EP1544420B1 - Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle - Google Patents

Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle Download PDF

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EP1544420B1
EP1544420B1 EP04026407A EP04026407A EP1544420B1 EP 1544420 B1 EP1544420 B1 EP 1544420B1 EP 04026407 A EP04026407 A EP 04026407A EP 04026407 A EP04026407 A EP 04026407A EP 1544420 B1 EP1544420 B1 EP 1544420B1
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EP
European Patent Office
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stator
walls
web walls
web
rotor
Prior art date
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Not-in-force
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EP04026407A
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English (en)
French (fr)
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EP1544420A2 (de
EP1544420A3 (de
Inventor
Ulrich Wierl
Mike Kohrs
Rainer Ottersbach
Jochen Auchter
Hermann Wiehl
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Schaeffler Technologies AG and Co KG
Original Assignee
Schaeffler Technologies AG and Co KG
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Publication date
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Publication of EP1544420A3 publication Critical patent/EP1544420A3/de
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/46—Component parts, details, or accessories, not provided for in preceding subgroups
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L1/00—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear
    • F01L1/34—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift
    • F01L1/344—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear
    • F01L1/3442—Valve-gear or valve arrangements, e.g. lift-valve gear characterised by the provision of means for changing the timing of the valves without changing the duration of opening and without affecting the magnitude of the valve lift changing the angular relationship between crankshaft and camshaft, e.g. using helicoidal gear using hydraulic chambers with variable volume to transmit the rotating force
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F01—MACHINES OR ENGINES IN GENERAL; ENGINE PLANTS IN GENERAL; STEAM ENGINES
    • F01L—CYCLICALLY OPERATING VALVES FOR MACHINES OR ENGINES
    • F01L2301/00—Using particular materials

Definitions

  • the invention relates to an internal combustion engine having a hydraulic device for adjusting the rotational angle of a camshaft relative to a crankshaft, comprising: a rotor with vanes disposed thereon, which is non-rotatably connected to the camshaft, a frontally provided with an end wall stator, the rotationally fixed with a driven by the crankshaft Drive wheel is connected, wherein on both sides of the wing pressure chambers are provided which are each bounded by web walls and inner and outer, in the circumferential direction, concentrically extending walls of the stator and are pressurizable or emptied via a hydraulic system with hydraulic fluid.
  • From the DE 101 34 320 A1 is an internal combustion engine with a generic Hydraulic device for adjusting the rotational angle of a camshaft known that can change the phase angle of a camshaft relative to a crankshaft.
  • This device consists of a rotor and a stator, of which the former, designed as an impeller, comprises the camshaft and rotates synchronously with it.
  • the stator is on the one hand closed by a front wall, which may be part of a housing surrounding the stator, and on the other hand by a drive wheel pressure-sealed. It includes the rotor and rotates synchronously with the driven by the crankshaft drive wheel.
  • Essentially radially extending web walls in the stator allow only a limited angle of rotation of the rotor and form with this a plurality of pressure chambers, which can be pressurized with hydraulic fluid or emptied.
  • a proposal for reducing the weight of the device for adjusting the rotational angle for example, the DE 101 48 687 A1 or the DE 101 34 320 A1 can be removed by parts of the device made of aluminum or an aluminum alloy or another light metal.
  • This has the disadvantage that due to different coefficients of thermal expansion, the leakage gaps can increase over the heating and thus results in a high leakage.
  • aluminum deforms more under load than steel or iron.
  • housing screws together correspondingly large gaps must allow deformation.
  • the housing screws represent an increased construction cost, thus causing higher costs and also have a non-optimal power flow for the device result.
  • the invention is therefore based on the object to design a device for adjusting the rotational angle of a camshaft relative to a crankshaft for an internal combustion engine such that on the one hand, a reduction in mass of the device takes place on the other hand while minimizing the leakage.
  • the DE 199 51 390 A1 discloses a device for hydraulic rotation angle adjustment of a shaft relative to a drive wheel, wherein a wave side arranged plate cooperates with the drive wheel or a drive wheel side arranged component for adjusting the rotational angle.
  • the device has at least one ring-shaped formation in the plate and provided on the drive wheel or the component means which cooperate with the formation in such a way that it is subdivided into two separate chambers.
  • the device is provided with means for selective hydraulic loading of the chambers for adjusting the relative rotational position of the drive wheel and shaft.
  • the object is achieved in a device for an internal combustion engine with the features of the preamble of claim 1, characterized in that essential parts of the stator, in particular its web walls and its inner and outer walls, and optionally the housing with a possibly disposed therein sealing disc produced as chipless Sheet metal parts are formed.
  • essential parts of the stator in particular its web walls and its inner and outer walls, and optionally the housing with a possibly disposed therein sealing disc produced as chipless Sheet metal parts are formed.
  • sheet instead of sheet also band can be used, being used in the following sheet as a generic term for sheet or strip.
  • the solid sintered components as pressure chamber forming units of the drive side are thus replaced by thin-walled sheet metal and Blechumformmaschine.
