DE10054797A1

DE10054797A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb

Info

Publication number: DE10054797A1
Application number: DE2000154797
Authority: DE
Inventors: Jens Schaefer
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: IHO Holding GmbH and Co KG
Priority date: 2000-11-04
Filing date: 2000-11-04
Publication date: 2002-05-08

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zu dessen Kurbelwelle, mit einem Drehwinkelversteller, der ein Planetengetriebe (4, 4') aufweist, mit einem Eingang für das Kurbelwellendrehmoment und einem Ausgang für das Nockenwellendrehmoment sowie mit einem Verstellantrieb (3, 3'). DOLLAR A Die öldruckbedingten Funktionsgrenzen üblicher Versteller werden dadurch erweitert, dass ein erstes Hohlrad (22, 22') mit meinem Antriebsrad (2, 2') und ein getrennt angeordnetes zweites Hohlrad (23, 23') mit der Einlassnockenwelle in Verbindung stehen sowie beide Hohlräder (22, 22', 23, 23') miteinander über fest verbundene erste und zweite Planetenräder (20, 20'; 21, 21') und diese über einen Planetenträger (19, 19') mit dem Verstellantrieb (3, 3') verbunden sind und dass die beiden Hohlräder (22, 22'; 23, 23') und die mit ihnen kämmenden beiden Planetenräder (20, 20'; 21, 21') jeweils nur geringfügig unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Drehwinkelver stellung einer Welle gegenüber ihrem Antrieb, insbesondere nach dem Ober begriff der Patentansprüche 1 und 2.

Hintergrund der Erfindung

Bei Ottomotoren werden zur Optimierung von Leistung, Kraftstoffverbrauch und Schadstoffemission unterschiedliche Steuerzeiten der Ein- und Auslassventile angestrebt. Ein bewährtes Verfahren zur Verwirklichung dieser Forderung ist die Drehwinkelverstellung der Ein- und/oder Auslassnockenwelle gegenüber ihrem Antrieb, die sich deren Rotation überlagert. Dazu dienen zum Beispiel Rotationskolbenversteller, welche die jeweilige Nockenwelle mit Hilfe von Schwenkflügeln hydraulisch verstellen. Bei diesen wird das gesamte Nocken wellenantriebsmoment über die Schwenkflügel und das sie abstützende Druckölpolster übertragen.

Das Antriebsmoment der Nockenwellen ist durch Öffnungs- und Schließkräfte der einzelnen Gaswechselventile großen Schwankungen unterworfen, die sich abwechselnd fördernd und hemmend auf die Verstellbewegung auswirken. Da der Druck des zur hydraulischen Verstellung verwendeten Motorschmieröls bei niedriger Motordrehzahl und Ölviskosität gering ist, können sich im leerlaufna hem Bereich die antriebsmomentbedingten Vor- und Rückbewegungen des Verstellerantriebs aufheben, so dass der Rotationskolbenversteller in seiner Position verharrt und eine Nockenwellenverstellung nicht möglich ist.

In der gattungsbildenden DE-36 24 827 A1 ist eine Vorrichtung zur Drehwin kelverstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zu dessen Kurbelwelle beschrieben, mit einem Drehwinkelversteller, der ein Planetenge triebe aufweist, mit einem Eingang für das Kurbelwellendrehmoment und einem Ausgang für das Nockenwellendrehmoment sowie mit einem Verstellantrieb. Hierbei wird das Antriebsmoment der Nockenwelle über ein Planetengetriebe geleitet, dem das Verstellmoment eines hydraulischen Verstellers überlagert wird. Diese Lösung ist sehr bauaufwendig.

Vergleichbares gilt auch für die Lösung der DE-197 02 670 A1, bei der zwei Nockenwellen durch ein Planetengetriebe gegenläufig verdreht werden.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vor richtung zur hydraulischen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors zu schaffen, die auch bei niedrigen Öldrücken einwand frei funktioniert.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird zum einen gelöst durch die kennzeichnenden Merkmale des Verfahrensanspruchs 1. Die Selbst- bzw. Quasi-Selbsthemmung des Planeten getriebes bewirkt bei ruhendem Verstellantrieb eine Arretierung desselben und erübrigt somit eine gesonderte Drehfixierung. Im Unterschied zu üblichen Drehfixierungen wirkt die Selbsthemmung des Planetengetriebes in jeder Dreh winkellage.

