DE10006349A1 - Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle - Google Patents

Abstract

Eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle weist eine am antreibsseitigen Ende der Nockenwelle drehfest angeordnete Verstellbuchse, eine die Verstellbuchse umgebende Antriebshülse, die mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Element verbunden oder einteilig mit demselben ausgebildet ist, einen zwischen der Verstellbuchse und der Antriebshülse über jeweilige Schrägverzahnungen mittels Öldruck verschieblich angeordneten Stellkolben zur Relativverstellung der Verstellbuchse/Nockenwelle gegenüber der Antriebshülse/Kurbelwelle und eine Verriegelungseinrichtung auf, welche ein Einrückelement aufweist, das in seinem eingerückten Zustand das von der Kurbelwelle angetriebene Element zumindest mit der Nockenwelle starr verbindet. Das Einrückelement der Verriegelungseinrichtung ist durch den auf den Stellkolben wirkenden Öldruck entlang einer zu der Mittelachse der Nockenwelle wenigstens annähernd parallelen Achse verschieblich.

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle nach der im Ober­ begriff von Anspruch 1 näher definierten Art.

Eine gattungsgemäße Vorrichtung ist aus der DE 198 13 642 A1 bekannt. Bei dieser Vorrichtung kann ein Gehäu­ seteil, welches über ein Kettenrad von der Kurbelwelle angetrieben wird, gegenüber einem Zwischenelement, welches mit der Nockenwelle in Antriebsverbindung steht, durch eine Verriegelungseinrichtung starr ver­ bunden werden.

Eine solche Verriegelungseinrichtung hat die Funktion, in der Startphase der Brennkraftmaschine, bei der in­ nerhalb der Vorrichtung noch kein Öldruck vorhanden ist, dieselbe in einer Startposition zu halten, in der die Nockenwelle ihre Grundstellung einnimmt. Dies ist bei einem Auslaßversteller notwendig, um die Vorrich­ tung und somit die Ventilöffnungszeiten in der Stellung "früh" zu halten, da ein Starten der Brennkraft­ maschine in der Stellung "spät" nicht möglich ist. Bei der genannten Vorrichtung ist die Verriegelungsein­ richtung jedoch derart angebracht, daß sie zum einen in axialer Richtung einen sehr hohen Platzbedarf er­ fordert, was die Baulänge der gesamten Vorrichtung erheblich erhöht, und zum anderen zu ihrer Betätigung eine externe Ölversorgung notwendig ist.

Bezüglich des weiteren Standes der Technik bei Vor­ richtungen zur relativen Winkelverstellung einer Noc­ kenwelle, bei welchen das Prinzip der Schrägverzahnung angewendet wird, wird des weiteren auf die DE 44 02 586 A1, die DE 196 30 403 A1, die DE 39 07 077 C2 und die DE 196 54 926 A1 verwiesen. Bei diesen bekannten Vorrichtungen wird das Halten des Verstellers in der die Grundsteuerzeit "früh" gewährleistenden Startposi­ tion durch Federn mit sehr hohen Kräften erreicht, die den Stellkolben gegen die aus den Nockenwellenmomenten resultierenden Axialkräften in seiner Position hält.

Problematisch ist dabei, daß das während des Betriebs der Brennkraftmaschine kontinuierlich durchgeführte Verstellen des Stellkolbens stets gegen die Kraft die­ ser Federn erfolgen muß, wodurch bei vorgegebenem Öl­ druck eine sehr große Druckfläche für den Stellkolben erforderlich ist. Dadurch erhöht sich nicht nur die Größe der gesamten Vorrichtung, sondern auch das für einen Verstellvorgang erforderliche Ölvolumen und aus diesem Grund auch die Ansprech- bzw. Stellzeit der gesamten Vorrichtung.

