DE102008048925A1

DE102008048925A1 - Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE102008048925A1
Application number: DE102008048925A
Authority: DE
Inventors: Josef Janitschek; Jürgen Weber
Original assignee: Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-09-25
Filing date: 2008-09-25
Publication date: 2010-04-01

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung (11) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9, 10) einer Brennkraftmaschine (1) mit einer Phasenstelleinrichtung (20) und einem Riemenrad (24), wobei das Riemenrad (24) an der Phasenstelleinrichtung (20) befestigt ist und einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt (15) und Befestigungselemente (16) zur Befestigung des Riemenrades (24) an der Phasenstelleinrichtung (20) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer Phasenstelleinrichtung und einem Riemenrad, wobei das Riemenrad an der Phasenstelleinrichtung befestigt ist und einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt und Befestigungselemente zur Befestigung des Riemenrades an der Phasenstelleinrichtung 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, mittels derer die Phasenrelation zwischen der Nockenwelle zur Kurbelwelle variabel eingestellt werden kann, und ein Riemenrad, 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 Riemenrad verbunden ist und das Abtriebselement in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle steht.
Eine derartige Vorrichtung ist aus der DE 10 2004 062 069 A1 bekannt. Die Vorrichtung umfasst eine elektromagnetische Phasenstelleinrichtung und ein Antriebsrad. Die elektromechanische Phasenstelleinrichtung 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.
Eine weitere 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.
Nachteilig an diesen Ausführungsformen sind das hohe Gewicht der Vorrichtungen und die aufwändige Herstellung der massiv, beispielsweise mittels eines pulvermetallurgischen Verfahrens, ausgebildeten Riemenräder.
Aufgabe der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine zu schaffen, wobei deren Gewicht und der Herstellungsaufwand gesenkt werden sollen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass das Riemenrad als Blechbauteil ausgebildet ist, das mittels eines spanlosen Umformverfahrens hergestellt ist.
Die Vorrichtung weist eine Phasenstelleinrichtung, beispielsweise eine elektromechanische oder eine hydraulische Phasenstelleinrichtung, beispielsweise in Flügelzellenbauweise, auf.
Die Phasenstelleinrichtung kann über ein Riemenrad mittels eines Zahnriemens von der Kurbelwelle angetrieben werden. Zu diesem Zweck ist das Riemenrad drehfest mit der Phasenstelleinrichtung verbunden. Das Riemenrad weist einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt auf, auf dessen Außenmantelfläche ein Zahnprofil ausgebildet ist, in das der Zahnriemen eingreift. Das Riemenrad weist weiterhin Befestigungselemente auf, mittels derer das Riemenrad an der Phasenstelleinrichtung zentriert und befestigt werden kann. Durch die Ausbildung des Riemenrades als spanloses Blechumformteil werden die Herstellungskosten und das Gewicht der Vorrichtung signifikant gesenkt.
Dabei kann vorgesehen sein, 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 Riemenrades und der Phasenstelleinrichtung. Somit werden sowohl die Phasenstelleinrichtung als auch das Riemenrad 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 Riemenrad und der Phasenstelleinrichtung vorgesehen, in dem sich ein Luftstrom etablieren kann. Dabei kann vorgesehen sein, dass der Verzahnungsabschnitt in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.
In einer Konkretisierung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Befestigungselemente einteilig mit dem Riemenrad ausgebildet sind. Somit werden die Befestigungselemente während des spanlosen Umformungsprozesses des Blechriemenrades ausgebildet, wodurch der Herstellungsaufwand sinkt. Des Weiteren besteht bei Anwendung eines derartigen Herstellungsverfahrens, anders als bei Anwendung eines pulvermetallurgischen Herstellungsverfahrens, nicht die Gefahr, dass sich Risse an den Befestigungselementen bilden. Somit wird die Prozesssicherheit erhöht und der Herstellungsaufwand, das Gewicht und die Herstellungskosten der Vorrichtung weiter gesenkt.
