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Die
Erfindung betrifft eine hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit einem
mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung
stehenden kurbelwellenfesten Bauteil und einem drehfest mit der
Nockenwelle verbundenen, zu diesem zwischen zwei Drehendlagen relativ verdrehbaren
nockenwellenfesten Bauteil, wobei in wenigstens einer Drehendlage
das kurbelwellenfeste und das nockenwellenfeste Bauteil miteinander
drehfest verbindbar sind.
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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 zur drehfesten Verbindung zwischen
Innen- und Außenrotor in
einer Drehendlage sich in jedem Rotorflügel des Innenrotors radial
angeordnete Plattenführungsnuten befinden,
in denen Verriegelungsplatten mit Rastnasen verschiebbar angeordnet
sind. In Federsitzbohrungen angeordnete Federelemente wirken auf
die Verriegelungsplatten ein, sodass diese mit ihren Rastnasen in
im Außenrotor
angeordneten Rastnuten in einer vom Betriebsverhalten der Brennkraftmaschine
vorgegebenen Vorzugsstellung arretiert werden können. Zwischen den Rastnasen
und den Rastnuten ist eine Spalt gebildet, die Rastnasen der Verriegelungsplatten
sind abgerundet. Zwischen Innen- und Außenrotor sind im Innenrotor
einerseits und im Außenrotor
andererseits schwenkbar gelagerte Pendel angeordnet, welche mit
den zwischen den Pendeln liegenden Rotorflügeln des Innenrotors druckbeaufschlagbare
Druckräume
einschließen
und in den Drehendlagen an den Rotorflügeln anliegen, wobei auch bei
Anlage ein Keilspalt frei bleibt. Zum Lösen der Arretierung wird dieser
Keilspalt und zugleich der Spalt zwischen den Rastnasen und den
Rastnuten druckbeaufschlagt, sodass die Verriegelungsplatten entgegen
der Federkraft der Federelemente aus den Rastnuten abgehoben werden
und sich gleichzeitig Innen- und Außenrotor gegeneinander verdrehen.
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Die
Anordnung der Verriegelungsplatten an den Enden der Rotorflügel bringt
einen sehr großen Aufwand
in Bezug auf die passgenaue Fertigung von Innen- und Außenrotor
mit sich. Zwar ist vorgesehen, dass nach dem Verlassen der Arretierungsstellung die
federelementbelasteten Verriegelungsplatten linienförmig am
Innendurchmesser des Außenrotors
anliegen, es hat sich jedoch herausgestellt, dass eine beträchtliche
Leckage auftritt und die Abdichtung benachbarter, zwischen einem
Rotorflügel
und einem Pendel angeordneter Druckkammern nicht ausreichend ist,
mit der Folge einer nur eingeschränkten Funktionsfähigkeit
der Einrichtung, insbesondere hinsichtlich der Verstellgeschwindigkeit
vor allem bei niedrigen Drehzahlen und/oder einer hohen Öltemperatur.
Ferner kann die gleichzeitige Druckbeaufschlagung des Keilspalts
zwischen Rotorflügel
und Pendel und des Spalt zwischen Rastnase und Rastnut über eine
gemeinsame Druckmittelzuführung dazu
führen,
dass bereits ein Moment zur Verdrehung von Innen- und Außenrotor
gegeneinander erzeugt wird, bevor die Arretierung vollständig gelöst ist,
sodass die Rastnasen der Verriegelungsplatten in den Rastnuten verklemmen.
Schließlich
ist die gesamte Verriegelungseinrichtung, insbesondere auch aufgrund
ihrer Vielfachheit und der Vielzahl von Bauteilen, sehr aufwändig zu
fertigen und stark fehleranfällig.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, unter Vermeidung der genannten Nachteile eine
eingangs genannte hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle mit einer einfachen und robusten Einrichtung
zur Verbindung von Innen- und Außenrotor bereitzustellen, welche
insbesondere eine nur geringe Leckage aufweist und ein Lösen der
Arretierung ermöglicht,
im wesentlichen bevor ein Moment zur Verdrehung von Innen- und Außenrotor
gegeneinander erzeugt wird.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen,
wobei gemäß der zugrundeliegenden
Idee das nockenwellenfeste Bauteil Rotorflügel aufweist und eine in einem
Rotorflügel
angeordnete, zwischen einer Verriegelungs- und einer Entriegelungsstellung
schaltbare Verbindungseinrichtung mit in Rotorachsrichtung gerichteter
Stellrichtung vorgesehen ist. Die erfindungsgemäße Verriegelungseinrichtung
ist zweckmäßigerweise nur
einmal, in einem Rotorflügel
erforderlich, gemäß eines
anderen Ausführungsbeispiels
kann es jedoch auch von Vorteil sein, mehrere Verriegelungseinrichtungen
in mehreren Rotorflügen,
insbesondere in diametral gegenüberliegenden
Rotorflügeln,
vorzusehen.
