DE102004012460B3

DE102004012460B3 - Nockenwellenversteller mit konstruktiv frei wählbarer Verriegelungsposition

Info

Publication number: DE102004012460B3
Application number: DE102004012460A
Authority: DE
Inventors: Andreas Dipl.-Ing. Knecht (FH); Gordon NEUDÖRFER; Ralf Naumann
Original assignee: Hydraulik Ring GmbH
Current assignee: Hilite Germany GmbH
Priority date: 2004-03-11
Filing date: 2004-03-11
Publication date: 2005-10-13
Anticipated expiration: 2024-03-12
Also published as: US7278385B2; CN101115910A; US20060144357A1; WO2005088081A2; WO2005088081A3; EP1723315A2; JP2007528961A

Abstract

Nockenwellenversteller haben die Aufgabe, eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine in ihrer Lage zu verändern. Ein solcher Nockenwellenversteller wird mit einer konstruktiv frei wählbaren Verriegelungsposition ausgestattet.

Description

Die Erfindung betrifft eine Verstelleinrichtung für Nockenwellen, die in Verbrennungskraftmaschinen, wie zum Beispiel von Kraftfahrzeugen, eingesetzt werden, nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.
Nockenwellenversteller haben die Aufgabe, eine Nockenwelle einer Verbrennungskraftmaschine in ihrer Lage zu verändern. Hierdurch wird der Öffnungs- und Schließzeitpunkt oder die Öffnungsweite eines Gaswechselventils der Verbrennungskraftmaschine beeinflusst. Nockenwellenversteller gibt es in zahlreichen Ausführungsformen. So sind Nockenwellenversteller bekannt, die in achsialer Richtung einen Hydraulikkolben verschieben. Weiterhin sind schräg verzahnte Nockenwellenversteller bekannt. Eine weitere Art der Nockenwellenversteller funktioniert wie ein hydraulischer Schwenkmotor, der mit wenigstens einem Stator und mit wenigstens einem Rotor ausgestattet ist. Der Stator bildet den festen Bezugspunkt, der sich aber insgesamt in Rotation befinden kann. Zu dem festen Bezugspunkt des Stators verändert der Rotor relativ seine Position. An den Rotor direkt oder indirekt angeschlossen ist eine zu verstellende Nockenwelle. Verändert der Rotor gegenüber dem Stator seine Lage, so verändert sich ebenfalls die Position der Nocken auf der Nockenwelle.
Viele der bekannten Nockenwellenversteller werden mit einem Öl betrieben. Hierzu kann ein besonderes Hydrauliköl oder auch das normale Motoröl der Verbrennungskraftmaschine verwendet werden. Zu Zeitpunkten, in denen sich die Verbrennungskraftmaschine in einem besonderen Betriebszustand befindet, wie zum Beispiel der Leerlauf, das Starten oder Abschalten der Maschine, kann es sein, dass die Nockenwelle eine ungünstigere Position oder Lage anstrebt. Weiterhin ist das System aus Verbrennungskraftmaschine und Nockenwellenversteller für den regulären Betriebszustand ausgelegt. Es bedeutet, dass bei niedrigeren Temperaturen, insbesondere der kalten Jahreszeit, die Viskosität des verwendeten Öls, zum Beispiel Motoröl oder Hydrauliköl, zu hoch ist.
Alle diese Situationen können sich in einem ungünstigeren Startverhalten der Verbrennungskraftmaschine auswirken. Durch ein falsches Öffnen der Gaswechselventile kann die Leistung der Verbrennungskraftmaschine unnötig reduziert sein, die Lärmentwicklung der Verbrennungskraftmaschine unerwünscht hoch sein und die Abgaswerte nicht den geforderten gesetzlichen Bestimmungen entsprechen.
Diese und andere Problematiken sind schon seit Jahren in der Fachwelt bekannt. Um den Problemen entgegen zu wirken, sind zahlreiche Nockenwellenversteller entwickelt worden, die einen Verriegelungsmechanismus aufweisen.
In der GB 2 319 071 A ist vorgeschlagen worden einen durch eine Feder vorgespannten Stift zu verwenden der hydraulisch so einzustellen ist, dass der Rotor in der sogenannten Spätposition gegenüber dem Stator verharrt.
In einem System nach EP 1 143 113 A2 wird ein komplett hydraulisches System vorgeschlagen, das mit mehreren Kolben den Rotor gegenüber dem Stator sperren kann.
Die DE 198 56 318 A1 schlägt vor, eine Entlüftungsleitung vorzusehen, die zum Zeitpunkt der Entriegelung des Rotors weitestgehend drucklos ist.
Die DE 198 60 418 A1 benutzt ebenfalls eine Feder, die mit einem Verriegelungselement zusammen wirkt. In einer Seitenwand ist eine Winkelbegrenzungsnut vorgesehen. Die Winkelbegrenzungsnut hat Nutenden die als Winkelbegrenzungsanschläge ausgebildet sind. Ein Anschlagbolzen kann in dem durch die Winkelbegrenzungsnut gebildeten Verschwenkwinkel das Flügelrad gegenüber dem Antriebsrad verstellen.
