Ausnehmungen zur Ölzufuhr in den Nockenwellenversteller gleichzeitig als Ausnehmung zur Führung mindestens eines Mitnehmers ausgebildet ist. Damit ist das Verbindungselement mit den Mitnehmern eine einfache Baugruppe mit integrierter Ölführungsaufgabe und diese Baugruppe übernimmt zusätzlich die Aufgabe der Drehmomentübertragung vom Antriebsrad an die Nockenwelle. Aus Fertigungsgründen kann es Vorteilhaft sein, das Verbindungselement mehrteilig auszubilden und zusätzlich aus unterschiedlichen Materialien und die Nockenwelle insbesondere Bohrungen zur Ölein- und ausspeisung aufweist. Bevorzugt ist vorgesehen, dass der Rotor und/oder die Abdeckplatte sowie das Antriebsrad Ausnehmungen zur Ölzufuhr aufweisen. Diese Anordnung hat den Vorteil, dass die Ausnehmungen beispielsweise bei einem Herstellprozess im Umformverfahren direkt als kostengünstige Fertigungslösung in die Form des Rotors, des Antriebsrades oder der Abdeckplatte eingebracht werden können.
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Eine weitere bevorzugte Ausführungsform wird darin gesehen, dass die Lagerung des Statorgehäuses und des Antriebsrades mit der Abdeckplatte sowohl auf der Nockenwelle als auch auf dem Verbindungselement vorgesehen ist oder dass die Lagerung des Statorgehäuses und des Antriebsrades mit der Abdeckplatte insbesondere auf einem äußeren Durchmesser des Rotors vorgesehen ist. Beide Lagerungsformen werden in der Praxis angewendet und je nach Einsatzgebiete können die Arten der Lagerung ausgewählt werden.
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Des Weiteren ist vorgesehen, dass zur Übertragung eines Drehmomentes von dem Antriebsrad an die Nockenwelle mittels des Rotors formschlüssig über mindestens einen Mitnehmer und/oder mittels Reibschluss über eine Fläche zwischen Rotor und Nockenwelle vorgesehen ist. Dadurch verteilt sich die Drehmomentübertragung anteilig auf die Fläche zwischen Rotor und Nockenwelle und auf die Mitnehmer, so dass die Verbindungszone an dieser Stelle äußerst kompakt in ihren Abmessungen gehalten werden kann.
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Eine fertigungstechnisch günstige Ausführungsform wird darin gesehen, dass das Verbindungselement eine Ausnehmung am und/oder im Verbindungselement zum Ölrückfluss des Leckageöls aus dem Nockenwellenversteller in einen Zylinderkopf aufweist und dass das Verbindungselement eine Ausnehmung aufweist, in der ein Federelement mit einem Ende geführt ist oder dass die Nockenwelle eine Ausnehmung aufweist, in der das Federelement mit einem Ende geführt ist. Damit wird eine einfache und sichere Abführung des Leckageöls vorzugsweise bei Nockenwellenverstellern mit einem Riemenantrieb erhalten. Ferner ist die Befestigung des Federelementes einfach ausführbar.
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Bevorzugt ist zudem vorgesehen, dass das Verbindungselement und/oder der Rotor vorzugsweise aus Aluminium oder Kunststoff in Leichtbauweise ausgebildet sind. Damit ist die Masse der Verstelleinrichtung gering.
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Eine weitere fertigungstechnisch vorteilhafte Ausführungsform wird darin gesehen, dass das Antriebsrad ein- oder mehrteilig als Ketten- oder Riemenrad ausgebildet ist. Die Verstelleinrichtung ist somit für verschiedene Antriebskonzepte von Nockenwellen an Verbrennungsmotoren einsetzbar.
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Diese erfindungsgemäße Einrichtung zur Nockenwellenverstellung hat den Vorteil, dass sie eine Verbindungszone, die sich am vorderen Ende der Nockenwelle befindet, und einen kurzen Abstand von der Antriebsebene des Nockenwellenverstellers, Ketten- oder Zahnriemenantrieb, zur Mitte des ersten Zylinders des Motors hin aufweist und einer Verformung der Nockenwelle zum Inneren hin entgegengewirkt. Aus Gewichtsgründen ist die Nockenwelle hohl ausgebildet und das Verbindungselement wird in die hohle Nockenwelle eingefügt. Bei der Verwendung von vorzugsweise dünnen Nockenwellen entsteht dadurch trotzdem eine steife und feste Verbindungszone am Ende der Nockenwelle. Der Verbindungszone kommt bei kleinsten Nockenwellendurchmessern große Bedeutung zu, damit die Antriebsdrehmomente der Nockenwelle sicher und dauerfest übertragen werden können.