  • these sheets can be ideally adapted to the load locally along the load directions by means of formations or corresponding profilings, without the need for globally larger wall thicknesses and thus a high mass being taken into account .
  • this has the advantage that the thermal expansion coefficient of all components remains the same and thus no leaks due to thermal effects can arise.
  • the stator consists of inner and outer circumferential walls and web walls.
  • the web walls each connect two ends of adjacent inner and outer circumferentially extending walls and extend substantially radially.
  • the web walls are not exactly radial, but have a certain angle to the radial or they are not flat, but recesses, for example, to prevent jamming of the wings in their end positions.
  • the stator is made of thin-walled sheet metal, it is not as dimensionally stable as a sintered stator known in the art. It is possible to attach the stator directly to the torque-transmitting component via integral connection possibilities. In order to achieve a comparable bending and compression stiffness as that of the sintered stator, but it can be used in a comprehensive housing him ( FIG. 2a ), with the joining technologies of the forming technology or by general force, form, friction-locking technologies such as knurling, flanging, welding, caulking, riveting, gluing or bent retaining lugs is connected to the drive wheel. The housing then takes over the connection of the stator to the drive wheel as torque-transmitting and radial load-transferable component and the seal. It also prevents vibrations from occurring on the stator due to introduced radial forces.
  • the housing seals the stator on one end face and forms an end wall there. If the stator walls do not form a right angle to the end wall, the sealing of the pressure chambers is not completely guaranteed. To avoid leakage losses, it is therefore advantageous to arrange a sealing disc immediately in front of the end wall, so that after connecting the end wall with the stator and inserting the rotor with wings perpendicular pressure chambers arise.
  • the stability of the housing can be additionally increased by connecting the sealing disc firmly to the end wall.
  • the sealing disc is preferably profiled from thin-walled sheet metal and adapted to the size and shape of the stator.
  • non-cutting parts made of metal strips. If necessary, as in the case of the stator, the strip must be formed into a ring at one point and then firmly connected, for example by welding.
  • the non-cutting production of the stator and the housing of course does not mean that these parts are not machined, if very high accuracy should be required.
  • a second way to increase the bending and compressive rigidity of the stator is to form the web walls so that they can transmit radial forces and / or circumferential forces ( FIG. 3a ).
  • the support of the radial chain or belt force can internally between stator and rotor or externally between Camshaft or an extension of the rotor and sprocket or made a combination of both possibilities. It has proved particularly advantageous not to form the web walls exactly radially, but make in a range of 10 ° to 30 ° to the radial, so that the wings touch the radially outer web wall ends in their end positions.
  • a third embodiment is a tubular stator, the web walls are formed as retracted webs.
  • the remaining, closed ring surface saves the housing. This further reduces the mass.
  • the sealing washer can be inserted and then sealed the edge and firmly connected.
  • the annular surface absorbs the radial forces and prevents the stator from vibrating.
  • the radially extending walls may also be formed as open ends, then being used for storage and sealing in the rotor sliding shoes.
  • the sliding blocks are designed and arranged such that they support the web walls formed as retracted webs against each other. This prevents bending of the web walls.
  • the wall thickness of the radially extending walls of the stator can be further reduced by preventing the vanes of the rotor from abutting and exerting pressure in their respective end positions against the radially extending walls of the stator.
  • a Verstellwinkelbegrenzung is necessary. This can, for example, via an associated with the rotor element Verstellwinkelbegrenzung that in a corresponding backdrop engages, be realized.
  • the inventively designed device is thus easier compared to a device of the prior art, requires less cutting work and thus reduces the manufacturing costs and can also do without a resin impregnation or steam treatment of sealing the now no longer required sintered material.
  • a hydraulic device 1 for the rotational angle adjustment of a camshaft 2 with respect to a crankshaft, not shown, which is designed as a hydraulic actuator.
  • This device 1 is driven by a drive wheel 3, which is connected for example by a chain, not shown, with the crankshaft.
  • the device 1 consists of a fixedly connected to the drive wheel 3 stator 4, which is closed by a front wall 5 and the drive wheel 3 fluid-tight, and a rotatably connected by an axial central screw 21 with the camshaft 2 rotor 6, wherein the rotor is designed as an impeller.
  • the stator 4 of the device 1 forms by web walls 7, 7 ', 7 “and by outer 8, 8', 8” and inner 9, 9 ', 9 “, extending in the circumferential direction walls with the rotor 6 and its wings 10 first pressure chambers 11, 11 ', 11 "and second pressure chambers 12, 12', 12", which, filled with hydraulic fluid, produce an angular displacement between rotor 6 and stator 4.
  • the rotor 6 and the stator 4 are arranged in a housing 13 which surrounds the The first 11, 11 ', 11 "and second 12, 12', 12" pressure chambers are sealed to the outside by means of an element 16, which adjoins the rotor 6 for adjustment angle limiting, which engages in a corresponding link 17, limiting the adjustment range of the Rotor 6, which reduces the burden of the stator 4.
