DE10120448A1

DE10120448A1 - Vorrichtung zur Glättung des Antriebsmomentes einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors

Info

Publication number: DE10120448A1
Application number: DE10120448A
Authority: DE
Inventors: Michael Zipprath; Bjoern Schmidgall
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2001-04-26
Filing date: 2001-04-26
Publication date: 2002-10-31

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Glätten eines ungleichförmigen Antriebsdrehmoments einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle (2) eines Verbrennungsmotors, mit einem als Feder-Masse-Schwinger ausgebildeten Nockenfolgersystem (1, 16, 27), das von auf der Nockenwelle (2) angeordneten Zusatznocken (3) angetrieben ist und auf diese eine Kraft ausübt. DOLLAR A Eine Erweiterung des bekannten, nur punktuellen Glättens des ungleichförmigen Antriebsdrehmoments auf den gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors wird dadurch erreicht, dass die wirksame Kraft des Nockenfolgersystems (1, 16, 27) drehzahlabhängig variierbar ist.

Description

Gebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Glättung des Antriebsmoments einer Welle, insbesondere nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Hintergrund der Erfindung

Nockenwellen und Einspritzpumpen werden bei Verbrennungsmotoren häufig über Steuerketten oder Zahnriemen von der Kurbelwelle aus angetrieben. Da die Kurbelwelle, die Nockenwellen und die Einspritzpumpe Drehmomente von starker Ungleichförmigkeit aufweisen, stehen die Steuerketten bzw. Zahnrie men und ihre Spannelemente unter hoher Belastung.

Die Drehmomentschwankungen der Nockenwelle sind drehzahlabhängig. Eine überkritische Auslegung des Nockenwellenantriebs ist wegen des breiten Drehzahlbands moderner Motoren mit einer Maximaldrehzahl der sechs bis zwölffachen Leerlaufdrehzahl nicht möglich. Auch kann der Drehmomentverlauf der Nockenwelle nur in engen Grenzen durch Maßnahmen am Ventiltrieb selbst beeinflusst werden.

Bei der Drehzahl mit hohen Drehmomentschwankungen treten hohe Belastun gen des Steuertriebs und seiner Spannelemente auf. Diese Belastungen be stimmen auch die Serviceintervalle von Zahnriemen oder Antriebskette.

Ein stark ungleichförmiger Drehmomentverlauf verschlechtert außerdem durch die damit verbundene höhere Lagerbelastung den Wirkungsgrad des Verbren nungsmotors. Zusätzlich ergeben sich höhere Anforderungen an die Span nelemente des Steuertriebs wodurch sich ein erhöhter Aufwand bei ihrer Aus legung ergibt.

In der Buchveröffentlichung Bensinger: "Die Steuerung des Gaswechsels", Springer-Verlag 1968, ist eine Vorrichtung zum Glätten eines ungleichförmigen Antriebsmoments einer Welle beschrieben, insbesondere einer Nockenwelle eines Verbrennungsmotors, mit einem als Feder-Masse-Schwinger ausgebil deten Stößel, der von auf der Nockenwelle angeordneten Zusatznocken ange trieben ist und auf diese eine Kraft ausübt. Da die Masse des obigen Stößels nicht den kompletten bewegten Massen und die Federkraft nicht allen Feder kräften entspricht, stimmt der Drehmomentausgleich nur für eine bestimmte Motordrehzahl.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zu Grunde, eine Vorrichtung zu schaffen, die eine Glättung des Verlaufs des Antriebsdrehmoments der Noc kenwelle eines Verbrennungsmotors in dessen gesamten Drehzahlbereich be wirkt.

Zusammenfassung der Erfindung

Die Aufgabe wird gelöst durch die Merkmale des Patentanspruchs 1. Durch die drehzahlabhängige Verstellbarkeit der Kraft des Nockenfolgersystems können die Schwankungen des Betriebsdrehmoments der Nockenwelle im gesamten Drehzahlbereich des Verbrennungsmotors geglättet werden. Dazu bieten sich mechanische und hydraulische Mittel an.

Die mechanischen Mittel dienen der Variation der Federcharakteristik, der Masse und der Winkellage der Zusatznocken gegenüber der Nockenwelle.

Von Vorteil ist, dass die Federkraft durch Ändern des Übersetzungsverhältnis ses eines antreibenden Hebels oder durch Verschieben eines Federtopfes variierbar ist. Die Federauflage kann durch zueinander verdrehbare Scheiben mit in Kraftrichtung wirkenden, radial angeordneten Rampen oder durch in Kraftrichtung wirkende Gewindehülsen bzw. Gewindemuttern verschoben wer den. Ebenso eignet sich eine in Kraftrichtung hydraulisch beaufschlagte Schei be oder ein eben solcher Federtopf bzw. Kolben zur Verschiebung der Feder auflage.