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Mit der Ausbildung des Rotors und des Verbindungselementes, als Teil zur Ölführung von der Lagerstelle zum Rotor und der Einpressung des Verbindungselementes in die hohle Nockenwelle, sowie der Tatsache, dass die Verbindung des Rotors über eine kraftschlüssige und/oder formschlüssige Verbindung auf die Nockenwelle erfolgt, wird sowohl eine Einsparung von Bauteilen durch den Wegfall einer teuren Verschraubung des Nockenwellenverstellers auf der Nockenwelle erreicht, als auch eine kostengünstigere Fertigung des Nockenwellenverstellers für ein- oder mehrteilige Nockenwellen aus Grauguss oder Stahl.
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Die Erfindung wird im nachfolgenden anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispieles näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 eine erfindungsgemäße Einrichtung zur Nockenwellenverstellung mit einer ersten Ölzufuhr in den Nockenwellenversteller im Schnitt;
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2 die Einrichtung zur Nockenwellenverstellung mit einer zweiten Ölzufuhr in den Nockenwellenversteller im Schnitt;
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3 ein Ausführungsbeispiel eines einteilig ausgebildeten Rotors mit Nuten zur Aufnahme eines Mitnehmers in perspektivischer Darstellung;
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4 ein Ausführungsbeispiel eines einteilig ausgebildeten Verbindungselementes mit integrierten Mitnehmern in perspektivischer Darstellung;
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5 ein Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Nockenwellenverstellung und Nockenwelle in perspektivischer Darstellung mit Ausschnitt;
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6 ein weiteres Ausführungsbeispiel der Einrichtung zur Nockenwellenverstellung für einen Riemenantrieb in perspektivischer Darstellung mit Ausschnitt;
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7 ein Ausführungsbeispiel eines einteilig ausgebildeten Rotors mit integrierten Mitnehmern in perspektivischer Darstellung;
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8 ein Ausführungsbeispiel eines einteilig ausgebildeten Verbindungselementes in perspektivischer Darstellung;
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Der in den W, 2, 5 und 6 dargestellte Nockenwellenversteller 1 umfasst in seinen Grundelementen eine Abdeckplatte 2, einen Stator 4, ein Antriebsrad 2, in Form eines Zahnriemen oder Kettenrades, ein Verbindungselement 11 und einen Rotor 3, der in einem Statorgehäuse 5 angeordnet ist. Der Rotor 3 besitzt mehrere, gleichmäßig über einen ringförmigen Grundkörper verteilt angeordnete Rotorflügel 26, die radial von dem ringförmigen Grundkörper abstehen. Im Grundkörper des Rotors 3 sind Ölkanäle 22 auf beiden Rotorseiten angeordnet. Das Statorgehäuse 5 weist in bekannter Weise radial nach innen gerichtete nicht näher dargestellte Flügel auf, die gleichmäßig verteilt über den Innenumfang des Statorgehäuses 5 angeordnet sind. In der Montagesolllage greifen zwischen die Statorflügel des Statorgehäuses 5 die Rotorflügel 26 des Rotors 3 ein. In einer Nockenwelle 6 ist ein Verbindungselement 11 eingepresst gehalten. Dieses Verbindungselement 11 oder der Rotor 3 weisen mindestens einen Mitnehmer 13 auf, durch die ein Formschluss zur Nockenwelle 6 bzw. zum Rotor 3 oder zu dem Verbindungselement 11 hergestellt wird. Durch Ausnehmungen an einem Ende 8 der Nockenwelle 6 und Ausnehmungen im Grundkörper des Rotors 3 oder in dem Verbindungselement 11 wird so der gewünschte Formschluss ermöglicht. Des Weiteren befinden sich im Verbindungselement 11 Ausnehmungen 15 zur Ölführung. Die beschriebenen Grundelemente des Nockenwellenverstellers 1, Abdeckplatte 16, Statorgehäuse 5 und Antriebsrad 2 werden an der Stirnfläche der Abdeckplatte 16 mittels Schrauben 24 axial in bekannter Weise zusammengefügt. Die Schrauben 24 verfügen über eine Passfläche, auf der sich die Abdeckplatte 16, das Statorgehäuse 5 und das Antriebsrad 2 zentrieren. Das Verbindungselement 11 dient zusätzlich zur Ölführung. Gemäß 1 erfolgt ein erster Ölfluss zum Nockenwellenversteller 1 durch eine erste Ausnehmung 15 bis zum Mitnehmer 13, von dort über Ölbohrungen 25 in der Nockenwelle 6 und dem Antriebsrad 2 zum Rotor 3. Gemäß 2 erfolgt ein zweiter Ölfluss über eine weitere Ausnehmungen 15 und eine Ringnut 21 im Verbindungselement 11, durch die Abdeckplatte 16 zum Rotor 3. Gemäß 1 und 2 sind weiterhin am Umfang der Nockenwelle 6 insbesondere zwei Ölzulaufbohrungen 20 vorgesehen, die um Ca. 90'' zueinander versetzt angeordnet sind, und durch die Öl durch zwei Ausnehmungen 15 strömt. Über eine Öleinspeisungsstelle 17 gelangt das Öl durch die Nockenwelle 6 in das Verbindungselement 11 und von dort weiter in Richtung Nockenwellenversteller 1. In der Öleinspeisungsstelle 17 sind zwei ringförmig ausgebildete Nuten 19 und zwei Ölzulaufbohrungen 18 vorgesehen. Die auf der Nockenwelle 6 vorgesehenen Nocken 7 sind vorzugsweise auf die Nockenwelle 6 aufgepresst.
