WO2016165699A1 - Nockenwellenversteller mit einem axialen vorspannelement - Google Patents

Nockenwellenversteller mit einem axialen vorspannelement Download PDF

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WO2016165699A1
WO2016165699A1 PCT/DE2016/200083 DE2016200083W WO2016165699A1 WO 2016165699 A1 WO2016165699 A1 WO 2016165699A1 DE 2016200083 W DE2016200083 W DE 2016200083W WO 2016165699 A1 WO2016165699 A1 WO 2016165699A1
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camshaft
distal end
axial
adjuster
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Holger BRENNER
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Schaeffler Technologies AG & Co. KG
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Definitions

  • the invention relates to a camshaft adjuster with a radially arranged within a stator rotor which is rotatable relative to the stator, wherein the rotor is prepared to be rotatably connected to a camshaft and having a radially inner rotor surface with at least one rotor form-fitting element, wherein the rotor form-fitting element is prepared to enter into a torque-transmitting positive fit with a corresponding camshaft form-locking element.
  • the published patent application DE 10 2010 046 619 A1 discloses a rotor for a camshaft adjuster and a camshaft adjusting system.
  • a rotor for a camshaft adjuster with a substantially annular rotor base body, which has an end face for axial connection to a camshaft.
  • the publication relates to a camshaft adjusting system with such a rotor.
  • a device for variably setting the control times of gas exchange valves of an internal combustion engine comprising a drive element and an output element and a camshaft, wherein an axial side surface of the camshaft rests against an axial side surface of the output element, wherein on one of the adjacent axial soflä- Chen a form-fitting element for aligning the output element is provided on the camshaft with respect to the circumferential direction, which engages in a Gegenform gleich- element of the other component.
  • the published patent application DE 101 34 320 A1 is also located in this field. It discloses a device for changing the timing of gas exchange valves of an internal combustion engine, in particular of Rotationskolbenverstell Surpriseen for Deckelwinkelver ein a camshaft relative to a crankshaft.
  • the region of the power cone of the fastening screw on the output unit as a separate, consisting of a tiknapssfes- th material and at the same time provided as a prefabricated pressure medium distributor of the device sleeve is formed on the output unit axially and radially and circumferentially form and / or non-positively lockable and deformation-free screwed to the camshaft.
  • European patent application EP 1 471 215 A2 discloses a camshaft adjuster for vehicles.
  • the device disclosed therein is characterized in that the camshaft has at least one form and / or force-locking part on which the rotor is non-rotatably seated with a base body having a different diameter than a circle circumscribing the cams of the camshaft.
  • the invention is in the field of internal combustion engines, particularly hydraulic and electric camshaft adjusters for chain and belt drives for both gasoline and diesel engines, and also applications for concentric camshaft phasers.
  • the known prior art usually describes such camshaft adjuster, which are fastened with a central screw on the camshaft.
  • connection technique which is based on a frictional connection by a screw connection.
  • a biasing force is applied in the axial direction.
  • a tangential operating force to be transmitted. Since a coefficient of friction acts between the axial force and the tangential force, a very high axial force must be applied in order to transmit the required tangential force. Due to this high axial force, the parts in the clamping assembly are heavily loaded and partially deformed. These deformations have negative effects on the centering accuracy and leakage gaps between the components involved, such as the rotor internal geometry and the central valve.
  • a central valve for screwing the adjuster to the camshaft, the angular position of the radial bores in the assembled state is not defined.
  • the radial bores which guide the oil to the outside, are in different angular positions. Therefore, this angular position does not specifically in the continuing radial bores of the rotor, as they are in turn in any angular position to the valve. If the radial bores of the valve and the rotor are not aligned, this is detrimental to the oil supply to the pressure chambers.
  • an annular channel must be created in the rotor, which is associated with increased flow losses and has a slower response of the adjustment system result.
  • the ring channels in the rotor mean a more complex production process and a larger radial space of the rotor.
  • the complex design of the central valve as a screw is to be avoided.
  • This screw housing must withstand high mechanical loads (preload force and bolting torque) and must therefore be stably constructed.
  • This extra housing also obstructs the flow of oil. If this housing is omitted, the valve can be made smaller and optimal in terms of the oil flow.
  • the assembly inside the camshaft is simpler and can e.g. be realized by a locking ring.
  • the disadvantages of the prior art are, inter alia, also the fact that the assembly of the camshaft adjuster on the camshaft only by means of very low Manufacturing tolerances and a high assembly cost can be performed so that the camshaft adjuster assumes the intended position relative to the camshaft.
  • a disadvantage of the known devices is that the assembly is very time consuming. Furthermore, with the existing devices assembly errors can not be completely avoided.
  • the rotor form-fitting elements extend in the axial direction over the entire rotor inner surface.
  • the rotor form-fitting elements have a surface which is large enough to realize the positive connection necessary for the torque transmission.
  • the device allows to reliably transmit the forces and moments occurring in an axially limited space.
  • a proximal end face is formed / provided at a proximal end of the rotor and is adapted to be in contact with the biasing element.
  • the proximal end face can also be designed in such a way that it optimally absorbs the introduction of force, which it experiences from the side of the pretensioning element.
  • the proximal end side is thus made possible to tailor-made with regard to the choice of materials and the surface finish on their application.
  • the biasing element is configured as a plate spring and the biasing element is such that it is in contact with the camshaft at its proximal end and is in contact with the rotor at its distal end.
  • the biasing member is in contact with both the camshaft and with the rotor, it allows an axial bias of the two components relative to each other.
  • the proximal end is connected to the camshaft and the distal end is in communication with the rotor, since the biasing member is mounted in time before the camshaft adjuster.
  • a distal end portion has a shaft shoulder which is directed radially outward, wherein the shaft shoulder is arranged at such an axial position that in the direction of the distal end of the camshaft, a sufficiently long portion is formed to it preferably to arrange the rotor and the biasing element without overhang.
  • rotor fluid passages are arranged inside the rotor, which lead from the rotor inner surface to a rotor outer surface and are intended to transport a hydraulic fluid and / or that the distal end portion has camshaft fluid passages which extend radially and which are suitable for this purpose to transport a hydraulic fluid, in particular, they are aligned with the rotor fluid channels.
  • This continuous connection first from the rotor inner surface to the rotor outer surface allows the supply of the fluid chambers with hydraulic fluid, preferably hydraulic oil, whereby an efficient operation of the camshaft adjuster is ensured.
  • the arrangement of the rotor fluid channels within the rotor causes a minimal axial space of the camshaft adjusting unit.
  • camshaft fluid ducts By means of the camshaft fluid ducts it is also made possible to supply the fluid chambers of the camshaft adjuster through the camshaft with hydraulic fluid, whereby the function of the camshaft adjuster is ensured. With ensured strength of the camshaft, it is thus possible to keep the necessary space minimal because the fluid channels that supply the hydraulic chambers with fluid within the camshaft are arranged.
  • a further advantageous embodiment is that an angular orientation between the rotor and the camshaft is made via the positive locking. This makes it possible to perform a centering without additional effort. This minimizes the installation space and above all the costs to be incurred, since no extra component for angle orientation is necessary.
  • a further advantageous embodiment is that at least six rotor form-fitting elements are mounted on the rotor inner surface in the circumferential direction.
  • This arrangement with six rotor form-fitting elements makes it possible to transmit the high torques occurring by means of a positive connection from the camshaft adjuster to the camshaft.
  • the number of six rotor form-fitting elements has the advantage of resulting in a symmetrical arrangement, which is an advantage in terms of manufacturing cost due to the complexity.
  • the rotor form-fitting elements are designed as indentations which are directed radially outward. These indentations are suitable for protrusions which are attached to the camshaft projecting into them.
  • the recesses are designed so that their height is sufficiently large to transmit the forces and moments occurring. Thus, a functional true fit is possible with minimal axial and radial space.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the rotor form-locking elements extending in the axial direction each have two side edges, wherein the first side edge is aligned in the direction of a circumferential direction and the second side edge is oriented in the direction of the opposite circumferential direction, wherein the distance in Circumferential direction between the first side edge and the second side edge is small compared to the axial length of the rotor form-fitting element. It follows that the recesses, which are defined by the side edges, leave in their interstices in the circumferential direction so much space available that the rigidity of the rotor is not impaired, whereby this can continue to fulfill its function in an optimal manner.
  • first side flank and the second side flank are configured in such a way that centering of the rotor relative to the camshaft can be performed via them. This centering allows only a relative position of the rotor to the camshaft, whereby the assembly is simplified on the one hand, and on the other a faulty mounting is avoided. This decrease in the degree of complexity of the assembly entails not negligible cost advantages in the assembly.
  • the rotor is made of sintered steel.
  • the rotor can be manufactured with a high degree of geometrical accuracy while continuing to meet the requirements of the material in terms of its strength. Widely used sintering techniques can be used, thereby reducing manufacturing costs.