  • a sealing washer 14 is inserted, which is adapted to the diameter of the stator 4.
  • FIG. 2 are the web walls 7, 7 ', 7 "not exactly formed radially, but at an angle of about 20 °, so that the wings 10 in their end positions, the radially outer ends of the web walls 7, 7', 7" touch.
  • the bending and compressive rigidity of the stator 4 is increased, and it is possible to transmit radial forces and circumferential forces
  • FIG. 3 shows a cross section of a second version of a tubular stator 4. It forms by its substantially radially extending web walls 7, 7 ', 7 "and its inner 8, 8', 8" and outer 9, 9 ', 9 “, in Circumferentially extending walls with the rotor 6, not shown in this figure, the first 11, 11 ', 11 "and second 12, 12', 12" pressure chambers ..
  • the stator 4 itself is arranged in a cylindrical housing 13 such that the housing 13 and the outer, circumferentially extending walls 9, 9 ', 9 "touch each other, whereby the rigidity of the stator 4 is increased and vibrations due to radial forces are damped.
  • the rigidity can be further increased by filling the hollow chambers or incisions 15, 15 ', 15 "formed by the housings 13 and stator 4, for example, with metal foam, so that the wings 10 do not jam in the end positions, it is advantageous to radially extending web walls in two parts, such that they have at least a first, radially extending part 20, to which the wings abut and at least one further part.
  • FIGS. 4a and 4b show a cross-section and a perspective view of a third embodiment of a stator 4.
  • this third stator 4 is stiffer with respect to a radial force absorption. It is particularly advantageous to set the web walls such that the respective adjacent web walls 7, 7 'and the housing 13 prevent spreading under radial force (self-locking).
  • FIGS. 5a and 5b show a cross section and a perspective view
  • a particularly advantageous feature of this design is that the housing 13, with the exception of the end wall 5, can be saved by the remaining, closed annular surface, the circular outer wall 18.
  • the sealing disc 14 (FIG. FIG. 1 ), which is used on the front side of the stator 4 and whose edge can be crimped, for example. From the circular outer wall 18 arise by punching, for example, the web walls 7, 7 'which are then bent inwards.
  • the web walls 7, 7 ', 7 "are well deformable by their open ends FIG. 6b may be formed and then sealed with sliding shoes 19.
  • FIG. 6a and 6b show a perspective view of a part of a fifth and sixth stator 4, the variants of the fifth stator 4 represent.
  • These stator variants 4 are therefore inserted into a housing 13.
  • a similar rigidity as in the devices of the prior art is achieved by the illustrated embodiments of the stator 4.
  • the leakage losses are reduced, as can be dispensed with porous sintered components or a complex steam treatment or resin impregnation.

Landscapes

  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Mechanical Engineering (AREA)
  • General Engineering & Computer Science (AREA)
  • Valve Device For Special Equipments (AREA)
  • Valve-Gear Or Valve Arrangements (AREA)
  • Gasket Seals (AREA)

Description

    Gebiet der Erfindung
  • Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle, umfassend: einen Rotor mit daran angeordneten Flügeln, der drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist, einen stirnseitig mit einer Stirnwand versehenen Stator, der drehfest mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad verbunden ist, wobei beiderseits der Flügel Druckkammern vorgesehen sind, die jeweils durch Stegwände und innere sowie äußere, in Umfangsrichtung, konzentrisch zueinander verlaufende Wände des Stators begrenzt sind und über ein Hydrauliksystem mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagbar oder entleerbar sind.
    • Hintergrund der Erfindung
  • Aus der DE 101 34 320 A1 ist eine Brennkraftmaschine mit einer gattungsgemäßen hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle bekannt, die die Phasenlage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle verändern kann. Diese Vorrichtung besteht aus einem Rotor und einem Stator, von denen ersterer, als Flügelrad ausgebildet, die Nockenwelle umfasst und sich synchron mit ihr dreht. Der Stator ist einerseits durch eine Stirnwand, welche Teil eines den Stator umgebenden Gehäuses sein kann, und andererseits durch ein Antriebsrad druckmitteldicht verschlossen. Er umfasst den Rotor und dreht sich synchron mit dem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad. Im wesentlichen radial verlaufende Stegwände im Stator erlauben nur einen begrenzten Drehwinkel des Rotors und bilden mit diesem mehrere Druckkammern, die mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagt oder entleert werden können.
  • Nachteilig bei dieser bekannten Vorrichtung ist jedoch, dass die Einzelteile der Vorrichtung vorwiegend aus Stahl oder Eisen bestehen, welche durch Sintern oder Zerspanen hergestellt sind. Daraus resultieren
    1. 1. eine hohe Masse der Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung,
    2. 2. hohe Fertigungskosten durch den Zerspanungsaufwand bei der Fertigung der Sinterbauteile,
    3. 3. eine unerwünschte, externe Ölleckage durch die porösen Sinterbauteile.
