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Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
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In Verbrennungsmotoren werden zur Betätigung von Brennraumventilen Nockenwellen eingesetzt. Nockenwellen sind im Verbrennungsmotor derart angebracht, dass auf ihnen angebrachte Nocken an Nockenfolgern, beispielsweise Tassenstößeln, Schlepphebeln oder Schwinghebel, anliegen. Wird eine Nockenwelle in Drehung versetzt, so wälzen die Nocken auf den Nockenfolgern ab, die wiederum die Brennraumventile betätigen. Die Lage und die Form der Nocken legen folglich die Öffnungsdauer sowie die Öffnungsamplitude der Gaswechselventile fest. Gleichzeitig werden durch die Nocken der Nockenwelle auch die Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Brennraumventile im Verhältnis zu der Stellung bzw. Phasenrelation einer Kurbelwelle und den zugehörigen Zylindern festgelegt. Diese Öffnungs- und Schließzeitpunkte werden auch als Steuerzeiten bezeichnet.
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Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation dieser Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen der Kurbelwelle und einer Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung und Regelung der Steuerzeiten an die aktuelle Last und Drehzahl des Verbrennungsmotors kann den spezifischen Kraftstoffverbrauch und die Abgasemissionen senken. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb ausgebildet sein.
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Für eine Regelung der Steuerzeiten muss die jeweils gerade durch den Nockenwellenversteller eingestellte Phasenrelation bzw. Verstellwinkelphasenlage erfasst werden. Hierfür wird ein Sensorrad bzw. eine Triggerscheibe verwendet, mit dem in Verbindung mit einem externen berührungslosen Sensor die Winkelposition der Triggerscheibe zu irgendeinem gegebenen Zeitpunkt gemessen werden kann und somit auch die relative Winkelposition einer Nockenwelle zu einer Kurbelwelle ermittelt werden kann.
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Das Sensorrad kann unter Verwendung von Schrauben befestigt und in einer festen Position in Bezug auf einen Rotor des Nockenwellenverstellers gehalten werden. Der Nockenwellenversteller wird dann über der inneren Nockenwelle eingesetzt, um das Sensorrad und den Rotor axial an einer inneren Nockenwelle zu befestigen. Es ist sicherzustellen, dass der Rotor, die Nockenwelle und das Sensorrad gemeinsam drehen. Derartige Sensorräder bzw. Triggerscheiben sind beispielsweise aus der
DE 10 2010 015 716 A1 bekannt.
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Die Triggerscheibe besteht in der Regel aus einem umgeformten, gestanzten, dünnen Blech, welches in typischen Ausführungen mittels einer Zentralschraube an dem Rotor und der inneren Nockenwelle befestigt wird. Bei der Montage einer Triggerscheibe ist es zwingend erforderlich, die Triggerscheibe in einer definierten Winkelposition relativ zu den Nocken und dementsprechend zur Nockenwelle auszurichten, um eine Regelung im Betrieb zu ermöglichen. Die definierte Winkelposition kann während der Montage, d.h. beim Festdrehen der Zentralschraube, mit welcher die Triggerscheibe festgeklemmt werden kann, durch ein Hilfswerkzeug eingestellt und gehalten werden.
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Hierbei wird aufgrund der Drehbewegung der Zentralschraube relativ zu der Triggerscheibe beim Anziehen der Zentralschraube ein Reibmoment in die Triggerscheibe eingeleitet, welches ein unerwünschtes Mitdrehen der Triggerscheibe mit der Zentralschraube gegenüber der Nockenwelle bewirken kann. Um ein derartiges Mitdrehen zu verhindern, wird von dem vorgesehenen Hilfswerkzeug ein entsprechendes Haltemoment in die Triggerscheibe eingeleitet. Die auftretenden Momente machen eine entsprechend ausreichende Festigkeit der Triggerscheibe erforderlich, damit diese beim Montagevorgang nicht plastisch verformt wird. Es ergeben sich hieraus entsprechende Anforderungen an die Triggerscheibe in Bezug auf die Festigkeit, was erheblichen Einfluss auf die notwendige Materialstärke und den Werkstoff hat. Weiterhin kann dieser nachteilige Effekt bei der Montage dadurch erheblich verstärkt werden, dass bei der relativen Drehbewegung der Zentralschraube zu der Triggerscheibe adhäsiver Verschleiß auftreten kann, welcher den Reibbeiwert in diesem Kontaktbereich und somit das übertragende Reibmoment bei der Montage weiter erhöht.
