DE102010008003A1

DE102010008003A1 - Zellenrad

Info

Publication number: DE102010008003A1
Application number: DE102010008003A
Authority: DE
Inventors: Olaf 90425 Boese
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2010-02-15
Filing date: 2010-02-15
Publication date: 2011-08-18
Also published as: US8656875B2; US20110197837A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Zellenrad (14) einer Vorrichtung (11) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9, 10) einer Brennkraftmaschine (1) mit einer zylindrischen Umfangswand (19), einem Antriebsrad (21), welches an einer äußeren Mantelfläche der Umfangswand (19) angeordnet ist, einem Dichtdeckel (16), der sich ausgehend von einer inneren Mantelfläche der Umfangswand (19) radial nach innen erstreckt, und mehreren Vorsprüngen (20), die sich ausgehend von der inneren Mantelfläche der Umfangswand (19) radial nach innen und ausgehend vom dem Dichtdeckel (16) in axialer Richtung erstrecken.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Zellenrad einer Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einer zylindrischen Umfangswand, einem Antriebsrad, welches an einer äußeren Mantelfläche der Umfangswand angeordnet ist, einem Dichtdeckel, der sich ausgehend von einer inneren Mantelfläche der Umfangswand radial nach innen erstreckt, und mehreren Vorsprüngen, die sich ausgehend von der inneren Mantelfläche der Umfangswand radial nach innen und ausgehend vom dem Dichtdeckel in axialer Richtung erstrecken.
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 einstellen zu können. Die Vorrichtung ist in einen Antriebsstrang integriert, über welchen Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb realisiert sein. Darüber hinaus ist die Vorrichtung drehfest mit einer Nockenwelle verbunden und weist eine oder mehrere Druckkammern auf, mittels derer die Phasenrelation zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle gezielt verändert werden kann. Üblicherweise werden die Vorrichtungen als Schwenkmotoren in Flügelzellenbauweise ausgebildet, wobei ein Zellenrad von der Kurbelwelle angetrieben und ein Flügelrad drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist. Dabei bilden das Zellenrad und das Flügelrad gegeneinander wirkende Druckkammern aus. Durch Druckmittelzufuhr zu einer Gruppe von Druckkammern bei gleichzeitigem Abfluss von Druckmittel aus der anderen Gruppe von Druckkammern kann die Phasenrelation des Flügelrades relativ zu dem Zellenrad und damit der Nockenwelle relativ zur Kurbelwelle variabel eingestellt werden.
Eine derartige Vorrichtung ist beispielsweise aus der US 6,457,447 B1 bekannt. Die Vorrichtung weist ein Zellenrad, ein Flügelrad und einen Seitendeckel auf, wobei das Zellenrad in Antriebsverbindung mit einer Kurbelwelle steht und das Abtriebselement drehfest an einer Nockenwelle befestigt ist.
Das Zellenrad ist topfförmig ausgebildet und weist eine zylindrische Umfangswand und einen scheibenförmigen Dichtdeckel auf, der sich ausgehend von der Umfangswand radial nach innen erstreckt. Darüber hinaus weist das Zellenrad mehrere Vorsprünge auf. Die Vorsprünge erstrecken sich ausgehend von der Umfangswand radial nach innen und ausgehend von dem Dichtdeckel in axialer Richtung.
Innerhalb der topfförmigen Struktur ist das Flügelrad angeordnet, dass ein im Wesentlichen zylindrisch ausgebildetes Nabenelement und mehrere sich in radialer Richtung nach außen erstreckende Flügel aufweist.
An der offenen Seite des tropfenförmigen Zellenrades ist ein Seitendeckel angeordnet, der mit dem Zellenrad verschraubt ist. Somit sind in der Vorrichtung mehrere Druckräume ausgebildet, die in radialer Richtung von dem Flügelrad und der Umfangswand, in Umfangsrichtung von benachbarten Vorsprüngen und in axialer Richtung von dem Dichtdeckel und dem Seitendeckel begrenzt sind. In jeden der Druckräume erstreckt sich ein Flügel des Flügelrades, wodurch jeder der Druckräume in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern geteilt wird.
