DE102008048924A1 - Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine - Google Patents
Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine Download PDFInfo
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer Phasenstelleinrichtung und einem Antriebsrad, wobei das Antriebsrad an der Phasenstelleinrichtung befestigt ist und einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt aufweist.
- Hintergrund der Erfindung
- In modernen Brennkraftmaschinen werden Vorrichtungen zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Vorrichtung umfasst eine Phasenstelleinrichtung, mit tels derer die Phasenrelation zwischen der Nockenwelle zur Kurbelwelle variabel eingestellt werden kann, und ein Antriebsrad, über das Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Phasenstelleinrichtung übertragen wird. Die Phasenstelleinrichtung weist ein Antriebselement und ein Abtriebselement auf, wobei das Antriebselement mit dem Antriebsrad verbunden und das Abtriebselement in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle steht.
- Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der
US 5,941,203 B2 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine hydraulische Phasenstelleinrichtung und ein Riemenrad. Das Riemenrad ist mittels einer Schraubverbindung drehfest mit der Vorrichtung verbunden. Dabei liegt das Riemenrad direkt an einer äußeren Mantelfläche der Phasenstelleinrichtung an. Derartige Riemenräder sind massiv, beispielsweise mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens, ausgebildet. - Eine weitere derartige Vorrichtung ist aus der
DE 10 2004 062 069 A1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine elektromagnetische Phasenstelleinrichtung und ein Antriebsrad. Die elektromechanische Phasenstelleinrichtungen umfasst ein Dreiwellengetriebe, in der dargestellten Ausführungsform ein Taumelscheibengetriebe, und einen elektrischen Stellmotor. Ebenso denkbar sind Ausführungsform, in denen das Dreiwellengetriebe beispielsweise als Planetengetriebe, Innenexzentergetriebe oder Wellgetriebe ausgebildet ist und statt des Stellmotors elektrische Bremsen vorgesehen sind. Dabei steht eine erste Welle des Dreiwellengetriebes mit der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung. Die zweite Welle steht in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle. Der Stellmotor oder die Bremse wirkt auf die dritte Welle. Über diese Welle kann dem Dreiwellengetriebe Rotationsenergie zugeführt oder aus diesem abgeführt werden, wobei durch das Übersetzungsverhältnis des Dreiwellengetriebes eine Verstellung der Phasenlage der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle bewirkt wird. - Nachteilig an diesen Ausführungsformen ist, dass die Vorrichtung während des Betriebs der Brennkraftmaschine hohen Temperaturen ausgesetzt ist, wodurch die Viskosität des Druckmittels sinkt. Damit steigt die Leckage innerhalb der Vorrichtung und aus dieser heraus, wodurch der Druckmittelverbrauch erhöht wird und die Verstellgeschwindigkeit der Vorrichtung sinkt. Des Weiteren tritt auf Grund der thermischen Ausdehnung der Bauteile erhöhter Verschleiß auf.
- Aufgabe der Erfindung
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei der Einfluss der Betriebstemperatur der Brennkraftmaschine auf die Vorrichtung gesenkt werden soll.
- Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass an einer Innenmantelfläche des Verzahnungsabschnitts Ventilationsrippen angeordnet sind.
- Die Vorrichtung weist eine Phasenstelleinrichtung, beispielsweise eine elektromechanische oder eine hydraulische Phasenstelleinrichtung, beispielsweise in Flügelzellenbauweise, auf.
- Die Phasenstelleinrichtung kann über ein Antriebsrad beispielsweise in Form eines Riemen-, Ketten- oder Zahnrades mittels eines Zahnriemens, einer Kette bzw. eines Zahnradtriebes von der Kurbelwelle angetrieben werden. Zu diesem Zweck ist das Antriebsrad drehfest mit der Phasenstelleinrichtung verbunden. Das Antriebsrad weist einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt auf, auf dessen Außenmantelfläche ein Zahnprofil ausgebildet ist, in das der Zahnriemen, die Kette bzw. ein weiteres Zahnrad eingreift. Dabei ist vorgesehen, dass an einer Innenmantelfläche des Verzahnungsabschnitts Ventilationsrippen angeordnet sind. Während des Betriebs der Brennkraftmaschine rotiert das Antriebsrad in der Regel mit halber Kurbelwellendrehzahl. Die Ventilationsrippen bewirken eine Luftverwirbelung zwischen der Innenmantelfläche des Antriebsrades und der Phasenstelleinrichtung. Somit werden sowohl die Phasenstelleinrichtung als auch das Antriebsrad gekühlt und somit die Temperatur der Vorrichtung gesenkt. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verzahnungsabschnitt radial beabstandet zur Phasenstelleinrichtung angeordnet ist.