  • Weil in der Sintermetallurgie dünne Wandstärken, insbesondere im Zusammenhang mit Wandstärkenschwankungen hinsichtlich Dichteverteilung sowie Festigkeit und Steifigkeit problematisch sind und sich weiterhin komplexe Formen mit unterschiedlichen Füllhöhen oftmals nur mit teuren Schiebern im Werkzeug realisieren lassen, sind bisherige Vorrichtungen zur Drehwinkelverstellung meist aus relativ schweren und massiven Bauteilen gefertigt. Bei spanend hergestellten Vorrichtungen liegt die Problematik ähnlich; komplizierte, der Belastung angepasste Formen sind mit hohem Zerspanungsaufwand verbunden.
  • Ein Vorschlag zur Massereduzierung der Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung kann beispielsweise der DE 101 48 687 A1 oder der DE 101 34 320 A1 entnommen werden, indem Teile der Vorrichtung aus Aluminium oder aus einer Aluminiumlegierung oder einem anderen Leichtmetall gefertigt werden. Dies hat zum Nachteil, dass durch unterschiedliche Wärmeausdehnungskoeffizienten die Leckspalte über die Erwärmung zunehmen können und sich damit eine hohe Leckage ergibt. Außerdem verformt sich bei gleichen Abmessungen Aluminium unter Last stärker als Stahl bzw. Eisen. Insbesondere wenn dann die Einzelteile durch Gehäuseschrauben miteinander verspannt werden, müssen entsprechend große Spalte eine Verformung zulassen. Die Gehäuseschrauben stellen einen erhöhten Bauaufwand dar, verursachen demnach höhere Kosten und haben zudem einen nicht optimalen Kraftfluß für die Vorrichtung zur Folge.
    • Aufgabe der Erfindung
  • Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle für eine Brennkraftmaschine derart zu konzipieren, dass einerseits eine Massereduzierung der Vorrichtung erfolgt bei andererseits gleichzeitiger Minimierung der Leckage.
    • Beschreibung der Erfindung
  • Die DE 199 51 390 A1 offenbart eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle relativ zu einem Antriebsrad , wobei eine wellenseitig angeordnete Platte mit dem Antriebsrad oder einem antriebsradseitig angeordneten Bauteil zur Drehwinkelverstellung zusammenwirkt. Die Vorrichtung weist wenigstens eine ringstückförmige Ausformung in der Platte sowie auf dem Antriebsrad oder dem Bauteil vorgesehene Mittel auf, welche derart mit der Ausformung zusammenwirken, daß diese in zwei separate Kammern unterteilbar ist. Darüber hinaus ist die Vorrichtung mit Mitteln zur wahlweisen hydraulischen Beaufschlagung der Kammern zur Verstellung der relativen Drehlage von Antriebsrad und Welle ausgebildet.
  • Erfindungsgemäß wird die Aufgabe bei einer Vorrichtung für eine Brennkraftmaschine mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1 dadurch gelöst, dass wesentliche Teile des Stators, insbesondere seine Stegwände und seine inneren sowie äußeren Wände, sowie gegebenenfalls das Gehäuse mit einer eventuell darin angeordneten Dichtscheibe als spanlos hergestellte Blechteile ausgebildet sind. Selbstverständlich kann statt Blech auch Band verwendet werden, wobei im folgenden Blech als Oberbegriff für Blech oder Band verwendet wird.
  • Die massiven Sinterbauteile als Druckkammer bildende Einheiten der Antriebsseite werden somit durch dünnwandige Blech- und Blechumformteile ersetzt. Weil somit weniger Sinterbauteile gefertigt werden müssen, ergibt sich eine Verringerung des Zerspanungsaufwands und eine Verringerung der externen Ölleckage durch den Wegfall der porösen Sinterteile.
  • Damit die Vorrichtung trotz ihrer geringeren Masse eine hohe Steifigkeit und Belastbarkeit aufweist, können diese Bleche lokal, entlang den Belastungsrichtungen durch Ausformungen oder entsprechende Profilierungen ideal der Belastung angepasst werden, ohne dass global größere Wandstärken erforderlich sind und damit eine hohe Masse in Kauf genommen werden muss. Gegenüber einer Massereduktion durch Verwendung von Leichtmetall wie beispielsweise in DE 101 34 320 A1 vorgeschlagen, hat dies zum Vorteil, dass der Wärmeausdehnungskoeffizient aller Bauteile gleich bleibt und somit keine Undichtigkeiten aufgrund thermischer Effekte entstehen können.
  • Der Stator besteht aus inneren und äußeren in Umfangsrichtung verlaufenden Wänden und aus Stegwänden. Die Stegwände verbinden jeweils zwei Enden von benachbarten inneren und äußeren in Umfangsrichtung verlaufenden Wänden und verlaufen im wesentlichen radial. Für einige Statorvarianten ist es vorteilhaft, wenn die Stegwände nicht genau radial verlaufen, sondern einen gewissen Winkel zur Radialen aufweisen oder sie nicht eben ausgebildet sind, sondern Vertiefungen aufweisen, um beispielsweise ein Verklemmen der Flügel in ihren Endstellungen zu verhindern.