Die Selbsthemmung schützt bei Drehwinkelverstellung den Verstellantrieb vor Bewegungen entgegen der gewünschten Verstellrichtung. Dadurch wird bei niedrigen Öldrücken ein bloßes Pendeln des Verstellantriebs um die Aus gangslage verhindert und eine Drehwinkelverstellung überhaupt erst ermög licht. Bei normalen Öldrücken tritt durch die fehlende Rückwärtsbewegung des Verstellantriebs eine beschleunigte Winkelverstellung ein.

Die Aufgabe wird auch gelöst durch den Vorrichtungsanspruch 2. Die auf die Hohlräder einwirkenden Momente führen aufgrund der gering unterschiedli chen Zähnezahlen der Hohl- und Planetenräder zur Selbsthemmung des Pla netengetriebes, während eine Beaufschlagung des Planetenträgers mit dem Moment des Verstellantriebs eine Drehwinkelverstellung bewirkt.

Von Vorteil ist, dass der Verstellantrieb vorzugsweise als Rotationskolbenver steller ausgebildet ist, der Schwenkflügel oder zweite Planetenräder als öl druckbeaufschlagte Antriebsflächen aufweist. Bei den Schwenkflügeln handelt es sich um ein bewährtes, einfaches Bauelement, dessen Hauptnachteile, die fehlende Drehwinkelkonstanz und die bei niedrigem Öldruck ausfallende Ver stellfähigkeit durch die erfindungsgemäße Lösung beseitigt werden.

Die ins langsame führende Übersetzung des Verstellantriebs erfordert einen vergrößerten Schwenkbereich der Schwenkflügel, was eine verringerte Anzahl derselben bedingt. Das daraus folgende geringere Verstellmoment ist aber wegen der Selbsthemmung des Planetengetriebes unschädlich.

Die Lösung mit den als Druckplaneten ausgebildeten, zweiten Planetenrädern verringert die Baubreite des Verstellers, erschwert jedoch die Selbsthemmung. Es ist auch ein Verstellerantrieb mit Segmenten möglich, die unter anderem Fertigungsvorteile bieten.

Grundsätzlich ist auch eine direkte, elektromotorische Verstellung des Plane tenträgers oder eine indirekte über ein zusätzliches Sonnenrad denkbar.

Es hat Montagevorteile für die Planetenräder, dass die Planetenträger an triebsradseitig eine anschraubbare Abschlussplatte aufweisen, in der erste Planetenlager angeordnet sind, während sich die zweiten Planetenlager im Planetenträger selbst befinden und dass bei dem Planetenträger die zweiten Planetenlager zwischen den ersten und zweiten Planetenrädern in einer Zwi schenwand angeordnet sind.

Eine Voraussetzung für die Verwendung des zweiten Planetenrads als Druck fläche für den Rotationskolbenversteller ist, dass sich die Zwischenwand zwi schen den Planetenrädern und den Hohlrädern mit Dichtspiel erstreckt und die Hohlräume der letzteren gegeneinander sowie nach außen hin abdichtet. Auf diese Weise ist der als Hydraulikkammer wirkende, zweite Hohlraum gegenüber dem ersten Hohlraum und nach außen abgedichtet.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Be schreibung, den Patentansprüchen und den Zeichnungen, in denen Ausfüh rungsbeispiele der Erfindung schematisch dargestellt sind. In den Zeichnungen zeigen:

Fig. 1 einen Längsschnitt Z-Z durch eine Vorrichtung zur Drehwinkel verstellung der Fig. 2 mit Schwenkflügeln;

Fig. 2 einen Querschnitt Y-Y durch die Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 3 einen Querschnitt X-X durch die Vorrichtung der Fig. 1;

Fig. 4 einen Querschnitt durch die Vorrichtung der Fig. 5;

Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine alternative Vorrichtung zur Dreh winkelverstellung mit Druckplaneten anstelle der Schwenkflügel.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen

Fig. 1 zeigt einen Versteller 1, der ein Antriebsrad 2, einen Verstellantrieb 3, ein Planetengetriebe 4 und eine Abtriebswelle 5 aufweist. Das Antriebsrad 2 ist als Kettenrad ausgebildet, das durch eine Kette von der Kurbelwelle (beides nicht dargestellt) eines Verbrennungsmotors angetrieben wird. Der Verstellan trieb 3 ist als Rotationskolbenversteller mit zwei Schwenkflügeln 6 ausgeführt, wie aus Fig. 2 hervorgeht. Die Schwenkflügel 6 sind mit einer Verstellwelle 7 einstückig ausgeführt, die auf der Abtriebswelle 5 gelagert ist.