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Die in 1, 2 und 3. dargestellten Nockenwellen 6 mit den darauf angeordneten Nocken 7 können sowohl einteilig oder mehrteilig mit auf die Nockenwelle 6 gefügten Nocken 7 ausgebildet sein. 3 und 7 zeigen die Einzelheiten des Nockenwellenverstellers 1 mit dem Rotor 3. Der Rotor 3 mit den Rotorflügeln 26 ist dabei vorzugsweise gemäß 4 einteilig und aus Aluminium ausgebildet. In 4 und 8 ist das Verbindungselement 11 im Detail dargestellt. In sind die Mitnehmer 13, die den Formschluss zwischen Rotor 3 und Nockenwelle 6 ermöglichen und die Ausnehmungen 15 zur Ölzufuhr dargestellt. Das Verbindungselement 11 ist in diesem Ausführungsbeispiel einteilig ausgebildet, so dass die Mitnehmer 13 Bestandteil des Verbindungselementes 11 sind. In einem anderen nicht näher dargestellten Ausführungsbeispiel ist das Verbindungselement 11 mehrteilig so ausgebildet, dass die Mitnehmer 13 in den Ausnehmungen 15 zur Ölzufuhr angeordnet sind. Das Verbindungselement 11 ist vorzugsweise aus Aluminium ausgebildet. Das hat den Vorteil, dass bei höheren Betriebstemperaturen des Verbrennungsmotors der Verbund aus Verbindungselement 11 und Nockenwelle 6 durch die unterschiedlichen Ausdehnungen zwischen Stahl und Aluminium zusätzlich gefestigt wird. In 8 sind die Ausnehmungen 15 zur Ölzufuhr und die Ausnehmungen zur Führung der Mitnehmer 13 dargestellt. Bei diesem Ausführungsbeispiel greifen die Mitnehmer 13 gemäß 7 durch die Nockenwelle 6 hindurch in die Ausnehmungen 15 des Verbindungselementes 11 ein. Gemäß 4, weist das Verbindungselement 11 eine Ringnut 21 auf, die den Ölfluss zum Rotor 3 ermöglicht. 6 zeigt ein Federelement 28, das nicht näher dargestellt mit einem Ende mit dem Verbindungselement 11 und/oder mit der Nockenwelle 6 verbunden ist. Gemäß 8 ist eine Ausnehmung 31 zur Befestigung des Federelementes 28 im Verbindungselement 11 dargestellt. Das Federelement 28 ist je nach Einsatz des Nockenwellenverstellers 1 und je nach Auslegung des Verbrennungsmotors nicht erforderlich. Weiterhin ist in dem Ausführungsbeispiel gemäß 6 ein Verriegelungsbolzen 27 vorgesehen, der für speziell ausgeführte Nockenwellenversteller 1 die relative Winkelstellung zwischen Rotor 3 und Stator 4 blockiert. Weiterhin ist bei diesem Ausführungsbeispiel ein Verschlussdeckel 32 mit einem Dichtelement vorgesehen, um bei dieser Art von Nockenwellenverstellern 1 mit Riemenantrieb das Austreten von Leckageöl in den Motorraum einer Verbrennungskraftmaschine zu vermeiden.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Antriebsrad
- 3
- Rotor
- 4
- Stator
- 5
- Statorgehäuse
- 6
- Nockenwelle
- 7
- Nocken
- 8
- Ende der Nockenwelle
- 9
- Lagerdurchmesser
- 10
- Nocken umschließender Kreis
- 11
- Verbindungselement
- 12
- Ausbildung der Nockenwelle
- 13
- Mitnehmer
- 14
- Stirnfläche des Rotors
- 15
- Ausnehmung zur Ölführung
- 16
- Abdeckplatte
- 17
- Öleinspeisungsstelle
- 18
- Ölzulaufbohrung zur Öleinspeisungsstelle
- 19
- Nut
- 20
- Ölzulaufbohrung
- 21
- Ringnut
- 22
- Ölkanal im Rotor
- 23
- Ausnehmung im Rotor für Mitnehmer
- 24
- Schraube
- 25
- Ölbohrung
- 26
- Rotorflügel
- 27
- Verriegelungsbolzen
- 28
- Federelement
- 29
- hydraulisches Ventil
- 30
- Nockengrundkreis
- 31
- Ausnehmung zum Befestigen des Federelementes
- 32
- Verschlussdeckel mit Dichtelement
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 10334690 B4 [0002]
- DE 10320639 A1 [0002]
- DE 102004026863 A1 [0002]
- DE 3922962 A1 [0002]
- DE 19934405 A1 [0002]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Herrn W. Hannibal, Universität Stuttgart 1993 [0002]
