Nockenwellenversteller

Beschreibung

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller.

Hintergrund der Erfindung Nockenwellenversteller werden in Verbrennungsmotoren zur Variation der Steuerzeiten der Brennraumventile eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposition, variabel gestalten zu können. Die Anpassung der Steuerzeiten an die aktuelle Last senkt den Verbrauch und die Emissionen. Zu diesem Zweck sind Nockenwellenversteller in einen Antriebsstrang integriert, über welche ein Drehmoment von der Kurbelwelle auf die Nockenwelle übertragen wird. Dieser Antriebsstrang kann beispielsweise als Riemen-, Ketten- oder Zahnradtrieb realisiert sein. Bei einem hydraulischen Nockenwellenversteller bilden das Abtriebselement und das Antriebselement ein oder mehrere Paare gegeneinander wirkender Druckkammern aus, welche mit Öldruck beaufschlagbar sind. Antriebselement und Abtriebselement sind hierbei koaxial angeordnet. Durch die Befüllung und Entleerung einzelner Druckkammern wird eine Relativbewegung zwischen An- triebselement und Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vorteilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein. Eine verbreitete Bauart der hydraulischen Nockenwellenversteller ist der Flü- gelzellenversteller. Flügelzellenversteller weisen einen Stator, einen Rotor und ein Antriebselement auf. Der Rotor ist meist mit der Nockenwelle drehfest ver- bunden und bildet das Abtriebselement. Der Stator und das Antriebselement werden ebenfalls untereinander drehfest verbunden und sind ggf. auch einteilig ausgebildet. Dabei befindet sich der Rotor koaxial zum Stator und innerhalb des Stators. Rotor und Stator prägen mit deren, sich radial erstreckenden Flügeln, gegensätzlich wirkende Ölkammern aus, welche durch Öldruck beaufschlagbar sind und eine Relativbewegung zwischen Stator und Rotor ermöglichen. Weiterhin weisen die Flügelzellenversteller diverse Abdichtdeckel auf. Stator, Antriebselement und Abdichtdeckel werden über mehrere Schraubenverbindungen gesichert. Eine andere bekannte Bauart von hydraulischen Nockenwellenverstellern ist der Axialkolbenversteller. Hierbei wird über Öldruck ein Verschiebeelement axial verschoben, welches über Schrägverzahnungen eine Relativverdrehung zwischen einem Antriebselement und einem Abtriebselement erzeugt. Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechani- sche Nockenwellenversteller, der ein Dreiwellengetriebe (beispielsweise ein Planetengetriebe) aufweist. Dabei bildet eine der Wellen das Antriebselement und eine zweite Welle das Abtriebselement. Über die dritte Welle kann dem System mittels einer Stelleinrichtung, beispielsweise einem Elektromotor oder einer Bremse, Rotationsenergie zugeführt oder aus dem System abgeführt werden. Hierbei kann gleichfalls eine Feder derart angeordnet werden, dass das Antriebselement und das Abtriebselement bei deren relativen Verdrehung unterstützt oder zurückführt. Die DE 10 2007 039 282 A1 offenbart einen Flügelzellenversteller mit einem Riemenrad zum Antrieb des Nockenwellenverstellers und einem Kunststoffteil, wobei durch die Verbindung beider Bauelemente ein flüssigkeitsdichter Raum entsteht. Die Verbindung ist durch Rastnasen in umlaufende Langlöcher reali- siert und stellt einen Formschluss in axialer Richtung bereit. Da sich jedoch die Hinterschnitte der Rastnasen im Betrieb lösen können, werden Keilelemente eingebracht, welche eine Rückfederung der Rastnasen verhindern sollen. Durch diese Keilelemente wird der Formschluss gesichert und kann sich im Betrieb nicht mehr lösen.

