DE102004028869A1

DE102004028869A1 - Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle

Info

Publication number: DE102004028869A1
Application number: DE200410028869
Authority: DE
Inventors: Jochen Dipl.-Ing. Auchter; Michael Dipl.-Ing. Busse (FH); Andreas Dipl.-Ing. Strauß; Dirk Dipl.-Ing. Heintzen; Lutz Dipl.-Ing. Witthöft; Jürgen Dipl.-Ing. Plate
Original assignee: INA Schaeffler KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2004-06-15
Filing date: 2004-06-15
Publication date: 2006-01-05

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle mit einem Rotor (5) mit daran angeordneten Flügeln (11) und einem drehfest mit einem Antriebsrad (3) verbundenen Stator (4). Der Rotor (5) und der Stator (4) bilden untereinander Druckkammern (12, 13), welche über ein Hydraulikflüssigkeitssystem (32) mit Hydraulikflüssigkeit befüllbar sind, wobei der Rotor im Bereich der Flügel (11) eine Aushöhlung (16) aufweist.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle, umfassend:
einen Rotor mit daran angeordneten Flügeln, der drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist und einen Stator, der drehfest mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad verbunden ist, wobei beidseits der Flügel Druckkammern vorgesehen sind, die über ein Hydrauliksystem mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagbar oder -entleerbar sind.

Hintergrund der Erfindung

Eine derartige Vorrichtung ist gattungsbildend aus der DE 199 63 094 A1 vorbekannt. Diese als so genannte Flügelzellenverstelleinrichtung ausgebildete Vorrichtung besteht im Wesentlichen aus einem mit einer Kurbelwelle der Brennkraftmaschine in Antriebsverbindung stehenden Stator, der drehfest mit einem Antriebsrad verbunden ist, und aus einem drehfest mit einer Nockenwelle der Brennkraftmaschine verbundenen Rotor. Der Stator weist dabei einen durch eine hohlzylindrische Umfangswand und zwei Seitenwände gebildeten Hohlraum auf, in dem durch Begrenzungswände hydraulische Arbeitsräume gebildet werden. Der Rotor weist am Umfang seiner Radnabe sich radial in jeweils einen Arbeitsraum des Antriebsrades erstreckende Flügel auf, welche die Arbeitsräume in jeweils zwei gegeneinander wirkende hydraulische Druckkammern unterteilen. Die Druckkammern jedes Arbeitsraumes sind gegeneinander abgedichtet und bewirken bei wahlweiser und gleichzeitiger Druckbeaufschlagung mit Hydraulikflüssigkeit aus einem Hydraulikflüssigkeitskreislauf, in der Regel mit Motoröl, eine Schwenkbewegung oder eine Fixierung des Rotors gegenüber dem Stator und damit der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle.

Viele der neueren Vorrichtungen zur Drehwinkelverstellung sind im Antriebssystem der Nockenwelle, im so genannten Steuertrieb, integriert. Dabei werden mechanische Schwingungen übertragen, die während des Motorbetriebs im Kurbeltrieb, im Steuertrieb oder im Ventiltrieb entstehen. Steht das Antriebsrad mit der Kurbelwelle beispielsweise durch einen Riemen oder eine Kette in Wirkverbindung, wandelt die Vorrichtung zudem eine translatorische Bewegung in eine rotatorische Bewegung um. Bei dieser Umwandlung werden zusätzlich mechanische Schwingungen erzeugt.

Da die Kraftübertragung bei Vorrichtungen zur Drehwinkelverstellung mit Flügelzellenprinzip durch hydraulisch eingespannte Flügel erfolgt, ist der Hydraulikflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine in die Kraftübertragung für den Antrieb der Nockenwelle eingebunden. Aufgrund von Lufteinschluss in der Hydraulikflüssigkeit und interner bzw. externer Ölleckage ist lediglich eine begrenzte Verdrehsteifigkeit zwischen der Antriebs- und der Abtriebsseite an der Vorrichtung möglich. Dadurch können die erwähnten mechanischen Schwingungen auf den Hydraulikflüssigkeitskreislauf der Brennkraftmaschine übertragen werden. Bei ungünstiger Anordnung der Vorrichtung im Steuertrieb können als Folge hohe Drücke bzw. Druckspitzen entstehen, die über 200 bar liegen.

