DE102006004760A1

DE102006004760A1 - Hydraulischer Nockenwellenversteller

Info

Publication number: DE102006004760A1
Application number: DE102006004760A
Authority: DE
Inventors: Jürgen Dipl.-Ing. Weber
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-02-02
Filing date: 2006-02-02
Publication date: 2007-10-11
Also published as: US7703426B2; US20070245991A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem Verriegelungselement. Zur Verstellung des Nockenwellenverstellers (1) in Richtung einer Verriegelungsposition, beispielsweise mit einem Abschalten der Brennkraftmaschine oder einem Abfall des Hydraulikdrucks, ist es bekannt, ein mechanisches Federelement (23) zwischen Rotor (5) und Stator (3) zwischenzuschalten. Erfindungsgemäß ist das mechanische Federelement (23) in einem Druckraum (12; 13) angeordnet. Hierdurch kann der für die Druckräume (12; 13) ohnehin vorhandene Bauraum multifunktional genutzt werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit einem mechanischen Federelement, insbesondere nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
Hydraulische Nockenwellenversteller, insbesondere in Drehflügel-Bauweise oder Flügelzellen-Bauweise, besitzen üblicherweise einen Stator und einen Rotor, der gegenüber dem Stator mit einem Drehfreiheitsgrad gelagert ist. Zwischen Stator und Rotor sind zumindest zwei entgegengesetzt wirkende Druckräume gebildet, die durch einen radial orientierten Flügel des Rotors voneinander getrennt sind.
Es hat sich gezeigt, dass ein Betrieb eines hydraulischen Nockenwellenverstellers insbesondere dann unproblematisch ist, wenn die Brennkraftmaschine einen ausreichenden Hydraulikdruck zur Verfügung stellt, so dass die Druckräume hinreichend mit dem Hydraulikmedium gefüllt sind. Allerdings hat sich auch gezeigt, dass bei einem Start der Brennkraftmaschine u. U. kein ausreichender Druck des Hydraulikmediums bereitgestellt wird. Dies hat zur Folge, dass die Steuerzeiten für einen derartigen Start der Brennkraftmaschine nicht den Vorgaben entsprechen oder sich eine instabile Lage des Nockenwellenverstellers einstellt, wodurch sich "labile" Steuerzeiten ergeben. Weiterhin kann es zu unerwünschten Vibrationen kommen, die neben einem erhöhten Bauteilverschleiß zu einer unerwünschten Geräuschentwicklung führen können.
Zur Vermeidung derartiger Probleme sind mechanische Verriegelungseinrichtungen bekannt. Aus DE 196 23 818 A1 ist eine Verriegelungseinrichtung bekannt mit einem als Verriegelungspin ausgebildeten Verriegelungselement, dessen vorderer Endbereich konusförmig ausgebildet ist und der in einer verriegelten Stellung spielfreie Aufnahme in einer im Längsschnitt konischen oder im Querschnitt elliptischen Bohrung eines Deckels des Nockenwellenverstellers findet. Der Verriegelungspin ist federbeaufschlagt und besitzt zwei hydraulische Steuerflächen, von denen die erste, stirnseitige Steuerfläche mit einem Druckraum des Nockenwellenverstellers in hydraulischer Verbindung steht und eine zweite, von einem Absatz des Verriegelungspins gebildete Steuerfläche in hydraulischer Verbindung mit einem weiteren, entgegengesetzt wirkenden Druckraum des Nockenwellenverstellers steht.
Aus DE 101 27 168 A1 ist eine Verriegelungseinrichtung bekannt, bei der ein Verriegelungspin mit einer treppenförmigen Verriegelungsnut zusammenwirkt, wobei unterschiedliche Plateaus der treppenförmigen Verriegelungsnut mit unterschiedlichen Verriegelungsstellungen, beispielsweise einem am weitesten voreilenden Winkel, einer Zwischenstellung und einem am weitesten nacheilenden Winkel, korrespondieren.
Aus DE 102 53 496 ist eine Verriegelungseinrichtung bekannt, bei der ein erster Verriegelungspin zwischen einer Endlage FRÜH und einer Mittenstellung eine verriegelte Stellung einnimmt, während ein zweiter Verriegelungspin eine verriegelte Stellung zwischen einer Endstellung SPÄT und der Mittenstellung einnehmen kann. Mit einem Absinken des Drucks des Hydraulikmediums auf Null kann der erste Verriegelungspin in die verriegelte Stellung gebracht werden, während der zweite Verriegelungspin weiterhin in der entriegelten Stellung verbleibt. Bei einem Anlassen der Brennkraftmaschine wird der Innenrotor durch ein Schleppmoment der Nockenwelle solange nach SPÄT verstellt, bis der erste Verriegelungspin die Mittenstellung erreicht. In diesem Zeitpunkt gelangt auch der zweite Verriegelungspin in die verriegelte Stellung. Nach einem erfolgten Motorstart hebt der Regler den Druck des Schmiermittels in einer ersten Schmiermittelleitung, einem ersten Druckraum und im Bereich des ersten Verriegelungspins. Dadurch wird der erste Verriegelungspin entriegelt, während der zweite Verriegelungspin in Druckkontakt mit dem zweiten Mittenanschlag gehalten wird. Für einen Übergang auf einen geregelten Betrieb erhöht der Regler den Druck in dem zweiten Druckraum, wodurch auch der zweite Verriegelungspin entriegelt wird, so dass sich der Innenrotor frei bewegen kann. Eine entsprechende Verriegelungseinrichtung ist auch aus US 6,450,137 B2 bekannt.
