Nockenwellenversteller mit einer Feder

Beschreibung

Gebiet der Erfindung Die Erfindung betrifft einen Nockenwellenversteller zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen einer Brennkraftmaschine mit einem Antriebselement, einem Abtriebselement und einer Feder.

Hintergrund der Erfindung

In modernen Brennkraftmaschinen werden Nockenwellenversteller zur variablen Einstellung der Steuerzeiten von Gaswechselventilen eingesetzt, um die Phasenrelation zwischen Kurbelwelle und Nockenwelle in einem definierten Winkelbereich, zwischen einer maximalen Früh- und einer maximalen Spätposi- tion, variabel gestalten zu können. 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.

Die DE 10 2008 051 755 A1 offenbart einen Nockenwellenversteller in Flügel- Zellenbauweise, welcher einen Rotor, einen Stator, ein Antriebsrad, einen Verriegelungsmechanismus und eine Feder aufweist. Der Stator ist mit dem Antriebsrad drehfest verbunden. Der Verriegelungsmechanismus koppelt und entkoppelt den Stator mit dem Rotor, welche relativ zueinander verdrehbar sind, in dem dieser in eine Vertiefung am Antriebsrad eingreift. Weiterhin sind Rotor und Antriebsrad mit Gewindestiften versehen, welche die Feder lagern. Bei einer Relatiwerdrehung wirkt ein Drehmoment von der Feder entgegen der relativen Drehrichtung. Die Feder ist als Spiralfeder mit sich radial erstreckenden Windungen ausgebildet und an der nockenwellenabgewandten Seite angeord- net. Der die Feder umgebende Federraum wird durch einen Federdeckel abgegrenzt, um einem axialen Verrutschen der Feder entgegenzuwirken. Dadurch wird gewährleistet, dass die Federenden ihre Positionen an den Gewindestiften beibehalten und nicht durch die im Motorbetrieb auftretenden Schwingungen axial von den Gewindestiften abrutschen und somit einen Schaden im Verbrennungsmotor herbeiführen. Durch die Schwingungen können Windungen der Feder resonanzbedingt mit dem umliegenden Federraumbegrenzungen in Kontakt kommen und durch die stoßartige Anregung Schaden nehmen. Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Feder in einem Nockenwellen- versteller vorteilhaft anzuordnen. Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst.

Der Nockenwellenversteller weist zumindest ein Antriebselement und zumindest ein Abtriebselement auf. Das Antriebselement ist in einem Winkelbereich relativ zu dem Abtriebselement drehbar angeordnet. Die Feder ist in einem Federraum angeordnet und steht über Federaufhängungen in Wirkverbindung mit dem Antriebsrad und dem Abtriebsrad. Der Federraum weist axiale Begrenzungsmittel auf, welche den axialen Freiheitsgrad der Feder einschränken. Durch das Auftreten von Schwingungen aus dem Betrieb des Verbrennungsmotors oder aus der Verdrehbewegung des Nockenwellenverstellers an sich, können die Federaufhängungen nicht axial abrutschten. Durch die axiale Vorspannung der Feder sinkt der Effekt der stoßartigen Belastung und erhöht die Lebensdauer der Feder. 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 Antriebselement und Abtriebselement erzeugt. Die auf zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement rotativ wirkende Feder drängt das Antriebselement gegenüber dem Abtriebselement in eine Vorteilsrichtung. Diese Vor- teilsrichtung kann gleichläufig oder gegenläufig zu der Verdrehrichtung sein.

Eine weitere Bauform eines Nockenwellenverstellers ist der elektromechanische 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 unter- stützt oder zurückführt.