Eine andere Vorrichtung zur relativen Winkelverstel­ lung einer Nockenwelle ist aus der EP 08 21 138 A1 bekannt. Auch hier wird, um die Vorrichtung blockieren zu können, eine Verriegelungseinrichtung verwendet. Allerdings handelt es sich bei der genannten Vorrich­ tung um einen sogenannten Flügelversteller, der bezüg­ lich seines dynamischen Verhaltens gegenüber denjeni­ gen Vorrichtungen Nachteile aufweist, die die Verstel­ lung mit Hilfe von miteinander in Eingriff stehenden Schrägverzahnungen vornehmen.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Noc­ kenwelle gegenüber der diese antreibenden Kurbelwelle zu schaffen, welche mit einer Verriegelungseinrichtung zum Einnehmen einer Startposition der Brennkraftma­ schine ausgestattet ist. Für diese Verriegelungsein­ richtung soll jedoch einerseits nur ein geringer Raum­ bedarf erforderlich sein und andererseits soll die Notwendigkeit einer zusätzliche Ölzuführungsbohrung zur Ansteuerung der Verriegelungseinrichtung vermieden werden.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im kenn­ zeichnenden Teil von Anspruch 1 genannten Merkmale gelöst.

Durch die Verschieblichkeit des Einrückelements ent­ lang einer zu der Mittelachse der Nockenwelle wenig­ stens annähernd parallelen Achse ist ein verhältnismä­ ßig geringer Platzbedarf der Verriegelungseinrichtung erforderlich, was insbesondere der axialen Baulänge der Vorrichtung zugute kommt. Eine erheblich verein­ fachte Ansteuerung der erfindungsgemäßen Verriege­ lungseinrichtung ist dadurch gegeben, daß das Einrück­ element durch den auf den Stellkolben wirkenden Öldruck verschoben werden kann. Dadurch kann nämlich auf zusätzliche Ölbohrungen bzw. -leitungen verzichtet werden und es ist keine separate Ansteuerung für die Verriegelungseinrichtung notwendig.

Gegenüber solchen Vorrichtungen, die die Verriegelung in der Grundstellung mittels einer Feder erreichen, ermöglicht es die vorliegende Erfindung, die Feder­ kräfte und damit auch die erforderliche Druckfläche erheblich zu reduzieren, wodurch es möglich ist, eine solche Vorrichtung, bei der sich die die Verstellung vornehmenden Elemente mittels Schrägverzahnungen ge­ geneinander bewegen, Stellzeiten zu erreichen, die denjenigen Vorrichtungen entsprechen, die auf dem Flü­ gelprinzip basieren. Bezüglich der erreichbaren dyna­ mischen Ventilerhebung weist die erfindungsgemäße Vor­ richtung gegenüber Flügelverstellern jedoch große Vor­ teile auf und erst die vorliegende Erfindung ermög­ licht ein umfassende Nutzung dieses Vorteils in der Praxis.

Vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen sowie aus dem nachfolgend anhand der Zeichnung prinzipmäßig dargestellten Ausführungsbeispiel.

Es zeigt:

Fig. 1 eine erfindungsgemäße Vorrichtung zur Winkel­ verstellung einer Nockenwelle in einem Längs­ schnitt;

Fig. 2 einen Schnitt nach der Linie II-II aus Fig. 1; und

Fig. 3 einen Schnitt nach der Linie III-III aus Fig. 2.

Fig. 1 zeigt eine Schnittdarstellung einer Vorrichtung 1 zur Winkelverstellung einer Nockenwelle 2 gegenüber der diese antreibenden, nicht dargestellten Kurbelwel­ le für eine ebenfalls nicht dargestellte Brennkraftma­ schine. Ein von der Kurbelwelle angetriebenes An­ triebszahnrad 3 bzw. allgemein ein von der Kurbelwelle angetriebenes Element ist dabei einteilig mit einer Antriebshülse 4 ausgebildet, welche eine Innenverzah­ nung 5 aufweist. Ein innerhalb der Antriebshülse 4 angeordneter Stellkolben 6 weist eine Außenverzahnung 7 auf, die mit der Innenverzahnung 5 der Antriebshülse 4 in Eingriff steht, wodurch der Stellkolben 6 inner­ halb der Antriebshülse 4 in axialer Richtung ver­ schiebbar und verdrehbar angeordnet ist.