Aus DE 199 18 910 A1 ist eine Verriegelungseinrichtung bekannt, die zwei in radialer Stellrichtung betätigbare Verriegelungspins aufweist.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen der Anmelderin E 2004 255 mit dem Titel "Verriegelungseinrichtung für einen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine" ist es bekannt, eine Verriegelung in einer einzigen Lage, insbesondere Endlage, des Nockenwellenverstellers mit zwei Verriegelungspins durchzuführen, die unterschiedliche Umfangsspiele aufweisen und von unterschiedlichen Druckräumen des Nockenwellenverstellers beaufschlagt werden.
Weiterhin ist es aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen der Anmelderin E 2005 161 und dem Titel "Nockenwellenversteller mit einer Verriegelungseinrichtung" bekannt, ein Verriegelungselement sowohl in einer Endlage FRÜH als auch im Bereich einer Endlage SPÄT vorzusehen und insbesondere ein drittes Verriegelungselement in einer Mittenlage vorzusehen.
Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen der Anmelderin A 2004 03 und dem Titel 'Verriegelungseinrichtung für einen Nockenwellenversteller" ist eine hydraulische Betätigung eines Verriegelungselements bekannt, bei der zuverlässige Maßnahmen für eine Vermeidung einer ungewollten Betätigung des Verriegelungselements getroffen sind.
Den zuvor erläuterten hydraulischen Nockenwellenverstellern und den Verriegelungseinrichtungen liegt das Erfordernis zugrunde, dass in einer Betriebssituation, in der eine Verriegelung gewünscht ist (im Folgenden "Verriegelungssituation"), dafür Sorge getragen werden muss, dass sich der Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator in einem gewünschten Bereich oder bei einem definierten Drehwinkel befindet. Hierbei kann es sich insbesondere um den mit der Verriegelungsposition korrelierenden Drehwinkel oder einem Drehwinkel zwischen der Endlage FRÜH und der Verriegelungsposition handeln. Ebenfalls möglich sind Drehwinkelbereiche, für die gewährleistet ist, dass mit einem Abschalten der Brennkraftmaschine oder einem Neustart der Brennkraftmaschine selbsttätig die Verriegelungsposition angefahren wird.
Zur Gewährleistung, dass sich der Rotor bei einem zuvor definierten Bereich für eine Verriegelungssituation befindet, sind unterschiedliche Maßnahmen bekannt:

– Gemäß E 2005 161 kann ein Federelement eingesetzt werden, der den Rotor in Richtung des gewünschten Drehwinkelbereichs oder des mit der Verriegelungsposition übereinstimmenden Drehwinkels beaufschlagt. Ein derartiges Federelement erfordert allerdings zusätzlichen Bauraum.
– Aus der nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem internen Aktenzeichen der Anmelderin E 2004 332 und dem Titel "Verfahren zum Betrieb eines hydraulischen Nockenwellenverstellers" ist es bekannt, einen Abschaltprädiktor einzusetzen, der indiziert, dass eine Verriegelung des Nockenwellenverstellers wahrscheinlich oder erforderlich ist, beispielsweise weil die Brennkraftmaschine zukünftig ihren Betrieb einstellen wird. Für den Fall, dass der Abschaltprädiktor indiziert, dass die Verriegelung erforderlich ist, wird automatisiert über eine Steuereinheit der Nockenwellenversteller derart beaufschlagt, dass a) eine Bewegung des Nockenwellenverstellers in Richtung der Verriegelungsposition erfolgt oder b) eine Bewegung bis in einen Drehwinkel, der zwischen der Verriegelungsposition und einer Endlage FRÜH liegt.

Andererseits hat sich gezeigt, dass auch unabhängig von einer etwaigen Endlagenverriegelung eine Beeinflussung der Kräfteverhältnisse in einem Nockenwellenversteller über ein Federelement wünschenswert sein kann:
US 6,311,654 B1 spricht das Problem an, dass eine hydraulische Pumpe zur Beaufschlagung der Druckkammern üblicherweise von einer Kurbelwelle angetrieben wird, was zur Folge hat, dass der Fluss des Hydraulikmittels bei einer niedrigen Drehzahl der Brennkraftmaschine u. U. verringert ist. Dies kann zu einer unerwünschten Verstellung des Nockenwellenverstellers führen.
Zur Beseitigung von Problemen der zuvor erläuterten Art schlägt JP A 9 264 110 vor, zwischen ein Antriebselement und ein Abtriebselement eine Torsionsfeder zwischenzuschalten. Hierzu stützt sich die Torsionsfeder in dem Gehäuse des Nockenwellenverstellers an einem Fußpunkt an dem Kettenrad ab, während der andere Fußpunkt der Torsionsfeder an dem Rotor abgestützt ist.
