Die Erfindung betrifft eine Steuereinrichtung zum Verstellen des Drehwinkels einer
Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle, wie sie beispielsweise
aus der DE 41 35 378 bekannt ist.
Bei Brennkraftmaschinen treibt die Kurbelwelle über einen Primärtrieb, der bei
spielsweise als Kette, Zahnriemen, Königswelle oder als eine Folge von Zahnrädern
ausgebildet ist, eine oder mehrere Nockenwellen an. Dazu ist an jeder Nockenwelle
ein Nockenwellenrad befestigt, über welches der Primärtrieb die Nockenwelle an
treibt, und das entsprechend dem Primärtrieb, beispielsweise als Riemenscheibe
oder als Kettenrad, ausgebildet ist. Dabei erfolgt grundsätzlich eine Übersetzung des
Drehwinkels der Kurbelwelle, wobei 720° Kurbelwellendrehwinkel in 360° Nocken
wellendrehwinkel umgesetzt werden.
Zur Gewährleistung eines präzisen Ablaufes des Arbeitsspiels der Brennkraftmaschi
ne und zur Einhaltung der für eine exakte Verbrennung notwendigen Steuerzeiten
sind Kurbelwelle, Primärtrieb und Nockenwelle mit sehr geringen Toleranzen gefer
tigt.
Dabei ist es vorteilhaft das feste Verhältnis zwischen der Kurbelwelle und den Noc
kenwellen, beispielsweise zur drehzahlabhängigen Anpassung der Steuerzeiten des
Ventilspiels, zu lösen, und die Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle vorlaufen
oder nachlaufen zu lassen. Dies erfolgt in einfacher Weise mittels einer Steuerein
richtung, welche die Nockenwelle relativ gegenüber dem Nockenwellenrad verdreht.
Dementsprechend werden die Brennräume der Brennkraftmaschine im Arbeitsspiel
bei der Drehung der Nockenwelle durch die Ventile früher oder später geöffnet und
geschlossen. Dadurch entsteht die Möglichkeit die Laufkultur der Brennkraftma
schine weiter zu verbessern, wodurch Kraftstoff eingespart und vor allem die Abga
semissionen reduziert werden.
Eine derartige Steuereinrichtung ist aus der gattungsbildenden DE 41 35 378 be
kannt. Dabei wird die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine gegenüber der Kur
belwelle mittels einer hydraulischen Steuereinrichtung verdreht. Die hydraulische
Steuereinrichtung umfaßt eine Taumelscheibenpumpe, welche den benötigten Hy
draulikdruck zum Verdrehen der Nockenwelle aufbringt.
Der Nachteil einer hydraulischen Steuereinrichtung besteht in dem umfangreichen
Bauraum der Pumpenanordnung und des hydraulischen Kammersystems, in der
Störanfälligkeit der Anordnung und in den relativ hohen Herstellungskosten.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Steuereinrichtung zum Verstellen des
Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel der Kurbelwelle anzuge
ben, die einen geringen Bauraum beansprucht, kostengünstig herzustellen ist und
eine hohe Betriebssicherheit aufweist.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch das Merkmal im Kennzeichen des Pa
tentanspruchs 1 gelöst, wonach zwischen der Nockenwelle und der Kurbelwelle ein
die Verstellung bewirkendes Taumelscheibengetriebe angeordnet ist.
Dabei sind bei einer Brennkraftmaschine Nockenwelle und Kurbelwelle über einen
Primärtrieb miteinander verbunden, wobei der Primartrieb die Nockenwelle über ein
mit der Nockenwelle verbundenes Nockenwellenrad antreibt. Das Taumelscheiben
getriebe ist dabei zwischen dem Nockenwellenrad und der Nockenwelle angeordnet.
An einer Seite des Taumelscheibengetriebes ist eine Taumelscheibe angebracht. Auf
dieser Seit ist zudem eine die Taumelscheibe antreibende Stelleinrichtung angeord
net.