Über ein Kettenrad, welches an dem Seitendeckel ausgebildet ist, wird die Vorrichtung während des Betriebs der Brennkraftmaschine mittels eines Kettentriebes von der Kurbelwelle angetrieben. Durch Druckzufuhr zu einer Gruppe von Druckkammern bei gleichzeitigem Druckmittelabfluss aus den anderen Druckkammern kann die Phasenlage des Flügelrades relativ zu dem Zellenrad variabel eingestellt werden.
Aufgabe der Erfindung
Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Herstellungsaufwand und die Belastung der Vorrichtung zu senken.
Zusammenfassung der Erfindung
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass die Umfangswand, das Antriebsrad, die Vorsprünge und der Dichtdeckel einteilig ausgebildet sind. Die Vorrichtung weist ein Zellenrad mit einer Umfangswand und einem Dichtdeckel auf. Der Dichtdeckel erstreckt sich ausgehend von einer inneren Mantelfläche der Umfangswand radial nach innen und ist im Wesentlichen scheibenförmig, in der Regel ringscheibenförmig mit einer zentralen Öffnung, ausgebildet. Somit bilden die Umfangswand und der Dichtdeckel eine topfförmige Struktur aus.
Drüber hinaus sind an dem Zellenrad Vorsprünge vorgesehen, die sich ausgehend von der inneren Mantelfläche der Umfangswand radial nach innen und ausgehend vom dem Dichtdeckel in axialer Richtung erstrecken. Die Vorsprünge begrenzen nach dem Einfügen eines Flügelrades in die topfförmige Struktur Druckkammern eines hydraulischen Stellantriebs in Umfangsrichtung des Zellenrades. Zu diesem Zweck ist der durch die Vorsprünge definierte Innendurchmesser des Zellenrades dem Außendurchmesser einer zylindrischen Fläche des Flügelrades angepasst.
Des Weiteren ist ein Antriebsrad vorgesehen, beispielsweise ein Ketten-, Riemen- oder Zahnrad, welches mittels eines Antriebsmittels, beispielsweise einer Kette, einem Riemen oder einem Zahnrad, von der Kurbelwelle angetrieben wird. Über das Antriebsrad wird das Zellenrad während des Betriebs der Brennkraftmaschine durch die Kurbelwelle in Rotation versetzt. Über den hydraulischen Stellantrieb wird das auf das Zellenrad übertragene Drehmoment auf ein in dem Zellenrad aufgenommenes Flügelrad übertragen, wobei die Phasenlage zwischen dem Flügelrad und dem Zellenrad innerhalb eines definierten Winkelbereichs variabel einstellbar ist. Das Flügelrad steht in Antriebsverbindung mit der Nockenwelle, so dass das Drehmoment auf diese übertragen wird. Dabei ist üblicherweise das Flügelrad drehfest mit der Nockenwelle verbunden.
Es ist vorgesehen, dass die Umfangswand, das Antriebsrad, die Vorsprünge und der Dichtdeckel einteilig ausgebildet sind. Somit sind die Funktionalitäten dieser Teilbauteile in einem Bauteil integriert. Dieses Bauteil kann beispielsweise in einem Sintervorgang oder einem (Metall- oder Kunststoff-)Spritzgussvorgang werkzeugfallend und somit kostenneutral hergestellt werden. Während der Montage der Vorrichtung muss das Antriebsrad nicht mehr mit den anderen Bauteilen, beispielsweise einer Außenmantelfläche der Umfangswand verbunden werden.
Im Vergleich zu Ausführungsformen, in denen das Antriebsrad einteilig mit einem Seitendeckel verbunden ist, der mittels Schrauben an dem offenen Ende der topfförmigen Struktur befestigt ist, sinkt die Belastung des Seitendeckels. Somit kann dieser dünner ausgeführt werden, wodurch das Massenträgheitsmoment der Vorrichtung verringert werden kann. Durch die einteilige Ausbildung der topfförmigen Struktur mit dem Antriebsrad entfällt während des Zusammenbaus der Vorrichtung die Notwendigkeit das Antriebsrad zu der Umfangswand zu positionieren um Rundlauffehler zu vermeiden.