Darüber hinaus können an den Befestigungselementen einteilig Gewindeträger ausgebildet sein. Die Gewindeträger können ebenfalls mittels eines spanlosen Umformverfahrens während der Herstellung des Riemenrades ausgebildet werden. Das Gewinde kann in einem anschließenden Verfahrensschritt durch Gewindeumformen oder Gewindeschneiden in den Gewindeträger eingebracht werden. Somit kann das Riemenrad an die Phasenstelleinrichtung mittels Schrauben befestigt werden, wobei die Schrauben in das Gewinde des Gewindeträgers eingreifen. Dadurch können die sonst üblichen Gewinde in den Seitendeckeln der Vorrichtung entfallen und damit die Seitendeckel dünner ausgeführt werden, was zu einer weiteren Gewichtsreduzierung der Vorrichtung führt.
In einer Weiterbildung der Erfindung weist der Verzahnungsabschnitt ein Zahnprofil auf, an das sich in axialer Richtung eine einteilig mit dem Verzahnungsabschnitt ausgebildete erste Bordscheibe anschließt. Die Bordscheibe verhindert ein Abwandern des Zahnriemens in dieser Richtung und kann einteilig mit dem Riemenrad während dessen Herstellungsprozesses hergestellt werden. Somit sind keine zusätzlichen Fertigungsschritte zur Anbringung einer Bordscheibe nötig und eine Gefahr von Rissbildungen an dieser Stelle besteht nicht.
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 aus 3,
5 einen Längsschnitt durch das Antriebsrad aus 3,
6 einen Längsschnitt durch eine zweite Ausführungsform eines Antriebsrades.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
In 1 ist eine Brennkraftmaschine 1 skizziert, wobei ein auf einer Kurbelwelle 2 sitzender Kolben 3 in einem Zylinder 4 angedeutet ist. Die Kurbelwelle 2 steht in der dargestellten Ausführungsform über je einen Zugmitteltrieb 5 mit einer Einlassnockenwelle 6 bzw. Auslassnockenwelle 7 in Verbindung, wobei eine erste und eine zweite Vorrichtung 11 für eine Relativdrehung zwischen Kurbelwelle 2 und den Nockenwellen 6, 7 sorgen können. Nocken 8 der Nockenwellen 6, 7 betätigen ein oder mehrere Einlassgaswechselventile 9 bzw. ein oder mehrere Auslassgaswechselventile 10. Ebenso kann vorgesehen sein nur eine der Nockenwellen 6, 7 mit einer Vorrichtung 11 auszustatten, oder nur eine Nockenwelle 6, 7 vorzusehen, welche mit einer Vorrichtung 11 versehen ist.
Die 2 zeigt eine erste Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung 11 in Draufsicht. Die Vorrichtung 11 umfasst ein Antriebsrad, in der dargestellten Ausführungsform ein Riemenrad 24, und eine Phasenstelleinrichtung 20. Die Phasenstelleinrichtung 20 weist ein Antriebselement 12 und ein Abtriebselement 14 auf, die in axialer Richtung von zwei nicht dargestellten Seitendeckeln begrenzt werden. Das Abtriebselement 14 ist in Form eines Flügelrades ausgeführt und weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgeführtes Nabenelement 17 auf, von dessen äußerer zylindrischer Mantelfläche sich in der dargestellten Ausführungsform fünf Flügel 18 in radialer Richtung nach außen erstrecken. Die Flügel 18 sind separat zu dem Nabenelement 17 ausgebildet und in Flügelnuten 19 angeordnet.
Ausgehend von einer äußeren Umfangswand 22 des Antriebselements 12 erstrecken sich fünf Vorsprünge 23 radial nach innen. In der dargestellten Ausführungsform sind die Vorsprünge 23 einteilig mit der Umfangswand 22 ausgebildet. Das Antriebselement 12 ist mittels radial innen liegender Umfangswände der Vorsprünge 23 relativ zu dem Abtriebselement 14 drehbar zu diesem angeordnet.
Die Vorrichtung 11 weist des Weiteren ein Antriebsrad in Form eines Riemenrades 24 auf, das drehfest an dem Antriebselement 12 befestigt ist. Das Riemenrad 24 und die Seitendeckel sind mittels fünf Schrauben 27 drehfest an dem Antriebselement 12 fixiert.
Über das Riemenrad 24 kann mittels eines nicht dargestellten Riementriebs Drehmoment von der Kurbelwelle 2 auf das Antriebselement 12 übertragen werden. Das Abtriebselement 14 ist in montiertem Zustand drehfest mit der Nockenwelle 6, 7 verbunden.