  • the rotor is mechanically recompressed. This causes an increase in the strength of the rotor made of sintered steel. Thus, even the highest torques can be transmitted through the rotor to the camshaft, without the material being adversely affected.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that an insertion phase is arranged on the proximal end face of the rotor for simplifying the assembly. This optimizes the assembly process, further reducing the complexity of the assembly. In addition, such an insertion phase minimizes the risk of incorrect installation.
  • the diaphragm spring is punched from spring steel and then formed. In this way, conventional manufacturing methods for the diaphragm spring can continue to be applied, whereby the existing expertise can also be used for the disc spring now installed in this unit. Development costs for the preparation of a new diaphragm spring thus eliminated.
  • the plate spring is reworked by means of a heat treatment.
  • This post-processing ensures that the plate spring can apply the necessary forces for the axial form-fit or the axial preload.
  • the heat treatment guarantees a long life of the diaphragm spring.
  • the standardized process of heat treatment also keeps the effort required to a minimum.
  • Another embodiment with advantageous properties is characterized in that the biasing element has a contact area and the contact area forms rounded edges. By means of this rounding off, wear is avoided, which has a positive effect on the maintenance intervals and the service life of the camshaft adjuster. In addition, chips generated during operation are thus avoided due to excessive frictional forces, which has a positive effect on the operating temperature and does not result in undesired friction bodies.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the pretensioning element is work hardened by means of shot peening. This strain hardening optimizes the preload force that the biasing element can apply, thereby optimally performing the axial preload of the phaser relative to the camshaft.
  • the pretensioning element is configured by means of two disk springs placed opposite one another, thereby avoiding an abutment region lying obliquely against the rotor. The resulting from the oblique system inefficient power transmission is thus bypassed, whereby the initiated by the biasing element form-fitting is optimally designed.
  • the biasing element has a progressive spring characteristic. This has the effect that under high load a penetration of the spring is prevented, while in the range of the normal load, a soft comfortable suspension is realized. In this way, it is possible that the biasing element causes a force adapted to the operating state.
  • the biasing element is designed as a compression spring. This is very low in their production, resulting in decreasing production costs of the unit. Furthermore, compression springs have long lifetimes, which is not expected to be a maintenance of the spring.
  • the biasing element is designed as a rubber buffer.
  • This has a very low density, resulting in a weight reduction of the unit, which increases the efficiency of the unit.
  • a rubber buffer has damping properties, which may well be desirable for the vibrations occurring in the engine. Rubber buffers are also preferred to form progressive spring characteristics. With their low production costs, rubber buffers also represent an advantage in terms of cost-effectiveness.
  • the biasing element has a central through hole which exceeds the diameter of the diameter of the camshaft in diameter. On the- This ensures that the preload element can be easily mounted on the camshaft. Any wedges are also avoided, which avoids undesirably high assembly times.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the biasing element is designed such that it exerts a purely axial force on the rotor in the direction of the distal end. In this way, a positive connection is made possible by means of the fastened at the distal end fastener without loss of power. The effect of the force in the axial direction also prevents unwanted bending moments from occurring within the components concerned, which would have a negative effect on the service life of the individual parts.
  • the camshaft when the camshaft is such that it has a distal end portion which is in contact with the rotor at its radial outer lateral surface.
  • the separate design of such an end section causes it to be such that it optimally fulfills the requirements imposed on it. Due to the geometric separation of the torque transmitting portion, so the distal end portion to the rest of the camshaft, these two have separate material properties, whereby both are able to fulfill their function satisfactorily with the least possible cost of materials. This separation of the function of the individual sections of the camshaft causes the camshaft is designed with the greatest possible efficiency. So it is advantageous if the distal end portion is formed as a hollow shaft.
  • This hollow shaft makes it possible to supply the camshaft adjuster via the radially inner part of the camshaft with hydraulic fluid.
  • the space is used optimally in this way, since no external fluid channels are necessary. It is also advantageous if the outer diameter of the distal end portion exceeds the outer diameter of the proximal, remaining camshaft. In this way, the distal end portion is caused to have a sufficiently high area moment of inertia, thereby ensuring that despite the configuration as Hollow shaft sufficient force transmission takes place. The radially required space is thus kept minimal.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the distal end section has an annular groove which is suitable for arranging the axial delimiting element therein.
  • the position of the limiting element is clearly defined, which entails a geometric determination of the camshaft adjuster in the axial direction.
  • the axial fixing of the delimiting element by means of an annular groove causes the axial delimiting element can be conveniently attached, without the need for a shaft shoulder, which would increase the radial space.
  • an insertion phase is arranged at the distal end of the camshaft to simplify the assembly. Characterized in that thus given the opportunity to center the camshaft adjuster also on the camshaft, the flexibility of the arrangement is increased. The resulting simplified assembly has a positive effect on the required assembly time and thus the production costs.
  • the camshaft has at least six camshaft form-locking elements in the circumferential direction on a camshaft outer surface.
  • the number of camshaft form-locking elements should correspond to the number of rotor form-fitting elements, which enables an optimal positive locking.
  • camshaft form-locking elements extend in the axial direction as long as the rotor form-fitting elements. In this way it is possible that no axial space is wasted and yet the force necessary for the positive connection is transmitted functionally filling.
  • camshaft form-locking elements are formed as projections which are directed radially outward. These projections it is possible to intervene geometrically determined in the previously described indentations of the rotor.
  • An advantageous embodiment is also characterized in that the camshaft form-locking elements are in engagement with the rotor-form-fitting elements, whereby the torque-transmitting form-fit comes about, wherein the rotor form-fitting element and the camshaft form-fitting element each have a height in the radial direction, this height does not have to be identical and the engagement between the rotor form-fitting element and the camshaft closure element is designed such that it extends at least over 70% of the flank height of the positive-locking element with the lower height, ie has an engagement ratio of at least 0.7.
  • This engagement ratio ensures sufficient power transmission, while at the same time the space situation is taken into account. Too high engagement ratios are avoided, which resulted in very high manufacturing tolerances and thus increased the cost in height. Furthermore, the risk of geometric over-determination of the arrangement, which would entail an engagement ratio of 1, banned.
  • This aligned arrangement makes it possible that no annular channel must be created in the rotor, resulting in a less flow losses and also keeps the production costs low, since this arrangement is much easier to implement.
  • this arrangement also causes the response of the adjustment system to changes in hydraulic fluid pressure to be extremely fast, as the fluid travels little distance from the hydraulic tank into the fluid chamber.
  • a further advantageous embodiment is that the rotor fluid channels are arranged in the region of the rotor form-fitting elements.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that the camshaft fluid channels are arranged in the region of the camshaft form-fitting elements. It is thus guaranteed that the camshaft fluid ducts are aligned with the rotor fluid ducts, since it is ensured with the above-described inventive features according to the invention that the rotor form-locking elements and the camshaft form-locking elements interlock. It is also advantageous if the rotor fluid ducts and / or the camshaft fluid ducts are arranged in the region of an axially extending edge of one of the sections which form the form-locking connection or adjoin it. They can thus be arranged in a radially inwardly projecting nose region of the rotor or adjacent to a radially outwardly protrudingberichtur of the camshaft, for example in the region of a depression of the camshaft.
  • a further advantageous embodiment is characterized in that zero, one, two or more rotor fluid passages run radially per rotor form-fitting element. With This number of radially extending rotor channels per Rotorform gleichelennent is guaranteed that each hydraulic chamber of the rotor via one channel hydraulic fluid to another and discharged via another channel hydraulic fluid. It is also advantageous if the camshaft fluid channels are such that they can be connected at their radially inner end with a central valve. In this way, a reliable oil supply of the camshaft fluid ducts and thus also the rotor fluid ducts and the hydraulic chambers of the camshaft adjuster is guaranteed. A functional work of the camshaft adjuster is thus ensured.
  • a leakage gap is formed between the flanks of the rotor form-fitting elements and the flanks of the camshaft form-fitting elements, which can be filled with oil.
  • an active oil lubrication of the camshaft adjuster is realized, which eliminates the additional expense that normally has to be applied for oil lubrication.
  • the inventive solution of the problem is the connection of the camshaft adjuster by an axially biased form-fit.
  • the positive connection is the power transmission of the camshaft torque and can be realized in the form of a spline, splined shaft, keyway or polygon connection.
  • the device according to the invention also has an additional spring element between the rotor and the camshaft, which exerts a force in the axial direction and thus compensates for the axial play occurring after assembly. Furthermore, an additional form element is included, which projects radially into the camshaft and fixes the axial position of the rotor to the camshaft.
  • Fig. 2 is a longitudinal section of the entire unit along the line II-II of Fig. 1 and
  • Fig. 3 is a plan view of the entire unit
  • Fig. 4 shows a perspective view of the rotor together with its rotor fluid ducts
  • Fig. 5 is a perspective view of the camshaft, together with their camshaft fluid channels.
  • a camshaft adjuster 1 which has a radially arranged inside a stator 2 rotor 3, wherein the rotor 3 is rotatable relative to the stator 2.
