DE102006036034A1

DE102006036034A1 - Antriebseinrichtung zwischen einem Nockenwellenversteller und einer Nockenwelle

Info

Publication number: DE102006036034A1
Application number: DE102006036034A
Authority: DE
Inventors: Jens Dipl.-Ing. Schäfer; Mike Dipl.-Ing. Kohrs; Falko Dipl.-Ing. Arnold (FH)
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2006-08-02
Filing date: 2006-08-02
Publication date: 2008-02-21
Anticipated expiration: 2026-08-03
Also published as: DE102006036034B4

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Antriebsverbindung (1) für eine Anbindung eines Abtriebselements (5) eines Nockenwellenverstellers (3) an eine Nockenwelle. Erfindungsgemäß besitzen die Stirnseiten (11, 14) von Nockenwelle (2) und Abtriebselement (5) mikroskopische oder makroskopische Unebenheiten, über die ein Formschluss zur Übertragung der Antriebsmomente hergestellt wird. Hierdurch können von einer Zentralschraube (9) bereitgestellte Normalkräfte verringert werden und die radialen Dimensionen der beteiligten Bauelemente verringert werden.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Antriebsverbindung für ein Kraftfahrzeug zwischen einem Nockenwellenversteller und einer Nockenwelle gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Hintergrund der Erfindung
In Kraftfahrzeugen finden Nockenwellenversteller Einsatz, die einer Beeinflussung der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine dienen, wodurch Steuerzeiten der Brennkraftmaschine betriebsabhängig beeinflusst werden können. Dies ist insbesondere vorteilhaft hinsichtlich der Gestaltung der Leistungsentfaltung, der Drehmomentcharakteristik, der Abgaswerte, des Verbrauchs und/oder einer Geräuschentwicklung der Brennkraftmaschine. Für Nockenwellenversteller gibt es unterschiedliche Bauformen, die sämtlich im Zusammenhang mit der hier einschlägigen Antriebsverbindung Einsatz finden können, insbesondere Nockenwellen mit integriertem Getriebe, beispielsweise einem ein- oder mehrstufigen, gleichför mig oder ungleichförmig übersetztem 3-Wellen-Getriebe, ein Mehrgelenkgetriebe oder Koppelgetriebe, ein Taumelscheibengetriebe, ein Exzentergetriebe, ein Planetengetriebe, Wellgetriebe, Kurvenscheibengetriebe, Kombinationen der vorgenannten Getriebearten. In derartigen Getrieben kann über einen geeigneten Aktuator eine Stellbewegung eingespeist werden oder eine Bremsung eines Getriebeelements vorgenommen werden. Eine beispielhafte alternative Bauform für Nockenwellenversteller stellen solche in Flügelzellenbauweise oder in Axialkolbenbauweise dar, bei denen eine Stellbewegung über ein Hydraulikmedium erzeugt wird. Weitere mögliche Bauformen sind insbesondere solche mit Schwenkflügeln oder Segmentflügeln.
Die Nockenwellenversteller bilden u. U. separate Baueinheiten, die während der Montage der Brennkraftmaschine, nachträglich oder als Variante unterschiedlicher Ausführungsformen der Brennkraftmaschine mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbunden werden müssen. Hierbei erfolgt oftmals eine Herstellung der Brennkraftmaschine oder Nockenwelle einerseits und des Nockenwellenverstellers andererseits von unterschiedlichen Herstellern oder Zulieferern. Für eine Antriebsverbindungen zwischen dem Nockenwellenversteller und der Nockenwelle findet üblicherweise ein auch als Zentralschraube bezeichnetes Verbindungselement Einsatz, mit dem ein Abtriebselement, insbesondere eine Abtriebswelle des Nockenwellenverstellers, mit einer Stirnseite der Nockenwelle verschraubt wird, s. bspw. DE 100 38 354 C2 , DE 102 48 355 A1 , DE 196 11 365 C2 . Eine Übertragung eines Antriebsmoments von dem Abtriebselement des Nockenwellenverstellers zu der Nockenwelle erfolgt kraftschlüssig durch Anpressung der Stirnseite des Abtriebselements an die Stirnseite der Nockenwelle über die Zentralschraube.
Bei alternativen Ausführungsformen einer Antriebsverbindung sind Nockenwelle und Abtriebselement flanschartig miteinander verbunden, vgl. DE 199 55 507 C2 , oder das Abtriebselement und die Nockenwelle bilden eine Welle-Nabe-Verbindung, über die das Antriebsmoment formschlüssig in Umfangsrichtung übertragen wird, s. DE 102 48 355 A1 .
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antriebsverbindung zwischen einem Abtriebselement eines Nockenwellenverstellers und einer Nockenwelle zu schaffen, die unter Berücksichtigung der Bauraumbedingungen, der wirkenden Kräfte und der übertragbaren Antriebsmomente zuverlässig ist.
Zusammenfassung der Erfindung
Erfindungsgemäß wird die Aufgabe durch eine Antriebsverbindung mit den Merkmalen des unabhängigen Anspruchs 1 oder 6 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich gemäß den abhängigen Ansprüchen 2 bis 5 sowie 7 bis 9.
Der Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, dass bekannte Lösungen einer Anpressung der Stirnseiten von Abtriebselement und Nockenwelle über eine Zentralschraube große Normalkräfte in der Zentralschraube und in den Kontaktflächen voraussetzen, womit große Verformungen der beteiligten Bauteile einhergehen. Der Reibkontakt der Stirnseiten muss hierbei geeignet gestaltet werden, um das Antriebsmoment auch mit Momentenspitzen und unter Einfluss von Vibrationen u. ä. zuverlässig und dauerhaft übertragen zu können. Hierzu sind u. U. große Reibradien und damit große Stirnflächen der Stirnseiten erforderlich, was den erforderlichen Bauraum in radialer Richtung negativ beeinflusst. Gleichzeitig bedingt die vergrößerte radiale Dimensionierung, dass auch radial außenliegend von den Stirnseiten angeordnete Bauelemente wie Lager, Getriebeelemente, Aktuatoren vergrößert ausgebildet werden müssen. Dies erhöht den Bauaufwand für die vorgenannten Bauelemente und erzeugt erhöhte Massenträgheitsmomente für die u. U. intermittierend rotierenden Bauelemente. Weiterhin bedeutet eine erhöhte radiale Dimensionierung von Funktionsflächen wie Lagern, dass diese einen vergrößerten Wirkradius besitzen, was erhöhte Reibungsverluste zur Folge haben kann.
