DE10022690A1

DE10022690A1 - Verstellvorrichtung für einen Nockenwellenantrieb einer Brennkraftmaschine

Info

Publication number: DE10022690A1
Application number: DE10022690A
Authority: DE
Inventors: Walter Pragst
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1999-11-19
Filing date: 2000-05-02
Publication date: 2001-05-23

Abstract

Eine Verstellvorrichtung für einen Nockenwellenantrieb für Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, die die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine öffnet und schließt, hat eine Antriebsscheibe (5), die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben und bezüglich der Nockenwelle drehbar ist, und ein bezüglich der Antriebsscheibe und der Nockenwelle drehbar gelagertes verstellbares Stellzahnrad (9). Ein mit der Nockenwelle fest verbundener Oszillationshebel (7) hat ein Langloch (71). Ein Kurbelzahnrad (4), das ortsfest und drehbar in der Antriebsscheibe gelagert ist, kämmt mit dem Stellzahnrad und hat einen exzentrischen Kurbelzapfen (42), der mit dem Langloch in Eingriff ist. Beim Abrollen des Kurbelzahnrads auf dem Stellzahnrad wird eine der Drehbewegung der Antriebsscheibe überlagerte, schnelle voreilende und langsame nacheilende oszillierende Bewegung der Nockenwelle erzeugt. Dadurch sind die Öffnungs- und Schließdauer der Gaswechselventile variabel und mit dem Stellzahnrad verstellbar.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Verstellvorrichtung für einen Nockenwellenantrieb einer Brennkraftmaschine, mit der Öffnungs- und Schließdauer von Gaswechselventilen sowie die relative Drehlage einer Kurbelwelle und einer Nockenwelle verstellt werden können.

Zur Optimierung der Motorleistung oder des Kraftstoffverbrauchs einer Brennkraftmaschine ist eine Verstellung der Ventilsteuerzeiten, d. h. Öffnungs- und Schließdauer als auch Öffnungs- und Schließzeitpunkt der Gaswechselventile, wünschenswert.

Es ist bekannt, diese Verstellung dadurch zu erzielen, dass die Drehlage einer mit der Kurbelwelle über einen Zahnriemen oder eine Steuerkette verbundenen Antriebsscheibe relativ zu der von der Antriebsscheibe angetriebenen Nockenwelle verstellt wird. Für diese Verstellung kann eine Hydraulik verwendet werden, die zwischen der Antriebsscheibe und der Nockenwelle angeordnet ist. Mit dieser Vorrichtung können nur die Öffnungs- und Schließzeitpunkte verstellt werden, eine Verstellung der Öffnungs- und Schließdauer ist nicht vorgesehen.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Verstellvorrichtung vorzuschlagen, die einfach aufgebaut ist und die Öffnungs- und Schließdauer der Gaswechselventile verstellen kann.

Diese Aufgabe wird mit einer Verstellvorrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Ansprüchen aufgeführt.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines bevorzugten Ausführungsbeispiels unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert.

Fig. 1 ist eine schematische Vorderansicht eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Verstellvorrichtung.

Fig. 2 ist eine schematische Schnittansicht der in Fig. 1 gezeigten Vorrichtung.

Fig. 1 zeigt eine Antriebsscheibe 5, um die ein Riemen 6 teilweise geschlungen ist, der mit einer Kurbelwelle (nicht gezeigt) wirkverbunden ist. Der Riemen 6 dreht die Antriebsscheibe in Richtung des Pfeils A mit halber Drehzahl der Kurbelwelle. Fig. 1 zeigt ferner eine Nockenwelle 1, die relativ zu der Antriebsscheibe 5 drehbar gelagert ist. Die Nockenwelle hat einen oder mehrere Nocken (nicht gezeigt) zur Betätigung von Gaswechselventilen (nicht gezeigt) der Brennkraftmaschine.

An der Nockenwelle 1 ist ein Oszillationshebel 7 drehfest angebracht. Der Oszillationshebel 7 hat zwei sich in Radialrichtung der Nockenwelle 1 erstreckende Langlöcher 71. In Fig. 1 hat der Oszillationshebel 7 zwei Arme, die jeweils ein Langloch 71 haben. Der Oszillationshebel kann auch nur einen oder mehr als zwei Arme haben.

