DE19715570A1

DE19715570A1 - Interne Abdichtung einer Nockenwellen-Verstelleinrichtung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Flügelzellen-Verstelleinrichtung

Info

Publication number: DE19715570A1
Application number: DE1997115570
Authority: DE
Inventors: Mike Dipl Ing Kohrs; Jochen Dipl Ing Auchter; Jens Dipl Ing Schaefer
Original assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Current assignee: INA Waelzlager Schaeffler OHG
Priority date: 1997-04-15
Filing date: 1997-04-15
Publication date: 1998-10-22
Also published as: WO1998046864A1; DE19781754C1

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine interne Abdichtung einer Nockenwellen-Verstell einrichtung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Flügelzellen- Verstelleinrichtung, bestehend aus einem als Außenrotor ausgebildeten, mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette oder über Zahnräder verbundenen Antriebsrad, welches einen durch eine Umfangswand und zwei Seitenwände gebildeten Hohlraum aufweist, wobei an der Außenseite der Umfangswand eine Verzahnung vorgesehen ist und in die Innenseite der Umfangswand mindestens eine Arbeitskammer mit zur Längsmittelachse des Antriebsrades gerichteten Begrenzungswänden einge arbeitet ist, wobei in den Hohlraum des Antriebsrades ein als Innenrotor ausge bildetes, drehfest mit der Nockenwelle verbundenes Flügelrad mit mindestens einem radialen Flügel eingesetzt ist, dessen Flügel jede Arbeitskammer wieder um in jeweils zwei Druckräume unterteilen, welche durch wahlweise, zeitlich versetzte oder gleichzeitige Druckbeaufschlagung mit einem Drucköl eine Relativverdrehung und/oder eine stufenlose hydraulische Einspannung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirken.

Hintergrund der Erfindung

Bei den der Fachwelt allgemein bekannten Flügelzellen-Verstelleinrichtungen der oben genannten Art erfolgt die Abdichtung der Druckräume im Hohlraum des Antriebsrades gegen Drucköl-Leckagen zumeist zum einen durch zwei enge Radialspalte zwischen den Flügeln des Flügelrades und der Umfangswand sowie zwischen der Nabe des Flügelrades und der Umfangswand des Antriebsrades sowie zum anderen durch zwei enge Axialspalte zwischen den Flügelseiten wänden des Flügelrades und den Seitenwänden des Antriebsrades. Aus ferti gungstechnischer Sicht ist es jedoch nicht oder nur sehr aufwendig möglich, bei derartigen Flügelzellen-Verstelleinrichtungen in Radialrichtung zwei enge bzw. dichtende Radialspalte herzustellen, da es hierbei zu Überbestimmungen zwischen dem Flügelrad und dem Antriebsrad kommt, durch die zwangsläufig einer der Radialspalte nicht mehr bestimmungsgemäß abdichtet. Trotz kosten aufwendiger und paßgenauer Fertigung der Einzelteile solcher Verstelleinrich tungen kommt es somit vor, daß im Motorbetrieb mit zunehmender Temperatur des Drucköls über die an sich begrenzt erforderliche Leckage hinaus zunehmen de Leckagen durch die Radial- und Axialspalte hindurch auftreten, die zu einem Absinken des Versorgungsöldrucks und somit zu verzögerten Verstellzeiten sowie zu einer zu weichen hydraulischen Einspannung des Flügelrades und somit der Nockenwelle führen. Dies wirkt sich verstärkt nachteilig bei hohen Öltemperaturen aus, da dort die Viskosität und der Versorgungsöldruck beson ders gering sind, so daß die vom Kennfeld der Motorsteuerung vorgegebene Verstellposition der Nockenwelle in nachteiliger Weise häufig nachgeregelt werden muß und/oder höhere Ölfördermengen zur Verfügung gestellt werden müssen.

Durch eine weitere, in der DE-OS 39 22 962 offenbarte gattungsgemäße An triebsvorrichtung für eine Nockenwelle ist es darüber hinaus bekannt, in die Flügel des Flügelrades axiale und radiale Nuten einzuarbeiten und in diese Nuten federgelagerte Dichtungen einzusetzen, die mit der Umfangswand und den Seitenwänden des Hohlraumes des Antriebsrades dichtend zusammen wirken.

