DE102008031978B4 - Hydraulischer Nockenwellenversteller mit Kurzschlussleitung - Google Patents
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Abstract
Description
- Gebiet der Erfindung
- Die Erfindung liegt auf dem technischen Gebiet der Brennkraftmaschinen undbetrifft einen hydraulischen Nockenwellenversteller gemäß Patentanspruch 1.
- Stand der Technik
- In modernen Brennkraftmaschinen ermöglichen Nockenwellenversteller eine Verstellung der relativen Drehlage (Phasenlage) zwischen Kurbel- und Nockenwelle zur Steuerung der Öffnungs- und Schließzeitpunkte der Gaswechselventile. Hierdurch sind eine Reihe vorteilhafter Effekte erzielbar, wie eine Verminderung des Schadstoffausstoßes, eine Senkung des Kraftstoffverbrauchs und eine Erhöhung von Wirkungsgrad, Maximaldrehmoment und Maximalleistung der Brennkraftmaschine.
- Allgemein umfassen Nockenwellenversteller ein mit der Kurbelwelle in Antriebsverbindung stehendes Antriebsteil, ein nockenwellenfestes Abtriebsteil und einen zwischen An- und Abtriebsteil geschalteten Stellantrieb, welcher das Drehmoment vom Antriebsteil auf das Abtriebsteil überträgt und eine Fixierung und Verstellung der relativen Drehlage zwischen diesen beiden ermöglicht.
- In der Praxis werden häufig hydraulische Nockenwellenversteller eingesetzt, die einen von der Kurbelwelle angetriebenen Außenrotor („Stator“) und einen zum Stator drehverstellbar gelagerten, nockenwellenfesten Innenrotor („Rotor“) umfassen. In so genannten Flügelzellenverstellern formt der Stator ein Mehrzahl in Umfangsrichtung verteilt angeordnete Arbeitsräume, in die sich jeweils ein mit dem Rotor verbundener radialer Flügel erstreckt, wodurch jeder Arbeitsraum in zwei gegeneinander arbeitende Druckkammern geteilt wird. Bezogen auf eine Antriebs- bzw. Arbeitsrichtung der Nockenwelle teilt jeder Flügel den Arbeitsraum in eine vorlaufende Druckkammer („Druckkammer B“) und eine nachlaufende Druckkammer („Druckkammer A“). Durch gezielte Druckbeaufschlagung der Druckkammern können die Flügel innerhalb der Arbeitsräume verschwenkt werden, wodurch eine Änderung der Phasenlage zwischen Nocken- und Kurbelwelle bewirkt wird.
- Während des Betriebs der Brennkraftmaschine treten an der Nockenwelle Wechselmomente auf, die auf den mit der Nockenwelle drehfest verbundenen Rotor übertragen werden. Grund hierfür ist, dass die Nocken im Bereich ihrer Anlauframpe die Gaswechselventile gegen die Federkraft der Ventilfedern öffnen müssen, andererseits im Bereich ihrer Ablauframpe von der Federkraft der Ventilfedern beaufschlagt werden. Bei ungenügender Ölversorgung, wie dies etwa während der Startphase der Brennkraftmaschine oder im Leerlauf der Fall ist, bewirken die Wechselmomente eine unkontrollierte Bewegung des Rotors, bei der die Flügel innerhalb der Arbeitsräume hin und her schlagen, was Verschleiß fördert und unerwünschte Geräusche verursacht. Zudem schwankt die Phasenlage zwischen Kurbel- und Nockenwelle stark, so dass die Brennkraftmaschine nicht startet oder unruhig läuft.
- Um dieses Problem zu vermeiden, werden hydraulische Nockenwellenversteller mit einer Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung von Stator und Rotor in einer so genannten Basisposition ausgerüstet. Als Basisposition wird eine für den Start der Brennkraftmaschine thermodynamisch günstige Phasenlage zwischen Kurbel- und Nockenwelle gewählt, die von der konkreten Auslegung der Brennkraftmaschine abhängt. Dies kann eine Früh-, Spät- oder Zwischenstellung sein, wobei - bezogen auf die Antriebsrichtung der Nockenwelle - die Spätstellung einer Enddrehlage bzw. maximale Verstellung des Rotors in Nachlaufrichtung (in der die Volumina der Druckkammern B jeweils maximal sind), die Frühstellung einer Enddrehlage bzw. maximale Verstellung des Rotors in Vorlaufrichtung (in der die Volumina der Druckkammern A maximal sind) und die Zwischenstellung einer Phasenlage, die sich zwischen der Früh- und der Spätstellung befindet, entspricht. Als Mittenstellung wird eine Zwischenstellung bezeichnet, die sich zumindest annähernd in der Mitte zwischen Früh- und Spätstellung befindet. Dementsprechend wird eine Verstellung des Rotors in einer zur Antriebsrichtung der Nockenwelle gleichen Drehrichtung als „Frühverstellung“ und eine Verstellung des Rotors in einer hierzu gegensätzlichen Drehrichtung als „Spätverstellung“ bezeichnet.
- Hydraulische Flügelzellenversteller mit einer Verriegelungseinrichtung zur drehfesten Verriegelung von Stator und Rotor in Basisposition sind als solche hinlänglich bekannt und beispielsweise in den Druckschriften
DE 20 2005 008 264 U1 ,EP 1 596 040 A2 ,DE 10 2005 013 141 A1 undDE 199 08 934 A1 der Anmelderin eingehend beschrieben. - Die
US 2008 / 0 092 837 A1 - Ist für einen hydraulischen Nockenwellenversteller eine Mittenverriegelung vorgesehen, so werden bei einem sachgerechten Abstellen der Brennkraftmaschine die Druckkammern A mit Druckmittel beaufschlagt, um hierdurch eine Frühverstellung des Rotors über die Basisposition hinaus zu bewirken. Aufgrund von Reib- bzw. Schleppmomenten, die inherent auf die Nockenwelle einwirken, wird der Rotor selbsttätig spätverstellt, so dass eine Verrieglung in Mittenstellung bei Motorstart erfolgen kann.