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Besonders
bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung sind
Gegenstand der Unteransprüche.
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Gemäß eines
besonders vorteilhaften Ausführungsbeispiels
ist zur Aufnahme der Verbindungseinrichtung ein gegenüber den
anderen Rotorflügeln breiter
ausgestalteter Rotorflügel
vorgesehen, in welchem ein axialbeweglicher Bolzen geführt ist.
Wenn die Rotorflügel
ohnehin eine zur Aufnahme der Verbindungseinrichtung ausreichende
Breite aufweisen, kann jedoch selbstverständlich auf eine besonders breite
Ausgestaltung verzichtet werden.
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Zweckmäßigerweise
ist das kurbelwellenfeste Bauteil als topfförmiger Außenrotor ausgestaltet, wobei
der Bolzen in Verriegelungsstellung in dessen Boden eingreift und
in Entriegelungsstellung außer Eingriff
steht.
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Als
sehr günstig
hat es sich erwiesen, den Bolzen als Stufenbolzen auszugestalten,
wobei der Stufenbolzen einen ersten Bereich und einen zweiten, durchmesserverringerten
Bereich aufweist und zwischen erstem und zweitem Bereich eine Stufe
und somit eine in Bolzenachsrichtung gerichtete, flachringförmige Stirnfläche gebildet
ist.
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Vorteilhaft
ist es, wenn die flachringförmige Stirnfläche des
Bolzens zur Verstellung druckbeaufschlagbar ist und der erste und
der zweite Bereich des Bolzens zur dessen Führung vorgesehen sind, wobei
der zweite Bereich endseitig einen Eingriffsbereich zum Eingriff
in den Boden des als topfförmiger Außenrotor
ausgebildeten kurbelwellenfesten Bauteils bildet.
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Erfolgt
bei der erfindungsgemäßen Einrichtung
eine Verdrehung zwischen kurbelwellenfestem und nockenwellenfestem
Bauteil hydraulisch, ist es bevorzugt, zur Druckbeaufschlagung des
Bolzens insbesondere in Entriegelungsrichtung eine separate Druckmittelzuführung vorzusehen.
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„Separat" bezieht sich dabei
insbesondere auf eine nichtsequentielle Druckmittelzuführung, welche
entweder parallel zur Druckmittelzuführung zur Verstellung der Einrichtung,
von einer gemeinsamen Druckmittelzuführung abzweigend, oder vollständig getrennt
vorgesehen sein kann.
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Zweckmäßigerweise
erfolgt eine Verriegelung von kurbelwellenfestem und nockenwellenfestem
Bauteil in einer für
den Start der Brennkraftmaschine bevorzugten Stellung. Insbesondere
erfolgt eine Verriegelung in der einer frühen Ventilbetätigung zugeordneten
Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung auslassseitig
und in der einer späten
Ventilbetätigung
zugeordneten Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung
einlassseitig angeordnet ist. Gemäß eines anderen Ausführungsbeispiels
kann jedoch auch eine Verriegelung in der einer späten Ventilbetätigung zugeordneten
Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung auslassseitig
und in der einer frühen
Ventilbetätigung zugeordneten
Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung einlassseitig
angeordnet ist, als vorteilhaft angesehen werden.
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Nachfolgend
ist unter Bezugnahme auf 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 einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine,
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3a einen
Innenrotor einer hydraulischen Einrichtung zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine in stirnseitiger
Ansicht,
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3b einen
Innenrotor einer hydraulischen Einrichtung zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine in nockenwellenseitiger
Ansicht und
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4 eine
hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen Verstellung einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt.
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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 kurbelwellenfesten Außenrotor 114, 116 und
einen zu diesem relativ verdrehbaren, in der vorliegenden Ansicht
nicht sichtbaren, nockenwellenfesten 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 200 zur stufenlos variablen Verstellung
einer hier nicht näher
gezeigten Nockenwelle einer Brennkraftmaschine ist in 2 geöffnet, ohne
Deckel, dargestellt.