Die Schwenkflügel 6 führen in je einer Hydraulikkammer 8 Schwenkbewegun gen aus und teilen die Hydraulikkammer 8 in eine erste und zweite Arbeits kammer 9, 10. Die Hydraulikkammern 8 sind durch radial stehende Trennwän de 11 voneinander getrennt, die Teil eines Stators 12 sind, der die Hydraulik kammern 8 an ihrem Umfang abschließt. Den seitlichen Abschluss derselben bilden das Antriebsrad 2 und eine Scheibe 13, die mit dem Stator 12 verbun den und auf der Verstellwelle 7 gelagert sind.

Die Hydraulikkammern 8 sind untereinander durch radiale, federbelastete Dichtleisten 14 abgedichtet, die in radialen Schlitzen 15 geführt sind und die auf der Verstellwelle 7 gleiten. In gleicher Weise sind auch die ersten und zweiten Arbeitskammern 9, 10 durch Dichtfeisten 14a untereinander abge dichtet, die am Umfang der beiden Schwenkflügel 6 angeordnet sind und auf dem Innenumfang des Stators 12 gleiten.

Die Arbeitskammern 9, 10 werden mit Drucköl versorgt, das aus dem Schmierölkreislauf des Verbrennungsmotors stammt. Es wird durch nicht dar gestellte, elektromagnetisch betätigte Hydraulikventile gesteuert und gelangt über eine Öldrehdurchführung 16 der Abtriebswelle 5 und über erste und zweite Ölleitungen 17, 18 in die Arbeitskammern 9, 10.

Die Verstellwelle 7 ist mit einem Planetenträger 19 des Planetengetriebes 4 durch einen Nut-Feder-Verband 38 drehfest verbunden. An der nockenwellen nahen Seite des Planetenträgers 19 befindet sich eine durch Senkkopfschrau ben 30 befestigte Abschlussplatte 31. Diese weist erste Planetenlager 34 von Planetenrädern 20, 21 auf und dient zu deren Montage. Die zweiten Planeten lager 35 sind im Planetenträger 19 angeordnet.

Im Planetenträger 19 sind, wie aus Fig. 3 hervorgeht, vier über den Umfang gleichmäßig verteilte Planetenradpaare gelagert. Diese bestehen aus den er sten und zweiten Planetenrädern 20, 21 (Fig. 1), die miteinander durch einen Nut-Feder-Verband 38 drehfest verbunden sind und mit einem ersten und zwei ten Hohlrad 22, 23 kämmen. Da letztere unterschiedliche Zähnezahlen aufwei sen, trifft dies auch für die mit ihnen kämmenden Planetenräder 20, 21 zu.

Das erste Hohlrad 22, die Scheibe 13, der Stator 12 und das Antriebsrad 2 sind durch erste Schrauben 24 über Reibschluss drehfest verbunden. In gleicher Weise sind das getrennt angeordnete, zweite Hohlrad 23 durch zweite Schrau ben 25 mit einer Abtriebsscheibe 26 und diese durch eine Zentralschraube 27 mit der Abtriebswelle 5 und der nicht dargestellten Nockenwelle über Reib schluss drehfest verbunden.

In den Fig. 4 und 5 ist ein alternativer Versteller 1' dargestellt. Hier liegt eine Kombination von Verstellantrieb und Planetengetriebe vor, bei der die Schwenkflügel 6 durch verbreiterte, zweite Planetenräder 21' ersetzt sind.

Ein als Kettenrad ausgebildetes Antriebsrad 2' steht über Senkkopfschrauben 28 mit einem ersten Hohlrad 22' durch Reibschluss in Verbindung, ein davon getrennt angeordnetes, zweites Hohlrad 23' ist über eine Verstellwelle 7' und eine Abtriebswelle 5' mittels einer Zentralschraube 27' mit der Nockenwelle 29 ebenfalls durch Reibschluss drehfest verbunden.