Diese Lösung wird gemäß US 6,311,654 B1 als problematisch angesehen, da über den Aufnahmeraum für die Torsionsfedern u. U. ein Bypass zwischen den Druckkammern des Nockenwellenverstellers geschaffen werden kann, der zu unerwünschten Betriebszuständen bis hin zu einem Versagen des Nockenwellenverstellers führen kann. Zur Vermeidung derartiger Probleme schlägt US 6,311,654 B1 vor, die Druckkammern und die Flügel radial außen liegend von dem Aufnahmeraum für das Torsionsfederelement anzuordnen, so dass in einem radialen Zwischenraum in dem Gehäuse eine geeignete Abdichtung erfolgen kann. Hierdurch wird aber die gesamte radiale Baugröße des Nockenwellenverstellers vergrößert. Derart vergrößerte radiale Abmessungen können gemäß US 6,311,654 B1 dadurch vermieden werden, dass die Druckkammern einerseits und der Aufnahmeraum für die Torsionsfeder andererseits axial nebeneinander liegend mit sich radial überschneidenden Erstreckungen angeordnet werden. Ein Übertritt des Hydraulikmediums zwischen einzelnen Druckkammern über den Aufnahmeraum für das Federelement wird vermieden durch eine kreisringförmige Trennscheibe, die axial zwischen die Druckkammern und den Aufnahmeraum zwischengeschaltet ist.
Aus DE 40 32 586 A1 ist ein über einen Steuerkolben betätigter Nockenwellenversteller bekannt, bei dem parallel zu den Verstellkammern zwischen einem Antriebsrad und einer Nockenwelle eine Torsionsfederanordnung angeordnet ist, die einer Übertragung eines etwa mittleren Drehmomentes dient. Dieser Ausgestaltung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass für eine Verstellung in unterschiedliche Richtungen Drehmomente in dem Nockenwellenversteller erzeugt werden müssen, die entgegengesetzte Richtungen aufweisen, deren Beträge aber u. U. für unterschiedliche Richtungen unterschiedlich sind, so dass sich, beispielsweise durch die Antriebsbewegung und/oder die Reibungsverhältnisse, ein mittleres Moment für die Drehmomentanforderungen für unterschiedliche Stellrichtungen ergibt, welches ungleich Null ist. Um die in dem Nockenwellenversteller zu erzeugenden Momente auf die Differenz der erforderlichen Extrema von dem mittleren Moment – und nicht auf das u. U. größere absolute Extremum – zu beschränken, schlägt die Druckschrift vor, das mittlere Moment durch einen Energiespeicher bereitzustellen, der als eine Torsionsfederanordnung ausgebildet ist, die parallel zu den Verstellkammern zwischen Antriebsrad und Nockenwelle geschaltet ist. Die Torsionsfederanordnung ist separat von dem Nockenwellenversteller ausgebildet.
DE 690 28 063 T2 offenbart eine weitere Ausgestaltung eines Einsatzes von Torsionsfederelementen zur Beeinflussung der Momentenverhältnisse für einen Nockenwellenversteller.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen hydraulischen Nockenwellenversteller vorzuschlagen, bei dem unter Beachtung der Bauraumbedingungen und mit einfachen Maßnahmen eine Beeinflussung der Momentenverhältnisse unter Einsatz eines Federelementes möglich ist.
Insbesondere liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, für einen Nockenwellenversteller mit einem Verriegelungselement zu gewährleisten, dass sich der Rotor in einer Verriegelungssituation in einem Drehwinkelbereich oder bei einem Drehwinkel befindet, der für eine Verriegelung oder eine zukünftige Verriegelung, beispielsweise mit einem Motorstart, geeignet ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch die Merkmale des unabhängigen Anspruchs 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich entsprechend den abhängigen Ansprüchen 2 bis 12.
Erfindungsgemäß findet ein mechanisches Federelement Einsatz. Bei einem derartigen mechanischen Federelement kann es sich um ein beliebiges Federelement handeln, insbesondere ein Federelement aus einem Federstahl, eine Druck- und/oder Zug-Feder, eine Spiralfeder, eine Feder aus einem Verbundmaterial, ein elastomeres Federelement, ein Federelement mit integriertem Dämpfungselement, eine lineare oder nicht lineare Feder, eine mit Stahl oder einem anderen Werkstoff mit geringer innerer Reibung gebildete Feder, eine Schrauben-, Torsions-, Blatt-, Teller-, Ringfeder, eine Wurmfeder, eine Rollfeder, eine Hülsenfeder, eine Schlitzfeder, eine gewickelte Feder mit zylindrischer oder kegeliger Windung oder ebener Windung, eine Torsionsfeder mit einem Drehstab oder Drehrohr, eine Blattfeder, eine Tellerfeder, eine tiefgezogene Scheibenfeder, eine Ringfeder, eine Feder aus Kunststoff oder Gummi mit oder ohne Gas- oder Flüssigkeitsfüllung, eine Verbundfeder Gummi-Metall, eine Feder aus faserverstärktem Kunststoff, eine Feder mit Hohlräumen oder Öffnungen, Ansätzen, Anschlägen, Rippen, Zacken an mindestens einer Oberfläche, eine Feder mit einem elastischen Werkstoff zwischen einer starren Außenhülse und einer starren Innenhülse oder einem starren Innenbolzen, eine Federeinheit aus mehreren einzelnen Federelementen gleicher oder unterschiedlicher Materialien und/oder Bauart, eine Flüssigkeitsfeder. Ebenfalls möglich ist die Zusammenfassung mehrerer gleicher oder unterschiedlicher Federn der vorgenannten Typen in mechanischer Reihen- oder Parallelschaltung zu einem Federelement.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, dass es nicht erforderlich ist, dass

– das mechanische Federelement einen zusätzlichen Einbauraum und/oder
– zusätzliche Anbauelemente oder Befestigungsstellen an vorhandenen Bauelementen wie Stator und Rotor

Vielmehr schlägt die Erfindung vor, dass mechanische Federelement in dem Druckraum anzuordnen. Die Druckräume sind ohnehin vorhandene Bauräume, die an sich der Verstellung des Drehwinkels zwischen Rotor und Stator und/oder dem Halten des Drehwinkels dienen. Erfindungsgemäß können damit die Druckräume multifunktional genutzt werden.
