DE10055334C2 - Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad nach der Gattung des Hauptanspruchs.

Aus der DE 196 23 818 A1 ist eine Vorrichtung bekannt, bei der mit Hilfe eines im Rotor des Nockenwellenverstellers angeordneten Verriegelungselementes der Nockenwellenversteller in einer Endlage arretiert werden kann. Über zum Verriegelungselement führende Hydraulikleitungen kann das Verriegelungselement aus seiner Verriegelungsposition in eine entriegelte Position überführt werden. Ist der Nockenwellenversteller entriegelt, können durch hydraulische Verstellung des Rotors relativ zum Antriebsrad der Nockenwelle die Steuerzeiten der Einlass- bzw. Auslassventile in gewünschter Weise verändert werden. Die in der DE 196 23 818 A1 dargestellte Vorrichtung ist so ausgeführt, dass die Druckbeaufschlagung zu den Hydraulikkammern, über die die Verstellung des Rotors gegenüber dem Stator des Nockenwellenverstellers erfolgt und die hydraulische Druckbeaufschlagung zum Entriegeln des Verriegelungsstiftes parallel erfolgt. Damit ist jedoch nicht immer sicher gestellt, dass zuerst die Verriegelung der Verstelleinheit aufgehoben ist, bevor der Rotor über die in der Verstelleinheit ausgebildeten Druck- bzw. Hydraulikkammern in eine Verstellposition überführt wird. Damit können Betriebszustände eintreten, in denen die Verstelleinheit nicht zuverlässig funktioniert.

In der DE 198 25 287 A1 ist ein gattungsgemäßer Nockenwellenversteller offenbart, bei dem die Druckbeaufschlagung zu den Hydraulikkammern erst dann freigegeben wird, nachdem das Verriegelungselement aus seiner Arretierposition herausgeführt wurde.

Es ist dem gegenüber Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Vorrichtung dahingehend zu verbessern, dass Startgeräusche bei der Aktivierung des Nockenwellenverstellers verhindert bzw. reduziert werden und die Lebensdauer bzw. die Funktionalität der Verriegelungseinheit erhöht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die Merkmale des Hauptanspruchs gelöst.

Im Gegensatz zu der in der DE 198 25 287 A1 dargestellten Verriegelungseinheit eines Nockenwellenverstellers wird in vorteilhafter Weise durch einen ersten Verstellhub das Verriegelungselement zuerst in eine Entriegelungsposition überführt, bei der jedoch sowohl der vom Verriegelungselement kontrollierte Hydraulikkanal als auch die zu den anderen Druckräumen führenden Ölversorgungsbohrungen noch verschlossen sind. Wird jedoch das Verriegelungselement über seine entriegelte Position hinaus angehoben, so wird der zum Druckraum der Verstelleinheit führende Hydraulikkanal freigegeben, bevor nach einem kurzen Anfangs-Verstellweg des Rotors der Verstelleinheit auch die zu den restlichen Druckräumen führenden Ölversorgungsbohrungen freigegeben werden und damit der Rotor gegenüber dem Stator der Verstelleinheit in gewünschter Weise weiter verstellt werden kann. Durch diese Art der Druckbeaufschlagung wird ein Startklappern des Nockenwellenverstellers verhindert bzw. reduziert; weiterhin kann die Lochleibung des Verriegelungselements in der Verriegelungsbohrung verringert werden. Damit wird die Lebensdauer und die Funktionalität der Verriegelung erheblich verbessert.

Weitere Vorteile und vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus dem einzigen Unteranspruch und der Beschreibung.

Die erfindungsgemäße Steuerung der Hydraulikölzufuhr über das Verriegelungselement zur Druckkammer bzw. zu den Druckkammern der Verstelleinheit ist auf einfache Art und Weise bei den sogenannten Flügelzellen-Nockenwellenverstellern einsetzbar, bei denen eine Verstellung des Rotors bzw. des Innenteils der Verstelleinheit in Umfangsrichtung gegenüber dem Antriebsrad zu der gewünschten Drehwinkelverstellung der Nockenwelle führt.

Das Verriegelungselement findet Aufnahme in einer Bohrung, die in einem Steg bzw. Flügel des Rotors angeordnet ist. Die Bohrung ist in einer Hydrauliköl-Zufuhrleitung angeordnet, die zu einem in der Verstelleinheit angeordneten Druckraum führt. Befindet sich das Verriegelungselement in einer arretierten Position, so wird die Hydraulikleitung durch das Verriegelungselement verschlossen; in einer entriegelten Stellung gibt das Verriegelungselement die Hydraulikleitung zum Druckraum frei.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der nachfolgenden Beschreibung und Zeichnung näher erläutert.