Andererseits ist erkannt worden, dass bei Übertragung des Antriebsmomentes über einen Formschluss mittels der eingangs genannten Welle-Nabe-Verbindungen oder Flanschverbindungen, dass diese ein oder mehrere feste relative Winkellagen zwischen Abtriebselement und Nockenwelle vorgeben. Eine Feineinstellung der Winkellage der Antriebsverbindung, die auch Spiel oder Fertigungstoleranzen, beispielsweise in dem Nockenwellenversteller, berücksichtigen kann, ist nicht möglich. Weiterhin hat sich eine Fertigung der Welle-Nabe-Verbindung und einer Flanschverbindung als aufwändig und teuer herausgestellt.
Erfindungsgemäß kann in der Antriebsverbindung eine zwischen Stirnseiten von Abtriebselement und Nockenwelle wirkende Normalkraft verringert werden, ohne dass hierdurch das von der Antriebsverbindung übertragbare Drehmoment reduziert wird. Alternativ kann unter Beibehaltung der Normalkraft das übertragbare Drehmoment erhöht werden. Hierdurch kann erfindungsgemäß der radiale Bauraum für die Antriebsverbindung, eine Dimensionierung der beteiligten und umgebenden Bauelemente, insbesondere in radialer Richtung, die Wahl der Festigkeit und Dimensionierung einer u. U. eingesetzten Zentralschraube verringert werden und/oder die Zuverlässigkeit der Antriebsverbindung erhöht werden.
Im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung wird unter einer "Stirnseite" (der Nockenwelle oder des Abtriebselements) eine lokal oder global ebene oder unebene Fläche verstanden, über die eine von einer Zentralschraube erzeugte Normalkraft zwischen Abtriebselement und Nockenwelle übertragen wird. Hierbei kann eine Stirnseite quer zur Längsachse orientiert sein oder gegenüber der quer zur Längsachse orientierten Ebene zumindest teilweise geneigt sein, so dass in einem derartigen Teilbereich die vorgenannte Normalkraft lediglich eine Komponente bildet. Die Stirnseite kann beliebig gekrümmt oder eben ausgebildet sein.
Gemäß dem Vorschlag der Erfindung wird eine Stirnseite des Abtriebselements und/oder eine Stirnseite der Nockenwelle mikroskopisch und/oder makroskopisch mit Unebenheiten, beispielsweise Rauhigkeiten, Vorsprüngen, Vertiefun gen, Ausnehmungen, Rillen o. ä., versehen. Eine Übertragung eines Antriebsmoments zwischen Abtriebselement und Nockenwelle erfolgt über einen mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss. Damit verlässt die Erfindung den Weg, bei bekanntem zu übertragenden Antriebsmoment die erforderliche Normalkraft, die über eine Zentralschraube bereitgestellt werden muss, aus einem derartigen Antriebsmoment unter Berücksichtigung von Reibradien und Reibungskoeffizienten abzuschätzen. Für die erfindungsgemäße Ausgestaltung dient eine von einer Zentralschraube bereitgestellte Normalkraft eher dazu, den mikroskopischen und makroskopischen Formschluss während der Montage herzustellen sowie den Formschluss nach Montage und im Betrieb der Brennkraftmaschine aufrechtzuerhalten. Zumindest eine Teilkomponente des Antriebsmoments wird damit nicht über einen Reibschluss übertragen, sondern vielmehr über den mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss. Beispielsweise können die Unebenheiten sich in axialer Richtung erstrecken, so dass der Formschluss hergestellt wird über ein axiales Fügen der beteiligten Bauelemente der Antriebsverbindung, insbesondere im Zusammenhang mit einem Anziehen der Zentralschraube.
Der erfindungsgemäße Formschluss und die beteiligten Unebenheiten können im Bereich von Oberflächenrauhigkeiten oder durch Fertigungsverfahren hergestellte Konturen bereitgestellt werden, wobei auch Bruch- oder Rissflächen Einsatz finden können ähnlich einem gecrackten Pleuellager. Zusätzlich zu der Übertragung des Antriebsmoments über den mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss können weitere Maßnahmen getroffen sein, beispielsweise ein zusätzlicher Reib- oder Formschluss im Bereich einer Stirnseite oder einer Mantelfläche.
Die Unebenheiten können in einer speziellen Oberflächentopologie bestehen, die ohne Beschränkung auf diese Ausführungsformen durch Rastern, Rändeln oder Aufrauen hergestellt sein kann. Beispielsweise kann ein Aufrauen der Oberflächen durch eine Funkenerosion, chemisch, elektrochemisch, über spangebend eingebrachte Muster, eingeprägte, eingepresste oder umgeformte Muster oder in den Grundwerkstoff eingebrachte oder eingebettete harte Partikel, die durch eine Behandlung der Oberfläche (chemisch oder mechanisch) partiell freigelegt werden, erfolgen.