An seiner inneren Umfangswand weist der Stellkolben 6 des weiteren eine Innenverzahnung 8 auf, durch die er ebenfalls axial verschiebbar und verdrehbar mit einer Verstellbuchse 9 verbunden ist, die zu diesem Zweck eine mit der Innenverzahnung 8 in Eingriff stehende Außenverzahnung 10 aufweist. Sämtliche Verzahnungen 5, 7, 8 und 10 sind als Schrägverzahnungen ausgebildet, wodurch eine später beschriebene axiale Verschiebung des Stellkolbens 6 zu einer Verdrehung der mit der Nockenwelle 2 starr verbundenen Verstellbuchse 9 und somit zu einer Verstellung der Nockenwelle 2 gegenüber der Kurbelwelle führt. Dadurch ändern sich in bekann­ ter Weise die Steuerzeiten von nicht dargestellten Gaswechselventilen der Brennkraftmaschine.

Die in Fig. 1 nur teilweise dargestellte Nockenwelle 2 ist mit einer koaxial zu ihrer Mittelachse 11 verlau­ fenden zentralen Bohrung 12 versehen, welche als Ge­ windebohrung ausgebildet ist. In der Gewindebohrung 12 ist eine Zentralschraube 13 eingeschraubt, die sich in einer Bohrung 14 in der Verstellbuchse 9 fortsetzt und ihrerseits selbst hohl mit einer Bohrung 15 ausgebil­ det ist, in welcher ein Steuerkolben 16 verschieblich angeordnet ist. Durch die Verschiebung des Steuerkol­ bens 16 in axialer Richtung innerhalb der Bohrung 15, was durch eine elektrische Erregereinrichtung bzw. Elektromagnet 17 veranlaßt wird, strömt innerhalb der Bohrung 15 sich befindliches Öl in verschiedene Räume und verstellt so über den Stellkolben 6 die Verstell­ buchse 9 gegenüber der Antriebshülse 4. Diese Verstel­ lung wird beispielsweise in der DE 39 07 077 C2 aus­ führlich beschrieben, weshalb im folgenden nur kurz darauf eingegangen werden soll.

Das Öl gelangt über eine Zuführbohrung 18 in der Ver­ stellbuchse 9 und eine radiale Bohrung 19 in der Zen­ tralschraube 13 in die zentrale Bohrung 15 und somit zu dem Steuerkolben 16. In der dargestellten Position des Steuerkolbens 16 gelangt das Öl durch eine weitere radiale Bohrung 20 in der Zentralschraube 13 und eine ebenfalls radial verlaufende Bohrung 21 in der Ver­ stellbuchse 9 in einen ersten Druckraum 22, der sich zwischen der Verstellbuchse 9 und dem Stellkolben 6 befindet. Durch den bei dieser Stellung des Steuerkol­ bens 16 in dem Druckraum 22 herrschenden Öldruck wird der Stellkolben 6 in seine sogenannte Grundstellung gebracht, in der über die Verbindung der Nockenwelle 2 mit der Verstellbuchse 9 die Ventilöffnungszeiten auf "früh" eingestellt sind. In dem Druckraum 22 befindet sich des weiteren eine Feder 23, welche das Einnehmen der Grundstellung durch den Stellkolben 6 zusätzlich unterstützt.

Wird der Steuerkolben 16 in eine zweite, nicht darge­ stellte Position gebracht, so ist der Zugang zu der zentralen Bohrung 15 über die Bohrung 19 noch immer geöffnet, die Bohrung 20 wird jedoch von der Bohrung 19 getrennt und ein Abfließen des Öls in den Druckraum 22 über die Bohrung 21 wird verhindert. Das in die zentrale Bohrung 15 einströmende Öl kann nunmehr über eine parallel zu der Bohrung 20 angeordnete weitere Bohrung 24 aus der Zentralschraube 13 austreten und gelangt durch weitere Bohrungen 25 und 26, die sich in der Verstellbuchse 9 bzw. dem Stellkolben 6 befinden, in einen zweiten Druckraum 27, der sich auf der dem Druckraum 22 gegenüberliegenden Seite des Stellkolbens 6 befindet. In dieser Position des Steuerkolbens 16 wird der Stellkolben 6 durch den Öldruck entgegen der Kraft der Feder 23 in Richtung der Nockenwelle 2 be­ wegt und es erfolgt eine Verstellung der Verstellbuch­ se 9 gegenüber der Antriebshülse 4. Hierdurch wird, wie bereits oben erwähnt, in an sich bekannter Weise eine bestimmte Ventilsteuerzeit eingestellt. Durch Bewegen des Steuerkolbens 16 in eine bestimmte Positi­ on können beide Bohrungen 20 und 24 in der Zentral­ schraube 13 verschlossen werden, wodurch der Stellkol­ ben 6 in einer bestimmten Stellung gehalten und da­ durch eine feste Ventilsteuerzeit eingestellt wird.

