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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 zu diesem zwischen
zwei Drehendlagen relativ verdrehbaren, drehfest mit der Nockenwelle verbundenen
nockenwellenfesten Bauteil wobei ein mit dem kurbelwellenfesten
Bauteil einerseits und dem nockenwellenfesten Bauteil andererseits
in Verbindung stehendes, außerhalb
der Vorrichtung angeordnetes Federmittel vorgesehen ist.
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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
100 07 200 A1 eine eingangs genannte Einrichtung zur stufenlos variablen
Nockenwellenverstellung, wobei das kurbelwellenfeste Bauteil mit
dem nockenwellenfesten Bauteil über
mindestens zwei innerhalb der Einrichtung gebildete Druckkammern
in Kraftübertragungsverbindung
steht, die bei Druckbeaufschlagung eine Relativdrehung oder eine
hydraulische Einspannung des nockenwellenfesten Bauteils gegenüber dem kurbelwellenfesten
Bauteil bewirken. Ferner weist die Einrichtung ein mit dem nockenwellenfesten
Bauteil verbundenes Impulsgeberrad zur Feststellung der Nockenwellenposition
sowie ein sowohl mit dem nockenwellenfesten Bauteil als auch mit
dem kurbelwellenfesten Bauteil verbundenes Federmittel zum Verdrehen
der Nockenwelle in eine für
den Start der Brennkraftmaschine bevorzugte Stellung auf.
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Gemäß der
DE 100 07 200 A1 ist
das Federmittel als mehrfach gewundene Flachspiralfeder ausgebildet,
deren inneres Ende drehfest am Impulsgeberrad und deren äußeres Ende
am kurbelwellenfesten Bauteil der Einrichtung befestigt ist. Das
Impulsgeberrad ist dabei als Scheibenförmiges Blechformteil mit einem
koaxialen, sich zur Einrichtung erstreckenden Befestigungsflansch
ausgebildet, mit dem es zusammen mit dem nockenwellenfesten Bauteil der
Einrichtung durch eine zentrale Befestigungsschraube an der Nockenwelle
verschraubt ist. Dieser Befestigungsflansch des Impulsgeberrades
ist auf einem Teil seiner axialen Länge als Hohlzylinder ausgebildet,
mit dem er durch die Axialseite der Vorrichtung hindurch an deren
nockenwellenfesten Bauteil anliegt.
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Bei
der mit der
DE 100
07 200 A1 gezeigten und beschriebenen Einrichtung stützt sich
das Federmittel am kurbelwellenfesten Bauteil einerseits und am
Impulsgeberrad andererseits ab, wobei das Impulsgeberrad reibschlüssig mit
dem nockenwellenfesten Bauteil verbunden ist; die Anpressung wird mittels
der zentralen Befestigungsschraube erreicht.
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Es
hat sich herausgestellt, dass die Montage und Einstellung dieser
Einrichtung aufwändig
ist, da – insbesondere
solange die zentralen Befestigungsschraube noch nicht angezogen
ist – sich
das nockenwellenfeste Bauteil und das Impulsgeberrad gegeneinander
verdrehen können.
Die kinematische Kette ausgehend von der Nockenwelle über das
nockenwellenfeste Bauteil, das Impulsgeberrad und das Federmittel
zum kurbelwellenfesten Bauteil ist nicht durchgehend eindeutig lagedefiniert.
Das Impulsgeberrad ist Teil der kinematischen Kette zwischen kurbelwellenfestem
Bauteil und nockenwellenfestem Bauteil, jedoch gegenüber dem
nockenwellenfesten Bauteil nicht eindeutig lagedefiniert.
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Der
Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, eine eingangs genannte
Einrichtung unter Vermeidung der genannten Nachteile weiter zu verbessern.
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Die
Lösung
der Aufgabe erfolgt mit den im Anspruch 1 angegebenen Merkmalen,
wobei gemäß der zugrunde
liegenden Idee sowohl das kurbelwellenfeste Bauteil und das Federmittel
als auch das Federmittel und das nockenwellenfeste Bauteil zueinander
bezüglich
der Einrichtungsachse rotatorisch eindeutig lagedefiniert sind,
sodass das Federmittel definiert vorspannbar ist.
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Besonders
zu bevorzugende Ausgestaltungen und Weiterbildungen sind Gegenstand
der Unteransprüche.
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Als
sehr vorteilhaft wird es angesehen, wenn das nockenwellenfeste Bauteil
eine Nabe umfasst, mit welcher ein Verbindungsteil für das Federmittel fest
verbunden ist und das kurbelwellenfeste Bauteil einen Deckel umfasst,
welcher ein Verbindungsteil für
das Federmittel aufweist.
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Zweckmäßigerweise
ist das Federmittel als Drehfeder mit zwei Schenkeln ausgebildet,
deren einer Schenkel mit dem Verbindungsteil der Nabe und deren
anderer Schenkel mit dem Verbindungsteil des Deckels in Verbindung
steht.
