[0001] Die Erfindung betrifft ein Nockenwellenverstellsystem mit mindestens zwei Nockenwellen,
die in einem Welle-in-Welle-System angeordnet sind.
[0002] Aus
DE 10 2010 018 202 A1 ist ein Nockenwellenverstellsystem für eine Brennkraftmaschine bekannt, das einen
Nockenwellensteller mit einer Statoreinheit und einer in der Statoreinheit drehbeweglich
angeordneten Rotoreinheit umfasst, wobei die Rotoreinheit und die Statoreinheit durch
eine Zentralschraube zueinander positioniert sind. Das beschriebene Nockenwellenverstellsystem
umfasst ferner einen Nockenwellenadapter zur axialen Anbindung des Nockenwellenverstellers
an eine Nockenwelle. Der Nockenwellenadapter ist formschlüssig mit der Nockenwelle
verbunden.
[0003] Aus
DE 199 51 390 A1 ist eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Welle relativ
zu einem Antriebsrad bekannt, bei welcher eine wellenseitig angeordnete Platte mit
dem Antriebsrad oder einem antriebsradseitig angeordneten Bauteil zur Drehwinkelverstellung
zusammenwirkt. Auch bei dieser Vorrichtung erfolgt die Verstellung über einen hydraulisch
mit einem Stator gekoppelten Rotor. Bei dieser Vorrichtung können Segmente bzw. Bauteile,
welche die Funktion herkömmlicher Flügel eines Flügelrades aufweisen, im Wesentlichen
axial angebunden werden.
[0004] Aus
US 6,176,210 B1 ist eine Vorrichtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Kurbelwelle zu
einer Nockenwelle bekannt, die einen Stator mit einer Vielzahl radial nach innen ragender
Flügel, ein mit dem Stator an einer ersten Fläche verbundenes Stator-Antriebselement,
einen speziell gestalteten Rotor mit ersten und zweiten sich axial erstreckenden Flächen
und einen speziell gestalteten Lagerflansch umfasst.
[0005] Aus
DE 10 2010 024 198 A1 sind eine Reibscheibe zur Verbindung von Bauteilen in einem Nockenwellenverstellsystem
und ein Nockenwellenverstellsystem mit Rotor und Stator bekannt. Die Reibscheibe weist
einen im Wesentlichen ringförmigen Grundkörper mit wenigstens einer Reibfläche für
einen Kontakt mit einem Reibpartner auf. Die Reibscheibe dient in dem beschriebenen
Nockenwellenverstellsystem als axiale Anbindung zwischen Rotor und Nockenwelle und
soll die Montage vereinfachen.
[0006] In den vorstehend genannten Druckschriften wird nicht explizit Bezug auf den Antrieb
des Stators genommen. Bei einem aus der Praxis bekannten Nockenwellenverstellsystem,
das ein Welle-in-Welle-System mit einer mit einem Rotor verbundenen Innenwelle und
eine koaxial zu der Innenwelle angeordnete, mit einem Stator verbundene Außenwelle
aufweist, erfolgt der Antrieb der Außenwelle und des Stators über ein breites Zahnrad,
das mit einer auf der Außenwelle angeordneten Verzahnung und gleichzeitig mit einer
an dem Stator ausgebildeten Verzahnung kämmt. Der relative Drehwinkel zwischen Innenwelle
und Außenwelle kann bei diesem System in bekannter Art und Weise über den aus Rotor
und Stator gebildeten hydraulischen Nockenwellenversteller erfolgen. Nachteilig an
dem beschriebenen System ist der relativ hohe Bauraumbedarf durch die erforderliche
Breite der Verzahnung sowie die mit der Verzahnung verbundenen Herstellungskosten.
[0007] Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Nockenwellenverstellsystem mit Welle-in-Welle-System
zur Verfügung zu stellen, dessen Herstellungskosten und Bauraumbedarf verringert sind.
[0008] Die Lösung der Aufgabe erfolgt erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1.
[0009] Eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung für einen Verbrennungsmotor
umfasst mindestens zwei Wellen, die Bestandteil eines Welle-in-Welle-System sind.
Das Welle-in-Welle-System umfasst eine erste Welle und eine koaxial zu der ersten
Welle angeordnete zweite Welle, wobei die erste Welle funktional mit einer ersten
Gruppe von Nocken verbunden ist und wobei die zweite Welle funktional mit einer zweiten
Gruppe von Nocken verbunden ist. Eine Phasenverstellung zwischen der ersten Welle
und der zweiten Welle ist mittels eines Rotors und eines hydraulisch mit dem Rotor
gekoppelten Stator vorgesehen. Die Vorrichtung umfasst ferner folgende Elemente:
- a) einen drehfest an der ersten Welle angeordneten ersten Anschlussbereich,
- b) einen drehfest an dem Stator angeordneten zweiten Anschlussbereich, wobei
- c) mindestens ein sich axial erstreckender Mitnehmer derart angeordnet ist, dass der
erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich miteinander gekoppelt sind.