Die drei Offenlegungsschriften DE 101 33 444 A1 , DE 101 33 445 A1 und DE 101 62 553 A1 scheinen thematisch die gleiche Ventilsteuerungseinrichtung zu beschreiben. Es wird mit zwei Nockenwellenverstellern gearbeitet, die eine Feder aufweisen. Gemäß den vorgestellten Kennlinien gibt es einen arretierten Bereich und einen freigegebenen Bereich. In Abhängigkeit eines Öldrucks wird der Verriegelungsstift mit einer Hysterese zwischen dem arretierten Bereich und dem freigegebenen Bereich hin- und hergeschaltet. Trotz Hysteresebereich könnte man das System als statisches Wechselsystem zwischen arretiertem Bereich und freigegebenem Bereich bezeichnen.
In den beiden Offenlegungsschriften DE 196 06 724 A1 und DE 102 13 831 A1 werden variable Ventilsteuerzeitengeräte beschrieben, die mit zwei Eingriffselementen ausgestattet sind. DE 196 06 724 A1 stellt einen Nockenwellenversteller vor, der den Verstellkolben in achsialer Richtung verschiebt. Der Verstellkolben arbeitet mit einem schräg verzahnten Abschnitt. Die DE 102 13 831 A1 schlägt vor, einen Nacheilwinkelbegrenzungsstift und einen Sperrstift zu verwenden. Beim Abwürgen eines Motors soll sich der Rotor in der Regel zu der am meisten nacheilenden Winkelposition bewegen und dort anhalten, um das erneute Starten des Motors zu erleichtern. Durch den Nacheilwinkelbegrenzungsstift kann das nur noch in einem gewissen Rahmen geschehen. Insbesondere durch die hydraulischen Schaltbilder wird offenkundig, dass dieses System mit mehreren Kammern ausgestattet sein muß, damit es funktionieren kann. Jeder Hydrauliker versucht verständlicherweise, die Anzahl der Kammern so weit wie nur möglich zu reduzieren. Ein Konstrukteur wiederum hat den Wunsch, die Anzahl der Bauteile und das umbaute Volumen so klein wie möglich zu halten.
Ein sehr gut entwickeltes System ist in der DE 102 53 883 A1 vorgestellt worden. Der Nockenwellenversteller ist mit einer Verriegelung versehen worden. Die Verriegelung kann bei besonderen Betriebszuständen eingreifen. Die Erfindung basiert hierbei unter anderem darauf, dass die Verstellgeschwindigkeit über die Zeit verzögert wird. Anders ausgedrückt, kann auch gesagt werden, dass im Bereich der Verriegelung die Verstellgeschwindigkeit etwas reduziert wird. Hierbei wird mit einem fixen mechanischen Anschlagspunkt gearbeitet. Die Erfindung kann bei solchen Verstellern eingesetzt werden, die als langsame Versteller bezeichnet werden.
Weitere Versteller sind aus der US 6 155 219 und der DE 102 13 825 A1 bekannt, die einen federvorgespannten Verriegelungsstift und eine Feder zeigen. Die Feder liegt jeweils vertikal zu der zu verstellenden Welle. Die Feder greift an einer Buchse oder einer Öse bzw. Hakennut an. Nach der US 6 155 219 stellt die Feder vor der ersten Zündung das Halten des Rotors in einer voreilenden oder nacheilenden Position sicher. In der DE 102 13 825 A1 soll hierbei durch die Anbindung der Feder eine Schrägstellung des Windungsabschnitts verhindert werden.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein so hoch integriertes System, wie das der DE 102 53 883 A1 , in so weit zu verändern, dass die Verriegelungsposition der Nockenwelle zwischen der Früh- und der Spätposition genauso variabel eingestellt werden kann, wobei eine regelmäßig wiederholbare Verriegelungsposition bei jedem Abschalten wahlweise angefahren werden kann. Im Wesentlichen soll der gesamte Steilbereich ohne Verzögerungsstellen überfahrbar sein.
Diese Aufgabe wird bei dem gattungsgemäßen Nockenwellenversteller erfindungsgemäß mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den abhängigen Ansprüchen zu finden.
Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller, der bei Verbrennungskraftmaschinen eingesetzt werden kann, hat wenigstens zwei in ihrem Volumen veränderbare Kammern, die gegenläufig ausgebildet sind. Wird das Volumen der einen Kammer vergrößert, so verringert sich automatisch entsprechend das Volumen der korrespondierenden zweiten Kammer und anders herum. Der Nockenwellenversteller hat einen Startor und einen Rotor. Stator und Rotor sind zueinander relativ bewegbar. In dem Rotor ist eine Aufnehmung für eine Nockenwelle vorgesehen. Mittels Öldruck, der in die Kammern einleitbar ist, kann die Position des Rotors relativ zum Stator verändert werden. Hierdurch verstellt der Nockenwellenversteller die Nockenwelle. Somit verstellt der Nockenwellenversteller über eine Relativverdrehung den Winkel der Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine. In Abhängigkeit einer Einflussgröße folgt der Nockenwellenversteller einer von wenigstens zwei zur Verfügung gestellten Kennlinien. Wenn der Nockenwellenversteller der einen Kennlinie folgt, so kann er nicht gleichzeitig der anderen Kennlinie folgen. Somit folgt er den Kennlinien wechselweise. Die genaue Lage der Relativverdrehung wird durch den Öldruck, der in einem Bereich unterhalb 1 bar in der Regel liegt, variiert. Die Wahl, welcher Kennlinie zu folgen ist, bestimmt die Einflussgröße. Ist der Zustand der Einflussgröße unterschritten, für den der Nockenwellenversteller durch seine mechanischen Elemente ausgelegt ist, so greift die Verriegelung an der konstruktiv frei wählbaren Verriegelungsposition ein.