Aus den Druckschriften DE 101 61 701 A1 und DE 199 21 890 C1 ist es bereits bekannt, eine Stirnfläche der Nockenwelle sowie die zugeordnete Stirnfläche des Abtriebselements des Nockenwellenverstellers gezielt mit einer Rauhigkeit zu versehen, beispielsweise in Form einer Friktionsschicht aus Wolframkarbid, Stellit Kobalt, Aluminium Titandioxid oder dergleichen, wobei die Friktionsschicht durch Flammspritzen, Hochgeschwindigkeits-Flammspritzen, Lichtbogenspritzen und Plasmaspritzen aufgebracht werden kann ( DE 199 21 890 C1 ). DE 101 61 701 A1 schlägt den Einsatz eines Blechs vor, welches einerseits zur Bereitstellung der Unebenheiten im Bereich kontaktierender Stirnflächen dient und andererseits als Impulsgeberscheibe dient. Angesprochen ist in DE 101 61 701 A1 auch die Möglichkeit, auf die Verwendung zusätzlicher Blechformteile mit reibungserhöhender Beschichtung ganz zu verzichten und stattdessen in den Grundwerkstoff der Nockenwelle Silizium- oder andere Hartstoffpartikel beizumengen, die im Bereich der Verbindung mit der Vorrichtung freigeätzt werden und zur Reibungserhöhung zwischen der Vorrichtung und der Nockenwelle beitragen. Alternativ dazu können Silizium- oder andere Hartstoffpartikel auch im Bereich der Verbindung mit der Nockenwelle in die nockenwellenzugewandte Seitenfläche der Antriebseinheit der Vorrichtung eingepresst werden, da der Grundwerkstoff der Abtriebswelle in der Regel weicher als der Grundwerkstoff der Nockenwelle ist. Unabhängig davon, wie die Unebenheiten für Ausgestaltungen gemäß dem Stand der Technik bereitgestellt werden, beruhen die aus dem Stand der Technik bekannten Ausführungsformen offensichtlich auf der Erkenntnis, dass für einmal eingebrachte Rauhigkeiten eine Erhöhung der Übertragbarkeit eines Torsionsmoments bei vorgegebener Anzugskraft einer Zentralschraube auf dem Ausmaß einer Verzahnung der Unebenheiten von kontaktierenden Stirnseiten beruht. Mit zunehmendem Unterschied der Rauhigkeiten der kontaktierenden Stirnseiten kommt dieser Effekt allerdings immer weniger zum Tragen. Im Idealfall einer unebenen Stirnseite und einer theoretisch, ideal glatten Stirnseite kommt eine derartige Verzahnung überhaupt nicht zum Tragen. Somit müssen gemäß dem Stand der Technik die kontaktierenden Stirnseiten bei der Fertigung aufeinander angepasst werden, was den Fertigungsaufwand erhöht und bei ungenauer Fertigung das Risiko in sich birgt, dass das Antriebsmoment nicht zuverlässig übertragen werden kann.
Die Erfindung geht hier einen neuen Weg, indem zwischen die Stirnseiten gezielt ein Element zwischengeschaltet wird, für das bewusst Verformungen in Kauf genommen werden. Ein derartiges Verformungselement besitzt eine geringere Plastizitätsgrenze als eine mit der Unebenheit versehene Stirnseite und/oder die Unebenheiten selbst. Mit einer Erzeugung einer Normalkraft zwischen den Stirnseiten, die größer ist als eine Plastizitätsgrenze des Verformungselements, kommt es im Bereich der Unebenheiten der Stirnseite zu einer Verformung des Verformungselements, so dass dieses einen Formschluss ausbilden kann. Das Verformungselement kann sich über die gesamte Stirnseite erstrecken oder lediglich einen Teilbereich derselben. Beispielsweise handelt es sich bei der Stirnseite um eine Scheibe oder Kappe, die nicht lediglich an der Stirnseite anliegt, sondern die Stirnseite mit einem Kappenrand seitlich umgreifen kann. Unter Umständen kann mit der Verformung eine (Kalt-)Verfestigung des Verformungselementes eintreten.
Eine verbesserte Montage der Antriebsverbindung und eine Erhöhung der Zuverlässigkeit der erstellten Antriebsverbindung kann sich ergeben, wenn das zuvor erläuterte Verformungselement als eine Art Scheibe ausgebildet ist. Innenliegend oder radial außenliegend an dieser Scheibe kann sich eine einer Stirnseite zugeordnete Mantelfläche abstützen, wodurch eine Montagehilfe gegeben ist und im Betrieb sowie während eines Anziehens der Zentralschraube das Verformungselement relativ zu der zugeordneten Stirnseite radial geführt sein kann.
Für eine alternative Ausgestaltung der Erfindung besitzen die Stirnseiten von Abtriebselement und Nockenwelle unterschiedliche Plastizitätsgrenzen. In diesem Fall kann die mit dem "härteren", weniger zu einer plastischen Verformung neigenden Material gebildete Stirnseite mikroskopisch oder makroskopisch mit den Unebenheiten versehen werden. Für den Fall, dass mit einer Montage und einem Anziehen einer Zentralschraube Normalkräfte erzeugt werden, die größer sind als die Plastizitätsgrenze des weicheren Materials, erfolgt im Bereich der Unebenheiten eine plastische Verformung der anderen Stirnseite, die mit dem weicheren Material gebildet ist. Hierbei kann infolge der plastischen Verformung erst ein Formschluss hergestellt werden. Alternativ ist es ebenfalls möglich, dass ein Formschluss durch die plastische Verformung verstärkt wird, beispielsweise "verdrücktes Material" verbleibende Lücken in den "verzahnten" Stirnseiten füllt, so dass auch ein Spiel vermieden werden kann.
Im Zusammenhang mit der Erfindung wird auf eine Zentralschraube Bezug genommen, die die Normalkraft zwischen den Stirnseiten herbeiführt. Selbstverständlich sind alternative Elemente zur Erzeugung einer Normalkraft oder auch mehrere "Zentral"-Schrauben einsetzbar.
Möglich ist, dass zumindest eine Stirnseite von Abtriebselement und/oder Nockenwelle eine Beschichtung aufweist. Eine derartige Beschichtung kann beispielsweise mindestens ein Formelement bereitstellen, mit dem eine Unebenheit der Stirnseite gebildet ist und die dann für einen makroskopischen oder mikroskopischen Formschluss Einsatz findet. Denkbar ist, dass beide Stirnseiten Beschichtungen gleicher Harte aufweisen, die sich mit dem gebildeten Formelement, beispielsweise in Form von Körnern oder Partikeln, ineinander verzahnen. Ebenfalls denkbar ist, dass die Beschichtung härter ausgebildet ist als die nicht beschichtete Stirnseite, so dass sich die Beschichtung in die nicht beschichtete Stirnseite eindrücken kann unter plastischer Verformung der nicht beschichteten Stirnseite.