Es zeigen

Fig. 1a einen Längsschnitt durch die Verstelleinheit,

Fig. 1b einen Schnitt entlang der Linie IB-IB in Fig. 1a,

Fig. 1c einen Schnitt entlang der Linie IC-IC in Fig. 1a,

Fig. 1d einen Schnitt entlang der Linie ID-ID in Fig. 1a,

Fig. 2a bis Fig. 5c verschiedene Betriebszustände der Verstelleinheit in Verstellrichtung.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

In der Zeichnung ist mit 2 schematische die Nockenwelle einer Brennkraftmaschine angedeutet, an deren freiem Ende der Rotor, im Folgenden als Innenteil 4 bezeichnet, einer Verstelleinheit 6 drehfest angeordnet ist. Das Innenteil 4 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel mit drei radial angeordneten Stegen 8a bis 8c versehen, die von einer Nabe 10 des Innenteils 4 ausgehen. Das Innenteil 4 wird im Bereich seiner Stege 8a bis 8c von einem Zellenrad 12 umfasst, das mit drei nach innen ragenden radialen Stegen 14a bis 14c versehen ist. Das den Stator der Verstelleinheit 6 darstellende Zellenrad 12 wird auf seiner der Nockenwelle 12 zugewandten Stirnseite von einem Kettenrad 16 abgeschlossen, dass drehbeweglich und dichtend auf der Nabe 10 des Innenteils 4 geführt ist. Das Kettenrad 16 dient zum Antrieb der Nockenwelle, der beispielsweise über eine mit der Kurbelwelle verbundene Steuer- bzw. Antriebskette erfolgt. Die gegenüberliegende Stirnseite des Zellenrades 12 wird von einer Scheibe 18 verschlossen, wobei das Kettenrad 16, die Scheibe 18 und das Zellenrad 12 über nicht dargestellte Schraubmittel fest miteinander verbunden sind. Durch die Stege 14a bis 14c des Zellenrades 12 werden drei durch das Kettenrad 16 und die Scheibe 18 in axialer Richtung begrenzte Zellen ausgebildet, die durch die Stege 8a bis 8c des Innenteils 4 in jeweils zwei Druckräume 22a bis 22c bzw. 24a bis 24c unterteilt sind. Das Innenteil 4 und das auf diesem drehbar geführte Zellenrad 12 sind mit Hilfe einer Schraube 26 an der Nockenwelle 2 befestigt. Dazu weist die Nabe 10 eine zentrale Bohrung 28 auf, die in der Nockenwelle 2 weitergeführt ist und an die sich eine mit einem kleineren Durchmesser versehene Gewindebohrung 30 anschliesst, in der die Schraube 26 befestigt ist. Die Druckräume 24a bis 24c sind über drei in der Nabe 10 des Innenteils 4 angeordnete und radial verlaufende Bohrungen 32a bis 32c mit einem Ringraum 34 verbunden, der sich zwischen der Befestigungsschraube 26 für die Verstelleinheit 6 und dem Wandungsabschnitt der in der Nabe 10 und in der Nockenwelle 2 vorgesehenen zentralen Bohrung 28 ausbildet, wobei der Ringraum 34 durch den Kopf 36 der Schraube 26 endseitig verschlossen ist.

Der Ringraum 34 ist über mehrere in der Nockenwelle 2 radial verlaufende Bohrungen 38 mit einer am Außenumfang der Nockenwelle 2 angeordneten Ringnut 40 verbunden. Drei weitere am Aussenumfang der Nabe 10 angeordnete und radial verlaufende Bohrungen 42a bis 42c sind auf der einen Seite in Abhängigkeit von der Drehlage des Innenteils 4 gegenüber dem Zellenrad 12 (später noch näher erläutert) mit jeweils einem der drei Druckräume 22a bis 22c verbunden; auf der anderen Seite sind sie mit einer am Außenumfang der Nockenwelle 2 angeordneten Ringnut 44 verbunden, die über fünf axial in der Nockenwelle 2 verlaufende Bohrungen 46a bis 46e zu einer weiteren, ebenfalls am Außenumfang der Nockenwelle 2 ausgebildeten Ringnut 48 führen.