  • the rotor 3 is prepared to be rotatably connected to a camshaft 4. It also has a radially inner rotor surface 5, which comprises at least one rotor form-fitting element 6.
  • the rotor form-fitting element 6 is prepared to enter into a torque-transmitting positive connection with a corresponding camshaft form-fitting element 7, as is clear from the summary of FIGS. 4 and 5.
  • Fig. 2 shows a biasing member 8, which rests on the rotor 3, that the positively locking elements of the rotor 3 and the camshaft 4 are biased against each other at least in the axial direction / braced.
  • the positive connection is configured as a splined connection. Here protrude six projections 15 of the camshaft 4 in six indentations 16 of the rotor.
  • the distal end portion 14 of the camshaft 4 is configured as a hollow shaft.
  • the rotor fluid ducts 13 arranged therein are located at different positions both in the circumferential direction and in the axial direction.

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Abstract

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller (1) mit einem radial innerhalb eines Stators (2) angeordneten Rotor (3), der relativ zum Stator (2) verdrehbar ist, wobei der Rotor (3) dazu vorbereitet ist, drehfest mit einer Nockenwelle (4) verbunden zu sein und einer radial innen gelegene Rotorinnenfläche (5) mit mindestens einem Rotorformschlusselement (6) aufweist, wobei das Rotorformschlusselement (6) dazu vorbereitet ist, mit einem entsprechenden Nockenwellenformschlusselement (7) einen drehmomentübertragenden Formschluss einzugehen, wobei ein Vorspannelement (8) derart am Rotor (3) anliegt, dass die in Formschluss stehenden Elemente des Rotors (3) und der Nockenwelle (4) gegeneinander in Axialrichtung vorgespannt sind. Die Erfindung betrifft auch ein Verstellsystem (25), umfassend einen Nockenwellenversteller (1) und eine Nockenwelle (4),wobei die drehmomentübertragende Verbindung als Keilwellen-oder Zahnwellenverbindung ausgestaltet ist.

Description

Nockenwellenversteller mit einem axialen Vorspannelement
Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller mit einem radial innerhalb eines Stators angeordneten Rotor, der relativ zum Stator verdrehbar ist, wobei der Rotor dazu vorbereitet ist, drehfest mit einer Nockenwelle verbunden zu sein und eine radial innen gelegenen Rotorinnenfläche mit mindestens einem Rotorformschlusselement aufweist, wobei das Rotorformschlusselement dazu vorbereitet ist, mit einem entsprechenden Nockenwellenformschlusselement einen drehmomentübertragenden Form- schluss einzugehen.
Die Offenlegungsschrift DE 10 2010 046 619 A1 offenbart einen Rotor für einen Nockenwellenversteller und ein Nockenwellenverstellsystem. So beschreibt sie einen Rotor für einen Nockenwellenversteller mit einem im Wesentlichen ringförmigen Rotorgrundkörper, der eine Stirnfläche zur axialen Anbindung an eine Nockenwelle aufweist. Außerdem betrifft die Offenlegungsschrift ein Nockenwellenverstellsystem mit einem solchen Rotor.
Weiterhin beschreibt die Offenlegungsschrift DE 10 2008 032 949 A1 eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraft- maschine. Dort wird eine Vorrichtung zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine offenbart, wobei die Vorrichtung ein Antriebselement und ein Abtriebselement und eine Nockenwelle aufweist, wobei eine axiale Seitenfläche der Nockenwelle an einer axialen Seitenfläche des Abtriebselements anliegt, wobei an einer der aneinanderliegenden axialen Seitenflä- chen ein Formschlusselement zur Ausrichtung des Abtriebselements an der Nockenwelle bezüglich deren Umfangsrichtung vorgesehen ist, das in ein Gegenformschluss- element des anderen Bauteils eingreift.
Eine weitere Offenlegungsschrift in diesem Bereich ist die DE 10 2012 200 099 A1 . Diese offenbart einen Nockenwellenversteller, welcher ein Deckelelement aufweist, das zumindest einen Verformungsbereich aufweist, welcher unter Montage des Deckelelements mit dem Antriebselement oder dem Abtriebselement derart verformt wird, dass eine Vorspannkraft wirkt, die das Deckelelement und das Antriebselement bzw. das Abtriebselement aneinander drückt.
Auch die Offenlegungsschrift DE 101 34 320 A1 ist auf diesem Gebiet angesiedelt. Sie offenbart eine Vorrichtung zum Verändern der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine, insbesondere von Rotationskolbenverstelleinrichtungen zur Deckelwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle. Als Besonderheit dieser Offenlegungsschrift ist der Bereich des Kraftkegels der Befestigungsschraube an der Abtriebseinheit als gesonderte, aus einem druckspannungsfes- ten Material bestehende und zugleich als vorgefertigter Druckmittelverteiler der Vorrichtung vorgesehene Hülse ausgebildet, auf der die Abtriebseinheit axial, radial und in Umfangsrichtung form- und/oder kraftschlüssig arretierbar sowie verformungsfrei an der Nockenwelle verschraubbar ist. Die europäische Patentanmeldung EP 1 471 215 A2 offenbart einen Nockenwellenversteller für Fahrzeuge. Die darin offenbarte Vorrichtung zeichnet sich dadurch aus, dass die Nockenwelle mindestens ein Form- und/oder Kraftschlussteil aufweist, auf dem der Rotor mit einem Grundkörper drehfest sitzt, der einen anderen Durchmesser aufweist als ein die Nocken der Nockenwelle umschreibender Kreis.
Die Erfindung befindet sich auf dem Gebiet von Steuertrieben von Verbrennungsmotoren insbesondere hydraulischen und elektrischen Nockenwellenversteller für Ketten- und Riementriebe für sowohl Benzin als auch Dieselmotoren, und ebenso Anwendungen für Nockenwellenversteller mit konzentrischen Nockenwellen. Der bekannte Stand der Technik beschreibt üblicherweise solche Nockenwellenversteller, welche mit einer Zentralschraube an der Nockenwelle befestigt sind.
Der bekante Stand der Technik beschreibt eine Verbindungstechnik, welche auf einem Kraftschluss durch eine Schraubverbindung beruht. Durch das Anziehen der Zentralschraube wird eine Vorspannkraft in axialer Richtung aufgebracht. Durch diese Axialkraft soll eine tangentiale Betriebskraft (Drehmoment) übertragen werden. Da zwischen der Axialkraft und der Tangentialkraft ein Reibwert wirkt, muss eine sehr hohe Axialkraft aufgebracht werden um die geforderte Tangentialkraft zu übertragen. Durch diese hohe Axialkraft werden die im Klemmverband befindlichen Teile stark belastet und teilweise verformt. Diese Verformungen haben negative Wirkungen auf die Zentriergenauigkeit und Leckagespalte zwischen den beteiligten Bauteilen wie z.B. die Rotorinnengeometrie und das Zentralventil. Ein weiterer Nachteil bei der Verschrau- bung des Verstellers an der Nockenwelle ist, dass das Anzugsmoment der Zentralschraube am Versteller gegengehalten werden muss. Dazu muss ein Formschluss über spezielle Geometrieelemente am Rotor geschaffen werden. Diese müssen robust ausgelegt werden, da sie mit dem gleichen Moment belastet werden, welches beim Schraubenanzug wirkt. In der Regel ist keine ausreichend große Fläche am Ro- tor verfügbar, um Elemente zu schaffen, welche dieses Moment unbeschädigt übertragen können.
Ist zur Verschraubung des Verstellers an der Nockenwelle ein Zentralventil vorgesehen ist die Winkellage der Radialbohrungen im montierten Zustand nicht definiert. Je nach Anzugswinkel des Zentralventils stehen die Radialbohrungen, welche das Öl nach außen führen in unterschiedlichen Winkelpositionen. Diese Winkellage trifft daher nicht gezielt in die weiterführenden Radialbohrungen des Rotors, da diese widerrum in einer beliebigen Winkellage zum Ventil stehen. Wenn die Radialbohrungen vom Ventil und vom Rotor nicht fluchten ist das nachteilig für die Ölversorgung der Druckkammern. Es muss zusätzlich ein Ringkanal im Rotor geschaffen werden, was mit erhöhten Strömungsverlusten verbunden ist und ein langsameres Ansprechverhalten des Verstellsystems zur Folge hat. Außerdem bedeuten die Ringkanäle im Rotor einen aufwändigeren Produktionsprozess und einen größeren radialen Bauraum des Rotors.
Um die Steuerzeiten der Gaswechselventile zuverlässige bei der Montage des Verstellers einzustellen, muss eine definierte Winkellage zwischen der Verzahnung des Verstellers und der Nockenstellung erzielt werden. Bei einer Verbindung mittels Zentralschraube müssen die Steuerzeiten über Zusatzmaßnahmen wie z.B. Fixierung der Nockenwellen sichergestellt werden. Über einen Formschluss zwischen dem Versteller und der Nockenwelle ist die Winkellage zwischen der Nockenwelle und der Verzahnung fest definiert und muss nicht aufwendig eingestellt oder anderweitig fixiert werden. Ein entsprechendes Tinning Feature (Tinning Pin), welches von einigen Kunden gefordert wird kann somit entfallen.
