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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen
Verstellung der Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einem von einer
Kurbelwelle angetriebenen Außenrotor
und einem der Nockenwelle zugeordneten, zu diesem relativ verdrehbaren
Innenrotor, wobei zwischen Innen- und Außenrotor im Innenrotor einerseits
und im Außenrotor
andererseits schwenkbar gelagerte Pendel angeordnet sind, welche
mit zwischen den Pendeln liegenden Rotorflügeln druckbeaufschlagbare Hauptdruckräume einschließen und
in den Drehendlagen an den Rotorflügeln anliegen.
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Derartige
Einrichtungen erlauben eine Verstellung der Nockenwelle gegenüber der
Kurbelwelle und somit der Steuerzeiten der von den Nocken dieser
Welle betätigten
Ventile und kommen einlass- und/oder auslassseitig zum Einsatz.
Vorteile ergeben sich insbesondere in Bezug auf Emissionen, Kraftstoffverbrauch,
Drehmomentenverlauf und Leistungsentfaltung.
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Beispielsweise
beschreibt die
DE
199 61 567 A1 eine eingangs genannte Einrichtung zur stufenlos variablen
Nockenwellenverstellung, wobei die zwischen Innen- und Außenrotor
angeordneten Pendel gerade Flanken aufweisen und in den Drehendlagen flach
an den ebenfalls geraden Seiten der Flügel des Innenrotors anliegen.
Beim Anlegen bilden die Flanken der Pendel mit den korrespondierenden
Seiten der Flügel
des Innenrotors keilförmige
Quetschkammern, aus welchen das Öl
jeweils von innen nach außen
verdrängt
werden muss; Es sind Ölführungen vorgesehen,
durch die das Öl
abfließen
kann.
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Bei
einer Verdrehung zwischen Innen- und Außenrotor kommen in den Drehendlagen
die Pendel annähernd
ungedämpft
an den Seiten der Flügel des
Innenrotors zur Anlage, mit der Folge nicht nur einer beträchtlichen
Geräuschentwicklung,
sondern auch einer hohen mechanischen Belastung, welche letztlich
zu einer verkürzten
Lebensdauer der Einrichtung führt.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Nachteile ein
gedämpftes
Anlegen der Pendel an die korrespondierenden Flügelseiten in den Drehendlagen
zu ermöglichen.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen,
wobei gemäß der zugrundeliegenden
Idee zur gedämpften
Anlage der Pendel an die Rotorflügel
gesonderte Dämpfungseinrichtungen
vorgesehen sind.
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Besonders
bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß eines
besonders bevorzugten Ausführungsbeispiels
der Erfindung ist zur Dämpfung
bei der Anlage in den Drehendlagen zusätzlich zu einem in einem Hauptdruckraum
gebildeten Druckpolster ein weiteres Druckpolster aufbaubar. Vorteilhafterweise
ist dazu die Anlagefläche
zwischen Pendel und Rotorflügel
derart ausgestaltet, dass bei der Anlage eines Pendels an einen
Rotorflügel
vom Hauptdruckraum ein einen gedrosselten Abfluss aufweisender Nebendruckraum
abtrennbar ist.
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Als
sehr zweckmäßig hat
es sich herausgestellt, wenn in einem Nebendruckraum gegenüber einem
diesem zugeordneten Hauptdruckraum ein erhöhter Druck aufbaubar ist und
ein Druckausgleich von einem Nebendruckraum in einen zugeordneten Hauptdruckraum
erfolgt.
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Vorteilhafterweise
weist ein Pendel zur schwenkbaren Lagerung im Innenrotor einen zylindrischen
Pendelkopf und zur schwenk- und radial verschiebbaren Lagerung im
Außenrotor
einen zylinderartigen, stirnseitig abgeflachten Pendelfuß auf.
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Gemäß einer
besonders bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung weist ein Pendel
zwischen Pendelkopf und Pendelfuß einen mit Pendelkopf und Pendelfuß mittels
Stegen verbundenen, zylindrisch-tropfenförmigen Pendelkörper auf.
Der Übergang
von Pendelkörper
zum pendelfußseitigen
Steg weist kleine, bei Anlage eine Drosselkante bildende Radien
und der Übergang
von Pendelkörper
zum pendelkopfseitigen Steg große
Radien auf.
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Sehr
vorteilhaft ist es, wenn ein Rotorflügel eine mit der Kontur eines
Pendels korrespondierende Anlagefläche aufweist, wobei in den
Drehendlagen im Bereich des pendelfußseitigen Stegs vom Hauptdruckraum
ein Nebendruckraum abgetrennt und im Übergangsbereich vom Pendelkörper zum
pendelfußseitigen
Steg ein gedrosselter Abfluss gebildet wird.