In den Langlöchern 71 ist jeweils ein Zapfen 42 aufgenommen, der an einem in Fig. 1 mit unterbrochenen Linien gezeigten Kurbelzahnrad 4 ausgebildet ist. Der Zapfen 42 ist exzentrisch zur Drehmitte des Kurbelzahnrads 4 angeordnet und ist gleitend in dem Langloch 71 aufgenommen. Das Kurbelzahnrad 4 ist in der Antriebsscheibe 5 ortsfest und drehbar gelagert (s. Fig. 2) Das Kurbelzahnrad 4 ist über eine Verzahnung 41 mit einem Stellzahnrad 9 (gestrichelt dargestellt) in Eingriff. Das Stellzahnrad ist bezüglich der Nockenwelle drehbar gelagert. Ferner ist das Stellzahnrad 9 mit einem Verstellglied 3 koppelbar, um das Stellzahnrad 9 um die Drehmitte der Nockenwelle 1 verdrehen zu können.

Für die Beschreibung der Wirkungsweise wird zusätzlich zu Fig. 1 auf Fig. 2 Bezug genommen. Fig. 2 zeigt die in einem Motorblock oder Zylinderkopf 2 der Brennkraftmaschine gelagerte Nockenwelle 1, die an ihrem Vorderende mit dem Oszillationshebel 7 verbunden ist. Der Oszillationshebel 7 ist fest mit der Nockenwelle 1 verbunden, z. B. durch Schweißen, Schrumpfen oder dergleichen.

In Fig. 2 ist weiterhin ein Langloch 71 in einem Arm des Oszillationshebels 7 gezeigt. Neben dem Oszillationhebel 7 ist die bezüglich der Nockenwelle 1 drehbar gelagerte Antriebsscheibe 5 gezeigt, deren Außenumfang von dem Riemen 6 teilweise umschlungen ist. Die Antriebsscheibe 5 hat eine Zentralbohrung und eine Lagerbohrung für jedes Kurbelzahnrad 4. Die Lagerbohrung ist bezüglich der Zentralbohrung radial nach außen versetzt und ist so angeordnet, dass sie einer Mitte des Langlochs 71 in dem Oszillationshebel 7 gegenüberliegt.

Das Kurbelzahnrad 4, das hier aus Übersichtsgründen einteilig dargestellt ist, hat einen Scheibenabschnitt 43, einen Wellenabschnitt 44, einen Zahnradabschnitt mit einer Verzahnung 41 und den exzentrischen Zapfen 42. Der Zapfen 42 ist an dem Scheibenabschnitt 43 angebracht und durchgreift das Langloch 71.

Der Zahnradabschnitt ist über die Verzahnung 41 mit der Verzahnung des Stellzahnrads 9 in Eingriff, das ebenfalls bezüglich der Nockenwelle 1 drehbar gelagert ist. Das Stellzahnrad ist über eine trennbare Kupplung 82, deren Funktion später erläutert wird, mit dem Verstellglied 3 drehfest verbunden, das ebenfalls bezüglich der Nockenwelle 1 drehbar gelagert ist. In diesem Zustand ist eine Kupplung 81, die die Antriebsscheibe 5 und das Stellzahnrad 9 drehfest verbinden kann, gelöst.

Nun wird die Funktion der Verstellvorrichtung erläutert, wobei von dem Fall ausgegangen wird, dass das Verstellglied 3 drehfest mit dem Stellzahnrad verbunden ist (Kupplung 82 eingerückt und Kupplung 81 ausgerückt). In diesem Fall können die Kupplungen auch als optional angesehen werden und folglich entfallen, d. h. das Stellzahnrad und das Verstellglied sind fest verbunden.

Die Antriebsscheibe 5 wird durch den Riemen 6 in Richtung Pfeil A (Fig. 1) gedreht. Dabei rollt das Kurbelzahnrad 4 auf dem stehenden Stellzahnrad 9 ab und dreht sich dabei um seine Mittelachse (Wellenabschnitt) in der Lagerbohrung in der Antriebsscheibe 5. Durch diese Drehung wird der Zapfen 42 entlang einer Kreisbahn um die Drehmitte des Kurbelzapfens 4 bewegt. Im Eingriff mit dem Langloch 71 ist ein Kurbeltrieb aus Zapfen und Langloch gebildet, der den Oszillationshebel 7 gemäß Pfeil B in Fig. 1 hin und her schwingt. Diese Schwingbewegung wird auf die Nockenwelle 1 übertragen, weil der Oszillationshebel 7 fest damit verbunden ist. Dadurch ergibt sich eine abwechselnde Vorwärts- und Rückwärtsbewegung der Nockenwelle bezüglich der Antriebsscheibe, d. h. die Nockenwelle eilt der Antriebsscheibe abwechselnd vor und nach, während die Antriebsscheibe selbst gleichmäßig dreht.