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Aufgrund der mechanischen Anforderungen an die Triggerscheibe bei der Montage weist die Triggerscheibe eine hohe Masse auf, welche sich als rotierende Masse negativ auf die Dynamik des Nockenwellenverstellers und folglich auch auf den Verbrennungsmotor und dessen Gesamtgewicht auswirkt. Die erforderliche Festigkeit der Triggerscheibe macht zudem die Verwendungen von teureren Werkstoffen notwendig.
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Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, welcher die oben genannten Nachteile überkommt.
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Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.
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Es wird ein Nockenwellenversteller für einen Verbrennungsmotor vorgeschlagen, wobei der Nockenwellenversteller eine Triggerscheibe zur Bestimmung der relativen Winkelposition einer Nockenwelle zu einer Kurbelwelle aufweist. Die Triggerscheibe weist eine zentrale Öffnung auf. Eine Zentralschraube ist an dem Nockenwellenversteller vorgesehen, welche durch die zentrale Öffnung der Triggerscheibe steckbar ist. Die Triggerscheibe ist zwischen der Nockenwelle oder einem nockenwellenfesten Bauteil und einem Schraubenkopf der Zentralschraube angeordnet, wobei die Zentralschraube mit der Nockenwelle oder in einem nockenwellenfesten Bauteil verschraubbar ist. Die Triggerscheibe weist eine erste Scheibenseite und eine zweite Scheibenseite auf und ist zwischen dem Schraubenkopf der Zentralschraube und der Nockenwelle oder einem nockenwellenfesten Teil verspannbar. Weiterhin weist die Triggerscheibe mit der ersten Scheibenseite zumindest teilweise einen ersten Reibkontakt mit der Nockenwelle oder einem nockenwellenfesten Bauteil und mit der zweiten Scheibenseite zumindest teilweise einen zweiten Reibkontakt mit dem Schraubenkopf der Zentralschraube auf, wobei der erste Reibkontakt einen höheren Reibbeiwert als der zweite Reibkontakt aufweist.
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Der höhere Reibbeiwert des ersten Reibkontakts ermöglicht beim Festdrehen der Zentralschraube eine bessere Verdrehsicherung der Triggerscheibe gegenüber der Nockenwelle, wodurch das durch die Zentralschraube bei der Montage übertragene Drehmoment besser durch den ersten Reibkontakt aufgenommen werden kann. Folglich sind geringere Haltekräfte einer Hilfsvorrichtung notwendig, um die Triggerscheibe bei der Montage in einer definierten Position und Ausrichtung zu halten. Dies hat weiterhin zur Folge, dass die Triggerscheibe aufgrund der geringeren Kraftübertragung auf die Hilfsvorrichtung dünner und somit leichter und günstiger ausgeführt werden kann. Weiterhin wird eine höhere Sicherheit gegen Verdrehen der Triggerscheibe bei der Montage erreicht. Der höhere Reibbeiwert des ersten Reibkontakts führt beim Festdrehen der Zentralschraube dazu, dass zwischen dem Schraubenkopf der Zentralschraube und der Triggerscheibe geringere Momente übertragen werden können als zwischen der Triggerscheibe und der Nockenwelle bzw. den nockenwellenfesten Teilen. Dies führt dazu, dass ein Übergang von Haftreibung zu Gleitreibung beim Anziehen gezielt beim zweiten Reibkontakt entsteht bevor ein Übergang am ersten Reibkontakt erfolgt, wodurch eine unerwünschte Verdrehung der Triggerscheibe gegenüber der Nockenwelle verhindert wird.