Zusammenfassung der Erfindung

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Nockenwellenversteller anzugeben, der eine erhöhte Lebensdauer und Zuverlässigkeit aufweist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Hierdurch wird erreicht, dass die einteilig mit dem Deckelelement ausgebildeten Spieleliminierungsmittel, mit deren Erstreckungsrichtung in axialer Richtung des Nockenwellenverstellers, das im Formschluss vorhandene, toleranzbedingte Spiel beseitigen. Zum Einen sind Formschlussverbindungen sehr wirtschaftlich, weil zusätzliche Bauelemente und deren Prüfung wegfallen. Zum Anderen weisen Formschlüsse Spiel auf, welches hier erfindungsgemäß beseitigt wird und dadurch Kraftstöße in der Verbindung angeregt durch Schwingungen im Betrieb vermieden werden. Im laufenden Betrieb wird der durch das Spiel vorhandene Abstand zwischen den Verbindungspartnern durch die Amplituden der Schwingungen überwunden und endet in einem ungebremsten Impuls im Kon- takt beider Verbindungspartner. Das beeinträchtigt das Geräuschverhalten und die Lebensdauer der Komponenten. Die Beseitigung dieses Spiels und somit die Beseitigung der Auswirkungen ungebremster Impulse wirkt sich in erhöhter Zuverlässigkeit durch einen dauerhaft festen Sitz des Deckelelements aus. Vorteilhafterweise sind die Spieleliminierungsmittel einteilig am Deckelelement angeformt, da das Deckelelement meist aus einfachem und kostengünstigen Kunststoff besteht. In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Deckelelement einen einteilig angeformten Führungsstift auf. Dabei hat der Führungsstift zur Aufgabe, das Deckelelement beim Fügen zu zentrieren und den Fügeprozess mit der Positionierung zu erleichtern. Vorteilhafterweise weist der Führungsstift die Spieleli- minierungsmittel auf, das hierbei als lokale Erhebung ausgebildet ist. Diese lokale Erhebung ist partiell am Umfang des Führungsstiftes angeordnet. Sie erstreckt sich in axialer Richtung entlang der Mantelfläche des Führungsstiftes und parallel zu dessen Achse. Beim Fügen kommt erst der zentrierende Abschnitt des Führungsstiftes in Eingriff mit der komplementären Aufnahme des Verbindungspartners, wobei eine Zentrierung stattfindet. Die Fortsetzung des Fügevorgangs bringt die lokale Erhebung in Überdeckung mit der komplementären Aufnahme und wird von der komplementären Aufnahme plastisch verformt. Dabei muss idealerweise eine materielle Überdeckung zwischen lokaler Erhebung und komplementärer Aufnahme vorherrschen, damit Material des als lokaler Erhebung ausgebildeten Spieleliminierungsmittels verdrängt wird, welches den spielbedingten Abstand schließt. Zumindest sollte die materielle Überdeckung größer bzw. gleich null sein, bzw. zumindest Kontakt vorherrschend sein, damit das Spieleliminierungsmittel wirkt. Es kommt im Bereich der lokalen Erhebung, welcher einer Art Quetschrippe ähnelt, zu einem Fließen des Materials. Alternativ kann sich auch die komplementäre Aufnahme an dem Antriebs- bzw. Abtriebselement plastisch verformen.

In einer vorteilhaften Ausgestaltung ist die lokale Erhebung am Führungsstift des Deckelelementes in Umfangsrichtung orientiert. Somit können vorteilhaft- erweise fertigungsbedingte Toleranzen beim Montagevorgang ausgeglichen werden. Bevorzugterweise ist die lokale Erhebung in Umfangsrichtung zu orientieren, denn durch die Ausbildung des rastenden Formschlusses besteht auch Spiel in Umfangsrichtung. Im Betrieb wird aufgrund unterschiedlicher Ausdehnungskoeffizienten der Werkstoffe der Verbindungspartner das Deckel- element verspannt, da das Deckelelement aus Kunststoff ausgebildet ist, wo hingegen das Antriebs- oder Antriebselement aus metallischen Werkstoffen besteht. Die jeweiligen lokalen Erhebungen an verschiedenen Führungsstiften können wechselseitig ausgebildet sein, um das umfangsseitige Spiel zu eliminieren.