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Der
Innenrotor 202 weist mehrere, vorliegend sechs, Rotorflügel 204, 206, 208, 210, 212, 214 auf,
welche mit ihren äußeren Enden
am Innenradius des Ringbereichs 216 des Außenrotors 218 bei
Relativdrehung zwischen Außenrotor 218 und
Innenrotor 202 gleitend, jedoch dicht, anliegen. Zwischen
den Rotorflügeln 204, 206, 208, 210, 212, 214 des
Innenrotors 202 befinden sich zylinderschalenförmige Pendelkopfführungen,
in denen die Pendelköpfe
von Pendeln 220, 222, 224, 226, 228, 230 schwenkbar angeordnet
sind, deren Pendelfüße in Pendelfußnuten des
Außenrotors 218 schwenk-
und radial verschiebbar gelagert sind. Die Pendel 220, 222, 224, 226, 228, 230 schließen mit
den Rotorflügeln 204, 206, 208, 210, 212, 214 mittels
eines Druckmediums, wie Öl,
druckbeaufschlagbare Hauptdruckräume
ein und liegen in den Drehendlagen wie dargestellt an den Rotorflügeln 204, 206, 208, 210, 212, 214 an;
Jedem Pendel 220, 222, 224, 226, 228, 230 sind
also zwei Hauptdruckräume
zugeordnet.
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Eine
Relativverdrehung von Innen- 202 und Außenrotor 218 wird
durch eine Druckdifferenz in den einem Pendel 220, 222, 224, 226, 228, 230 zugeordneten
Hauptdruckräumen
erreicht, wobei Verstellwinkel und Verstellgeschwindigkeit durch
entsprechende Druckverläufe
regelbar sind.
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Innen- 202 und
Außenrotor 218 sind
in wenigstens einer Drehendlage, vorliegend in der einer frühen Ventilbetätigung zugeordneten
Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung auslassseitig
und in der einer späten
Ventilbetätigung
zugeordneten Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung
einlassseitig angeordnet ist, 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 214 axialbeweglich
geführten Verriegelungsbolzen 232,
welcher in Verriegelungsstellung in den Bodenbereich 234 des
topfförmigen Außenrotors 218 eingreift.
Der Verriegelungsbolzen 232 wird bei der Montage axial
von der Nockenwellenseite her eingeschoben und mittels eines üblichen axial
montierbaren Sicherungsrings 236 für Bohrungen, welcher federnd
in einer Ringnut in der Bohrung 238 einsitzt, in seiner
Betriebslage gehalten.
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Die
Vorzugslage ist, insbesondere wenn die Druckräume nicht druckbeaufschlagt
sind, mittels einer vorgespannten Feder, welche sich zumindest mittelbar
am Außenrotor 218 einerseits
und am Innenrotor 202 andererseits abstützt, einnehmbar.
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Ein
Innenrotor 300 einer hydraulischen Einrichtung zur stufenlos
variablen Verstellung einer hier nicht näher gezeigten Nockenwelle einer
Brennkraftmaschine ist in 3b in
nockenwellenseitiger und in 3a in
brennkraftmaschinenstirnseitiger Ansicht dargestellt.
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Der
Innenrotor 300 umfasst eine Nabe 302, welche mit
der Nockenwelle drehfest verbunden ist. Zur Befestigung eines außenliegenden
Flansches zur Abstützung
der Drehfeder und/oder zur Anbringung eines Geberrades ist ein Stift 304, 420 vorgesehen.
Um einen sicheren Kraftfluss zu gewährleisten, ist die Nabe 302 mit
Nabenteil 422 mittels einer zentralen, von der Stirnseite
durch die Nabe 302 hindurchgehenden, hier nicht dargestellten
Schraube mit der Nockenwelle verschraubt.
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Für einen
Druckmittelzufluss bzw. -abfluss der zwischen der Rotorflügeln des
Innenrotors 302 und den Pendeln gebildeten Hauptdruckräume sind in
jedem Rotorflügel
Bohrungen vorgesehen, wobei vorliegend nur die Bohrungen 316, 318, 320, 322, 324 sichtbar
sind.
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Aus
der stirnseitigen Ansicht ist ersichtlich, dass die in dem breiter
ausgeführten
Rotorflügel 306 vorgesehene
Bohrung, in welcher der Verriegelungsbolzen aufgenommen ist, als
Stufenbohrung 308 ausgebildet ist. Die Stufenbohrung 308 weist
stirnseitig einen Bereich 310 mit einem großen Innendurchmesser
und nockenwellenseitig einen Bereich 312 mit einem geringeren
Innendurchmesser auf, so dass eine Stufe mit einer zur Bohrungsachse
normalen, flachringartigen Fläche 314 gebildet
ist.
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4 zeigt
eine hydraulische Einrichtung 400 zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine im Längsschnitt,
wobei A die Nockenwellenseite und B die Brennkraftmaschinenstirnseite
bezeichnet.
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Der
Innenrotor 402 umfasst die mit der Nockenwelle verbundene
Nabe 404, mit 406 ist eine Ringnut zur Ölversorgung
von Bohrungen, wie 408, 322, bezeichnet. Dabei
erfolgt bei Beaufschlagung der Bohrung 444 eine Entriegelung,
eine Beaufschlagung der Bohrung 408 hat eine Verstellung
der Einrichtung zufolge. Ein Zentralkanal ist mit 448 bezeichnet.