Weiterhin kann erfindungsgemäß ausgenutzt werden, dass die Druckräume radial beabstandet von der Drehachse des Rotors gegenüber dem Stator angeordnet sind. In dem Federelement erzeugte Kräfte können damit mit dem Hebelarm, der durch den Abstand der Druckräume von der zuvor genannten Drehachse definiert ist, zu einem Verstellmoment umgewandelt werden.
Erfindungsgemäß ist weiterhin erkannt worden, dass es, insbesondere für die Gestaltung der hydraulischen Verhältnisse in den Druckräumen, nicht nachteilig ist, in dem Druckraum einen zusätzlichen Körper in Form des mechanischen Federelements anzuordnen. U. U. kann durch die Anordnung des zusätzlichen Körpers die Menge des Hydraulikmediums, die in dem Druckraum erforderlich ist, reduziert werden. Bei geeigneter Gestaltung des mechanischen Federelements kann weiterhin ein dynamisches Verhalten für Bewegung des Hydraulikmediums in die Druckräume hinein und aus diesen heraus geeignet beeinflusst werden.
Als weiterer Vorteil der Ausgestaltung der Erfindung ist zu nennen, dass für die Anordnung des mechanischen Federelements in dem Druckraum die in der Verriegelungssituation durch das Federelement aufgebrachten Kräfte auf Rotor und Stator an derselben Stelle wirken wie die durch das Hydraulikmedium in den Druckräumen erzeugten Kräfte, so dass sich keine langen Kraftübertragungswege ergeben, die infolge einer endlichen Steifigkeit negative Auswirkungen haben könnten. Weiterhin kann es von Vorteil sein, wenn das mechanische Federelement von dem Hydraulikmedium umgeben und geschützt ist, wodurch beispielsweise für eine Schmierung reibender Kontaktstellen des Federelementes mit der Umgebung gesorgt sein kann.
Nach einem weiteren Vorschlag der Erfindung ist das mechanische Federelement eingesetzt, um den Rotor in Richtung einer für die Verriegelung vorteilhaften Position, insbesondere in einen Drehwinkelbereich, der für eine Verriegelung vorteilhaft ist oder unmittelbar in den Drehwinkel, der der Verriegelungsposition entspricht, zu beaufschlagen. Damit hat das mechanische Federelement die Wirkung, dass mit einem Druckabfall in mindestens einem Druckraum das Federelement zumindest dazu beitragen kann, dass sich der Rotor in eine Position bewegt, die vorteilhaft ist für die Verriegelungssituation.
Bei einer weiteren Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers erfolgt eine Begrenzung des Drehwinkels des Rotors gegenüber dem Stator dadurch, dass das mechanische Federelement auf Block geht. Hierdurch können anderweitige Anschläge oder Anlageflächen des Rotors und des Sta tors entfallen oder anderweitig genutzt werden. Möglich sind auch redundante Begrenzungsmöglichkeiten des Drehwinkels einerseits durch das auf Block gehende mechanische Federelement und andererseits durch zusätzliche Anschläge o. ä.
In alternativer Ausgestaltung der Erfindung ist zwischen Rotor und Stator ein Anschlag vorgesehen, der einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator begrenzt, bevor das mechanische Federelement auf Block geht. Dies ist insbesondere dann von Vorteil, wenn das Verblocken des mechanischen Federelements eine zusätzliche mechanische Beanspruchung des Federelements darstellt und/oder die verblockte Stellung des Federelements nicht mit einer definierten Höhe des Federelements erfolgt.