Diese Dichtungsmaßnahmen haben sich jedoch hinsichtlich des Fertigungsauf wandes und der Herstellungskosten für Flügelzellen-Verstelleinrichtungen als äußerst aufwendig erwiesen und können durch die Übergangsstöße zwischen den einzelnen Axial- und Radialdichtungen ebenfalls noch keine zufrieden stellende Senkung der Leckagewerte gewährleisten.

Aufgabe der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine interne Abdichtung einer Nockenwel len-Verstelleinrichtung an einer Brennkraftmaschine, insbesondere einer Flügel zellen-Verstelleinrichtung, zu konzipieren, mit welcher mit einfachen, kosten günstigen Mitteln unerwünschte Drucköl-Leckagen zwischen den Druckräumen im Hohlraum des Antriebsrades auf ein Minimum reduzierbar sind.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe bei einer Flügelzellen-Verstelleinrichtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs i derart gelöst, daß jeder Flügel des Flügelrades als innerhalb einer Führung im Flügelrad bewegliches, gesondertes Flügelsegment ausgebildet ist, welches sowohl radial zur Umfangswand des Antriebsrades in der jeweiligen Arbeitskammer als auch axial zu den Seiten wänden des Antriebsrades einen Abstand aufweist, der radial durch die wäh rend des Motorbetriebes aus der Rotation der Flügelzellen-Verstelleinheit resultierende und auf das Flügelsegment wirkende Radialfliehkraft und axial durch mindestens ein mit Vorspannung beaufschlagtes Axialdichtelement lecka gefrei abgedichtet ist. Zweckmäßige Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche 2 bis 4, welche jedoch auch selbständige, schutzfähige Merkmale enthalten können.

Die erfindungsgemäß ausgebildete Flügelzellen-Verstelleinrichtung hebt sich somit gegenüber dem Stand der Technik dadurch positiv ab, daß die Fertigung des Flügelrades wesentlich vereinfacht wird und gleichzeitig die Leckagewerte im Hohlraum des Antriebsrades weitestgehend minimiert werden. Zwar besteht das Flügelrad in erfindungsgemäßer Ausbildung aus mehr Einzelteilen als bisher üblich, sie müssen jedoch nicht mehr mit den bei bekannten Flügelzellen- Verstelleinrichtungen notwendigen engen Toleranzen, die sich nachteilig auf den Fertigungsaufwand und auf die Herstellungskosten der Flügelzellen-Verstell einrichtung auswirken, hergestellt werden. Ebenso ist durch die erfindungs gemäße Trennung der Flügel des Flügelrades von der Nabe des Flügelrades eine Überbestimmung zwischen der Nabe dem Flügelrad und dem Antriebsrad nicht mehr möglich, so daß zwischen der Nabe des Flügelrades und der Umfangs wand des Antriebsrades ein exakter radialer Dichtspalt hergestellt werden kann.

In zweckmäßiger Ausgestaltung der Erfindung ist die Führung für jedes Flügel segment dabei bevorzugt als parallel zur Längsmittelachse verlaufende Radialnut mit parallel zueinander ausgerichteten axialen Seitenwänden in der Nabe des Flügelrades ausgebildet, welche das eingesetzte, bevorzugt quaderförmige Flügelsegment annähernd zur Hälfte seiner Höhe umschließt. Hinsichtlich des zu erzielenden Verstellwinkels zwischen der Kurbelwelle und der Nockenwelle sowie hinsichtlich der notwendigen Verstellgeschwindigkeit und hydraulischen Einspannkraft hat es sich als Optimum erwiesen, jeweils drei solcher Radialnu ten gleichmäßig an der Nabe des Flügelrades zu verteilen und jeweils drei gleichartig ausgebildete Flügelsegmente in diesen Radialnuten einzusetzen. Vom Schutzumfang der Erfindung eingeschlossen sind jedoch auch solche Lösungen, bei denen das Flügelrad mit weniger als drei oder auch mehr als drei Flügelseg menten ausgebildet ist und/oder bei denen die Flügelsegmente durch die Radial nuten zu mehr oder auch weniger als die Hälfte ihrer Höhe umschlossen wer den. Ebenso stellt die bevorzugt quaderförmige Ausbildung der Flügelsegmente nur eine von mehreren möglichen Ausführungsformen dar, da mit derartigen Flügelsegmenten ein relativ langer radialer Dichtspalt und somit eine hohe Dichtheit zwischen den Druckräumen in jeder Arbeitskammer erzielt werden kann.