Insbesondere wenn mehrere Vorrichtungen zur Drehwinkelverstellung beispielsweise durch einen Kettentrieb miteinander in Verbindung stehen und gegenphasig verstellt werden, kann die Kette durchhängen. Verstellen die Vorrichtungen dann erneut gegenphasig, aber in die entgegen gesetzte Richtung, kommt es zu plötzlichen hohen Kettenspannungen, die über die Statoren in die Druckkammern auf die Hydraulikflüssigkeit eingeleitet werden und dort die Druckspitzen hervorrufen. Sie sind desto höher, je größer die Drehwinkeldifferenz der Vorrichtungen sind.

Diese Druckspitzen sind sowohl für die Vorrichtung als auch für die Brennkraftmaschine schädlich. Zum einen reduzieren sie die Haltbarkeit der Komponenten, welche direkten Kontakt mit dem Hydraulikflüssigkeitskreislauf haben, zum anderen beeinflussen sie die Funktion von hydraulisch gesteuerten Systemen in diesem Hydraulikflüssigkeitskreislauf, wie beispielsweise einen hydraulischen Kettenspanner, in negativer Weise.

In der DE 198 37 693 A1 ist zur Lösung dieses Problems vorgeschlagen, den Hydraulikflüssigkeitsanschlüssen der Druckkammern jeweils ein in Richtung Hydraulikpumpe sperrendes Rückschlagventil vorzuschalten. Dabei bedarf es zusätzlichen Montageaufwands, weitere Bauteile in den Hydraulikflüssigkeitskreislauf zu integrieren, außerdem sind alle Bauteile bis zum Rückschlagventil weiterhin den Druckspitzen ausgesetzt.

Aufgabe der Erfindung

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, in einem Hydraulikflüssigkeitskreislauf mit einer Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung versehenen Brennkraftmaschine Druckschwankungen weitest möglich zu reduzieren und damit insbesondere Druckspitzen zu eliminieren bei gleichzeitiger Minimierung der Bauteileanzahl und des Montageaufwands.

Zusammenfassung der Erfindung

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe nach den Merkmalen des kennzeichnenden Teils des Anspruchs 1 gelöst. Demnach ist im Rotor im Bereich der Flügel eine Aushöhlung angeordnet. Bei den Vorrichtungen zur Drehwinkelverstellung im Stand der Technik werden die Flügel fixiert, indem sie in für sie in den Rotor eingebrachte Schlitze gesteckt werden, wodurch die Flügel sich nur mit dem Rotor in Umfangsrichtung bewegen können: In Bezug auf diesen können sie ihre Position in Umfangsrichtung nicht ändern.

Durch die erfindungsgemäße Aushöhlung werden die dort eingesteckten Flügel gegenüber dem Rotor verkippbar. Baut sich in einer der Druckkammern ein sehr großer Öldruck auf, wirkt dieser auf den Flügel und verkippt ihn aus seiner Ausgangslage. Dadurch schließt der Flügel im Außenbereich der Vorrichtung nicht mehr plan am Stator ab, und es bildet sich ein Spalt zwischen A- und B-Druckkammer. Durch diesen Spalt ist ein hydraulischer Kurzschluss entstanden, und Hydraulikflüssigkeit kann von der Kammer mit dem sehr großen Öldruck in die andere überströmen.

Damit ein Verkippen der Flügel nur bei sehr hohen Drücken und nicht bereits im normalen Arbeitsbereich vorkommt, sind die Flügel durch in Umfangsrichtung wirkende Federelemente abgestützt. Die Federkonstante dieser Federelemente ist dabei auf die jeweiligen Drücke in der Vorrichtung abgestimmt und entsprechend vorgespannt. Typischerweise werden zwei doppelt wirkende Federelemente pro Flügel in die Aushöhlung angeordnet, sie werden auf Zug und auf Druck beansprucht. Ihnen kommt damit auch eine Rückstellfunktion zu: Sobald sich die Druckspitze abgebaut hat, verkippen sie den Flügel wieder in seine Grundposition.