Durch das Übersetzungsverhältnis, d. h. das Verhältnis der Durchmesser von Zahnradabschnitt des Kurbelzahnrads 4 und Stellzahnrad 9 ist grundsätzlich vorgegeben, wie häufig der Oszillationshebel 7 seine größte Nacheilstellung, seine größte Voreilstellung und die dazwischenliegenden beiden Synchron- oder Neutralstellungen bei jeder Umdrehung der Antriebsscheibe durchläuft. Anhand des oberen Langlochs 71 in Fig. 1 bedeuten diese Stellungen: in der größten Voreilstellung steht das Langloch waagerecht und der Zapfen ist in der rechten Endlage; in der größten Nacheilstellung ist das Langloch ebenfalls waagerecht, jedoch befindet sich der Zapfen in der linken Endlage; in den Neutralstellungen ist das Langloch wie gezeigt senkrecht und der Zapfen befindet sich in der oberen oder der unteren Endlage.

Weil das Kurbelzahnrad 4 im Kämmeingriff mit dem Stellzahnrad 9 ist, hängt es von der Stellung des Stellzahnrads ab, wann, d. h. bei welcher Drehlage der Antriebsscheibe, sich diese Zustände einstellen. Folglich kann die Drehlage des Stellzahnrads so verstellt werden, dass sich die gewünschte Voreilstellung, Nacheilstellung bzw. die Neutralstellungen bei einer bestimmten Drehlage der Antriebsscheibe einstellen. Dies erfolgt durch Verstellen des Verstellglieds 3, das mit dem Stellzahnrad 9 gekoppelt ist (Pfeil C).

Die Oszillationsbewegung des Oszillationshebels bewirkt unterschiedliche Drehgeschwindigkeiten der Nockenwelle. Mit anderen Worten, die Voreilbewegung erfolgt schneller als die Drehgeschwindigkeit der Antriebsscheibe, während die Nacheilbewegung langsamer erfolgt. Durch die Verstellung des Verstellglieds kann nun bestimmt werden, wann, d. h. bei welcher Drehlage der Antriebsscheibe die schnellere Voreilbewegung des Oszillationshebels 7 erfolgen soll. Wird diese Stellung so gewählt, dass die schnelle Voreilbewegung dann erfolgt, wenn der Nocken der Nockenwelle gerade das zu öffnende Ventil öffnet, dann ist, wegen der schnelleren Bewegung des Nockens, die Ventilöffnungsdauer verkürzt. Wenn analog der Nocken das zu öffnende Ventil während der langsameren Nacheilbewegung des Oszillationshebels 7 betätigt, ist, wegen der langsameren Bewegung des Nockens, die Ventilöffnungsdauer verlängert. Im in Fig. 1 gezeigten Fall läßt sich die Öffnungs- bzw. Schließdauer desselben Ventils zwischen maximal und minimal durch ein Verschwenken des Verstellglieds um 45° erreichen.

Die Oszillationshäufigkeit des Oszillationshebels 7 ist durch das Übersetzungsverhältnis von Stellzahnrad und Kurbelzahnrad bedingt. In einer bevorzugten Ausführungsform beträgt das übersetzungsverhältnis eins zu vier, d. h. bei jeder vollen Umdrehung der Antriebsscheibe dreht das Kurbelzahnrad vier Umdrehungen. Folglich gibt es vier schnelle Voreilbewegungen und entsprechend vier langsame Nacheilbewegungen.

Der Oszillationsbereich hängt von der Exzentrizität des Zapfens ab, in einer bevorzugten Ausführungsform beträgt der Oszillationsbereich dabei jeweils ca. 10° in der Voreilrichtung und in der Nacheilrichtung, es ist aber auch möglich andere Winkelbereiche zu verwirklichen.