Die beiden Ringnuten 40 und 44 sind jeweils über ein als Drehdurchführung wirkendes Nockenwellenlager 50 an zwei Steuerleitungen 52 und 54 angeschlossen, die zu einem als 4/2-Proportional-Regelventil ausgebildeten Steuerventil 56 führen. Die Steuerleitung 52 ist am Ausgang A des Steuerventils 56 angeschlossen, während die Steuerleitung 54 zum Ausgang B des Steuerventils 56 führt. Eingangsseitig verfügt das Steuerventil 56 über einen Druckanschluss P, der über ein Rückschlagventil 58 und eine Druckmittelpumpe 60 mit einem Öltank 62 verbunden ist und über einen Anschluss T, der ebenfalls zum Öltank 62 führt.

Zur Verriegelung des Innenteils 4 gegenüber dem Zellenrad 12 in einer gemäß der Fig. 1 bis 3 dargestellten Endlageposition der Verstelleinheit 6 ist im Steg 8a eine Bohrung 64 vorgesehen, in der ein Verriegelungselement, im Folgendem als Verriegelungsbolzen 66 bezeichnet, angeordnet ist. Die Bohrung 64 ist als Stufenbohrung ausgebildet, wobei im größeren Bohrungsabschnitt 64a das mit einer Ringschulter 66a versehene Kopfteil des Verriegelungsbolzens 66 geführt ist, während im kleineren Bohrungsabschnitt 64b der Stufenbohrung 64 der eigentliche Verriegelungsbolzen 66 geführt ist. Der Verriegelungsbolzen 66 weist eine Öffnung 68 auf, in der eine Druckfeder 70 angeordnet ist, die zwischen dem Boden der Öffnung 68 und einer sich an der Scheibe 18 abstützenden und im Bohrungsabschnitt 64a angeordneten Kunststoffscheibe 72 eingespannt ist. Die Kunststoffscheibe 72 weist eine zentrale Öffnung 74 auf, die über einen nicht dargestellten Kanal mit dem Öltank 62 verbunden ist. Damit kann beim Verschieben des Verriegelungsbolzens 66 entgegen der Federkraft der Druckfeder 70 in der Öffnung 68 befindliches Leckageöl entweichen.

Im Kettenrad 16 ist eine Stufenbohrung 76 eingebracht, wobei in einem ersten Bohrungsabschnitt 76a der Verriegelungsbolzen 66 zur Arretierung des Innenteils 4 gegenüber dem Kettenrad 16 bzw. dem Zellenrad 12 eingreift. Daran schließt sich im Kettenrad 16 ein zweiter Bohrungsabschnitt 76b an, der in seinem Durchmesser kleiner ausgebildet ist, als der Durchmesser des Verriegelungsbolzens 66. Am Außenumfang des kleineren Bohrungsabschnittes 64b, der zur Aufnahme des Verriegelungsbolzens 66 dient, ist eine halbmondförmige Nut 78 angeordnet, die sich bis in die Stufenbohrung 76 hinein erstreckt und damit mit dem zweiten Bohrungsabschnitt 76b in Verbindung steht.

Im Steg 8a ist eine radiale Hydraulikleitung bzw. Durchgangsbohrung 80 angeordnet, die einerseits mit der axialen Bohrung 46a und mit der Ringnut 44 in Verbindung steht und auf der anderen Seite zur Nut 78 führt. Im Steg 8a ist weiterhin eine als Verbindungs­ kanal ausgebildete Hydraulikleitung bzw. Bohrung 82 vorgesehen, die vom größeren Bohrungsabschnitt 64a in radialer Richtung zum Druckraum 22a führt.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Verstelleinheit 6 mit ihrer in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Endlageposition für die Verstellung einer Einlassnockenwelle vorgesehen, wobei das Zellenrad 12 im Uhrzeigersinn angetrieben ist und das Innenteil 4 im Uhrzeigersinn in Richtung "frühes" Öffnen der Einlassventile verstellt werden kann.

Im Folgenden wird anhand der Figuren der Verstellvorgang näher beschrieben:
In der in Fig. 1 dargestellten Position befindet sich die Brennkraftmaschine außer Betrieb, d. h. im Stillstand. Der Verriegelungsbolzen 66 befindet sich in seiner verriegelten Position, d. h. er ist durch die Druckfeder 70 im Bohrungsabschnitt 76a des Kettenrades 16 verriegelt. Damit befindet sich das Innenteil 4 gegenüber dem Zellenrad 12 in einer Endlageposition, die einer "späten" Öffnungs- bzw. Schließzeit der über Nocken und Nockenfolger betätigten Einlassventile der Brennkraftmaschine entspricht. Das Steuerventil 56 ist unbestromt, so dass über den Ausgang A des Steuerventils 56, die Steuerleitung 52, die Ringnut 40, die radialen Bohrungen 38, den Ringraum 34 und die radialen Bohrungen 32a bis 32c die Druckölversorgung zu den Druckräumen 24a bis 24c für den Startvorgang der Brennkraftmaschine freigegeben ist.