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Das
Federmittel erzeugt bevorzugt eine Vorspannung in Richtung der einer
frühen
Ventilbetätigung
zugeordneten Drehendlage. Ist die Nockenwellenverstelleinrichtung
auslassseitig angeordnet, erfolgt zweckmäßigerweise eine Überkompensation der
von der Ventilfeder erzeugten und über den Nocken eine Verdrehung
bewirkenden Kraft.
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Von
besonderer Zweckmäßigkeit
ist es, wenn das Federmittel abhängig
von der bei einer Betätigung
der Brennkraftmaschinenventile mittels der Nockenwelle erzeugten
Ventilkraft ausgelegt ist. Eine Auslegung kann bevorzugterweise
derart erfolgen, dass das Federmittel die Ventilkraft zumindest
annähernd
kompensiert. Ebenfalls bevorzugt ist eine Auslegung des Federmittels
zur Überkompensation
der Ventilkraft.
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Vorteilhafterweise
ist das Verbindungsteil der Nabe mittels eines Trägerteils
mit der Nabe verbunden und das Trägerteil zur Aufnahme eines
Impulsgeberrads zur Feststellung der Nockenwellenposition gegenüber der
Kurbelwellenposition geeignet.
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Als
besonders günstig
wird es angesehen, wenn das Trägerteil
zur Lagefixierung formschlüssig durch
einen zylindrischen Stift mit der Nabe verbunden ist, welcher axial
in der radialen Trennfläche
zwischen Nabe und Trägerteil
angeordnet ist. Zweckmäßigerweise
ist die Nabe zusammen mit dem Trägerteil
axial an der Nockenwelle zentral verschraubt.
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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 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 offen, ohne Deckel,
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3a eine
hydraulische Einrichtung zur stufenlos variablen Verstellung einer
Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit zwischen kurbelwellenfestem
Bauteil und nockenwellenfestem Bauteil wirksamen Federmittel und
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3b ein
nockenwellenfestes Bauteil einer hydraulischen Einrichtung zur stufenlos
variablen Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine
mit Federmittel.
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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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3a zeigt
eine hydraulische Einrichtung 300 zur stufenlos variablen
Verstellung einer Nockenwelle einer Brennkraftmaschine mit zwischen kurbelwellenfestem
Bauteil 302 und nockenwellenfestem Bauteil 304 wirksamen
Federmittel 306; das nockenwellenfestes Bauteil 304 mit Federmittel 306 ist
ohne das kurbelwellenfeste Bauteil 302 in 3b dargestellt.
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Die
Betätigung
der Ventile der Brennkraftmaschine erfolgt über eine kinematische Kette
ausgehend von der Kurbelwelle über
das als Außenrotor 302 ausgebildete
kurbelwellenfeste Bauteil, das gegenüber diesem zwischen zwei Drehendlagen
relativ verdrehbare, als Innenrotor 304 ausgebildete nockenwellenfeste
Bauteil und die Nockenwelle, wobei zwischen Außenrotor 302 und Innenrotor 304 das
als Drehfeder 306 ausgebildete Federmittel vorgesehen ist.
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Das
in 1 mit 110, 112 bezifferte Antriebsrad
ist mit 308 bezeichnet, der mit mehreren, diametral gegenüberliegend,
radial außerhalb
der Hauptdruckräume
angeordneten Schrauben 312 befestigte Deckel (1: 122, 124)
ist mit 310 bezeichnet. B kennzeichnet in den 3a, 3b das
brennkraftmaschinenstirnseitige und A das nockenwellenseitige Ende
der Verstelleinrichtung 300. Der Deckel 310 umfasst
ein zur Einrichtungsachse a exzentrisch angeordnetes, als bolzenförmiger Aufhängungspunkt 314 ausgebildetes
Verbindungsteil für
das Federmittel 306. Der Innenrotor 304 umfasst
eine Nabe 316, welche ein als bolzenförmiger Aufhängungspunkt 320 ausgebildetes
Verbindungsteil für
das Federmittel 306 aufweist. Die Drehfeder 306 stützt sich
nockenwellenseitig mit ihrem Schenkel 322 am der Nabe 316 zugeordneten
Aufhängungspunkt 320 einerseits
und mit ihrem Schenkel 324 am dem Deckel 310 zugeordneten
Aufhängungspunkt 314 andererseits
ab.
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Bei
einer Ventilbetätigung
erfolgt ein Kraftfluss ausgehend von der Kurbelwelle über den
Außenrotor 302 zum
Innenrotor 304, je nach Drehlage von Außenrotor 302 und Innenrotor 304 zueinander in
den Drehendlagen über
einen Formschluss zwischen Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 bzw. zwischen den Drehendlagen über in den
(Haupt-)Druckkammern gebildete Druckpolster und weiter zur Nockenwelle,
wobei die Gegenkraft durch die sich im wesentlichen aus der Ventilfederkraft,
Gaskräften und
Reibungskräften
zusammensetzende Ventilkraft bestimmt ist.