[0010] Unter einer Kopplung werden vorliegend insbesondere drehfeste Verbindungen verstanden,
die kein oder ein nur geringeres Spiel aufweisen und lediglich solche Toleranzen umfassen
und auch im dynamischen Betrieb einen im Wesentlichen verzögerungsfreien Gleichlauf
bewirken. Als eine Kopplung im Sinne des Anspruchs 1 werden ferner solche Kopplungen
verstanden, die aufgrund ihrer Konstruktion innerhalb einer zeitlich begrenzten Angleichungsphase
eine temporäre Relativbewegung zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle zulassen.
Auf diese Art der Kopplung wird nachfolgend noch näher eingegangen. Als Mitnehmer
im Sinne der Erfindung gilt jedes sich axial erstreckende Kopplungselement, wie z.B.
axiale Mitnehmer, die in korrespondierende Ausnehmungen in den ersten Anschlussbereich
und/oder in den zweiten Anschlussbereich eingreifen, sich axial erstreckende, ineinander
eingreifende Verzahnungen etc. Die erfindungsgemäße Nockenwellenverstellvorrichtung
hat den Vorteil, dass der Bauraumbedarf insofern verringert ist, als die bei einer
radialen Kopplung erforderliche Mindestbreite für eine sichere Kraftübertragung, insbesondere
durch Zahnräder, nicht mehr erforderlich ist. Die Nockenwellenverstellvorrichtung
kann daher kompakter gestaltet werden. Auch in Bezug auf die Herstellung ergeben sich
Vorteile dadurch, dass die axiale Kopplung durch axiales Zusammenschieben des ersten
Anschlussbereiches ohne zusätzliche Arbeitsschritte erfolgen kann.
[0011] Der erste Anschlussbereich und der zweite Anschlussbereich lassen sich besonders
einfach durch axiales Zusammenschieben miteinander koppeln, wenn der erste Anschlussbereich,
der zweite Anschlussbereich und der Mitnehmer als axiale Steckverbindung ausgebildet
sind.
[0012] Die Herstellungs- und Montagekosten können weiter reduziert werden, wenn der Mitnehmer
einstückig in dem ersten Anschlussbereich und/oder in dem zweiten Anschlussbereich
ausgebildet ist. Denn ein oder mehrere Mitnehmer lassen sich in vielen Fällen ohne
oder mit nur geringen Zusatzkosten ausbilden. Somit entfällt die Ausbildung einer
wesentlich kostenintensiveren Umfangsverzahnung.
[0013] Vorzugsweise ist der erste Anschlussbereich und/oder der zweite Anschlussbereich
einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung von einem radial angreifenden
Antrieb, insbesondere einem Zahnradantrieb, angetrieben. Da viele der existierenden
Nockenwellenverstellvorrichtungen einen derartigen Zahnradantrieb aufweisen, lassen
sich existierende Nockenwellenverstellvorrichtungen in diesem Fall mit überschaubarem
konstruktiven Aufwand zu erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtungen umkonstruieren.
[0014] Das Vorstehende gilt ebenfalls für Nockenwellenverstellvorrichtungen, bei denen eine
dritte Welle parallel zu der ersten Welle und der zweiten Welle angeordnet ist. Die
dritte Welle kann in diesem Fall beispielsweise eine Nockenwelle mit Einlassventilen
und die erste Welle und die zweite Welle Nockenwellen für Auslassventile eines Verbrennungsmotors
sein. In diesem Fall kann ein Element des Antriebs, insbesondere ein Zahnrad, auf
der dritten Welle gelagert sein und somit eine Kopplung zwischen der dritten Welle
und der ersten Welle bzw. der zweiten Welle herstellen.
[0015] Bei bekannten Nockenwellenverstellvorrichtungen ist der Abstand zwischen der Drehachse
der ersten bzw. zweiten Welle und der dritten Welle häufig kleiner als die Summe aus
dem Radius R
A des mit dem ersten Anschlussbereiches bzw. zweiten Anschlussbereiches gekoppelten
Antriebs und dem Radius R
S des Stators. In diesen Fällen sind die Vorteile der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung
besonders groß, weil in dieser geometrischen Gestaltungsform der konstruktive Aufwand
für eine Kopplung über eine Umfangsverzahnung besonders hoch ist. Insbesondere können
in diesem Fall die Kosten einer kostenintensiven Innenverzahnung in dem ersten Anschlussbereich
oder in dem zweiten Anschlussbereich eingespart werden.