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Zweckmäßigerweise
verkleinert sich mit zunehmender Anlage eines Pendels an einen Rotorflügel der
zugeordnete Nebendruckraum, wobei ein Druckabbau durch den Abfluss
in den zugeordneten Hauptdruckraum erfolgt. Der Hauptdruckraum wiederum
ist vorteilhafterweise mit wenigstens einem Abflusskanal verbunden.
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Als
besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, den inneren Radius des
Ringbereichs des Außenrotors
kreisrund auszugestalten und keine nach innen gerichteten Segmente
vorzusehen. Ferner ist es sehr günstig,
wenn die Befestigungsstellen, wie Schrauben, zur Befestigung des
Deckels radial außerhalb der Druckkammern angeordnet sind.
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Nachfolgend
ist unter Bezugnahme Figuren ein besonders zu bevorzugendes Ausführungsbeispiel
der Erfindung näher
erläutert,
dabei zeigen schematisch und beispielhaft
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1 einen
Zylinderkopf mit einer hydraulischen Einrichtungen zur stufenlos
variablen Verstellung der Einlass- und Auslassnockenwelle(n) einer Brennkraftmaschine,
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2 eine
hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen Verstellung der
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einem von einer Kurbelwelle angetriebenen
Außenrotor
und einem der Nockenwelle zugeordneten, zu diesem relativ verdrehbaren Innenrotor
in perspektivischer Darstellung und
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3 ein
zwischen Rotorflügeln
angeordnetes, schwenkbar gelagertes Pendel sowie einen druckbeaufschlagbaren
Haupt- und Nebendruckraum.
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1 zeigt
einen Zylinderkopf 100 mit hydraulischen Einrichtungen 102, 104 zur
stufenlos variablen Verstellung der hier nicht näher dargestellten Einlass-
und Auslassnockenwelle(n) einer Mehrzylinderbrennkraftmaschine in
stirnseitiger Ansicht.
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Die
Einrichtung 102, 104 erlaubt eine Verstellung
der Nockenwelle gegenüber
der Kurbelwelle und somit der Steuerzeiten der von den Nocken dieser
Welle betätigten
Ventile, wobei sich Vorteile insbesondere in Bezug auf Emissionen,
Kraftstoffverbrauch, Drehmomentenverlauf und Leistungsentfaltung
ergeben. Die Einrichtung 102, 104 ist im Antriebsstrang
des Nockenwellenantriebs angeordnet, wobei ein Antrieb der Nockenwelle
ausgehend von der Kurbelwelle über
einen Außenrotor 114, 116 und einen
zu diesem relativ verdrehbaren, in der vorliegenden Ansicht nicht
sichtbaren, Innenrotor erfolgt.
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Jede
Verstelleinrichtung 102, 104 ist in einem entsprechend
ausgestalteten Raum 106, 108 des Zylinderkopfes
aufgenommen und umfasst den topfförmigen Außenrotor 114, 116,
mit welchem ein Antriebsrad, wie Kettenrad 110, 112,
zum von der Kurbelwelle ausgehenden Antrieb verbunden ist. Im Außenrotor 114, 116 ist
der mit der Nockenwelle drehfest verbundene, in der vorliegenden
Ansicht nicht sichtbare Innenrotor aufgenommen, welcher zum Außenrotor 114, 116 relativ
zwischen zwei Drehendlagen verdrehbar ist und welchem stirnseitige ein
Nabenteil 118, 120 zugeordnet ist. Der topfförmige Innenraum
des Außenrotors 114, 116 ist
mittels eines verschraubten Deckels 122, 124 verschlossen. Zur
Abdeckung der gesamten Anordnung ist eine hier nicht gezeigte Zylinderkopfhaube
vorgesehen, welche auf dem umlaufenden Flansch 126 dicht
aufliegt.
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Eine
hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen Verstellung der
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einem von einer Kurbelwelle
angetriebenen Außenrotor
und einem der Nockenwelle zugeordneten, zu diesem relativ verdrehbaren
Innenrotor ist in 2 in perspektivischer Darstellung
gezeigt.
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Zum
Antrieb des topfartig ausgestalteten, einen Ringbereich 208 und
einen Bodenbereich 210 aufweisenden Außenrotors 202 ist
ein mit dem Bodenbereich 210 des Außenrotors 202 drehfest
verbundenes Antriebsrad, wie Kettenrad 206, vorgesehen.
Im Außenrotor 202 ist
der zu diesem relativ verdrehbare, mit einer Nockenwelle drehfest
verbundene Innenrotor 204 aufgenommen.