Dabei steht die Feder in jeder Nockenwellenverstellerbauart üblicherweise unter Vorspannung, so dass diese bereits im Ruhezustand ein Drehmoment zwischen dem Abtriebselement und dem Antriebselement hat. Das bei der Verdre- hung wirkende Drehmoment kann beispielsweise ein Reibmoment, das auf die Nockenwelle wirkt, kompensieren. Dieses Reibmoment wird beispielsweise durch die Lagerreibung oder die Reibung zwischen den Nocken und den Nockenfolgern hervorgerufen. Alternativ oder zusätzlich kann die Feder dazu dienen, das Abtriebselement, bei Ausfall des Verstellmittels (beispielsweise Druck- mittel oder Elektromotor) in eine Notlaufposition relativ zu dem Antriebselement zu bringen. In diesem Fall kann eine Verriegelung vorgesehen sein, die das Abtriebselement mechanisch mit dem Antriebselement verbindet, wenn diese Position erreicht ist. Dabei kann die Feder über den gesamten Verstellbereich des Nockenwellenverstellers ein Drehmoment zwischen dem Antriebselement und dem Abtriebselement vermitteln oder nur in Bereichen des Verstellbereichs, beispielsweise zwischen einer maximalen Spätposition und einer Notlauf- oder Basisposition, die zwischen den maximalen Endlagen des Verstellbereichs liegt. Die Feder kann beispielsweise eine ebene Spiralfeder sein, mit axial oder radial abstehenden Enden, die zur Befestigung an dem Abtriebselement und dem Antriebselements dienen. Bei einer ebenen Spiralfeder erstreckt sich der Windungskörper, bestehend aus zumindest einer Windung, in radialer Richtung, also weitestgehend senkrecht zur Drehachse des Nockenwellenverstellers. Eine Windung ist definiert durch eine Steigung in Windungsrichtung der Feder und endet nach einem überstrichenen Winkel von 360°.

Alternativ kann eine Drehfeder vorgesehen sein, bei der sich die Windungen in axialer Richtung, also weitestgehend parallel zur Drehachse, erstrecken.

Erfindungsgemäß weist die Feder im montierten Zustand zwischen zumindest zwei Windungen ihres Windungskörpers einen axialen Versatz, weitestgehend parallel zur Drehachse des Nockenwellenverstellers, derart auf, dass eine axia- le Vorspannung zwischen den im Federraum angeordneten axialen Begrenzungsmitteln erzeugt wird. Dies hat zur Folge, dass das fertigungsbedingte und wärmebedingte Spiel zwischen der Feder und seinen axialen Begrenzungsmitteln minimiert bzw. eliminiert wird. Somit treten durch die betriebsbedingten, axialen Schwingungen keine Kontaktstöße zwischen der Feder und seinen um- liegenden Bauelementen auf, welche zu eine Beeinträchtigung der Lebensdauer oder gar zur Zerstörung der Feder führen. Auch wird ein axiales Wandern der Feder auf ihren Federaufhängungen und somit Reibung vermieden.

Dabei kann die Feder selbst derart gefertigt sein, dass von Windung zu Win- dung ein definierter Versatz eingearbeitet wurde. Dieser Versatz ist aufgrund der beengten Bauraumverhältnisse auf eine Drahtdicke beschränkt. Ein höherer Versatz ist denkbar, steht jedoch im Konflikt mit dem erstrebten Bauraum. Weiterhin besteht die Gefahr, dass bei einem Versatz größer einer Drahtdicke sich die einzelnen Windungen beim Spannen der Feder im Betrieb des Nockenwel- lenverstellers überlappen und es zu einer Schädigung der Feder kommt.

Bei einer Ausgestaltung der Feder ist der Versatz von Windung zu Windung konstant ausgeführt, was sich einfach in der Fertigung herstellen lässt. Jede aufeinanderfolgende Windung weist einen Versatz auf. Eine einfache, konstante Kennlinie des Federverhaltens in axialer Richtung wird bevorzugt.

Alternativ kann der Versatz von aufeinanderfolgenden Windungen variabel aus- geführt sein. Im Profil des Windungskörpers kann der Steigungsverlauf dem eines nichtlinearen Kurvenverlaufs ähneln. Der Einsatz eines nicht linearen Verlauf der Versätze ist sinnvoll, um die axialen Vorspannkräfte dem dynamischen Schwingungsverhalten für die bestimmten Betriebsbereichen des Verbrennungsmotors anzupassen.