Die mit der Umfangswand des Antriebsrades in der jeweiligen Arbeitskammer in Wirkverbindung stehende Dichtfläche jedes Flügelsegmentes weist deshalb in weiterer Konkretisierung der Erfindung bevorzugt radial den gleichen Radius und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Umfangswand in der jeweili gen Arbeitskammer auf. Die dieser auch mit einem kleineren Radius ausbildba ren Dichtfläche gegenüberliegende Bodenfläche jedes Flügelsegmentes ist dagegen bevorzugt gerade ausgebildet, so daß die Flügelsegmente zugleich gute Gleiteigenschaften innerhalb der Arbeitskammern im Verstellbetrieb aufweisen und ein Verkippen oder Verkanten der Flügelsegmente innerhalb der Führungen weitestgehend ausgeschlossen ist. Druckmittel-Leckagen über die durch die radiale Beweglichkeit der Flügelsegmente an einer Seitenwand der Führung und/oder unterhalb der Bodenfläche der Flügelsegmente entstehenden Spalte sind dabei ebenso weitestgehend ausgeschlossen, da der jeweils in einer Druck kammer anliegende Druck des Druckmittels auch in diesen Spalten anliegt und ähnlich wie bei Stahldichtringen bewirkt, daß einerseits die Flügelsegmente an die der Druckrichtung gegenüberliegende Seitenwand jeder Führung dichtend angepreßt werden, während andererseits die Radialfliehkraft der Flügelsegmente durch eine die Dichtwirkung der Flügelsegmente zur Umfangswand in den Arbeitskammern weiter erhöhende Radialdruckkraft unterstützt wird. Zusätzlich ist es hierbei noch möglich, zur weiteren Unterstützung der Radialfliehkraft der Flügelsegmente radial auf deren Bodenfläche wirkende Federelemente, wie Bie gebalken, Druckfedern od. dgl., anzuordnen, um die Dichtwirkung der Flügel segmente noch weiter zu erhöhen.