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Der
Innenrotor weist mehrere, vorliegend sechs, Rotorflügel 212, 214, 216, 218, 220, 222 auf, welche
mit ihren äußeren Enden
am Innenradius des Ringbereichs 208 des Außenrotors 202 bei
Relativdrehung zwischen Außenrotor 202 und
Innenrotor 204 gleitend, jedoch dicht, anliegen. Zwischen
den Rotorflügeln 212, 214, 216, 218, 220, 222 des
Innenrotors 204 befinden sich zylinderschalenförmige Pendelkopfführungen,
in denen die Pendelköpfe
von Pendeln 224, 226, 228, 230, 232, 234 schwenkbar angeordnet
sind, deren Pendelfüße in Pendelfußnuten 236, 238, 240, 242, 244, 246 des
Außenrotors 202 schwenk-
und radial verschiebbar gelagert sind. Die Pendel 224, 226, 228, 230, 232, 234 schließen mit
den Rotorflügeln 212, 214, 216, 218, 220, 222 druckbeaufschlagbare
Hauptdruckräume
ein und liegen in den Drehendlagen wie dargestellt an den Rotorflügeln 212, 214, 216, 218, 220, 222 an;
Jedem Pendel 224, 226, 228, 230, 232, 234 sind
also zwei Hauptdruckräume
zugeordnet.
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Eine
Relativverdrehung von Innen- 204 und Außenrotor 202 wird
durch eine Druckdifferenz in den einem Pendel 224, 226, 228, 230, 232, 234 zugeordneten
Hauptdruckräumen
erreicht, wobei Verstellwinkel und Verstellgeschwindigkeit durch
entsprechende Druckverläufe
regelbar sind.
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Eine
Detailansicht eines zwischen Rotorflügeln 312, 314 angeordneten,
schwenkbar gelagerten Pendels 326 sowie eines druckbeaufschlagbaren Haupt- 376, 374 und
Nebendruckraums 380 zeigt 3. Der schwenkbar im
Innenrotor 304 gelagerte zylindrische Pendelkopf 362 gewährleistet
einen sehr langen, exakt definierten Dichtspalt mit guter Abdichtung
und ermöglicht
gleichzeitig einen hohen Verdrehwinkel zwischen Innen- 304 und
Außenrotor 302 von
bis zu 25-45°,
insbesondere von ca. 35°.
Zur schwenk- und radial verschiebbaren Lagerung des Pendels 326 in
der Pendelfußnut 338 des
Außenrotors 302 weist
das Pendel 326 einen zylinderartigen, stirnseitig abgeflachten
Pendelfuß 360 auf,
sodass durch das Anlegen des Pendelfußes 260 an die Pendelfußnut 338 in
Richtung des Hauptdruckraums mit niedrigerem Druck selbst bei eventuell
auftretendem Verschleiß der
Aufbau sehr hoher Drücke
bei gleichzeitig minimierten Leckageverlusten gewährleistet ist.
Zudem wird durch die konstruktiv optimal gestaltete, zylinderschalenförmige Lagerung 378 des
Pendelkopfes 362 in Verbindung mit der Lagerung des zylinderartigen,
stirnseitig abgeflachten Pendelfußes 360 in der Pendelfußnut 338 des
Außenrotors 302 der
Verschleiß der
einander berührenden
Baugruppen deutlich minimiert, sodass bei hoher Betriebssicherheit
auch die Übertragung
hoher Drehmomente bei höchstem
Wirkungsgrad gewährleistet
ist.
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Erfindungsgemäß weist
das Pendel 326 zwischen Pendelkopf 362 und Pendelfuß 360 einen
mit Pendelkopf 362 und Pendelfuß 360 mittels Stegen 366, 368 verbundenen,
zylindrisch-tropfenförmigen Pendelkörper 364 auf,
wobei der Übergang
von Pendelkörper 364 zum
pendelfußseitigen
Steg 366 kleine, bei Anlage an den Rotorflügel 314, 312 eine Drosselkante
bildende Radien und der Übergang
von Pendelkörper 364 zum
pendelkopfseitigen Steg 368 große Radien aufweist.