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Der Reibbeiwert ist ein dimensionsloser Koeffizient, welcher auch unter der Bezeichnung Reibungszahl oder Reibungskoeffizient bekannt ist. Weiterhin wird der Reibbeiwert häufig mit dem Buchstaben µ beschrieben. Der Reibbeiwert gibt das Verhältnis von übertragbaren Reibkräften zu aufgebrachten, normal zu den Reibkräften wirkenden Andruckkräften an und ist insbesondere abhängig von der vorliegenden Materialpaarung und den entsprechenden Oberflächeneigenschaften.
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In vorteilhaften Ausführungsformen weist der erste Reibkontakt einen Reibbeiwert auf, welcher mindestens 10% höher als der Reibbeiwert des zweiten Reibkontakts ist. Dies ermöglicht die vorteilhafte Verdrehsicherung der Triggerscheibe sowie eine leichte und günstige Ausführung der Triggerscheibe.
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In bevorzugten Ausführungsformen weist der erste Reibkontakt einen Reibbeiwert auf, welcher mindestens 25% höher als der Reibbeiwert des zweiten Reibkontakts ist. Hierdurch kann insbesondere die Verdrehsicherung der Triggerscheibe bei der Montage weiter erhöht werden.
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Vorzugsweise weist die Triggerscheibe auf der ersten Scheibenseite und der zweiten Scheibenseite, vorzugsweise wesentlich, unterschiedliche mittlere Rauheit auf. Die unterschiedlichen Rauheitswerte auf den beiden Scheibenseiten der vorzugsweise aus Blech gefertigten Triggerscheibe ermöglichen eine vorteilhafte Einstellung der unterschiedlichen Reibbeiwerte der beiden Reibkontakte des Nockenwellenverstellers.
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In vorteilhaften Ausführungsformen weist die erste Scheibenseite und/oder die der ersten Scheibenseite zugewandte Oberfläche der Nockenwelle oder des nockenwellenfesten Bauteils eine reibungserhöhende Obenflächenbehandlung auf. Es kann eine Veränderung der Oberfläche des Grundwerkstoffs in seiner Struktur erfolgen, so dass ein Reibkontakt mit einem höheren Reibbeiwert erreicht werden kann.
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Vorzugsweise weist die erste Scheibenseite und/oder die der ersten Scheibenseite zugewandte Oberfläche der Nockenwelle oder des nockenwellenfesten Bauteils eine kugelgestrahlte Oberfläche auf. Kugelstrahlen kann in einfacher Weise beispielsweise auf nur einer Seite der Triggerscheibe durchgeführt werden, wodurch die Oberfläche in ihrer Struktur verändert werden kann.
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Weiterhin vorzugsweise weist die erste Scheibenseite und/oder die der ersten Scheibenseite zugewandte Oberfläche der Nockenwelle oder des nockenwellenfesten Bauteils eine laserbehandelte Oberfläche auf. Eine laserbehandelte Oberfläche weist eine laserinduzierte Veränderung der Oberfläche auf. Es können lokale oberflächennahe Aufschmelzungen sowie auch temperaturbedingte Oberflächenveränderungen, wie z.B. Gefügeänderungen, erreicht werden, welche vorzugsweise einseitig auf der Triggerscheibe angewendet werden können.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsformen weist die erste Scheibenseite oder die der ersten Scheibenseite zugewandte Oberfläche der Nockenwelle oder des nockenwellenfesten Bauteils eine Hartpartikelbeschichtung auf. Eine Hartpartikelbeschichtung ist eine Beschichtung oder Belegung einer Oberfläche mit Partikeln, welche eine höhere Härte als der beschichtete Grundwerkstoff aufweisen. Die Hartpartikelbeschichtung ermöglicht eine deutliche Verbesserung der Verdrehsicherung der Triggerscheibe bei der Montage durch einen reibungserhöhten Reibkontakt.
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Vorzugsweise weist die zweite Scheibenseite oder die der zweiten Scheibenseite zugewandte Oberfläche des Schraubenkopfes eine reibmindernde Beschichtung auf. Die reibmindernde Beschichtung, welche den Reibbeiwert des ersten Reibkontakts reduziert, verringert die Wahrscheinlichkeit, dass adhäsiver Verschleiß beim Anziehen der Zentralschraube auftritt. Weiterhin kann eine Triggerscheibe mit geringerer Festigkeit verwendet werden, da geringere Drehmomente durch das Anziehen der Zentralschraube übertragen werden.