Eine besonders effiziente Ausnutzung des Bauraums kann dann gegeben sein, wenn eine den Druckraum begrenzende Seitenfläche des Rotors und/oder des Stators eine Vertiefung, Nut oder Bohrung besitzt, in deren Grund sich das mechanische Federelement abstützt. Damit kann ein Teil des Federelements in der Vertiefung, Nut oder Bohrung angeordnet sein, so dass das Federelement auch bei verhältnismäßig geringer Erstreckung des Druckraums in Umfangsrichtung des Nockenwellenverstellers und/oder für eine verhältnismäßig große Erstreckung des Federelements in Umfangsrichtung in den Druckraum integriert werden kann. Zusätzlich ist es möglich, dass die seitlichen Begrenzungen der Vertiefung, der Nut oder der Bohrung als Führung des Federelements, beispielsweise zur Vermeidung eines Ausknickens, dienen.
Für eine besondere Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist

– die Tiefe der Vertiefung, Nut oder Bohrung einer Wandung des Rotors oder des Stators oder
– die gemeinsame Tiefe einer Vertiefung, Nut oder Bohrung einer Wandung des Rotors sowie einer Wandung des Stators größer als die minimale Höhe des mechanischen Federelements. Dies bedeutet, dass für den Fall, dass der Nockenwellenversteller eine Endlage erreicht, das Federelement in der Vertiefung, Nut oder Bohrung nicht die minimale Höhe einnehmen muss, insbesondere nicht auf Block gehen muss. Hierdurch wird beispielsweise auch ermöglicht, dass ein Druckraum für das Erreichen der Endlage nahezu vollständig entleert wird dadurch, dass ein Flügel des Rotors großflächig zur Anlage kommt an den der Endlage zugeordneten radial nach innen orientierten Flügel des Stators.

Gemäß einer bevorzugten Ausgestaltung des Nockenwellenverstellers handelt es sich bei dem Federelement um eine Wellenfeder. Bei einer derartigen Wellenfeder handelt es sich insbesondere um mindestens ein Federelement in geschlossener Ringstruktur oder mit spiralförmiger Struktur oder zick-zack-förmiger Struktur oder hin- und hergehender Struktur. Einzelne Segmente können wellenförmig ausgebildet sein mit Krümmungen oder Knicken, so dass Maxima und Minima gebildet sind, die sich für eine elastische Verformung annähern. Beispielsweise können einzelne Minima und Maxima an anderen Teilbereichen der Wellenfeder abgestützt sein.
Eine beispielhafte Ausgestaltung eines Wellenfedersegments ist EP 1 477 701 A2 zu entnehmen, wobei in einem Federelement mehrere derartige Segmente hintereinandergeschaltet werden können. Über ein entsprechend EP 1 477 701 A2 ausgebildetes Federelement kann eine Nichtlinearität des Federelements konstruktiv vorgegeben werden. Ein Federsegment mit definierter progressiver Federkennlinie für eine Wellenfeder kann EP 1 586 788 A2 entnommen werden. In JP 2002 242969 A ist eine Wellenfeder offenbart, mittels welcher ein Verschleiß der Federfußpunkte und das Auftreten von Offset-Kräften minimiert werden kann. JP 2002 276707 A zeigt eine Wellenfeder mit nichtlinearem Steifigkeitsverhalten. Eine Wellenfeder, bei der ein seitliches Auswandern und Gleiten vermindert ist, ist JP 2002 276708 A zu entnehmen. JP 2002 307121 A zeigt eine Anordnung mehrerer Wellenfedern in einem Federelement bei mechanischer Hintereinanderschaltung, wobei die einzelnen Wellenfedern unterschiedliche Steifigkeiten und Wellenformen besitzen können und/oder unter schiedliche Durchmesser. Aus US 6,669,184 B2 ist ein Federelement bekannt, welches mit einzelnen, ringförmigen Wellenfedern gebildet ist. Weitere Ausgestaltungsformen von Federelementen als Wellenfedern ergeben sich beispielsweise aus US 6,758,465 B1 , US 6,408,631 B1 , JP 2004 245313 A , JP 2004 225880 A , JP 2002 276706 A . Sämtliche vorgenannten Ausgestaltungen einer Wellenfeder können im Rahmen der Erfindung Einsatz finden.
Entsprechend einer Weiterbildung des erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers ist die Längsachse der Wellenfeder in Umfangsrichtung (zumindest teilweise) gekrümmt. Für den Fall, dass der Druckraum, in dem die Wellenfeder angeordnet ist, radial innenliegend und/oder radial außenliegend eine begrenzende Wandung besitzt, die zylindrisch ausgebildet ist, kann die in Umfangsrichtung entsprechend gekrümmte Wellenfeder zu einer besonders effektiven Ausnutzung des Druckraums führen. Vorzugsweise ist der Krümmungsradius der Längsachse der Wellenfeder ungefähr entsprechend dem Radius der Druckkammer von der Längsachse des Nockenwellenverstellers, insbesondere im Bereich zwischen dem Radius der inneren Mantelfläche des Druckraums und der äußeren Mantelfläche des Druckraums, gestaltet.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung liegt die minimale Höhe des als Wellenfeder ausgebildeten mechanischen Federelements, wenn dieses auf Block ist, im Bereich von 0,1 mm bis 1,0 mm. Hierdurch kann der für das mechanische Federelement erforderliche Bauraum, insbesondere in Umfangsrichtung, minimiert werden. Für den Fall, dass das mechanische Federelement in einer Vertiefung, Nut oder Bohrung angeordnet ist, kann die Tiefe dieser Vertiefung, Nut oder Bohrung minimal gestaltet werden.