Der Nockenwellenversteller ist mit einem mechanischen Anschlag ausgestattet. Der Anschlag bildet eine Anschlagsposition. Sobald eine bestimmte Vorspannkraft überschritten ist, kann der Anschlag verschoben werden. Unterhalb der Vorspannkraft ist der Anschlag fest verankert. In diesem Fall ist der Anschlag nicht verschiebbar, sondern er ist ortfest.
Der Nockenwellenversteller ist mit verschiedenen Anschlägen ausgestattet. Im Stand der Technik ist bekannt, das ein Nockenwellenversteller eine minimale und eine maximale Position einnehmen kann. Das ist die Frühposition und die Spätposition. Die Positionen werden durch mechanisch feste Anschläge bestimmt. Dazwischen existiert eine verschiebbare Position. Die verschiebbare Position, die durch einen Anschlag bestimmt wird, kann eine ortsfeste, verriegelte Position einnehmen.
In den Nockenwellenversteller werden Drehmomente eingeleitet. Die Einleitung der Drehmomente wird durch die Nockenwelle oder durch die Veränderung des Öldrucks in den Kammern durchgeführt. Häufig findet eine zweifache Einleitung statt. Hierzu wird ein Gegendrehmoment gebildet. Das Gegendrehmoment ist in einer vorteilhaften Ausgestaltung mechanisch implementiert.
Besonders günstig ist es, wenn mit einfachen mechanischen Mitteln wenigstens eine der beiden Kennlinien in dem Nockenwellenversteller implementiert ist. Es können auch vorzugsweise die wenigstens zwei vorhandenen Kennlinien durch eine Kombination von mechanischen Bauteilen oder Elementen implementiert werden.
Der Stator und der Rotor bilden zusammen einen hydraulischen Schwenkmotor. Der Stator ist mit Stegen ausgestattet. Die Stege begrenzen den Winkelbereich, den der Rotor überstreichen kann. Häufig werden Schwenkmotoren so ausgelegt, dass sie zwischen 0° und 30° abdecken können. Vorzugsweise wird ein Schwenkmotor für einen maximalen Winkelbereich ausgelegt, der zum Beispiel 22° betragen kann. Es ist eine Aufnehmung für eine Nockenwelle vorgesehen, die sich rotatorisch verdrehen kann. Häufig wird die Aufnehmung um den Mittelpunkt beziehungsweise die Mittelpunktsachse des Nockenwellenverstellers gelegt. Der Rotor verdreht sich rotatorisch relativ zum Stator. Er nimmt die Nockenwelle in seiner Drehbewegung mit.
Wie schon angedeutet, kann die gewählte Einflussgröße ein Motoröldruck beziehungsweise ein Öldruck der Verbrennungskraftmaschine, eine Temperatur der Verbrennungskraftmaschine oder die Drehzahl der Verbrennungskraftmaschine sein, die wiederum auf den Öldruck Einfluss nehmen. Vorteilhaft kann die Verbrennungskraftmaschine auch so konstruiert sein, dass sie einer Kombination aus verschiedenen Parametern folgt. Aufgrund der Einflussgröße wird zwischen verschiedenen Kennlinien hin- und hergewechselt. Diese Kennlinien können eine Dauerbetriebskennlinie sein, eine Startbetriebskennlinie, eine Ausschaltkennlinie oder eine Leerlaufkennlinie sein. Auch ist es vorstellbar, dass die Startbetriebskennlinie und die Leerlaufkennlinie identisch sind.
Durch den Einsatz von zum Beispiel Federn für die mechanische Implementierung der Kennlinie kann die Abhängigkeit zwischen dem Drehwinkel zur Kurbelwelle und dem Öldruck wenigstens partiell nahezu linear abgebildet werden. Einem Fachmann ist allgemein bekannt, dass eine Feder nicht bei allen Kräften linear ist. Die Feder wird also so gewählt, dass sie im interessanten Startpunkt oder Verriegelungspunkt nahezu linear ist.
Weiterhin kann es auch sein, dass die beiden implementierten Kennlinien stückweise stetig überlagert sind, wobei die zweite Kennlinie aufgrund eines Verriegelunsstiftes oder eines Verriegelungsmechanismusses wenigstens eine unstetige Stelle, einen unstetigen Sprung, aufweist. Somit wird die Kennlinie in zwei Bereiche aufgeteilt, in einen vom Öldruck unabhängigen Bereich und in einen durch eine Einflussgröße, wie dem Öldruck, abhängigen Bereich. In dem unabhängigen Bereich ist die Kennlinie steigungslos.
Als besonders geeignet erwiesen hat es sich, dass eine Spiralfeder in dem Nockenwellenversteller eingesetzt wird. Ein Verriegelungsstift wird mit einer weiteren Feder ausgestattet. Dem Öldruck innerhalb des Nockenwellenverstellers arbeiten zwei Federn entgegen. Die eine Feder ist eine Spiralfeder und die andere Feder ist eine zylindrische Schraubendruckfeder.