Auch der Verlauf der Federkraft kann variiert werden, und zwar durch Verwen den von konischen Federn oder von Luftfedern.

Die Massenkraft kann durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses des He bels oder durch Ändern der oszillierenden Masse selbst variiert werden.

Das Verändern der Übersetzung bewirkt eine Veränderung der Beschleunigung der Massen und damit eine Veränderung von deren Massenkraft. Die Position der Federauflage beeinflusst die Federvorspannung.

Vorteilhaft ist auch, dass der Hebel als Rollenschlepphebel mit einem exzen trisch gelagerten, verdrehbaren Lagerbolzen ausgebildet ist. Durch die wälz gelagerte Rolle werden die Reibungsverluste reduziert und die Flächenpres sung zwischen Rolle und Zusatznocken beherrscht. Durch Verdrehen des La gerbolzens wird das Lager des Rollenschlepphebels verschoben und dadurch die Hebelübersetzung verändert.

Es hat Vorteile, dass die Drehwinkellage der Zusatznocken gegenüber der Nockenwelle durch bekannte Drehwinkelverstelleinrichtungen änderbar ist. Als Drehwinkelverstelleinrichtung kommen unter anderem Flügelzellen-, Drehflü gel- oder Steilgewindeversteller in Frage.

Eine vorteilhafte Ausbildung der Erfindung besteht darin, dass parallel ge schaltete, konstante Dichtspalte und verstellbare Drosseln als hydraulische Mittel vorgesehen sind, die in Strömungsverbindung mit Federräumen des Stö ßels stehen. Hierbei handelt es sich um Stoßdämpfer, deren Dämpfung durch regelbare Drosselstellen variabel ist. Die hydraulische Kraftregelung ist jedoch mit Leistungsverlusten verbunden.

Zur Glättung des Antriebsmoments der Nockenwellen ist es erforderlich, dass auf jeder Nockenwelle ein Zusatznocken pro Motorzylinder vorgesehen ist, wobei bei Mehrzylindermotoren die Zusatznocken vorzugsweise einen Nok kenstern bilden. Auf diese Weise ergibt sich beim 4-Zylinder-Motor für jede Nockenwelle ein Vierfach-Nockenstern. Es sind aber auch ein einzelner oder mehrere nebeneinander angeordnete Zusatznocken für mehrere Nockenfolger systeme denkbar.

Dadurch, dass der gegenseitige Winkelabstand der Zusatznocken in Grad-No ckenwinkel dem halben Zündabstand der zugehörigen Zylinder in Grad- Kurbelwinkel entspricht, ergibt sich für den 4-Zylinder-Reihenmotor mit 180° Kurbelwinkel Zündabstand ein Winkelabstand der Zusatznocken von 90° Noc kenwinkel.

Kurze Beschreibung der Zeichnung

Weitere Merkmale der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschrei bung und der Zeichnung, in der Ausführungsbeispiele der Erfindung schema tisch dargestellt sind.

Es zeigen:

Fig. 1 einen Stößel, der über einen Hebel angetrieben ist;

Fig. 2 einen direkt angetriebenen anderen Stößel mit regelbarer Dämpfungskraft;

Fig. 3a einen Rollenstößel mit regelbarer Feder-, Massen- und Dämpfungskraft in Grundkreislage ohne hydraulische Dämpfung;

Fig. 3b den Rollenstößel von Fig. 3a, jedoch bei maximalem Hub des Zusatznockens;

Fig. 3c den Rollenstößel von Fig. 3a, jedoch mit hydraulischer Dämpfung.

Ausführliche Beschreibung der Zeichnung

Fig. 1 zeigt einen als Feder-Masse-Schwinger ausgebildeten Stößel 1, der von einer Nockenwelle 2 mit einem aus vier Zusatznocken 3 gebildeten Noc kenstern 4 über einen Hebel 5 angetrieben wird.

Der Stößel 1 besitzt eine Stößeltasse 6, die ein Stößelhemd 7 und einen Stö ßelboden 8 mit geeigneter Form aufweist. Das Stößelhemd 7 ist im Motorge häuse 9 mit einem Dichtspalt 46 geführt. Der Stößelboden 8 wird von dem He bel 5 beaufschlagt. Im Stößel 1 befindet sich ein Federraum 10 mit einer Feder 11, die sich im Motorgehäuse 9 abstützt. Der Federraum 10 wird durch eine Bohrung 12 be- und entlüftet. Durch eine nicht dargestellte Drossel in der Boh rung 12, die ggf. verstellbar ist, kann eine Luftdämpfung und eine zusätzliche Luftfederung erreicht werden, letztere mit progressiver Kennung.