In einer besonders bevorzugten Ausgestaltung ist das Spieleliminierungsmittel als lokale Erhebung am Deckelelement, jedoch nicht am Führungsstift ausgebildet. Vielmehr in Form eines lokalen Materialaufwurfes in axialer Richtung, also vorwiegend in Fügerichtung gestaltet, bildet diese Erhebung beim Herstellen des Formschlusses ein Widerlager. Dazu ist die Erhebung in einem definierten, umfangsseitigen Abstand zur Verbindungsstelle angeordnet, damit aus einem einseitigen Formschluss ein beidseitiger Formschluss unter einer Vorspannung in Wirkungsrichtung des Formschlusses ausgebildet wird, welche gleichfalls Spiel in der Verbindung durch Verbiegen des Deckelelementes beseitigt. Alternativ kann das Widerlager einen überwiegend radialen Abstand zu dem Formschluss haben, wodurch das Deckelelement in sich verspannt wird. Dazu kann das Widerlager einen geringeren Abstand zur Mitte des Deckelelementes aufweisen als der Formschluss, gebildet mit einer Rastnase und einer komplementären Öffnung.

In einer Ausgestaltung der Erfindung weist das Deckelelement zumindest für den Bereich der plastischen Verformung des Spieleliminierungsmittels einen weicheren Werkstoff auf, als das Antriebs- oder Abtriebselement, mit denen es verbunden wird. Es ist bekannt, dass Antriebs- oder Abtriebselement aus höherwertigem Material (z.B. Stahl) bestehen, um den Belastungen und Beanspruchungen gerecht zu werden. Demgegenüber sollte für eine Funktion der plastischen Verformung des Spieleliminierungsmittels das Deckelelement einen Werkstoff aufweisen, der unter Krafteinwirkung leicht fließfähig ist. Solche Werkstoffe sind vorzugsweise Kunststoffe (auch faserverstärkte) oder Buntmetalle. Optional können die als lokale Erhebungen ausgebildete Spieleliminierungsmittel an dem Antriebselement oder dem Abtriebselement anstatt dem Deckelelement angeordnet sein. In diesem Fall sind die einteilig angeformten Spieleliminierungsmittel des Deckelelementes die komplementären Aufnahmen, welche sich entweder am Deckelelement plastisch verformen können oder an dem Antriebs- oder Abtriebselement.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist das Deckelelement als Fe- derdeckel ausgebildet, welche die Rückstellfeder, die zum Verspannen von Antriebselement und Abtriebselement angeordnet ist, gegen Verlieren sichert. Diese Verliersicherung bildet sich meist in axialer Richtung aus, in dem der Federdeckel den stirnseitig offenen Federraum verschließt. In einer Ausbildung der Erfindung ist der Formschluss durch eine Rastverbindung gegeben. Mittels Rastnasen und komplementären Öffnungen, wobei die Rastnasen einen Hinterschnitt aufweisen, welcher in Fügerichtung hinter die komplementäre Öffnung greift, wird ein einseitiger Formschluss hergestellt. Die Rastnasen weisen die Spieleliminierungsmittel derart auf, dass die Rastnasen nach Herstellung der Formschlusses auch in radialer Richtung vorgespannt bleiben und ein radiales Spiel sowie auch ein axiales und umfangsseitiges Spiel beseitigen.

Alternativ können bei der Ausbildung der Rastnasen zur Beseitigung von radia- lern Spiel die erfindungsgemäßen lokalen Erhebungen als einteilig mit den Rastnasen angeformte Spieleliminierungsmittel genutzt werden. Dies entlastet die Rastnasen und erhöht die Lebensdauer. An den Rastnasen einteilig angeformte Spieleliminierungsmittel können dazu auch in Umfangsrichtung oder in axialer Richtung orientiert werden, wobei nach dem Fügen das Spieleliminie- rungsmittel entweder als Widerlager dient oder bei Ausbildung der Quetschrippe verquetscht wird.

Durch die erfindungsgemäßen Spieleliminierungsmittel an dem Deckelelement oder an dem Abtriebs- bzw. Antriebselement wird die formschlüssige Verbin- dung spielfrei gestaltet und somit die Lebensdauer der Komponenten erhöht. Die Erfindung stellt eine Vielzahl kombinationsfähiger Ausgestaltungen bereit, mit dem Ziel das fertigungsbedingte Spiel auch im Betrieb beseitigt zu haben und somit die Zuverlässigkeit des Deckelelementes bewahrt bleibt. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt.