Um im Dauerbetrieb eine ständige Oszillation des Oszillationshebels 7 zu vermeiden, kann, beispielsweise in bestimmten oder bevorzugten Drehzahlbereichen der Brennkraftmaschine, eine Relativdrehlage zwischen der Antriebsscheibe und der Nockenwelle dauerhaft festgelegt werden. Die geschieht über die Kupplungen 81 und 82. Ist die gewünschte Drehlage erreicht, wird die Kupplung 82 getrennt bzw. ausgerückt und die Kupplung 81 wird eingerückt. In diesem Zustand ist das Stellzahnrad 9 von dem Verstellglied 3 getrennt und drehfest mit der Antriebsscheibe 5 verriegelt. Das Stellzahnrad 9 und das Verstellglied 3 sind auf der Nockenwelle 1 drehbar gelagert, so dass der wechselnde Kraftschluss des Stellzahnrads mit entweder der Antriebsscheibe oder dem Verstellglied 3 möglich ist.

In Folge dieser Umschaltung wird die Drehung des Kurbelzahnrads 4 angehalten und es verharrt in dieser Stellung. Dadurch ist auch der Oszillationshebel 7 durch den Eingriff des Zapfens 42 mit dem Langloch 71 in seiner Lage arretiert, d. h. die relative Drehlage zwischen Antriebsscheibe 5 und Nockenwelle 1 ist festgelegt. Gleichzeitig sind die Drehgeschwindigkeiten konstant, d. h. gleich der Antriebsscheibe. Aus dem obigen ergibt sich, dass die Verstellvorrichtung nicht nur die Öffnungs- und Schließdauer verstellen kann, sondern dass auch eine Einstellung der Relativlage zwischen Antriebsscheibe und Nockenwelle erreicht werden kann.

Durch die umgekehrte Vorgehensweise, d. h. Schalten der beiden Kupplungen in den jeweils anderen Zustand, kann die vorgenannte Oszillationsbewegung auch wieder eingeschaltet bzw. erreicht werden.

Es ist anzumerken, dass sowohl das Verstellglied als auch die Kupplungen elektrisch (elektromagnetisch oder elektromechanisches Stellglied), mechanisch oder hydraulisch betätigt sein können; beispielsweise kann ein mechanischer Fliehkraftregler mit dem Verstellglied gekoppelt werden, um die Ventilsteuerzeiten automatisch passend zu verstellen. Es ist aber auch möglich, beispielsweise den Öldruck des Ölkreislaufs der Brennkraftmaschine als Stellgröße und/oder Betätigungskraft zu verwenden.

Abschließend wird unter Bezugnahme aus Fig. 1 noch eine zusätzliche Verstellmöglichkeit der Drehlage der Antriebsscheibe relativ zur Drehlage der Kurbelwelle erläutert.

Dem Riemen 6 ist eine verstellbare Spanneinrichtung 20 zugeordnet, die über Rollen 21, 22 an dem Lasttrum 61 bzw. dem Leertrum 62 des Riemens 6 angreift. Wird der die Rollen 21 und 22 verbindende Balken 23 in den Pfeilrichtungen D verstellt, so wird entweder das Leertum 61 gespannt und das Lasttrum 62 gelockert (Bewegung nach rechts in Fig. 1) oder es wird das Leertum 61 gelockert und das Lasttrum 62 gespannt (Bewegung nach links in Fig. 1). Spannen des Lasttrums bewirkt eine Voreilung der Antriebsscheibe und Lockern des Lasttrums bewirkt ein Nacheilen der Antriebsscheibe relativ zur Kurbelwelle.

Es wurde ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel im einzelnen erläutert, dies ist jedoch nicht beschränkend und insbesondere sind die in den abhängigen Ansprüchen aufgezeigten Modifikationen vorteilhaft.