Hat die Brennkraftmaschine nach dem Startvorgang eine bestimmte Leerlaufdrehzahl erreicht, so wird das Steuerventil 56 bestromt und damit die Druckölversorgung auf den Ausgang B umgeschaltet (siehe Fig. 2). Die Druckölversorgung führt nun über die Steuerleitung 54, die Ringnut 48, die axialen Bohrungen 46a bis 46e zur Ringnut 44. Von der Ringnut 44 aus werden einerseits die drei radialen Bohrungen 42a bis 42c und andererseits die zum Verriegelungsbolzen 66 führende Bohrung 80 mit Drucköl beschickt. Die Druckölversorgung über die radialen Bohrungen 42a bis 42c zu den drei Druckräumen 22a bis 22c ist noch gesperrt, da in der Endlageposition des Nockenwellenverstellers die radialen Bohrungen 42a bis 42c von den radialen Stegen 14a bis 14c des Zellenrades 12 abgedeckt bzw. abgedichtet sind (siehe Fig. 2c). Der zum Verriegelungsbolzens 66 führende Ölkanal (Bohrung 80) ist dagegen offen, so dass er durch den unterhalb seiner Ringschulter 66a und durch den an seiner Stirnseite 66b sich ausbildenden Öldruck aus dem im Kettenrad 16 angeordneten Bohrungsabschnitt 76a herausgehoben und somit die Verstelleinheit 6 entriegelt wird. Die Druckölversorgung zur Stirnseite 66b des Verriegelungsbolzens 66 erfolgt dabei über die zum Bohrungsabschnitt 76b führende Nut 78.

In dem in Fig. 2 dargestellten Entriegelungshub a des Verriegelungsbolzens 66 ist jedoch die im Steg 8a angeordnete und zum Druckraum 22a führende Bohrung 82 noch durch die Schulter 66a verschlossen; erst wenn der Verriegelungsbolzen 66 durch den anliegenden Öldruck über den Entriegelungshub a hinaus angehoben ist, wird über die Steuerkante der Schulter 66a die Öffnung der Bohrung 82 freigegeben. Die Bohrung 82 ist vollständig freigegeben, wenn, wie in Fig. 3 dargestellt, das Kopfteil des Verriegelungsbolzens 66 an der Scheibe 72 zum Anliegen kommt (Entriegelungshub b).

Damit gelangt das Hydrauliköl über die Bohrung 82 in den Druckraum 22a. Das System ist so ausgelegt, dass bei einer Verstelldrehzahl der Brennkraftmaschine das dem Druckraum 22a zugeführte Hydrauliköl das Innenteil 4 um den Winkel α im Uhrzeigersinn verstellt (siehe Fig. 4b). Durch diesen Anfangsverstellweg werden die im Innenteil 4 angeordneten radialen Bohrungen 42a bis 42c aus ihrer vollständigen Überdeckung mit den radialen Stege 14a bis 14c des Zellenrades 12 heraus geführt, so dass das Hydrauliköl über die radialen Bohrungen 42a bis 42c in die Druckräume 22a bis 22c gelangt.

Damit kann, wie in Fig. 5 dargestellt ist, das Innenteil 4 der Verstelleinheit 6 gegenüber dem Zellenrad 12 bis zu einem maximalen Verstellwinkel α' in Richtung "frühes" Öffnen der Einlassventile verstellt werden.

Wird die Motordrehzahl reduziert, so wird das Steuerventil 56 nicht mehr bestromt. Damit wird wieder auf den Ausgang A umgeschaltet und die Druckkammern 24a bis 24c mit Drucköl versorgt. Damit wird das Innenteil 4 entgegen dem Uhrzeigersinn wieder in Richtung seiner ursprünglichen verriegelten Endlageposition zurück gestellt. Das in den Druckkammern 22a bis 22c befindliche Drucköl wird über den Ausgang B des Steuerventils 56 in den Öltank 62 zurück geführt. Erreicht das Innenteil 4 seine ursprüngliche Endlageposition, so kann der Verriegelungsbolzen 66, wenn er sich in Überdeckung mit dem im Kettenrad 16 angeordneten Bohrungsabschnitt 76a befindet, in letzteren hineinfallen und damit den Nockenwellenversteller wieder verriegeln. Das im Bohrungsabschnitt 76a befindliche Hydrauliköl kann dabei über den zweiten Bohrungsabschnitt 76b und die Nut 78 entweichen.