- Wird die Brennkraftmaschine jedoch nicht sachgerecht abgestellt, zum Beispiel beim „Abwürgen“ des Motors, kann eine hydraulische Frühverstellung des Rotors nicht mehr erfolgen, was bei einer Stellung des Rotors zwischen Spätstellung und Basisposition zur Folge hat, dass die Basisposition aufgrund der Reibmomente nicht mehr erreicht wird. Soll der Rotor für einen Neustart der Brennkraftmaschine in Früh- oder Zwischenstellung verriegelt werden, sind deshalb spezielle Frühverstellungseinrichtungen vorzusehen, durch die der Rotor mechanisch frühverstellt wird.
- Jedenfalls befindet sich bei einem Neustart der Brennkraftmaschine sowohl in den Druckkammern A als auch in den Druckkammern B noch Restöl, das über Leckagestellen nur relativ langsam ablaufen kann, wodurch ein Restdruck in den Druckkammern erzeugt wird. Der Füllstand der Druckkammern bzw. die Menge des Restöls hängt hierbei merklich von der Öltemperatur ab, da bei niedriger Öltemperatur aufgrund der geringeren Ölviskosität weniger Öl über Leckagestellen ablaufen kann als bei höherer Öltemperatur.
- Soll der Nockenwellenversteller zur Verriegelung in Basisposition durch eine solche Einrichtung frühverstellt werden, beispielsweise beim Neustart der Brennkraftmaschine, muss hierbei das noch in den Druckkammern B vorhandene Restöl verdrängt werden, so dass die Frühverstellung in der Regel sehr langsam abläuft. Dies gilt umso mehr als die Druckkammern B beim Start der Brennkraftmaschine typischer Weise mit der Ölpumpe und die Druckkammern A mit dem Öltank verbunden sind, so dass eine Verdrängung nur über die Leckagestellen erfolgen kann.
- Aufgabe der Erfindung
- Demgegenüber besteht die Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, einen hydraulischen Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine zur Verfügung zu stellen, durch den eine schnellere Frühverstellung des Rotors zum Erreichen der Basisposition zwecks Verriegelung durch eine Verriegelungseinrichtung ermöglicht ist.
- Lösung der Aufgabe
- Diese und weitere Aufgaben werden nach dem Vorschlag der Erfindung durch einen hydraulischen Nockenwellenversteller mit den Merkmalen des unabhängigen Patentanspruchs gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind durch die Merkmale der Unteransprüche angegeben.
- Erfindungsgemäß ist ein hydraulischer Nockenwellenversteller für eine Brennkraftmaschine gezeigt. Der Nockenwellenversteller umfasst ein mit einer Kurbelwelle in Antriebsverbindung bringbares, synchron mit der Kurbelwelle drehbares Antriebsteil und ein mit einer Nockenwelle drehfest verbindbares Abtriebsteil, das konzentrisch und drehverstellbar zum Antriebsteil gelagert ist. Zwischen An- und Abtriebsteil ist ein hydraulischer Stellantrieb geschaltet, welcher das Drehmoment vom Antriebs- auf das Abtriebsteil überträgt und eine Fixierung und Verstellung der relativen Drehlage zwischen diesen beiden ermöglicht.
- Die Phasenlage des Abtriebsteils ist innerhalb eines maximalen Drehwinkelbereichs verstellbar. Bezogen auf eine Dreh- bzw. Antriebsrichtung des Antriebsteils (im Weiteren als „Antriebsrichtung“ bezeichnet) ist das Abtriebsteil in einem Drehwinkelbereich zwischen einer in Antriebsrichtung vorauseilenden Enddrehlage (Frühstellung) und einer entsprechend nacheilenden Enddrehlage (Spätstellung) verstellbar.
- Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller umfasst weiterhin eine Verriegelungseinrichtung, durch welche An- und Abtriebsteil in einer von Spät- und Frühstellung verschiedenen, wählbaren Zwischenstellung (Basisposition) drehfest verriegelbar sind. An- und Abtriebsteil können beispielsweise in einer zumindest annähernd zwischen Früh- und Spätstellung befindlichen Mittenstellung drehfest verriegelt werden.
- Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller umfasst weiterhin eine Frühverstellungseinrichtung, durch welche das Abtriebsteils relativ zum Antriebsteil zwischen der zweiten Enddrehlage (Spätstellung) und der Basisposition in Richtung zur ersten Enddrehlage (Frühstellung) frühverstellbar ist.
- Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller zeichnet sich in wesentlicher Weise dadurch aus, dass er eine die gegeneinander wirkenden Druckkammern strömungstechnisch (fluidleitend) miteinander verbindende Kurzschlussleitung aufweist, welche mit einer schaltbaren Unterbrechungseinrichtung so gekoppelt ist, dass die Kurzschlussleitung bei einer Frühverstellung des Abtriebsteils durch die Frühverstellungseinrichtung nicht unterbrochen und andernfalls unterbrochen ist. Eine Frühverstellung des Abtriebsteils relativ zum Antriebsteil erfolgt bei nicht betriebenem Motor, d. h. ungenügender Druckmittelversorgung (zum Beispiel beim Start der Brennkraftmaschine), falls sich das Abtriebsteil in einer Phasenlage zwischen der Spätstellung und der Basisposition relativ zum Antriebsteil befindet. Falls sich das Abtriebsteil in einer Phasenlage zwischen der Frühstellung und der Basisposition relativ zum Antriebsteil befindet oder falls An- und Abtriebsteil in Basisposition verriegelt sind, ist die Kurzschlussleitung durch die Unterbrechungseinrichtung unterbrochen.