Andererseits ist es alternativ oder kumulativ möglich, dass eine Beschichtung ein weicheres Material bereitstellt, welches von der nicht beschichteten Stirnseite plastisch verformt werden kann zur Herstellung des mikroskopischen oder makroskopischen Formschlusses.
Neben der Möglichkeit einer Beschichtung zumindest einer Stirnseite besteht zusätzlich oder alternativ die Möglichkeit einer Verbindung von Stirnseite und Formelement und/oder Verformungselement durch Einsintern, Einpressen, Löten, Schweißen, Kleben, Clipsen, Klemmen oder eine Kombination der vorgenannten Verbindungsverfahren.
Eine alternative Lösung der der Erfindung zugrunde liegenden Aufgabe ist gegeben durch eine Antriebsverbindung gemäß den Merkmalen des Anspruchs 7. Dieser Ausgestaltung liegt der Grundgedanke zugrunde, dass die Stirnseiten von Abtriebselement und Nockenwelle zumindest in einem Kontaktbereich konisch ausgebildet sind. Die sich so ausbildenden konischen Kontaktflächen haben zur Folge, dass eine, beispielsweise über eine Zentralschraube, aufgebrachte Normalkraft zwischen den Stirnseiten aufgeteilt wird in eine Normalkraftkomponente, die senkrecht zur Konusfläche orientiert ist, sowie eine Reibkomponente, die von der Normalkraft, aber unabhängig von einem Antriebsmoment ist, aufgeteilt wird, wobei die vorgenannten Komponenten von dem Konuswinkel abhängig sind. U. U. kann bei geeigneter Auslegung des Konuswinkels der Quotient aus wirkender Normalkraft und maximal übertragbarem Drehmoment erfindungsgemäß verringert werden. Gleichzeitig kann über die Konusform eine Zentrierung zwischen Abtriebselement und Nockenwelle erfolgen.
Gemäß einer besonderen Ausgestaltung sind die Konuswinkel der Stirnseiten geringfügig voneinander abweichend ausgebildet. Hierdurch lassen sich u. U. Verformungen vorhalten, so dass beispielsweise mit einem Anziehen einer Zentralschraube Teilflächen eines Konus unterschiedlich stark beansprucht und elastisch verformt werden. Andererseits kann über unterschiedliche Konuswinkel erreicht werden, dass die Stirnseiten vorrangig radial weit außenliegend aneinander anliegen, so dass die Normalkraft lediglich in Bereichen mit großen Reibradien wirkt, wodurch große Antriebsmomente übertragbar sind.
Zusätzlich zu den zuvor erläuterten Maßnahmen kann ein übertragbares Antriebsmoment erhöht werden, indem den Stirnseiten Mantelflächen zugeordnet sind, die in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind. Ein derartiger Formschluss kann ständig bestehen, so dass sich die zuvor erläuter ten erfindungsgemäßen Maßnahmen und die durch diese übertragbaren Drehmomente mit den durch den Formschluss übertragbaren Momenten aufsummieren. Ebenfalls denkbar ist, dass ein Formschluss in Umfangsrichtung über die Mantelflächen erst zur Wirkung kommt, wenn der mikroskopische oder makroskopische Formschluss der Antriebsverbindung versagt, beispielsweise nach Überwindung eines Drehwinkels zwischen Abtriebselement und Nockenwelle.
Für eine besondere Ausgestaltungsform der erfindungsgemäßen Antriebsverbindung ist eine Stirnseite des Abtriebselements und/oder der Nockenwelle von einem Adapter gebildet. Ein derartiger Adapter kann beispielsweise eine Anpassbarkeit eines Typs von Nockenwellenverstellern mit gleichem Abtriebselement an unterschiedliche Nockenwellen und u. U. Brennkraftmaschinen ermöglichen oder einen Einsatz unterschiedlicher Nockenwellenversteller für baugleiche Nockenwellen ermöglichen. Ebenfalls möglich ist, dass über einen Adapter eine Fertigung und/oder die zuvor erläuterten erfindungsgemäßen konstruktiven Maßnahmen vereinfacht oder ermöglicht werden/wird: beispielsweise kann der Adapter einen Formschluss von Mantelflächen in Umfangsrichtung, eine Beschichtung, die Unebenheiten, Vorsprünge, Rauhigkeiten, ein besonders hartes oder weiches Material zur Erzeugung plastischer Verformungen o. ä. bereitstellen. Weitere Vorteile zum Einsatz derartiger Adapter können der unter dem internen Aktenzeichen E 2005 371 geführten, nicht vorveröffentlichten Patentanmeldung der Anmelderin mit dem Titel "Gruppe mehrerer Nockenwellen mit Nockenwellenverstellern" entnommen werden.
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 eine erfindungsgemäße Antriebsverbindung eines Nockenwellenverstellers mit einer Nockenwelle in einem Längsschnitt;
2 ein Detail II-II der Antriebsverbindung gemäß 1, bei der allerdings abweichend zu 1 ein scheibenförmiges Verformungselement in die Antriebsverbindung zwischengeschaltet ist;
3 eine Dimensionierung der Funktionsflächen für die Antriebsverbindung gemäß 1 in einem Längsschnitt;
4 eine Dimensionierung der Antriebsverbindung und der beteiligten und umgebenden Bauelemente für eine Ausgestaltung gemäß dem Stand der Technik in einem Längsschnitt;
5 eine gegenüber 4 erfindungsgemäß verbesserte Ausgestaltung einer Antriebsverbindung im Längsschnitt;
6 eine erfindungsgemäße Antriebsverbindung mit konischen Stirn seiten in einem Teillängsschnitt;
7, 8 eine Antriebsverbindung mit formschlüssiger Verbindung von Mantelflächen des Abtriebselements und der Nockenwelle;
9 eine Antriebsverbindung mit polygonförmiger Kontur der Stirnseiten in Seitenansicht;
10 eine Antriebsverbindung mit gegenüber der Querebene geneigten Stirnseiten in einer Seitenansicht und
11 eine Antriebsverbindung mit Zwischenschaltung eines Adapters zwischen die Stirnseiten von Nockenwelle und Abtriebselement in einer teilgeschnittenen Seitenansicht.