Die erfindungsgemäße Gestaltung des Nockenwellenverstellers mit einem in dem Druckraum angeordneten Federelement kann für einen Nockenwellenversteller Einsatz finden, bei dem eine Verriegelung bei einem beliebigen Drehwinkel oder mehreren beliebigen Drehwinkeln erfolgt, siehe auch den eingangs erläuterten Stand der Technik. Beispielsweise kann das Federelement den Rotor derart beaufschlagen, dass dieser in Richtung einer Endlage ver dreht wird, in der ein Verriegelungselement wirksam wird. In diesem Fall kann es ausreichend sein, dass lediglich eine Seite des Flügels des Rotors von einem Federelement beaufschlagt ist.
Andererseits kann der erfindungsgemäße Einsatz eines Federelements in einem Druckraum auch dann Einsatz finden, wenn eine Verriegelung in einer Mittenlage erfolgen soll. Unter einer Mittenlage wird in diesem Zusammenhang nicht lediglich die exakte Mitte zwischen den beiden Endlagen subsumiert, sondern jede mögliche Lage zwischen den beiden Endlagen, die vorteilhaft in einer Verriegelungssituation genutzt werden kann, beispielsweise für einen Neustart der Brennkraftmaschine. Insbesondere für den Fall einer Verriegelung in der Mittenlage kann es von Vorteil sein, wenn auf den Flügel des Rotors auf beiden Seiten Federelemente wirken, die entgegengesetzt auf den Rotor wirkende Federkräfte hervorrufen, die bewirken, dass sich der Rotor für einen Drehwinkel des Rotors gegenüber dem Stator im Bereich der Mittenlage in einem Kräftegleichgewicht befindet.
Die vorliegende Erfindung ist nicht darauf beschränkt, dass das Federelement in dem Druckraum Einsatz findet im Zusammenhang mit einer Bewegung des Rotors in Richtung einer Verriegelungsstellung. Vielmehr kann mindestens ein Federelement in mindestens einem Druckraum für eine beliebige Beeinflussung der Kräfteverhältnisse an dem Nockenwellenversteller Einsatz finden.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Patentansprüchen, der Beschreibung und den Zeichnungen. Die in der Beschreibungseinleitung genannten Vorteile von Merkmalen und von Kombinationen mehrerer Merkmale sind lediglich beispielhaft, ohne dass diese zwingend von erfindungsgemäßen Ausführungsformen erzielt werden müssen. Weitere Merkmale sind den Zeichnungen – insbesondere den dargestellten Geometrien und den relativen Abmessungen mehrerer Bauteile zueinander sowie deren relativer Anordnung und Wirkverbindung – zu entnehmen. Die Kombination von Merkmalen unterschiedlicher Ausführungsformen der Erfindung oder von Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche ist ebenfalls abweichend von den gewählten Rückbeziehungen der Patentansprüche möglich und wird hiermit angeregt. Dies betrifft auch solche Merkmale, die in separaten Zeichnungen dargestellt sind oder bei deren Beschreibung genannt werden. Diese Merkmale können auch mit Merkmalen unterschiedlicher Patentansprüche kombiniert werden. Ebenso können in den Patentansprüchen aufgeführte Merkmale für weitere Ausführungsformen der Erfindung entfallen.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung und den zugehörigen Zeichnungen, in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. Es zeigen:
1 einen Nockenwellenversteller gemäß dem Stand der Technik in einem Querschnitt;
2 den Nockenwellenversteller gemäß 1 in einem Längsschnitt;
3 eine Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in Flügelzellen-Bauweise mit in einem Druckraum angeordnetem Federelement und Endlagenverriegelung in einem Querschnitt;
4 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in Drehflügel-Bauweise in einem Querschnitt;
5 ein als Wellenfeder ausgebildetes Federelement in räumlicher Darstellung;
6 das in 5 dargestellte Federelement in räumlicher Darstellung bei veränderter Blickrichtung;
7 das in 5 und 6 dargestellte Federelement in einer Seitenansicht; und
8 eine weitere Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers in Flügelzellen-Bauweise mit einer Mitten-Verriegelung in einem Querschnitt.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist ein Nockenwellenversteller 1 in einem Querschnitt dargestellt. Bei dem dargestellten Nockenwellenversteller 1 handelt es sich um einen solchen in an sich bekannter Flügelzellen-Bauweise. Entsprechend ist die Erfindung für einen Nockenwellenversteller in Drehflügel-Bauweise einsetzbar.
