DE4210580C2 - Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine. Eine Vorrichtung zu diesem Zweck ist aus der US-PS 4,762,079 bekannt. Dort wird die Drehbewegung eines Antriebsrades mittels einer Strömungskupplung auf die nachgeschaltete Nockenwelle übertragen, wobei der Füllungsgrad der Strömungskupplung den Kopplungsfaktor zwischen Antriebsrad und Nockenwelle bestimmt und somit gesteuert über einen Computer und diesen Füllungsgrad eine Vor- oder Nacheilung der Nockenwelle gegenüber dem Antrieb erzielt wird.

Es ist ferner durch die GB 2 217 812 A eine Nockenwellenverstelleinrichtung bekannt, bei der durch einen doppelten hydraulischen Stellmotor die Phasenlage zwischen Antriebszahnrad und nachgeschalteter Nockenwelle über ein exzentrisch angeordnetes Kupplungselement verändert wird.

Durch die DE 39 29 621 A1 ist es weiterhin bekannt, mittels eines elektrisch gesteuerten hydraulischen Axialstellmotors, der auf eine Schrägverzahnung wirkt, den relativen Drehwinkel eines Antriebszahnrades zur nachgeschalteten Nockenwelle zu verändern. Diese vorgenannten Lösungen sind teils sehr aufwendig, zum Teil aber auch, wie die GB 22 17 812 A nur unter bestimmten Bedingungen betriebstauglich.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle bereitzustellen, die sofort auf entsprechende Ansteuerkommandos reagiert und sehr zuverlässig arbeitet.

Diese Aufgabe wird durch die Vorrichtung zur Winkelverstellung der Nockenwelle mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.

In den Unteransprüchen werden weitere vorteilhafte Ausbildungen angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Zeichnung dargestellt. Diese zeigt in Fig. 1 ein Schaltprinzip der Gesamteinrichtung und bereits konstruktiver Einzelheiten in perspektivischer Darstellung, in Fig. 2 einen Längsschnitt der eigentlichen Verstelleinrichtung, in Fig. 3 einen Längsschnitt längs III/III nach Fig. 1, in Fig. 4 einen Querschnitt längs IV/IV nach Fig. 2 und in Fig. 5 ebenfalls einen Querschnitt längs V/V nach Fig. 2.

In Fig. 1 ist mit 10 die Kurbelwelle einer Brennkraftmaschine bezeichnet, auf welcher ein Antriebsrad 11, zum Beispiel ein Zahnrad oder Kettenrad angeordnet ist. Dieses treibt über einen Antriebsstrang 12 ein Antriebsrad 13 an, welches auf einer Welle 14 angeordnet ist, an die die Auslaß-Nockenwelle 15 der Brennkraftmaschine drehfest angeschlossen ist. Das Antriebsrad 13 treibt über einen Antriebsstrang 16 ein Antriebsrad 17 im Verhältnis i = 1 : 1 an, das drehbar auf der Außenseite eines Gehäuses 18 der eigentlichen Verstelleinrichtung 19 für die Einlaß- Nockenwelle 20 der Brennkraftmaschine angeordnet ist. Die Nockenwelle 20 ist mit Hilfe von Schrauben 22 drehfest mit dem Gehäuse 18 verbunden. Neben dem Antriebsrad 17 sitzt auf dem Gehäuse auch ein Antriebsrad 23, das über einen Antriebsstrang 24 von einem Antriebsrad 21 angetrieben ist, das ebenfalls fest auf der Welle 14 angeordnet ist. Das Übersetzungsverhältnis zwischen Antriebsrad 23 und Antriebsrad 21 ist etwas größer als 1 : 1, so daß sich das Antriebsrad 23 etwas schneller dreht als das Antriebsrad 21.

In dem Querschnittsbereich des Gehäuses 18, wo sich das Antriebsrad 23 befindet, ist eine Radialkolbenpumpe 25 angeordnet. Diese besteht aus zwei ineinander geführten Kolben 26, 27, von denen der Kolben 26 den größeren Durchmesser hat und der in einer durchgehenden Quer­ bohrung 28 des Gehäuses 18 gleitet. Die Kolben stützen sich mit ihren außenliegenden Kuppen an einer innenliegenden Exzenterkurve 29 des Antriebsrads 23 ab. Durch diese Kurve wird den Kolben der er­ forderliche Hub erteilt. Innerhalb des hohlen Kolbens 27 befinden sich eine Ventileinrichtung 30 mit Einlaßventil 32 und Auslaßventil 33 (Zungenventile).