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Die
Drehlage von Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 zueinander ist – abgesehen von der verriegelten
Endlagenstellung – durch
ein Kräftegleichgewicht
bestimmt, welches insbesondere auf den in den Druckkammern gebildeten
Druckpolstern basiert, überlagert
von der Kraft der Drehfeder 306 und der Ventilkraft. Bei
Nockenwellendrehung wirkt die Ventilkraft oszillierend mit wechselndem
Vorzeichen, sodass einerseits ventilkraftbedingt eine Verstellung von
Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 zueinander erfolgen kann, wenn nicht entsprechend
hohe Drücke
in den Druckkammern anliegen und andererseits eine Verstellung von
Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 zueinander langsamer/kraftaufwändiger bzw. schneller/eine
geringer Kraft erfordernd erfolgen kann.
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Ein
Auslegungskriterium für
die Drehfeder 306 ist die Kompensation dieser Ventilkraft,
wobei insbesondere angestrebt ist bei einer Verstellung der Einrichtung 300 unabhängig vom
Vorzeichen der Ventilkraft eine zumindest annähernd gleiche Betätigungskraft
bzw. -geschwindigkeit zu erreichen. Dies wird durch eine Verschiebung
der Kraftoszillationskurve mittels der Kompensationsfederkraft zur
Nulllinie erreicht. Ferner ermöglicht
die Drehfeder beim Abstellen der Brennkraftmaschine, wenn die Druckkammern
zwischen Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 drucklos sind, eine Verstellung der Einrichtung 300 in
eine für
den Start der Brennkraftmaschine günstige Vorzugslage entsprechend
einer verriegelbaren Drehendlage zwischen Außenrotor 302 und Innenrotor 304.
Bei besonders hohen Systemanforderungen kann zweckmäßigerweise
die Ventilkraft überkompensiert
werden, sodass beim Abstellen der Brennkraftmaschine in einer zufälligen Lage
die Vorzugslage in jedem, auch im ungünstigen Fall einer entgegen
gerichteten Ventilkraft, eingestellt wird.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
entspricht die Vorzugslage der einer frühen Ventilbetätigung zugeordneten
Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung auslassseitig
und in der einer späten
Ventilbetätigung
zugeordneten Drehendlage, wenn die Nockenwellenverstelleinrichtung
einlassseitig angeordnet ist, sodass in der Vorzugslage eine geringe
Ventilüberschneidung
erreicht ist, was insbesondere bei Hochleistungsmotoren mit langen Ventilöffnungszeiten
wesentlich ist.
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Um
zu gewährleisten,
dass die Drehfeder 306 zum Innenrotor 304 rotatorisch
eindeutig lagedefiniert ist, ist der zur Einrichtungsachse a exzentrische
Aufhängungspunkt 320 fest
mit der Nabe 316 des Innenrotors 304 verbunden.
Vorliegend ist mit dem Innenrotor 304 ein Trägerteil 318 fest
verbunden, welches den Aufhängungspunkt 320 trägt. Der Aufhängungspunkt 320 ist
als mit dem Trägerteil 318 lösbar, beispielsweise
verschraubt, vernietet, verclincht, oder unlösbar, beispielsweise verschweißt, verlötet, verklebt,
verbundener Bolzen oder mit dem Trägerteil 318 einteilig
ausgebildet. Ebenfalls kann es zweckmäßig sein, den Aufhängungspunkt 320 durch einen
laschenartig umgebogenen Bereich des Trägerteils 318 zu bilden.
Insbesondere ist die Lage des Schenkels 322 der Drehfeder 306 zum
Innenrotor 304 rotatorisch definiert, auch ohne dass die
Einrichtung 300 mit der Nockenwelle verbunden ist. Das Trägerteil 318 ist
zur Aufnahme eines hier nicht gezeigten Impulsgeberrads geeignet,
hierzu sind Befestigungsstellen 326 vorgesehen. Das Impulsgeberrad
ist somit nicht Teil der kinematischen Kette zwischen Außenrotor 302 und
Innenrotor 304 und dementsprechend für die mechanische/hydraulische Funktion
der Einrichtung 300 nicht obligatorisch und, damit die
Verstelleinrichtung beliebig rotatorisch verbaut werden kann, nicht
positionsgebunden.
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Die
Lagedefinition zwischen Innenrotor 304 und Trägerteil 318 erfolgt
mittels eines zylindrischen Stifts 240, 340, wobei
der Stift 240, 340 im wesentlichen zur Lagefixierung
dient und eine Kraftübertragung
mittels einer Klemmverbindung mit Zentralschraube erfolgt.
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Besondere
Vorteile ergeben sich für
die Montage der Verstelleinrichtung 300, indem diese vormontiert
und in der Vorzugslage verriegelt werden kann, wobei aufgrund der
rotatorisch eindeutig definierten Lage sowohl des Außenrotors
(114, 116, 218, 302) und der
Drehfeder (306) als auch der Drehfeder (306) und
des Innenrotors (202, 304) zueinander die Drehfeder
(306) definiert vorgespannt ist.