Der Rotor und der Stator bilden zusammen einen Schwenkmotor. Dabei hat der Stator Stege, die vom Rand des Stators zur Mitte des Schwenkmotors weisen. Der Stator könnte im weitesten Sinne mit einem Speichenrad verglichen werden. Der Rotor wird vom Stator umfasst. Er liegt zur Mitte des Stators hin. Die Stege des Stators weisen in Richtung der Mitte, sie kommen aber selbst in der Mitte nicht zusammen. Rotor und Stator bilden gemeinsam Hydraulikkammern, die in ihrer Größe und Volumen durch ein Verschwenken des Rotors verändert werden können. Im Betrieb sind die Hydraulikkammern mit einem Hydraulikmedium, wie zum Beispiel einem Hydrauliköl oder einem Motorenöl, gefüllt. Das Hydraulikmedium wird mit Druck beaufschlagt. Je nach Druckverhältnis in den jeweiligen Kammern verändert sich die Lage des Rotors. Der Rotor hat Flügel. Ein Rotor alleine hat also ein Aussehen wie ein Stern. Dadurch, dass das Hydraulikmedium auf die Seiten der Flügel des Rotors unterschiedlichen Druck ausübt, bewegt sich der Flügel in die eine oder in die andere Richtung. Weiterhin ist der Nockenwellenversteller mit einer Feder ausgestattet. Darüber hinaus hat der Nockenwellenversteller eine Verriegelungseinrichtung. Die Verriegelungseinrichtung kann in einem einfachen Fall aus einem reinen Verriegelungsstift bestehen. Es sind aber aus dem Stand der Technik zahlreiche Verriegelungsvorrichtungen bekannt, die einen Stift, eine Feder und einen Hydraulikzylinder umfassen. Die zuvor erwähnte Feder unterscheidet sich von der Feder des Verriegelungsstifts. Die Feder der ersten Art stützt sich aufgrund einer mechanisch festen Verbindung mit dem Stator auf dem Stator ab. Alternativ kann sie auch einen Klemmsitz haben. Alle vorstellbaren unterschiedlichen Varianten, durch die eine Feder ein Gegenlager hat, werden als feste Verankerung an einem Punkt des Stators bezeichnet. Aufgrund des Drucks des Hydraulikmediums bildet sich ein Drehmoment des Rotors aus. Die Feder bildet ein entsprechendes Gegendrehmoment. Somit gibt es über den gesamten Drehwinkel des Rotors eindeutige Gegendrehmomente. Je nach Gestaltung der Feder kann dem Gegendrehmoment ein lineares Verhältnis zu dem Drehwinkel zugeordnet werden.
Weiterhin gibt es zwischen dem Stator und dem Rotor einen Mitnehmer. Der Mitnehmer kann in Form einer Mitnehmerscheibe ausgebildet sein. Wird von der Einbaurichtung auf die Mitnehmerscheibe geblickt, so hat die Mitnehmerscheibe die Form eines geschlossenen Rings. An einigen Stellen der Mitnehmerscheibe weist diese Ausbuchtungen auf. Sie werden auch als Verzahnungen bezeichnet. Die Verzahnungen liegen jeweils am inneren und/oder äußeren Rand der ringähnlichen Mitnehmerscheibe. Die Verzahnungen sind dafür bestimmt, entweder in den Rotor oder in den Stator einzugreifen. Damit die Verzahnung mit dem Stator oder dem Rotor im Eingriff steht, sind sie mit dem Rotor auf die Innenseite gerichtet, beziehungsweise für den Stator auf die Außenseite des Ringes gerichtet. Der Rotor und der Stator bieten in dem Eingriffsbereich größere Aussparungen. Die Verzahnungen und Aussparungen können auf unterschiedlichen, parallel verlaufenden Ebenen im Nockenwellenversteller liegen. Sie haben das Aussehen zweier zueinander versetzter, überlagerter Ringe. Durch die Aussparungen bietet der Rotor beziehungsweise der Stator einen Freilaufbereich. Weil Rotor und Stator insgesamt eine überwiegend runde Bauform haben, kann der Freilaufbereich als die Einkerbung der Mitnehmerscheibe bezeichnet werden. Die Form der Mitnehmerscheibe zusammen mit der Feder, die sich an einem Punkt des Stators abstützt, gestalten den Verlauf einer oder beider Kennlinien. Durch eine geschickte Gestaltung der Mitnehmerscheibe oder der Federwicklung wird der Verlauf des Gegendrehmoments beeinflusst und bestimmt. Es hat dann die Form, wie sie in der Kennlinie dargestellt worden ist.
Besonders gerne wird für die fest verankerte Feder eine horizontal ausgebildete Spiralfeder eingesetzt. Die Spiralfeder umrundet mit dem Federstahl die gemeinsame Mitte oder Mittelachse des Schwenkmotors. Sie liegt parallel zu dem Rotor. Durch diese Art der Feder, die in ihrer Breite klein baut, wird ein Verspannen, ein Umwuchten oder eine Schwergängigkeit vermieden.
In der nach der Zahl der Bauteile aufwendigeren Variante wird der Verriegelungsstift in Form einer Verriegelungsvorrichtung mit einer Feder versehen, so dass der Verriegelungsstift vorgespannt ist. Der Verriegelungsstift kann in einem Flügel angeordnet sein. Genauso ist denkbar, dass der Verriegelungsstift in einem Steg des Stators liegt. Wenn das Hydraulikmedium mit seinem Druck im Bereich des Verriegelungsstifts unter einen Mindestdruck fällt, fährt der Verriegelungsstift in eine Position, in der der Rotor mit dem Stator verankert wird. Es ist vorteilhaft, wenn die Verankerung mit wenig Spiel erfolgt. Der Rotor zeigt dann im Verriegelungsfall im Wesentlichen keine andere Bewegung als der Stator. In dem Fall laufen Rotor und Stator synchron. Unterhalb des Mindestdrucks des Hydraulikmediums sind die Druckverhältnisse im Schwenkmotor nicht zu beachten. Der Rotor hat daher druckunabhängig die gleiche Rotationsbewegung wie der Stator. Hierfür kann ein gesondertes Ventil, das nicht mit dem Nockenwellenversteller eine Einheit bildet, sondern nur hydraulisch in Verbindung steht, für die Verriegelungsvorrichtung vorgesehen sein. Das Hydraulikventil wird in Abhängigkeit eines Parameters, wie zum Beispiel den Druckverhältnissen im Schwenkmotor oder der Drehzahl oder der Temperatur, angesteuert. Damit bestimmt das zusätzliche Ventil den Verriegelungspunkt. Es besteht ein Verhältnis zwischen der Kraft der Verriegelung und der dazu abgestimmten Feder, die die Vorspannung auf den Verriegelungsstift gibt.