- Der erfindungsgemäße Nockenwellenversteller ermöglicht somit in vorteilhafter Weise eine Überleitung von Druckmittel von den in Antriebsrichtung vorlaufenden Druckkammern zu den in Antriebsrichtung nachlaufenden Druckkammern, wenn das Abtriebsteil relativ zum Antriebsteil frühverstellt wird, um An- und Abtriebsteil in Basisposition zu verriegeln.
- Bei einer technisch einfachen Realisierung umfasst die Verriegelungseinrichtung zwei Eingriffspaare, welche jeweils einen im An- oder Abtriebsteil aufgenommenen axialen Riegel (beispielsweise ein kolbenförmiger Verriegelungspin) und eine im entsprechend anderen Teil geformte Riegelkulisse aufweisen, wobei die beiden Eingriffspaare so ausgebildet sind, dass sie nur in Basisposition gleichzeitig in Eingriff bringbar sind, wobei ein erstes Eingriffspaar in Basisposition eine zur zweiten Enddrehlage (Spätstellung) gerichteten Spätverstellung des Abtriebsteils und ein zweites Eingriffspaar eine zur ersten Enddrehlage (Frühstellung) gerichtete Frühverstellung des Abtriebsteils hemmt, um An- und Abtriebsteil drehfest zu verriegeln. Hierbei mündet die Kurzschlussleitung jeweils in die Riegel der beiden Eingriffspaare aufnehmende Ausnehmungen, wobei die Riegel jeweils mit einem beispielsweise in Form einer Ringnut ausgebildeten Druckmittelkanal versehen sind, welcher so angeordnet ist, dass die Kurzschlussleitung bei eingreifendem (verriegeltem) ersten Eingriffspaar und bei gleichzeitig nicht eingreifendem (entriegeltem) zweiten Eingriffspaar nicht unterbrochen ist und andernfalls unterbrochen ist. Somit ist die Kurzschlussleitung unterbrochen, falls das erste Eingriffspaar und das zweite Eingriffspaar gleichzeitig verriegelt sind, oder falls das erste Eingriffspaar entriegelt und das zweite Eingriffspaar gleichzeitig verriegelt sind, oder falls das erste Eingriffspaar und das zweite Eingriffspaar gleichzeitig entriegelt sind.
- Vorteilhaft ist die Verriegelungseinrichtung in Form einer Rasterverriegelungseinrichtung ausgebildet und umfasst eine Mehrzahl Eingriffspaare, welche jeweils einen im An- oder Abtriebsteil aufgenommenen axialen Riegel (beispielsweise einen kolbenförmigen Verriegelungspin) und eine im entsprechend anderen Teil geformte Riegelkulisse aufweisen. Die Riegel können jeweils durch einen Bewegungsmechanismus in Eingriff mit den zugeordneten Riegelkulissen gebracht werden, beispielsweise indem sie durch ein Federelement in axialer Richtung aus ihrer Aufnahme gedrängt werden und durch eine stirnseitige Beaufschlagung mit Druckmittel in ihre Aufnahme zurückgedrängt werden können.
- Die Eingriffspaare sind hierbei so ausgebildet, dass deren Riegel zwischen der zweiten Enddrehlage (Spätstellung) und der Basisposition bei Frühverstellung des Abtriebsteils in sukzessiven Eingriff mit den zugehörigen Riegelkulissen bringbar sind, wobei die Riegelkulissen eine Spätverstellung des Abtriebsteils jeweils hemmen und eine Frühverstellung bis zum Erreichen der Basisposition zulassen. Besonders vorteilhaft sind die Eingriffspaare in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet.
- Die Erfindung erstreckt sich weiterhin auf eine Brennkraftmaschine, die mit wenigstens einem wie oben beschriebenen Nockenwellenversteller ausgerüstet ist.
- Darüber hinaus erstreckt sich die Erfindung auf ein Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine, die mit wenigstens einem wie oben beschriebenen Nockenwellenversteller ausgerüstet ist.
- Figurenliste
- Die Erfindung wird nun anhand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert, wobei Bezug auf die beigefügten Zeichnungen genommen wird. Gleiche bzw. gleich wirkende Elemente sind in den Zeichnungen mit denselben Bezugszahlen bezeichnet. Es zeigen:
-
1 in einer schematischen perspektivischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Flügelzellenversteller; -
2 in einer schematischen perspektivischen Ansicht den Flügelzellenversteller von1 ohne erste Seitenplatte; -
3 in einer schematischen perspektivischen Ansicht den Flügelzellenversteller von1 mit durchscheinender erster Seitenplatte zur Darstellung der Riegelkulissen; -
4 in einer schematischen perspektivischen Teilschnittansicht den Flügelzellenversteller von1 ; -
5 in einer schematischen perspektivischen Ansicht den Flügelzellenversteller von1 ohne erste Seitenplatte und Riegel; -
6 in einer schematischen Darstellung einen radialen Schnitt im Bereich der Kurzschlussleitung durch den Flügelzellenversteller von5 ; -
7-10 verschiedene schematische Axialschnittdarstellungen zur Veranschaulichung verschiedener Eingriffszustände des ersten und zweiten Riegels des Flügelzellenverstellers von1 . - Ausführliche Beschreibung der Zeichnungen
- Unter Bezugnahme auf