Ausführliche Beschreibung der Erfindung
In 1 ist eine Antriebsverbindung 1 zwischen einer Nockenwelle 2 und einem Nockenwellenversteller 3 dargestellt. Ohne dass eine Beschränkung auf eine derartige Bauform erfolgen soll, ist der Nockenwellenversteller 3 gemäß 1 in der Bauform mit Taumelscheibengetriebe dargestellt. Über den Nockenwellenversteller 3 kann eine Phasenlage zwischen einem Antriebselement 4, welches über ein Zugmittel von einer Kurbelwelle angetrieben wird, und einem Abtriebselement 5 verändert werden. Für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel ist das Abtriebselement 5 mit einer in erster Näherung kreisringförmigen Scheibe 6 und einem Adapter 7 gebildet. Während die Scheibe 6 die Antriebsbewegung und das Antriebsmoment radial nach innen leitet, führt der Adapter 7 die Antriebsbewegung und das Antriebsmoment in axialer Richtung radial innenliegend durch den Nockenwellenversteller 3 und ein Stellaggregat 8 hindurch zu der Nockenwelle 2. Eine Zentralschraube 9 ist fluchtend zu einer Längsachse 10-10 in eine Stirnseite 11 eingeschraubt. Zwischen einem Kopf 30 der Zentralschraube 9 und der Stirnseite 11 der Nockenwelle 2 sind die Scheibe 6 und der Adapter 7 axial hintereinander liegend eingespannt.
Eine durch Anziehen der Zentralschraube 9 bereitgestellte, in Richtung der Längsachse 10-10 wirkende Normalkraft wirkt somit zwischen einer Stirnseite 12 der Scheibe 6 und einer zugeordneten Stirnseite 13 des Adapters 7 sowie einer Stirnseite 14 des Adapters 7 und der zugeordneten Stirnseite 11 der Nockenwelle 2. Die Stirnseiten 12, 13 und/oder 11, 14 können mit mikroskopisch oder makroskopisch gebildeten Unebenheiten gegenüber einer quer zur Längsachse 10-10 orientierten Querachse ausgebildet sein, so dass sich in der Querebene eine Verzahnung bzw. ein mikroskopischer oder makroskopischer Formschluss ergibt, über den zwischen Scheibe 6 und Adapter 7 und/oder Adapter 7 und Nockenwelle 2 ein Antriebsmoment übertragen werden kann. Ein Lösen des mikroskopischen Formschlusses ist lediglich unter axialer Bewegung der Scheibe 6, des Adapters 7 oder der Nockenwelle 2 möglich, was in angezogenem Zustand der Zentralschraube 9 durch diese vermieden ist. Insbesondere bei Herstellung des Formschlusses unter plastischer Verformung kann es auch möglich sein, dass der Formschluss auch bei einem Lösen der Zentralschraube fortbesteht.
Für das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel besitzt die Stirnseite 11 der Nockenwelle einen Absatz mit einer im Wesentlichen zylinderförmigen Mantelfläche 15, über den eine radial innenliegende, vorgelagerte Kreisringfläche 16 von einer radial außenliegenden, zurückliegenden Kreisringfläche 17 getrennt ist. Die Mantelfläche 15 liegt an einer korrespondierenden Innenfläche 18 des Adapters 7 an, wodurch eine radiale Führung und/oder fluchtende axiale Ausrichtung zwischen Nockenwelle 2 und Adapter 7 möglich ist. Während die radial innenliegende Kreisringfläche 16 ein Spiel gegenüber dem Adapter 7 ausbildet, liegt die Kreisringfläche 17 mit der von der Zentralschraube 9 bereitgestellten Normalkraft an einer entsprechenden Gegenfläche 19 des Adapters 7 an unter mikroskopischem oder makroskopischem Formschluss.
Für das ansonsten entsprechend 1 ausgebildete Ausführungsbeispiel ist gemäß 2 zwischen der Stirnseite 11 der Nockenwelle 2 und der Stirnseite 14 des Adapters 7 ein Verformungselement 20 zwischengeschaltet. Für die dargestellte Ausführungsform ist das Verformungselement 20 als (Kreisring-) Scheibe 31 ausgebildet, deren radiale Erstreckung ungefähr der radialen Erstreckung der Kreisringfläche 17 entspricht und die eine Innenbohrung besitzt, im Bereich welcher sich das Verformungselement 20 an der Mantelfläche 15 der Nockenwelle abstützt. Mit einem Anziehen der Zentralschraube 9 wird das Verformungselement 20 plastisch verformt und füllt Unebenheiten der Stirnseiten 11 und/oder Stirnseite 14 aus, so dass ein mikroskopischer oder makroskopischer Formschluss gebildet ist. Insbesondere bei Herstellung des Formschlusses unter plastischer Verformung kann es möglich sein, dass der Formschluss auch bei einem Lösen der Zentralschraube fortbesteht, indem beispielsweise plastisch verformtes Material mikroskopische oder makroskopische Hinterschneidungen ausfüllt.
In 3 ist ein mittlerer wirksamer Reibungsdurchmesser 21 der Kontaktflächen zwischen Stirnseite 11 der Nockenwelle 2 und Stirnseite 14 des Adapters 7 dargestellt. Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Reibungsdurchmesser 21 reduziert werden. Eine Reduzierung des Reibungsdurchmessers 21 hat eine Reduzierung weiterer benachbarter Bauelemente zur Folge. Durchmesser 22, 23, 24 für Funktionsflächen wie Wälzlager, Flansche oder Kontaktflächen benachbarter Bauelemente reduzieren sich ebenfalls.