Wie insbesondere die Fig. 3 zeigt, hat das Gehäuse 18 an der Nockenwellenseite eine durchgehende Bohrung 34, die in eine achs­ gleich in der Nockenwelle 20 verlaufende Bohrung 35 mündet, die zu einer Motorpumpe 36 - siehe Fig. 1 - führt, welche aus dem Vorrats­ behälter Druckmittel ansaugt und dieses unter geringem Druck über die genannten Bohrungen in einen Saugraum 37 der Radialkolbenpumpe 25 fördert. Das in die Niederdruckeinlässe 38 angesaugte Druckmittel wird über die Auslaßventile in eine Auslaßbohrung 39 verdrängt. Diese befindet sich in einem Bolzen 40, der auch die achsgleich ver­ laufende Einlaßbohrung 41 aufnimmt. Diese beiden Bohrungen sind durch einen Steg 42 voneinander getrennt. In die Auslaßbohrung 39 mündet eine den Bolzen 40 durchdringende Bohrung 44, die in einen im Gehäuse 18 verlaufenden Kanal 45 mündet.

Das Antriebsrad 17 schließt sich unmittelbar an das Antriebsrad 23 an und legt sich gegen eine Seitenwand 47 im Gehäuse 18. Diese Wand hat eine bogenförmige Ausnehmung 48 - siehe nun insbesondere Fig. 4 - in welche ein ebenfalls bogenförmiger Fortsatz 49 an der Nabe 50 des Antriebsrads 17 hineingreift. Der bogenförmige Fortsatz 49 er­ streckt sich über einen Winkel von etwa 120 Grad, während die bogen­ förmige Ausnehmung 48 sich über einen Winkel von 180 Grad erstreckt, so daß sich zwischen dem Antriebsrad 17 und dem Gehäuse 18 ein Drehwinkel a von etwa 60 Grad ergibt. Der eine Anschlag 50 ist als Frühanschlag, der andere Anschlag 51 als Spätanschlag bezeichnet. Frühanschlag bedeutet, daß die Nockenwelle 20 jetzt eine frühzeitige Öffnung der Einlaßventile bewirkt, Spätanschlag dagegen deren spätes Öffnen. Zwischen diesen beiden Anschlägen ist die Nockenwelle durch entsprechende Steuerung einstellbar.

An die zur Nockenwelle achsgleich verlaufende, zylindrische Innenwand 54 des Antriebsrads 17 legen sich zwei einander diametral gegenüberliegende Kupplungsbacken 55, 56 einer Kupplungseinrichtung 53, die sich jeweils über etwa ¼-Umfang erstrecken. Auf die Kupplungsbacken wirken über zwischenliegende zylindrische Bolzen 57, 58 druckbeaufschlagte Kolben 59, 60 ein, welche in Bohrungen 61, 62 es Gehäuses 17 dicht gleitend geführt sind. In die die Kolben aufnehmenden Bohrungen 60, 61 münden Bohrungen 63, 64, welche mit den hochdruckführenden Bohrungen 39, 44, 45 in Verbindung stehen, d. h. die Kolben 59, 60 können von der Radialkolbenpumpe 25 beaufschlagt werden. Dies richtet sich nach der Stellung des Steuerschiebers 67 eines Steuerventils 70, der in einer Schieberbohrung 68 des Gehäuses 18 geführt und durch einen Elektromagneten 69 betätigt wird. Das Steuerventil 70 - siehe nun auch wieder Fig. 1 - ist als 5/5-Wege-Ventil ausgebildet. An die Schieberbohrung 68 führt eine mit dem Hochdruckkanal 45 verbundene Querbohrung 72, eine Querbohrung 73, welche mit dem Niederdruckkanal 74 in Verbindung steht, sowie eine Querbohrung 75, die zu einem im Gehäuse angeordneten Druckspeicher 76 führt. Der Druckspeicher weist einen in einer nicht weiter bezeichneten Bohrung gleitenden Kolben 77 auf, auf den entgegen dem Flüssigkeitsdruck eine Druckfeder 78 entgegenwirkt.

Zwischen dem Hochdruckkanal 45 und dem Niederdruckkanal 74 im Gehäuse 18 erstreckt sich eine Verbindungsbohrung 80, die im oberen Teil, also nahe dem Hochdruckkanal 45 ein Druckbegrenzungsventil 81 aufnimmt, das etwa auf 160 bar eingestellt ist, und im unteren Teil ein Druckhalteventil 82, das auf einen Druck von etwa 2 bar eingestellt ist. Die oben geschilderten Kanalverbindungen sind auch besonders übersichtlich in Fig. 1 zu erkennen, teilweise schematisch als nicht weiter bezeichnete Leitungen. Je nach Stellung des Steuerschiebers 67 können die verschiedenen Druckmittelverbindungen hergestellt werden - wie in der Funktionsbeschreibung ausgeführt wird.