In weiterer Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Abdichtung einer Flügelzel len-Verstelleinrichtung wird es schließlich noch vorgeschlagen, die Axialdicht elemente an jedem Flügelsegment bevorzugt als Stahldichtleisten, die in über deren gesamte Höhe verlaufenden Axialnuten angeordnet sind, auszubilden und durch jeweils auf deren nutseitige Längskante wirkenden Federelemente, wie Druckfedern, Blattfedern oder Elastomerelemente vorzuspannen. Eine zufrie denstellende Dichtwirkung in axialer Richtung zwischen den Druckkammern wird dabei bereits durch eine an einer der Axialseiten der Flügelsegmente in einer solchen Axialnut angeordnete Stahldichtleiste erreicht, möglich ist es jedoch auch, an beiden mit den Seitenwänden des Antriebsrades Wirkverbin dung stehenden Axialseiten jedes Flügelsegmentes eine oder mehrere Stahldicht leiste(n) vorzusehen oder statt dessen auch Dichtleisten aus Kunststoff, Gummi oder nichteisenmetallischen Werkstoffen zu verwenden. Die Stahldichtleisten weisen dann bevorzugt einen Vierkantquerschnitt auf, dessen Breite annähernd der Breite der komplementären Axialnut entspricht und dessen Höhe bei Ver wendung von Druckfedern zur Erzeugung ihrer Vorspannung geringfügig größer als die Tiefe der Axialnut ist. Die Druckfedern werden bei Anordnung von je einer Stahldichtleiste an den Flügelsegmenten in vom Nutboden der Axialnut ausgehenden Sackbohrungen angeordnet, wobei sich zwei Sackbohrungen und zwei Druckfedern je Stahldichtleiste als am vorteilhaftesten erwiesen haben. Bei Anordnung von zwei Stahldichtleisten je Flügelsegment werden die Druckfe dern dagegen in vom Nutboden zum Nutboden durchgehenden Bohrungen derart angeordnet, daß sich die Stahldichtleisten jedes Flügelsegmentes gegen seitig abstützen. Ist zur Erzeugung der Vorspannung der Stahldichtleisten als Alternative zu den Druckfedern die Anwendung von Blattfedern oder Elastomer elementen vorgesehen, ist bei über die gesamte Länge der Axialnut durch gehenden Blattfedern oder Elastomerelementen die Tiefe der Axialnut um die Höhe der einzusetzenden Blattfedern oder Elastomerelemente zu vergrößern. Punktförmig wirkende Elastomerelemente können dagegen in der gleichen Art und Weise wie Druckfedern in den Flügelsegmenten des Flügelrades angeordnet werden. Es ist jedoch auch möglich, die Axialdichtelemente als Dichtleisten mit einem runden oder anderen geeigneten Profilquerschnitt auszubilden und/oder die Axialdichtelemente ohne Vorspannung in die Axialnuten einzusetzen und die Anpreßfunktion der Federelemente, ähnlich wie bei Stahldichtringen, über den anliegenden Druck des hydraulischen Druckmittels zu realisieren.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend anhand von Zeichnungen näher erläutert. Dabei zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt durch eine Flügelzellen-Verstelleinrichtung mit erfindungsgemäßer Abdichtung;

Fig. 2 den Schnitt A-A nach Fig. 1;

Fig. 3 den Schnitt B-B nach Fig. 2;

Fig. 4 die Einzelheit Z nach Fig. 1 bei Verwendung von Elastomer elementen.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Aus den Fig. 1 und 2 geht eine Flügelzellen-Verstelleinrichtung in verschie denen Ansichten hervor, die in bekannter Weise aus einem als Außenrotor ausgebildeten Antriebsrad 2 und einem als Innenrotor ausgebildeten Flügelrad 13 besteht, wobei in den Zeichnungen nicht näher dargestellt wurde, daß das Antriebsrad 2 im konkreten Fall über eine Steuerkette mit einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine und das Flügelrad 13 drehfest mit einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine verbunden ist. Des weiteren ist in den Zeichnungen zu sehen, daß das Antriebsrad 2 einen durch eine Umfangswand 3 und zwei Seitenwände 7, 8 gebildeten Hohlraum 9 aufweist, wobei an der Außenseite der Umfangswand 3 eine Verzahnung 4 vorgesehen ist und in die Innenseite der Umfangswand 3 drei Arbeitskammern 5 mit jeweils zur Längsmittelachse des Antriebsrades 2 gerichteten Begrenzungswänden 6a, 6b eingearbeitet sind. In diesen Hohlraum 9 des Antriebsrades 2 ist das im konkreten Fall mit drei radialen Flügeln ausgebildete Flügelrad 13 eingesetzt, dessen Flügel jede Ar beitskammer 5 wiederum in jeweils zwei Druckräume 10, 11 unterteilen, welche durch wahlweise, zeitlich versetzte oder gleichzeitige Druckbeauf schlagung mit einem Drucköl eine Relativverdrehung und/oder eine stufenlose hydraulische Einspannung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewirken.