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In bevorzugten Ausführungsformen ist die reibmindernde Beschichtung eine polymerbasierte Beschichtung. Eine entsprechende polymerbasierte Beschichtung kann kostengünstig und einfach aufgebracht werden.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Figur dargestellt. Es zeigt:
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1 einen Nockenwellenversteller in einer Schnittdarstellung.
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1 zeigt einen hydraulischen Nockenwellenversteller 1 in einer Schnittdarstellung. Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Abtriebselement und ein Antriebselement auf, welche ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkende Druckkammern 6 ausbilden, wobei die Druckkammern 6 mit Hydraulikmittel beaufschlagbar sind. Das Antriebselement und das Abtriebselement sind koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und die Entleerung einzelner Druckkammern 6 wird eine Relativbewegung zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und Abtriebselement rotativ wirkende Feder 7 drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.
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In diesem Ausführungsbeispiel ist der Nockenwellenversteller 1 ein Flügelzellenversteller. Der Flügelzellenversteller weist einen Stator 4, einen Rotor 5 und ein Antriebsrad 10 mit einer Außenverzahnung auf. Das Antriebselement beinhaltet den Stator 4 und das Antriebsrad 10. Der Stator 4 und das Antriebsrad 10 werden drehfest miteinander verbunden oder sind alternativ dazu einteilig ausgebildet. Der Rotor 5 ist als Abtriebselement meist mit der Nockenwelle 3 drehfest verbindbar ausgebildet. Der Rotor 5 ist koaxial zum Stator 4 und innerhalb des Stators 4 angeordnet. Der Rotor 5 und der Stator 4 bilden mit deren sich radial erstreckenden Flügeln gegensätzlich wirkende Druckkammern 6 bzw. Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativdrehung zwischen dem Stator 4 und dem Rotor 5 ermöglichen. Die Flügel sind entweder einteilig mit dem Rotor 5 bzw. dem Stator 4 ausgebildet oder als gesteckte Flügel in dafür vorgesehene Nuten des Rotors 5 bzw. des Stators 4 angeordnet. Weiterhin weist der Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Der Stator 4 und die Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen miteinander gesichert.
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Der Nockenwellenversteller 1 weist zur Bestimmung der Phasenlage eine Triggerscheibe 8 auf, deren Winkellage beispielsweise von einem nicht dargestellten berührungslosen Sensor erfasst werden kann. Die Triggerscheibe 8 besteht in diesem Ausführungsbeispiel aus einem umgeformten, gestanzten Blech mit einer beispielsweise vorteilhaften Blechdicke von 2,25 mm. Weiterhin weist die Triggerscheibe 8 eine zentrale Öffnung 9 auf, durch welche die Zentralschraube 2 verläuft, und um die radial die Reibkontakte angeordnet sind.
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Die Zentralschraube 2 ist in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel in ein Innengewinde der Nockenwelle 3 eingeschraubt und beinhaltet das Zentralventil 14, welches die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern 6 steuert. Weiterhin weist die Zentralschraube 2 einen Schraubenkopf 11 auf, welcher bei einem Eindrehen bzw. Festdrehen der Zentralschraube 2 in die Nockenwelle 3 die Triggerscheibe 8 in einem Klemmverband zwischen dem Schraubenkopf 11 und in diesem Ausführungsbeispiel einem nockenwellenfesten Bauteil, welches hier der Rotor 5 ist, herstellt.
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Die der Triggerscheibe 8 zugewandte Oberfläche des Schraubenkopfes 11 bzw. die Schraubenkopfauflage reibt beim Festziehen auf einer zweiten Oberfläche 13 der Triggerscheibe 8 und überträgt mit zunehmender Anpresskraft durch das entsprechende Anziehmoment und der zwangsläufigen Relativbewegung ein Drehmoment auf die Triggerscheibe 8. Diesem Drehmoment steht in diesem Ausführungsbeispiel der Rotor 5 als nockenwellenfestes Bauteil und die verbundene Nockenwelle 3 entgegen, in die die Zentralschraube 2 eingeschraubt wird.