- Somit ist ein Hohlraum zwischen dem Antriebsrad und der Phasenstelleinrichtung vorgesehen, in dem sich ein Luftstrom etablieren kann.
- In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verzahnungsabschnitt in radialer Richtung zu der Phasenstelleinrichtung angeordnet ist.
- In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass an dem Antriebsrad Befestigungselemente zur Befestigung des Antriebsrades an der Phasenstelleinrichtung vorgesehen sind. Die Befestigungselemente können beispielsweise separat gefertigt und stoff-, form- oder kraftschlüssig mit dem Antriebsrad verbunden sein.
- In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Befestigungselemente einteilig mit dem Antriebsrad ausgebildet sind. Mittels der Befestigungselemente kann das Antriebsrad an der Phasenstelleinrichtung zentriert werden. Somit werden Rundlauffehler des Antriebsrades vermieden. Dabei können an den Befestigungselementen Gewindeträger ausgebildet sein. Die Gewindeträger können beispielsweise ein Innengewinde aufweisen und zum Befestigen des Antriebsrades an der Phasenstelleinrichtung dienen.
- Das Antriebsrad kann beispielsweise als Riemenrad ausgebildet sein.
- Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verzahnungsabschnitt als spanlos gefertigtes Blechteil ausgebildet ist. Durch den Einsatz eines Antriebsrades, welches aus einem geeigneten Blech, beispielsweise einem Stahlblech, gefertigt ist, kann das Gewicht der Vorrichtung erheblich verringert werden. Durch den Einsatz von spanlosen Umformverfahren, beispielsweise Tiefziehverfahren, verringern sich die Produktionskosten signifikant.
- Darüberhinaus kann das gesamte Antriebsrad als spanlos gefertigtes Blechteil ausgebildet sein. Insbesondere können der Verzahnungsabschnitt, die einteilig mit diesem ausgebildeten Befestigungselemente und gegebenenfalls die Gewindeträger durch ein spanloses Umformverfahren aus einem geeigneten Blechteil geformt sein.
- In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass der Verzahnungsabschnitt in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist. Beispielsweise kann die Innenmantelfläche des Verzahnungsabschnitts als negativ zu dem Zahnprofil an dessen Außenmantelfläche ausgebildet sein. Somit weist der Verzah nungsabschnitt die Ventilationsrippen bei minimalem Materialeinsatz und damit verringertem Gewicht auf.