Zur Vermeidung von Drucköl-Leckagen zwischen den Druckräumen 10, 11 in jeder Arbeitskammer 5 ist, wie aus Fig. 2 ersichtlich ist, jeder Flügel des Flügelrades 13 erfindungsgemäß als innerhalb einer Führung 15 im Flügelrad 13 bewegliches, gesondertes Flügelsegment 18 ausgebildet, welches im Stillstand der Flügelzellen-Verstelleinrichtung 1 sowohl radial zur Umfangswand 3 des Antriebsrades 2 in der jeweiligen Arbeitskammer 5 als auch axial zu den Seiten wänden 7, 8 des Antriebsrades 2 einen Abstand aufweist. Dieser in den Zeich nungen nicht näher bezeichnete Abstand wird, wie in Fig. 2 angedeutet, radial durch die während des Motorbetriebes aus der Rotation der Flügelzellen-Ver stelleinheit 1 resultierende und auf das Flügelsegment 18 wirkende Radialflieh kraft und axial, wie in Fig. 3 zu sehen ist, durch ein mit Vorspannung beauf schlagtes Axialdichtelement 23 leckagefrei abgedichtet.

Weiterhin ist in Fig. 2 zu sehen, daß die Führung 15 für jedes Flügelsegment 18 als parallel zur Längsmittelachse verlaufende Radialnut mit parallel zuein ander ausgerichteten axialen Seitenwänden 16, 17 in der Nabe 14 des Flügelra des 13 ausgebildet ist, wobei entsprechend der Anzahl der Flügel des Flügelra des 13 jeweils drei solcher Radialnuten gleichmäßig an der Nabe 14 des Flügel rades 18 verteilt sind. In jede dieser Radialnuten ist jeweils ein quaderförmiges Flügelsegment 18 derart eingesetzt, daß es annähernd zur Hälfte seiner Höhe von der Führung 15 umschlossen wird. Die mit der Umfangswand 3 des An triebsrades 2 der jeweiligen Arbeitskammer 5 in Wirkverbindung stehende Dichtfläche 19 jedes Flügelsegmentes 18 weist dabei radial den gleichen Radius und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Umfangswand 3 in der jeweili gen Arbeitskammer 5 auf, um ein Verkippen oder Verkanten der Flügelsegmente 18 innerhalb der Führungen 15 auszuschließen und um relativ lange radiale Dichtspalte zwischen den Druckräumen 10, 11 in jeder Arbeitskammer 5 zu erzielen. Die Abdichtung zwischen den einzelnen Arbeitskammern 5 in der Umfangswand 3 des Antriebsrades 2 zueinander erfolgt darüber hinaus durch die in Fig. 2 mit den Bezugszeichen 12 bezeichneten Dichtspalte zwischen der Nabe 14 des Flügelrades 13 und der Umfangswand 3 des Antriebsrades 2.

In Fig. 3 ist des weiteren dargestellt, daß die Axialdichtelemente 23 an jedem Flügelsegment 18 als Stahldichtleisten ausgebildet und in über deren gesamte Höhe an ihrer Axialseite 21 verlaufenden Axialnuten 22 angeordnet sind. Die Stahldichtleisten weisen dabei einen Vierkantquerschnitt auf, dessen Breite annähernd der Breite der Axialnut 22 entspricht und dessen Höhe geringfügig größer als die Tiefe der Axialnut 22 ist. Durch zwei, jeweils punktförmig auf die nutseitigen Längskanten 24 der Stahldichtleisten wirkende Druckfedern 25, die in vom Nutboden der Axialnut 22 ausgehenden, nicht näher bezeichneten Sack bohrungen angeordnet sind, wird dabei eine Vorspannung auf die Axialdicht elementen 23 erzeugt, welche bewirkt, daß die Druckräume 10, 11 in jeder Arbeitskammer 5 auch in axialer Richtung gegeneinander abgedichtet sind. Als alternative Ausführungsform zur Erzeugung der Vorspannung auf die Axialdicht elemente 23 wird in Fig. 4 gezeigt, daß die Druckfedern 25 für die Stahldicht leisten auch durch Elastomerelemente 26 ersetzbar sind, die in entsprechend tiefer ausgebildeten Axialnuten 22 angeordnet sind und linienförmig auf die nutseitigen Längskanten 24 der Axialdichtelemente 23 wirken.