In einer weiteren Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß die Taumelscheibe
auf der der Stelleinrichtung entgegengesetzten Seite zwei umlaufende Zahnkränze
aufweist. Dabei greift der erste Zahnkranz der Taumelscheibe in einen auf das Noc
kenwellenrad wirkenden Zahnkranz, und der zweite Zahnkranz der Taumelscheibe
greift in einen auf die Nockenwelle wirkenden Zahnkranz.
In einer alternativen Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, daß auf beiden Sei
ten der Taumelscheibe jeweils ein umlaufender Zahnkranz angeordnet ist. Dabei
greift der Zahnkranz einer Seite der Taumelscheibe in einen auf das Nockenwellen
rad wirkenden Zahnkranz. Der auf der anderen Seite der Taumelscheibe ausgebilde
te Zahnkranz greift in einen auf die Nockenwelle wirkenden Zahnkranz.
Die Verschiebung des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem Nockenwellen
rad resultiert daher, daß die ineinander greifenden Zahnkränze der Taumelscheibe
und des Nockenwellenrades und/oder die ineinander greifenden Zahnkränze der
Taumelscheibe und der Nockenwelle eine unterschiedliche Zahnzahl aufweisen.
Dabei weist die Taumelscheibe gegenüber der Nockenwelle einen axialen Stellwin
kel auf. Dadurch wird bewirkt, daß die Zahnkränze der Taumelscheibe von lediglich
einem Winkelsegment in die Zahnkränze der Nockenwelle und des Nockenwellenra
des greifen. Die Größe des Winkelsegmentes, innerhalb dem die Zahnkränze inein
ander greifen, ist von dem axialen Stellwinkel der Taumelscheibe gegenüber der
Nockenwelle abhängig.
Bei einer besonders einfachen Ausführung der Erfindung ist vorgesehen, daß die
Stelleinrichtung die die Zahnkränze tragende Taumelscheibe direkt antreibt.
In einer alternativen, etwas komplexeren Ausführung der Erfindung ist vorgesehen,
daß die Stelleinrichtung eine weitere Taumelscheibe direkt antreibt, und die weitere
Taumelscheibe die Taumelbewegung über gleitend gelagerte Schubstangen an die
die Zahnkränze tragende Taumelscheibe überträgt.
Als Begrenzung der Verstellung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle sind
Mittel vorgesehen, die das maximale Verdrehen der Nockenwelle von ±40 Grad be
wirken.
In einer letzten Weiterbildung der Erfindung sind Mittel vorgesehen, die bei einem
Ausfall der Stellvorrichtung eine Verstellung der Nockenwelle gegenüber der Kur
belwelle von 0 Grad bewirken.
Im folgenden soll die erfindungsgemäße Steuereinrichtung zum Verstellen des
Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel der Kurbelwelle mit vier
unterschiedlichen Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit vier Figuren be
schrieben und erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 ein Schnittbild durch eine einfach Ausgeführte, als Taumelscheiben
getriebe ausgebildete Steuereinrichtung, bei der beide Zahnkränze
auf einer Seite der Taumelscheibe angeordnet sind,
Fig. 2 ein Schnittbild einer alternativen Ausführung der als Taumelschei
bengetriebe ausgebildeten Steuereinrichtung bei der auf jeder Seite
der Taumelscheibe ein Zahnkranz angeordnet ist,
Fig. 3 ein Schnittbild einer weiteren alternativen Ausführung der als Tau
melscheibengetriebe ausgebildete Steuereinrichtung,
Fig. 4 das Schnittbild durch einer alternativen Ausführung der als Taumel
scheibengetriebe ausgebildeten Steuereinrichtung zum Verdrehen
der Nockenwelle gegenüber dem Nockenwellenrad.
Die Funktionsweise eines einfachen Taumelscheibengetriebes beruht darauf, daß
eine auf der Antriebswelle einer Stelleinheit angeordnete Taumelscheibe gegenüber
dieser Antriebswelle einen axialen Stellwinkel aufweist, und dabei drehbar auf der
Antriebswelle angeordnet ist.
