DE102009019397B4

DE102009019397B4 - Phasenversteller für Verbrennungsmotoren mit einem Verriegelungselement

Info

Publication number: DE102009019397B4
Application number: DE102009019397.9A
Authority: DE
Inventors: Mike Kohrs; Jens Schäfer
Original assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Current assignee: Schaeffler Technologies AG and Co KG
Priority date: 2008-07-07
Filing date: 2009-04-29
Publication date: 2017-11-23
Anticipated expiration: 2029-04-30
Also published as: DE102009019397A1

Abstract

Phasenversteller für Verbrennungsmotoren, umfassend eine Antriebsgruppe (01) und eine Abtriebsgruppe (03), deren Drehwinkelposition zueinander verstellbar ist, sowie weiterhin umfassend ein Verriegelungselement, welches in einem Verriegelungszustand die Position der Antriebsgruppe (01) zur Abtriebsgruppe (03) in einer vorbestimmten Drehwinkelposition festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (05, 13, 19) während der Montage des Phasenverstellers am Verbrennungsmotor zur Aufrechterhaltung des Verriegelungszustands mechanisch in einer Verriegelungsposition festgelegt ist und vor Inbetriebnahme des Phasenverstellers in eine Parkposition versetzbar ist, in welcher es derart arretiert ist, dass es nicht selbsttätig in die Verriegelungsposition zurückkehren kann, wobei der Phasensteller einen Druckmittelkanal (11) umfasst, über welchen das Verriegelungselement (05, 13) mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, um es von der Verriegelungsposition in die Parkposition zu verschieben.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Phasenversteller für Verbrennungsmotoren gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Der Phasenversteller umfasst ein formschlüssig wirkendes Verriegelungselement zum Fixieren einer definierten Drehwinkelposition von einer mit der Kurbelwelle eines Verbrennungsmotors gekoppelten Antriebsgruppe zu einer mit der Nockenwelle des Verbrennungsmotors gekoppelten Abtriebsgruppe. Die vorbestimmte Drehwinkelposition soll während der Montage des elektromechanischen Phasenverstellers am Verbrennungsmotor beibehalten werden. Nach Fertigstellung der Montage soll die Verstellmöglichkeit des Phasenverstellers freigegeben werden, indem das Verriegelungselement aus der Fixierstellung entfernt wird.
Das Einsatzgebiet der Erfindung umfasst Phasenversteller bei Verbrennungsmotoren, vorzugsweise zur Verstellung der Öffnungs- und Schließzeiten der Gaswechselventile (Nockenwellenversteller, Phasenversteller für Aktuatorwellen bei variablen Ventiltrieben, wobei hier auch die Veränderung der Öffnungsdauer möglich ist).
Das Verstellglied eines elektromechanischen Phasenverstellers, welches die Antriebsgruppe und die Abtriebsgruppe umfasst, wird in der Regel mittels einer Zentralscheibe oder mehrerer Flanschschrauben an der Nockenwelle kraftschlüssig befestigt. Spezielle Vorrichtungen oder Maßnahmen zur Fixierung des Verstellgliedes in einer definierten Verstellwinkelposition, also einer definierten Winkellage von Antriebs- zu Abtriebsgruppe, während der Montage am Verbrennungsmotor sind bisher bei mechanischen/elektrischen Verstellvorrichtungen nicht vorgesehen oder sehr aufwendig gestaltet und erfordern dann zusätzliche Montageschritte, Bauteile und/oder Werkzeuge.
Die DE 10 2004 033 522 A1 offenbart eine Verriegelungseinheit, welche bei passiven Hilfsantrieben von Verstellvorrichtungen zum Verstellen der relativen Drehwinkellage einer Nockenwelle gegenüber einer Kurbelwelle einer Brennkraftmaschinen verwendet wird, um im Versagensfall des Verstellantriebs den Drehwinkel in einer Notlaufposition zu fixieren. Die Verriegelungseinheit kann als radial wirkendes Federelement ausgebildet sein, wobei das Entriegeln und Verriegeln über Öldruck erfolgt, welcher über einen Ölkanal zugeführt wird. Alternativ kann die Verriegelungseinheit die Fliehkraft, eine Magnetkraft oder den Drehimpuls der Verstellwelle ausnutzen, um betätigt zu werden. Eine Anordnung der Verriegelungseinheit in der Verstellvorrichtung kann sowohl axial als auch radial erfolgen. Der Nachteil dieser Lösung besteht darin, dass die Verriegelungseinheit nicht separat zur Startverriegelung, sondern nur als Teil eines Hilfsantriebs einer Verstellvorrichtung verwendet werden kann. Dadurch werden höhere Anforderungen an die Funktion gestellt, z. B. die Wiederverriegelung zu garantieren, was mit Kostenmehraufwand verbunden ist. Weitere Nachteile sind, dass die Basisposition im Betrieb der Montageposition entsprechen muss, durch Druckpulsationen Geräusche auftreten können sowie zusätzliche Bauteile benötigt werden. Eine andere Verriegelungseinheit geht aus DE 195 03 105 C1 hervor, welche die Verriegelung eines Ventiltriebs beschreibt.