In einem Planetenträger 19 sind fünf erste Planetenräder 20' beidseitig und fünf mit diesen durch eine Nut-Feder-Verband 38 drehfest verbundene, zweite Planetenräder 21' fliegend gelagert. Auch der Planetenträger 19' besitzt eine Abschlussplatte 31', die durch Schrauben 30' an den Planetenträger 19' an schraubbar ist und der Montage der ersten Planetenräder 20' dient.

Der Planetenträger 19' besteht aus einer Zwischenwand 32 mit Schrauben pfeifen 39, in die die Schrauben 30' zum Befestigen der Abschlussplatte 31' einschraubbar sind. In der Abschlussplatte 31' sind erste Planetenlager 34', in der Zwischenwand 32 zweite Planetenlager 35' für die fünf Planetenräder 20', 21' vorgesehen.

Die Versorgung mit Drucköl, die mit der ersten Lösung vergleichbar ist, ge schieht über eine Öldrehdurchführung 16' und über eine erste und zweite Öl leitung 17', 18' die durch eine Hülse 33 voneinander getrennt sind. Auf diese Weise gelangt das Drucköl in eine erste oder zweite Arbeitskammer 9', 10' einer Hydraulikkammer 8' und beaufschlagt die zweiten Planetenräder 21'.

Der erfindungsgemäße Versteller 1 funktioniert folgendermaßen:
Durch die Beaufschlagung einer der Seiten der beiden Schwenkflügel 6 mit Drucköl werden diese mehr oder weniger geschwenkt. Diese Schwenkbewe gung macht der Planetenträger 19 mit und bewirkt so ein Abrollen der Plane tenräder 20, 21 auf den Hohlrädern 22, 23. Aufgrund der Zähnezahl der Pla neten- und Hohlräder 20, 21; 22, 23 und der drehfesten Verbindung der Pla netenräder 20, 21 findet eine gegensinnige Verstellung der beiden Hohlräder 22, 23 und des mit ihnen verbundenen Antriebsrads 2 bzw. der Antriebswelle 5 statt. Die dabei wirksame große Übersetzung erfordert einen möglichst großen Schwenkbereich der Schwenkflügel 6, deren Zahl dadurch auf zwei beschränkt ist. Das dadurch reduzierte Verstellmoment wird aber durch die Selbsthem mung des Planetengetriebes 4 überkompensiert, die eine Verstellung gegen die gewünschte Verstellrichtung unmöglich macht, während die Verstellbewe gung im gewünschten Sinne voll wirksam ist. Dadurch ist der Versteller 1 auch bei motordrehzahl- und öltemperaturbedingten, niedrigen Schmieröldrücken funktionsfähig. Die Selbsthemmung ersetzt einen Fixierpin und erlaubt auch bei drucklosen Arbeitskammern 9, 10 eine Fixierung des Verstellers 1 im gesamten Schwenkbereich.

Der Versteller 1' funktioniert prinzipiell gleich dem Versteller 1. Hierbei über nehmen entsprechend verbreiterte, zweite Planetenräder 21' die Aufgabe der Schwenkflügel 6. Dadurch verringert sich die Baubreite des Verstellers 1' ge genüber dem Versteller 1. Dafür ist dessen Abdichtung schwieriger umzuset zen.