- Kurze Beschreibung der Zeichnungen
- Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen in denen Ausführungsbeispiele der Erfindung vereinfacht dargestellt sind. Es zeigen:
-
1 nur sehr schematisch eine Brennkraftmaschine, -
2 eine Draufsicht auf eine erste erfindungsgemäße Ausführungsform einer Vorrichtung zur Veränderung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, -
3 eine Draufsicht auf ein Antriebsrad der Vorrichtung, -
4 die Einzelheit Z aus3 , -
5 einen Längsschnitt durch das Antriebsrad aus3 , -
6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Antriebsrades. - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- In
1 ist eine Brennkraftmaschine1 skizziert, wobei ein auf einer Kurbelwelle2 sitzender Kolben3 in einem Zylinder4 angedeutet ist. Die Kurbelwelle2 steht in der dargestellten Ausführungsform über je einen Zugmitteltrieb5 mit einer Einlassnockenwelle6 bzw. Auslassnockenwelle7 in Verbindung, wobei eine erste und eine zweite Vorrichtung11 für eine Relativdrehung zwischen Kurbelwelle2 und den Nockenwellen6 ,7 sorgen können. Nocken8 der Nockenwellen6 ,7 betätigen ein oder mehrere Einlassgaswechselventile9 bzw. ein oder mehrere Auslassgaswechselventile10 . Ebenso kann vorgesehen sein nur eine der Nockenwellen6 ,7 mit einer Vorrichtung11 auszustatten, oder nur eine Nockenwelle6 ,7 vorzusehen, welche mit einer Vorrichtung11 versehen ist. - Die
2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung11 in Draufsicht. Die Vorrichtung11 umfasst ein Antriebsrad, in der dargestellten Ausführungsform ein Riemenrad24 , und eine Phasenstelleinrichtung20 . Die Phasenstelleinrichtung20 weist ein Antriebselement12 und ein Abtriebselement14 auf, die in axialer Richtung von zwei nicht dargestellten Seitendeckeln begrenzt werden. Das Abtriebselement14 ist in Form eines Flügelrades ausgeführt und weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgeführtes Nabenelement17 auf, von dessen äußerer zylindrischer Mantelfläche sich in der dargestellten Ausführungsform fünf Flügel18 in radialer Richtung nach außen erstrecken. Die Flügel18 sind separat zu dem Nabenelement17 ausgebildet und in Flügelnuten19 angeordnet. - Ausgehend von einer äußeren Umfangswand
22 des Antriebselements12 erstrecken sich fünf Vorsprünge23 radial nach innen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Vorsprünge23 einteilig mit der Umfangswand22 ausgebildet. Das Antriebselement12 ist mittels radial innen liegender Umfangswände der Vorsprünge23 relativ zu dem Abtriebselement14 drehbar zu diesem angeordnet. - Die Vorrichtung
11 weist des Weiteren ein Antriebsrad in Form eines Riemenrades24 auf, das drehfest an dem Antriebselement12 befestigt ist. Das Riemenrad24 und die Seitendeckel sind mittels fünf Schrauben27 drehfest an dem Antriebselement12 fixiert. - Über das Riemenrad
24 kann mittels eines nicht dargestellten Riementriebs Drehmoment von der Kurbelwelle2 auf das Antriebselement12 übertragen werden. Das Abtriebselement14 ist in montiertem Zustand drehfest mit der Nockenwelle6 ,7 verbunden. - Innerhalb der Phasenstelleinrichtung
20 ist zwischen jeweils zwei in Umfangs richtung benachbarten Vorsprüngen23 ein Druckraum28 ausgebildet. Jeder der Druckräume28 wird in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Begrenzungswänden29 benachbarter Vorsprünge23 , in axialer Richtung von den Seitendeckeln, radial nach innen von dem Nabenelement17 und radial nach außen von der Umfangswand22 begrenzt. In jeden der Druckräume28 ragt ein Flügel18 , wobei die Flügel18 derart ausgebildet sind, dass diese sowohl an den Seitendeckeln als auch an der Umfangswand22 anliegen. Jeder Flügel18 teilt somit den jeweiligen Druckraum28 in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern30 ,31 . - Das Abtriebselement