Weiterhin weisen hydraulisch betätigte Nockenwellen-Versteller einen Verriegelungsmechanismus auf, der eine Fixierung in der Montageposition erlaubt. Die Nachteile dieser Verriegelung bestehen im Kostenmehraufwand sowie Einschränkungen in der Funktion beim Schnell- oder Kaltstart.
Andererseits ist bei einer Montage des Phasenverstellers ohne jegliche Arretierung mit hohen Steuerzeitfehlern oder sogar mit Beschädigungen des Verstellers oder des Verbrennungsmotors zu rechnen. Jedoch erweisen sich Justierung und Halten der erforderlichen Drehwinkelposition von Hand als langwierig und fehleranfällig.
Bei der Montage des Verstellgliedes ist es erforderlich, dass zur Einstellung der Steuerzeit des Motors das Verstellglied in einer definierten Verstellwinkelposition verbleibt. Es ist unzulässig, dass sich das Verstellglied während der Montage (Einsetzen in Nockenwelle, Auflegen Kette, Festschrauben Zentral- oder Flanschenschraube) z. B. durch äußere Momente aus dieser Position herausverstellt. Eine undefinierte Drehwinkellage zwischen An- und Abtriebsgruppe hätte zur Folge, dass der Verbrennungsmotor nicht richtig arbeitet (Gaswechsel, Verdichtung, Verbrennung) oder gar beim Betrieb zerstört wird (Kollision der Gaswechselventile untereinander oder mit dem Kolben).
Aufgabe der Erfindung ist es daher, für die vorstehend genannten Phasenversteller eine verbesserte Möglichkeit zur Sicherung der Montageposition zu schaffen.
Die Aufgabe wird durch einen Phasenversteller gemäß dem beigefügten Anspruch 1 gelöst.
Ein Verriegelungselement wird zwischen der An- und Abtriebsgruppe des Phasenverstellers angeordnet. Erfindungsgemäß wird das Verriegelungselement erst nach fertig gestellter Montage von einer Verriegelungsposition in einer Parkposition verlagert, in welcher es dauerhaft verbleibt. Das im Verriegelungszustand formschlüssig wirkende Verriegelungselement kann deutlich einfacher und damit kostengünstiger als beispielsweise Hydraulikversteller gestaltet sein, da seine Funktion auf einige wenige Verriegelungszyklen oder im einfachsten Fall auf einen einmaligen Entriegelungsvorgang beschränkt ist. Nach dem Entriegeln ist kein selbsttätiges Wiederverriegeln gewünscht, sodass keine Rückstellfeder erforderlich ist.