1 bis6 wird ein auf dem Rotationskolbenprinzip basierender und als hydraulischer Flügelzellenversteller ausgebildeter Nockenwellenversteller1 beschrieben. Der Flügelzellenversteller1 umfasst als Antriebsteil einen mit einer (nicht dargestellten) Kurbelwelle über ein Kettenrad4 in Antriebsverbindung stehenden Außenrotor bzw. Stator2 und als Abtriebsteil einen in einem zentralen Hohlraum des Stators2 konzentrisch angeordneten Innenrotor bzw. Rotor3 , der beispielsweise mittels einer Schraubenverbindung drehfest mit einer (nicht dargestellten) Nockenwelle an deren Stirnseite angebracht ist. Der Stator2 wird synchron mit der Kurbelwelle im Uhrzeigersinn gedreht (wie durch den Pfeil in1 angegeben ist), wodurch die Arbeits- bzw. Antriebsrichtung der Nockenwelle festgelegt wird. - Eine den Hohlraum des Stators
2 begrenzende Innenmantelfläche5 ist mit mehreren, in Umfangsrichtung verteilt angeordneten, radialen Ausnehmungen versehen, die jeweils von einer ersten radialen Seitenwand6 , einer zweiten radialen Seitenwand7 und einer äußeren Umfangswand8 begrenzt sind. Über innere Umfangswände9 , die einer Außenmantelfläche10 des Rotors3 anliegen, ist der Stator2 drehbar auf dem Rotor3 gelagert. Die radialen Ausnehmungen des Stators2 formen gemeinsam mit der Außenmantelfläche10 des Rotors3 und zwei axialen Dichtflächen, welche weiter unten näher erläutert werden, fünf in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnete hydraulische Arbeitsräume11 . Lediglich der Vollständigkeit halber sei erwähnt, dass eine größere oder kleinere Anzahl von Arbeitsräumen möglich ist. - In jeden Arbeitsraum
11 ragt, ausgehend vom Rotor3 , radial auswärts ein Flügel12 , wodurch die Arbeitsräume11 jeweils in ein Paar gegeneinander wirkender Druckkammern13 ,14 geteilt werden. Bezogen auf die Antriebsrichtung des Stators2 sind dies eine vorlaufende erste Druckkammer13 („Druckkammer B“) und eine nachlaufende zweite Druckkammer14 (Druckkammer „A“). Die Flügel12 sind jeweils in Axialnuten15 aufgenommen, die in der Außenmantelfläche11 des Rotors3 geformt sind. Alternativ könnten die Flügel12 auch am Rotoraußendurchmesser angesintert sein. - Der Stator
2 formt ein den Rotor3 druckdicht kapselndes Gehäuse mit zwei axialen Seiten- bzw. Dichtplatten, eine von der Nockenwelle weiter entfernt angeordnete erste Seitenplatte16 mit einer der Nockenwelle zugewandten ersten Dichtfläche27 und eine zur Nockenwelle näher angeordnete zweite Dichtplatte17 mit einer von der Nockenwelle abgewandten zweiten Dichtfläche28 , durch welche die Arbeitsräume11 bzw. Druckkammern13 ,14 in axialer Richtung druckdicht verschlossen werden. In die beiden Druckkammern13 ,14 eines jeden Arbeitsraums11 münden jeweils Druckmittelleitungen18 , durch welche Druckmittel (Hydrauliköl) den Druckkammern13 ,14 zugeführt oder von diesen abgeleitet werden kann. Durch gezielte Beaufschlagung mit Hydrauliköl kann zwischen dem Druckkammerpaar13 ,14 eines jeden Arbeitsraums11 ein Druckgefälle aufgebaut werden, wodurch ein Verschwenken der Flügel12 und somit eine Änderung der relativen Drehlage (Phasenlage) des Rotors3 zum Stator2 bewirkt wird. - Die erste radiale Seitenwand
6 und die zweite radiale Seitenwand7 eines jeden Arbeitsraums11 bilden jeweils einen Endanschlag für den in den Arbeitsraum11 ragenden Flügel12 . Bezogen auf die Arbeitsrichtung der Nockenwelle befindet sich der Rotor3 in Spätstellung, falls die Flügel12 jeweils der ersten radialen Seitenwand6 anliegen. Andererseits befindet sich der Rotor3 in Frühstellung, falls die Flügel12 jeweils der zweiten radialen Seitenwand7 anliegen. Durch die beiden Endanschläge ist ein maximal möglicher Verstellwinkel des Rotors3 zum Stator2 vorgegeben. - Treten während des Betriebs der Brennkraftmaschine Wechselmomente an der Nockenwelle auf, werden diese bei einer ungenügenden Druckmittelversorgung auf den Rotor
3 übertragen. Um zu vermeiden, dass die Flügel12 in den Arbeitsräumen11 in unkontrollierter Weise hin und her schlagen, kann der Rotor3 durch eine Rasterverriegelungseinrichtung mit dem Stator2 in Mittenstellung drehfest verriegelt werden. - Die Rasterverriegelungseinrichtung umfasst zu diesem Zweck fünf Eingriffspaare, die jeweils einen axialen Riegel
19 ,20 ,34 ,35 ,36 umfassen, der in einer im Rotor3 geformten axialen Ausnehmung20 ,21 ,37 ,38 ,39 aufgenommen ist und in Eingriff mit einer von der ersten Dichtfläche27 der ersten Seitenplatte16 geformten, zugehörigen Riegelkulisse29 ,30 ,40 ,41 ,42 gebracht werden kann. Im Gegenuhrzeigersinn betrachtet, umfassen die Eingriffspaare einen in einer ersten Ausnehmung21 aufgenommenen ersten Riegel19 mit einer zugehörigen ersten Riegelkulisse29 , einen in einer zweiten Ausnehmung22 aufgenommenen zweiten Riegel20 mit einer zugehörigen zweiten Riegelkulisse30 , einen in einer dritten Ausnehmung37 aufgenommenen dritten Riegel34 mit einer zugehörigen dritten Riegelkulisse40 , einen in einer vierten Ausnehmung38 aufgenommenen vierten Riegel35 mit einer zugehörigen vierten Riegelkulisse41 und einen in einer fünften Ausnehmung39 aufgenommenen fünften Riegel36 mit einer zugehörigen fünften Riegelkulisse42 . - Mit Ausnahme der Gestaltung der Riegelkulissen