Die Nockenwelle 20 ist in einem motorseitigen Nockenwellenlager 84 gelagert. An der Außenseite des Gehäuses 18 ist in der Ebene des Magnetventils ein Stellungsgeber 89 angeordnet, welcher die Position des Antriebsrades 17 beziehungsweise dessen bogenförmigen Fortsatzes registriert und einer Elektronik im Motormanagement signalisiert.

Die oben beschriebene Steuereinrichtung arbeitet wie folgt: über die Kurbelwelle 10 und die genannten Antriebsräder werden die Auslaß-Nockenwelle 15 und über die Einrichtung 19 die Einlaß-Nockenwelle 20 angetrieben. Die Nockenwelle 15 ist unverdrehbar gegenüber der Welle 14. Das Antriebsrad 23 dreht sich etwas schneller als das Antriebsrad 21, so daß die Radialkolbenpumpe 25 mit einer etwas höheren Drehzahl angetrieben wird als das Gehäuse 18, das über das Getriebe 13, 17 die selbe Drehzahl aufweist, wie das Antriebsrad 13.

In Schaltstellung 1 des Magnetventils 70 wird der Rücklauf der Nockenwelle 20 nach "spät" bewirkt. Dabei stehen die Kolben 59, 60 nur unter dem sehr geringen Druck des Druckhalteventils 81, da die Druckräume über die Bohrungen 63, 64 zur Niederdruckseite entlastet sind. Dazu ist noch zu bemerken, daß die Kupplungsbacken 55, 56 so ausgelegt sind, daß sie stets mit einer geringen Kraft an der Innenwand 54 des Gehäuses anliegen, zum Beispiel durch entsprechende Vorspannung der Außenlappen. Das mittlere Nockenwellen- Widerstands-Drehmoment, welches nach rückwärts gerichtet ist, bringt nun die Nockenwelle 20 durch entsprechende Verdrehung des Gehäuses 18 gegenüber dem Antriebsrad 17 nach "spät", störende Nockenwellendrehmomentschwankungen nach vorwärts werden in dieser Ventilstellung durch das Rückschlagventil 90 aufgefangen, wobei dann der Fortsatz 49 an der Fläche 51 anliegt. Diese Stellung muß auf jeden Fall beim Anlaßvorgang gegeben sein, d. h. die Nockenwelle muß sich nun unbedingt in Stellung "spät" befinden. Wenn während des Anlaßvorganges der Geber 85 anzeigt, daß sich die Nockenwelle 20 in absolut "spät" befindet, muß das Magnetventil sofort seine Schaltstellung 3 (Normal-Betrieb) einnehmen, so daß die Radialkolbenpumpe den erzeugten Druck über die Bohrungen 63, 64 in die Druckräume 61, 62 leiten kann. Damit ist der Haltedruck aufgebaut, d. h. die Kupplungsbacken werden angedrückt und gleichzeitig wird auch der Druckspeicher 76 gefüllt. In Ventilstellung 1 ist der Druckspeicher von der Pumpe getrennt und die Kupplungsbacken sind entlastet.

In Stellung 2 des Steuerventils 70 wird die Pumpe blockiert und die Kupplungsbacken teilentspannt, so daß das Antriebsrad 23 über die arretierten Pumpenkolben die Nockenwelle nach "früh" mitnimmt, also in Richtung zum Anschlag 50.

Es sei noch einmal kurz auf die Stellung 3 des Steuerventils eingegangen. Dies ist die Normal- oder Stetigbetriebsstellung. Hier pressen die Kolben 59, 60 die Kupplungsbacken durch den mit der Pumpe erzeugten hydraulischen Druck an die Innenfläche 54 des Antriebsrads 17, so daß dieses nun die Dreharbeit für die Nockenwellenverdrehung übernimmt, d. h. jetzt dreht die Einlaß-Nockenwelle 20 mit normaler Drehzahl synchron zur Auslaßnockenwelle 15. Die hydraulische Energie zum Einkuppeln kann sowohl aus dem Druckspeicher 76 als auch aus der Pumpe bezogen werden. Das Haltemoment der Kupplung beträgt ein Vielfaches des Antriebsmomentes der Pumpe, daraus folgt eine Selbstverstärkung (Faktor 6), d. h. das Haltemoment der Kupplung ist das 6-fache des Moments, welches die Pumpe aus dem Rad 23 auf­ nimmt. Somit ist die Kupplung in der Lage, stets das Nocken­ wellen-Widerstandsmoment (im Mittel nach rückwärts gerichtet) und das Pumpen-Antriebsmoment (relativ zur Kupplung nach rückwärts ge­ richtet) mit Reserve zu überlagern bzw. zu halten. Wie bereits er­ wähnt, kann in dieser Ventilstellung auch schon der Druckspeicher gefüllt werden.