In einer Weiterbildung der Erfindung wird vorgeschlagen, dass in dem Zellenrad ein Verriegelungsmittel aufgenommen oder ausgebildet ist, mittels dem eine lösbare mechanische Kopplung zwischen dem Zellenrad und einem Flügelrad der Vorrichtung hergestellt werden kann. Eine derartige mechanische Kopplung wird benötigt, wenn die Vorrichtung, beispielsweise beim Start der Brennkraftmaschine oder während des Heißleerlaufs, nur unzureichend mit Druckmittel versorgt wird. Zu diesem Zweck sind üblicherweise zwei Verriegelungsmittel vorgesehen, wobei eines der Verriegelungsmittel in dem Zellen- oder dem Flügelrad angeordnet und das andere Verriegelungsmittel an dem anderen Bauteil ausgebildet ist. Beispielsweise kann in dem Zellen- oder Flügelrad ein verschiebbar gelagerter Verriegelungskolben vorgesehen sein, der in eine Kulisse an dem anderen Bauteil eingreifen kann. In Ausführungsformen, in denen das Antriebsrad an einem mit dem Zellenrad verschraubten Seitendeckel ausgebildet ist, wird das von der Kurbelwelle auf das Antriebsrad übertragene Drehmoment über die Schraubverbindung auf das Zellenrad und anschließend über die Verriegelungsmittel auf das Flügelrad übertragen. Die in diesen Betriebsphasen auftretenden Belastungen übersteigen die normalen Betriebsbelastungen erheblich. Die Verschraubung zwischen dem Zellenrad und dem Seitendeckel muss so ausgelegt sein, dass diese die Belastungen stand hält. Durch die vorgeschlagene Neuerung liegt der Seitendeckel nicht mehr in dem Übertragungsweg des Drehmomentes, so dass die Verschraubung auf geringere Belastungen ausgelegt werden kann. Somit können Gewindegrößen und die Schraubenfestigkeit geringer gewählt werden, wodurch zusätzliche Freiheitsgrade in der Auslegung der Vorrichtung gewonnen und die Herstellungskosten gesenkt werden.
Darüber hinaus kann vorgesehen sein, dass zumindest das Antriebsrad mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist. Das Antriebsrad kann beispielsweise mit einer Diamantbeschichtung, beispielsweise einer C22+ Beschichtung, versehen sein. Ebenfalls denkbar sind die Härte steigernde Behandlungen, wie Nitrocarburieren oder eine Wasserdampfbehandlung. Somit kann für das Zellenrad ein günstiger Werkstoff eingesetzt werden, wobei das hoch belastete Antriebsrad vor Verschleiß geschützt ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, dass das Zellenrad aus einem Werkstoff ausreichender Grundhärte, beispielsweise einem mit Silizium angereicherten Aluminiumwerkstoff oder einem glasfaser- oder mineralfaserverstärktem Kunststoff, hergestellt wird.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung und aus den Zeichnungen in denen ein Ausführungsbeispiel der Erfindung vereinfacht dargestellt ist. Es zeigen:
1 nur sehr schematisch eine Brennkraftmaschine,
2 eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäßen Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine entlang der Rotationsachse der Vorrichtung,
3 eine perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Zellenrades der Vorrichtung aus 2,
4 eine Draufsicht auf das Zellenrad aus 3.
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 erfindungsgemäße Vorrichtung 11 in einer Draufsicht entlang der Rotationsachse der Vorrichtung 11. Konventionelle Vorrichtungen 11 sind beispielsweise aus der US 6,457,447 B1 bekannt. Die Vorrichtung 11 weist ein Zellenrad 14, ein Flügelrad 15 und einen nicht dargestellten Seitendeckel auf. Das Flügelrad 15 weist ein im Wesentlichen zylindrisch ausgeführtes Nabenelement 12 auf, von dessen äußerer zylindrischer Mantelfläche sich vier Flügel 17 in radialer Richtung nach außen erstrecken.