29 ,30 ,40 ,41 ,42 haben die Eingriffspaare einen zueinander gleichen Aufbau. Die Riegel19 ,20 ,34 ,35 ,36 werden jeweils durch ein Federelement in Richtung zur ersten Dichtfläche27 der ersten Seitenplatte16 gedrängt und können stirnseitig hydraulisch beaufschlagt werden, wodurch sie entgegen der Federkraft der jeweiligen Federelemente in ihre Ausnehmungen20 ,21 ,37 ,38 ,39 im Rotor3 zurückgedrängt werden können. Zu diesem Zweck mündet in die Riegelkulissen29 ,30 ,40 ,41 ,42 jeweils eine Druckmittelleitung zur Versorgung mit Druckmittel, beispielsweise über die Druckkammern „A“ oder „B“, beziehungsweise13 oder14 , oder eine separate Druckmittelversorgung. Beispielhaft ist dies für den ersten und zweiten Riegel19 und20 gezeigt, wobei der erste Riegel19 bzw. zweite Riegel20 durch ein sich an einem ersten Ansatz25 bzw. zweiten Ansatz26 abstützendes erstes Federelement23 bzw. zweites Federelement24 in Richtung zur ersten Dichtfläche27 der ersten Seitenplatte16 gedrängt werden. Zur hydraulischen Beaufschlagung mündet in die erste Riegelkulisse29 bzw. zweite Riegelkulisse30 jeweils eine Druckmittelleitung31 zur Versorgung mit Druckmittel. - In
3 und4 ist jeweils eine Situation dargestellt, in der sich der Rotor3 in Basisposition (Mittenstellung) befindet, in der der erste Riegel19 und der zweite Riegel20 in die zugehörige Riegelkulisse29 ,30 greifen können. Wie3 entnommen werden kann, sind die erste und zweite Riegelkulisse29 ,30 so geformt, dass der erste Riegel19 einer ersten radialen Kulissenwand32 in der einen Umfangsrichtung und der zweite Riegel20 einer zweiten radialen Kulissenwand33 in der anderen Umfangsrichtung anliegt, so dass eine Verstellung des Rotors3 sowohl in der einen als auch in der anderen Umfangsrichtung gehemmt und der Rotor3 und der Stator2 somit drehfest verriegelt sind. - Durch die drei anderen Eingriffspaare, d. h. dritter bis fünfter Riegel
34 -35 mit zugehöriger dritter bis fünfter Riegelkulisse40 -42 , wird bei einer Frühverstellung des Rotors3 zwischen der Spätstellung und der Basisposition (Mittenstellung) in sukzessiver Weise eine Spätverstellung des Rotors3 gehemmt und eine weitere Frühverstellung bis zum Erreichen der Basisposition zugelassen. Kann die Basisposition des Rotors3 beim Stoppen der Brennkraftmaschine nicht regeltechnisch (das heißt aufgrund Druckmittelregelung) eingenommen werden, bewirkt die Rasterverriegelungseinrichtung bei ungenügender Druckmittelversorgung im Zusammenwirken mit den auf die Nockenwelle übertragenen Wechselmomenten, dass die Basisposition des Rotors3 eingenommen und der Rotor3 und der Stator2 drehfest verriegelt werden. - Wie
3 entnommen werden kann, sind die Riegelkulissen29 ,30 ,40 -42 zu diesem Zweck so ausgebildet, dass bei Spätstellung des Rotors3 lediglich der erste Riegel19 in die erste Riegelkulisse29 greifen kann und alle übrigen Riegel34 -36 nicht in die zugehörige Riegelkulisse40 -42 greifen können. Ausgehend von der Spätstellung des Rotors3 kann bei einer fortschreitenden Frühverstellung des Rotors3 zunächst der dritte Riegel34 in die dritte Riegelkulisse40 greifen, gefolgt von einem Eingriff des vierten Riegels35 in die vierte Riegelkulisse41 , gefolgt von einem Eingriff des fünften Riegels36 in die fünfte Riegelkulisse42 , und schließlich gefolgt von einen Eingriff des zweiten Riegels20 in die zweite Riegelkulisse30 . Durch jeden nachfolgenden Eingriff eines Riegels19 ,20 ,34 -36 in die zugehörige Riegelkulisse29 ,30 ,40 -42 wird in immer näher an der Basisposition liegenden Phasenlagen eine Spätverstellung des Rotors3 gehemmt, so dass die Basisposition durch das sukzessive Einrasten der Riegel19 ,20 ,34 -36 in die Riegelkulissen29 ,30 ,40 -42 aufgrund der einwirkenden Wechselmomente erreicht werden kann. Die erste Riegelkulisse29 ist hierbei so ausgebildet, dass sie in Mittenstellung bzw. Basisposition eine weitere Frühverstellung hemmt, um gemeinsam mit dem in Eingriff befindlichen zweiten Riegel20 eine drehfeste Verriegelung von Stator2 und Rotor3 zu realisieren. Die Eingriffspaare sind so ausgebildet, dass sie auf Basis einer mittleren Auslenkung infolge der Wechselmomente der Nockenwelle in Eingriff gelangen können. - Durch entsprechende Druckbeaufschlagung können alle fünf Eingriffspaare gleichzeitig hydraulisch entriegelt werden, um eine Verstellung der Phasenlage zwischen Stator
2 und Rotor3 während des Betriebs der Brennkraftmaschine zu ermöglichen. - Der Nockenwellenversteller