  • Weil der Stator aus dünnwandigem Blech hergestellt ist, ist er nicht so formstabil wie ein aus dem Stand der Technik bekannter, gesinterter Stator. Es besteht die Möglichkeit, den Stator direkt über stoffschlüssige Verbindungsmöglichkeiten an die momentenübertragende Komponente anzubringen. Um eine vergleichbare Biege- und Drucksteifigkeit wie die des gesinterten Stators zu erzielen, kann er aber in ein ihn umfassendes Gehäuse eingesetzt werden (Figur 2a), das mit Verbindungstechnologien der Umformtechnik bzw. durch allgemein kraft-, form-, reibstoffschlüssige Technologien wie beispielsweise Rändeln, Bördeln, Schweißen, Verstemmen, Vernieten, Kleben oder umgebogene Haltenasen an das Antriebsrad angebunden ist. Das Gehäuse übernimmt dann die Anbindung des Stators an das Antriebsrad als momentenübertragendes und radiallastübertragbares Bauteil und die Abdichtung. Es verhindert auch, dass am Stator aufgrund von eingebrachten Radialkräften Schwingungen auftreten.
  • Das Gehäuse dichtet den Stator auf einer Stirnseite ab und bildet dort eine Stirnwand. Wenn die Statorwände zur Stirnwand keinen rechtwinkligen Winkel bilden, ist die Abdichtung der Druckkammern nicht vollständig gewährleistet. Um Leckageverluste zu vermeiden, ist es daher vorteilhaft, eine Dichtscheibe unmittelbar vor der Stirnwand anzuordnen, so dass nach Verbinden der Stirnwand mit dem Stator und Einsetzen des Rotors mit Flügeln rechtwinklige Druckkammern entstehen. Die Stabilität des Gehäuses kann zusätzlich erhöht werden, wenn man die Dichtscheibe fest mit der Stirnwand verbindet. Die Dichtscheibe ist vorzugsweise aus dünnwandigem Blech profiliert und an Größe und Form des Stators angepasst.
  • Der Zusammenhalt der Teile Stator, Gehäuse und Dichtscheibe wird durch oben angeführte Verbindungstechnologien der Umformtechnik gewährleistet. Gegenüber der axialen, kraftschlüssigen Schraubverbindung werden Druckspannungsverformungen reduziert; außerdem wird vorteilhafterweise kein zusätzliches Bauteil benötigt und der Montageaufwand vermindert.
  • Es ist zweckmäßig, die spanlos hergestellten Teile aus Blechstreifen zu formen. Gegebenenfalls muss - wie beim Stator - an einer Stelle der Streifen zu einem Ring geformt und dann fest verbunden werden, beispielsweise durch Verschweißen. Die spanlose Herstellung des Stators und des Gehäuses bedeutet selbstverständlich nicht, dass diese Teile nicht spanend nachbearbeitet werden, sofern eine sehr hohe Genauigkeit erforderlich sein sollte.
  • Eine zweite Möglichkeit, um die Biege und Drucksteifigkeit des Stators zu erhöhen, ist es, die Stegwände so auszubilden, dass sie Radialkräfte und/oder Umfangskräfte übertragen können (Figur 3a). Die Abstützung der radialen Ketten- bzw. Riemenkraft kann intern zwischen Stator und Rotor oder extern zwischen Nockenwelle bzw. einer Verlängerung des Rotors und Kettenrad oder aus einer Kombination beider Möglichkeiten erfolgen. Dabei hat es besonders vorteilhaft erwiesen, die Stegwände nicht genau radial auszubilden, sondern in einem Bereich von 10° bis 30° zur Radialen anzustellen, so dass die Flügel in ihren Endstellungen die radial außen liegenden Stegwandenden berühren.
  • Eine dritte Ausbildung ist ein rohrförmiger Stator, dessen Stegwände als eingezogene Stege ausgebildet sind. Durch die verbleibende, geschlossene Ringfläche wird das Gehäuse eingespart. Dadurch wird die Masse weiter verringert. Zwischen Rand und den radial verlaufenden Wänden kann die Dichtscheibe eingelegt und dann der Rand abgedichtet und fest verbunden werden. Bei dieser Ausführung nimmt die Ringfläche die Radialkräfte auf und verhindert ein Schwingen des Stators.
  • Um eine bessere Umformbarkeit zu erreichen, können die radial verlaufenden Wände auch als offene Enden ausgebildet sein, wobei dann zur Lagerung und Abdichtung im Rotor Gleitschuhe verwendet werden. Die Gleitschuhe sind derart ausgebildet und angeordnet, dass sie die als eingezogene Stege ausgebildeten Stegwände gegeneinander abstützen. Sie verhindern damit ein Verbiegen der Stegwände.
  • Die zwischen den Stegwänden sich befindenden Räume, entweder Hohlräume oder Einschnitte, werden mit Kunststoff um- oder ausgespritzt oder Metall geschäumt. Dadurch wird das Profil der im wesentlichen radial verlaufenden Stegwände versteift und eine hohe Dichtheit der Druckkammern untereinander sowie nach außen sicher gestellt.