Der Nockenwellenversteller ist mit einer Abdeckung ausgestattet. Die Abdeckung wird über Senkbefestigern, insbesondere Senkschrauben, an dem Stator befestigt. Die gegenüberliegende Seite des Nockenwellenverstellers ist durch ein Kettenrad abgedeckt. Das Kettenrad steht senkrecht beziehungsweise im rechten Winkel auf der zentralen Achse des Nockenwellenverstellers. Somit bilden das Kettenrad und die Abdeckung die beiden äußeren Begrenzungen des Nockenwellenverstellers.
Die Feder, die das Gegendrehmoment bestimmt, ist an ihrem anderen Ende, dem Ende das nicht mit dem Stator in Verbindung steht, an den Mitnehmer angeschlossen in einer alternativen Ausführungsform befindet sich die Feder unterhalb der Abdeckung des Stators. Das andere Ende der Feder mündet in einen Ring. Der Ring hat eine Öffnung. Die Backen des Rings umringen die Lagerung des Rotors.
Die Vorzüge der Erfindung können noch besser verstanden werden, indem auf die entsprechenden Figuren zurückgegriffen wird, wobei
1 die Momentenkennlinie des Nockenwellenverstellers in Abhängigkeit des Drehwinkels der Kurbelwelle der Verbrennungskraftmaschine gegenüber dem Druck darstellt,
2 das hydraulische Erfindungsprinzip in linearisierter Form darstellt,
3 eine schematische Ausführungsform mit Mitnehmer, der im übrigen sehr ähnlich zu dem Nockenwellenversteller nach den 4–9 ist, darstellt,
4 eine Ansicht einer Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers wiedergibt,
5 entlang des Schnitts A-A der 4 den Nockenwellenversteller darstellt,
6 entlang des Schnitts B-B des Nockenwellenverstellers nach 4 darstellt
7 den Nockenwellenversteller nach 4 entlang des Schnitts C-C darstellt,
8 den Nockenwellenversteller der 4 entlang des Schnitts D-D darstellt,
9 den Nockenwellenversteller der 4 entlang der anderen Seite jedoch ohne Abdeckung darstellt.
1 stellt eine Momentenkennlinie eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers dar. Auf der Abszisse wird die Verstellung der Nockenwelle im Bezug auf die Kurbelwelle abgebildet. Die Abszisse zeichnet sich durch wenigstens drei Punkte aus. Die Kennlinie bewegt sich zwischen der Frühposition Y und der Spätposition Z. Daneben sind eine gewählte Leerlaufposition L und eine Startposition X angedeutet. Auf der Ordinate ist der Druck des Hydraulikmediums P in bar angegeben. Alternativ kann hier auch der Eingangsdruck der Ölversorgung des Systems aufgetragen werden. Somit stellt die Kennlinie einen Zusammenhang zwischen der Winkelverstellung der Kurbelwelle, einem Drehmoment der Nockenwelle und einem Druck her. Mit steigendem Drehmoment wird ein Gegendrehmoment gebildet. Die Neigung der Kennlinie U wird durch die Rückstellfeder 200 aus 3 oder 9 bestimmt. In dem einen Bereich I, dem freilaufenden Rotorbereich, wirkt sich die Rückstellfeder nicht aus. In dem zweiten Bereich II wirkt sich die Rückstellfeder 200 in Form der Neigung U aus. Die Lage der Startposition X wird durch die Verriegelungsvorrichtung gelegt. Sie kann durch die optimale Wahl der Rückstellfeder und der Verriegelungsvorrichtung auf jeden beliebigen Punkt zwischen der Frühposition Y und der Spätposition Z gelegt werden. Sie wird ausschließlich durch die Anforderungen der Verbrennungskraftmaschine bestimmt. Der zugeordnete Druck zur Startposition X wird als P1 bezeichnet. Er liegt in der Regel in einem Bereich des Drucks zwischen 0,5 und 1 bar. Wahlweise kann er aber auch darunter und darüber liegen. Der Punkt, der der Spätposition zugeordnet ist, wird als P2 in der Kennlinie der 1 dargestellt. Der Druck, der bei der Leerlaufposition L vorhanden sein müsste, wird als P3 bezeichnet. An der Startposition hat, im Zustand der Verriegelung, die Kennlinie eine Unstetigkeitsstelle. Erst unter Änderung des Drucks kann das Gegenmoment wirken.