Um vor dem Starten der Brennkraftmaschine sicherzu­ stellen, daß sich der Stellkolben 6 in seiner oben beschriebenen Grundstellung befindet, ist eine Verrie­ gelungseinrichtung 28 vorgesehen. Die Verriegelungseinrichtung 28 weist ein bolzenförmiges Einrückelement bzw. einen Bolzen 29 auf, welcher in einem Hohlraum 30 angeordnet ist, der innerhalb der Antriebshülse 4 ge­ bildet ist. In der dargestellten Position ist der Bol­ zen 29 in eine in axialer Richtung verlaufende Bohrung 31 in der Antriebshülse 4 und einer in der Grundstel­ lung der Vorrichtung 1 mit der Bohrung 31 deckungs­ gleichen Bohrung 32 in der Verstellbuchse 9 einge­ rückt. Dadurch ist die Verstellbuchse 9 starr mit der Antriebshülse 4 verbunden, wodurch keine Verstellung der Nockenwelle 2 gegenüber der Kurbelwelle möglich ist. Dies ist erforderlich, um die Ventilsteuerzeit "früh" beim Starten der Brennkraftmaschine sicherzu­ stellen.

Der Bolzen 29 kann durch das in der Vorrichtung 1 ent­ haltene Öl verstellt, d. h. entlang einer zu der Mit­ telachse 11 der Nockenwelle 2 parallelen Achse 33, die in der oben beschriebenen Position die Mittelachse der beiden Bohrungen 31 und 32 darstellt, verschoben wer­ den. Bei dieser Verstellung des Bolzens 29 wird der­ selbe aus der Bohrung 32 der Verstellbuchse 9 entfernt und die Verriegelungseinrichtung 28 wird entriegelt, wodurch eine Verdrehung der Verstellbuchse 9 gegenüber der Antriebshülse 4 wie oben beschrieben möglich ist.

Das Ausrücken des Bolzens 29 aus der Bohrung 32 er­ folgt dadurch, daß in einem Druckraum 34 zwischen ei­ nem umlaufenden Vorsprung 35 des Bolzens 29 und der Antriebshülse 4 ein Öldruck aufgebaut wird. Hierfür ist der Druckraum 34 mit dem Druckraum 27 verbunden, und zwar auf eine Art und Weise, die in Fig. 2 und Fig. 3 besser erkennbar ist. So ist der Druckraum 27 in radialer Richtung mittels einer Tasche 36 erweitert, die eine parallel zu der Achse 33 verlaufende Bohrung 37 anschneidet. Von dem Druckraum 34 geht eine weitere Tasche 38 aus, die ebenfalls die Bohrung 37 anschneidet, wodurch letztendlich über die Tasche 36, die Bohrung 37 und die Tasche 38 eine Verbindung zwi­ schen dem Druckraum 27 und dem Druckraum 34 herge­ stellt ist. Die beiden jeweils einen sichelförmigen Querschnitt aufweisenden Taschen 36 und 38 können z. B. durch Fräsen mit relativ geringem Fertigungsaufwand hergestellt werden.

