EP3347578B1

EP3347578B1 - Nockenwellenversteller

Info

Publication number: EP3347578B1
Application number: EP16770885.8A
Authority: EP
Inventors: Mike Kohrs
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2015-09-10
Filing date: 2016-09-07
Publication date: 2019-06-19
Anticipated expiration: 2036-09-07
Also published as: EP3347578A1; WO2017041801A1; CN108026799A; CN108026799B; DE102016216927A1; JP6800959B2; JP2018530695A

Description

Die Erfindung betrifft eine für einen Nockenwellenversteller einer Brennkraftmaschine geeignete Stellvorrichtung, welche ein Gehäuse, ein mit diesem verbundenes Antriebsrad, ein Verstellgetriebe, insbesondere Dreiwellengetriebe, beispielsweise Wellgetriebe, sowie ein zur Verbindung mit einer Welle, insbesondere Nockenwelle der Brennkraftmaschine, vorgesehenes Abtriebselement aufweist.
Derartige Stellvorrichtungen in Nockenwellenverstellern sind beispielsweise aus der US 2007/0051332 A1 sowie aus der WO 2006/018080 A1 bekannt. In beiden Fällen handelt es sich um elektrisch betätigbare Nockenwellenversteller.
Zur Lagerung von rotierbaren Teilen innerhalb von Nockenwellenverstellern oder von rotierbaren Teilen, welche mit Komponenten mit Nockenwellenverstellern verbunden sind, sind prinzipiell Wälzlagerungen oder Gleitlagerungen geeignet. Ein Nockenwellenversteller mit einer Gleitlagerung geht aus US 2013/0081587A1 hervor.
Elektrisch betätigte Stellvorrichtungen in Brennkraftmaschinen sind nicht nur bei Nockenwellenverstellern, sondern beispielsweise auch bei Vorrichtungen zur Verstellung des Ventilhubs und/oder der Verdichtung einsetzbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine für einen Nockenwellenversteller geeignete Stellvorrichtung gegenüber dem genannten Stand der Technik insbesondere hinsichtlich robuster, zuverlässiger Lagerungen bei zugleich kompaktem Aufbau weiterzuentwickeln.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch eine Stellvorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 1. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der abhängigen Ansprüche.
Die insbesondere für einen Nockenwellenversteller, jedoch auch für sonstige Verstellmechanismen, insbesondere zur Ventilhub- oder Verdichtungsverstellung einer Brennkraftmaschine, geeignete Stellvorrichtung weist ein aus einer beliebigen Anzahl an Einzelteilen zusammengesetztes Gehäuse, ein mit dem Gehäuse verbundenes oder als integraler Bestandteil des Gehäuses ausgebildetes Antriebsrad, ein Stellgetriebe, insbesondere in Form eines Dreiwellengetriebes, beispielsweise Wellgetriebes, sowie ein zur Verbindung mit einer anzutreibenden Welle, insbesondere Nockenwelle, vorgesehenes Abtriebselement auf. Zur Lagerung des Abtriebselements in dem Gehäuse ist eine Gleitlagerung vorgesehenen, welche, in axialer Richtung der anzutreibenden Welle betrachtet, zwischen dem Stellgetriebe und dem Antriebsrad angeordnet ist. Mit dem Abtriebselement ist stirnseitig ein Flansch verbunden, welcher das Abtriebselement in radialer Richtung überragt. Die Gleitlagerung ist dem Flansch, welcher Teil des Stellgetriebes sein kann, benachbart; insbesondere ist die Gleitlagerung axial zwischen dem Flansch und dem Antriebsrad angeordnet. Auf diese Weise ist die Gleitlagerung besonders raumsparend mit einem nur geringen axialen Abstand zum Antriebsrad im Gehäuse aufgenommen, was aufgrund der geringen effektiven Hebelarmlängen eine besondere Unempfindlichkeit bezüglich Verkippungen bedeutet.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung ist das Abtriebselement zugleich als Anschlagscheibe für die anzutreibende Welle, insbesondere Nockenwelle, ausgebildet. Die Anschlagscheibe, welche einen Verstellwinkel der anzutreibenden Welle begrenzt, weist vorzugsweise eine zylindrische, zur Rotationsachse von Antriebsrad und Abtriebselement konzentrische Ausnehmung auf, in welcher zur Herstellung einer drehfesten Verbindung ein Ende der anzutreibenden Welle oder ein mit dieser verbundenes Zwischenstück platzierbar ist.
Vorteilhafte Ausführungsformen sehen vor, dass das Gehäuse der Stellvorrichtung im Bereich der Gleitlagerung Axialnuten und/oder mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut aufweist. Derartige Nuten begünstigen insbesondere den Schmiermittelfluss innerhalb der Stellvorrichtung.
Das Stellgetriebe weist ein mit dem genannten Flansch verbundenes oder einteilig ausgebildetes Abtriebshohlrad auf, welches mittels einer zweiten Gleitlagerung im Gehäuse gelagert ist. Das Abtriebshohlrad kann innenverzahnt oder mit einem hülsenförmigen, innenverzahnten Bauteil fest verbunden sein. In jedem Fall ist durch die doppelte Gleitlagerung eine besonders robuste Konstruktion der Stellvorrichtung verwirklicht. Hierbei können die beiden Gleitlagerungen unterschiedliche axiale Ausdehnungen aufweisen. In diesem Fall weist bevorzugt das erste, axial zwischen dem Stellgetriebe und dem Antriebsrad angeordnete Gleitlager einen geringeren Durchmesser und eine größere axiale Ausdehnung als das zweite, das Abtriebshohlrad lagernde Gleitlager auf. Die auftretenden Hebellängen sind nochmals verkürzt.
Der Vorteil der Anordnung der ersten Gleitlagerung axial zwischen dem Antriebsrad und dem Stellgetriebe, insbesondere Wellgetriebe, hat gegenüber einer prinzipiell möglichen Gleitlagerung eines eine Verzahnung aufweisenden Bauteils, insbesondere Abtriebshohlrads, im Gehäuse den besonderen Vorteil, dass besonders geringe Hebellängen, in axialer Richtung des Nockenwellenverstellers gemessen, gegeben sind und somit höchstens in geringem Maße nicht gewünschte, potentiell die Reibung erhöhende Kippmomente innerhalb des Nockenwellenverstellers erzeugt werden.
Die mindestens eine Gleitlagerung der Stellvorrichtung kann reibungs- und/oder verschleißmindernde Beschichtungen aufweisen. Auch ist es möglich, in Gleitmaterialien Schmierstoffe einzubauen oder die entsprechenden Materialien mit Schmierstoffen zu tränken, so dass reibungstechnisch besonders vorteilhafte Schmierstoff-Compounds gegeben sind.
Nachfolgend werden mehrere Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand einer Zeichnung näher erläutert. Hierin zeigen:

Fig. 1: ein erstes Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung für einen Nockenwellenversteller in einer Schnittdarstellung,
Fig. 2 und 3: jeweils in perspektivischer Ansicht verschiedene Varianten eines Bauteils für eine Stellvorrichtung eines Nockenwellenverstellers,
Fig. 4: in einer Darstellung analog Fig. 1 ein zweites Ausführungsbeispiel einer Stellvorrichtung eines Nockenwellenverstellers,
Fig. 5: in einer Darstellung analog Fig. 1 und Fig. 4 eine nicht beanspruchte Bauform einer Stellvorrichtung eines Nockenwellenverstellers,
Fig. 6: in einem Diagramm einen Vergleich zwischen der Stellvorrichtung nach Fig. 1 und der Vorrichtung nach Fig. 5.

Im Folgenden wird zunächst auf Fig. 5 eingegangen, die eine prinzipiell mögliche, nicht beanspruchte Bauform einer Stellvorrichtung 1 eines Nockenwellenverstellers einer Brennkraftmaschine zeigt. Generell werden gleiche Bezugszeichen für prinzipiell gleichwirkende Teile im Zusammenhang mit Fig. 5 einerseits sowie bei den Ausführungsbeispielen nach den Fig. 1 bis 4 andererseits verwendet.
Den in den verschiedenen Figuren dargestellten Stellvorrichtungen 1 ist gemeinsam, dass diese ein Gehäuse 2 aufweisen, wobei ein verzahntes Antriebsrad 3 integraler Bestandteil des Gehäuses 2 oder fest mit Gehäusebauteilen verbunden ist. Das Antriebsrad 3 wird über ein nicht dargestelltes Zugmittel, das heißt eine Kette oder einen Zahnriemen, in an sich bekannter Weise von der Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine angetrieben. Prinzipiell kommt auch ein Antrieb der Stellvorrichtung 1 über Zahnräder und/oder eine Königswelle in Betracht.
Innerhalb des Gehäuses 2 befindet sich ein Stellgetriebe 4, welches als Dreiwellengetriebe, nämlich Wellgetriebe, ausgeführt ist. Zusätzlich zum Antriebsrad 3 ist eine Stellwelle 5 vorgesehen, die von einem nicht dargestellten Elektromotor des Nockenwellenverstellers betätigt wird. Solange die Welle des Elektromotors mit der Drehzahl der ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle der Brennkraftmaschine rotiert, bleibt die Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle der Brennkraftmaschine konstant. Bei dem Stellgetriebe 4 handelt es sich um ein hoch untersetztes Getriebe, wobei eine Drehzahlabweichung zwischen der Nockenwelle und der Stellwelle 5 zu einer relativ kleinen Änderung der Phasenrelation zwischen Nockenwelle und Kurbelwelle führt.
Mit dem Gehäuse 2 und damit auch mit dem Antriebsrad 3 ist ein innerhalb des Gehäuses 2 liegendes Antriebshohlrad 6 fest verbunden, welches als Eingangswelle des Stellgetriebes 4 fungiert. Die Rotation des Antriebshohlrades 6 wird mittels des Stellgetriebes 4 umgesetzt in eine Rotation eines Abtriebshohlrades 7. Da das Abtriebshohlrad 7 eine von der Winkelgeschwindigkeit des Gehäuses 2 abweichende Winkelgeschwindigkeit, nämlich im Fall einer Verstellung der Nockenwelle, aufweisen kann, ist innerhalb des Gehäuses 2 eine Gleitlagerung 8 zwischen dem Abtriebshohlrad 7 und dem Gehäuse 2 vorgesehen. Das Abtriebshohlrad 7 überträgt seine Rotation über einen Flansch 9 auf ein Abtriebselement 10, wobei das Abtriebshohlrad 7 einteilig mit dem Flansch 9 ausgebildet sein kann. Das Abtriebselement 10 ist bei jeder der skizzierten Bauformen - sowohl in den beanspruchten als auch in den nicht beanspruchten Fällen - als Anschlagscheibe gestaltet, welche mit der Nockenwelle verbindbar ist und den Verstellwinkel der Nockenwelle begrenzt. Somit erfüllt das Abtriebselement 10 stets eine Doppelfunktion.