Die Entwicklung der Nockenwellenversteller fordert einen immer kleineren radialen und axialen Bauraum. Speziell die axiale Baulänge kann bei einem Zentralschrauben- verband jedoch nicht beliebig reduziert werden, da sich damit auch die Klemmlänge des Schraubverbands verkleinert. Dadurch ist keine ausreichende Dehnlänge im Schraubverband realisierbar, die Verbindung wird sehr steif und reagiert sehr ungünstig auf ein mögliches Setzverhalten. Ein Lösen der Zentralschraube im Betrieb wäre die Folge davon. Bei der Übertragung des Drehmoments mittels Formschluss beein- flusst die axiale Steifigkeit des Rotors nicht Belastbarkeit der Verbindung.
Des Weiteren ist die aufwändige Bauform des Zentralventils als Schraube zu vermeiden. Dieses Schraubengehäuse muss hohe mechanische Lasten ertragen (Vorspann- kraft und Anschraubmoment) und muss dementsprechend stabil ausgeführt sein. Durch dieses Extragehäuse wird zudem der Ölfluß behindert. Entfällt dieses Gehäuse, kann das Ventil kleiner und bezüglich des Öldurchfluss optimal gestaltet werden. Ebenso die Montage im Inneren der Nockenwelle ist einfacher und kann z.B. durch einen Sicherungsring realisiert werden.
Ein weiteres Problem des angeschraubten Nockenwellenverstellers ist die Mehrfachmontage. Wird die Zentralschraube dabei in den plastischen Bereich gezogen ist sie nur einmal verwendbar, da danach die geforderte Vorspannkraft nicht wieder zuverlässig erreicht wird. Eine formschlüssige Lösung ist einfacher, schneller und beliebig oft wieder montierbar. Außerdem ist die Verbindungsqualität der Schraublösung abhängig von der Genauigkeit des Anschraubverfahrens. Durch Streuungen im Anziehverfahren ergeben sich höhere oder niedriger Vorspannkräfte. Eine formschlüssige Verbindung ist nur von Einzelteiltoleranzen abhängig und somit bezüglich des übertragbaren Drehmoments wesentlich konstanter. Zudem ist eine einfache Handmonta- ge ohne Zusatzwerkzeuge wünschenswert.
Die Nachteile Standes der Technik liegen also unter anderem ferner darin, dass die Montage des Nockenwellenverstellers auf der Nockenwelle nur mittels sehr geringer Fertigungstoleranzen und einem hohen Montageaufwand so durchgeführt werden kann, dass der Nockenwellenversteller die vorgesehene Position relativ zur Nockenwelle einnimmt. Neben den hohen Herstellungskosten, die aus den geringen Fertigungstoleranzen resultieren, und einer etwaigen Zentralschraube, die für die vorgese- hene Position des Nockenwellenverstellers auf der Nockenwelle notwendig ist, liegt ein weiterer Nachteil der bekannten Vorrichtungen darin, dass die Montage sehr zeitintensiv ist. Weiterhin können mit den vorhandenen Vorrichtungen Montagefehler nicht gänzlich vermieden werden. Es ist somit die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Nachteile aus dem Stand der Technik zu beheben und insbesondere eine Vorrichtung zur Verfügung zu stellen, die nach der Montage eine axiale, wie auch eine radiale Positionstreue des Nockenwellenverstellers relativ zur Nockenwelle erzwingt bzw. nach sich zieht. Dies wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, dass ein Vorspannelement derart am Rotor anliegt, dass die in Formschluss stehenden Elemente des Rotors und der Nockkenwelle gegeneinander zumindest in Axialrichtung vorgespannt sind.
Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen beansprucht und wer- den nachfolgend näher erläutert.
So ist es vorteilhaft, wenn sich die Rotorformschlusselemente in axialer Richtung über die gesamte Rotorinnenfläche erstrecken. Auf diese Weise weisen die Rotorformschlusselemente eine Fläche auf, die groß genug ist, den für die Drehmomentübertra- gung notwendigen Formschluss zu realisieren. Somit ermöglicht es die Vorrichtung, bei axial knappem Bauraum zuverlässig die auftretenden Kräfte und Momente zu übertragen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass an einem distalen Ende des Rotors eine distale Stirnseite ausgebildet ist, die dafür geeignet ist, mit einem axialen Begrenzungselement, wie einem Sicherungsring, einem Sprengring, einem Sicherungsstift oder einer Scheibe, in Kontakt zu stehen. Diese distale Stirnseite steht im Betriebszustand mit dem axialen Begrenzungselement in Kontakt. Auf diese Weise weist der Rotor eine geometrisch bestimmte Fläche auf, welche den Anforderungen, die an eine axiale Kontaktfläche gestellt werden, gerecht wird. Hinsichtlich der Materialwahl und der Oberflächenbeschaffenheit der distalen Stirnseite kann nun eine Wahl getroffen werden, die dazu in der Lage ist, einen axialen Formschluss ideal zu reali- sieren.
Von Vorteil ist es ebenfalls, wenn an einem proximalen Ende des Rotors eine proximale Stirnseite ausgebildet/vorhanden ist, die dazu geeignet ist, mit dem Vorspannelement in Kontakt zu stehen. Somit kann auch die proximale Stirnseite so ausgestal- tet werden, dass sie hinsichtlich der Krafteinleitung, die sie von Seiten des Vorspannelementes erfährt, optimal aufnimmt. Auch der proximalen Stirnseite wird es somit ermöglicht, hinsichtlich der Materialwahl und der Oberflächenbeschaffenheit auf ihren Einsatzbereich maßgeschneidert zu agieren. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Vorspannelement als eine Tellerfeder ausgestaltet ist und das Vorspannelement derart beschaffen ist, dass es an seinem proximalen Ende mit der Nockenwelle in Kontakt steht und an seinem distalen Ende mit dem Rotor in Kontakt steht. Aus der Ausgestaltung als Tellerfeder ergibt sich, dass ein standardisiertes Bauteil eingesetzt werden kann. Somit sinken zum einen die Herstel- lungskosten, während weiterhin der logistische Aufwand abnimmt. Dies wirkt sich vorteilhaft auf die gesamte Kostenstruktur der Baueinheit aus. Dadurch, dass das Vorspannelement sowohl mit der Nockenwelle als auch mit dem Rotor in Kontakt steht, ermöglicht es eine axiale Vorspannung der beiden Bauteile relativ zueinander. Für die Montage eignet sich jene Anordnung, in der das proximale Ende mit der Nockenwelle verbunden ist und das distale Ende mit dem Rotor in Verbindung steht, da das Vorspannelement so zeitlich vor dem Nockenwellenversteller montiert wird.
Weiterhin betrifft die erfindungsgemäße Vorrichtung ein Verstellsystem, das einen Nockenwellenversteller, wie er zuvor beschrieben wurde, beinhaltet und eine Nockenwel- le umfasst, wobei der die drehmomentübertragende Verbindung stellende Formschluss zwischen dem Rotor und der Nockenwelle als Keilwellen- oder Zahnwellenverbindung ausgestaltet ist bzw. jenes Verstellsystem die drehmomentübertragende Verbindung als Keilwellen- oder Zahnwellenverbindung ausgestaltet. Keilwellenver- bindungen eignen sich dafür, hohe Drehmomente zu übertragen, womit jene Verbindungsart ideal dafür geeignet ist, das Drehmoment zwischen dem Nockenwellenvers- teller und der Nockenwelle funktionsgetreu zu übertragen. Weiterhin weisen Keilwellen ein minimales Spiel in Umfangsrichtung aus, wodurch die geometrische Bestimmt- heit der Einheit garantiert werden kann. Die evolventenförmigen Flanken, die eine Zahnwellenverbindung auszeichnen, bewirken weiterhin, dass der drehmomentübertragende Formschluss stets funktionserfüllend übertragen werden kann, da die evolventenförmigen Flanken genügend Fläche zur Verfügung stellen. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass ein distaler Endabschnitt eine Wellenschulter aufweist, die radial nach außen gerichtet ist, wobei die Wellenschulter an einer solchen axialen Position angeordnet ist, dass in Richtung des distalen Endes der Nockenwelle ein ausreichend langer Abschnitt ausgebildet ist, um darauf den Rotor und das Vorspannelement vorzugsweise überstandsfrei anzuordnen. Somit ist in Richtung des distalen Endes genügend Platz für das Vorspannelement und den Nockenwellenversteller, wodurch das Vorspannelement an der Wellenschulter anliegen kann und somit seine Kraft aufbringen kann. Weiterhin bewirkt das Anordnen der Wellenschulter an jener axialen Position, an der in Richtung des distalen Endes genügend Platz vorhanden ist, dass es keine Probleme hinsichtlich des axialen Bauraums für den Nockenwellenversteller gibt.