1 ist mit einer im Rotor3 geformten Kurzschlussleitung43 zur strömungstechnischen Verbindung der zweiten Druckkammer14 des in Umfangsrichtung zwischen dem zweiten Riegel20 und dem fünften Riegel36 angeordneten Arbeitsraums11 mit der ersten Druckkammer13 des in Umfangsrichtung zwischen dem ersten Riegel19 und dem dritten Riegel34 angeordneten Arbeitsraums11 versehen. Da alle ersten Druckkammern13 über eine in den Figuren nicht näher dargestellte Druckmitteleitung strömungstechnisch miteinander verbunden sind und da alle zweiten Druckkammern14 über eine ebenfalls in den Figuren nicht näher dargestellte Druckmittelleitung strömungstechnisch miteinander verbunden sind, werden alle ersten Druckkammern13 und alle zweiten Druckkammern14 über die Kurzschlussleitung43 strömungstechnisch miteinander verbunden. - Die Kurzschlussleitung
43 ist aus drei Teilabschnitten zusammengesetzt, einem zwischen der zweiten Druckkammer14 und der ersten Ausnehmung21 angeordneten ersten Kurzschlussleitungsabschnitt46 , der sowohl in die zweite Druckkammer14 als auch in die erste Ausnehmung21 mündet, einem zwischen der ersten Ausnehmung21 und der zweiten Ausnehmung22 angeordneten zweiten Kurzschlussleitungsabschnitt47 , der sowohl in die erste Ausnehmung21 als auch in die zweite Ausnehmung22 mündet, und einem zwischen der zweiten Ausnehmung22 und der ersten Druckkammer13 angeordneten dritten Kurzschlussleitungsabschnitt48 , der sowohl in die zweite Ausnehmung22 als auch in die erste Druckkammer13 mündet. - In die Außenumfangsfläche des zylindrisch geformten ersten Riegels
19 ist in Umfangsrichtung eine erste Ringnut44 eingearbeitet, die in axialer Höhe so angeordnet ist, dass sie eine strömungstechnische Verbindung des ersten Kurzschlussleitungsabschnitts46 mit dem zweiten Kurzschlussleitungsabschnitt47 herstellt, falls der erste Riegel19 in die erste Riegelkulisse29 greift, und eine strömungstechnische Verbindung des ersten Kurzschlussleitungsabschnitts46 mit dem zweiten Kurzschlussleitungsabschnitt47 unterbindet, falls der erste Riegel19 nicht in die erste Riegelkulisse29 greift. Auf diese Weise wird ein erstes schaltbares Unterbrechungselement zum strömungstechnischen Verbinden bzw. Unterbrechen des ersten Kurzschlussleitungsabschnitts46 und zweiten Kurzschlussleitungsabschnitts47 geschaffen. - In die Außenumfangsfläche des zylindrisch geformten zweiten Riegels
20 ist in Umfangsrichtung eine zweite Ringnut45 eingearbeitet, die in axialer Höhe so angeordnet ist, dass sie eine strömungstechnische Verbindung des zweiten Kurzschlussleitungsabschnitts47 mit dem dritten Kurzschlussleitungsabschnitt48 herstellt, falls der zweite Riegel20 nicht in die zweite Riegelkulisse30 greift, und eine strömungstechnische Verbindung des zweiten Kurzschlussleitungsabschnitts47 mit dem dritten Kurzschlussleitungsabschnitt48 herstellt, falls der zweite Riegel20 in die zweite Riegelkulisse30 greift. Auf diese Weise wird ein zweites schaltbares Unterbrechungselement zum strömungstechnischen Verbinden bzw. Unterbrechen des zweiten Kurzschlussleitungsabschnitts47 und dritten Kurzschlussleitungsabschnitts48 geschaffen. - Der erste Riegel
19 und zweite Riegel20 bzw. die darin eingearbeitete erste Ringnut44 bzw. zweite Ringnut45 formen in Zusammenwirken mit der Kurzschlussleitung43 bzw. deren Abschnitte46 -48 zwei schaltbare Unterbrechungselemente (im Sinne einer schaltbaren Unterbrechungseinrichtung), durch die die Kurzschlussleitung43 freigegeben oder unterbrochen werden kann. - Unter Bezugnahme auf
7 bis10 erfolgt nun eine Beschreibung der vier möglichen Schaltzustände der beiden Schaltelemente. - In
7 ist ein erster Schaltzustand gezeigt, bei dem sowohl der erste Riegel19 als auch der zweite Riegel20 in die jeweils zugehörige Riegelkulisse29 bzw.30 greifen, d. h. die beiden Riegel19 ,20 sind verriegelt. Diese Situation tritt dann auf, wenn sich der Rotor3 in Basisposition (Mittenstellung) befindet und Rotor3 und Stator2 drehfest miteinander verriegelt sind. In diesem Fall befindet sich die zweite Ringnut45 nicht auf gleicher axialer Höhe zur Kurzschlussleitung43 (bzw. zum zweiten Kurzschlussleitungsabschnitt47 und dritten Kurzschlussleitungsabschnitt48 ), so dass die Kurzschlussleitung43 unterbrochen ist. Die ersten Druckkammern13 sind mit den zweiten Druckkammern14 strömungstechnisch nicht verbunden, was bei einer drehfesten Verriegelung von Rotor3 und Stator2 nicht erforderlich ist. - In
8 ist ein zweiter Schaltzustand gezeigt, bei dem nur der erste Riegel19 , nicht aber der zweite Riegel20 in die jeweils zugehörige Riegelkulisse29 bzw.30 greift, d. h. der erste Riegel19 ist verriegelt und der zweite Riegel20 ist entriegelt. Diese Situation tritt dann auf, wenn sich der Rotor3 in einer Phasenlage zum Stator2 zwischen der Spätstellung und Basisposition (Mittenstellung) befindet. In diesem Fall befinden sich beiden Ringnuten44 ,45 auf gleicher axialer Höhe zur Kurzschlussleitung43 , so dass die Kurzschlussleitung43 nicht unterbrochen ist. Die ersten Druckkammern13 sind mit den zweiten Druckkammern14 strömungstechnisch verbunden. In diesem Fall kann bei einer Frühverstellung des Rotors3 in Richtung Basisposition (Verringerung des Volumens der zweiten Druckkammern14 ) ein Überströmen von Druckmittel (Hydrauliköl) von den zweiten Druckkammern14 (Druckkammern B) in die ersten Druckkammern13 (Druckkammern A) erfolgen, so dass weniger in den zweiten Druckkammern14 verbliebenes Druckmittel bei der Frühverstellung des Rotors verdrängt werden muss und die Basisposition schneller erreicht werden kann. Dieser Fall tritt typischer Weise bei einem Motorstart auf, wenn die Basisposition beim Abstellen des Motors nicht erreicht wurde. - In