Das Verriegelungselement erleichtert die Montage des Phasenverstellers am Verbrennungsmotor, da keine manuelle Einstellung der Winkellage nötig ist. Ebenso wird kein zusätzliches Werkzeug benötigt, womit der Montageprozess weiter vereinfacht wird. Dies führt letztlich zur Verringerung von Fehlermöglichkeiten bei der Einstellung der Drehwinkellage. Da das Verriegelungselement dauerhaft in der Parkposition verbleibt, besteht bei der Montage nicht die Gefahr, dass bei der Entriegelung Teile im Motorraum herunterfallen oder dort vergessen werden. Da das erfindungsgemäße Verriegelungselement auch im fertig montierten Zustand der Verstelleinheit entriegelt werden kann, erfolgt das Entriegeln erst zu einem späten Zeitpunkt, vorzugsweise wenn der Motor fertig aufgebaut ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform wird nach erfolgreicher Montage des Verstellgliedes an den Verbrennungsmotor das Verriegelungselement aus einer Verriegelungsbohrung in eine Parkbohrung verschoben. Die Ausgestaltung des Verriegelungselements soll dabei so erfolgen, dass es nicht selbsttätig aus seiner Park- in die Verriegelungsbohrung gelangen kann. Beispielsweise kann dafür eine Presspassung zwischen Verriegelungselement und Parkbohrung vorgesehen sein. Alternativ dazu ist eine konische Ausführung des Verriegelungselements oder der Parkbohrung möglich. Die Beibehaltung der bei der Verriegelung eingenommenen Parkposition kann auch durch die auf das Verriegelungselement wirkenden Fliehkräfte unterstützt werden, wenn die Parkposition radial weiter außen als die Verriegelungsposition angeordnet ist. Das Verriegelungselement lässt sich auch durch Schnapp- oder Spreizelemente in der Parkposition verankern, die nach dem Verlassen der Verriegelungsposition aufgehen und ein Zurückrutschen verhindern. Denkbar zur Realisierung des dauerhaften Verbleibs in der Parkposition ist es auch, das Verriegelungselement mit einer besonderen Schwerpunktlage zu versehen, so dass sich dieser im Betrieb infolge der Gewichts- oder Fliehkraft quer zur Achse der Verriegelungsbohrung legt. Schließlich könnte das Verriegelungselement eine Kapsel mit Klebstoff umfassen, die beim Einschieben in die Parkposition zerstört wird und Klebstoff freigibt.
Das Verriegelungselement wird durch Drucköl oder -luft aus seiner Verriegelungsposition in die Parkposition verschoben. Weitere Möglichkeiten der Verlagerung ist das Einpressen von Fett mittels Fettpresse.
Die Vorteile einer solchen Lösung liegen in der vereinfachten Fertigung und Montage des Verstellgliedes, da keine genauen Passungen für die Verriegelung erforderlich sind. Nach der Montage kann ohne oder mit einem einfachen Werkzeug der durch das Verriegelungselement gebildete Formschluss unterbrochen werden.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung vorteilhafter Ausführungsformen, unter Bezugnahme auf die Figuren. Es zeigen:
1 eine Schnittansicht einer Verriegelungsanordnung in einem Phasenversteller mit einem durch Druck verstellbaren Kolben als Verriegelungselement in einer Verriegelungsposition;
2 eine Schnittansicht einer abgewandelten Verriegelungsanordnung mit einem durch mechanische Betätigung verschiebbaren Pin in Verriegelungsposition;
3 eine Detailansicht der Verriegelungsanordnung aus 2 mit dem Pin in Parkposition;
4 eine Schnittansicht einer nochmals abgewandelten Ausführungsform der Verriegelungsanordnung mit einem Formelement im Verriegelungszustand;
5 eine Detailansicht der Verriegelungsanordnung aus 4 mit unterbrochenem Formelement nach einem Entriegelungsvorgang im Parkzustand;
6 drei vereinfachte Schnittansichten einer abgewandelten Ausführungsform, bei welcher als Verriegelungselement durch eine Verriegelungsplatte gebildet ist, sowie den Ablauf der Entriegelung.
1 zeigt in einer Schnittansicht den eine Verriegelungsanordnung enthaltenden Abschnitt eines Phasenverstellers, welcher eine Antriebsgruppe 01 und eine Abtriebsgruppe 03 aufweist. Die allgemeine Funktion des Phasenverstellers muss hier nicht näher erläutert werden, da sie dem Fachmann hinlänglich bekannt ist. Durch Veränderung der Drehwinkellage der beiden Baugruppen 01, 03 zueinander wird im normalen Betrieb die gewünschte Phasenverstellung vorgenommen. Während der Montage des Motors soll eine vorbestimmte Drehwinkelposition jedoch nicht verlassen werden, damit der Phasenversteller später korrekte Einstellungen liefern kann.
Um die vorbestimmte Drehwinkelposition während der Montage beizubehalten, ist als Verriegelungselement ein Kolben 05 vorgesehen, der die Antriebsgruppe 01 und die Abtriebsgruppe 03 in der definierten Drehwinkelposition gegeneinander verriegelt. Unter bestimmten Lastannahmen, z. B. wenn das Anschraubmoment nicht aufgenommen werden muss, oder je nach Belastung kann der Kolben 05 aus Kunststoff oder aus fließgepresstem Aluminium bestehen. Der Kolben 05 erstreckt sich in der gezeichneten Verriegelungsposition von einer Verriegelungsbohrung 07, die in der Abtriebsgruppe 03 verläuft, bis in den vorderen Abschnitt einer Parkbohrung 09, die in der Antriebsgruppe 01 verläuft.