Es ist auch zweckmäßig, wenn innerhalb des Rotors Rotorfluidkanäle angeordnet sind, die von der Rotorinnenfläche zu einer Rotoraußenfläche führen und dafür vorgesehen sind, ein Hydraulikfluid zu transportieren und/oder dass der distale Endab- schnitt Nockenwellenfluidkanäle aufweist, die radial verlaufen und die dafür geeignet sind, ein Hydraulikfluid zu transportieren, wobei sie insbesondere mit den Rotorfluid- kanälen fluchten. Diese durchgehende Verbindung zunächst von der Rotorinnenfläche zur Rotoraußenfläche ermöglicht die Speisung der Fluidkammern mit Hydraulikfluid, vorzugsweise Hydrauliköl, wodurch eine effiziente Arbeitsweise des Nockenwellen- verstellers sichergestellt wird. Die Anordnung der Rotorfluidkanäle innerhalb des Rotors bewirkt einen minimalen axialen Bauraum der Nockenwellenverstelleinheit. Mittels der Nockenwellenfluidkanäle wird es zudem ermöglicht, die Fluidkammern des No- ckenwellenverstellers durch die Nockenwelle hindurch mit Hydraulikfluid zu versorgen, wodurch die Funktion des Nockenwellenverstellers sichergestellt wird. Bei gewährleisteter Festigkeit der Nockenwelle wird es somit ermöglicht, den nötigen Bauraum minimal zu halten, da die Fluidkanäle, die die Hydraulikkammern mit Fluid versorgen, innerhalb der Nockenwelle angeordnet sind.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass eine Winkelorientierung zwischen dem Rotor und der Nockenwelle über den Formschluss vorgenommen wird. Somit wird es ermöglicht, eine Zentrierung ohne zusätzlichen Aufwand vorzunehmen. Dies minimiert neben dem Bauraum vor allem die aufzuwendenden Kosten, da kein extra Bauelement zur Winkelorientierung nötig ist.
Es ist ebenfalls von Vorteil, wenn die Rotorfluidkanäle und die Nockenwellenfluidkanä- le ausschließlich in radialer Richtung verlaufen. Somit wird vermieden, dass zu viel Bauraum in Umfangsrichtung von Seiten der Fluidkanäle in Beschlag genommen wird. Weiterhin ermöglicht der radiale Verlauf der Fluidkanäle ein Minimum an Strömungsverlusten, da das Hydraulikfluid auf seinem Weg vom inneren Teil des Verstellsystems in die Hydraulikkammer nicht mehrfach umgelenkt wird. Weiterhin sind die Kanäle in ihrer Fertigung deutlich kostengünstiger zu realisieren, wenn sie nur in eine Richtung verlaufen. Neben dem sehr simplen Produktionsprozess ziehen die radial verlaufen- den Hydraulikkanäle ebenfalls einen sehr geringen radial benötigten Bauraum nach sich. Auf diese Weise nimmt die Kompaktheit der Einheit zu, während die strömungstechnischen Vorteile ebenfalls auf der Hand liegen.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass an der Rotorinnenfläche in Umfangsrichtung mindestens sechs Rotorformschlusselemente angebracht sind. Diese Anordnung mit sechs Rotorformschlusselementen ermöglicht es, die hohen auftretenden Drehmomente mittels eines Formschlusses von dem Nockenwellenverstel- ler auf die Nockenwelle zu übertragen. Zudem zieht die Anzahl von sechs Rotorformschlusselementen den Vorteil nach sich, dass dies in einer symmetrischen Anordnung resultiert, was hinsichtlich der Fertigungskosten aufgrund der Komplexität einen Vorteil darstellt. Es ist auch vorteilhaft, wenn die Rotorformschlusselemente als Einbuchtungen ausgebildet sind, die radial nach außen gerichtet sind. Diese Einbuchtungen eignen sich dafür, dass Vorsprünge, die an der Nockenwelle angebracht sind, in sie hinein ragen. Die Einbuchtungen sind so ausgestaltet, dass ihre Höhe ausreichend groß ist, um die auftretenden Kräfte und Momente zu übertragen. Somit wird ein funktionsgetreuer Formschluss bei minimalem axialen und radialen Bauraum ermöglicht.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass die in axialer Richtung verlaufenden Rotorformschlusselemente jeweils zwei Seitenflanken auf- weisen, wobei die erste Seitenflanke in Richtung der einen Umfangsrichtung ausgerichtet ist und die zweite Seitenflanke in Richtung der entgegengesetzten Umfangsrichtung ausgerichtet ist, wobei der Abstand in Umfangsrichtung zwischen der ersten Seitenflanke und der zweiten Seitenflanke klein ist im Vergleich zur axialen Länge des Rotorformschlusselementes. Hieraus folgt, dass die Einbuchtungen, welche von den Seitenflanken definiert werden, in ihren Zwischenräumen in Umfangsrichtung so viel Bauraum zur Verfügung lassen, dass die Steifigkeit des Rotors nicht beeinträchtigt wird, wodurch dieser seine Funktion weiterhin in optimaler Art und Weise erfüllen kann. Es ist auch von Vorteil, wenn die erste Seitenflanke und die zweite Seitenflanke derart ausgestaltet sind, dass über sie eine Zentrierung des Rotors relativ zur Nockenwelle vorgenommen werden kann. Diese Zentrierung lässt nur eine Relativposition des Rotors zur Nockenwelle zu, wodurch die Montage zum einen vereinfacht wird, und zum anderen eine fehlerhafte Montage vermieden wird. Diese Abnahme des Komplexitäts- grads der Montage zieht nicht zu vernachlässigende Kostenvorteile in der Montage nach sich.
Weiterhin vorteilhaft ist es, wenn der Rotor aus Sinterstahl gefertigt wird. Somit kann der Rotor mit einer hohen geometrischen Exaktheit gefertigt werden und dabei weiter- hin die Anforderungen an das Material hinsichtlich seiner Festigkeit erfüllen. Weit verbreitete Sintertechniken können angewandt werden, wodurch die Herstellungskosten gesenkt werden. Ebenfalls ist es von Vorteil, wenn der Rotor mechanisch nachverdichtet wird. Dies bewirkt eine Erhöhung der Festigkeit des Rotors aus Sinterstahl. Somit können auch höchste Drehmomente durch den Rotor auf die Nockenwelle übertragen werden, ohne dass das Material dadurch negativ beeinflusst wird.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass an der proximalen Stirnseite des Rotors eine Einführphase zur Vereinfachung der Montage angeordnet ist. Dies optimiert den Montageprozess, wodurch der Komplexitätsgrad der Baueinheit weiter gesenkt wird. Außerdem minimiert eine solche Einführphase das Risiko einer Falschmontage.
Es ist auch von Vorteil, wenn die Tellerfeder aus Federstahl gestanzt und anschließend umgeformt wird. Auf diese Weise können herkömmliche Herstellungsarten für die Tellerfeder weiterhin angewandt werden, wodurch die vorhandene Expertise auch für die nun in dieser Einheit verbaute Tellerfeder eingesetzt werden kann. Entwicklungskosten für die Ausarbeitung einer neuen Tellerfeder entfallen somit.
Es ist auch von Vorteil, wenn die Tellerfeder mittels einer Wärmebehandlung nachbearbeitet wird. Diese Nachbearbeitung stellt sicher, dass die Tellerfeder die nötigen Kräfte für den axialen Formschluss bzw. die axiale Vorspannung aufbringen kann. Auch garantiert die Wärmebehandlung eine lange Lebensdauer der Tellerfeder. Der standardisierte Prozess der Wärmebehandlung hält zudem den aufzubringenden Aufwand auf einem Minimum. Eine weitere Ausführungsform mit vorteilhaften Eigenschaften zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorspannelement einen Anlagebereich aufweist und der Anlagebereich abgerundete Kanten ausbildet. Mittels jener Abrundung wird Verschleiß vermieden, was sich positiv auf die Wartungsintervalle und die Lebensdauer des Nockenwellen- verstellers auswirkt. Zudem werden somit im Betrieb erzeugte Späne aufgrund zu ho- her Reibkräfte vermieden, was die Betriebstemperatur positiv beeinflusst und keine unerwünschten Reibkörper nach sich zieht. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement mittels Kugelstrahlen kaltverfestigt wird. Diese Kaltverfestigung optimiert die Vorspannkraft, die das Vorspannelement aufbringen kann, wodurch die axiale Vorspannung des Nockenwellenverstellers relativ zur Nockenwelle optimal ausge- führt wird.
Auch vorteilhaft ist es, wenn das Vorspannelement mittels zwei gegeneinander platzierten Tellerfedern ausgestaltet ist, wodurch ein am Rotor schräg anliegender Anlagebereich vermieden wird. Die aus der schrägen Anlage resultierende ineffiziente Kraftübertragung wird somit umgangen, wodurch der von dem Vorspannelement initiierte Formschluss optimal ausgestaltet ist.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Vorspannelement eine progressive Federkennlinie aufweist. Diese bewirkt, dass bei hoher Last ein Durchschlagen der Feder verhin- dert wird, während im Bereich der Normallast eine weiche komfortable Federung realisiert wird. Auf diese Weise wird es ermöglicht, dass das Vorspannelement eine an den Betriebszustand angepasste Kraft bewirkt.