Die Ventilstellung 4 dient zur Speicherfüllung im Normalbetrieb, wie oben erwähnt. Wenn man den niedrigsten Pumpendurchfluß kennt, kann man für die Speicherfüllung eine gewisse Zeit bestimmen, in welcher der Speicher auf alle Fälle gefüllt wird und so dafür sorgen, daß dann, wenn keine anderen dringenden Erfordernisse das Magnetventil veranlassen sollten, diese Stellung zu veranlassen, der Druck­ speicher vor dem nächsten Gebrauch der Ventilschaltstellung 3 ge­ füllt ist. Dies ist wichtig für ein gutes Funktionieren bzw. für ein zeitrichtiges und schnelles Auskuppeln des Antriebrads 23 zum Ver­ meiden von unkontrolliertem Durchrutschen der Kupplungseinrichtung. Diese Zeit wäre überdies mittels eines Drucksensors und kleinem Fest-Sollwert-Regelkreis für höhere Pumpendrehzahlen minimierbar, da neben der Gesamtdrehzahl der vorkommenden Schaltungen pro Zeitein­ heit vor allem von dieser Zeit der Leistungsverbrauch der Pumpe be­ stimmt wird.

Die Ventilstellung 5 dient dazu, während des Normalbe­ triebs - (Nockenwellenwinkel hat den Sollwert erreicht) - die Pumpe zum Leerlauf zu bringen, was den Energieverbrauch nach Null streben läßt. Die Pumpe fördert nun über den Kanal 45 und die Bohrung 73 zum Behälter. Erwähnt sei nebenbei, daß auch eine stetige Verbindung vom Druckspeicher zu den Kolben hergestellt werden könnte, so daß zum Beispiel infolge Ventilleckage die Kraft auf die Kupplungsbacken nicht nachlässt.

Es sei nochmals auf einige wesentliche Punkte hingewiesen: die Ra­ dialkolbenpumpe 25 wird gegenüber der Drehzahl des Gehäuses 18 nur mit einer geringfügig größeren Drehzahl angetrieben, was jedoch als Pumpenleistung völlig genügt. Um in den sog. "Frühbetrieb" der Ein­ laß-Nockenwelle 20 zu kommen, wird über das Steuerventil 70 die Druckseite der Pumpe verschlossen, d. h. man blockiert sie. Nun muß ganz zwangsläufig das schnellere Antriebsrad 23 über die blockierte Pumpe den Nockenwellenfortsatz nach "früh" mitnehmen, und dies so lange, bis die gewünschte Drehstellung der Nockenwelle erreicht ist. Die Kupplung ist hierbei entspannt. Es ist davon auszugehen, daß bei nahezu Totalentspannung der Kupplungseinrichtungen 53 durch das mit­ tlere Widerstandmoment und einer Drehmomentschwankung nach rückwärts der Nockenwelle ein selbständiges Zurückeilen derselben nach "spät" erfolgt. Um dies nicht allzu heftig geschehen zu lassen, sind im Steuerschieber 67 Blenden 85 bis 87 - siehe Fig. 1, Ventilstellung 1, und zum Druckhalteventil 81 notwendig, um eine gewisse Brems­ wirkung über die Reibung der Kupplungsbacken zu erhalten. Der Ener­ gieverbrauch für die Schaltung pro Zeiteinheit ist außerordentlich gering.

Sollte beim Kaltstart ein Hochdruck der Radialkolbenpumpe im Raum 37 entstehen, so würde sich der Haltedruck des Druckhalteventils 81 entsprechend steigern und ein zu hoher Druck auf die Kolben 59, 60 wirken. Dadurch würde verhindert, daß die Nockenwelle 20 nach spät gefahren werden kann. In diesem Fall müssten die hydraulischen Lei­ tungen hinter dem Ventil 81 nach außen zum Motorinnenraum verlegt werden.

Die beschriebene Vorrichtung kann auch für andere Zwecke benutzt werden, z. B. bei der Lenkwelle eines Lenkrads, wobei dann allerdings die Anschläge entfallen.