14 ist in einem definierten Winkelbreich drehbar zu dem Antriebselement12 angeordnet. Der Winkelbereich wird in einer Drehrichtung des Abtriebselements14 dadurch begrenzt, dass die Flügel18 an je einer korrespondierenden Begrenzungswand29 (Frühanschlag32 ) der Druckräume28 zum Anliegen kommen. Analog wird der Winkelbereich in der anderen Drehrichtung dadurch begrenzt, dass die Flügel18 an den anderen Begrenzungswänden29 der Druckräume28 , die als Spätanschlag33 dienen, zum Anliegen kommen. - Durch Druckbeaufschlagung einer Gruppe von Druckkammern
30 ,31 und Druckentlastung der anderen Gruppe kann die Phasenlage des Antriebselements12 zum Abtriebselement14 (und damit die Phasenlage der Nockenwelle6 ,7 zur Kurbelwelle2 ) variiert werden. Durch Druckbeaufschlagung beider Gruppen von Druckkammern30 ,31 kann die Phasenlage konstant gehalten werden. - In den
3 und5 ist das Riemenrad24 in Draufsicht und als Längsschnitt dargestellt. Das Riemenrad24 weist einen im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten Verzahnungsabschnitt15 und mehrere Befestigungselemente16 auf, mittels derer das Riemenrad24 an dem Antriebselement12 befestigt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform sind der Verzahnungsabschnitt15 und die Befestigungselemente16 einteilig ausgebildet und mittels eines spanlosen Umformverfahren, beispielsweise eines Tiefziehverfahrens, aus einem Blechteil hergestellt. Die Befestigungselemente16 sind an einem axialen Ende des Verzahnungsabschnitts15 angeordnet. Der Verzahnungsabschnitt15 weist an dessen äußerer Mantelfläche ein Zahnprofil35 auf, in das ein nicht dargestellter Zahnriemen der Brennkraftmaschine1 eingreifen kann. Des Weiteren sind an der Innenmantelfläche13 des Verzahnungsabschnitts15 Ventilationsrippen34 ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass der Verzahnungsabschnitt15 während des Umformprozesses in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Materialdicke des Verzahnungsabschnitts15 entlang des gesamten Umfangs konstant ist. Somit ist an der Innenmantelfläche13 des Verzahnungsabschnitts15 das Zahnprofil35 der Außenmantelfläche in gespiegelter Form ausgebildet. Der Verzahnungsabschnitt15 ist radial beabstandet zu der Phasenstelleinrichtung20 angeordnet, so dass in radialer Richtung ein Abstand zwischen der Innenmantelfläche13 des Verzahnungsabschnitts15 und der Außenmantelfläche der Phasenstelleinrichtung20 vorliegt. - Während des Betriebs der Brennkraftmaschine
1 rotiert das Riemenrad24 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle2 . Die Ventilationsrippen34 an der Innenmantelfläche13 des Verzahnungsabschnittes15 bewirken eine Verwirbelung der Umgebungsluft, wodurch die Phasenstelleinrichtung20 und das Riemenrad24 eine zusätzliche Kühlung erhalten. Somit wird die Materialbelastung gesenkt. Darüberhinaus wird die Temperatur des Druckmittels innerhalb der Phasenstelleinrichtung20 gesenkt, wodurch dessen Viskosität erhöht und damit die Leckage innerhalb der Phasenstelleinrichtung20 und aus dieser heraus gesenkt wird. - An dem axialen Ende des Verzahnungsabschnitts
15 , das den Befestigungselementen16 gegenübersteht, ist eine erste Bordscheibe25 einteilig mit dem Verzahnungsabschnitt15 ausgebildet. Die erste Bordscheibe25 verhindert ein Abwandern des Zahnriemens von dem Verzahnungsabschnitt15 in dieser Richtung während des Betriebs der Brennkraftmaschine1 . Die erste Bordscheibe25 kann während des spanlosen Herstellungsprozesses des Riemenrades24 ohne nennenswerten Zusatzaufwand ausgebildet werden. - Durch die Ausbildung des Riemenrades
24 aus einem geeigneten Blechteil kann das Gewicht der Vorrichtung11 im Vergleich zu den im Stand der Technik üblichen Sinterausführungen signifikant gesenkt werden. Durch den Einsatz spanloser Umformverfahren sinken die Herstellungskosten signifikant. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Gefahr von Rissbildungen an der ersten Bordscheibe oder den Befestigungselementen16 , die bei sintertechnisch hergestellten Riemenrädern auf Grund der komplexen Struktur besteht, bei den Riemenrädern24 aus Blech nicht besteht. Somit wird die Prozesssicherhit erhöht und der Produktionsausschuss verringert. - Die