Es ist auch von Vorteil, wenn das Vorspannelement als Druckfeder ausgestaltet ist. Diese ist in ihrer Herstellung sehr günstig, woraus sinkende Herstellungskosten der Baueinheit resultieren. Weiterhin weisen Druckfedern lange Lebensdauern auf, wodurch nicht mit einer Wartung der Feder zu rechnen ist.
Ebenfalls ist es vorteilhaft, wenn das Vorspannelement als Gummipuffer ausgestaltet ist. Dieser besitzt eine sehr geringe Dichte, woraus eine Gewichtsreduzierung der Einheit resultiert, was die Effizienz der Einheit steigert. Weiterhin besitzt ein Gummipuffer dämpfende Eigenschaften, was bei den im Motor auftretenden Vibrationen durchaus gewünscht sein kann. Gummipuffer eignen sich zudem bevorzugt dazu, progressive Federkennlinien auszubilden. Mit ihren geringen Herstellungskosten stel- len Gummipuffer auch hinsichtlich ihrer Wirtschaftlichkeit einen Vorteil dar.
Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn das Vorspannelement ein zentrales Durchgangsloch aufweist, das im Durchmesser den Durchmesser der Nockenwelle übersteigt. Auf die- se Weise wird garantiert, dass das Vorspannelement problemlos auf der Nockenwelle montiert werden kann. Etwaige Verkeilungen werden zudem vermieden, was unerwünscht hohe Montagezeiten vermeidet. Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass das Vorspannelement derart ausgestaltet ist, dass es auf dem Rotor eine rein axiale Kraft in Richtung des distalen Endes ausübt. Auf diese Weise wird ein Formschluss mittels des am distalen Ende befestigten Befestigungselements ohne Kraftverluste ermöglicht. Durch die Wirkung der Kraft in axialer Richtung wird zudem vermieden, dass un- erwünschte Biegemomente innerhalb der betroffenen Bauteile auftreten, was sich negativ auf die Lebensdauer der einzelnen Teile auswirken würde.
Weiterhin ist es eine vorteilhafte Ausführungsform, wenn die Nockenwelle derart beschaffen ist, dass sie einen distalen Endabschnitt aufweist, der an seiner radialen äu- ßeren Mantelfläche mit dem Rotor in Kontakt steht. Die separate Ausgestaltung eines solchen Endabschnitts bewirkt, dass dieser so beschaffen ist, dass er die an ihn gestellten Anforderungen optimal erfüllt. Durch die geometrische Trennung des drehmomentübertragenden Abschnitts, also des distalen Endabschnitts, zur restlichen Nockenwelle können diese beiden getrennte Materialeigenschaften aufweisen, wodurch beide in der Lage sind, ihre Funktion bei möglichst geringem Materialaufwand zufriedenstellend zu erfüllen. Diese Trennung der Funktion der einzelnen Abschnitte der Nockenwelle bewirkt, dass die Nockenwelle mit größtmöglicher Effizienz ausgestaltet wird. So ist es von Vorteil, wenn der distale Endabschnitt als Hohlwelle ausgebildet ist. Diese Hohlwelle ermöglicht es, den Nockenwellenversteller über den radial inneren Teil der Nockenwelle mit Hydraulikfluid zu versorgen. Der Bauraum wird auf diese Weise optimal genutzt, da keine externen Fluidkanäle notwendig sind. Es ist weiterhin von Vorteil, wenn der Außendurchmesser des distalen Endabschnitts den Außendurchmesser der proximalen, restlichen Nockenwelle übersteigt. Auf diese Weise wird bewirkt, dass der distale Endabschnitt ein ausreichend hohes Flächenträgheitsmoment aufweist, wodurch garantiert ist, dass trotz der Ausgestaltung als Hohlwelle eine ausreichende Kraftübertragung stattfindet. Der radial benötigte Bau- raum wird somit weiterhin minimal gehalten.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass der dista- le Endabschnitt eine Ringnut aufweist, die dafür geeignet ist, das axiale Begrenzungselement darin anzuordnen. Somit ist die Lage des Begrenzungselements eindeutig definiert, was eine geometrische Bestimmtheit des Nockenwellenverstellers in axialer Richtung nach sich zieht. Die axiale Festsetzung des Begrenzungselements mittels einer Ringnut bewirkt, dass das axiale Begrenzungselements bequem ange- bracht werden kann, ohne dass eine Wellenschulter nötig wäre, die den radialen Bauraum erhöhen würde.
Es ist zudem von Vorteil, wenn am distalen Ende der Nockenwelle eine Einführphase zur Vereinfachung der Montage angeordnet ist. Dadurch, dass somit die Möglichkeit gegeben ist, den Nockenwellenversteller auch an der Nockenwelle zu zentrieren, ist die Flexibilität der Anordnung erhöht. Die daraus resultierende vereinfachte Montage wirkt sich positiv auf die benötigte Montagezeit und somit die Herstellungskosten aus.
Es ist auch von Vorteil, wenn die Nockenwelle an einer Nockenwellenaußenfläche in Umfangsrichtung mindestens sechs Nockenwellenformschlusselemente aufweist. Die Anzahl der Nockenwellenformschlusselemente sollte der Anzahl der Rotorform- schlusselemente entsprechen, wodurch ein optimaler Formschluss ermöglicht wird. Mittels jener sechs Nockenwellenformschlusselemente ist wiederum eine symmetrische Anordnung gewährleistet, was die Herstellungskosten und die Komplexität der Anordnung senkt.
Es ist auch von Vorteil, wenn sich die Nockenwellenformschlusselemente in axialer Richtung ebenso lange erstrecken, wie die Rotorformschlusselemente. Auf diese Weise wird ermöglicht, dass kein axialer Bauraum verschwendet wird und dennoch die für den Formschluss notwendige Kraft funktionserfüllend übertragen wird.
Außerdem vorteilhaft ist es, wenn die Nockenwellenformschlusselemente als Vorsprünge ausgebildet sind, die radial nach außen gerichtet sind. Diese Vorsprünge er- möglichen es, geometrisch bestimmt in die zuvor beschriebenen Einbuchtungen des Rotors einzugreifen.
Eine vorteilhafte Ausführungsform ist auch dadurch gekennzeichnet, dass die No- ckenwellenformschlusselemente mit den Rotorformschlusselementen in einem Eingriff stehen, wodurch der drehmomentübertragende Formschluss zustande kommt, wobei das Rotorformschlusselement und das Nockenwellenformschlusselement jeweils eine Höhe in radialer Richtung aufweisen, wobei diese Höhe nicht identisch sein muss und der Eingriff zwischen dem Rotorformschlusselement und dem Nockenwellenform- Schlusselement so ausgestaltet ist, dass er sich mindestens über 70% der Flankenhöhe des Formschlusselements mit der geringeren Höhe erstreckt, also ein Eingriffsverhältnis von mindestens 0,7 aufweist. Dieses Eingriffsverhältnis gewährleistet eine ausreichende Kraftübertragung, während zeitgleich die Bauraumsituation berücksichtigt wird. So werden zu hohe Eingriffsverhältnisse vermieden, welche in sehr hohen Fertigungstoleranzen resultierten und somit die Kosten in die Höhe steigen ließen. Weiterhin wird die Gefahr der geometrischen Überbestimmtheit der Anordnung, die ein Eingriffsverhältnis von 1 nach sich ziehen würde, gebannt.