9 ist ein dritter Schaltzustand gezeigt, bei dem nur der zweite Riegel20 , nicht aber der erste Riegel19 in die jeweils zugehörige Riegelkulisse29 bzw.30 greift, d. h. der erste Riegel19 ist entriegelt und der zweite Riegel20 ist verriegelt. Diese Situation tritt dann auf, wenn sich der Rotor3 in einer Phasenlage zwischen der Basisposition (Mittenstellung) und Frühstellung befindet. In diesem Fall befinden sich beide Ringnuten44 ,45 nicht auf gleicher axialer Höhe zur Kurzschlussleitung43 , so dass die Kurzschlussleitung43 unterbrochen ist. Die ersten Druckkammern13 sind mit den zweiten Druckkammern14 strömungstechnisch nicht verbunden, was aufgrund der Stellung des Rotors3 nicht erforderlich ist. - In
10 ist ein vierter Schaltzustand gezeigt, bei dem weder der erste Riegel19 noch der zweite Riegel20 in die jeweils zugehörige Riegelkulisse29 bzw.30 greifen, d. h. der erste Riegel19 und der zweite Riegel20 sind entriegelt. Diese Situation tritt im Motorbetrieb auf, um eine Einstellung der Phasenlage zwischen Stator2 und Rotor3 zu ermöglichen. In diesem Fall befindet sich die erste Ringnut43 nicht auf gleicher axialer Höhe zur Kurzschlussleitung43 , so dass die Kurzschlussleitung43 unterbrochen ist. Die ersten Druckkammern13 sind mit den zweiten Druckkammern14 strömungstechnisch nicht verbunden, was aufgrund des Motorbetriebs nicht erwünscht ist. - Zusammenfassung
- Die Erfindung zeigt einen Nockenwellenversteller
1 mit Zwischenverriegelung, die im Ausführungsbeispiel über eine von Wechselmomenten der Nockenwelle angetriebene Rasterverriegelungseinrichtung realisiert ist. Um bei einer ungenügenden Druckmittelversorgung, insbesondere beim Motorstart, Rotor3 und Stator2 in Basisposition verriegeln zu können, ist für den Fall, dass sich Rotor3 und Stator2 in einer Phasenlage zwischen Früh- und Zwischenstellung befinden, eine Frühverstellung des Rotors3 erforderlich, die ein Verdrängen von in den Druckkammern14 verbliebenem Druckmittel erfordert. Da die Druckkammern14 aufgrund des restlichen Druckmittels nur schwer komprimierbar sind, kann eine Verstellung bislang nur relativ langsam erfolgen, abhängig von der Temperatur bzw. Viskosität des Druckmittels und den vorhandenen Leckagestellen. Durch einen Kurzschluss zwischen den Druckkammern14 und Druckkammern13 kann Druckmittel von den Druckkammern14 in die Druckkammern13 geleitet werden, so dass sich bei der Rasterverriegelung die Schwingungsamplitude der Nockenwelle bzw. des Rotors3 erhöhen, wodurch die Verstellzeit verringert wird. Dieser Effekt wirkt sich umso stärker aus, je kälter das Druckmittel bzw. je geringer die Viskosität des Druckmittels ist. Bei entriegeltem Rotor3 und Stator2 muss der Kurzschluss wieder unterbrochen werden, da dies sonst eine sehr hohe Leckage während des Motorbetriebs und gegebenenfalls Schmierprobleme zur Folge hätte. Eine Unterbrechung des Kurzschlusses erfolgt durch zwei zur drehfesten Verriegelung von Rotor3 und Stator2 eingesetzte Riegel19 ,20 mit umlaufender Ringnut44 ,45 , die gemeinsam wie ein (logischer) „ODER“-Schalter mit vier verschiedenen Schaltzuständen wirken. Die vier verschiedenen Schaltzustände können durch die unterschiedliche Lage (axiale Ebene) der Ringnuten44 ,45 in einfacher Weise realisiert werden. - Bezugszeichenliste
-
- 1
- Flügelzellenversteller / hydraulischer Nockenwellenversteller
- 2
- Stator / Antriebsteil
- 3
- Rotor / Abtriebsteil
- 4
- Kettenrad
- 5
- Innenmantelfläche
- 6
- erste radiale Seitenwand
- 7
- zweite radiale Seitenwand
- 8
- äußere Umfangswand
- 9
- innere Umfangswand
- 10
- Außenmantelfläche
- 11
- Arbeitsraum
- 12
- Flügel / Dichtelement
- 13
- erste Druckkammer
- 14
- zweite Druckkammer
- 15
- Axialnut
- 16
- erste Seitenplatte
- 17
- zweite Seitenplatte
- 18
- Druckmittelleitung
- 19
- erster Riegel
- 20
- zweiter Riegel
- 21
- erste Ausnehmung
- 22
- zweite Ausnehmung
- 23
- erstes Federelement
- 24
- zweites Federelement
- 25
- erster Ansatz
- 26
- zweiter Ansatz
- 27
- erste Dichtfläche
- 28
- zweite Dichtfläche
- 29
- erste Riegelkulisse
- 30
- zweite Riegelkulisse
- 31
- Druckmittelleitung
- 32
- erste radiale Kulissenwand
- 33
- zweite radiale Kulissenwand
- 34
- dritter Riegel
- 35
- vierter Riegel
- 36
- fünfter Riegel
- 37
- dritte Ausnehmung
- 38
- vierte Ausnehmung
- 39
- fünfte Ausnehmung
- 40
- dritte Riegelkulisse
- 41
- vierte Riegelkulisse
- 42
- fünfte Riegelkulisse
- 43
- Kurzschlussleitung
- 44