Das Zellenrad 14 weist eine zylindrische Umfangswand 19 auf, von deren innerer Mantelfläche sich vier Vorsprünge 20 radial nach innen erstrecken (3 und 4). Darüber hinaus ist ein ringscheibenförmiger Dichtdeckel 16 vorgesehen, der an einer axialen Seitenfläche der Umfangswand 19 ausgebildet ist. Der Dichtdeckel 16 erstreckt sich ausgehend von der Umfangswand 19 radial nach innen, wobei dieser die Vorsprünge 20 radial nach innen überragt. Somit wird durch den Dichtdeckel 16 und die Umfangswand 19 eine topfförmige Struktur ausgebildet. Die Vorrichtung 11 weist darüber hinaus einen nicht dargestellten Seitendeckel auf, der an der offenen axialen Seitenfläche des Topfes angeordnet und mit dem Topf verschraubt ist. An einer äußeren Mantelfläche der Umfangswand 19 ist ein Antriebsrad, in der dargestellten Ausführungsform ein Kettenrad 21, ausgebildet. Das Zellenrad 14 ist aus Sinterstahl hergestellt, wobei das Kettenrad 21 ist mit einer Verschleißschutzschicht, die mittels eines Nitrocarburierungsverfahrens hergestellt wurde, versehen ist. Alternativ kann das Zellenrad auch aus einem Werkstoff ausreichender Grundhärte hergestellt sein. In Frage kommen beispielsweise glas- oder mineralfaserverstärkte Kunststoffe oder ein mit Silizium angereicherten Aluminiumwerkstoff.
Die Vorsprünge 20 erstrecken sich ausgehend von dem Dichtdeckel 16 in axialer Richtung in die topfförmige Struktur des Zellenrades 14 hinein und liegen an dem nicht dargestellten Seitendeckel an.
Das Zellenrad 14 ist als Sinterbauteil ausgebildet, wobei der Dichtdeckel 16, die Vorsprünge 20 und das Kettenrad 21 einteilig mit der Umfangswand 19 ausgeführt sind. Dabei ist die Geometrie des Zellenrades 14 derart ausgeführt, dass dieses vollständig mittels eines Sintervorgangs werkzeugfallend hergestellt werden kann.
Das Flügelrad 15 ist im montierten Zustand innerhalb der durch die Umfangswand 19 und den Dichtdeckel 16 gebildeten topfförmigen Struktur angeordnet. Dabei ist der Innendurchmesser der Vorsprünge 20 dem Außendurchmesser des Nabenelements 12 angepasst. Zwischen jeweils zwei in Umfangsrichtung benachbarten Vorsprüngen 20 ist ein Druckraum 22 ausgebildet. Jeder der Druckräume 22 wird in Umfangsrichtung von gegenüberliegenden, im Wesentlichen radial verlaufenden Begrenzungswänden benachbarter Vorsprünge 20, in axialer Richtung von dem Dichtdeckel 16 und dem nicht dargestellten Seitendeckel, radial nach innen von dem Nabenelement 12 und radial nach außen von der Umfangswand 19 begrenzt. In jeden der Druckräume 22 ragt ein Flügel 17, wobei die Flügel 17 derart ausgebildet sind, dass diese sowohl an dem Dichtdeckel 16, dem Seitendeckel als auch an der Umfangswand 19 anliegen. Jeder Flügel 17 teilt somit den jeweiligen Druckraum 22 in zwei gegeneinander wirkende Druckkammern 23, 24.
Das Zellenrad 14 wird über das Kettenrad 21 während des Betriebs der Brennkraftmaschine 1 mittels des Kettentriebs 5 von der Kurbelwelle 2 in Rotation versetzt. Das Flügelrad 15 ist drehfest mit einer Nockenwelle 6, 7 verbunden.
Das Flügelrad 15 ist in einem definierten Winkelbreich drehbar zu dem Zellenrad 14 angeordnet. Der Winkelbereich wird in einer Drehrichtung des Flügelrades 15 dadurch begrenzt, dass einer der Flügel 17 an einem ersten Anschlag 25 eines Vorsprungs 20 zum Anliegen kommt. Analog wird der Winkelbereich in der anderen Drehrichtung dadurch begrenzt, dass der Flügel 17 an einem zweiten Anschlag 26 eines Vorsprungs 20 zum Anliegen kommt.
Durch Druckbeaufschlagung einer Gruppe von Druckkammern 23, 24 und Druckentlastung der anderen Gruppe kann die Phasenlage des Zellenrades 14 zum Flügelrad 15 und damit die Phasenlage der Nockenwelle 6, 7 zur Kurbelwelle 2 variiert werden. Durch Druckbeaufschlagung beider Gruppen von Druckkammern 23, 24 kann die Phasenlage konstant gehalten werden. In Umfangsrichtung benachbart zu den Vorsprüngen 20 sind axiale Vertiefungen 27 an dem Dichtdeckel 16 ausgebildet um zu vermeiden, dass die Flügel 17 in einer der Endlagen an einer Phase zwischen dem Dichtdeckel 16 und den Vorsprüngen 20 verklemmen.