Zwischen der - in axialer Richtung betrachtet - Mitte des Antriebsrades 3 und der in derselben Richtung festgelegten Mitte der Gleitlagerung 8 ist ein axialer Abstand gegeben, wobei die entsprechende Hebelarmlänge mit lk bezeichnet ist. Ein Vergleich der Figuren 5 und 1 zeigt, dass die Hebelarmlänge lk im Fall von Fig. 5 wesentlich länger als im Fall von Fig. 1 ist, was hinsichtlich der mechanischen Beanspruchung sowie der auftretenden Reibung ungünstiger ist.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 ist die Gleitlagerung 8 axial zwischen dem Stellgetriebe 4 und dem Antriebsrad 3 angeordnet, was maßgeblich zur geringen Hebelarmlänge lk beiträgt. Die Gleitlagerung 8 ist zwischen dem Abtriebselement 10 und einem insgesamt mit dem Bezugszeichen 11 gekennzeichneten Getriebebauteil gebildet, welches das verzahnte Antriebsrad 3 umfasst. Der stirnseitig des Abtriebselements 10 angeordnete Flansch 9 ist sowohl mit dem Abtriebshohlrad 7 als auch mit dem Abtriebselement 10 drehfest verbunden und überragt das Abtriebselement 10 in radialer Richtung, bezogen auf die gemeinsame Rotationsachse von Abtriebshohlrad 7, Abtriebselement 10 und Nockenwelle. Das Abtriebshohlrad 7 wiederum ist am Umfang des Flansches 9 mit diesem verbunden, das heißt radial außerhalb des Flansches 9 angeordnet.
Die Figuren 2 und 3 zeigen verschiedene Varianten des Getriebebauteils 11, welche jeweils im Nockenwellenversteller 1 nach Fig. 1 verwendbar sind. Im Fall von Fig. 2 sind am Innenumfang des Getriebebauteils 11, welcher eine Lagerfläche der Gleitlagerung 8 bildet, Axialnuten 12 erkennbar. Dagegen sind im Fall von Fig. 3 keine in Axialrichtung verlaufenden Nuten im Bereich der Gleitlagerung 8 vorhanden. Es ist jedoch eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut 13 im Bereich der Gleitlagerung 8 am Innenumfang des Getriebebauteils 11 vorhanden. Diese Nut 13 begünstigt nicht nurebenso wie die Axialnuten 12 im Fall von Fig. 2 - die Verteilung von Schmiermittel, sondern erleichtert auch die Bearbeitung der durch die umlaufende Nut 13 verkleinerten Lagerfläche der Gleitlagerung 8.
In Fig. 4 ist eine weiterentwickelte Ausführungsform einer Stellvorrichtung 1 eines Nockenwellenverstellers dargestellt. In diesem Fall ist zusätzlich zur Gleitlagerung 8, welche sich axial zwischen dem Antriebsrad 3 und dem Stellgetriebe 4, nämlich Wellgetriebe, befindet, eine weitere Gleitlagerung 14 erkennbar. Mit der Gleitlagerung 14 ist das Abtriebshohlrad 7 - vergleichbar mit der Bauform nach Fig. 5 - im Gehäuse 2 gleitgelagert. Somit ist eine besonders stabile zweifache Gleitlagerung 8,14 gegeben. Der Durchmesser der zweiten Gleitlagerung 14 ist größer als der Durchmesser der ersten Gleitlagerung 8. Gleichzeitig ist die Ausdehnung der ersten, primären Gleitlagerung 8 in axialer Richtung der Stellvorrichtung 1 größer als die in derselben Richtung gemessene Ausdehnung der zweiten, sekundären Gleitlagerung 14.
Das Diagramm nach Fig. 6 bezieht sich auf einen Vergleich zwischen der Stellvorrichtung 1 nach Fig. 1 und der in Fig. 5 skizzierten Bauform. Hierbei bezeichnet K die Kettenkraft, welche in dem das Antriebsrad 3 antreibenden Zugmittel, das heißt der Kette, wirkt. Mit L ist die Lagerreibung in der Gleitlagerung 8 bezeichnet. Die obere, strichpunktierte Linie in Fig. 6 bezieht sich auf die nicht beanspruchte Bauform nach Fig. 5; die untere, gestrichelte Linie auf das Ausführungsbeispiel nach Fig. 1. Gut erkennbar ist die verringerte Lagerreibung des Ausführungsbeispiels nach Fig. 1 in allen Betriebszuständen. Prinzipiell der gleiche Zusammenhang gilt für einen Vergleich zwischen der Ausführungsform nach Fig. 4 und der Bauform nach Fig. 5.

