DE102012220543A1

DE102012220543A1 - Nockenwellenverstelleinrichtung

Info

Publication number: DE102012220543A1
Application number: DE102012220543.8A
Authority: DE
Inventors: Joachim Dietz
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2012-11-12
Filing date: 2012-11-12
Publication date: 2014-05-15
Also published as: WO2014071927A1

Abstract

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit: – einer ersten Nockenwelle (4), und – einer gegenüber der ersten Nockenwelle (4) drehwinkelverstellbaren zweiten Nockenwelle (5), wobei – die erste Nockenwelle (4) unabhängig von der zweiten Nockenwelle (5) verstellbar ist.

Description

Die Erfindung betrifft eine Nockenwellenverstelleinrichtung mit den Merkmalen des Oberbegriffs von Anspruch 1.
Nockenwellenverstelleinrichtungen werden im Allgemeinen in Ventiltrieben von Brennkraftmaschinen verwendet, um die Ventilöffnungs- und Schließzeiten zu verändern, wodurch die Verbrauchswerte der Brennkraftmaschine und das Betriebsverhalten im Allgemeinen verbessert werden können.
Aus der DE 10 2007 007 758 A1 ist z.B. eine gattungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung bekannt, welche eine erste Nockenwelle und eine zweite Nockenwelle aufweist, die mit unterschiedlichen Nocken drehfest verbunden und gegeneinander verstellbar ausgeführt sind. Dabei wird grundsätzlich eine der Nockenwellen gegenüber der jeweils anderen Nockenwelle verstellt, wodurch die Phasenlage der Nocken zueinander und dadurch auch die Ventilöffnungskurven zueinander verstellt werden können.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine konstruktiv einfach aufgebaute Nockenwellenverstelleinrichtung mit einer weiter verbesserten Verstellbarkeit und insbesondere mit einem vergrößerten Verstellbereich der Phasenlage der Nocken und der dadurch erzeugten Ventilkurven zu schaffen.
Gemäß dem Grundgedanken der Erfindung wird zur Weiterentwicklung der gattungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung vorgeschlagen, dass die erste Nockenwelle unabhängig von der zweiten Nockenwelle verstellbar ist. Durch die nunmehr zusätzlich vorgesehene Verstellbarkeit der ersten Nockenwelle können die Ventilöffnungskurven z.B. zusammen verschoben werden, d.h. der Verbund der ersten und der zweiten Nockenwelle wird mit einer gleichbleibenden Ausrichtung der Nockenwellen zueinander verstellt.
Ferner kann der Verstellwinkel der zweiten Nockenwelle dadurch vergrößert werden, indem die zweite Nockenwelle gegenüber der ersten Nockenwelle verdreht wird und zusätzlich die erste Nockenwelle gleichsinnig zu der Drehwinkelverstellung der zweiten Nockenwelle verdreht wird. In diesem Fall addieren sich die Drehwinkel, d.h. die erste Nockenwelle wird um den Drehwinkel der zweiten Verstelleinrichtung und die zweite Nockenwelle wird zusätzlich um den Drehwinkel der ersten Verstelleinrichtung verdreht, um den die erste Nockenwelle verdreht wurde.
Ferner kann der Verstellwinkel der zweiten Nockenwelle zu der ersten Nockenwelle dadurch vergrößert werden, indem die erste Nockenwelle gegensinnig zu der Drehwinkelverstellung der zweiten Nockenwelle verstellbar ist. In diesem Fall addieren sich die Drehwinkel in Bezug zu dem Verstellwinkel der zweiten Nockenwelle zu der ersten Nockenwelle ebenfalls.
Ferner wird vorgeschlagen, dass zur Verstellung der zweiten Nockenwelle gegenüber der ersten Nockenwelle eine erste Verstelleinrichtung mit einem drehfest mit der ersten Nockenwelle verbundenen Stator und einem drehfest mit der zweiten Nockenwelle verbundenen Rotor vorgesehen ist, und der Rotor bei einer Betätigung der ersten Verstelleinrichtung gegenüber dem Stator verdrehbar ist. Dadurch kann praktisch ein Nockenwellenversteller bekannter Bauart verwendet werden, welcher aber hier in dem Wirkprinzip derart abgewandelt wurde, dass er hier von der ersten Nockenwelle über den nunmehr radial innen liegenden Stator angetrieben wird, welcher in der bekannten Bauart eigentlich der Rotor ist. Der Rotor ist in diesem Fall der mit der zweiten Nockenwelle verbundene in der bekannten Bauart von der Kurbelwelle angetriebene Statortopf, an welchem hier natürlich keine Verzahnung vorgesehen ist.