Der Dichtdeckel 16 weist ein Verriegelungsmittel, in der dargestellten Ausführungsform eine Kulisse 13 in Form einer runden axialen Ausnehmung, auf. Darüber hinaus ist in einem der Flügel 17 eine Aufnahme 29 ausgebildet, in der ein Verriegelungskolben 30 axial verschiebbar angeordnet ist. Der Verriegelungskolben 30 wird mittels eines nicht dargestellten Federelements mit einer Kraft in Richtung des Dichtdeckel 16 beaufschlagt. Stehen sich die Kulisse 13 und der Verriegelungskolben 30 in axialer Richtung gegenüber, drängt das Federelement den Verriegelungskolben 30 in die Kulisse 13, so dass der Verriegelungskolben 30 sowohl in der Kulisse 13 als auch der Aufnahme 29 angeordnet ist. Somit ist eine lösbare mechanische Verbindung des Flügelrades 15 mit dem Zellenrad 14 realisiert, die einer Veränderung der Phasenlage des Flügelrades 15 relativ zu dem Zellenrad 14 verhindert. Wird von einem Steuergerät der Brennkraftmaschine 1 eine Phasenverstellung angefordert, so wird über einen Druckmittelkanal 31 der Kulisse 13 Druckmittel zugeführt, wodurch der Verriegelungskolben 30 in die Aufnahme 29 zurückgedrängt und somit die mechanische Kopplung des Flügelrades 15 mit dem Zellenrad 14 gelöst wird. Anschließend wird durch Druckbeaufschlagung einer Gruppe von Druckkammern 23, 24 bei gleichzeitiger Druckentlastung der anderen Druckkammern 23, 24 die Phasenlage eingestellt.
Bezugszeichenliste

1: Brennkraftmaschine
2: Kurbelwelle
3: Kolben
4: Zylinder
5: Zugmitteltrieb
6: Einlassnockenwelle
7: Auslassnockenwelle
8: Nocken
9: Einlassgaswechselventil
10: Auslassgaswechselventil
11: Vorrichtung
12: Nabenelement
13: Kulisse
14: Zellenrad
15: Flügelrad
16: Dichtdeckel
17: Flügel
19: Umfangswand
20: Vorsprung
21: Kettenrad
22: Druckraum
23: erste Druckkammer
24: zweite Druckkammer
25: erster Anschlag
26: zweiter Anschlag
27: Vertiefung
29: Aufnahme
30: Verriegelungskolben
31: Druckmittelkanal

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

US 6457447 B1 [0003, 0023]

Claims

Zellenrad (14) einer Vorrichtung (11) zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen (9, 10) einer Brennkraftmaschine (1) mit – einer zylindrischen Umfangswand (19), – einem Antriebsrad (21), welches an einer äußeren Mantelfläche der Umfangswand (19) angeordnet ist, – einem Dichtdeckel (16), der sich ausgehend von einer inneren Mantelfläche der Umfangswand (19) radial nach innen erstreckt, und – mehreren Vorsprüngen (20), die sich ausgehend von der inneren Mantelfläche der Umfangswand (19) radial nach innen und ausgehend vom dem Dichtdeckel (16) in axialer Richtung erstrecken, – dadurch gekennzeichnet, dass – die Umfangswand (19), das Antriebsrad (21), die Vorsprünge (20) und der Dichtdeckel (16) einteilig ausgebildet sind.
Zellenrad (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in dem Zellenrad (14) ein Verriegelungsmittel (13, 30) aufgenommen oder ausgebildet ist, mittels dem eine lösbare mechanische Kopplung zwischen dem Zellenrad (14) und einem Flügelrad (15) der Vorrichtung (11) hergestellt werden kann.
Zellenrad (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zumindest das Antriebsrad (21) mit einer Verschleißschutzschicht versehen ist.
Zellenrad (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellenrad aus einem mit Silizium angereicherten Aluminiumwerkstoff besteht.
Zellenrad (14) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Zellenrad aus einem glasfaser- oder mineralfaserverstärktem Kunststoff besteht.