Bezugszeichenliste

1: Stellvorrichtung
2: Gehäuse
3: Antriebsrad
4: Stellgetriebe
5: Stellwelle
6: Antriebshohlrad
7: Abtriebshohlrad
8: erste Gleitlagerung
9: Flansch
10: Abtriebselement
11: Getriebebauteil
12: Axialnut
13: umlaufende Nut
14: zweite Gleitlagerung

lk: Hebelarmlänge
K: Kettenkraft

Claims

Stellvorrichtung einer Welle einer Brennkraftmaschine mit
einem Gehäuse (2),
einem mit diesem verbundenen Antriebsrad (3),
einem Stellgetriebe (4),
einem zur Verbindung mit einer anzutreibenden Welle vorgesehenen Abtriebselement (10) sowie
einer zur Lagerung des Abtriebselements (10) in dem Gehäuse (2) vorgesehenen Gleitlagerung (8), wobei
die Gleitlagerung (8), in axialer Richtung der anzutreibenden Welle betrachtet, zwischen dem Stellgetriebe (4) und dem Antriebsrad (3), einem stirnseitig an das Abtriebselement (10) anschließenden, mit diesem drehfest verbundenen und dieses in Radialrichtung überragenden Flansch (9) benachbart, angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (4) ein mit dem Flansch (9) verbundenes Abtriebshohlrad (7) aufweist, welches mittels einer zweiten Gleitlagerung (14) im Gehäuse (2) gelagert ist.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gleitlagerungen (8,14) unterschiedliche Durchmesser aufweisen.
Stellvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Gleitlagerungen (8,14) unterschiedliche axiale Ausdehnungen aufweisen.
Stellvorrichtung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, dass das erste, axial zwischen dem Stellgetriebe (4) und dem Antriebsrad (3) angeordnete Gleitlager (8) einen geringeren Durchmesser und eine größere axiale Ausdehnung als das zweite Gleitlager (14) aufweist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Abtriebselement (10) als einen Verstellwinkel der anzutreibenden Welle begrenzende Anschlagscheibe ausgebildet ist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellgetriebe (4) als Drei-Wellen-Getriebe, insbesondere Wellgetriebe, ausgebildet ist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Bereich der Gleitlagerung (8) Axialnuten (12) aufweist.
Stellvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Gehäuse (2) im Bereich der Gleitlagerung (8) mindestens eine in Umfangsrichtung verlaufende Nut (13) aufweist.
Stellvorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Stellvorrichtung Teil eines elektrischen Nockenwellenverstellers oder Teil einer Vorrichtung zur Veränderung des Verdichtungsverhältnisses der Brennkraftmaschine ist.