Eine besonders konstruktive Verstellung der ersten Nockenwelle kann dadurch verwirklicht werden, indem eine zweite Verstelleinrichtung mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antreibbaren Stator und einem gegenüber dem Stator verdrehbaren Rotor vorgesehen ist, und die erste Nockenwelle an ihrem ersten Ende drehfest mit dem Rotor der zweiten Verstelleinrichtung und an ihrem anderen Ende drehfest mit dem Stator der ersten Verstelleinrichtung verbunden ist. Die erste und die zweite Verstelleinrichtung sind praktisch in Reihe geschaltet und beide nach dem bewährten Rotor-Statorprinzip aufgebaut.
Weiter wird vorgeschlagen, dass der Rotor der zweiten Verstelleinrichtung und der Stator der ersten Verstelleinrichtung jeweils durch ein in der ersten Nockwelle befestigtes Zentralventil drehfest mit der ersten Nockenwelle verbunden sind. Der Rotor der zweiten Verstelleinrichtung und der Stator der ersten Verstelleinrichtung bilden damit zusammen mit den Zentralventilen einen drehfesten Verbund mit der ersten Nockenwelle. Da der Stator der ersten Verstelleinrichtung praktisch den Rotor mitnimmt, und der Rotor mit der zweiten Nockenwelle verbunden ist, wird die durch die zweite Verstelleinrichtung bewirkte Verstellbewegung der ersten Nockenwelle automatisch auf die zweite Nockenwelle übertragen, sofern die erste Verstelleinrichtung nicht gleichzeitig auch betätigt wird.
Eine besonders einfache konstruktive Umsetzung und insbesondere Anordnung der ersten und der zweiten Verstelleinrichtungen kann dadurch ermöglicht werden, indem die erste und die zweite Nockenwelle jeweils als Hohlwellen ausgebildet sind, und die erste Nockenwelle in die zweite Nockenwelle eingesteckt ist.
Dabei kann ein besonders einfacher konstruktiver Aufbau dadurch verwirklicht sein, indem der Stator der ersten Verstelleinrichtung mit einem Flansch an der Radialaußenseite der zweiten Nockenwelle befestigt ist.
Ferner wird vorgeschlagen, dass die erste und die zweite Verstelleinrichtung jeweils durch einen druckmittelbetätigten Flügelzellenversteller gebildet sind, welche an ein gemeinsames Druckmittelreservoir angeschlossen und über eine gemeinsame Druckmittelpumpe mit Druckmittel beaufschlagbar sind. Dadurch können beide Verstelleinrichtungen an einen gemeinsamen Druckmittelkreislauf angeschlossen und über eine zentrale Druckmittelpumpe mit Druckmittel versorgt werden. Die Verstellbewegungen werden dann unabhängig über separate Aktuatoren gesteuert.
Ferner kann zur Verstellung der ersten Nockenwelle und/oder zur Verstellung der zweiten Nockenwelle zu der ersten Nockenwelle eine elektrisch angetriebene Verstelleinheit vorgesehen sein. Die Verwendung von elektrisch angetriebenen Verstelleinheiten weist den Vorteil einer verbesserten Verstellmöglichkeit unter direkter Verwendung von sensorisch ermittelten Ansteuerdaten auf. Ferner ist dadurch eine schnellere und genauere Ansteuerung der Nockenwellenverstelleinrichtung möglich, wobei außerdem der konstruktiv aufwendige Anschluss an den Druckmittelkreislauf entfällt.
Nachfolgend wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Dabei zeigen die Figuren im Einzelnen:
1: eine erfindungsgemäße Nockenwellenverstelleinrichtung in Schnittdarstellung; und
2 bis 4: verschiedene durch die Verstellung des Drehwinkels der ersten Nockenwelle ermöglichte Ventilkurven.