Bezugszeichenliste

1

Drehwinkelversteller

1

' Drehwinkelversteller

2

Antriebsrad

2

' Antriebsrad

3

Verstellantrieb

3

' Verstellantrieb

4

Planetengetriebe

4

' Planetengetriebe

5

Abtriebswelle

5

' Abtriebswelle

6

Schwenkflügel

7

Verstellwelle

7

' Verstellwelle

8

Hydraulikkammer

8

' Hydraulikkammer

9

erste Arbeitskammer

9

' erste Arbeitskammer

10

zweite Arbeitskammer

10

' zweite Arbeitskammer

11

Trennwände

12

Stator

13

Scheibe

14

radiale Dichtleiste

15

radiale Schlitze

16

Öldrehdurchführung

16

' Öldrehdurchführung

17

erste Ölleitung

17

' erste Ölleitung

18

zweite Ölleitung

18

' zweite Ölleitung

19

Planetenträger

19

' Planetenträger

20

erstes Planetenrad

20

' erstes Planetenrad

21

zweites Planetenrad

21

' zweites Planetenrad

22

erstes Hohlrad

22

' erstes Hohlrad

23

zweites Hohlrad

23

' zweites Hohlrad

24

erste Schraube

25

zweite Schraube

26

Abtriebsscheibe

27

Zentralschraube

27

' Zentralschraube

28

Senkkopfschraube

29

Nockenwelle

30

Schraube

30

' Schraube

31

Abschlussplatte

31

' Abschlussplatte

32

Zwischenwand

33

Hülse

34

erstes Planetenlager

34

' erstes Planetenlager

35

zweites Planetenlager

35

' zweites Planetenlager

36

erster Hohlraum

37

zweiter Hohlraum

38

Nut-Feder-Verband

39

Schraubenpfeife

Claims

1. Verfahren zur Drehwinkelverstellung einer Welle, insbesondere einer Noc kenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zu dessen Kurbelwelle, mit ei nem Drehwinkelversteller, der ein Planetengetriebe (4, 4') aufweist, mit ei nem Eingang für das Kurbelwellendrehmoment und einem Ausgang für das Nockenwellendrehmoment sowie mit einem Verstellantrieb (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass das Planetengetriebe (4, 4') aufgrund entsprechen der Anordnung und Auslegung seiner Komponenten auf Drehmomente der Kurbel- und/oder Nockenwelle solange mit Selbst- bzw. Quasi-Selbsthem mung reagiert, wie keine oder eine solche Drehwinkelverstellung stattfindet, bei der das Moment des Verstellantriebs (3, 3') den Momenten der Kurbel- und/oder der Nockenwelle entgegengerichtet ist und von diesen übertroffen wird.

2. Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Welle, insbesondere einer Ein lassnockenwelle eines Verbrennungsmotors relativ zu dessen Kurbelwelle, mit einem Drehwinkelversteller, der ein Planetengetriebe (4, 4') aufweist, mit einem Eingang für das Kurbelwellendrehmoment und einem Ausgang für das Nockenwellendrehmoment sowie mit einem Verstellantrieb (3, 3'), dadurch gekennzeichnet, dass ein erstes Hohlrad (22, 22') mit einem Antriebsrad (2, 2') und ein getrennt angeordnetes, zweites Hohlrad (23, 23') mit der Einlass nockenwelle in Verbindung steht sowie beide Hohlräder (22, 22'; 23, 23') miteinander über fest verbundene, erste und zweite Planetenräder (20, 20'; 21, 21') und diese über einen Planetenträger (19, 19') mit dem Verstellan trieb (3, 3') verbunden sind und dass die beiden Hohlräder (22, 22'; 23, 23') und die mit ihnen kämmenden, beiden Planetenräder (20, 20'; 21, 21') jeweils nur geringfügig unterschiedliche Zähnezahlen aufweisen.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstel lantrieb (3, 3') vorzugsweise als Rotationskolbenversteller ausgebildet ist, der Schwenkflügel (6) oder zweite Planetenräder (21') als öldruckbeauf schlagte Antriebsflächen aufweist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotati onskolbenversteller vorzugsweise zwei Schwenkflügel (6) mit einem der Flü gelzahl entsprechenden, vergrößerten Schwenkwinkel aufweist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Plane tenträger (19, 19') antriebsradseitig eine anschraubbare Abschlussplatte (31, 31') aufweisen, in der erste Planetenlager (34, 34') angeordnet sind, während sich die zweiten Planetenlager (35, 35') im Planetenträger (19, 19') selbst befinden.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass bei dem Pla netenträger (19') die zweiten Planetenlager (35') zwischen den ersten und zweiten Planetenrädern (20', 21') in einer Zwischenwand (32) angeordnet sind.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass sich die Zwi schenwand (32) zwischen den Planetenrädern (20', 21') und den Hohlrädern (22', 23') mit Dichtspiel erstreckt und Hohlräume (36, 37) der letzteren ge geneinander sowie nach außen hin abdichtet.