Innerhalb der Phasenstelleinrichtung 20 ist zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen 23 ein Druckraum 28 ausgebildet. Jeder der Druckräume 28 wird in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden, im We sentlichen radial verlaufenden Begrenzungswänden 29 benachbarter Vorsprünge 23, in axialer Richtung von den Seitendeckeln, radial nach innen von dem Nabenelement 17 und radial nach außen von der Umfangswand 22 begrenzt. In jeden der Druckräume 28 ragt ein Flügel 18, wobei die Flügel 18 derart ausgebildet sind, dass diese sowohl an den Seitendeckeln als auch an der Umfangswand 22 anliegen. Jeder Flügel 18 teilt somit den jeweiligen Druckraum 28 in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern 30, 31.
Das Abtriebselement 14 ist in einem definierten Winkelbreich drehbar zu dem Antriebselement 12 angeordnet. Der Winkelbereich wird in einer Drehrichtung des Abtriebselements 14 dadurch begrenzt, dass die Flügel 18 an je einer korrespondierenden Begrenzungswand 29 (Frühanschlag 32) der Druckräume 28 zum Anliegen kommen. Analog wird der Winkelbereich in der anderen Drehrichtung dadurch begrenzt, dass die Flügel 18 an den anderen Begrenzungswänden 29 der Druckräume 28, die als Spätanschlag 33 dienen, zum Anliegen kommen.
Durch Druckbeaufschlagung einer Gruppe von Druckkammern 30, 31 und Druckentlastung der anderen Gruppe kann die Phasenlage des Antriebselements 12 zum Abtriebselement 14 (und damit die Phasenlage der Nockenwelle 6, 7 zur Kurbelwelle 2) variiert werden. Durch Druckbeaufschlagung beider Gruppen von Druckkammern 30, 31 kann die Phasenlage konstant gehalten werden.
In den 3 und 5 ist das Riemenrad 24 in Draufsicht und als Längsschnitt dargestellt. Das Riemenrad 24 weist einen im Wesentlichen hohlzylindrisch ausgebildeten Verzahnungsabschnitt 15 und mehrere Befestigungselemente 16 auf, mittels derer das Riemenrad 24 an dem Antriebselement 12 befestigt werden kann. In der dargestellten Ausführungsform sind der Verzahnungsabschnitt 15 und die Befestigungselemente 16 einteilig ausgebildet und mittels eines spanlosen Umformverfahrens, beispielsweise eines Tiefziehverfahrens, aus einem Blechteil hergestellt. Die Befestigungselemente 16 sind an einem axialen Ende des Verzahnungsabschnitts 15 angeordnet. Der Verzahnungsabschnitt 15 weist an dessen äußerer Mantelfläche ein Zahnprofil 35 auf, in das ein nicht dargestellter Zahnriemen der Brennkraftmaschine 1 eingreifen kann. Des Weiteren sind an der Innenmantelfläche 13 des Verzahnungsabschnitts 15 Ventilationsrippen 34 ausgebildet. In der dargestellten Ausführungsform wird dies dadurch erreicht, dass der Verzahnungsabschnitt 15 während des Umformprozesses in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet wird. Dabei ist vorgesehen, dass die Materialdicke des Verzahnungsabschnitts 15 entlang des gesamten Umfangs konstant ist. Somit ist an der Innenmantelfläche 13 des Verzahnungsabschnitts 15 das Zahnprofil 35 der Außenmantelfläche in gespiegelter Form ausgebildet. Der Verzahnungsabschnitt 15 ist radial beabstandet zu der Phasenstelleinrichtung 20 angeordnet, so dass in radialer Richtung ein Abstand zwischen der Innenmantelfläche 13 des Verzahnungsabschnitts 15 und der Außenmantelfläche der Phasenstelleinrichtung 20 vorliegt.