In der 1 ist eine mögliche Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Nockenwellenverstelleinrichtung mit einer ersten Verstelleinrichtung 2 und einer zweiten Verstelleinrichtung 1 zu erkennen. Die erste und die zweiten Verstelleinrichtung 2 und 1 sind in der dargestellten Ausführungsform jeweils als druckmittelbetätigbare Flügelzellenversteller ausgebildet, welche über einen nicht dargestellten gemeinsamen Druckmittelkreislauf mit einer gemeinsamen Druckmittelpumpe mit Druckmittel beaufschlagbar sind. Der Grundaufbau der Flügelzellenversteller wird hier nicht weiter beschrieben, da er als im Stand der Technik bekannt angesehen werden kann. Jede der Verstelleinrichtungen weist ein Zentralventil 3 mit einem verschiebbaren federbelasteten Ventilkörper 8 auf, an welchem ein Aktuator 7 anliegt. Bei einer Betätigung einer der Aktuatoren 7 wird der Ventilkörper 8 in dem jeweiligen Zentralventil 3 verschoben und das Druckmittel wahlweise in die Arbeitskammern des Flügelzellenverstellers zur Verdrehung eines Rotors gegenüber einem Stator eingeleitet, während es aus anderen an der jeweils anderen Seite der Flügel des Flügelzellenverstellers angeordneten Arbeitskammern in ein Druckmittelreservoir zurückgeführt wird. Alternativ wäre auch eine Ansteuerung der Verstelleinrichtungen mittels eines Einsteckventils möglich, wobei in diesem Fall das oder die Zentralventile 3 durch Zentralschrauben ersetzt werden. Soweit dies aus konstruktiven Gründen sinnvoll ist, kann auch eine der Verstelleinrichtungen über ein Zentralventil 3 und die jeweils andere Verstelleinrichtung über ein Einsteckventil angesteuert werden.
Ferner sind eine erste Nockenwelle 4 und eine zweite Nockenwelle 5 vorgesehen, welche jeweils als Hohlwellen ausgeführt und ineinander gesteckt sind. Die erste Nockenwelle 4 ist drehfest mit einer Gruppe von ersten Nocken 9 und die zweite Nockenwelle 5 ist drehfest mit einer Gruppe von zweiten Nocken 6 verbunden. Da die erste Nockenwelle 4 in die zweite Nockenwelle 5 eingesteckt ist, sind die ersten Nocken 9 über einen Bolzen durch die zweite Nockenwelle 5 hindurch mit der ersten Nockenwelle 4 verbunden. Damit die zweite Nockenwelle 5 relativ zu der ersten Nockenwelle 4 verdreht werden kann, ist in der zweiten Nockenwelle 5 z.B. ein in Umfangsrichtung gerichteter Schlitz vorgesehen, in welchen der Bolzen 10 bewegt werden kann, damit er die Relativbewegung nicht verhindert. Die Nocken 6 und 9 liegen in bekannter Weise an den Ein- oder Auslassventilen der Brennkraftmaschine an und steuern während der Drehbewegung der Nockenwellen 4 und 5 die Öffnungs- und Schließbewegung der nicht dargestellten federbelasteten Ventile.
Die zweite Verstelleinrichtung 1 ist genauso wie die erste Verstelleinrichtung 2 in Form eines Flügelzellenverstellers ausgebildet. Die erste Verstelleinrichtung 2 ist mit einem Stator 12 über das in die erste Nockenwelle 4 eingeschraubte Zentralventil 3 drehfest mit der ersten Nockenwelle 4 verbunden. Ferner weist die erste Verstelleinrichtung 2 einen radial außen liegenden Rotor 13 auf, welcher die Druckräume des Stators 12 durch radial nach innen ragende Vorsprünge in voneinander getrennte Arbeitskammern unterteilt und mit einem Flansch 15 radial außen auf die zweite Nockenwelle 5 aufgeschoben und befestigt ist.
An dem anderen Ende der ersten Nockenwelle 4 ist eine zweite Verstelleinrichtung 1, ebenfalls in Form eines Flügelzellenverstellers vorgesehen, welche mit einem in diesem Fall radial innen liegenden Rotor 11 drehfest verbunden ist. Der Rotor 11 ist hier auch über das in das Ende der ersten Nockenwelle 4 eingeschraubte Zentralventil 3 mit der ersten Nockenwelle 4 verbunden und bildet zusammen mit der ersten Nockenwelle 4 und dem Stator 12 der ersten Verstelleinrichtung 2 einen drehfesten Verbund. Die Druckräume des Rotors 11 werden in der zweiten Verstelleinrichtung 1 wieder durch radial nach innen ragende Vorsprünge eines Stators 14 paarweise in zwei Arbeitskammern unterteilt. Der Stator 14 weist an seiner Radialaußenseite eine Verzahnung 16 auf, in die ein Zahnriemen oder eine Kette eingreift, welche(r) von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben wird und den Stator 14 antreibt.