  • Die Wandstärke der radial verlaufenden Wände des Stators kann weiter reduziert werden, wenn verhindert wird, dass die Flügel des Rotors in ihren jeweiligen Endpositionen an die radial verlaufenden Wände des Stators anschlagen und Druck auf diese ausüben. Dazu ist eine Verstellwinkelbegrenzung notwendig. Diese kann beispielsweise über ein mit dem Rotor in Verbindung stehendes Element zur Verstellwinkelbegrenzung, das in eine korrespondierende Kulisse eingreift, realisiert werden.
  • Die erfindungsgemäß ausgebildete Vorrichtung ist also gegenüber einer Vorrichtung des Standes der Technik leichter, benötigt weniger Zerspanungsaufwand und reduziert damit die Fertigungskosten und kann auch auf eine Kunstharzimprägnierung oder Wasserdampfbehandlung des zur Abdichtung des nun nicht mehr benötigten Sinterwerkstoffs verzichten.
    • Kurze Beschreibung der Zeichnungen
  • Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen näher erläutert und in den dazu gehörigen Zeichnungen schematisch dargestellt.
    Es zeigen
    • Figur 1
    einen Längsschnitt einer Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung, wobei ein spanlos ausgebildeter Stator in einem Außengehäuse eingesetzt ist;
    Figur 2
    einen Querschnitt durch eine Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung,
    Figur 3
    einen Querschnitt einer zweiten Ausführung eines Stators,
    Figur 4a
    einen Querschnitt einer dritten Ausführung eines Stators,
    Figur 4b
    eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß Figur 4a,
    Figur 5a
    einen Querschnitt einer vierten Ausführung eines Stators, dessen äußere Ringfläche geschlossen ist,
    Figur 5b
    eine perspektivische Ansicht des Stators gemäß Figur 5a,
    Figur 6a
    eine perspektivische Ansicht auf eine äußere, in Umfangsrichtung verlaufende Wand und nach außen ausgeformte Stegwände einer fünften Ausführung eines Stators
    Figur 6b
    eine perspektivische Ansicht auf eine äußere, in Umfangsrichtung verlaufende Wand und nach innen ausgeformte Stegwände einer sechsten Ausführung eines Stators mit einem Gleitschuh.
    Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
  • Aus den Figuren 1 und 2 gehen die wesentlichen Teile einer hydraulischen Vorrichtung 1 zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle 2 gegenüber einer nicht dargestellten Kurbelwelle hervor, die als hydraulischer Stellantrieb ausgebildet ist. Diese Vorrichtung 1 wird durch ein Antriebsrad 3, das beispielsweise durch eine nicht näher dargestellte Kette mit der Kurbelwelle verbunden ist, angetrieben. Im wesentlichen besteht die Vorrichtung 1 aus einem fest mit dem Antriebsrad 3 verbundenen Stator 4, der durch eine Stirnwand 5 und das Antriebsrad 3 druckmitteldicht verschlossen ist, und einem durch eine axiale Zentralschraube 21 drehfest mit der Nockenwelle 2 verbundenen Rotor 6, wobei der Rotor 6 als Flügelrad ausgebildet ist. Der Stator 4 der Vorrichtung 1 bildet durch Stegwände 7, 7', 7" und durch äußere 8, 8', 8" und innere 9, 9', 9", in Umfangsrichtung verlaufende Wände mit dem Rotor 6 und dessen Flügeln 10 erste Druckkammern 11, 11', 11" und zweite Druckkammern 12, 12', 12", die, mit Hydraulikflüssigkeit befüllt, eine Winkelverstellung zwischen Rotor 6 und Stator 4 herstellen. Der Rotor 6 und der Stator 4 sind in einem Gehäuse 13 angeordnet, das die ersten 11, 11', 11" und zweiten 12, 12', 12" Druckkammern nach außen abdichtet. Durch ein mit dem Rotor 6 in Verbindung stehendes Element 16 zur Verstellwinkelbegrenzung, das in eine korrespondierende Kulisse 17 eingreift, erfolgt ein Begrenzen des Verstellbereichs des Rotors 6, was die Belastungen des Stators 4 herabsetzt.
  • Zwecks Abdichtung der Druckkammern 11, 11', 11", 12, 12', 12" ist zwischen Gehäuse 13 und Stator 4 eine Dichtscheibe 14 eingelegt, welche dem Durchmesser des Stators 4 angepasst ist.