Der Nockenwellenversteller 1 besitzt ein Antriebsrad 2, welches über ein geeignetes Zugmittel, insbesondere einen Riemen oder eine Kette, von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird. Das Antriebsrad 2 ist drehfest verbunden mit einem Stator 3, in dem relativ gegenüber diesem um eine Längsachse 4-4 verdrehbar ein Rotor 5 angeordnet ist, der drehfest mit einer Nockenwelle verbunden ist. Der Stator 3 besitzt eine innere zylinderförmige Mantelfläche 6, von der sich gleichmäßig über den Umfang verteilt radial nach innen orientierte Flügel 7 erstrecken. Der Rotor 5 besitzt eine zylinderförmige äußere Mantelfläche 8, von der sich gleichmäßig über den Umfang verteilt radial nach außen Flügel 9 erstrecken. Die Stirnseiten 10 der Flügel 7 liegen gleitend unter Abdichtung an der Mantelfläche 8 des Rotors an, während die Stirnseiten 11 der Flügel 9 des Rotors 5 an der Mantelfläche 6 des Stators 3 gleitend unter Abdichtung anliegen. Auf gegenüberliegenden Seiten der Flügel 9 sind Druckräume 12, 13 gebildet, wobei die Druckräume 12, 13 radial innenliegend von der Mantelfläche 8 des Rotors 5, radial außenliegend von der Mantelfläche 6 des Stators 3, in eine Umfangsrichtung von einer Seitenfläche 14 bzw. 15 eines Flügels 7 des Stators 3 sowie in die andere Umfangsrichtung von einer Seitenfläche 16 bzw. 17 des Flügels 9 des Rotors 5 begrenzt sind. Die Druckräume 12, 13 werden über Hydraulikkanäle 18 gespeist.
2 zeigt ein Verriegelungselement 19, welches einen Verriegelungspin 20 besitzt, über den in einer Verriegelungsposition eine formschlüssige Verbindung zwischen Stator 3 und Rotor 5 herstellbar ist. Der Verrieglungspin 20 ist im Bereich mindestens einer Stirnseite über einen Hydraulikkanal 21 mit einem Hydraulikmedium beaufschlagt, wobei gemäß 2 zusätzlich ein den Verriegelungspin 20 beaufschlagendes Federelement 22 vorgesehen sein kann.
In 3 ist zunächst abweichend zu den 1 und 2 ein Nockenwellenversteller 1 in Flügelzellen-Bauweise dargestellt. Hier sind zur Kennzeichnung in Ihrer Funktion entsprechender Bauelemente dieselben Bezugszeichen wie für das in den 1 und 2 dargestellte Ausführungsbeispiel verwendet. Weiterhin ist in 1 der Nockenwellenversteller 1 für eine Verrieglung in einer Endlage SPÄT dargestellt, während der Nockenwellenversteller gemäß 3 in einer Endlage FRÜH verriegelt. In dem Druckraum 13 ist ein sich ungefähr in Umfangsrichtung um die Längsachse 4-4 erstreckendes Federelement 23 angeordnet. Ein Federfußpunkt 24 stützt sich an der Seitenfläche 15 des Flügels 7 ab, während sich der andere Federfußpunkt 25 an der Seitenfläche 17 des Flügels 9 abstützt.
Für das in 3 dargestellte Ausführungsbeispiel sind fünf Paare von Druckräumen 12, 13 mit jeweils fünf Flügeln 7, 9 vorgesehen. In den Druckräumen 13 ist jeweils ein Federelement 23 angeordnet. Die Federelemente 23 sind derart zwischen die Seitenflächen 15, 17 zwischengeschaltet, dass diese für eine Auslenkung aus der in 3 dargestellten Endlage FRÜH in Richtung dieser Endlage wirken. In der dargestellten Endlage können die Federelemente 23 entspannt sein oder vorgespannt sein, so dass über das Federelement 23 der Flügel 9 gegen die Seitenfläche 14 gepresst wird oder einen geeigneten Anschlag im Bereich der Seitenfläche 14.
4 zeigt eine entsprechende Ausgestaltung für den Einsatz der Erfindung für einen Nockenwellenversteller 1 in Drehflügel-Bauweise. Weiterhin erfolgt für den in 4 dargestellten Nockenwellenversteller eine Beaufschlagung durch die Federelemente 23 in Richtung einer Endlage SPÄT, in der beispielsweise eine Verriegelung erfolgen kann.
5 bis 7 zeigen eine besondere Ausgestaltung für das Federelement 23, nämlich als Wellenfeder. Vorzugsweise ist eine Längsachse 26-26 gekrümmt ausgebildet mit einem Krümmungsradius 27, der im Bereich zwischen dem Radius der Mantelfläche 6 des Stators 3 und der Mantelfläche 8 des Rotors 5 liegt und insbesondere ungefähr dem Mittel der vorgenannten Radien entspricht.