Weiterhin wird ein Verstellsystem offenbart, das einen Nockenwellenversteller und ei- ne Nockenwelle umfasst, wobei der Nockenwellenversteller einen radial innerhalb eines Stators angeordneten Rotor aufweist, der relativ zum Stator verdrehbar ist, wobei der Rotor und der Stator Fluidkammern definieren, die mittels einem Hydraulikfluid befüllbar sind, wobei die Nockenwelle Nockenwellenfluidkanäle aufweist und der Rotor Rotorfluidkanäle aufweist, wobei die Nockenwelle und der Rotor über einen Form- schluss drehfest miteinander verbunden sind, wobei die Nockenwellenfluidkanäle und die Rotorfluidkanäle im Bereich der den Formschluss hervorrufenden Abschnitte vorzugsweise fluchtend ausgebildet sind. Diese fluchtende Anordnung ermöglicht es, dass kein Ringkanal im Rotor geschaffen werden muss, was zum einen weniger Strömungsverluste mit sich bringt und weiterhin die Produktionskosten gering hält, da diese Anordnung deutlich einfacher zu realisieren ist. Letztlich bewirkt diese Anordnung ebenfalls, dass das Ansprechverhalten des Verstellsystems auf Änderungen des Hydraulikfluiddrucks äußerst schnell ist, da das Fluid wenig Weg vom Hydrauliktank bis in die Fluidkammer zurücklegt. Diese Idee kann auch unabhängig von einem No- ckenwellenversteller mit einem radial innerhalb eines Stators angeordneten Rotor, der relativ zum Stator verdrehbar ist, wobei der Rotor dazu vorbereitet ist, drehfest mit einer Nockenwelle verbunden zu sein und eine radial innen gelegene Rotorinnenfläche mit mindestens einem Rotorformschlusselement aufweist, wobei das Rotorform- Schlusselement dazu vorbereitet ist, mit einem entsprechenden Nockenwell enform- schlusselement einen drehmomentübertragenden Formschluss einzugehen, wobei ein Vorspannelement derart am Rotor anliegt, dass die in Formschluss stehenden Elemente des Rotors und der Nockenwelle gegeneinander in Axialrichtung vorgespannt sind, verwirklicht werden.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform besteht darin, dass die Rotorfluidkanäle im Bereich der Rotorformschlusselemente angeordnet sind. Somit wird ohne hohen Aufwand garantiert, dass die Nockenwellenfluidkanäle und die Rotorfluidkanäle tatsächlich fluchten, da die Kanäle lediglich im Bereich der Formschlusselemente ausgebildet werden müssen. Dies senkt die Komplexität in der Fertigung und erhöht den Komfort in der Montage.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist dadurch gekennzeichnet, dass die Nockenwellenfluidkanäle im Bereich der Nockenwellenformschlusselemente angeordnet sind. Somit ist garantiert, dass die Nockenwellenfluidkanäle mit den Rotorfluidkanälen fluchten, da mit den zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Besonderheiten gewährleistet wird, dass die Rotorformschlusselemente und die Nockenwellenform- schlusselemente ineinander greifen. Es ist ferner von Vorteil, wenn die Rotorfluidkanäle und/ die Nockenwellenfluidkanäle im Bereich einer sich in Axialrichtung erstreckenden Kante eines der den Formschluss hervorrufenden Abschnitte angeordnet sind oder daran angrenzen. Sie können somit in einem radial nach innen ragenden Nasenbereich des Rotors oder angrenzend an eine radial nach außen ragende Erhabenheit der Nockenwelle, etwa im Bereich einer Vertiefung der Nockenwelle angeordnet sein.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform zeichnet sich dadurch aus, dass pro Rotorformschlusselement null, ein, zwei oder mehr Rotorfluidkanäle radial verlaufen. Mit dieser Anzahl an radial verlaufenden Rotorkanälen pro Rotorformschlusselennent ist garantiert, dass jeder Hydraulikkammer des Rotors über einen Kanal Hydraulikfluid zu- und über einen anderen Kanal Hydraulikfluid abgeführt wird. Es ist weiterhin vorteilhaft, wenn die Nockenwellenfluidkanäle derart beschaffen sind, dass sie an ihrem radial inneren Ende mit einem Zentralventil verbindbar sind. Auf diese Weise wird eine zuverlässige Ölversorgung der Nockenwellenfluidkanäle und somit auch der Rotorfluidkanäle und der Hydraulikkammern des Nockenwellenverstel- lers garantiert. Ein funktionsgetreues Arbeiten des Nockenwellenverstellers ist somit sichergestellt.
Von Vorteil ist es ferner, wenn zwischen den Flanken der Rotorformschlusselemente und den Flanken der Nockenwellenformschlusselemente ein Leckage-Spalt ausgebildet ist, der mit Öl befüllbar ist. Auf diese Weise ist eine aktive Ölschmierung des No- ckenwellenverstellers realisiert, was einen zusätzlichen Aufwand, der normalerweise für eine Ölschmierung aufgebracht werden muss, wegfallen lässt. Neben der zunehmenden Kosteneffizienz des Nockenwellenverstellers wird so eine abnehmende Komplexität der gesamten Einheit erreicht. In anderen Worten kann gesagt werden, dass die erfinderische Lösung der Aufgabe die Verbindung des Nockenwellenverstellers durch einen axial vorgespannten Form- schluss ist. Der Formschluss dient der Kraftübertragung des Nockenwellendrehmoments und kann in Form einer Keilwellen-, Zahnwellen-, Passfeder- oder Polygonverbindung realisiert werden.
Außerdem wird ein Federelement eingesetzt, um eine Axialkraft auf den Versteller/Rotor zu erzeugen. Diese hat die Aufgabe, das Axialspiel, welches zur Montage benötigt wird, im Betrieb zu eliminieren. Dadurch ist der Rotor fixiert und klappert nicht im Betrieb aufgrund von Axialschwingungen der Nockenwelle. Dieses Federele- ment/Vorspannelement kann als Tellerfeder, Druckfeder oder als Gummipuffer ausgeführt sein. Um die Axialkraft des Federelements aufzunehmen und die axiale Lage des Rotors zu definieren, wird ein weiterer axialer Formschluss realisiert. Dieser kann als einfacher Sicherungsring, Sprengring, Sicherungsstift oder -Scheibe ausgeführt sein. Zusamnnenfassend kann gesagt werden, dass eine in axialer Richtung beispielsweise prismatisch ausgeprägte Kontur am Innendurchmesser des Rotors, welche formschlüssig in eine Gegenkontur an der Nockenwelle eingreift, realisiert wird. Weiterhin tritt eine formschlüssige Verbindung auf, welche den Rotor und die Nockenwelle zueinander zentriert. Die formschlüssige Verbindung besitzt zudem die Aufgabe, ein Drehmoment zwischen dem Rotor und der Nockenwelle zu übertragen. Außerdem stellt die formschlüssige Verbindung eine feste Winkellage zwischen dem Rotor und der Nockenwelle ein. Es ist ein weiteres Merkmal der formschlüssigen Verbindung, radial fluchtende Bohrungen / Kanäle zwischen dem Rotor und der Nockenwelle zu realisieren. Dies zieht eine effiziente Hydraulikversorgung der Druckkammern nach sich. Die erfindungsgemäße Vorrichtung weist zudem ein zusätzliches Federelement zwischen dem Rotor und der Nockenwelle auf, welches eine Kraft in axialer Richtung ausübt und somit das nach der Montage auftretende Axialspiel ausgleicht. Weiterhin ist ein zusätzliches Formelement enthalten, welches radial in die Nockenwelle hineinragt und die axiale Lage des Rotors zur Nockenwelle fixiert.
Die Erfindung wird nachfolgend mittels Figuren näher erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 einen Querschnitt der gesamten Anordnung mit einer Nockenwelle, einem
Rotor und einem Stator entlang der Linie l-l aus Fig. 2;
Fig. 2 einen Längsschnitt der gesamten Einheit entlang der Linie II-II aus Fig. 1 und
3, wobei neben der Nockenwelle, dem Rotor und dem Stator u.a. das Vorspannelement sichtbar ist; Fig. 3 eine Draufsicht der gesamten Einheit;
Fig. 4 eine perspektivische Ansicht des Rotors mitsamt seiner Rotorfluidkanäle; Fig. 5 eine perspektivische Ansicht der Nockenwelle mitsamt ihrer Nockenwellen- fluidkanäle.
Die Figuren sind lediglich schematischer Natur und dienen ausschließlich dem Ver- ständnis der Erfindung. Die gleichen Elemente sind mit denselben Bezugszeichen versehen.
In Fig. 1 ist ein Nockenwellenversteller 1 dargestellt, der einen radial innerhalb eines Stators 2 angeordneten Rotor 3 aufweist, wobei der Rotor 3 relativ zum Stator 2 verdrehbar ist. Der Rotor 3 ist dazu vorbereitet, drehfest mit einer Nockenwelle 4 verbunden zu sein. Er weist zudem eine radial innengelegene Rotorinnenfläche 5 auf, die mindestens ein Rotorformschlusselement 6 umfasst. Das Rotorformschlusselement 6 ist dazu vorbereitet, mit einem entsprechenden Nockenwellenformschlusselement 7 einen drehmomentübertragenden Formschluss einzugehen, wie auch aus der Zu- sammenschau der Figuren 4 und 5 klar wird.
Fig. 2 zeigt ein Vorspannelement 8, das derart am Rotor 3 anliegt, dass die im Formschluss stehenden Elemente des Rotors 3 und der Nockenwelle 4 gegeneinander zumindest in Axialrichtung vorgespannt / verspannt sind.