[0016] Wie bereits beispielhaft erwähnt, können als Mitnehmer in dem ersten Anschlussbereich
oder in dem zweiten Anschlussbereich ein oder mehrere axial hervorragende Bolzen ausgebildet
sein, die in korrespondierende, in dem zweiten Anschlussbereich bzw. ersten Anschlussbereich
ausgebildete Ausnehmungen eingreifen. Die Bolzen sind vorzugsweise zylindrisch oder
quaderförmig gestaltet, da diese Ausführungsformen besonders kostengünstig und robust
sind. Die Bolzen können jedoch auch andere geeignete Geometrien aufweisen.
[0017] Als Mitnehmer können auch axial ineinander eingreifende Verzahnungen in dem ersten
Anschlussbereich und in dem zweiten Anschlussbereich ausgebildet sein. Als Verzahnung
können beispielsweise strahlenförmig radial nach außen verlaufende Stege vorgesehen
sein, die in Umfangsrichtung breiter werden und somit annähernd der Form von Kreissegmenten
entsprechen. Durch derartige Verzahnungen können die beim Betrieb auftretenden Kräfte
auf größere Flächen verteilt werden.
[0018] Bei einer besonders robusten Ausführungsform sind als Verzahnung im weiteren Sinne
in dem ersten Anschlussbereich und in dem zweiten Anschlussbereich wechselweise jeweils
ein bis zehn kreissegmentartige Vorsprünge und korrespondierende Ausnehmungen vorgesehen.
Wenn bei einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung im Bereich des Mitnehmers
ein elastisches Element angeordnet ist, kann im dynamischen Betrieb der Nockenwellenverstellvorrichtung
eine Dämpfung bei Drehzahländerungen bewirkt werden. Unter einem elastischen Element
werden insbesondere Federn oder ähnlich wirkende Elemente verstanden. Ein Federelement
kann beispielsweise so im Bereich des Mitnehmers angeordnet werden, dass der erste
Anschlussbereich relativ zu dem zweiten Anschlussbereich in einer Drehrichtung vorgespannt
wird. In diesem Fall wird ein für die Montage erforderliches Spiel durch Einsetzen
des Federelements zwischen Bolzen und Ausnehmungen bereits vor der Inbetriebnahme
der Nockenwellenverstellvorrichtung ausgeglichen. Ein Federelement kann auch so eingesetzt
werden, dass in beide Drehrichtungen ein Federweg existiert. Das Federelement wird
dann vorzugsweise so ausgewählt, dass die im Betrieb auftretende Kraft geringer sind
als die Kraft für die vollständige Kompression des Federelements, so dass der Federweg
im Regelbetrieb nicht ausgeschöpft wird.
[0019] Die Mitnehmer einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung können auch
eine konische Querschnittsform aufweisen, insbesondere derart, dass sich beim axialen
Zusammenschieben der Anschlussbereiche während der Montage das Spiel zunehmend verringert,
bis Teilflächen der Anschlussbereich spielfrei zur Anlage kommen. Durch eine axiale
Verspannung des ersten Anschlussbereiches zu dem zweiten Anschlussbereich kann ein
Spiel in der Kopplung dann alternativ minimiert bzw. vollständig ausgeschlossen werden.
Anstelle einer Verspannung können die Elemente während der Montage auch entsprechend
zueinander positioniert und in dieser Lage fixiert werden.
[0020] Weitere praktische Ausführungsformen und Vorteile der Erfindung sind nachfolgend
im Zusammenhang mit den Zeichnungen beschrieben. Es zeigen:
- Fig. 1
- eine schematische Darstellung einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung,
- Fig. 2
- eine erste Gestaltungsvariante von Mitnehmern,
- Fig. 3
- eine zweite Gestaltungsvariante von Mitnehmer und
- Fig. 4
- eine dritte Gestaltungsvariante von Mitnehmern.