8 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 in Flügelzellen-Bauweise, bei dem eine Verriegelung in der dargestellten Mittenlage erfolgt. In diesem Fall befindet sich sowohl in dem Druckraum 12 als auch in dem Druckraum 13 jeweils ein Federelement 23, wobei die Federelemente entgegengesetzt zueinander wirken. Das in dem Druckraum 13 angeordnete Federelement 23 ist zwischen den Seitenflächen 15 und 17 eingespannt, während das in dem Druckraum 12 angeordnete Federelement 23 zwischen den Seitenflächen 14 und 16 eingespannt ist.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann insbesondere eine Rückstellfunktion des Rotors 5 gewährleistet werden, ohne dass zusätzlicher axialer Bauraum erforderlich ist. Gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Lösungen ergibt sich eine Reduzierung des Gewichts des Nockenwellenverstellers 1 sowie eine Reduzierung der Herstellungs- und Montagekosten. Die erfindungsgemäße Lösung stellt eine robuste Lösung dar, die universell einsetzbar ist. Das Federelement 23 kann einen rechteckigen oder runden Querschnitt aufweisen oder als Teleskopfeder ausgebildet sein. Abweichend zu den dargestellten Ausführungsformen kann das Federelement 23 lediglich in einigen der Druckräume 12, 13 angeordnet sein. Durch die gekrümmte Ausbildung der Längsachse 26 des Federelements 23 kann gewährleistet sein, dass das Federelement keine Kontaktflächen mit den Mantelflächen 8, 6 ausbildet oder durch diese geführt werden kann. Weiterhin wird durch die gekrümmte Ausbildung gewährleistet, dass die Federkraft des Federelements 23 ungefähr senkrecht zu der Umfangsrichtung auf die Flügel 9 des Rotors 5 wirkt.
Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung entfallen zusätzliche Bauelemente wie ein Federdeckel, eine Federaufnahme und zusätzlich erforderliche Dichtungen. Hierdurch können Gewichts- und Kostenreduzierungen erreicht werden. Eine Montage der vorgenannten Bauteile entfällt. Das Federelement 23 kann für eine Montage in axialer Richtung in die Druckräume 12, 13 eingeführt werden.

1: Nockenwellenversteller
2: Antriebsrad
3: Stator
4: Längsachse
5: Rotor
6: Mantelfläche Stator
7: Flügel Stator
8: Mantelfläche Rotor
9: Flügel Rotor
10: Stirnseite Flügel Stator
11: Stirnseite Flügel Rotor
12: Druckraum
13: Druckraum
14: Seitenfläche Flügel Stator
15: Seitenfläche Flügel Stator
16: Seitenfläche Flügel Rotor
17: Seitenfläche Flügel Rotor
18: Hydraulikkanal
19: Verriegelungselement
20: Verriegelungspin
21: Hydraulikkanal
22: Federelement
23: Federelement
24: Federfußpunkt
25: Federfußpunkt
26: Längsachse
27: Krümmungsradius

Claims

Hydraulischer Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine mit a) einem Stator (3), b) einem Rotor (5), der gegenüber dem Stator (3) einen Drehfreiheitsgrad besitzt, c) mindestens zwei zwischen Stator (3) und Rotor (5) gebildeten Druckräumen (12, 13), die durch einen radial orientierten Flügel (9) des Rotors (5) voneinander getrennt sind, d) einem mechanischen Federelement (23), welches zwischen Rotor (5) und Stator (3) zwischengeschaltet ist. dadurch gekennzeichnet, dass e) das mechanische Federelement (23) in einem Druckraum (12; 13) angeordnet ist.
Hydraulischer Nockenwellenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass a) mindestens ein Verrieglungselement (19) vorgesehen ist, über das in einer verriegelten Stellung des Verriegelungselements (19) in einer Verriegelungsposition des Rotors (5) gegenüber dem Stator (3) der Drehfreiheitsgrad des Rotors (5) gegenüber dem Stator (3) zumindest begrenzt ist und b) das mechanische Federelement (23) den Rotor (5) in Richtung eines für die Verriegelung vorteilhaften Drehwinkels beaufschlagt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeich net, dass eine Begrenzung des Drehwinkels des Rotors (5) gegenüber dem Stator (3) dadurch erfolgt, dass das mechanische Federelement (23) auf Block geht.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Rotor (5) und Stator (3) ein Anschlag vorgesehen ist, der einen Drehwinkel des Rotors (5) gegenüber dem Stator (3) begrenzt, bevor das mechanische Federelement (23) auf Block geht.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass eine den Druckraum (12; 13) begrenzende Wandung (Seitenfläche 14; 15; 16; 17) des Rotors (5) und/oder des Stators (3) eine Vertiefung, Nut oder Bohrung aufweist, in deren Grund sich das mechanische Federelement (23) abstützt.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Tiefe der Vertiefung, Nut oder Bohrung oder gemeinsame Tiefe zweier Vertiefungen, Nuten oder Bohrungen größer ist als die minimale Höhe des mechanischen Federelements (23).
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (23) eine Wellenfeder ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachse der Wellenfeder (Federelement 23) in Umfangsrichtung gekrümmt ist.
Nockenwellenversteller nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die minimale Höhe des mechanischen Federelements (23) im Bereich von 0,1 mm bis 1,0 mm liegt.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungsposition des Rotors (3) gegenüber dem Stator (5), in der das Verriegelungselement (19) den Dreh freiheitsgrad des Rotors (3) gegenüber dem Stator (5) festsetzt, eine Endlage ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Verriegelungsposition des Rotors (3) gegenüber dem Stator (5), in der das Verriegelungselement (19) den Drehfreiheitsgrad des Rotors (3) gegenüber dem Stator (5) festsetzt, eine Mittenlage ist.
Nockenwellenversteller nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass in gegenüberliegenden Druckräumen (12, 13) zwei entgegengesetzt wirkende Federelemente (23) angeordnet sind.