5 zeigt die verringerten Durchmesser für die erfindungsgemäße Ausgestaltung gegenüber aus dem Stand der Technik bekannten Bauformen gemäß 4. Hierbei ist zu erkennen, dass für die erfindungsgemäße Ausgestaltung gemäß 5 eine u. U. erforderliche Zentrierbuchse oder Laufbuchse 26 für Wälzlager mit reduziertem Durchmesser 25 ausgebildet werden kann, wodurch u. U. auch ein Absatz zur Überbrückung einer radialen Distanz entfallen kann.
Durch die erfindungsgemäße Ausgestaltung kann der Kraftfluss für die Spannkraft der Zentralschraube 9 direkter werden, was wiederum positive Effekte auf die Beanspruchung der Bauteile und damit deren Dimensionierung hat. Infolge des mikroskopischen oder makroskopischen Formschlusses kann die erforderliche Normalkraft in der Spannschraube 9 reduziert werden. Dies kann auch zu verbesserten Dimensionierungen der Bauteile des Nockenwellenverstellers 3 selbst und/oder bei der Auslegung der Zentralschraube 9 berücksichtigt werden. Beispielsweise kann anstelle einer ansonsten verwendeten Schraube M12 nun eine Schraube M10 eingesetzt werden.
Infolge einer erfindungsgemäß ermöglichten kleineren Dimensionierung können sich Vorteile für die Funktion der Verstelleinheit ergeben. Einerseits lassen sich Funktionsflächen wie beispielsweise Radiallager oder Axiallager von Stegwellen, Getrieberädern und/oder Antriebsketten- bzw. Riemenrad auf einem kleineren Durchmesser anordnen. Diese derart verkleinerten Funktionsradien haben verringerte Reibungsverluste zur Folge, die die gesamte Energiebilanz des Nockenwellenverstellers 3 positiv beeinflussen. Schließlich können die rotierenden Massen reduziert werden und nach innen gezogen werden. Dies hat eine Verringerung des Massenträgheitsmoments zur Folge. Bei einem Verstellvorgang bewegte Teile können damit schneller verzögert oder beschleunigt werden. Das Regelverhalten und eine maximal erzielbare Verstellgeschwindigkeit können damit deutlich verbessert werden. Eine erfindungsgemäß erzielbare verringerte Dimensionierung der Querschnitte lässt sich auch in einem Aktuator oder Stellaggregat 8 fortführen, was insbesondere bei einer Anordnung des Stellaggregats 8 um die Nockenwelle gemäß 1 und 3 vorteilhaft ist. Ein Vergleich der 4 und 5 zeigt die erfindungsgemäß verkleinerten Kontaktflächen, die vereinfachte Ausgestaltung der Lauf- oder Führungsbuchse 26, die reduzierten Reibradien für die eingesetzten Lager, den direkteren Kraftfluss und eine Bauraumreduzierung für das Stellaggregat 8.
6 zeigt eine Ausführungsform, bei der die Stirnseiten 11, 14 konusförmig sind mit gleichen oder unterschiedlichen Konuswinkeln 27. Während in diesem Fall ein mikroskopischer oder makroskopischer Formschluss der Stirnseiten 11, 14 herbeigeführt wird und die Mantelflächen 15, 18 keinen Formschluss ausbilden, wird die Antriebsverbindung 1 für die in 7 und 8 dargestellten Ausführungsformen durch einen Formschluss der Mantelflächen 15, 18 in Umfangsrichtung zumindest gestärkt.
Ebenfalls denkbar ist ein reiner Formschluss der Mantelflächen mit oder ohne Einsatz einer Zentralschraube 9. Durch einen Entfall einer Zentralschraube 9 können teure Bearbeitungsschritte zur Einbringung eines Gewindes in die Nockenwelle 2 und/oder in das Abtriebselement 5 entfallen. Risiken für die Funktionssicherheit der Komponenten aufgrund etwaiger Bearbeitungsrückstände aus einem Schneidprozess für ein Gewinde entfallen. Eine Montage der Brennkraftmaschine wird erheblich vereinfacht, da keine Abstimmung und/oder Überwachung des Einschraubprozesses für die Zentralschraube 9 erfolgen muss. Die Bauteile können dann genau dimensioniert werden, da eine Streuung der Klemmkraft durch Toleranzen in Fertigung und Montage entfällt. Ein Ausfallrisiko durch eine Fehlmontage oder Auslegung sinkt. Schrauben können in einem derartigen Fall lediglich zu einer axialen Sicherung in der Antriebsverbindung 1 eingesetzt werden. Die dann auftretenden Kräfte sind lediglich gering. Ein Formschluss kann durch axial oder radial orientierte Formelemente oder in Kombination ausgeführt sein. Ausführungsbeispiele für einen Formschluss in axialer und/oder radialer Richtung sind der Einsatz einer Keilwelle, einer Kehrtwelle, einer Passfeder, von Klauen, Stiften, Zahnkupplungen oder einer Polygonwelle. Beispielsweise kann eine Polygon-Welle-Nabe-Verbindung eingesetzt werden, wie eine Polygon-P4C- oder Polygon-P3G-Welle-Nabe-Verbindung, die insbesondere entsprechend den Normen DIN 32711 und DIN 32712 und den entsprechenden, auf dem Markt verfügbaren Ausgestaltungen und Abwandlungen ausgestaltet sein können. Derartige Verbindungen können zu folgenden Vorteilen führen:

– leichte Montier- und Demontierbarkeit,
– geringe Spannungsspitzen durch eine abgerundete konvexe Profilform,
– hohe Tragfähigkeiten gegenüber anderen formschlüssigen Welle-Nabe-Verbindungen,
– passgenaue Fertigung auch gehärteter Verbindungspartner durch Schleifen,
– Selbstzentrierung und Torsionslast bei einem P3G-Profil,
– Gleichdickcharakter beim P3G-Profil,
– gute axiale Verschiebbarkeit unter Torsionslast bei einem P4C-Profil, Längsverschieblichkeit des Profils P4C unter Drehmoment,
– Schleifbarkeit des Nabenprofils P3G.