Es wurde eine Verstellvorrichtung für einen Nockenwellenantrieb für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine beschrieben, die die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine öffnet und schließt. Die Vorrichtung hat eine Antriebsscheibe 5, die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben und bezüglich der Nockenwelle drehbar ist, und ein bezüglich der Antriebsscheibe und der Nockenwelle drehbar gelagertes verstellbares Stellzahnrad 9. Ein mit der Nockenwelle fest verbundener Oszillationshebel 7 hat ein Langloch 71. Ein Kurbelzahnrad 4, das ortsfest und drehbar in der Antriebsscheibe gelagert ist, kämmt mit dem Stellzahnrad und hat einen exzentrischen Kurbelzapfen 42, der mit dem Langloch in Eingriff ist. Beim Abrollen des Kurbelzahnrads auf dem Stellzahnrad wird eine der Drehbewegung der Antriebsscheibe überlagerte, schnelle voreilende und langsame nacheilende oszillierende Bewegung der Nockenwelle erzeugt. Dadurch sind die Öffnungs- und Schließdauer der Gaswechselventile variabel und mit dem Stellzahnrad verstellbar.

Claims

1. Verstellvorrichtung für einen Nockenwellenantrieb für eine Nockenwelle einer Brennkraftmaschine, die die Gaswechselventile der Brennkraftmaschine öffnet und schließt, mit
einer der Nockenwelle (1) zugeordneten Antriebsscheibe (5), die von der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine angetrieben und bezüglich der Nockenwelle drehbar ist,
einem bezüglich der Antriebsscheibe und der Nockenwelle drehbar gelagerten Stellzahnrad (9), das mit einem Verstellglied (3) koppelbar ist,
einem mit der Nockenwelle fest verbundenen Oszillationshebel (7), der mindestens ein sich in Radialrichtung der Nockenwelle erstreckendes und von der Nockenwelle beabstandetes Langloch (71) hat, und
mindestens einem Kurbelzahnrad (4), das drehbar in der Antriebsscheibe gelagert ist, mit dem Stellzahnrad in Eingriff ist und einen bezüglich der Drehmitte des Kurbelzahnrads exzentrischen Kurbelzapfen (42) hat, der mit dem Langloch in Eingriff ist und beim Abrollen des Kurbelzahnrads auf dem Stellzahnrad eine der Drehbewegung der Antriebsscheibe überlagerte, schnelle voreilende und langsame nacheilende oszillierende Bewegung des Oszillationshebels erzeugt, wobei das Stellzahnrad die Voreilbewegung und die Nacheilbewegung bezüglich der Drehlage der Antriebsscheibe verstellt, um die Öffnungs- und Schließdauer der Gaswechselventile zu verstellen.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Stellzahnrad mit einer Kupplungseinrichtung (81, 82) versehen ist, die das Stellzahnrad (9) wahlweise alternativ mit der Antriebsscheibe (5) oder dem Verstellglied (3) drehfest koppelt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Zahl der Zähne des Stellzahnrads (9) ein Vielfaches der Zahl der Zähne des Kurbelzahnrads (4) beträgt.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Übersetzungsverhältnis von Stellzahnrad (9) zu Kurbelzahnrad (4) eins zu vier beträgt, so dass das Kurbelzahnrad bei einem Umlauf um das Stellzahnrad vier Umdrehungen ausführt.

5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillationshebel (7) zwei in Winkelrichtung um 90° versetzte Langlöcher (71) hat, denen jeweils ein Kurbelzahnrad (4) zugeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Oszillationshebel scheibenförmig ausgebildet ist und in gleicher Winkelteilung vier Langlöcher hat, denen jeweils ein Kurbelzahnrad zugeordnet ist.

7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verstellglied (3) mit einem Stellantrieb gekoppelt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb ein mit der Drehzahl der Brennkraftmaschine proportional beaufschlagter, selbsttätiger mechanischer Fliehkraftregler ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb ein elektrischer Stellantrieb ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Stellantrieb ein hydraulischer Stellantrieb ist.

11. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antriebsscheibe (5) über ein gurtförmiges Treibelement (6) mit der Kurbelwelle gekoppelt ist, das von einer Spanneinrichtung (20) beaufschlagt ist, die wahlweise alternativ das das Lasttrum (61) spannt und das Leertrum (62) lockert oder das Lasttrum lockert und das Leertrum spannt, um die Drehlage der Antriebsscheibe (5) bezüglich der Kurbelwelle zu verstellen.

12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibelement (6) ein Zahnriemen ist und die Antriebsscheibe (5) eine Riemenscheibe ist.

13. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass das Treibelement eine Steuerkette ist und das Antriebselement ein Kettenrad ist.