Es zeigen:

Fig. 1 einen rastenden Formschluss eines Deckelelementes mit einem Antriebsrad eines Nockenwellenverstellers,

Fig. 2 ein Deckelelement mit den erfindungsgemäßen Spieleliminierungs- mittein,

Fig. 3 einen Schnitt durch das Deckelelement mit Blick auf die Anordnung und die Wirkung des Spieleliminierungsmittels vom Führungsstift,

Fig. 4 einen weiteren Schnitt durch das Deckelelement mit Blick auf die Anordnung und die Wirkung des Spieleliminierungsmittels vom Füh- rungsstift und

Fig. 5 einen Schnitt durch das Deckelelement mit Blick auf die Anordnung und die Wirkung des als Widerlager ausgebildeten Spieleliminierungsmittels. Detaillierte Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt eine Teilansicht eines Längsschnittes durch einen Nockenwellen- versteller 1 . Der Nockenwellenversteller 1 weist ein Antriebselement 2, ein Abtriebselement 3, einen Federdeckel 16 und eine Feder 15 auf. Der grundlegen- de Aufbau und die Wirkungsweise eines Nockenwellenverstellers ist dem Fachmann hinreichend bekannt, darum wird auf weitere Beschreibung dessen verzichtet.

Der Federdeckel 16 ist erfindungsgemäß als Deckelelement 4 ausgebildet, wobei erst in den weiteren Figuren auf die Anordnung und die Wirkung der mit dem Deckelelement 4 einteilig angeformten Spieleliminierungsmitteln eingegangen wird. Das Deckelelement 4 weist eine Rastnase 13 auf, die mit einer komplementären Öffnung des Antriebsrades 2 im Eingriff steht. Die Rastnase 13 stellt für sich genommen einen einseitigen Formschluss in axialer Richtung 12 dar. Dabei hintergreift die Rastnase 13 mittels einem Widerhaken das Antriebselement 2. Das zwischen Rastnase 13 und Antriebselement 2 existierende Spiel in radialer Richtung 14 ist begründet in den Fertigungstoleranzen und den unterschiedlichen Ausdehnungskoeffizienten beider Verbindungspartner. In Fig. 1 hat das Deckelelement 4 mit dem verrasteten Formschluss axiales sowie radiales Spiel.

Fig. 2 zeigt ein Deckelelement 4 mit mehreren, in Umfangsrichtung 10 verteilten, Rastnasen 13. Diese Rastnasen 13 sind mit komplementären Öffnungen an einem Antriebselement 2 oder einem Abtriebselement 3 in Eingriff bringbar. Weiterhin sind in Umfangsrichtung 10 mehrere Führungsstifte 1 1 angeordnet, welche genauso wie die Rastnasen 13 einteilig mit dem Deckelelement 4 angeformt sind. Damit ein zuverlässigeres Fügen des Deckelelementes 4 mit einem Verbindungspartner stattfindet, besitzen die Führungsstifte 1 1 einen zentrierenden Bereich 8 an deren freien Ende. Die freien Enden der Führungsstifte 1 1 mit den jeweiligen zentrierenden Bereichen 8 überragen die Rastnasen 13 in axialer Richtung 12. Die Führungsstifte 1 1 weisen partiell am Umfang angeordnet zumindest ein erfindungsgemäßes Spieleliminierungsmittel 5 in Form einer lokalen Erhebung auf, das sich überwiegend in axialer Richtung erstreckt, über den Umfang des Führungsstiftes 1 1 lokal hinausgeht und in Umfangsrichtung 10 orientiert ist. Des weiteren weist das Deckelement 4 mehrere, in Umfangsrichtung 10 angeordnete, Spieleliminierungsmittel 5 in Form von quaderförmigen Erhebungen auf. Diese quaderförmigen Erhebungen wirken beim rastenden Fügen der Rastnasen 13 mit einer komplementären Öffnung als erfindungsgemäße Widerlager 7. Die Widerlager 7 erstrecken sich mit ihrer länge- ren Seitenkante der Quaderform vorwiegend in Umfangsrichtung 10. Die Erstreckung des Widerlagers 7 in radialer Richtung 14 ist begrenzt durch die Außen- und die Innenkante des Randes des topfförmigen Deckelelementes 4. Die Erstreckung des Widerlagers 7 in axialer Richtung 12 überbrückt axiales Spiel zwischen dem Deckelelement und seinem Verbindungspartner und wirkt als Gegenlager. Auf die genauere Wirkungsweise des Widerlagers 7 wird in Fig. 5 eingegangen.