In den 2 bis 5 sind verschiedene Ventilöffnungskurven vor und nach einer Verstellung über dem Drehwinkel φ zu erkennen, wobei die Ventilöffnungskurven vor der Verstellung als in der Ausgangsposition mit A und B bezeichnet sind, während die Ventilöffnungskurven nach der Verstellung mit A1 und B1 bezeichnet sind. Dabei wird bei der nachfolgenden Erläuterung der Ventilöffnungskurven A und B angenommen, dass die Ventilöffnungskurve A die Öffnungskurve der von den Nocken 9 der ersten Nockenwelle 4 betätigten Ventile und die Ventilöffnungskurve B die Öffnungskurve der von den Nocken 6 der zweiten Nockenwelle 5 betätigten Ventile ist. Die durch die Verstellbewegung der ersten Verstelleinrichtung 2 bewirkte Verschiebung der Ventilöffnungskurven A und B ist mit V1 und die durch die Verstellbewegung der zweiten Verstelleinrichtung 1 bewirkte Verschiebung der Ventilöffnungskurven A und B ist mit V2 bezeichnet.
In der 2 ist die Lage der Ventilöffnungskurven A und B vor und nach einer gemeinsamen Verstellung der ersten und der zweiten Nockenwelle 4 und 5 zu erkennen, welche durch eine alleinige Betätigung der zweiten Verstelleinrichtung 1 und eine Verdrehung der ersten Nockenwelle 4 erreicht wird. In diesem Fall wird die erste Verstelleinrichtung 2 bewusst nicht betätigt, damit die Phasenlage der ersten Nockenwelle 4 zu der zweiten Nockenwelle 5 nicht verändert wird. Die Ventilöffnungskurven A und B werden durch die Verstellung der Phasenlage der ersten Nockenwelle 4 in die mit Al und B1 gekennzeichnete Lage mit einer Verschiebung des Scheitelpunktes I in die Stellung II um den Betrag V2 verschoben. Da die Drehbewegung der ersten Nockenwelle 4 grundsätzlich über den Stator 12 auf den Rotor 13 und schließlich auf die zweite Nockenwelle 5 übertragen wird, wird die zweite Nockenwelle 5 um denselben Winkel wie die erste Nockenwelle 4 verdreht, so dass die Ventilöffnungskurve A um denselben Winkel verschoben wird.
In der Darstellung in der 3 wird nur die Ventilöffnungskurve B in die Lage B1 verschoben, während die Ventilöffnungskurve A nicht verschoben wurde. Die dargestellte Lage der Ventilöffnungskurve B1 kann mit der vorgeschlagenen Nockenwellenverstelleinrichtung durch eine alleinige Betätigung der ersten Verstelleinrichtung 2 bewirkt werden, d.h. es wird nur die zweite Nockenwelle 5 gegenüber der ersten Nockenwelle 4 verdreht, wodurch der Scheitelpunkt I um den Betrag V1 verschoben wurde. Die zweite Verstelleinrichtung 1 wurde in diesem Fall nicht betätigt.
In der 4 ist eine Verschiebung der Ventilöffnungskurven A und B für den Fall einer gleichsinnigen Verstellbewegung der Rotoren 11 und 13 der zweiten und der ersten Verstelleinrichtung 1 und 2 zu erkennen. Die Ventilöffnungskurve A wurde mit dem Scheitelpunkt I durch eine Verstellung des Rotors 11 um einen ersten Betrag V2 in die dargestellte Stellung Al mit dem versetzten Scheitelpunkt II verschoben. Dabei wurde die Ventilöffnungskurve B aufgrund der in der 2 beschriebenen Verstellung um denselben Winkelbetrag mitverschoben. Aufgrund der Betätigung der ersten Verstelleinrichtung 2 wurde die Ventilöffnungskurve B weiter in die Stellung B1 mit dem mit III gekennzeichneten Scheitelpunkt um den Betrag V1 verschoben. Die Verstellbewegungen V2 und V1 der ersten und der zweiten Verstelleinrichtung 2 und 1 addieren sich somit zu einem erheblich größeren Verstellwinkel der zweiten Nockenwelle 5 in Bezug zu der Ausgangslage, was durch die vergrößerte Verschiebung der Ventilöffnungskurve B aus der Ausgangslage in die Stellung B1 zu erkennen ist.
In der 5 ist die Verschiebung der Ventilöffnungskurven A und B bei einer gegensinnigen Verdrehung der Rotoren 11 und 13 zu erkennen. Durch die Betätigung der zweiten Verstelleinrichtung 1 wurde die Ventilöffnungskurve A zusammen mit der Ventilöffnungskurve B um den Betrag V2 verschoben. Durch die Betätigung der ersten Verstelleinrichtung 2 wurde die Ventilöffnungskurve B anschließend in die entgegengesetzte Richtung um den Betrag V1 in die mit B1 bezeichnete Stellung verschoben. Insgesamt wurden die Ventilöffnungskurven A und B damit aus der Ausgangslage in unterschiedliche Richtungen verschoben, was auch durch die Scheitelpunkte II und II links und rechts des Scheitelpunktes I der Ausgangslage zu erkennen ist.
Bezugszeichenliste