- erste Ringnut
- 45
- zweite Ringnut
- 46
- erster Kurzschlussleitungsabschnitt
- 47
- zweiter Kurschlussleitungsabschnitt
- 48
- dritter Kurzschlussleitungsabschnitt
Claims (10)
- Hydraulischer Nockenwellenversteller (1) für eine Brennkraftmaschine, welcher ein mit einer Kurbelwelle in Antriebsverbindung bringbares Antriebsteil (2), ein mit einer Nockenwelle drehfest verbindbares Abtriebsteil (3), das drehverstellbar zum Antriebsteil (2) gelagert ist und dessen Drehlage zum Antriebsteil (2), bezogen auf eine Antriebsrichtung der Nockenwelle, zwischen einer vorlaufenden ersten Enddrehlage und einer nachlaufenden zweiten Enddrehlage durch einen Stellantrieb verstellbar ist, wobei der Stellantrieb mindestens einen Arbeitsraum (11) umfasst, der durch ein Dichtelement (Flügel 12) in ein Paar gegeneinander wirkender Druckkammern (13, 14) geteilt wird, eine Verriegelungseinrichtung (19, 20, 29, 30) zur drehfesten Verriegelung von An- und Abtriebsteil (2, 3) in einer von den beiden Enddrehlagen verschiedenen Basisposition, sowie eine Frühverstellungseinrichtung (19, 20, 29, 30, 34-36, 40-42) durch welche das Abtriebsteil (3) relativ zum Antriebsteil (2) zwischen der zweiten Enddrehlage und der Basisposition frühverstellbar ist, umfasst, ferner eine die Druckkammern (13, 14) strömungstechnisch miteinander verbindende Kurzschlussleitung (43) vorgesehen ist, welche mit einer schaltbaren Unterbrechungseinrichtung (19, 20, 21, 22, 44, 45) so zusammenwirkt, dass die Kurzschlussleitung (43) bei einer Frühverstellung des Abtriebsteils (3) durch die Frühverstellungseinrichtung (19, 20, 29, 30, 34-36, 40-42) nicht unterbrochen und andernfalls unterbrochen ist.
- Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (19, 20, 29, 30) zwei Eingriffspaare (19, 20, 29, 30) umfasst, welche jeweils einen im An- oder Abtriebsteil (2, 3) aufgenommenen axialen Riegel (19, 20) und eine im entsprechend anderen Teil geformte Riegelkulisse (29, 30) umfassen, wobei die beiden Eingriffspaare (19, 20, 29, 30) so ausgebildet sind, dass sie in Basisposition gleichzeitig in Eingriff bringbar sind, wobei ein erstes Eingriffspaar (19, 29) eine Spätverstellung des Abtriebsteils (3) und ein zweites Eingriffspaar (20, 30) eine Frühverstellung des Abtriebsteils (3) hemmt, wobei die Kurzschlussleitung (43) jeweils in die die Riegel (19, 20) der beiden Eingriffspaare (19, 20, 29, 30) aufnehmende Ausnehmungen (21, 22) mündet, wobei die Riegel (19, 20) jeweils mit einem Druckmittelkanal (44, 45) versehen sind, welcher so angeordnet ist, dass die Kurzschlussleitung (43) bei eingreifendem ersten Eingriffspaar (19, 29) und bei nicht eingreifendem zweiten Eingriffspaar (20, 30) nicht unterbrochen ist und andernfalls unterbrochen ist. - Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 2 , dadurch gekennzeichnet, dass die Druckmittelkanäle der Riegel (19, 20) der beiden Eingriffspaare (19, 20, 29, 30) in Form von Ringnuten (44, 45) ausgebildet sind. - Nockenwellenversteller (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis3 , dadurch gekennzeichnet, dass die Verriegelungseinrichtung (19, 20, 29, 30) eine Mehrzahl Eingriffspaare (19, 20, 29, 30, 34-36, 40-42) aufweist, welche jeweils einen im An- oder Abtriebsteil (2, 3) aufgenommenen axialen Riegel (19, 20, 34-36) und eine im entsprechend anderen Teil geformte Riegelkulisse (29, 30, 40-42) umfassen, wobei die Eingriffspaare (19, 20, 29, 30, 34-36, 40-42) so ausgebildet sind, dass deren Riegel (19, 20, 29, 30) zwischen der zweiten Enddrehlage und der Basisposition bei Frühverstellung des Abtriebsteils (3) in sukzessiven Eingriff mit den zugehörigen Riegelkulissen (29, 30, 40-42) bringbar sind, wobei die Riegelkulissen (29, 30, 40-42) eine Spätverstellung des Abtriebsteils (3) hemmen und eine Frühverstellung bis zum Erreichen der Basisposition zulassen. - Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 4 , dadurch gekennzeichnet, dass die Eingriffspaare (19, 20, 29, 30, 34-36, 40-42) in Umfangsrichtung gleichmäßig verteilt angeordnet sind. - Nockenwellenversteller (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis5 , dadurch gekennzeichnet, dass die Basisposition eine zumindest annähernd in der Mitte zwischen den beiden Enddrehlagen befindliche Mittenstellung ist. - Nockenwellenversteller (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis6 , dadurch gekennzeichnet, dass er in Form eines Flügelzellenverstellers (1) ausgebildet ist. - Nockenwellenversteller (1) nach
Anspruch 7 , dadurch gekennzeichnet, dass die Riegel (19, 20, 34-36) im Rotor (3) aufgenommen und die Riegelkulissen (29, 30, 40-42) im Stator (2), beispielsweise in einer axialen Seitenplatte (16), geformt sind. - Brennkraftmaschine mit einem Nockenwellenversteller (1) nach einem der
Ansprüche 1 bis8 . - Kraftfahrzeug mit einer Brennkraftmaschine nach
Anspruch 9 .
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