Fig. 3 zeigt einen detaillierten Schnitt durch den Nockenwellenversteller 1 , um die Wirkung des Spieleliminierungsmittels 5 vom Führungsstift 1 1 zu erläutern. Zu erkennen ist Führungsstiftes 1 1 , welcher die für den Führungsstift 1 1 komplementäre Öffnung durchragt. An dem freien Ende des Führungsstiftes 1 1 ist der zentrierende Bereich 8 angeordnet. Der Führungsstift 1 1 selbst ist zylinderförmig, wobei der zentrierende Bereich 8 eine Kegelform hat. Im Bereich des Fußes des Führungsstiftes 1 1 , welcher einteilig an das Deckelelement 4 angeformt ist, befindet sich das Spieleliminierungsmittel 5 ausgebildet als lokale Erhebung 6 mit ihrer Haupterstreckung in axialer Richtung 12. Die Erhebung in Umfangsrichtung 10 ist gleich bzw. größer als das vorherrschende Spiel zwischen Führungsstift 1 1 und deren komplementären Öffnung in Umfangsrich- tung 10. Beim Fügen des Führungsstiftes 1 1 mit dem Deckelement 4 und den Rastnasen 13 wird die lokale Erhebung 6 bereits verquetscht bevor die Rastnase 13 verrastet ist. Die lokale Erhebung 6 besitzt in axialer Richtung 12 eine rampenartige Ausbildung, damit der Fügeprozess erleichtert wird. Entlang der axialen Richtung 12 bleibt die lokale Erhebung 6 im Maß über die Mantelfläche hinaus, weitestgehend konstant. Alternativ können hier nichtlineare Verläufe der lokalen Erhebung 6 in axialer Richtung 12 vorgesehen werden.

Fig. 4 zeigt einen detaillierten Schnitt durch zwei benachbarte Rastnasen 13 mit zwei benachbarten Führungsstiften 1 1 , welche die erfindungsgemäßen lokalen Erhebungen 6 in Umfangsrichtung 10 aufweisen. Gut zu erkennen ist, dass das Deckelelement 4 durch die wechselseitige Orientierung der lokalen Erhebungen 6 an den beiden Führungsstiften 1 1 umfangsseitig in beiden Richtung eingespannt ist. Auch eine Spieleliminierung in radialer Richtung 14 wird durch die lokalen Erhebungen 6 realisiert, da die Kontur der komplementären Aufnahme 9 der Mantelfläche des Führungsstiftes 1 1 weitestgehend konstant folgt. Die anfängliche Überlappung der beiden Konturen von lokaler Erhebung 6 und komplementärer Aufnahme 9 endet in einem verquetschen, einem fließen des Materials des Spieleliminierungsmittels 5. Bei unterschiedlicher Wärmedehnung von Deckelelement 5 und Verbindungspartner bleibt die Spielfreiheit gewahrt.

Fig. 5. zeigt einen detaillierten Schnitt durch das Deckelelement 4 und das Widerlager 7, dem Führungsstift 1 1 und der Rastnase 13 sowie dem Antriebselement 2. Im unmontierten Zustand ist der Abstand der Funktionsebenen des Widerlagers 7 und der Rastnase 13 geringer als die Dicke des Antriebseiemen- tes 2 und der zur Rastnase 13 komplementären Öffnung. Bereits vor dem Ver- rasten der Rastnase 13 mit dem Antriebselement 2 kommt das Widerlager 7 des Deckelelementes 4 in Anlage mit dem Antriebselement 2 in axialer Richtung 12 während des Fügevorgangs. Schnappt der Widerhaken der Rastnase 13 ein, wird durch den Abstand a zwischen der Rastnase 13 und dem Widerlager 7 wird ein Biegemoment auf das Deckelelement 4 aufgebracht. Durch das Biegemoment steht das Deckelelement 4 unter Vorspannung, welches das fertigungsbedingte und betriebsbedingte Spiel eliminiert.

Liste der Bezugszahlen) Nockenwellenversteller

) Antriebselement

) Abtriebselement

) Deckelelement

) Spieleliminierungsmittel

) lokale Erhebung

) Widerlager

) Zentrierabschnitt

) komplementäre Aufnahme

0) Umfangsrichtung

1 ) Führungsstift

2) axiale Richtung

3) Rastnasen

4) radiale Richtung

5) Feder

6) Federdeckel