1: zweite Verstelleinrichtung
2: erste Verstelleinrichtung
3: Zentralventil
4: erste Nockenwelle
5: zweite Nockenwelle
6: Nocken
7: Aktuator
8: Ventilkörper
9: Nocken
10: Verbindungsstift
11: Rotor
12: Stator
13: Rotor
14: Stator

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 102007007758 A1 [0003]

Claims

Nockenwellenverstelleinrichtung für eine Brennkraftmaschine mit: – einer ersten Nockenwelle (4), und – einer gegenüber der ersten Nockenwelle (4) drehwinkelverstellbaren zweiten Nockenwelle (5), dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Nockenwelle (4) unabhängig von der zweiten Nockenwelle (5) verstellbar ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Nockenwelle (4) gleichsinnig zu der Drehwinkelverstellung der zweiten Nockenwelle (5) verstellbar ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste Nockenwelle (4) gegensinnig zu der Drehwinkelverstellung der zweiten Nockenwelle (5) verstellbar ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Verstellung der zweiten Nockenwelle (5) gegenüber der ersten Nockenwelle (4) eine erste Verstelleinrichtung (2) mit einem drehfest mit der ersten Nockenwelle (4) verbundenen Stator (12) und einem drehfest mit der zweiten Nockenwelle (5) verbundenen Rotor (13) vorgesehen ist, und – der Rotor (13) bei einer Betätigung der ersten Verstelleinrichtung (2) gegenüber dem Stator (12) verdrehbar ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine zweite Verstelleinrichtung (1) mit einem von einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine antreibbaren Stator (14) und einem gegenüber dem Stator (14) verdrehbaren Rotor (11) vorgesehen ist, und – die erste Nockenwelle (4) mit ihrem ersten Ende drehfest mit dem Rotor (11) der zweiten Verstelleinrichtung (1) und mit ihrem zweiten Ende drehfest mit dem Stator (12) der ersten Verstelleinrichtung (2) verbunden ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, dass – der Rotor (11) der zweiten Verstelleinrichtung (1) und der Stator (12) der ersten Verstelleinrichtung (2) jeweils durch ein in der ersten Nockwelle (4) befestigtes Zentralventil (3) drehfest mit der ersten Nockenwelle (4) verbunden sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste und die zweite Nockenwelle (4, 5) jeweils als Hohlwellen ausgebildet sind, und – die erste Nockenwelle (4) in die zweite Nockenwelle (5) eingesteckt ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach Anspruch 4 und 7, dadurch gekennzeichnet, dass – der Stator (12) der ersten Verstelleinrichtung (2) mit einem Flansch (15) an der Radialaußenseite der zweiten Nockenwelle (5) befestigt ist.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – die erste und die zweite Verstelleinrichtung (1, 2) jeweils durch einen druckmittelbetätigten Flügelzellenversteller gebildet sind, welche an ein gemeinsames Druckmittelreservoir angeschlossen und über eine gemeinsame Druckmittelpumpe mit Druckmittel beaufschlagbar sind.
Nockenwellenverstelleinrichtung nach einem der vorangegangenen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – zur Verstellung der ersten Nockenwelle (4) und/oder zur Verstellung der zweiten Nockenwelle (5) zu der ersten Nockenwelle (4) eine elektrisch angetriebene Verstelleinheit vorgesehen ist.