Die vorbeschriebene Steuerung, bei der der Verriegelungsbolzen des Nockenwellenverstellers selbst eine Ventilfunktion für die Zufuhr von Hydrauliköl zu den Druckräumen ausübt, ist nicht auf das beschriebene Ausführungsbeispiel eingeschränkt. Sie kann auch bei Nockenwellenverstellern eingesetzt werden, die generell einen Verriegelungsmechanismus aufweisen und denen eine eindeutige zeitliche Abfolge von Entriegeln und Verstellen zugeordnet werden soll. Dazu zählen beispielsweise auch die sogenannten Axial-Nockenwellenversteller, bei denen ein im Gehäuseteil (Stator) des Nockenwellenverstellers angeordneter Hydraulikkolben längsverschieblich geführt ist und über eine Schrägverzahnung mit dem drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Teil (Rotor) des Nockenwellenverstellers zusammen wirkt. Durch die Schrägverzahnung wird der axiale Verstellweg des Kolbens in eine Drehwinkelverstellung der Nockenwelle umgesetzt. Auch hier kann eine den Kolben arretierende Verriegelungseinheit gleichzeitig die zuvor beschriebene Ventilfunktion für die Zufuhr des Hydrauliköls zum Druckraum des Nockenwellenverstellers übernehmen. Die Steuerung zum Entriegeln und Verstellen ist natürlich auch für Nockenwellenversteller einsetzbar, die auf Auslassnockenwellen von Brennkraftmaschinen angeordnet sind.

Claims (2)

1. Vorrichtung zur relativen Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine zu einem Antriebsrad (16), mit einer Verstelleinheit (6), die ein drehfest mit der Nockenwelle (2) verbundenes Innenteil (4) aufweist, wobei die Verstelleinheit (6) ein das Innenteil (4) umschließendes Zellenrad (12) aufweist, das mehrere über den Umfang verteilte, durch Stege (14a bis 14c) begrenzte Zellen aufweist, die von darin winkelbeweglich geführten Stegen oder Flügeln (8a bis 8c) des Innenteils (4) in jeweils zwei Druckräume (22a bis 22c bzw. 24a bis 24c) unterteilt sind, bei deren hydraulischer Druckbeaufschlagung bzw. Druckentlastung die Nockenwelle über die Stege oder Flügel (8a bis 8c) des Innenteils (4) zwischen zwei Endstellungen relativ zum Zellenrad (12) verdrehbar ist, wobei ein bewegliches Verriegelungselement (66) im Innenteil (4) oder im Zellenrad (12) mit mindestens einem Gegenelement im jeweils anderen Bauteil zusammenwirkt, wobei das Verriegelungselement (66) in einer zu einem Druckraum (22a) führenden Hydraulikleitung (80, 82) angeordnet ist und erst in einer entriegelten Position die Hydraulikleitung (80, 82) zu diesem Druckraum (22a) freigibt (Fig. 3a bis 3d) und wobei im Innenteil (4) zu den Druckräumen (22a bis 22c) führende Bohrungen (42a bis 42c) angeordnet sind, wobei die Öffnungen der Bohrungen (42a bis 42c) in der arretierten Endlageposition (Fig. 1a bis 1d) der Verstelleinheit (6) durch die Stege (14a bis 14c) des Zellenrades (12) verschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (66) in eine erste Entriegelungsposition überführbar ist (Fig. 2a bis 2d), in der sowohl die vom Verriegelungselement (66) kontrollierte Hydraulikleitung (82) im zugehörigen Steg (8a) als auch die zu den Druckräumen (22a bis 22c) führenden Bohrungen (42a bis 42c) im Innenteil (4) noch verschlossen sind und dass das Verriegelungselement (66) in eine zweite Entriegelungsposition überführbar ist (Fig. 3a bis 4c), in der zuerst die zum zugehörigen Druckraum (22a) führende Hydraulikleitung (82) durch das Verriegelungselement (66) freigegeben wird (Fig. 3a bis 3d) und nach einem Anfangsverstellweg (α) des Innenteils (4) auch die zu den Druckräumen (22a bis 22c) führenden Bohrungen (42a bis 42c) freigegeben sind (Fig. 4a bis 4c).

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (66) in einer Bohrung (64) eines Steges (8a) Aufnahme findet und dass die Bohrung (64) über eine im Steg (8a) angeordnete Hydraulikleitung (82) mit dem zugehörigen Druckraum (22a) in Verbindung steht.