6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Riemenrades24 . Im Unterschied zu dem in5 dargestellten Riemenrad24 sind in dieser Ausführungsform an den Befestigungselementen16 einteilig Gewindeträger21 ausgebildet, die mit einer Durchgangsbohrung versehen sind, in der ein Gewinde zum eingriff einer der Schrauben27 ausgebildet ist. Der Gewindeträger21 kann beispielsweise durch einen Ziehprozess während der Herstellung des Riemenrades24 hergestellt werden, wobei das Innengewinde durch einen Gewindeumform- oder Gewindeschneidprozess in der Durchgangsbohrung ausgebildet werden kann. - Des Weiteren ist eine zweite Bordscheibe
26 an dem axialen Ende des Verzahnungsabschnitts15 angebracht, an dem die Befestigungselemente16 angeordnet sind. Diese zweite Bordscheibe26 kann beispielsweise durch Stanzen oder Schneiden hergestellt und beispielsweise durch Schweißen, insbesondere Punktschweißen, Kleben, mechanisches Fügen mit Form- oder Stoffschluss oder einen Umformprozess drehfest mit dem Riemenrad24 verbunden werden. - Mittels der Befestigungselemente
16 bzw. der Gewindeträger21 kann das Riemenrad24 relativ zu der Phasenstelleinrichtung20 zentriert werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass an dem Riemenrad24 Strukturen zum Eingriff eines Positionierungswerkzeuges ausgebildet sind, um während der Montage der Vorrichtung11 an die Nockenwelle6 ,7 die Phasenlage der Phasenstelleinrichtung20 zu fixieren. -
- 1
- Brennkraftmaschine
- 2
- Kurbelwelle
- 3
- Kolben
- 4
- Zylinder
- 5
- Zugmitteltrieb
- 6
- Einlassnockenwelle
- 7
- Auslassnockenwelle
- 8
- Nocken
- 9
- Einlassgaswechselventil
- 10
- Auslassgaswechselventil
- 11
- Vorrichtung
- 12
- Antriebselement
- 13
- Innenmantelfläche
- 14
- Abtriebselement
- 15
- Verzahnungsabschnitt
- 16
- Befestigungselement
- 17
- Nabenelement
- 18
- Flügel
- 19
- Flügelnut
- 20
- Phasenstelleinrichtung
- 21
- Gewindeträger
- 22
- Umfangswand
- 23
- Vorsprung
- 24
- Riemenrad
- 25
- erste Bordscheibe
- 26
- zweite Bordscheibe
- 27
- Schraube
- 28
- Druckraum
- 29
- Begrenzungswand
- 30
- erste Druckkammer
- 31
- zweite Druckkammer
- 32
- Frühanschlag
- 33
- Spätanschlag
- 34
- Ventilationsrippen
- 35
- Zahnprofil
- ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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- Zitierte Patentliteratur
-
- - US 5941203 B2 [0003]
- - DE 102004062069 A1 [0004]
Claims (10)
- Vorrichtung (
11 ) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9 ,10 ) einer Brennkraftmaschine (1 ) mit – einer Phasenstelleinrichtung (20 ) und einem Antriebsrad (24 ), – wobei das Antriebsrad (24 ) an der Phasenstelleinrichtung (20 ) befestigt ist und einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt (15 ) aufweist, – dadurch gekennzeichnet, dass an einer Innenmantelfläche (13 ) des Verzahnungsabschnitts (15 ) Ventilationsrippen (34 ) angeordnet sind. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15 ) radial beabstandet zur Phasenstelleinrichtung (20 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15 ) in radialer Richtung zu der Phasenstelleinrichtung (20 ) angeordnet ist. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass an dem Antriebsrad (24 ) Befestigungselemente (16 ) zur Befestigung des Antriebsrades (24 ) an der Phasenstelleinrichtung (20 ) vorgesehen sind. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (16 ) einteilig mit dem Antriebsrad (24 ) ausgebildet sind. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Befestigungselementen (16 ) Gewindeträger (21 ) ausgebildet sind. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Antriebsrad (24 ) als Riemenrad (24 ) ausgebildet ist. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15 ) als spanlos gefertigtes Blechteil ausgebildet ist. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Riemenrad (24 ) als spanlos gefertigtes Blechteil ausgebildet ist. - Vorrichtung (
11 ) nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15 ) in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.
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