Der Hebel 5 besitzt eine wälzgelagerte Rolle 13, die geringe Reibung verur sacht. Der Hebel 5 ist auf einem verdrehbaren Lagerbolzen 15 exzentrisch gelagert. Durch Verdrehen des Lagerbolzens 15 kann das Übersetzungsver hältnis des Hebels 5 und damit die wirksame Feder- und Massenkraft des Stö ßels 1 verändert und im Zusammenspiel mit der Kontur der Zusatznocken 3 den Anforderungen der Glättung des Antriebsmoments der Nockenwelle ange passt werden.

In Fig. 2 ist ein anderer Stößel 16 dargestellt, der von einem anderen Noc kenstern 17 direkt angetrieben wird.

Der andere Stößel 16 besitzt ein anderes Stößelhemd 18 und einen anderen Stößelboden 19. Dieser ist wahlweise zylindrisch ausgeführt, so dass eine Verdrehsicherung in Gestalt eines Langlochs 20 in der anderen Stößelbüchse 18 und ein in dieses eingreifender Stift 21 erforderlich ist.

In einem anderen Federraum 22 befindet sich eine andere Schraubenfeder 23, die sich ebenfalls im Motorgehäuse 9 abstützt.

Durch eine Zuflussbohrung 24 gelangt in den Grundkreisphasen des anderen Nockensterns 17 Schmieröl in den anderen Federraum 22. Aus diesem wird das Schmieröl in den Hubphasen des anderen Nockensterns 17 durch einen anderen Dichtspalt zwischen der Stößelführung und dem anderen Stößelhemd 18 ungeregelt und durch eine Abströmbohrung 25 mittels einer Drossel 26 ge regelt verdrängt. Die Stärke der Drosselung bestimmt die Höhe der Dämp fungskraft und der Dämpfungsarbeit bzw. Dämpfungsleistung, die Verlustlei stung ist.

Die Fig. 3a, 3b und 3c zeigen einen als Feder-Masse-Schwinger ausgebil deten Rollenstößel 27, der von einem weiteren Nockenstern 28 direkt angetrie ben wird.

Der Rollenstößel 27 besitzt ein Stößelgehäuse 29, das im Motorgehäuse 9 mit einem weiteren Dichtspalt 48 geführt ist und in dem eine weitere Rolle 30 gela gert ist. Ein gehäusefester weiterer Stift 31 greift zur Drehlagenfixierung des Rollenstößels 27 in eine Längsnut 32 des Stößelgehäuses 29 ein. Dieses weist unterhalb der weiteren Rolle 30 einen Zwischenboden 33 mit einer Entlüf tungsbohrung 34 auf.

Auf den Zwischenboden 33, der einen weiteren Federraum 35 abschließt, stützt sich eine weitere Schraubenfeder 36 ab. Das andere Ende der weiteren Schraubenfeder 36 ruht auf einer Federauflage 37, die verschiebbar ausgebil det ist. Dieser liegt auf einem Tellerfederpaket 38, das in einem Tellerfeder raum 39 auf der ersten Stufe 40 einer abgestuften Sackbohrung 41 aufliegt. Die erste Stufe 40 der Sackbohrung 41 ist so dimensioniert, dass das auf Block gedrückte Tellerfederpaket 38 dort gerade Platz findet.

Der Tellerfederraum 39 ist über ein Rückschlagventil 42 mit einer weiteren Öl zuflussbohrung 43 verbunden. Von der abgestuften Sacklochbohrung 41 geht eine weitere Abströmbohrung 44 aus, in der eine weitere verstellbare Drossel 45 angeordnet ist.

Der Rollenstößel 27 funktioniert folgendermaßen:
In Fig. 3a befindet sich der Rollenstößel 27 in Grundkreisposition und die Federauflage 37 in der durch die Kräfte der weiteren Schraubenfeder 36 und des Tellerfederpakets 38 bedingten Gleichgewichtslage.

Da die weitere Drossel 45 völlig offen ist, herrscht in dem Tellerfederraum 39 kein Öldruck. Während des Stößelhubs wirken entsprechend ihrer Bewe gungsänderung die Masse des Rollenstößels 27 und anteilig der weiteren Schraubenfeder 36, der Federauflage 37, des Tellerfederpakets 38 und der Ölmenge im Tellerfederraum 39.

Bei maximalem Stößelhub (siehe Fig. 3b) liegt die Federauflage 37 am Mo torgehäuse 9 an und das Tellerfederpaket 38 ist zusammengedrückt, so dass nur noch die Masse des Rollenstößels 27 und ein Massenanteil der weiteren Schraubenfeder 36 wirksam sind.