In einem speziellen Ausführungsfall der Feder ist der Versatz aufeinanderfolgender Windungen nicht richtungsgleich ausgebildet, sondern wechselt von Windung zu Windung seine Richtung. Dies ist vorteilhaft, um bestimmte Kontaktzonen der vorgespannten Feder in bestimmte Bereiche der axialen Begren- zungsmitteln zu legen. Hierbei können an die Kontaktzonen erhöhte Anforderungen gestellt werden, wobei hingegen die nichtkontaktierten Bereiche geringeren Anforderungen der Fertigung genügen.

In einem anderen Ausführungsfall ist es möglich, lediglich die erste und die letz- te Windung eines mit mehreren Windungen versehenen Windungskörpers aus der gedachten Ebene der Spiralfeder zu versetzen. Dabei erfahren die beiden Federenden eine axiale Steigung verschieden der des übrigen Windungskörpers. Hierbei stellt sich der vorteilhafte Effekt ein, dass lediglich die Federenden einen axialen Kontakt und eine axiale Vorspannung erfahren und der bei einer Verdrehbewegung arbeitende Windungskörper von Reibungseffekten verschont bleibt.

In einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ist es vorgesehen, dass der axiale Versatz lediglich in einem Winkelbereich kleiner 360° einer Windung ausge- bildet ist. Dies ist bevorzugt bei der Ausbildung gesonderter Bereiche zur axialen Anlage der Feder mit den axialen Begrenzungselementen. An die Kontaktbereiche können so erhöhte Anforderungen gestellt werden, wobei die nichtkontaktierten Bereiche geringeren Anforderungen genügen. Dies hilft Kosten zu senken und höherwertige Funktionswerkstoffe sowie Beschichtungsfläche zu sparen.

In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird die Feder weitestgehend ohne gesonderten axialen Versatz der Windungen gefertigt. Die nötige Vorspannung zur spielfreien axialen Fixierung der Feder wird über die axiale Begrenzungsmittel selbst erzeugt. Hierfür kommen Materialauswölbungen oder Materialanhäufungen im Federraum zum Einsatz, welche die ebene Spiralfeder bei der Montage verspannen und Windungen gegeneinander ver- schieben. Die axiale Verschiebung zumindest einer Windung oder der Federenden kann alternativ über zusätzliche Bauteile erfolgen, z.B. Stifte, Nietköpfe, Schraubenköpfe, Tellerfedern, Scheiben oder ähnliches. Auch können die Federaufhängungen selbst eine axiale Verschiebung herbeiführen und axiale Begrenzungselemente einteilig beinhalten. Bei einer von außen eingeprägten, erzwungenen axialen Verschiebung der Windungen stellt sich derselbe gewünschte vorteilhafte Effekt der Lebensdauererhöhung durch die axiale Fixierung der Feder unter Nutzung der Flexibilität der Windungen derselben ein.

Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass als axiale Begren- zungsmittel der Federdeckel zum Einsatz kommt. Dieser kann entweder weitestgehend plan ausgebildet sein und bei der axialen Montage die vorgefertigten, versetzten Windungen verspannen oder Materialaufwerfungen aufweisen, die gezielt bestimmte Windungen einer plan gefertigten Spiralfeder beim Montagevorgang verschieben.

Alternativ können zu diesem Zweck auch Schraubenköpfe oder Hinterschnitte an den Federaufhängungen eingesetzt werden. Entweder können die Schraubenköpfe oder Hinterschnitte der Federaufhängungen die vorgefertigte, mit versetzten Windungen versehene Feder beim Montagevorgang verspannen oder beim Montieren den Windungskörper, speziell einzelne Windungen, gegen entsprechende Widerlager der peripheren Bauteile im Federraum drücken, um so in der Feder eine axiale Vorspannung zu erzeugen. Bestenfalls gelingt es einzelne Windungen gegeneinander zu verschieben. Bei einer weiteren Ausbildung der Erfindung hat die Feder nur eine Windung, welche einen axialen Versatz aufweist. Der axiale Versatz kann entweder in die Feder vorgefertigt oder bei der Montage erzeugt werden, um die entsprechende Vorspannkraft aufzubringen.