Zurückkommend auf Fig. 1 weist der Rotor 3 ein Vielzahl von Rotorflügeln 9 auf, die im Zusammenspiel mit einer Vielzahl von Statorflügeln 10 Fluidkammern 1 1 ausbilden. Die einzelnen Fluidkammern 1 1 werden mit Hilfe von Hydraulikkanälen, die sich aus Nockenwellenfluidkanälen 12 und Rotorfluidkanälen 13 zusammensetzen, mit Fluid, wie Öl, versorgt. Die Nockenwellenfluidkanäle 12 und die Rotorfluidkanäle 13 werden zueinander fluchtend ausgebildet. In Umfangsrichtung sind die Rotorfluidkanäle 13 im Bereich der Rotorformschlusselemente 6 angeordnet und die Nockenwellenfluidkanäle 12 sind im Bereich der Nockenwellenformschlusselemente 7 angeordnet. Die Nockenwelle 4 weist einen distalen Endabschnitt 14 auf. Dieser ist integral mit der Nockenwelle 4 gebildet, weist jedoch eine vom restlichen Teil der Nockenwelle 4 abweichende Geometrie auf. Aufgrund des größeren radialen Bauraums, den der Rotor 3 verglichen mit dem distalen Endabschnitt 14 der Nockenwelle 4 benötigt, sind die Rotorfluidkanale 13 in ihrem Betrag länger als die Nockenwellenfluidkanäle 12. In der in Fig. 1 dargestellten Ausführungsform ist der Formschluss als Keilwellenverbindung ausgestaltet. Hierbei ragen sechs Vorsprünge 15 der Nockenwelle 4 in sechs Einbuchtungen 16 des Rotors 3.
Der distale Endabschnitt 14 der Nockenwelle 4 ist als Hohlwelle ausgestaltet. Die da- rin angeordneten Rotorfluidkanale 13 befinden sich sowohl in Umfangsrichtung als auch in axialer Richtung an unterschiedlichen Positionen.
Fig. 2 klärt darüber auf, dass der Stator 2 aus mehreren Elementen besteht. Diese werden mit wenigstens einem Verbindungselemente 17 zusammengehalten. Eine Wellenschulter 18 ermöglicht dem Vorspannelement 8 zudem einen axialen Anschlag auf der Nockenwelle 4. Während das Vorspannelement 8 am radial inneren Ende an der Wellenschulter 18 anliegt, liegt es an seinem radial äußeren Ende an einer proximalen Stirnseite 19 des Rotors 3 an. In Richtung des distalen Endes weist der Rotor 3 eine distale Stirnseite 20 auf. Diese steht wiederum in Kontakt mit einem axialen Begrenzungselement 21 . Eine Ringnut 22 setzt das Begrenzungselement 21 axial fest, wodurch der Nockenwellenversteller 1 auf der Nockenwelle 4 geometrisch bestimmt ist. Das Begrenzungselement 21 kann als Sicherungsring 23 ausgestaltet sein. Dieser Sicherungsring 23 ist auch in Fig. 3 dargestellt.
Fig. 4 macht deutlich, an welchen Positionen in Umfangsrichtung die Rotorfluidkanäle 13 angeordnet sind. Als Teil der erfindungsgemäßen Offenbarung sind sie im Bereich der Rotorformschlusselemente 6 angeordnet. Um eine ideale Fluchtung mit den No- ckenwellenfluidkanälen 12 zu erreichen, sind sie am Rand der Rotorformschlusselemente 6 angeordnet. Die beiden in Fig. 4 dargestellten Rotorfluidkanäle 13 versorgen zwei unterschiedliche Fluidkammern 1 1 , weshalb einer der beiden Rotorfluidkanäle 13 als Zufuhr und der andere als Abfuhr für das Hydraulikfluid gelten. Fig. 4 zeigt sowohl die Rotorfluidkanale 13 wie sie an der Rotorinnenfläche 5 angeordnet sind, als auch die Anordnung der Rotorfluidkanale 13 an der Rotoraußenfläche 24.
Die Rotorfluidkanäle 13 sind im Bereich der Rotorformschlusselemente 6 angeordnet, was bewirkt, dass die Rotorfluidkanäle 13 die Rotoraußenfläche 24 nahe der Rotorflügel 9 durchlaufen. Dies garantiert eine effiziente Verstellung unabhängig von der Relativposition des Stators 2 zum Rotor 3.
Die aus der Nockenwelle 4 und dem Nockenwellenversteller 1 mit seinen beiden Komponenten Rotor 3 und Stator 2 bestehende Baugruppe, definieren ein erfindungsgemäßes Verstellsystem 25 zusammen mit oder ohne dem Vorspannelement 8. In Fig. 5 ist dargestellt, wie die Nockenwellenformschlusselemente 7, die in diesem Fall als Vorsprünge 15 ausgebildet sind, an der radial äußeren Fläche der Nockenwelle 4 gleichmäßig in Umfangsrichtung verteilt angeordnet sind. Es wird dabei deutlich, wie die Vorsprünge 15 axial einen deutlich längeren Wert aufweisen als in Umfangsrichtung bzw. in radialer Richtung zwischen 20 % und 75 %, vorzugsweise 50% deren Erstreckung in Umfangsrichtung aufweisen. Dieses Ausführungsbeispiel weist ebenfalls sechs symmetrisch angeordnete Vorsprünge 15 auf. Dabei ist zu erkennen, dass die Wellenschulter 18 radial weiter nach außen ragt als die Vorsprünge 7. Somit ist genügend Anlagefläche für das Vorspannelement 8 in proximaler Richtung garantiert.
Bezugszeichenliste
1 Nockenwellenversteller
2 Stator
3 Rotor
4 Nockenwelle
5 Rotorinnenfläche
6 Rotorfornnschlusselennent
7 Nockenwellenformschlusselement
8 Vorspannelement
9 Rotorflügel
10 Statorflügel
1 1 Fluid kam mer
12 Nockenwellenfluidkanal
13 Rotorfluidkanal
14 distaler Endabschnitt
15 Vorsprung
16 Einbuchtung
17 Verbindungselement
18 Wellenschulter
19 proximale Stirnseite
20 distale Stirnseite
21 Begrenzungselement
22 Ringnut
23 Sicherungsring
24 Rotoraußenfläche
25 Verstellsystem

Claims

Patentansprüche
Nockenwellenversteller (1 ) mit einem radial innerhalb eines Stators (2) angeordneten Rotor (3), der relativ zum Stator (2) verdrehbar ist, wobei der Rotor (3) dazu vorbereitet ist, drehfest mit einer Nockenwelle (4) verbunden zu sein und eine radial innen gelegene Rotorinnenfläche (5) mit mindestens einem Rotorform- schlusselement (6) aufweist, wobei das Rotorformschlusselement (6) dazu vorbereitet ist, mit einem entsprechenden Nockenwellenformschlusselement (7) einen drehmomentübertragenden Formschluss einzugehen, dadurch gekennzeichnet, dass ein Vorspannelement (8) derart am Rotor (3) anliegt, dass die in Formschluss stehenden Elemente des Rotors (3) und der Nockenwelle (4) gegeneinander in Axialrichtung vorgespannt sind.
Nockenwellenversteller (1 ) nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass sich die Rotorformschlusselemente (6) in axialer Richtung über die gesamte Rotorinnenfläche (5) erstrecken.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass an einem distalen Ende des Rotors (3) eine distale Stirnseite (20) ausgebildet ist, die dafür vorgesehen ist, mit einem axialen Begrenzungselement (21 ) in Kontakt zu stehen.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass an einem proximalen Ende des Rotors (3) eine proximale Stirnseite (19) ausgebildet ist, die dafür geeignet ist, mit dem Vorspannelement (8) in Kontakt zu stehen.
Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Vorspannelement (8) als eine Tellerfeder ausgestaltet ist, wobei das Vorspannelement (8) derart beschaffen ist, dass es an seinem proximalen Ende mit der Nockenwelle (4) in Kontakt steht und an seinem distalen Ende mit dem Rotor (3) in Kontakt steht.
6. Verstellsystenn (25), umfassend einen Nockenwellenversteller (1 ) nach einem der Ansprüche 1 bis 5, und eine Nockenwelle (4), dadurch gekennzeichnet, dass der die drehmomentübertragende Verbindung stellende Formschluss zwischen dem Rotor (3) und der Nockenwelle (4) als Keilwellen- oder Zahnwellenverbindung ausgestaltet ist.
7. Verstellsystem (25) nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein distaler Endabschnitt (14) der Nockenwelle (4) eine Wellenschulter (18) aufweist, die radial nach außen gerichtet ist, wobei die Wellenschulter (18) an einer solchen axialen Position angeordnet ist, dass in Richtung des distalen Endes der Nockenwelle (4) ein ausreichend langer Abschnitt ausgebildet ist, um darauf den Rotor (3) und das Vorspannelement (8) anzuordnen.
8. Verstellsystem (25) nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass innerhalb des Rotors (3) Rotorfluidkanale (13) angeordnet sind, die von der Rotorinnenfläche (5) zu einer Rotoraußenfläche (24) führen und dafür vorgesehen sind, ein Hydraulikfluid zu transportieren und/oder dass der distale Endabschnitt (14) Nockenwellenfluidkanäle (12) aufweist, die radial verlaufen und die dafür geeignet sind, ein Hydraulikfluid zu transportieren.
9. Verstellsystem (25) nach einem der Ansprüche 6 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Winkelorientierung zwischen dem Rotor (3) und der Nockenwelle (4) über den Formschluss vorgenommen wird.
10. Verstellsystem (25) nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Rotorfluidkanäle (13) und die Nockenwellenfluidkanäle (12) ausschließlich in radialer Richtung verlaufen.
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