Bezugszeichenliste

1

Flügelzellen-Verstelleinheit

2

Antriebsrad

3

Umfangswand

4

Verzahnung

5

Arbeitskammer

6

a Begrenzungswand

6

b Begrenzungswand

7

Seitenwand

8

Seitenwand

9

Hohlraum

10

Druckraum

11

Druckraum

12

Dichtspalt

13

Flügelrad

14

Nabe

15

Führung

16

Seitenwand

17

Seitenwand

18

Flügelsegment

19

Dichtfläche

20

Axialseite

21

Axialseite

22

Axialnut

23

Axialdichtelement

24

Längskante

25

Druckfeder

26

Elastomerelement

Claims

1. Interne Abdichtung einer Nockenwellen-Verstelleinrichtung an einer Brenn kraftmaschine, insbesondere einer Flügelzellen-Verstelleinrichtung, bestehend aus einem als Außenrotor ausgebildeten, mit einer Kurbelwelle der Brennkraft maschine über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette oder über Zahnräder verbundenen Antriebsrad (2), welches einen durch eine Umfangswand (3) und zwei Seitenwände (7, 8) gebildeten Hohlraum (9) aufweist, wobei an der Außenseite der Umfangswand (3) eine Verzahnung (4) vorgesehen ist und in die Innenseite der Umfangswand (3) mindestens eine Arbeitskammer (5) mit zur Längsmittelachse des Antriebsrades (2) gerichteten Begrenzungswänden (6a, 6b) eingearbeitet ist, wobei in den Hohlraum (9) des Antriebsrades (2) ein als Innenrotor ausgebildetes, drehfest mit der Nockenwelle (27) verbundenes Flügelrad (13) mit mindestens einem radialen Flügel eingesetzt ist, dessen Flügel jede Arbeitskammer (5) wiederum in jeweils zwei Druckräume (10, 11) unter teilen, welche durch wahlweise, zeitlich versetzte oder gleichzeitige Druck beaufschlagung mit einem Drucköl eine Relativverdrehung und/oder eine stufenlose hydraulische Einspannung der Nockenwelle zur Kurbelwelle bewir ken, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Flügel des Flügelrades (13) als in nerhalb einer Führung (15) im Flügelrad (13) bewegliches, gesondertes Flügel segment (18) ausgebildet ist, welches sowohl radial zur Umfangswand (3) des Antriebsrades (2) in der jeweiligen Arbeitskammer (5) als auch axial zu den Seitenwänden (7, 8) des Antriebsrades (2) einen Abstand aufweist, der radial durch die während des Motorbetriebes aus der Rotation der Flügelzellen-Ver stelleinheit (1) resultierende und auf das Flügelsegment (18) wirkende Radial fliehkraft und axial durch mindestens ein mit Vorspannung beaufschlagtes Axialdichtelement (23) leckagefrei abgedichtet ist.

2. Interne Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Füh rung (15) für jedes Flügelsegment (18) bevorzugt als parallel zur Längsmittel achse verlaufende Radialnut mit parallel zueinander ausgerichteten axialen Seitenwänden (16, 17) in der Nabe (14) des Flügelrades (13) ausgebildet ist, welche das eingesetzte, bevorzugt quaderförmige Flügelsegment (18) annähernd zur Hälfte seiner Höhe umschließend ausgebildet ist.

3. Interne Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die mit der Umfangswand (3) des Antriebsrades (2) in der jeweiligen Arbeitskammer (5) in Wirkverbindung stehende Dichtfläche (19) jedes Flügelsegmentes (18) bevor zugt radial den gleichen Radius und axial die gleiche Oberflächenkontur wie die Umfangswand (3) in der jeweiligen Arbeitskammer (5) aufweist.

4. Interne Abdichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Axialdichtelemente (23) an jedem Flügelsegment (18) bevorzugt als in über deren gesamte Höhe an einer ihrer Axialseiten (20 oder 21) verlaufenden Axialnuten (22) angeordnete Stahldichtleisten ausgebildet und durch jeweils auf deren nutseitige Längskante (24) wirkende Federelemente, beispielsweise durch Druckfedern (25) oder durch Elastomerelemente (26), vorgespannt sind.