Eine besonders vorteilhafte Ausbildung sieht vor, dass die Feder und/oder die Kontaktstellen mit einer verschleißmindernden Schicht versehen werden, um Reibung im Betrieb zu senken. Die kann vollständig oder partiell an der Feder geschehen. Die Kontaktstellen der Federaufhängungen sowie die Kontaktstellen der axialen Federanlage können ebenfalls eine verschleißmindernde Schicht aufweisen. Auch können verschleißoptimierte Werkstoffe gezielt zum Einsatz kommen und an den entsprechenden Kontaktbereichen angeordnet werden. Weiterhin ist es denkbar, die Feder partiell oder vollständig mit Kunst- stoff zu ummanteln, um den axialen Spielraum der Feder einzuschränken und somit den axialen Schwingungen und dem daraus entstehenden Verschleiß entgegenzuwirken.

Die Erfindung stellt verschiedene Ausführungen zur Erzeugung einer axialen Vorspannung einer Feder bereit, um die durch die axialen Schwingungen entstehenden Schäden an der Feder vorzubeugen. Die Erzeugung dieser Vorspannung kann durch einen in die Feder gefertigten Versatz erfolgen, wobei die Vorspannung durch die axialen Begrenzungselemente wirksam wird. Andererseits kann diese Vorspannung auch bei einer ohne Versatz gefertigten Feder mittels den axialen Begrenzungselementen und eventuell vorhandenen Widerlagern im Montagevorgang erzeugt werden. Der Effekt zur Spielbeseitigung der Feder im Federraum und somit der Lebensdauererhöhung stellt sich bei beiden Ausführungen gleichermaßen ein. Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Figuren dargestellt. Es zeigen:

Figur 1 eine stirnseitige Ansicht eines Nockenwellenverstellers 1 ,

Figur 2 einen Querschnitt A-A nach Figur 1 ,

Figur 3 einen weiteren Querschnitt eines ähnlichen Nockenwellenverstel- ler 1 ,

Figur 4 einen Halbschnitt eines Ausführungsbeispiels einer Feder 4,

Figur 5 einen Abschnitt eines weiteren Ausführungsbeispiels einer Feder

4 und

Figur 6 eine Detailansicht einer Feder 4 nach dem Stand der Technik. Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Figur 1 zeigt einen Nockenwellenversteller 1 mit einem Antriebselement 2, einem Abtriebselement 3, einer Feder 4 und mehreren Federaufhängungen 6, 7, 8, 9. Dabei ist die Feder 4 in einem dafür vorgesehenen Federraum 5 angeord- net. Hierbei wird der Federraum 5 hauptsächlich durch das Antriebselement 2 gebildet. Die Feder 4 besitzt mehrere Windungen 1 1 , welche sich weitestgehend in radialer Richtung erstrecken. Die Federenden sind an den Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 aufgenommen. Die Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 sind hierbei paarweise mit dem jeweiligen Antriebselement 2 und dem jeweiligen Abtriebselement 3 fest verbunden. Beim umfangseitigen Verdrehen des Antriebselementes 2 relativ zu den Abtriebselement 3 wird die Feder 4 gespannt. Die umfangseitige Relatiwerdrehung wird durch eine nicht näher dargestellte Ausbildung von Druckkammern zwischen dem Abtriebselement 2 und dem Abtriebselement 3 erreicht. Die Druckkammern, wie bei den aus dem Stand der Technik bekannten Flügelzellenverstellern, werden mit Hydrauliköl als Verstellmittel beaufschlagt.

Figur 2 zeigt einen Querschnitt entlang der Querschnittslinie A-A des Nockenwellenverstellers 1 nach Figur 1 . Das Antriebselement 2 und das Abtriebsele- ment 3 sind konzentrisch zu der Drehachse 13 des Nockenwellenverstellers 1 angeordnet. Die Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 sind bei diesem Beispiel als Zylinderkopfschrauben ausgebildet. Die Federaufhängungen 6 und 7 sind mit den Abtriebselement 3 verbunden wohingegen die Federaufhängungen 8 und 9 mit den Abtriebselement 2 verbunden sind. Die Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 besitzen axiale Begrenzungsmittel 12, welche aus den gewindeseitigen Flächen der Schraubenköpfe gebildet sind. Das komplementäre axiale Begrenzungsmittel 10 ist eine stirnseitige, plane Fläche des Antriebselements 2. Die Feder 4 hat einen axialen Versatz a, welcher zwischen der letzten und der vorletzten Win- dung 1 1 ausgebildet ist. Der axiale Versatz a ist bei dieser Feder 4 bereits bei der Herstellung eingearbeitet worden. Die axialen Begrenzungsmittel 10, 12 definieren den Federraum 5 in axialer Richtung entlang der Drehachse 13. Die Feder 4 ist weitestgehend konzentrisch zur Drehachse 13 angeordnet.