  • In Figur 2 sind die Stegwände 7, 7', 7" nicht genau radial ausgebildet, sondern in einem Winkel von etwa 20°, so dass die Flügel 10 in ihren Endstellungen die radial außen liegenden Enden der Stegwände 7, 7', 7" berühren. Damit wird die Biege und Drucksteifigkeit des Stators 4 erhöht und es ist möglich, Radialkräfte und Umfangskräfte zu übertragen
  • Figur 3 zeigt einen Querschnitt einer zweiten Version eines als Rohr ausgebildeten Stators 4. Er bildet durch seine im wesentlichen radial verlaufenden Stegwände 7, 7', 7" und seine inneren 8, 8', 8" und äußeren 9, 9', 9", in Umfangsrichtung verlaufenden Wände mit dem in dieser Figur nicht dargestellten Rotor 6 die ersten 11, 11', 11" und zweiten 12, 12', 12" Druckkammern. Der Stator 4 selbst ist in einem zylindrischen Gehäuse 13 derart angeordnet, dass das Gehäuse 13 und die äußeren, in Umfangsrichtung verlaufenden Wände 9, 9', 9" sich berühren, wodurch die Steifigkeit des Stators 4 erhöht wird und Schwingungen infolge radialer Kräfte gedämpft werden. Die Steifigkeit kann weiter erhöht werden, indem die durch die Gehäuse 13 und Stator 4 gebildeten Hohlkammern bzw. Einschnitte 15, 15', 15" beispielsweise mit Metallschaum gefüllt sind. Damit sich die Flügel 10 in den Endstellungen nicht verklemmen, ist es vorteilhaft, radial verlaufende Stegwände zweiteilig auszubilden, derart, dass sie zumindest einen ersten, radial verlaufenden Teil 20 aufweisen, an den die Flügel anschlagen und mindestens einen weiteren Teil.
  • Die Figuren 4a und 4b zeigen einen Querschnitt und eine perspektivische Ansicht einer dritten Ausführungsform eines Stators 4. Gegenüber der in Figur 2 dargestellten Ausführung ist dieser dritte Stator 4 steifer bezüglich einer Radialkraftaufnahme. Besonders vorteilhaft ist es, die Stegwände derart anzustellen, dass die jeweiligen benachbarten Stegwände 7, 7' und das Gehäuse 13 ein Aufspreizen unter Radialkraft verhindern (Selbsthemmung).
  • Die Figuren 5a und 5b zeigen einen Querschnitt und eine perspektivische Ansicht einer vierten Bauart eines Stators 4. Die Stegwände 7, 7', 7" sind als in den Stator 4 eingezogene Stege ausgebildet. Sie bilden mit den in Umfangsrichtung verlaufenden Wänden 8, 8', 8", 9, 9', 9" dieses Stators 4 gleichzeitig einen Teil des Gehäuses 13. Besonders vorteilhaft an dieser Ausbildung ist, dass durch die verbleibende, geschlossene Ringfläche, die kreisrunde Außenwand 18, das Gehäuse 13 mit Ausnahme der Stirnwand 5 eingespart werden kann. Als Stirnwand 5 kann die Dichtscheibe 14 (Figur 1) verwendet werden, die stirnseitig auf den Stator 4 eingesetzt ist und deren Rand beispielsweise gebördelt werden kann. Aus der kreisrunden Außenwand 18 entstehen durch beispielsweise Stanzen die Stegwände 7, 7' die dann nach innen gebogen sind. Die Stegwände 7, 7', 7" sind durch ihre offenen Enden gut umformbar. Sie können auch wie in Figur 6b dargestellt ausgebildet sein und dann mit Gleitschuhen 19 abgedichtet sein.
  • Die Figuren 6a und 6b zeigen eine perspektivische Ansicht eines Teils eines fünften und sechsten Stators 4, die Varianten des fünften Stators 4 darstellen. Die Stegwände 7, 7' sind einmal nach innen, das andere Mal nach außen gebogen. Diese Statorvarianten 4 werden deshalb in ein Gehäuse 13 eingesetzt. Die Stegwände 7,7' werden jeweils durch Gleitschuhe 19 (Figur 6b) abgedichtet. Letztere stützen die Stegwände 7,7' ab und verhindern ein Verformen durch eingebrachte externe Radialkräfte.
  • Zusammenfassend ergibt sich durch die spanlos hergestellten Bauteile, insbesondere durch wesentliche Teile des Stators 4, eine große Massereduzierung der Vorrichtung. Eine ähnliche Steifigkeit wie bei den Vorrichtungen des Standes der Technik wird durch die dargestellten Ausführungsformen des Stators 4 erreicht. Gleichzeitig werden die Leckageverluste gemindert, da auf poröse Sinterbauteile bzw. auf eine aufwändige Wasserdampfbehandlung oder Kunstharzimprägnierung verzichtet werden kann.