Die hier genannten formschlüssigen Verbindungen durch radialen Formschluss können rein formschlüssig oder aber auch im weiteren Sinne kraft- oder formschlüssig ausgeführt sein. Bei einer solchen Kombination können die jeweiligen Verbindungsarten entsprechenden Belastungsanteilen zugeordnet werden. Beispielsweise kann für die hohe Belastung durch Umfangslast (zu übertragendes Moment) der Formschluss und zur Sicherung gegen die meist deutlich geringere axiale Kraft ein Kraftschluss herangezogen werden. Ausführungsbeispiele für eine mögliche axiale Sicherung sind eine Zentral- oder Befestigungsschraube, Sicherungsringe, eine axiale Verstemmung oder Verbördelung, eine stoffschlüssige Verbindung, sofern diese elastisch genug ist, eventuelle Mikrobewegungen aufgrund von Spielen im Formschluss auszugleichen.
Mit einer entsprechenden Ausrichtung von Formschlusselementen zur Position einzelner Nocken der Nockenwelle 2 können diese gleichzeitig zur definierten Ausrichtung des Stellaggregats 8 und dessen Endanschlägen zu einer bestimmten Stellung der Nockenwelle 2 (Einstellung der Steuerzeit) genutzt werden.
9 und 10 zeigen weitere Ausführungsformen, für die ein Formschluss nicht im Bereich einer Mantelfläche von Abtriebselement 5 und Nockenwelle 2 erfolgt, sondern im Bereich der aneinander anliegenden Stirnseiten 11, 14. Für das in 9 dargestellte Ausführungsbeispiel sind die Stirnseiten 11, 14 korrespondierend als Polygonflächen 28 ausgebildet, während gemäß dem in 10 dargestellten Ausführungsbeispiel die Stirnseiten 11, 14 als Schrägflächen 29 ausgebildet sind. Diese Ausführungsformen werden auch als "axialer Formschluss" bezeichnet. Dies erfordert, dass eine axiale Fixierung der Relativposition des Abtriebselements 5 gegenüber der Nockenwelle 2 erfolgt, was beispielsweise durch eine Zentralschraube 9 erfolgen kann. Alternativ ist es möglich, dass eine Abstützung des Nockenwellenverstellers 3 bzw. des Antriebselements 4, beispielsweise gegenüber einem Zylinderkopf, erfolgt. Bei den in die Stirnseiten 11, 14 eingearbeiteten Unebenheiten kann es sich beispielswei se handeln um eine Verzahnung mit einem beliebigen Profil, eine Keilverzahnung, ein wellenförmiges Profil, zwei abgeschrägte Stirnflächen, zwei bruchförmige Flächen analog einem gecrackten Pleuellager, wobei beispielsweise das Abtriebselement 5 zuvor gecrackt wird und vor dem Fügen mit der Nockenwelle 2 verdrehfest verbunden wird oder umgekehrt. Ebenfalls denkbar ist der Einsatz eines Noppenprofils oder einer Stiftverbindung im Bereich der Stirnseiten 11, 14. Bei einer Ausrichtung der Unebenheiten der Stirnseiten 11, 14 ist zu berücksichtigen, dass durch diese u. U. die relative Lage zwischen Abtriebselement 5 und Nockenwelle 2 vorgegeben wird, so dass vordefinierte Montagepositionen vorgegeben sind, die mit festen Steuerzeiten korrespondieren, so dass eine feinfühlige Anpassung nicht möglich ist. Eine axiale Sicherung zwischen den Stirnseiten 11, 14 muss eventuell auch aus der Abstützung eines zu übertragenden Antriebsmoments resultierende Axialkräfte aufnehmen können. Für eine Axialsicherung können Stifte, Schrauben, Sprengringe, Verstemmungen oder anderweitige Verbindungselemente und -technologien herangezogen werden.
Ebenfalls möglich ist eine Kombination der zuvor erläuterten Verbindungsformen. Ergänzend können Kombinationen Einsatz finden von

– einem Stoff-/Kraftschluss, z. B. Klebeverbindung und Schraubverbindung, aufgrund des zusätzlichen Stoffschlusses kann die Klemmkraft der Zentralschraube reduziert werden,
– Form-/Kraftschluss, auch eine Vorspannung durch eine Federkraft eines elastischen Elements,
– Form-/Stoffschluss,
– Form-/Kraft-/Stoffschluss.

In einigen Anwendungen kann es erforderlich sein, dass aufgrund von gegebenen Bauraumverhältnissen im Bereich der Stirnseiten 11, 14 ein mikroskopischer oder makroskopischer Formschluss zur Übertragung der Antriebsmomente erforderlich ist. Allerdings kann die Fertigungstiefe bei der Herstellung der Nockenwellen eine derartige Verbindungsmöglichkeit nicht zulassen oder die Einbringung der Formelemente oder das Aufbringen einer Beschichtung auf die Nockenwelle stellt sich als zu kostenintensiv dar. In einem derartigen Fall ist es möglich, dass ein Adapter 7 eingesetzt wird (s. 11). Die Verbindung des Adapters 7 mit der Nockenwelle 2 oder dem Abtriebselement 5 erfolgt durch Reib- oder Stoffschluss oder mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss. Die Lage der Verbindung ist verhältnismäßig frei gegenüber der Nockenwelle 2 und dem Abtriebselement 5 zu wählen. Sie kann somit dort platziert werden, wo u. U. genügend radialer Bauraum vorhanden ist, um den für die Übertragung des Antriebsmoments benötigten Reibradius realisieren zu können. Die Verbindung zwischen Adapter und Abtriebselement 5 kann dann über mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss erfolgen, wobei hier ein deutlich verringerter Querschnitt erforderlich ist. Für die Verbindung zwischen Nockenwelle und Abtriebselement wird dieselben Zentralschraube 9 verwendet. Alternativ sind voneinander unabhängige Befestigungsmöglichkeiten ebenfalls möglich. Der Adapter 7 ist im Gegensatz zur Nockenwelle 2 leicht handhabbar. Die Restriktionen an die Werkstoffwahl und die damit verbundene Herstelltechnologie sind geringer, so dass Formschlusselemente relativ leicht darstellbar sind.