Beim Montieren der Feder 4 werden die Federenden über die Federaufhängun- gen 6, 7, 8, 9 fixiert, wobei zugleich durch das Einschrauben der Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 die Windungen 1 1 zwischen den axialen Begrenzungsmitteln 10 und 12 verspannt werden. Dabei kommen die Windungen 1 1 an der stirnseitigen Fläche des Antriebselementes 2 und an den gewindeseitigen Flächen der Schraubenköpfe der Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 zur Anlage. Durch den Ein- satz von Schrauben als axiale Begrenzungsmittel 12 ist es möglich den bereits in die Feder 4 gefertigten Versatz a einzustellen. Der Versatz a im unmontierten Zustand der Feder 4 ist hierbei höher als im montierten Zustand. Durch das Anziehen dieser Schrauben lässt sich der Versatz a einstellen und somit auch die gewünschte axiale Vorspannkraft der Feder 4.

Die Figur 3 zeigt eine Anordnung und einen Querschnitt nach Figur 2 mit dem Unterschied des Einsatzes von Zylinderstiften als Federaufhängungen 6, 7, 8, 9 und eines Federdeckels als axiales Begrenzungsmittel 12. Die Feder 4 unterscheidet sich von der in Figur 2 gezeigten Feder 4 durch einen zusätzlichen Versatz a zwischen zwei weiteren Windungen 1 1 . Das axiale Begrenzungsele- ment 12, hier ausgebildet als Federdeckel, definiert seine axiale Position über eine in das Antriebselement 2 gefertigte Nut.

Die Figur 4 zeigt einen Halbschnitt einer erfindungsgemäßen Feder 4 mit mehreren Windungen 1 1 . Jede dieser Windungen 1 1 besitzt einen axialen Versatz a, welcher hierbei konstant ausgebildet ist. Dabei ähnelt das Querschnittsprofil der Feder 4 einem Konus. Hierbei sind die Versätze a bereits bei der Herstellung der Feder 4 integriert. Denkbar hierbei ist auch eine Ausbildung mit voneinander verschiedenen Versätzen a.

Figur 5 zeigt eine weitere Feder 4 mit einem Versatz zwischen den Federenden 14 und der entsprechend vorangegangenen Windung 1 1 . Hierbei sind die beiden Versätze der Federenden 14 gleich groß ausgebildet. Das bietet einen Vorteil bei der gleichmäßigen, axialenseitigen Anlage an den hier nicht dargestellten Begrenzungsmitteln 12. Denkbar ist auch eine voneinander verschiedene Größe der Versätze a.

Figur 6 zeigt eine Anordnung einer Feder 4 in einem Federraum 5 nach dem Stand der Technik. Die Feder 4 ist an einer Federaufhängungen 6, ausgebildet als Zylinderkopfschraube, befestigt. Die Windungen 1 1 besitzen hierbei keinerlei gewollten axialen Versatz a. Somit besteht axiales Spiel zwischen der Feder 4 und dem Federdeckel, sowie der stirnseitigen Fläche des Antriebselementes 2. Dabei können die auftretenden Schwingungen die Feder zerstören.

Bezugszeichen

1 ) Nockenwellenversteller

2) Antriebselement

3) Abtriebselement

4) Feder

5) Federraum

6) Federaufhängung

7) Federaufhängung

8) Federaufhängung

9) Federaufhängung

10) axiale Begrenzungsmittel

1 1 ) Windungen

12) axiale Begrenzungsmittel

13) Drehachse

14) Federende

15) Federdeckel

a) Versatz (axial)