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Die
Rotorflügel 312, 314 weisen
eine mit der Kontur eines Pendels 326 korrespondierende
Anlagefläche
auf, wobei bei einer Bewegung in Richtung der Drehendlagen im Übergangsbereich 372 vom Pendelkörper 364 zum
pendelkopfseitigen Steg 368 vom Hauptdruckraum 374 ein
Nebendruckraum 380 abgetrennt und im Übergangsbereich 370 vom
Pendelkörper 364 zum pendelfußseitigen
Steg 366 ein gedrosselter Abfluss gebildet wird. Mit zunehmender Anlage
des Pendels 326 an einen zugeordneten Rotorflügel, wie
dem in der Figur gezeigten Rotorflügel 314, verkleinert
sich der zugeordnete Nebendruckraum 380, wobei ein Druckabbau
durch den Abfluss in den zugeordneten Hauptdruckraum 372 erfolgt. Bei
Erreichen der Drehendlage liegt der Pendelkörper 326 an dem Rotorflügel 314 an,
der zwischen Pendelkörper 326 und
Rotorflügel 314 eingeschlossene
Hauptdruckraum 374 sowie der Nebendruckraum 380 erreichen
eine minimale und der zwischen Pendelkörper 326 und Rotorflügel 312 eingeschlossene
Hauptdruckraum 376 erreicht ein maximale Größe. Auch
bei erreichen der minimalen Größe schließt der Hauptdruckraum 374 ein
kleines Restvolumen ein, wohingegen das von Nebendruckraum 380 eingeschlossene
Volumen zumindest annähernd gegen
Null geht.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
gewährleistet
ein gedämpftes
Anlegen der Pendel 224, 226, 228, 230, 232, 234, 326 an
die korrespondierenden Flügelseiten
in den Drehendlagen, indem beim Anlegen der Pendel 224, 226, 228, 230, 232, 234, 326 an die
Rotorflügel 212, 214, 216, 218, 220, 222, 312, 314 des
Innenrotors 204, 304 nicht nur die Hauptdruckräume „Quetschkammern" bilden, in denen
das Öl
jeweils verdrängt
werden muss, sondern zudem Nebendruckräume, wie der in der 3 gezeigte
Nebendruckraum 380, abgetrennt werden, die zusätzliche
Druckpolster bilden. Ein Druckabbau aus dem Nebendruckraum 380 erfolgt
stark gedrosselt über den
im Übergangsbereich 370 vom
Pendelkörper 364 zum
pendelfußseitigen
Steg 366 gebildeten Abflussspalt in den zugeordneten Hauptdruckraum 374. Die
Hauptdruckräume
weisen, wie in der mit 2 dargestellten perspektivischen
Ansicht teilweise ersichtlich, jeweils Abflussbohrungen 248, 250 auf.
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Innen- 204, 304 und
Außenrotor 202, 302 sind
in wenigstens einer Drehendlage, insbesondere in der einer frühern Ventilbetätigung zugeordneten Drehendlage,
gegeneinander verriegelbar, so dass beispielsweise ein Start der
Brennkraftmaschine in dieser Vorzugslage, die auch als Referenzlage
dient, erfolgt. Die Verriegelungseinrichtung umfasst einen in einem
breiter ausgeführten
Rotorflügel 222 axialbeweglich
geführten
Verriegelungsbolzen 252, welcher in Verriegelungsstellung
in den Bodenbereich 210 des topfförmigen Außenrotors 202 eingreift.
Die Vorzugslage ist, insbesondere wenn die Druckräume nicht
druckbeaufschlagt sind, mittels einer vorgespannten Feder, welche
sich zumindest mittelbar am Außenrotor 202 einerseits
und am Innenrotor 204 andererseits abstützt, einnehmbar.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist die Verstelleinrichtung im wesentlichen aus Stahl gefertigt,
die Anordnung ist jedoch auch überaus
gut für die
Umsetzung eines, beispielsweise aluminium- und/oder magnesiumbasierten
Leichtbaukonzepts geeignet, insbesondere, da in den Drehendlagen eine
werkstoffschonende, gedämpfte
Anlage der Pendel an die Rotorflügel
gewährleistet
ist. Ferner bietet die Anordnung besondere Vorteile in Bezug auf die
Fertigung, da der innere Radius des Ringbereichs 208 des
Außenrotors 202, 302,
an welchem die Rotorflügel 212, 214, 216, 218, 220, 222, 312, 314 mit ihren äußeren Enden
gleitend, jedoch dicht anliegen, kreisrund ausgestaltet ist und
keine nach innen gerichteten Segmente aufweist. Insbesondere bei
einer Leichtbauausführung
wird wirksam ein Bauteilverzug vermieden. Zur besonderen belastungsgerechten Ausführung trägt auch
die Anordnung der in den Figuren nicht bezeichneten Schrauben zur
Befestigung des Deckels 122, 124 radial außerhalb
der Druckkammern 374, 376 bei. Die Herstellung
der Rotorflügel 212, 214, 216, 218, 220, 222, 312, 314 kann
beispielsweise elektro-/funkenerosiv mittels Erodieren erfolgen.
Im Falle einer aluminiumbasierten Leichtbauausführung bietet es sich an, stärker belastete Bauteile/Bereiche
zu eloxieren.