Bei einem "mikroskopischen Formschluss" im Sinne des Gegenstandes der Erfindung handelt es sich vorzugsweise um einen Kontakt der Kontaktpartner mit Kontaktflächen, die eine Rauhigkeit im Bereich von Rz = 10 bis Rz = 70, beispielsweise Rz = 15 bis 50, insbesondere Rz = 20 bis 40 aufweisen. Mögliche Reibwerte für ein Losbrechen unter einer Momentenlast liegen ca. bei μ = 0,25 bis 0,65, während eine Gleitreibkoeffizient zwischen μ = 0,25 und 0,35 liegen kann. Mögliche Beschichtungen sind:

– eine Diamantbeschichtung mit Diamant-Körnern in einem Trägermaterial, z.B. Kobalt;
– Wolframcarbid, welches in einem Flammspritz- oder Sintererosionsverfahren aufgebracht wird;
– eine CrN- oder TiN-Beschichtung.

1: Antriebsverbindung
2: Nockenwelle
3: Nockenwellenversteller
4: Antriebselement
5: Abtriebselement
6: Scheibe
7: Adapter
8: Stellaggregat
9: Zentralschraube
10: Längsachse
11: Stirnseite
12: Stirnseite
13: Stirnseite
14: Stirnseite
15: Mantelfläche
16: Kreisringfläche
17: Kreisringfläche
18: Innenfläche
19: Gegenfläche
20: Verformungselement
21: Reibdurchmesser
22: Durchmesser
23: Durchmesser
24: Durchmesser
25: Durchmesser
26: Laufbuchse
27: Konuswinkel
28: Polygonfläche
29: Schrägfläche
30: Kopf
31: Scheibe

Claims

Antriebsverbindung für ein Kraftfahrzeug mit einem Nockenwellenversteller (3), der ein Abtriebselement (5) besitzt, dessen Stirnseite (14) über mindestens ein Befestigungselement, insbesondere eine Zentralschraube (9), mit einer Stirnseite (11) einer Nockenwelle (2) drehfest verbunden ist, wobei die Stirnseite (14) des Abtriebselements (5) und/oder die Stirnseite (11) der Nockenwelle (2) mikroskopisch oder makroskopisch mit Unebenheiten versehen ist/sind und eine Übertragung eines Antriebsmoments zwischen Abtriebselement (5) und Nockenwelle (2) über einen mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen die Stirnseiten (11; 14) ein Verformungselement (20) mit verringerter Plastizitätsgrenze zwischengeschaltet ist, welches mit einem Anziehen des Befestigungselements, insbesondere der Zentralschraube (9), im Bereich der mikroskopischen oder makroskopischen Unebenheiten der mindestens einen Stirnseite (11; 14) plastisch verformbar ist.
Antriebsverbindung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verformungselement (20) als Scheibe ausgebildet ist, die sich radial innenliegend oder außenliegend an einer einer Stirnseite (11) zugeordneten Mantelfläche (15) abstützt.
Antriebsverbindung für ein Kraftfahrzeug mit einem Nockenwellenversteller (3), der ein Abtriebselement (5) besitzt, dessen Stirnseite (14) über mindestens ein Befestigungselement, insbesondere eine Zentralschraube (9), mit einer Stirnseite (11) einer Nockenwelle (2) drehfest verbunden ist, wobei die Stirnseite (14) des Abtriebselements (5) und/oder die Stirnseite (11) der Nockenwelle (2) mikroskopisch oder makroskopisch mit Unebenheiten versehen ist/sind und eine Übertragung eines Antriebsmoments zwischen Abtriebselement (5) und Nockenwelle (2) über einen mikroskopischen oder makroskopischen Formschluss erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (14) des Abtriebselement (5) und eine Stirnseite (11) der Nockenwelle (2) unterschiedliche Steifigkeiten aufweisen und die mit dem härteren Material gebildete Stirnseite (11; 14) mikroskopisch oder makroskopisch mit Unebenheiten versehen ist, im Bereich derer die andere, mit dem leichter verformbaren Material gebildete Stirnseite (14; 11) mit dem Anziehen des Befestigungselements, insbesondere der Zentralschraube (9), plastisch verformt ist.
Antriebsverbindung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stirnseite (11; 14) eine Beschichtung aufweist.
Antriebsverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest eine Stirnseite (11; 14) a) mit einem die Unebenheiten bereitstellenden Formelement und/oder b) mit einem mit dem Anziehen des Befestigungselements, insbesondere der Zentralschraube (9), plastisch verformten Verformungselement (20) fest verbunden ist.
Antriebsverbindung für ein Kraftfahrzeug mit einem Nockenwellenversteller (3), der ein Abtriebselement (5) besitzt, dessen Stirnseite (14) über ein Befestigungselement, insbesondere eine Zentralschraube (9), mit einer Stirnseite (11) einer Nockenwelle (2) drehfest verbunden ist, insbesondere nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die über das Befestigungselement, insbesondere die Zentralschraube (9), aneinandergepressten Stirnseiten (11, 14) konisch ausgebildet sind.
Antriebsverbindung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Konuswinkel (27) der Stirnseiten (11, 14) unterschiedlich sind.
Antriebsverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass den Stirnseiten (11, 14) Mantelflächen (15, 18) zugeordnet sind, die in Umfangsrichtung formschlüssig miteinander verbunden sind.
Antriebsverbindung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass eine Stirnseite (14) des Abtriebselements (5) und/oder der Nockenwelle (2) von einem Adapter (7) gebildet ist.