Im vorliegenden Schnitt sind Zufluss- bzw. Abflussbohrungen 408, 410 sichtbar.
Der Innenrotor 402 ist in dem einen Ringbereich 414 und
einen Bodenbereich 416 umfassenden Außenrotor 412 aufgenommen,
welchem bodenseitig das Antriebsrad 420 zugeordnet ist.
Zur stirnseitigen Abdeckung ist der mit dem Außenrotor 412 mehrfach
verschraubte Deckel 426 vorgesehen.
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Brennkraftmaschinenstirnseitig
ist mit der Nabe 404 ein ein Geberrad 418 zur
Bestimmung der Nockenwellendrehlage aufnehmendes Nabenteil 422 drehfest
verbunden, wobei zur rotatorischen Festlegung ein Stift 420 dient.
Die Vorspann- bzw. Kompensationsfeder ist vorliegend als Spiralfeder 424 ausgeführt und
stützt
sich am Deckel (426) einerseits und am Nabenteil 422 andererseits
ab.
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In
der Stufenbohrung 428 (3: 308)
ist ein als Stufenbolzen 430 ausgeführter, in Verriegelungsstellung
in eine entsprechende Bohrung im Bodenbereich 416 des topfförmigen Außenrotors 412 eingreifender
und in Entriegelungsstellung außer
Eingriff stehender Bolzen axialbeweglich geführt. Der Stufenbolzen 430 weist
einen ersten Bereich 432 und einen zweiten, durchmesserverringerten
Bereich 434 auf, wobei zwischen erstem und zweitem Bereich eine
Stufe 436 mit in Bolzenachsrichtung flachringförmiger Stirnfläche gebildet
ist. Der Stufenbolzen 430 ist mittels einer Feder 438,
welche sich an einer von einem Sicherungsring 442 in axialer
Richtung gehaltenen Scheibe 440 abstützt, in Verriegelungsrichtung
federkraftbeaufschlagt. Geführt
ist der Stufenbolzen 430 in der korrespondierenden Stufenbohrung 428 sowohl
im Bereich 432 als auch in Bereich 434. Die flachringförmigen Stirnflächen der
Bohrung 428 und des Bolzens 430 begrenzen zusammen
mit dem nockenwellenseitigen, den großen Innendurchmesser aufweisenden
Bereich der Bohrung 428 einen Ringraum 446, welcher
mit der Bohrung 444 über
einen separaten Zu- bzw. Abfluss für ein Druckmedium, wie Öl, verfügt.
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Auf
besonders vorteilhafte Weise erfolgt vorliegend eine Beaufschlagung
des Bolzens 430 indem die Kanäle zur Zuführung des Druckmediums zur Bolzenbetätigung innerhalb
des Innenrotor 402 verlaufen, sodass eine Hindurchführung von
Druckmedium durch spaltbehaftete Bereiche Vermieden ist. Insbesondere
bei hohen Druckmediumtemperaturen und/oder bei hohen Drücken wird
auf diese Weise eine Leckage vermieden oder zumindest verringert, eine
Verstellung kann immer rasch erfolgen. Ein weiterer Vorteil ergibt
sich durch die parallele, nichtserielle Beaufschlagung des Bolzens 430 über die
Zu- bzw. Abflussbohrung 444, welche eine eigenständige, von
der Versorgung der zwischen den Pendeln und den Rotorflügeln gebildeten
Hauptdruckräume unabhängige Druckbeaufschlagung
des Bolzens 430 ermöglicht.
Der Bolzen 430 kann schnell in Entriegelungsstellung gebracht
werden, bevor der Druckaufbau in den Hauptdruckräumen zu einer Verdrehung von
Innen- 420 und Außenrotor 412 und
somit zu einer Verklemmung des Bolzens 430 führt. Gemäß eines
anderen Ausführungsbeispiels
geht zweckmäßigerweise
der Kanal 444 zur Druckbeaufschlagung des Bolzens 430 nicht
vom Ringkanal 406 aus, von welchem parallel auch der Kanal
zur Versorgung der Bohrung 408 zur Verstellung der Einrichtung
ausgeht, sondern wird separat druckmittelversorgt, sodass eine von
der Druckmittelversorgung zur Verstellung der Einrichtung vollkommen
unabhängige
Entriegelung ermöglicht
ist. Mittels der Vorspannfeder 438 ist der zur Entriegelung
erforderliche Druck einstellbar. Insbesondere bietet die vorliegende
Erfindung auch bei einer mit einer verstärkten Leckageproblematik verbundenen,
beispielsweise aluminium- oder magnesiumbasierten Leichtbauausführung besondere
Vorteile, da eine systematische Trennung der mechanischen Verriegelungsbolzenführung und der
hydraulischen Beaufschlagung umgesetzt wird.