Dabei weist die Taumelscheibe vorzugsweise zwei Zahnkränze auf, die jeweils in ei
nen Zahnkranz einer Welle (oder eines Rades) greifen, wodurch zwei miteinander
verzahnte Zahnkranzpaare gebildet werden. Durch den axialen Stellwinkel greifen
lediglich die Zähne eines Winkelsegmentes der Zahnkranzpaare ineinander. Die
Größe des Winkelsegmentes, innerhalb dem die Zahnkranzpaare miteinander ver
zahnt sind, ist von dem axialen Stellwinkel der Taumelscheibe gegenüber der An
triebswelle der Stelleinheit abhängig.
Die Drehung der Antriebswelle der Stelleinheit führt zur Taumeldrehung der Taumel
scheibe, wobei bei einer Taumelumdrehung das mit den Wellen verzahnte Winkel
segment der Taumelscheibe eine 360 Grad Drehung ausführt. Die Drehung der
Taumelscheibe selbst hängt davon ab, wie die Wellen angetrieben werden.
Bei mindestens einem der Zahnkranzpaare weisen die zwei ineinander greifenden
Zahnkränze eine unterschiedliche Zahnzahl auf. Diese unterschiedliche Zahnzahl
führt dazu, daß bei der Taumeldrehung der Taumelscheibe zwischen den Zahnkrän
zen ein Versatz entsteht, wobei nach einer Taumelumdrehung der Taumelscheibe
der Versatz dem Winkelabschnitt entspricht, den die den Unterschied in der Zahn
zahl bildenden Zähnen einnehmen.
Weist beispielsweise die Taumelscheibe einen Zahnkranz doppelter Breite mit 50
Zähnen auf, der in einen ersten Zahnkranz einer ersten Welle mit ebenfalls 50 Zäh
nen greift, und der in einen zweiten Zahnkranz einer zweiten Welle mit 51 Zähnen
greift, so führt eine Taumelumdrehung der Taumelscheibe zu einem Versatz zwi
schen der ersten Welle (sowie der Stelleinheit und der Antriebswelle) und der zwei
ten Welle von genau einem Zahn (= 7.2 Grad). Entsprechend beträgt der Versatz
zwischen der ersten Welle und der zweiten Welle nach 50 Taumelumdrehungen der
Taumelscheibe eine volle Umdrehung, d. h. die Übersetzung zwischen der ersten
Welle und der zweiten Welle, bzw. zwischen der Stelleinheit der Taumelscheibe und
der zweiten Welle, beträgt im beschriebenen Fall 50 : 1.
Ist die Stelleinheit der Taumelscheibe in Ruhe, so stützt sich ein über die erste Welle
eingeleitetes Drehmoment über die verzahnten Zahnkranzpaare der Wellen und der
Taumelscheibe an der zweiten Welle ab.
Ein derartiges Taumelscheibengetriebe kann sehr vorteilhaft zur Beeinflussung der
Steuerzeiten beim Ventilspiel einer Brennkraftmaschine verwendet werden, wobei
die Steuerzeiten durch die Position der Nocken einer Nockenwelle 1 festgelegt wer
den, die beispielsweise über ein Nockenwellenrad 2 angetrieben wird.
In der Fig. 1 ist in einem Schnittbild ein die Nockenwelle 1 und das Nockenwellen
rad 2 verbindendes Taumelscheibengetriebe dargestellt, wobei das Nockenwellen
rad 2 über eine als Steuerkette ausgelegten Primärtrieb 6 mit der Kurbelwelle der
Brennkraftmaschine verbunden ist.
Bei dieser sehr kompakten Variante weist die Taumelscheibe 3 auf der der Nocken
welle 1 und dem Nockenwellenrad 2 zugewandten Seite ein in doppelter Breite aus
geführten Zahnkranz 3.1 auf.
Dieser Zahnkranz 3.1 der Taumelscheibe 3 greift in einen auf das Nockenwellenrad
2 wirkenden Zahnkranz 2.2, der direkt am Nockenwellenrad 2 ausgebildet ist.
Zudem greift der Zahnkranz 3.1 der Taumelscheibe 3 in einen auf die Nockenwelle 1
wirkenden Zahnkranz 1.2. Dieser auf die Nockenwelle 1 wirkende Zahnkranz 1.2 ist
als separates Bauteil 1.1 ausgeführt und ist beispielsweise mittels einer Schraube
1.3 mit der Nockenwelle 1 verbunden.