[0021] Figur 1 zeigt eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtung
10 eines in den Figuren nicht dargestellten Verbrennungsmotors für ein Kraftfahrzeug
mit einer ersten Welle 12 und einer zweiten Welle 14, die koaxial zueinander angeordnet
sind. Die erste Welle 12 ist die Außenwelle und die zweite Welle 14 ist die Innenwelle
eines von Nockenwellenverstellvorrichtungen bekannten Welle-in-Welle-Systems 16. Die
erste Welle 12 und die zweite Welle 14 setzen sich links der in Figur 1 dargestellten
Abschnitte fort und sind drehfest mit einer nicht dargestellten Gruppe von Nocken
verbunden, die der Steuerung von zugeordneten Auslassventilen des Verbrennungsmotors
dienen. Die erste Welle 12 ist durch ein Gleitlager 18 und weitere, nicht dargestellte
Gleitlager gelagert.
[0022] Das rechte Ende der ersten Welle 12 weist einen Bereich mit vergrößertem Durchmesser
auf, in welchem eine Umfangsverzahnung 24 ausgebildet ist. Die Umfangsverzahnung 24
kämmt mit einer Umfangsverzahnung 30, die an einem als Antrieb 26 fungierenden Zahnrad
28 ausgebildet ist und die erste Welle antreibt. Das Zahnrad 28 ist drehfest mit einer
dritten Welle 32 verbunden, die ebenfalls eine Nockenwelle ist und drehfest mit der
Steuerung von Einlassventilen des Verbrennungsmotors dienenden Nocken (nicht dargestellt)
verbunden ist. Die Nocken befinden sich in dem Bereich, der sich links an den in der
Zeichnung dargestellten Wellenabschnitt anschließt. Für die Lagerung der dritten Welle
32 sind ein Gleitlager 34 und weitere, nicht dargestellte Gleitlager vorgesehen. Die
Gleitlager 18, 34 sowie die nicht dargestellten Gleitlager können über einen gemeinsamen
Lagerrahmen (nicht dargestellt) miteinander verbunden sein.
[0023] Wie in Figur 1 zu erkennen ist, ist an der rechten Seite des Zahnrads 22 ferner eine
axial angeordnete Verzahnung 36 in einem ersten Anschlussbereich 38 ausgebildet, die
mit einer ebenfalls axial an einem Stator 44 in einem zweiten Anschlussbereich 42
ausgebildeten axialen Verzahnung 40 in Eingriff steht. Die kämmenden Verzahnungen
36, 40 sind so ausgebildet, dass sie eine im Wesentlichen drehfeste Verbindung zwischen
dem mit der ersten Welle 12 drehfest verbundenen ersten Anschlussbereich 38 und dem
mit dem Stator 44 drehfest verbundenen zweiten Anschlussbereich 42 bewirken. Sie sind
- unabhängig von deren Ausgestaltung - Mitnehmer 20 im Sinne der Erfindung.
[0024] Der Stator 44 ist hydraulisch mit dem von diesem umschließenden Rotor 46 gekoppelt.
Der Rotor 46 selbst hingegen ist drehfest mit der zweiten Welle 14 gekoppelt. Rotor
46 und Stator 44 sind in bekannter Weise so ausgebildet, dass deren Anordnung zueinander
mit Hilfe eines in dem Rotor 46 ausgebildeten Flügelrades innerhalb gewisser Grenzen
hydraulisch verstellbar ist, um so die Betätigung der Auslassnocken variieren zu können.
[0025] Der in Figur 1 mit x gekennzeichnete Bereich ist derjenige Bereich, in welchem im
Vergleich zu den aus dem Stand der Technik bekannten Nockenwellenverstellvorrichtungen
10 in axialer Richtung Bauraum eingespart werden kann, weil eine Umfangsverzahnung
an dem Stator 44 entfällt.
[0026] Die Figuren 2 bis 4 zeigen drei verschiedene Ausführungsformen von Mitnehmern 20,
die bei erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellvorrichtungen 10 vorgesehen sein können.
[0027] In der in Figur 2 gezeigten Ausführungsform sind im ersten Anschlussbereich 38 als
Mitnehmer 20 vier axial hervorragende zylindrische Bolzen 48 vorgesehen, die beim
axialen Zusammenschieben mit dem zweiten Anschlussbereich 42 des Stators 44 (vgl.
Figur 1) in korrespondierende Ausnehmungen 50 eingreifen.
[0028] In der in Figur 3 gezeigten Ausführungsform sind in den Anschlussbereichen 38, 42
als Mitnehmer 20 neun kreissegmentartige Vorsprünge 52 wechselweise mit kreissegmentartigen
Vertiefungen 54 ausgebildet, wobei die beiden Anschlussbereiche 38, 42 komplementär
ausgebildet sind.
[0029] In der in Figur 4 gezeigten Ausführungsform sind in den Anschlussbereichen 38, 42
als Mitnehmer 20 zwei Kreissegmente eines Viertelkreises als Vorsprünge 52 wechselweise
mit Kreissegmenten eines Viertelkreises als Vertiefungen 54 ausgebildet, wobei die
beiden Anschlussbereiche 38, 42 komplementär ausgebildet sind.