Prinzipiell ist die Form der Aushöhlung beliebig. Besonders vorteilhaft ist es jedoch, sie im Wesentlichen tropfenförmig mit einem sich zu den Druckkammern verjüngenden Ende auszuformen. Dadurch entstehen Rotornasen, deren kleinster Abstand dann dem Flügeldurchmesser entspricht. Dies hat den Vorteil, dass keine Schmutzpartikel in die Aushöhlung eindringen können, die die Funktion der Federelemente beeinträchtigen würden. Zweitens wird auf diese Weise der Flügel geführt, und die auftretenden Kräfte lassen sich gut abstützen. Drittens lassen sich die Rotornasen in einer Form gestalten, dass sie die Verkippung des Flügels begrenzen.

Durch die erfindungsgemäße Lösung werden die Druckspitzen relativ nah am Ort der Entstehung eliminiert. Sie beeinträchtigen damit andere Bauteile nicht mehr und werden zweitens ohne großen Zeitverzug beseitigt. Gegenüber dem Stand der Technik ist die Herstellung einer derartigen Vorrichtung auch nicht aufwändiger und damit kostenträchtiger. Dynamische Druckänderungen im Hydraulikflüssigkeitssystem werden aufgefangen und außerdem ein eventuelles Pulsieren des Volumenstroms verringert. Damit wird eine Verbesserung der Zuverlässigkeit der Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung und anderen hydraulischen Systemen in der Brennkraftmaschine erreicht. Außerdem wird die Dauerhaltbarkeit von Dichtungen und anderen Bauteilen erhöht.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von fünf Ausführungsbeispielen näher erläutert. In den dazugehörigen Zeichnungen zeigen dabei:
1a einen Längsschnitt einer hydraulisch wirkenden Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung,
1b einen Querschnitt der Vorrichtung aus 1a längs der Achse Ib-Ib,
2 einen Ausschnitt eines Querschnitts einer weiteren Vorrichtung zur Drehwinkelverstellung.
Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
Aus den 1a und 1b geht eine Vorrichtung 1 zur Drehwinkelverstellung zwischen einer nicht dargestellten Kurbelwelle und einer ebenfalls nicht dargestellten Nockenwelle hervor. Diese Vorrichtung 1 ist als Rotationskolbenverstelleinrichtung am antriebsseitigen Ende der im nicht dargestellten Zylinderkopf der Brennkraftmaschine gelagerten Nockenwelle befestigt und im Prinzip als hydraulischer Stellantrieb ausgebildet, der in Abhängigkeit von verschiedenen Betriebsparametern der Brennkraftmaschine durch ein Hydraulikventil 2 über Hydraulikflüssigkeitsleitungen 19 eines Hydraulikflüssigkeitssystems 17 gesteuert wird.
Des Weiteren geht hervor, dass die Vorrichtung 1 im Wesentlichen aus einem mit der Kurbelwelle über ein Antriebsrad 3 in Antriebsverbindung stehenden Stator 4 und einem drehfest mit der Nockenwelle verbundenen Rotor 5 besteht, wobei der Rotor 5 im Antriebsrad 3 schwenkbar gelagert ist und mit diesem in Kraftübertragungsverbindung steht. Das Antriebsrad 3 weist dabei einen durch eine hohlzylindrische Umfangswand 6 und zwei Seitenwände 7, 7' gebildeten Hohlraum auf, in dem durch zur Längsmittelachse der Vorrichtung 1 gerichtete radiale Bezugswände 8, 8' gleichmäßig umfangsverteilte hydraulische Arbeitsräume 9 gebildet werden. Der Rotor 5 weist dementsprechend am Umfang seiner Radnabe 10 gleichmäßig umfangsverteilte und sich jeweils in einen Arbeitsraum 9 des Antriebsrads 3 erstreckende Flügel 11 auf, welche die Arbeitsräume 9 in jeweils eine A-Druckkammer 12 und eine B-Druckkammer 13 unterteilen, die bei wahlweiser oder gleichzeitiger Druckbeaufschlagung mit einer Hydraulikflüssigkeit eine Schwenkbewegung oder Fixierung des Rotors 5 gegenüber dem Stator 4 und damit eine Drehwinkelverstellung oder eine hydraulische Einspannung der Nockenwelle gegenüber der Kurbelwelle bewirken.
Ebenfalls ist ein Verriegelungselement 14 ersichtlich, das zur Vermeidung eines aus den Wechselmomenten der Nockenwelle resultierenden Anschlagklapperns des Rotors 5 beim Start der Brennkraftmaschine dient. Das Verriegelungselement 14 ist bei Unterschreitung eines zur Verstellung erforderlichen Hydraulikflüssigkeitsdrucks in einer bevorzugten Basisposition innerhalb seines Verstellbereichs mit dem Stator 4 mechanisch gekoppelt. Die A-Druckkammern 12 und B-Druckkammern 13 sind durch Hydraulikflüssigkeitsleitungen 19 mit dem Hydraulikventil 2 verbunden.
2 zeigt den zwischen Stator 4 und Rotor 5 radial durch eine Flügelfeder 15 eingespannten Flügel 11. Der Flügel 11 trennt die A-Druckkammer 12 von der B-Druckkammer 13. Im Rotor 5 ist eine Aushöhlung 16 angeordnet, an dessen Seiten der Flügel 11 mit einem Federelement 18 abgestützt ist. Die Aushöhlung 16 ist vorzugsweise derart ausgebildet, dass Rotornasen 20 gebildet werden, die den Flügel 11 führen. Der Abstand der Rotornasen 20 voneinander entspricht dazu der Breite der Flügel 11. Dadurch wird der Kipppunkt Richtung Flügelmitte verlegt, und das System gewinnt an Stabilität.