Wenn, wie oben beschrieben, aufgrund einer bestimmten Position des Steuerkolbens 16 in dem Druckraum 27 ein Öldruck herrscht, so baut sich dieser auch in dem Druckraum 34 auf und drückt den Bolzen 29 gegen die Kraft einer Feder 39 aus der Bohrung 32. Die Feder 39 stützt sich an einem den Hohlraum 30 abschließenden Deckel 40 ab und wirkt somit ständig auf den Bolzen 29, um diesen in Richtung der Bohrung 32 zu drücken. Um einen Druckverlust zu vermeiden, ist die Bohrung 37 hinter der Tasche 38 mit einem Stopfen 41 verschlos­ sen. Die Abhängigkeit des Druckaufbaus in dem Druck­ raum 34 von dem Druckaufbau in dem Druckraum 27 ist deshalb sinnvoll, weil dadurch die Verriegelungsein­ richtung 28 genau dann gelöst wird, wenn ein Verstel­ len der Verstellbuchse 9 vorgesehen ist. Durch Verwen­ den einer Feder 39 mit einer relativ geringen Federra­ te kann der zur Entriegelung des Bolzens 29 erforder­ liche Öldruck in dem Druckraum 34 niedriger sein als der zur Bewegung des Stellkolbens 6 erforderliche Druck in dem Druckraum 27.

Claims (11)

1. Vorrichtung zur relativen Winkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber der diese antreibenden Kur­ belwelle, mit einer am antriebsseitigen Ende der Nockenwelle drehfest angeordneten Verstellbuchse, mit einer die Verstellbuchse umgebenden Antriebs­ hülse, die mit einem von der Kurbelwelle angetrie­ benen Element verbunden oder einteilig mit demsel­ ben ausgebildet ist, mit einem zwischen der Ver­ stellbuchse und der Antriebshülse über jeweilige Schrägverzahnungen mittels Öldruck verschieblich angeordneten Stellkolben zur Relativverstellung der Verstellbuchse/Nockenwelle gegenüber der An­ triebshülse/Kurbelwelle und mit einer Verriege­ lungseinrichtung, welche ein Einrückelement auf­ weist, das in seinem eingerückten Zustand das von der Kurbelwelle angetriebene Element zumindest mittelbar mit der Nockenwelle starr verbindet, dadurch gekennzeichnet, daß das Einrückelement (29) der Verriegelungseinrich­ tung (28) durch den auf den Stellkolben (6) wir­ kenden Öldruck entlang einer zu der Mittelachse (11) der Nockenwelle (2) wenigstens annähernd pa­ rallelen Achse (33) verschieblich ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Einrückelement als Bolzen (29) ausgebildet ist, welcher in seinem eingerückten Zustand in ei­ ne Bohrung (31) in der Antriebshülse (4) und in eine Bohrung (32) der mit der Nockenwelle (2) ver­ bundenen Verstellbuchse (9) eingreift.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß eine auf den Bolzen (29) wirkende Feder (39) die­ sen in Richtung der Bohrung (32) in der Verstell­ buchse (9) gedrückt hält.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der erforderliche Öldruck zur Entriegelung des Einrückelements (29) niedriger ist als der zur Be­ wegung des Stellkolbens (6) erforderliche Öldruck.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Einrückelement (29) in einem Hohlraum (30) innerhalb der Antriebshülse (4) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das von der Kurbelwelle angetriebene Element als mit der Verstellbuchse (4) verbundenes oder ein­ teilig mit derselben ausgebildetes Kettenrad (3) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß beiderseits des Stellkolbens (6) mit Öl versorgba­ re Druckräume (22, 27) vorgesehen sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß ein dem Einrückelement (29) zugeordneter Druckraum (34) mit einem der dem Stellkolben (6) zugeordne­ ten Druckraum (27) verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Stellkolben (6) zugeordnete Druckraum (27) eine in die Antriebshülse (4) eingreifende Tasche (36) aufweist, welche mit einer in axialer Rich­ tung durch die Antriebshülse (4) verlaufenden Boh­ rung (37) verbunden ist, welche mit einer von dem dem Einrückelement (29) zugeordneten Druckraum (34) ausgehenden Tasche (38) verbunden ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen (36, 38) einen sichelförmigen Quer­ schnitt aufweisen.

11. Vorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Taschen (36, 38) durch Fräsen hergestellt sind.