In Fig. 3c ist die weitere Drossel 45 geschlossen. Durch den in der Grund kreisposition herrschenden Kraftüberschuss des Tellerfederpakets 38 gegen über der weiteren Schraubenfeder 36 und durch das über das Rückschlagventil 42 aus der weiteren Ölzuflussbohrung 43 einströmende Schmieröl, wird die Federauflage 37 gegen das Stößelgehäuse 29 gedrückt. Dadurch liegt auf dem weiteren Nockenstern 28 in Grundkreisposition die maximale Federkraft der weiteren Schraubenfeder 36 und die Kraft des auf den Federtopf 37 wirkenden Schmieröldrucks.

Während des Stößelhubs wächst die Stößelkraft um die Federkraft des Teller federpakets 38 und um die hydraulische Dämpfungskraft des durch den weite ren Dichtspalt 48 zwischen der Federauflage 37 und deren Führung im Zylin derkopf 9 gepressten Schmieröls. Durch Variieren des Drosselquerschnitts der weiteren Drossel 45 kann die Stößelkraft dem drehzahlabhängigen Verlauf des Nockenwellendrehmoments angepasst werden.

Liste der Bezugszahlen

1

Stößel

2

Nockenwelle

3

Zusatznocken

4

Nockenstern

5

Hebel

6

Stößeltasse

7

Stößelhemd

8

Stößelboden

9

Motorgehäuse

10

Federraum

11

Schraubenfeder

12

Bohrung

13

Rolle

14

Schlepphebellager

15

Lagerbolzen

16

anderer Stößel

17

anderer Nockenstern

18

anderes Stößelhemd

19

anderer Stößelboden

20

Langloch

21

Stift

22

anderer Federraum

23

andere Schraubenfeder

24

Ölzuflussbohrung

25

Abströmbohrung

26

Drossel

27

Rollenstößel

28

weiterer Nockenstern

29

Stößelgehäuse

30

weitere Rolle

31

weiterer Stift

32

Längsnut

33

Zwischenboden

34

Entlüftungsbohrung

35

weiterer Federraum

36

weitere Schraubenfeder

37

Federauflage

38

Tellerfederpaket

39

Tellerfederraum

40

erste Stufe

41

Sackbohrung

42

Rückschlagventil

43

weitere Ölzuflussbohrung

44

weitere Abströmbohrung

45

weitere Drossel

46

Dichtspalt

47

anderer Dichtspalt

48

weiterer Dichtspalt

Claims

1. Vorrichtung zum Glätten eines ungleichförmigen Antriebsdrehmoments einer Welle, insbesondere einer Nockenwelle (2) eines Verbrennungs motors, mit einem als Feder-Masse-Schwinger ausgebildeten Nocken folgersystem (1, 16, 27), das mindestens eine Feder (11, 23, 36, 38) aufweist und von auf der Nockenwelle (2) angeordneten Zusatznocken (3) angetrieben ist und auf diese eine Kraft ausübt, dadurch gekenn zeichnet, dass die Kraft des Nockenfolgersystems (1, 16, 27) dreh zahlabhängig variierbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Ver stellung der Kraft des Nockenfolgersystems (1, 16, 27) durch mechani sche und/oder hydraulische Mittel erfolgt.

3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als me chanische Mittel die Variation des Federweges, der Masse und der Win kellage der Zusatznocken (3) gegenüber der Nockenwelle (2) vorgese hen sind.

4. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Fe derweg durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses eines antreiben den Hebels (5) oder durch Verschieben einer Federauflage (37) variier bar ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Mas senkraft durch Ändern des Übersetzungsverhältnisses des Hebels (5) oder durch Ändern der oszillierenden Masse selbst variierbar ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der He bel (5) mit einem exzentrisch gelagerten, verdrehbaren Lagerbolzen (15) ausgebildet ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Drehwinkellage der Zusatznocken (3) gegenüber der Nockenwelle (2) beispielsweise durch bekannte Drehwinkelverstelleinrichtungen variier bar ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass Dichtspalte (46, 47, 48) und verstellbare Drosseln (26, 45) als hydrauli sche Mittel vorgesehen sind, die in Strömungsverbindung mit Federräu men (10, 22, 39) des Stößels (1, 16, 27) stehen.

9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass auf jeder Nockenwelle ein Zusatznocken (3) pro Motorzylinder vorgesehen ist, wobei bei Mehrzylindermotoren die Zusatznocken (3) vorzugsweise ei nen Nockenstern (4) bilden.