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Mit einer der Triggerscheibe 8 zugewandten Oberfläche des Rotors 5 und der ersten Scheibenseite 12 der Triggerscheibe 8 wird ein erster Reibkontakt herstellt, der einem Mitdrehen der Triggerscheibe 8 mit der Zentralschraube 2 beim Anziehen entgegenwirkt. Zwischen der zweiten Scheibenseite 13 der Triggerscheibe 8 und dem Schraubenkopf 11 der Zentralschraube 2 liegt ein zweiter Reibkontakt vor.
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Der innere und äußere Durchmesser der verspannten Kontaktflächen zwischen dem Schraubenkopf 11 der Zentralschraube 2 und der Triggerscheibe 8 als zweiter Reibkontakt sind in etwa so groß wie der innere und äußere Durchmesser an der Kontaktstelle zwischen Triggerscheibe 8 und dem Rotor 5 als erster Reibkontakt. Der erste Reibkontakt und der zweite Reibkontakt weisen daher in etwa die gleichen mittleren Reibradien auf.
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Da in jedem Fall ein Mitdrehen der Triggerscheibe 8 mit der Zentralschraube 2 verhindert werden muss, um die definierte Winkelausrichtung für eine korrekte Messung der Phasenlage in einem späteren Betrieb des Nockenwellenverstellers 1 zu ermöglichen, kann die Triggerscheibe 8 zusätzlich von einem Hilfswerkzeug bei der Montage, nicht dargestellt, in dieser Lage gehalten werden.
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Die Triggerscheibe 8 weist in diesem vorteilhaften Ausführungsbeispiel eine geänderte Oberflächenstruktur durch eine Oberflächenbehandlung auf der ersten Scheibenseite 12 auf, wodurch der erste Reibkontakt einen gegenüber dem zweiten Reibkontakt höheren Reibbeiwert aufweist. Der Reibbeiwert des ersten Reibkontakts ist vorzugsweise mehr als 10%, weiterhin vorzugsweise mehr als 20%, höher als der Reibbeiwert des zweiten Reibkontakts, wodurch bei etwa gleichem mittleren Reibdurchmesser eine vorteilhafte Sicherung gegen unerwünschtes Verdrehen der Triggerscheibe 8 bei der Montage erreicht wird.
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In alternativen Ausführungsbeispielen kann die Triggerscheibe 8 auf der zweiten Scheibenseite 13 eine Beschichtung aufweisen, welche die Reibung und somit den Reibbeiwert reduziert, was einen vergleichbaren vorteilhaften Unterschied des Reibbeiwertes des ersten Reibkontakts zu dem Reibbeiwert des zweiten Reibkontakts ermöglichen kann.
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In weiteren vorteilhaften Ausführungsbeispielen können auf der Oberfläche des Rotors 5, welche in Kontakt mit der Triggerscheibe 8 tritt, reibungserhöhende Oberflächenbehandlungen vorgenommen werden. Darüber hinaus können auch reibmindernde Oberflächenbehandlungen oder Beschichtungen auf der Schraubenkopfauflage der Zentralschraube 2 genutzt werden, um ein entsprechend vorteilhaftes Verhältnis von Reibbeiwerten des ersten Reibkontakt und des zweiten Reibkontakts zu erreichen.
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Weiterhin können auch mehrere entsprechende verändernde Maßnahmen der tribologischen Eigenschaften auf der Zentralschraube 11, der Triggerscheibe 8 und der Nockenwelle 3 bzw. einem nockenwellenfesten Teil, wie dem Rotor 5, in Kombination erfolgen.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Nockenwellenversteller
- 2
- Zentralschraube
- 3
- Nockenwelle
- 4
- Stator
- 5
- Rotor
- 6
- Druckkammer
- 7
- Feder
- 8
- Triggerscheibe
- 9
- zentrale Öffnung
- 10
- Antriebsrad
- 11
- Schraubenkopf
- 12
- erste Scheibenseite
- 13
- zweite Scheibenseite
- 14
- Zentralventil
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102010015716 A1 [0005]