Nach erfolgreicher Montage des Verstellgliedes an den Verbrennungsmotor, wird der Kolben 05 zur Entriegelung aus der Verriegelungsbohrung 07 (Verriegelungsposition) entfernt und vollständig in die Parkbohrung 09 (Parkposition) geschoben. Dort verbleibt er im Regelfall für den Rest der Getriebelebensdauer. Jedenfalls ist sicherzustellen, dass das Verriegelungselement 05 die Parkposition nicht mehr selbsttätig verlässt, beispielsweise indem der Kolben im hinteren Abschnitt der Parkbohrung 09 durch eine Presspassung arretiert wird.
Die Verlagerung des Kolbens 05 in die Parkposition wird in der in 1 gezeigten Ausführungsform bewirkt, indem ein Druckmedium (z. B. Drucköl oder Druckluft) über einen Druckmittelkanal 11 in Verschieberichtung in die Verriegelungsbohrung 07 zugeführt wird. Als Druckmittelkanal 11 kann der vorhandene Schmierölkanal oder ein separat angelegter Kanal dienen. Nachdem der Kolben 05 die Parkposition eingenommen hat, also vollständig in der Parkbohrung 09 aufgenommen ist, lassen sich An- und Abtriebsgruppe zueinander verdrehen, um die Phasenverstellung vorzunehmen.
2 zeigt eine Schnittansicht einer abgewandelten Ausführungsform der Verriegelungsanordnung des Phasenverstellers, die wiederum dem Verriegeln der Antriebsgruppe 01 gegenüber der Abtriebsgruppe 03 dient. Die Verriegelung erfolgt hier durch einen mechanisch zu betätigenden Pin 13, der in 2 in Verriegelungsposition gezeichnet ist. In axialer Fortsetzung der Verriegelungsbohrung 07 ist eine Zugangsbohrung 15 vorgesehen, die zum mechanischen Entriegeln dient. Durch die Zugangsbohrung 15 kann ein Stift eingeschlagen werden, um den Pin 13 in die Parkbohrung 09 zu verschieben. Damit dies nicht durch ein aufgestautes Luftpolster gestört wird, ist eine Entlüftungsbohrung 17 vorgesehen, die von der Rückseite der Parkbohrung 09 ausgeht.
In abgewandelten Ausführungsformen können anstelle eines einzigen Pins oder Kolbens auch mehrere mechanisch, elektrisch, pneumatisch, magnetisch, hydraulisch oder chemisch zu betätigende Verriegelungselemente verwendet werden.
In 3 ist die Ausführungsform gemäß 2 in einer Detailzeichnung gezeigt, wobei der Pin 13 in seiner Parkposition dargestellt ist. Der Pin 13 befindet sich nunmehr nur noch in der Parkbohrung 09, sodass die Verriegelung aufgehoben ist.
Sowohl bei der Ausführungsform gemäß 1 als auch bei derjenigen nach den 2 und 3 ist es bei Bedarf möglich, auf den Kolben 05 bzw. den Pin 13 über eine Nadel oder dergleichen von Außen eine Wiederverriegelungskraft einwirken zu lassen, um ihn zurück in seine Verriegelungsbohrung 07 zu schieben. Dies kann erforderlich sein, um z. B. nach einer Wartungsarbeit den Montageprozess zu wiederholen.
4 zeigt in einer Schnittansicht eine weitere Ausführungsform. Als Verriegelungselement wird ein Formelement 19 verwendet, welches sich im Verriegelungszustand formschlüssig zwischen An- und Abtriebseinheit in angepassten Ausnehmungen erstreckt, ohne dass es in diesen Ausnehmungen verschiebbar ist. Nach erfolgter Montage wird das Formelement durch Anlegen eines äußeren Moments abgeschert, sodass die Sperrwirkung aufgehoben wird. Die Krafteinwirkung zum Abscheren des Formelements erfolgt vorzugsweise entgegen der Kraft-/Momentwirkung im Montageprozess.