[0030] Die Erfindung ist nicht auf die vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele beschränkt.
Der zuständige Fachmann kann im Rahmen der Ansprüche und im Rahmen seines Fachwissens
abweichende Ausführungsformen kreieren.
Bezugszeichenliste
[0031]
- 10
- Nockenwellenverstellvorrichtung
- 12
- erste Welle
- 14
- zweite Welle
- 16
- Welle-in-Welle-System
- 18
- Gleitlager
- 20
- Mitnehmer
- 22
- Zahnrad
- 24
- Umfangsverzahnung
- 26
- Antrieb
- 28
- Zahnrad
- 30
- Umfangsverzahnung
- 32
- dritte Welle
- 34
- Gleitlager
- 36
- axiale Verzahnung
- 38
- erster Anschlussbereich
- 40
- axiale Verzahnung
- 42
- zweiter Anschlussbereich
- 44
- Stator
- 46
- Rotor
- 48
- Bolzen
- 50
- Ausnehmung
- 52
- Vorsprung
- 54
- Vertiefung
1. Nockenwellenverstellvorrichtung für einen Verbrennungsmotor mit einem Welle-in-Welle-System
(16), wobei das Welle-in-Welle-System (16) eine erste Welle (12) und eine koaxial
zu der ersten Welle (12) angeordnete zweite Welle (14) umfasst, wobei die erste Welle
(12) funktional mit einer ersten Gruppe von Nocken verbunden ist, wobei die zweite
Welle (14) funktional mit einer zweiten Gruppe von Nocken verbunden ist, wobei eine
Phasenverstellung zwischen der ersten Welle (12) und der zweiten Welle (14) mittels
eines Rotors (46) und eines hydraulisch mit dem Rotor (46) gekoppelten Stator (44)
vorgesehen ist und wobei die Vorrichtung ferner folgende Elemente umfasst:
a) einen drehfest an der ersten Welle (12) angeordneten ersten Anschlussbereich (38)
b) einen drehfest an dem Stator (44) angeordneten zweiten Anschlussbereich (42), dadurch gekennzeichnet, dass
c) mindestens ein sich axial erstreckender Mitnehmer (20) derart angeordnet ist, dass
der erste Anschlussbereich (38) und der zweite Anschlussbereich (42) miteinander gekoppelt
sind.
2. Nockenwellenverstellvorrichtung nach dem vorstehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbereich (38), der zweite Anschlussbereich (42) und der Mitnehmer
(20) als axiale Steckverbindung ausgebildet sind.
3. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Mitnehmer (20) einstückig in dem ersten Anschlussbereich (38) und/oder in dem
zweiten Anschlussbereich (42) ausgebildet ist.
4. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der erste Anschlussbereich (38) oder der zweite Anschlussbereich (42) von einem radial
angreifenden Antrieb (26) angetrieben ist.
5. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass eine dritte Welle (32) parallel zu der ersten Welle (12) und der zweiten Welle (14)
angeordnet ist, wobei ein Element des Antriebs (26) auf der dritten Welle (32) gelagert
ist.
6. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der beiden vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand zwischen der Drehachse der ersten bzw. zweiten Welle (12, 14) und der
dritten Welle (32) kleiner ist, als die Summe aus dem Radius RA des mit dem ersten Anschlussbereich (38) bzw. zweiten Anschlussbereich (42) gekoppelten
Antriebs (26) und dem Radius RS des Stators (44).
7. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Mitnehmer (20) in dem ersten Anschlussbereich (38) oder in dem zweiten Anschlussbereich
(42) ein axial hervorragender Bolzen (48) ausgebildet ist, der in eine korrespondierende,
in dem zweiten Anschlussbereich (42) bzw. in dem ersten Anschlussbereich (38) ausgebildete
Ausnehmung (50) eingreift.
8. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass als Mitnehmer (20) axial ineinander eingreifende Verzahnungen (40) in dem ersten
Anschlussbereich (38) und in dem zweiten Anschlussbereich 42 ausgebildet sind.
9. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass im Bereich des Mitnehmers (20) ein elastisches Element angeordnet ist.
10. Nockenwellenverstellvorrichtung nach einem oder mehreren der vorstehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass die Mitnehmer (20) eine konische Querschnittsform aufweisen und der erste Anschlussbereich
(38) und der zweite Anschlussbereich (42) axial zueinander verspannt sind.