Claims (10)

1. Vorrichtung zur Winkelverstellung einer Welle (20) gegenüber ihrer Antriebswelle (10), insbesonde­ re der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gegenüber der Kurbelwelle, mit

• - einem an der Stirnseite der Welle (20) drehfest angeordneten zylindrischen Gehäuse (18),
• - einem auf dem Gehäuse (18) drehbar angeordneten ersten Antriebsrad (17),
• - einer schaltbaren Kupplung (53), durch die das erste Antriebsrad (17) mit der Welle (20) verbind­ bar ist,
• - einem neben dem ersten Antriebsrad (17) auf dem Gehäuse (18) angeordneten und am Gehäuse (18) angreifenden zweiten Antriebsrad (23), das eine im Vergleich zum ersten Antriebsrad (17) unterschiedliche Drehzahl aufweist,
• - einer von dem zweiten Antriebsrad (23) angetriebenen Pumpe (25), die im Gehäuse (18) ange­ ordnet ist,

wobei die schaltbare Kupplung (53) mindestens einen durch von der Pumpe (25) erzeugten Flüssig­ keitsdruck beaufschlagten Kolben (59, 60) aufweist, der auf einen auf das erste Antriebsrad (17) ein­ wirkenden Kupplungsbacken (55, 56) drückt, wodurch das erste Antriebsrad (17) gebremst wird und gegenüber der Welle (20) eine neue Winkellage einnimmt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe mit einer geringfügig höheren Drehzahl über das zweite An­ triebsrad (23) gegenüber dem ersten Antriebsrad (17) angetrieben ist, welches ebenfalls von der Kurbelwelle (10) der Brennkraftma­ schine angetrieben ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß im Ge­ häuse (18) eine bogenförmige Ausnehmung (48) ausgebildet ist, in welche ein bogenförmiger Fortsatz (49) am Antriebsrad (17) eingreift und gegenüber zwei die bogenförmigen Ausnehmungen (48) begrenzende Anschläge (50, 51) um einem Winkel α verdrehbar ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Pumpe (25) als Radialkolbenpumpe ausgebildet ist mit zwei in­ einandergleitenden Kolben (26, 27) die mit ihren außenliegenden Kuppen an einer exzentrischen Ausnehmung (29) des zweiten Antriebs­ rads (23) gleiten.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß inner­ halb des kleineren Kolbens ein Flüssigkeitsverteilerkörper (30) an­ geordnet ist, in welchem der Pumpeneinlaß samt Einlaßventil (32) und der Pumpenauslaß (39) samt Auslaßventil (33) angeordnet sind und welcher Anschluß zu einem im Gehäuse angeordneten Bolzen (40) hat, von dem Druckmittelverbindungen (39, 41) zu den Druckräumen für die Kolben (59, 60) und zur Niederdruckseite bestehen.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Gehäuse (18) und die Nockenwelle (20) drehfest durch Schrauben (22) miteinander verbunden sind und daß im Gehäuse (18) ein Steuerventil (70) mit einem Steuerschieber (67) in einer Schieberbohrung (68) angeordnet ist, der insbesondere elektromagne­ tisch betätigbar ist und die Druckmittelsteuerung für die Kolben (59, 60), den Rücklauf und Verbindung zu einem ebenfalls im Gehäuse angeordneten Druckspeicher (76) steuert.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß das Steuerventil (70) als 5/5-Wege-Ventil ausgebildet ist und daß im Gehäuse an die Hochdruckseite ein Druckbegrenzungsventil (80) angeschlossen ist und an die Auslaßseite ein Druckhalte­ ventil (81), das auf geringen Druck eingestellt ist.

8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Zulauf zur Pumpe durch eine in der Nockenwelle ausgebildete Bohrung (35) und eine sich im Gehäuse (18) anschließen­ de Bohrung (34) gebildet ist, und daß diese Bohrungen an eine Motor­ pumpe (36) angeschlossen sind, die aus dem Flüssigkeitsbehälter der Brennkraftmaschine Druckmittel unter einem geringen Vordruck zur Radialkolbenpumpe (25) steuert.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Verdrehwinkel des Kettenrads (17) gegenüber der Nockenwelle (20) etwa 40 bis 60 Grad beträgt.

10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekenn­ zeichnet, daß am Gehäuse ein Spurkranz angeordnet ist, mit dem ein Winkelsensor (85) zusammenwirkt, welcher mit einer Elektronik des Motormanagements in Wirkverbindung steht.