Wird die Kennlinie auf ein lineares Hydraulikkolbenmodell übertragen, so gelangt man zu einer ähnlichen Darstellung wie in 2. Der linearisierte Hydraulikzylinder 1 hat ein Gehäuse 7. Er ist mit einer Schraubenfeder 3 ausgestattet, die sich gegenüber dem Lager 5 abstützt. Die Kolbenfläche 9 und der Anschlag 11 wirken in entgegengesetzte Richtungen, wobei die Anschlagsfläche des Anschlags 11 der Vorspannung der Feder 3 entgegenwirken muß. Der Kolben 13 mit der Kolbenfläche 9 ist mit einer Ausgleichs- oder Entlüftungsleitung 15 ausgestattet. Der Kolben 13 ist mit einem Verriegelungsmechanismus ausgestattet, der aus einem Verriegelungsstift 19 und einer Vorspannfeder 23 für den Verriegelungsstift 19 ausgestattet ist. Die Feder 23 spannt unterhalb eines Drucks des Hydraulikmediums den Verriegelungsstift 19 gegen das Gehäuse 7. Im in 2 dargestellten Verriegelungszustand verhindert der Verriegelungsstift 19 den Freilauf für den Kolben 13, wenn der Verriegelungsstift gegen die Gehäusewand innerhalb des Vorsprungs 17, bzw. des Freilaufbereichs 17, anschlägt. Unter Druck, wenn also das Hydraulikmedium bedruckt ist, drückt das Hydraulikmedium über die Steuerleitung 21 den Verriegelungsstift 19 gegen die Vorspannfeder 23 und hebt so den Verriegelungsstift aus seiner Verrasterung. Der Kolben kann dann von einem ersten Anschlag bis zu einem zweiten Anschlag freilaufen.
In 3 wird eine schematische Ausgestaltung eines erfindungsgemäßen Rotors 350 dargestellt. Auf der linken Seite wird die oberste, innere Ebene eines erfindungsgemäßen Nockenwellenverstellers dargestellt. Die Ebene ist zur rechten Seite hin aufgebrochen. In der Ebene, die darunter liegt, hat der Rotor 350 eine andere Form, so dass für einen Mitnehmer 300 noch Platz geschaffen ist. Die Feder 200 ist mit ihren Enden 204 und 202 an dem Stator 100 beziehungsweise Mitnehmer 300 befestigt. Der Mitnehmer 300 hat Zähne von denen zwei dargestellt worden sind 302, 304. Der eine Zahn greift in den Rotor 350 ein, der andere Zahn sperrt gegenüber dem Stator 100, vorzugsweise an einer anderen Kreisposition der Mitnehmerscheibe. Die Zähne 302, 304 können auf unterschiedlichen Höhen liegen. Die weiteren Teile des Nockenwellenverstellers 51 entsprechen im wesentlichen den Teiler die in den 4, 5, 6, 7 und 8 dargestellt sind.
Die 4 stellt ein erfindungsgemäßen Nockenwellenversteller 50 dar. Er ist von der Seite des Kettenrads 52, das rundum mit Zähnen, wie dem Zahn 54, versehen ist, abgebildet. Das Kettenrad hat eine Markierung 48, die die Nullposition wiedergibt. Das Kettenrad 52 ist durch einen Zylinderstift 70 befestigt. Die erste Bohrung 60, die zweite Bohrung 62, die dritte Bohrung 64, die vierte Bohrung 66 und die fünfte Bohrung 68 sind in den Stegen 110, 112, 114, 116, 118 des Stators 100, der gleichzeitig ein Teil des Gehäuses darstellt, eingelassen. Die Bohrungen 60, 62, 64, 66, 68 sind als Aufnahmen für Senkbefestiger vorgesehen. Solche Senkbefestiger sind zum Beispiel Senkschrauben der Größen M4, M5, M6, M7.
Entlang des Schnitts A-A der 4 wird in 5 der Nockenwellenversteller 50 aus einem anderen Blickwinkel abgebildet. In dieser Darstellung sieht man die Lage des Rotors 120, der die Aufnehmung 90 bildet. Weiterhin ist unterhalb der Abdeckung 80 für die Spiralfeder die Spiralfeder 200 zu sehen, die in einem speziellen Raum um die Aufnehmung 90 herum platziert wird. Eine Abdeckscheibe 78 deckt den Rotor 120 und den Stator 100 ab, durch die ebenfalls Bohrungen für die Senkbefestiger 64 angebracht sind.
6 stellt den Nockenwellenversteller 50 entlang des Schnitts B-B der 5 dar. Eine weitere Darstellung ist entlang des Schnittes C-C der 5 in 7 wiederzufinden. In dem Schnitt B-B der 6 zeigt der Nockenwellenversteller 50 die Stege, die mit 110 für den ersten, 112 für den zweiten, 114 für den dritten, 116 für den vierten und 118 für den fünften Steg bezeichnet sind. Der Rotor 120 befindet sich in einer Lage, so dass Kammern der ersten und der zweiten An gebildet werden. In der Figur sind die Kammern der zweiten An 170, 172, 174, 176, 178 ein Minimum. Dem gegenüber sind die Kammern der ersten An 160, 162, 164, 166, 168 in ihrer maximalen Ausdehnung. Durch Kanäle 150, 152, 154, 156, 158 kann das Hydraulikmedium zirkulieren. Die Flügel 122, 124, 126, 128, 130 bewegen sich im Hydraulikmedium und werden durch die Rotation des Rotors 120 zwischen den jeweiligen zugehörigen Stegen 110, 112, 114, 116, 118 hin- und herbewegt.
7 hat Kanäle 220, der ein erster Kanal ist, 222 für den zweiten Kanal, 224 für einen dritten Kanal und 226 und 228 für einen vierten und einen fünften Kanal. Im Übrigen sind die Bauteile ähnlich zu 6.