1: Vorrichtung zur Drehwinkelver
: stellung
2: Hydraulikventil
3: Antriebsrad
4: Stator
5: Rotor
6: Hohlzylindrische Umfangswand
7, 7': Seitenwand
8, 8': Radiale Begrenzungswand
9: Hydraulischer Arbeitsraum
10: Radnabe
11: Flügel
12: A-Druckkammer
13: B-Druckkammer
14: Verriegelungselement
15: Flügelfeder
16: Aushöhlung
17: Hydraulikflüssigkeitssystem
18: Federelement
19: Hydraulikflüssigkeitsleitung
20: Rotornasen

Claims

Brennkraftmaschine mit einer hydraulischen Vorrichtung (1) zur Drehwinkelverstellung einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle, umfassend: einen Rotor (5) mit daran angeordneten Flügeln (11), der drehfest mit der Nockenwelle verbunden ist, einen Stator (4), der drehfest mit einem von der Kurbelwelle angetriebenen Antriebsrad (3) verbunden ist, wobei beiderseits der Flügel (11) A-Druckkammern (12) und B-Druckkammern (13) vorgesehen sind, die über ein Hydraulikflüssigkeitssystem (17) mit mindestens einem Hydraulikventil (2) durch Hydraulikflüssigkeitsleitungen (19) mit Hydraulikflüssigkeit druckbeaufschlagbar oder -entleerbar sind, dadurch gekennzeichnet, dass der Rotor (5) im Bereich der Flügel (11) mindestens eine Aushöhlung (16) aufweist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (16) eine Tropfenform besitzt, die sich nach radial außen verjüngt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (16) durch Rotornasen (20) von den Druckkammern (12, 13) separiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Flügel (11) und dem Rotor (5) in der Aushöhlung (16) mindestens ein in Umfangsrichtung wirkendes Federelement (18) angeordnet ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass das Federelement (18) vorgespannt ist.
Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Aushöhlung (16) durch Rotornasen (20) von den Druckkammern (12, 13) separiert ist, wobei die Rotornasen (20) derart ausgebildet sind, dass sie den maximal möglichen Federweg der Federelemente (18) begrenzen.