Aufgrund der höheren Reibung zwischen den Zahnkränzen mit der unterschiedlichen
Zahnzahl ist es in diesem Ausführungsbeispiels vorteilhaft, den äußeren, eine größe
re Fläche aufweisenden Zahnkranz des Nockenwellenrades die zur Taumelscheibe
unterschiedliche Zahnzahl zuzuordnen.
Auf der dem Zahnkranz 3.1 entgegengesetzten Seite der Taumelscheibe 3 ist eine
die Taumelscheibe 3 antreibende Stellvorrichtung 5 angeordnet, die vorzugsweise
als Elektromotor ausgebildet ist, die aber auch durch eine Hydraulik oder einen me
chanischen, von der Brennkraftmaschine ausgehenden, Antrieb realisiert werden
kann.
In der Fig. 2 ist in einem Schnittbild eine alternative Ausführung eines die Nocken
welle 1 und das Nockenwellenrad 2 verbindenden Taumelscheibengetriebes darge
stellt. Dabei ist auf einer Seite der Taumelscheibe 3 ein Zahnkranz 3.2 zum verbin
den des Zahnkranzes 2.2 des Nockenwellenrades 2, und auf der anderen Seite der
Taumelscheibe 3 ein Zahnkranz 3.1 zum verbinden des Zahnkranzes 1.2 der Noc
kenwelle ausgebildet. Die Zahnkränze 1.2, 2.2, 3.1, 3.2 weisen den selben Durch
messer auf, wobei es beliebig ist, welche zwei Zahnkränze die unterschiedliche
Zahnzahl aufweisen.
Der Zahnkranz 1.2 der Nockenwelle 1 ist wieder an einem separat gefertigten Bau
teil 1.1 ausgebildet, welchen über Schrauben 1.3 mit der Nockenwelle verbunden
ist. Dazu ist die Nockenwelle 1 mit einem entsprechendem Anschlußstück zum an
schrauben des Formteils 1.1 ausgebildet.
Beim Drehen der Antriebswelle 4 durch die Stelleinrichtung 5 führt die kugelgelager
te Taumelscheibe 3 die Taumeldrehung aus, wobei die Nockenwelle 1 gegenüber
dem Nockenwellenrad 2 entsprechend dem durch die Zahnzahl der Zahnkränze 1.2,
2.2, 3.2, 3.3 bestimmten Übersetzungsverhältnis verdreht wird.
In der Fig. 3 ist eine weitere alternative Ausführung eines die Nockenwelle 1 und
das Nockenwellenrad 2 verbindenden Taumelscheibengetriebes dargestellt. Dabei
ist im Unterschied zur Fig. 2 der Zahnkranz 2.2 des Nockenwellenrades 2 als sepa
rates Bauteil ausgeführt, welches über Schrauben 2.3 mit dem Nockenwellenrad 2
verschraubt ist. Das den Zahnkranz 1.2 tragende separate Bauteil 1.1 der Nocken
welle 1 ist über die Schraube 1.3 mit der Nockenwelle 1 verbunden.
In der Fig. 4 ist eine alternative Ausführung eines die Nockenwelle 1 und das Noc
kenwellenrad 2 verbindenden Taumelscheibengetriebes dargestellt, bei der die von
der Taumelscheibe zu erfüllenden Funktionen auf ein erste Taumelscheibe 3a und
ein zweite Taumelscheibe 3b aufgeteilt sind.
Die Taumelscheibe 3a ist auf der Antriebswelle 4 der Stelleinheit 5 angeordnet und
weist keine Zahnkränze auf. Die Taumelscheibe 3b dient damit der Verdrehung der
Nockenwelle 1 und des Nockenwellenrades 2.
Die Taumelscheibe 3b weist die Zahnkränze 3.1 und 3.2 auf und ist derart auf einem
Kugellager schwimmend montiert, daß die Taumelscheibe 3b gegenüber der Achse
der Nockenwelle um mehrere Grad gekippt werden kann, ohne daß sich der fiktive
Mittelpunkt der Taumelscheibe 3b axial verschiebt. Dadurch dient die Taumelschei
be 3b der Verbindung der Nockenwelle 1 und dem Nockenwellenrad 2.