Die Verriegelungsvorrichtung ist sehr gut in 8 zu erkennen. Sie umfasst den Verriegelungsbolzen 190, der hier ein Stufenbolzen ist, und durch einen Federteller 192 zusammen mit einer Feder 194 vorgespannt ist. Der Stufenbolzen ist in der Verriegelungsführung 140 geführt. Die Feder 194, die eine Verriegelungsfeder ist, sorgt für die Vorspannung.
In 9 wird die Spiralfeder 200 des Nockenwellenverstellers 50 von der Seite dargestellt, die der 4 gegenüber liegt. Das eine Ende der Spiralfeder 202 stützt sich gegenüber der Abdeckscheibe 78 ab und ist durch die Kerbe 208 arritiert. Das andere Ende 204 der Spiralfeder 200 mündet in dem Ring 206, der das Lager des Rotors 210 umgreift.
Die Spiralfeder 200 zusammen mit der Verriegelungsvorrichtung, oder auch nur in einer anderen Ausführungsform dem durch Druckbeaufschlagung verstellbaren Verriegelungsbolzen, implementieren in dem Nockenwellenversteller die Kennlinie nach 1, die auch als Mittenverriegelung mit Drehmomentgegenkompensation bezeichnet werden kann. Im nicht verriegelten Zustand, dem freien Zustand, erzeugt die Feder ein Federdrehmoment, das zuwächst, wenn die aufzunehmende Nockenwelle in der Verbrennungskraftmaschine auf ihre Spätposition zustrebt. Wenn der Nockenwellenversteller nur mit ausschließlich einem Hydraulikmedium für die Kammern und oder die Verriegelungsbolzen versorgt wird, löst sich die Verriegelung bei einer Druckschwelle X, ab der in dem Bereich II das Federmoment in einer linearen Abhängigkeit zwischen Kurbelwellenverdrehwinkel und Druckbeaufschlagung wirkt oder steht.
Durch die Wahl der Federn, der Ausführung des Verriegelungsbolzens und der Abmessungen der Eingriffsmechanismen wird die Verriegelungsposition für einen Nockenwellenversteller festgelegt.
Ein erfindungsgemäßer Versteller, der nicht exakt nach den Figuren nachgebaut worden ist, zeigt auf einem statischen Prüfstand ein Verhalten, dass im Wesentlichen der Kennlinie nach 1 entspricht. Im Prüfverfahren werden einzelne Verstellwinkel durch veränderbare Druckbeaufschlagungen angefahren. Der Verstellwinkel wird aufgenommen. Bei dem Punkt X nach 1, der eine Abhängigkeit von dem Öldruck hat, riegelt der Verriegelungsstift ein. In dem Bereich II der Kennlinie ist das Gegendrehmoment in Abhängigkeit des Öldrucks zu messen.
Wegen den unverkennbaren Vorteilen eines Schwenkmotors ist die Erfindung mit verschiedenen Kennlinien für den Schwenkmotor, beziehungsweise für den Nockenwellenversteller, je nach Betriebszustand in einer solchen Ausführungsform beschrieben, jedoch versteht es sich von selbst, dass ein Fachmann eine Achsialkolben- oder Schrägverzahnungsvariante des Nockenwellenverstellers auf Grundlage dieser Erfindung entwickeln kann.

1: erfindungsgemäßer Hydraulikzylinder – linearisiert
3: Feder – hier: Schraubenfeder
5: Lager
7: Gehäuse
9: Kolbenflächen, Ringscheibe – zum Abdichten
11: Anschlag
13: Kolben
15: Entlüftungsleitung
17: Freilaufbereich
19: Verriegelungsstift
21: Steuerleitung
23: Vorspannfeder
48: Markierung
50: Nockenwellenversteller in konstruktiver Darstellung
51: Nockenwellenversteller in schematischer Darstellung
52: Kettenrad
54: Zahn des Zahnrads
60, 62, 64, 66, 68: Aufnahmen für Senkbefestiger (erste, zweite, dritte, vierte, fünfte
: Bohrung)
70: Zylinderstift
78: Abdeckscheibe
80: Abdeckung
90: Aufnehmung für Nockenwelle
100: Stator
110, 112, 114, 116, 118: Stege
120: Rotor
122, 124, 126, 128, 130: Flügel
140: Verriegelungsführung
150, 152, 154, 156, 158: Ölkanal, zu den Kammern
160, 162, 164, 166, 168: Kammern, der ersten Art
170, 172, 174, 176, 178: Kammern, der zweiten Art
190: Stufenbolzen
192: Federteller
194: Feder
200: Rückstellfeder
202, 204: Enden der Spiralfeder
206: Ring
208: Kerbe
210: Lager des Rotors
300: Mitnehmer
302, 304: Zähne
350: Rotor, zweite Art
L: Leerlaufposition
U: Neigung (verursacht durch Rückstellfeder, insbesondere Federmoment der
: Rückstellfeder)
X: Startposition
Y: Frühposition
Z: Spätposition

Claims

Nockenwellenversteller (50, 51), umfassend einen Rotor (120, 350) und einen Stator (100), die zusammen einen hydraulischen Schwenkmotor bilden, wobei der Stator (100) Stege (110, 112, 114, 116, 118) aufweist, die zur Mitte des Schwenkmotors weisen, und zusammen mit dem Rotor (120, 350) Hydraulikkammern (160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178) für ein Hydraulikmedium bilden, in denen sich Flügel (122, 124, 126, 128, 130) des Rotors (120, 350) unter Druck des Hydraulikmediums bewegen, und mit einer Feder (200) ausgestattet ist, und mit einem Verriegelungsstift (190) versehen ist, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (50, 51) einen mechanischen Anschlag (206, 300, 302) hat, der eine Anschlagsposition bildet, und der Anschlag (300, 302) bei Überschreitung einer Vorspannkraft verschiebbar ist.