Während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 rotiert das Riemenrad 24 mit der halben Drehzahl der Kurbelwelle 2. Die Ventilationsrippen 34 an der Innenmantelfläche 13 des Verzahnungsabschnittes 15 bewirken eine Verwirbelung der Umgebungsluft, wodurch die Phasenstelleinrichtung 20 und das Riemenrad 24 eine zusätzliche Kühlung erhalten. Somit wird die Materialbelastung gesenkt. Darüberhinaus wird die Temperatur des Druckmittels innerhalb der Phasenstelleinrichtung 20 gesenkt, wodurch dessen Viskosität erhöht und damit die Leckage innerhalb der Phasenstelleinrichtung 20 und aus dieser heraus gesenkt wird.
An dem axialen Ende des Verzahnungsabschnitts 15, das den Befestigungselementen 16 gegenübersteht, ist eine erste Bordscheibe 25 einteilig mit dem Verzahnungsabschnitt 15 ausgebildet. Die erste Bordscheibe 25 verhindert ein Abwandern des Zahnriemens von dem Verzahnungsabschnitt 15 in dieser Richtung während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1. Die erste Bordscheibe kann während des spanlosen Herstellungsprozesses des Riemenrades 24 ohne nennenswerten Zusatzaufwand ausgebildet werden.
Durch die Ausbildung des Riemenrades 24 aus einem geeigneten Blechteil kann das Gewicht der Vorrichtung 11 im Vergleich zu den im Stand der Technik üblichen Sinterausführungen signifikant gesenkt werden. Durch den Einsatz spanloser Umformverfahren sinken die Herstellungskosten signifikant. Ein wei terer Vorteil besteht darin, dass die Gefahr von Rissbildungen an der ersten Bordscheibe 25 oder den Befestigungselementen 16, die bei sintertechnisch hergestellten Riemenrädern auf Grund der komplexen Struktur besteht, bei den Riemenrädern 24 aus Blech nicht besteht. Somit wird die Prozesssicherheit erhöht und der Produktionsausschuss verringert.
Die 6 zeigt eine weitere Ausführungsform eines Riemenrades 24. Im Unterschied zu dem in 5 dargestellten Riemenrad 24 sind in dieser Ausführungsform an den Befestigungselementen 16 einteilig Gewindeträger 21 ausgebildet, die mit einer Durchgangsbohrung versehen sind, in der ein Gewinde zum eingriff einer der Schrauben 27 ausgebildet ist. Der Gewindeträger 21 kann beispielsweise durch einen Ziehprozess während der Herstellung des Riemenrades 24 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 Verzahnungsabschnitts 15 angebracht, an dem die Befestigungselemente 16 angeordnet sind. Diese zweite Bordscheibe 26 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 Riemenrad 24 verbunden werden.
Mittels der Befestigungselemente 16 bzw. der Gewindeträger 21 kann das Riemenrad 24 relativ zu der Phasenstelleinrichtung 20 zentriert werden. Des Weiteren kann vorgesehen sein, dass an dem Riemenrad 24 Strukturen zum Eingriff eines Positionierungswerkzeuges ausgebildet sind, um während der Montage der Vorrichtung 11 an die Nockenwelle 6, 7 die Phasenlage der Phasenstelleinrichtung 20 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

- DE 102004062069 A1 [0003]
- US 5941203 B2 [0004]

Claims

Vorrichtung (11) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9, 10) einer Brennkraftmaschine (1) mit – einer Phasenstelleinrichtung (20) und einem Riemenrad (24), – wobei das Riemenrad (24) an der Phasenstelleinrichtung (20) befestigt ist und einen im Wesentlichen hohlzylindrischen Verzahnungsabschnitt (15) und Befestigungselemente (16) zur Befestigung des Riemenrades (24) an der Phasenstelleinrichtung (20) aufweist, – dadurch gekennzeichnet, dass das Riemenrad (24) als Blechbauteil ausgebildet ist, das mittels eines spanlosen Umformverfahrens hergestellt ist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15) in Umfangsrichtung wellenförmig ausgebildet ist.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Befestigungselemente (16) einteilig mit dem Riemenrad (24) ausgebildet sind.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass an den Befestigungselementen (16) einteilig Gewindeträger (21) ausgebildet sind.
Vorrichtung (11) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verzahnungsabschnitt (15) ein Zahnprofil (35) aufweist, an das sich in axia ler Richtung eine einteilig mit dem Verzahnungsabschnitt (15) ausgebildete erste Bordscheibe (25) anschließt.