Bei der Rotation der Nockenwelle 1 würde sich die Taumelscheibe 3b aufgrund von
Fliehkräften zwischen dem Zahnkranz 1.2 der Nockenwelle 1 und dem Zahnkranz
2.2 des Nockenwellenrades 2 ausrichten. Über Schubstangen 3.3 zwingt jedoch die
Taumelscheibe 3a die Taumelscheibe 3b in die Position, in der die Taumelscheibe
3b die Nockenwelle 1 und das Nockenwellenrad 2 miteinander verbindet, und in der
die Nockenwelle 1 und das Nockenwellenrad 2 durch die Stelleinheit 5 gegeneinan
der verdreht werden können.
Die in den Fig. 1 bis 4 dargestellten Ausführung der Erfindung ermöglichen
grundsätzlich das beliebige verdrehen der Nockenwelle 1 gegenüber dem Nocken
wellenrad 2 und damit gegenüber der Kurbelwelle der Brennkraftmaschine. Zur Be
einflussung der Steuerzeiten beim Ventilspiel der Brennkraftmaschine ist jedoch le
diglich ein verdrehen der Nockenwelle 1 gegenüber dem Nockenwellenrad 2 von ±
40 Grad sinnvoll. Dabei es sinnvoll das Taumelscheibengetriebe mit einer Vorrich
tung zu versehen, die als verdrehen der Nockenwelle 1 gegenüber dem Nockenwel
lenrad 2 begrenzt.
Zur präzisen Regelung der hauptsächlich drehzahlabhängig einzustellenden Steuerzelten
der Brennkraftmaschine sind die Nockenwelle 1 und Kurbelwelle der Brenn
kraftmaschine oder das Nockenwellenrad 2 mit einer Sensorvorrichtung ausgestat
tet, welche die Ist-Position der Nockenwelle 1 gegenüber der Ist-Position des
Nockenwellenrades 2 sensiert, und die Signale an ein dem Taumelscheibengetriebe
zugeordnetes, die Stelleinheit regelndes Steuergerät weiterleitet. Dabei kann das
Steuergerät die Ist- und Soll-Positionen der Nockenwelle 1 und des Nockenwel
lenrades 2 miteinander vergleichen und im Fall von Abweichungen entsprechende
Korrekturwerte zur Ansteuerung der Stelleinheit bestimmen. Die Sensorvorrichtung
kann dabei vorteilhaft durch berührungsfrei arbeitende Hallsensoren realisiert wer
den.
Darüber hinaus ist es sinnvoll eine Vorrichtung vorzusehen, die bei einem Ausfall der
Antriebseinheit 5 der Taumelscheibe 3 gewährleistet die Nockenwelle 1 und Noc
kenwellenrad 2 in eine 0 Grad gegeneinander verdrehte Position zu bringen. Dabei
wird die Brennkraftmaschine ohne drehzahlabhängige Anpassung der Steuerzeiten
weiter betrieben.
Der Ausfall der Antriebseinheit 5 kann dabei durch Auswertung der Sensorsignale
der Sensorvorrichtung erkannt werden.
Sollte es nicht möglich sein Nockenwelle 1 und Nockenwellenrad 2 in eine 0 Grad
gegeneinander verdrehte Position zu bringen, werden Kraftstoffeinspritzung und
Zündung entsprechend der Verdrehung der Nockenwelle zur Gewährleistung von
Notlaufeigenschaften angepaßt
Durch die als Taumelscheibengetriebe ausgebildete Steuereinrichtung zum Verstel
len des Drehwinkels der Nockenwelle gegenüber dem Drehwinkel einer Kurbelwelle
beansprucht besonders in der Ausführung der Fig. 1 einen geringen Bauraum, ist
dabei kostengünstig herzustellen und weist durch die realisierbaren Notlaufeigen
schaften eine hohe Betriebssicherheit auf.