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach Anspruch 1, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) abgestützt, fest verankert mit einem Punkt (204) des Stators (100) dazu dient, ein Gegendrehmoment gegen ein eingeleitetes Drehmoment, insbesondere ein Drehmoment das durch den Druck in den Hydraulikkammern (160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178) auf die Flügel (122, 124, 126, 128, 130) des Rotors (120, 350) entsteht oder durch eine Einleitung durch eine Nockenwelle entsteht, zu bilden.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die mechanisch starre Anschlagsposition (302, 304) mit einer Verriegelungsposition, hervorgerufen durch ein Einriegeln des Verriegelungsstifts (190), identisch ist.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stator (100) und Rotor (120, 350) ein Mitnehmer (300) ausgebildet ist, der vorzugsweise als Mitnehmerscheibe in Form eines geschlossenen Ringes ausgestaltet ist, mit Verzahnungen (302, 304), die entweder in den Rotor (120, 350) oder in den Stator (100) eingreifen können, und einen gekurvten Freilaufbereich im Rotor (120, 350) und/oder Stator (100) haben.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) eine horizontal ausgebildete Spiralfeder ist, die parallel zu dem Rotor (120, 350) angeordnet ist, und die gemeinsame Mitte des Schwenkmotors umrundet.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass ein vorgespannter (194) Verriegelungsstift (190) in wenigstens einem der Flügel (122, 124, 126, 128, 130) vorgesehen ist, der unterhalb eines Mindestdrucks des Hydraulikmediums den Rotor (120, 350) mit dem Stator (100) verankert, so dass der Rotor (120, 350) druckunabhängig die gleiche Rotationsbewegung wie der Stator (100) durchführt.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (50, 51) eine Abdeckung (80) hat, die mit Senkbefestigern, insbesondere Senkschrauben, an dem Stator (100) befestigt ist, und sich ein Kettenrad (52) auf der zur Abdeckung (80) gegenüberliegenden Seite des Nockenwellenverstellers (50, 51) senkrecht, im rechten Winkel auf eine in der Mitte des Nockenwellenverstellers (50, 51) liegenden Achse befindet.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) mit ihrem, dem am Stator (100) befestigten Punkt abgewandten Ende (204) an dem Mitnehmer (300) angreift.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der Ansprüche 1 bis 8, weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) sich gegen eine Deckscheibe (78) des Stators (100) mit einem Ende (202) im Klemmsitz abstützt, deren anderes Ende (204) in einem Ring (206) mündet, der einen Kreisring des Rotors (50) umringt, wobei der Kreisring als Lager (210) des Rotors (50) gegenüber dem Stator (100) dienen kann.
Nockenwellenversteller (50, 51) einer Verbrennungskraftmaschine mit wenigstens zwei in ihrem Volumen gegenläufig veränderbaren Kammern (160, 162, 164, 166, 168, 170, 172, 174, 176, 178), umfassend einen Stator (100) und einen Rotor (50, 51), die zueinander relativbewegbar sind, mit einer Aufnehmung (90) für eine Nockenwelle, der durch einen Öldruck verstellbar ist, wobei der Nockenwellenversteller (50, 51) dazu geeignet ist, eine Nockenwelle bezüglich ihres Drehwinkels in einer Relativverdrehung zu einer Kurbelwelle zu verstellen, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (50, 51) in Abhängigkeit eines auf ihn beaufschlagten Öldrucks nach wenigstens zwei Momentenkennlinien, denen er wechselweise in Abhängigkeit des Öldrucks folgen kann, die Nockenwelle (50, 51) in ihrer Relativverdrehung, insbesondere in Abhängigkeit des Öldrucks der Verbrennungskraftmaschine, verstellen kann.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Nockenwellenversteller (50, 51) einen Rotor (120, 350) und einen Stator (100) umfasst, die zusammen einen hydraulischen Schwenkmotor bilden, und mit einer Feder (200) ausgestattet ist, und mit einem Verriegelungsstift (190) versehen ist, und der Nockenwellenversteller (50, 51) einen mechanischen Anschlag (206, 300, 302) hat, der eine Anschlagsposition bildet, wobei ein Wechsel zwischen den Momentenkennlinien mit Überschreitung einer Vorspannkraft, insbesondere in Abhängigkeit des Öldrucks, durch ein Verschieben des Anschlags (300, 302) ermöglicht wird.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) abgestützt, fest verankert mit einem Punkt (204) des Stators (100) dazu dient, ein Gegendrehmoment gegen ein in den Nockenwellenversteller eingeleitetes Drehmoment zu bilden.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Stator (100) und Rotor (120, 350) ein Mitnehmer (300) ausgebildet ist, der vorzugsweise als Mitnehmerscheibe in Form eines geschlossenen Rings ausgestaltet ist, mit Verzahnungen (302, 304), die entweder in den Rotor (120, 350) oder in den Stator (100) eingreifen können, und einen gekurvten Freilaufbereich im Rotor (120, 350) und/oder Stator (100) haben.
Nockenwellenversteller (50, 51) nach einem der Ansprüche 10 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Feder (200) eine horizontal ausgebildete Spiralfeder ist, die parallel zu dem Rotor (120, 350) angeordnet ist, und die gemeinsame Mitte des Schwenkmotors umrundet.