5 zeigt die Ausführungsform gemäß 5 in einer Detailzeichnung nach Erreichen der Parkposition. Das Formelement nimmt seine Parkposition nicht durch körperliche Verlagerung sondern durch das erwähnte Abscheren ein. Die führt zu einer Unterbrechung des Formschlusses und zur Entriegelung der Antriebsgruppe 01 gegenüber der Abtriebsgruppe 03. Die beiden zertrennten Teile des Formelements 19 verbleiben in den jeweiligen Bohrungen.
Das Formelement 19 kann z. B. als Pin bzw. eingesetzter Zylinder aus Kunststoff gebildet sein. Ebenso können eingespritzte Formelemente wie z. B. Kunststoffnasen oder sonstige Anspritzungen verwendet werden.
6 zeigt ein nicht-erfindungsgemäßes Verriegelungselement, das als Verriegelungsplatte 30 gebildet ist und z. B. aus Blech gefertigt sein kann. Die Verriegelungsplatte 30 ist an der Abtriebsgruppe 03 angebracht oder integral mit dieser ausgebildet. Im Verriegelungszustand greift eine Nase 31, die sich über die Plattenebene erhebt, in eine Ausnehmung 32 in der gegenüberliegenden Antriebsbaugruppe 01 ein. Zum Entriegeln wird die Verriegelungsplatte 30 verschoben, sodass die in die Ausnehmung 32 eingreifende Nase 31 aufgerichtet und in die Plattenebene zurück geschwenkt wird. Nach der Entriegelung kann die Verriegelungsplatte 30 in ihre Parkposition zurück gleiten, ohne dass die Nase 31 in die Ausnehmung 32 eingreift. Die Verriegelung ist damit aufgehoben.
Bezugszeichenliste

01: Antriebsgruppe
03: Abtriebsgruppe
05: Kolben
07: Verriegelungsbohrung
09: Parkbohrung
11: Druckmittelkanal
13: Pin
15: Zugangsbohrung zum mechanischen Entriegeln
17: Entlüftungsbohrung
19: Formelement
30: Verriegelungsplatte

Claims

Phasenversteller für Verbrennungsmotoren, umfassend eine Antriebsgruppe (01) und eine Abtriebsgruppe (03), deren Drehwinkelposition zueinander verstellbar ist, sowie weiterhin umfassend ein Verriegelungselement, welches in einem Verriegelungszustand die Position der Antriebsgruppe (01) zur Abtriebsgruppe (03) in einer vorbestimmten Drehwinkelposition festlegt, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (05, 13, 19) während der Montage des Phasenverstellers am Verbrennungsmotor zur Aufrechterhaltung des Verriegelungszustands mechanisch in einer Verriegelungsposition festgelegt ist und vor Inbetriebnahme des Phasenverstellers in eine Parkposition versetzbar ist, in welcher es derart arretiert ist, dass es nicht selbsttätig in die Verriegelungsposition zurückkehren kann, wobei der Phasensteller einen Druckmittelkanal (11) umfasst, über welchen das Verriegelungselement (05, 13) mit einem Druckmedium beaufschlagbar ist, um es von der Verriegelungsposition in die Parkposition zu verschieben.
Phasenversteller nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement ein Kolben (05) oder ein Pin (13) ist, der im Verriegelungszustand sowohl in eine Verriegelungsbohrung (07) in der Abtriebs- oder Antriebsgruppe (03, 01) als auch in eine Parkbohrung (09) in der jeweils anderen Einheit eingreift, während er durch Beaufschlagung mit einer Entriegelungskraft vollständig in die Parkbohrung (09) verlagerbar ist.
Phasenversteller nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Verriegelungselement (05, 13) nach Verlagerung in die Parkposition in dieser durch Presspassung arretiert ist.
Phasenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass am Verriegelungselement (05, 13) und/oder im Bereich der Parkposition Federelemente vorgesehen sind, welche die selbsttätige Rückkehr des Verriegelungselements in die Verriegelungsposition verhindern.
Phasenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Parkposition im Vergleich zur Verriegelungsposition radial außen liegend angeordnet ist, sodass die im Betriebszustand auf das Verriegelungselement (05) wirkende Fliehkraft dieses in die Parkposition drängt.
Phasenversteller nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das am Verriegelungselement (05, 13) und/oder im Bereich der Parkposition ein Klebemittel vorgesehen ist, welches durch die Einnahme der Parkposition aktiviert wird, um die selbsttätige Rückkehr des Verriegelungselements in die Verriegelungsposition zu verhindern.