    • Bezugszahlenliste
    • 1
    hydraulische Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung
    2
    Nockenwelle
    3
    Antriebsrad
    4
    Stator
    5
    Stirnwand
    6
    Rotor
    7, 7', 7"
    Stegwände
    8, 8', 8"
    äußere, in Umfangsrichtung verlaufende Wände
    9,9',9"
    innere, in Umfangsrichtung verlaufende Wände
    10
    Flügel
    11, 11', 11"
    erste Druckkammern
    12, 12', 12"
    zweite Druckkammern
    13
    Außengehäuse
    14
    Dichtscheibe
    15, 15', 15"
    Hohlkammern oder Einschnitte
    16
    Element zur Verstellwinkelbegrenzung
    17
    Kulisse
    18
    kreisrunde Außenwand
    19
    Gleitschuh
    20
    erster, radial verlaufender Teil der Stegwand
    21
    axiale Zentralschraube

Claims (14)

  1. Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle (2) gegenüber einer Kurbelwelle, umfassend: Einen Rotor (6) mit daran angeordneten Flügeln (10), der drehfest mit der Nockenwelle (2) verbunden ist, einen an zumindest einer Stirnseite mit einer Stirnwand (5) versehenen, im wesentlichen eine zylindrische Außenkontur aufweisenden Stator (4), der drehfest mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad (3) verbunden ist, wobei beiderseits der Flügel (10) Druckkammern (11, 11', 11", 12, 12', 12") vorgesehen sind, die jeweils durch Stegwände (7, 7', 7") und innere (9, 9', 9") sowie äußere (8, 8', 8"), in Umfangsrichtung, konzentrisch zueinander verlaufende Wände des Stators (4) begrenzt sind und über ein Hydrauliksystem mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagbar oder entleerbar sind wobei der Stator (4), einschließlich seiner Stegwände (7, 7', 7") und seiner inneren sowie äußeren, in Umfangsrichtung verlaufenden Wände (8, 8' 8" 9, 9', 9"), als spanlos hergestelltes Band- oder Blechteil ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Druckkammern (11, 11', 11", 12, 12', 12") stirnseitig durch eine kreisringförmige, als Blechteil ausgebildete Dichtscheibe (14) verschlossen sind.
  2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) an besonders belasteten Stellen lokal, entlang den Belastungsrichtungen durch Ausformungen, Sicken oder entsprechende Profilierungen verstärkt ist.
  3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) ein vorzugsweise rohrförmiges und als Blechteil ausgebildetes Außengehäuse (13) aufweist, das die Stegwände (7, 7', 7") und die äußeren (8, 8', 8") sowie inneren (9, 9', 9") Wände in Umfangsrichtung umfasst.
  4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Teile Stator (4), Gehäuse (13) und Antriebsrad (3) durch Verbindungstechnologien der Umformtechnik, beispielsweise Rändeln, Bördeln, Schweißen, Verstemmen, Vernieten, Kleben oder umgebogene Haltenasen aneinander befestigt sind.
  5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Dichtscheibe (14) mit der Stirnwand (5) fest verbunden ist, welche einteilig mit dem Außengehäuse (13) ausgebildet ist.
  6. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass im Rotor (6) ein Element (16) zur Verstellwinkelbegrenzung angeordnet ist, welches in eine korrespondierende Kulisse (17) eingreift.
  7. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Stator (4) aus abwechselnd äußeren, in Umfangsrichtung verlaufenden Wänden (8, 8', 8") und inneren, in Umfangsrichtung verlaufenden Wänden (9, 9', 9"), welche jeweils Abschnitte eines Kreiszylinders sind, besteht, wobei jeweils benachbarte äußere (8, 8', 8") und innere (9, 9', 9"), in Umfangsrichtung verlaufende Wände durch Stegwände (7, 7', 7") verbunden sind, welche gemeinsam mit einem kreisförmigen, in den Stator eingesetzten Rotor (6) und den darin angeordneten Flügeln (10) Druckkammern (11, 11', 11 ", 12, 12', 12") bilden und an ihren von den Druckkammern abgewandten Seiten Hohlräume oder Einschnitte (15, 15', 15") bilden.
  8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume oder Einschnitte (15, 15', 15") mit Metallschäumen gefüllt sind oder mit Kunststoff um- oder ausgespritzt sind.
  9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwände (7, 7', 7") derart verlaufen oder ausgebildet sind, dass die Flügel (10) in den Endstellungen an die Stegwände (7, 7', 7") entweder nur an ihrem radial äußeren, nur an ihrem radial inneren Ende oder nur in einem mittleren Bereich anschlagen.
  10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwände (7, 7', 7") aus der Umfangswand eines Außenzylinders oder Innenzylinders paarweise als nach innen eingezogene oder nach außen ausgezogene Stege gebildet sind.
  11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwände (7, 7',7") aus der inneren oder äußeren Umfangswand des Stators (4) ausgestanzt sind und paarweise in radiale Richtung, nach außen oder innen, gebogen sind.
  12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwände (7, 7', 7") paarweise durch einen sie abstützenden Gleitschuh (19) verbunden sind und Hohlräume (15, 15', 15") bilden.
  13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Hohlräume (15, 15', 15") durch Metallschäumen gefüllt sind oder mit Kunststoff um- oder ausgespritzt sind.
  14. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Stegwände (7, 7', 7") zur Radialen einen Winkel von 10° bis 30° bilden, so dass die Flügel in ihren Endstellungen nur die radial außen liegenden Enden der Stegwände (7, 7', 7") berühren.
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